不同林齡馬尾松人工林土壤碳氮磷生態化學計量特征

雷麗群，盧立華，農 友，明安剛*，劉士玲，何 遠

(1.中國林業科學研究院熱帶林業實驗研究中心，廣西 憑祥 532600；2.廣西友誼關森林生態系統國家定位觀測研究站，廣西 憑祥 532600)

不同林齡馬尾松人工林土壤碳氮磷生態化學計量特征

雷麗群1,2，盧立華1,2，農 友1,2，明安剛1,2*，劉士玲1,2，何 遠1,2

(1.中國林業科學研究院熱帶林業實驗研究中心，廣西 憑祥 532600；2.廣西友誼關森林生態系統國家定位觀測研究站，廣西 憑祥 532600)

馬尾松人工林；林齡；碳氮磷；生態化學計量

近10年，生態化學計量學為研究分子、細胞、有機體、種群、生態系統等不同尺度的生物能力平衡和多重化學元素平衡，以及元素平衡對生態交互作用的影響等提供了嶄新視角[1]。它著重于強調有機體的主要組成元素(特別是C、N、P)的比值關系，認為元素的比值對有機體的關鍵特征及其對資源種類和數量的需求均有決定性作用[2]。土壤作為植物養分的主要來源，對植物的生長發育以及生態系統服務功能有著重要的調控作用[3]。探討森林生態系統土壤的生態化學計量特征，了解森林生態系統養分元素循環過程、養分限制性關系及其對全球氣候變化的響應與反饋，對提升森林生態系統服務功能和森林可持續經營均有著重要的意義[4-7]。

土壤CNP比是有機質或其他成分中的C素與N素、P素總質量的比值，是土壤有機質組成和質量程度的一個重要指標，反映了土壤內部CNP的循環特征[8]。曹娟等[9]研究了湖南會同3個林齡(7 a、17 a、25 a)杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)人工林的土壤C、N、P特征，發現隨著造林時間增加，土壤有機C、全N、全P含量逐漸增加，土壤的C∶N和C∶P主要受土壤有機C影響。崔寧浩等[10]對5 a、14 a、39 a三個林齡的馬尾松(PinusmassonianaLamb.)人工林的研究亦表明，土壤C、N、P含量隨林齡增加而增加，馬尾松人工林受N和P的共同限制，但林齡對N、P養分限制的影響并不顯著。不同學者的研究結論各異，曾凡鵬等[11]對遼東山區的落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.)群落的研究則表明，土壤C、N、P含量隨著林齡的增加而降低，地力呈逐漸衰退的趨勢，C∶N和C∶P隨林齡變化顯著。可見，土壤C、N、P含量及生態化學計量比隨林齡變化的趨勢，以及養分元素間的限制性關系仍有相當大的不確定性，需要進一步的研究探討。

馬尾松是我國南方主要的造林用材樹種，在林業生產及森林生態系統中占有及其重要的地位，具有耐干旱、適應性強、速生、優質等有特點[12]。本文以位于憑祥市的中國林科院熱帶林業實驗中心林區的4個林齡(6、16、23、35 a)馬尾松人工林為研究對象，分析了馬尾松從幼齡林至成熟林生長序列中的土壤有機C、全N、全P含量及其生態化學計量比格局，探討養分元素隨林齡的變化趨勢及它們之間的制約關系，以豐富該區域馬尾松生態系統生態化學計量學領域的基礎研究。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

選取成土母巖、地形地貌、土壤類型、海拔、坡度等立地條件較為一致的馬尾松人工林(6、16、23、35 a)為研究對象，每個林齡選取3塊林分，每個林分內設置面積400 m2的調查樣地。4個林齡初植密度均為2 940株·hm-2左右，造林后前3年均進行砍草撫育，不施肥，造林3年后不再進行撫育。造林第10 a左右進行第一次間伐，第20 a左右進行第二次間伐，第25 a左右進行第三次間伐。根據廣西用材林林組劃分標準[13]，將所選的4個林齡馬尾松人工林劃分為：幼齡林(6 a)、中齡林(16 a)、近熟林(23 a)、成熟林(35 a)。4個林齡馬尾松樣地的基本情況如下(見表1)。林下灌木主要有玉葉金花(MussaendapubescensAit. f.)、酸藤子(Embelialaeta(L.) Mez)、越南懸鉤子(RubuscochinchinensisTratt.)、紅皮水錦樹(Wendlandiatinctoria(Roxb.) DC.Subsp.intermedia(How) W. C. Chen)、大沙葉(PavettaarenosaLour.)等，草本主要有鐵芒萁(Dicranopterislinearis(Burm. ) Underw.)、半邊旗(PterissemipinnataL.)、金毛狗(Cibotiumbarometz(L. ) J. Sm.)、扇葉鐵線蕨(AdiantumflabellulatumL.)等。

表1 樣地基本情況

1.2 研究方法

1.2.2 樣品測定 土壤有機碳采用重鉻酸鉀-水合加熱法測定[7]；土壤全氮采用凱氏定氮法測定[9]；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定[9]。為保證數據的有效性和準確性，每個樣品重復測定3次，取其平均值做為最終數值。

1.3 數據處理

在Excel 2013中進行數據統計及繪圖，在SPSS 16.0中進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較分析(LSD)，采用Pearson進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P含量變化

表2 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P含量變化特征

同元素同行不同小寫字母表示該元素在不同土層中差異顯著(P<0.05)，同元素同列不同大寫字母表示該元素在不同林齡間差異顯著(P<0.05)。

Different lowerease alphabets in the same line indicate the element has significant difference in different soil layers(P<0.05), different capital alphabets in the same column indicate the element has significant difference among different ages(P<0.05).

2.2 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P的化學計量特征

2.3 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P含量及化學計量比的相關性

由表3相關性分析結果表明，土壤C:N與有機C含量有極顯著的相關性，與全N含量相關性不顯著，土壤C:P與有機C含量有極顯著相關性，與全P含量相關性不顯著，說明研究區馬尾松人工林土壤C:N、土壤C:P主要受有機C的影響。土壤N:P與全N含量呈現極顯著的相關性，與有全P含量相關性不顯著。

表3 馬尾松人工林土壤C、N、P含量及化學計量比的相關性

3 討論

土壤C∶N∶P是土壤有機質組成和質量程度的一個重要指標，可用于判定土壤C、N、P的礦化作用和固持作用[8]。研究區4個林齡馬尾松人工林土壤C∶N∶P分別為37∶3∶1、34∶4∶1、26∶3∶1、29∶5∶1，低于我國土壤C∶N∶P均值60∶5∶1。C∶N是衡量土壤C、N營養平衡狀況的指標，較低的C∶N比表明土壤有機質具有更快的礦化速率[25]。Bengtsson等[26]指出，當土壤C∶N比值較高時，微生物需要輸入N素來滿足自身的生長需要，當土壤C∶N比值較低時，超過微生物生長所需要的N素就會被釋放到土壤中。研究區4個林齡馬尾松人工林土壤C∶N平均值為8.48，低于我國土壤C∶N平均值11.9，表現為6 a幼齡林(11.66)>16 a中齡林(8.53)>23 a近熟林(7.54)>35 a成熟林(6.18)，不同林齡土壤C∶N時間差異顯著，可能原因是由于隨著樹木年齡的累積，原來土壤中豐富的C、N等結構性養分被大量消耗，造成土壤C∶N持續性降低。

土壤C∶P是衡量微生物礦化土壤有機物質釋放P或從環境中吸收固持P素潛力的一個指標，較低的C∶P比是土壤P有效性高的一個指標[8-9,27]。賈宇等[28]指出，當土壤C∶P>200時，微生物C素大幅度增加，競爭土壤中的速效磷，P素發生凈固持作用，當土壤C∶P<200時，會出現土壤微生物的C素短暫性增加，P素發生凈礦化作用。研究區4個林齡馬尾松人工林土壤C∶P均值為31.66，小于200更低于我國土壤C∶P平均值105，表現為6 a幼齡林(37.47)>16 a中齡林(34.31)>35 a成熟林(28.93)>23 a近熟林(25.97)，林齡對土壤C∶P無顯著性影響，說明隨著林齡的增加，土壤中可利用性P素仍然非常有限。

4 結論

(1)土壤有機C、全N含量從成熟林階段開始回升。

(2)N在不同林齡間和不同土層間的變化是土壤N∶P變化的主要原因。

(3)有機C是影響土壤C∶N、C∶P的重要因素。

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StoichiometryCharacterizationofSoilC,NandPofPinusmassonianaPlantationsatDifferentAgeStages

LEILi-qun1,2，LULi-hua1,2，NONGYou1,2，MINGAn-gang1,2，LIUShi-ling1,2，HEYuan1,2

(1.Experimental Center of Tropical Forestry，Chinese Academy of Forestry，Pingxiang 532600，Guangxi，China; 2.Guangxi Youyiguan Forest Ecosystem Research Station，Pingxiang 532600，Guangxi，China)

ObjectiveTo investigate the concentrations and stoichiometric ratio of soil organic C, total N and P inPinusmassonianaplantations from young to mature stages in order to enrich the basic research ofP.massonianaecosystem in stoichiometric field.MethodFourP.massonianaplantations at different ages (6-, 16-, 23- and 35-year-old) in Pingxiang of Guangxi were selected as the research object, three plots in size of 400 m2were set up for each of the plantations. The soil samples were collected from 0-20, 20-40, 40-60 cm depths respectively for measuring organic C, total N and total P, the ratio among them was estimated. The LSD method was used to test the significance of single factor.ResultThe contents of soil organic C, total N and total P in 0-20 cm soil layer of P. massoniana plantation were 5.73-15.56 g·kg-1, 0.63-1.23 g·kg-1and 0.17-0.33 g·kg-1, which are 1.51, 1.31, and 1.06 times of that in 2040 cm soil layer, and 1.97, 1.58, 1.06 times of that in 4060 cm soil layer, respectively. The concentrations of soil organic C and total N increased at initial and then decreased as the stand age increased, while decreased with the increasing soil depth. No significant difference was found in the soil total P among different stand age and soil depth. Stand age have statistically significant effect on soil C∶N and N∶P (P=0.001,P=0.000), the soil layer has significant effect on soil C∶P and N∶P (P=0.000,P=0.014).ConclusionThe contents of soil organic C and total N begin to pick up from the mature stage. The change of N among different stand age and soil depth is the key factor changing soil N∶P ratio. The ratio of soil C∶N and C∶P is mainly affected by organic C.

Pinusmassonianaplantation; stand age; CNP; stoichiometry.

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.010

2017-02-22

中國林業科學研究院基本科研業務費專項資金項目(CAFYBB2014QA033)、廣西林業科技項目(桂林科字[2016]第37號)、中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心主任基金項目(RL2015-04)

雷麗群,碩士,助理工程師。主要研究方向：森林生態學。 電話:13481104142, E-mail:757467053@qq.com. 地址：532600，廣西憑祥市科園路8號

* 通訊作者：明安剛，在讀博士,高級工程師。主要研究方向:森林生態學。E-mail:minganggang0111@163.com

S791.248

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1001-1498(2017)06-0954-07

崔 貝)