不同坡位輕木人工林土壤養分含量及其化學計量特征

關鍵詞：坡位；輕木；生長；土壤養分：化學計量比

土壤養分含量是地球化學循環、森林群落的結構和功能、生態系統穩定性和生產力的重要組分，也是評估土壤養分儲存的重要指標，是關聯植物和土壤的重要因子。土壤養分不僅影響植物體內有機物的重要組成，還能調節植物體的生命活動，是森林植被生長發育的必要物質基礎，其含量高低可以調控碳（C）和養分在土壤一植物一大氣連續體之間的循環，對生態系統的結構和功能有重要影響。在目前的造林過程中，地表和地下生態系統同時發生變化，導致土壤條件改變。植物固定大氣中的C和氮（N），并通過凋落物和根系分泌物將其輸入土壤子系統。相反，植物生長不可避免地受到有機基質轉化和礦物元素釋放的影響，并受到土壤中各類礦物養分短缺的限制，這進一步影響植物群落的演替。因此，了解土壤養分的動態變化及其相關的生態過程對人類預測植被恢復狀態和土壤條件至關重要。C是構成植物體干物質的主要元素，N、磷（P）是植物生長所必需的營養元素，它們的含量變化對調控植物生長起關鍵作用。同時，土壤N、P元素限制植物的生長發育，提高二者的吸收和利用效率是植物適應不同土壤狀況的重要養分調控機制。C：N：P化學計量法反映土壤中3種元素之間的關系，已被廣泛用于監測土壤礦物元素的動態變化。土壤C/N、C/P和N/P值可以作為造林期間土壤養分狀況和元素平衡狀況的綜合評價指標。Ren等通過檢查土壤中C：N：P化學計量和微生物生物量的變化，揭示造林過程中C、N和P的不平衡性增加導致P限制。因此，在造林過程中更好地了解C：N：P化學計量特征對于評估土壤養分狀況和人工林的可持續發展至關重要。

眾所周知，土壤微生物N、P含量與土壤理化性質高度相關，也參與有機物質的代謝，從而影響土壤養分的積累、礦化和有效性。植樹造林有可能改變地下微生物群落，進而改變土壤的理化性質。已有研究表明，土壤微生物可以調整其元素利用效率，以適應不同的資源成分，進而引起不同生境中的土壤養分含量發生變化。而林下養分含量的變化大多是因為凋落物和根的分解，以及土壤化合物的合成，導致土壤C、N、P化學計量發生變化。不同的立地條件直接影響光照、溫度、水分及土壤質地等因子，導致土壤養分和微生物的差異。此外，人工林生長發育狀況對土壤養分含量也有直接的作用，即植物的郁閉度影響土壤溫度和落葉養分回歸。劉鑫等研究表明坡位對小葉楊（Populus SLmo-nii）和沙柳（Salix psammophila）人工林的生長均有顯著影響；王子婷等研究指出，坡位是影響半干旱黃土區檸條（Caragana korshinskii）人工林生長的主導環境因子之一，下坡位檸條生長狀況略好于中上坡位。且闊葉樹人工林與針葉造林樹種相比，對立地生境的要求更為敏感。輕木（Ochroma pyramidale）又稱巴沙木，是木棉科常綠闊葉喬木，原產于南美洲的赤道熱帶地區，原產地氣候炎熱，年平均溫度22～27℃，最冷月平均氣溫在20℃以上。輕木作為航天、航空、航海和一些高級場所的必備材料，其應用前景將越來越廣闊，目前在云南省西雙版納有大規模種植的輕木人工林。然而目前關于輕木的研究較少，從輕木人工林生長與土壤養分含量及其化學計量特征角度來看，其相關關系尚不清晰。為此，本研究通過野外調查采樣與室內分析相結合的方法，以2年生輕木人工林為研究對象，比較上坡位和下坡位不同土層的土壤養分含量和化學計量及輕木生長情況，以期為不同立地條件下輕木人工林的生產提供理論參考。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于云南省西雙版納勐醒農場輕木人工林場（101°10'～101°30' E，21°54'～21°55' N），海拔約550m。該地屬于西南熱帶季風氣候，年降水量1520mm。干、濕季分明，且降水主要集中在5-10月，占全年降水量的85%，年平均氣溫21.9℃，1月份均溫最低，為16.6℃，6月份均溫最高，為25.5℃。土壤類型為紅壤。

1.2樣地設置與樣品采集

實驗林場中所選研究對象為2年生輕木，株距3m，行距5m。2022年8月，林分下坡位和上坡位分別隨機選取坡向一致（東西坡向）、坡度相近（20°～30°）、人為干擾較小、具有代表性的3塊30mx30m標準地共計6塊，樣地內進行每木檢尺，記錄喬木層所有林木的樹高（H）和胸徑（DHB）。每塊樣地隨機選擇3棵標準木，并按標準木對角線挖3個20cmx30cmx60cm土壤剖面，采用環刀法，采集0～20、20～40cm和40～60cm土層土樣，根據輕木根系生長特性，并參考竹萬寬等的方法取樣。用環刀取土，去除雜物和植物根系，同層土壤混勻、裝袋、標記、密封后置于含冰袋的保溫箱中，帶回實驗室進行養分含量測定。

1.3測定項目及方法

將土壤樣品一部分風干、研磨、過2mm篩，用于測定土壤有機質（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量；另一部分置于4℃冰箱中冷藏保存，用于測定土壤堿解氮（AN）、有效磷（AP）含量。土壤SOC采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化一容量法測定．TN采用凱氏定氮法測定，TP采用氫氧化鈉熔融、鉬銻抗比色法測定；AN采用三氯甲烷熏蒸一蒸餾一鹽酸（HCl）滴定法測定，AP采用三氯甲烷熏蒸-TP法測定。

1.4數據處理與分析

用Microsoft Excel 2016整理數據：用SPSS26.0軟件對數據進行單因素方差分析（One -wayANOVA）及獨立樣本t檢驗分析差異顯著性，采用GraphPad 8.0繪圖。

2結果與分析

2.1不同坡位對輕木生長的影響

如圖1所示，不同坡位對輕木樹高和胸徑存在顯著影響，下坡位樹高和胸徑顯著高于上坡位，分別增加23.39%（Plt;0.01）和49.43%（Plt;0.001）。

2.2不同坡位SOC、TN、TP和AN、AP含量特征

由圖2可以看出，0～20cm土層土壤SOC、TN、TP和AN含量坡位間無顯著差異；AP含量表現為下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。20～40cm土層土壤SOC、TN和TP含量坡位間無顯著差異，AN和AP含量均表現為下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。40～60cm土層土壤SOC、TN、TP和AN含量坡位間無顯著差異，AP含量表現為下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。在上坡位和下坡位中，土壤SOC、TN、AN和AP含量隨土層加深總體呈降低趨勢，且40～60cm土層均顯著低于其他土層：土壤上坡位TP含量隨土層加深無顯著變化，下坡位隨土層加深而降低，其中40～60cm顯著低于0～20cm土層。

2.3不同坡位土壤SOC、TN、TP和AN、AP化學計量比特征

由圖3可知，0～20cm土層SOC/TN、SOC/TP和TN/TP值坡位間無顯著差異：AN/AP值表現為上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）。20～40cm土層SOC/TN和TN/TP值坡位間無顯著差異：SOC/TP值表現為下坡位gt;上坡位，AN/AP值表現為上坡位gt;下坡位，且均存在顯著差異。40～60cm土層SOC/TN和TN/TP值坡位間無顯著差異：SOC/TP值表現為下坡位gt;上坡位，AN/AP值表現為上坡位gt;下坡位，且均存在顯著差異。在上坡位和下坡位中，不同土層間SOC/TN、SOC/TP、TN/TP和AN/AP值均無顯著差異。

2.4坡位對輕木生長與土壤養分及其化學計量比的影響

2.4.1不同坡位土壤養分及其化學計量比與輕木生長狀況的相關性分析

由圖4看出，在上坡位中，土壤TN含量與SOC含量呈極顯著正相關；SOC/TN、SOC/TP值與SOC含量呈顯著負相關：TN/TP值與TP含量呈顯著負相關，與SOC/TP值呈極顯著負相關；AN含量與TN、SOC含量呈極顯著正相關：AP含量與AN含量呈顯著正相關：AN/AP值與AP含量呈顯著負相關，樹高與胸徑呈顯著正相關。

在下坡位中，土壤TP含量與SOC含量呈顯著正相關；SOC/TN值與SOC、TP含量呈顯著負相關（Plt;0.01，Plt;0.05）；SOC/TP值與SOC含量呈極顯著負相關，與SOC/TN值呈顯著正相關：AN含量與SOC、TN和TP含量均呈顯著正相關（Plt;0.01，Plt;0.05，Plt;0.05），與SOC/TN值和SOC/TP值均呈顯著負相關（Plt;0.01，Plt;0.05）；AP含量與SOC、TP和AN含量呈顯著正相關（Plt;0.01，Plt;0.05，Plt;0.01），與SOC/TN和SOC/TP值均呈顯著負相關；AN/AP值與AP含量呈顯著負相關；H與SOC/TN值呈顯著正相關，與AP含量呈顯著負相關。

2.4.2不同坡位土壤養分及其化學計量比與輕木生長之間的主成分分析（PCA）

為進一步了解不同坡位土壤養分含量及其化學計量比與輕木生長之間的相關關系，對土壤養分含量及其化學計量比與生長指標進行PCA。從圖5可以看出，前兩個主成分累計方差貢獻率為78.8%，表明提取的前兩個主成分是主要貢獻者，能有效解釋不同坡位下輕木生長特性，以及土壤的養分變化特征：SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值在上坡位中占比較大，AP、AN、SOC含量和DHB在下坡位中占比較大，能有效反映兩個坡位中土壤養分和輕木生長的差異及其關系。

3討論

3.1坡位對土壤養分含量特征的影響

土壤有機質及速效養分在整個生態系統能量流動和物質循環過程中起到十分重要的作用。TN主要來源于植物根系的固氮作用，而N是影響淋溶層土壤P的主要因子，土壤TP含量代表著土壤P的總儲量。AP和AN是植物體內重要的養分來源。研究不同形態的土壤養分含量對植物和微生物的有效性，預測森林的健康（生長）狀況，了解森林轉化后的土壤因素對改善土壤養分狀況和保護森林資源極為重要。坡位作為重要的地形因子，主要通過水土流失和土壤侵蝕影響土壤養分的空間分布。本研究中，AP含量在0～20cm和40～60cm土層中表現為下坡位高于上坡位．AN含量在20～40cm土層中也表現出下坡位高于上坡位，其他土壤養分含量均未隨坡位變化而變化。這可能是由于土壤受到風力侵蝕或在雨水沖刷作用下，下坡位的土壤淋溶過程較弱，上坡位地表侵蝕則相對較強。對比上坡位和下坡位土壤養分情況，發現SOC、TN、AN和AP含量隨土層深度加深而降低，且在40～60cm土層中表現出顯著差異，TP含量在上坡位中隨土層加深無顯著變化，在下坡位中隨土層加深而降低，這與曹娟等對杉木人工林土壤養分變化分析的研究結果相似，土壤SOC、TP和TP含量在不同土層剖面上的分布模式主要是由其來源不同所決定的。SOC、AN和AP含量主要受地上枯草和凋落物的養分歸還和分解的影響，使這些元素在不同土壤層積累不同，且同時還受植物自身吸收利用的影響：而TP主要受土壤母質風化的影響。

可見不同坡位對土壤養分含量產生影響，根據坡面侵蝕理論，雨水侵蝕主要發生的上坡位，大量地表養分被侵蝕并通過坡面徑流匯集到下坡位，因此輕木人工林的下坡位由于接受了來自于坡頂和坡中的侵蝕土壤，土壤養分含量有所上升。且位于土壤剖面底部的風化成為了可用土壤養分（N和P）的主要來源，而土壤養分進一步被植物轉移，并以AN和AP的形式積累在表層土壤中，從而在土壤剖面中形成復雜的垂直分布模式，且隨土層加深而降低。依據《中國土壤》和全國第二次土壤普查有關標準，本研究區輕木人工林土壤中TP含量（lt;0.4g/kg）屬低水平，這表明該區域土壤P供應不足。

3.2坡位對土壤養分含量化學計量特征的影響

生態化學計量是指生態系統能量和多種化學元素（主要是C、N和P）按元素比例的平衡，已廣泛用于研究土壤養分循環。因為C是植物中最常見的元素，N和P是植物生長的必需營養元素和關鍵控制因素，三者之間關系是耦合的。土壤C：N：P生態化學計量不僅反映土壤C、N和P的循環和平衡特征，還反映土壤發育過程中的營養狀況，使其成為土壤質量的重要指標。由于造林過程中土壤中C、N和P含量不呈比例增加，土壤和微生物生物量中的C、N、P化學計量也會發生顯著變化。本研究中，在0～20cm土層中，AN/AP值表現為上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）；20～40cm和40～60cm土層中，SOC/TP值表現為下坡位gt;上坡位，AN/AP值表現為上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）。這與高雪松等研究不同坡位的土樣養分特征結果相似，也與張莉等的研究結果一致。此外，在人工林種植中，已有研究顯示土壤中C和N含量大大增加，但P含量的增加卻較少。由于本研究區域受P限制，而P和N是AP和AN的主要來源，AN/AP值的高低反映了土壤中P、N含量的有效性。一方面，上坡位受剝蝕影響后土層較淺薄，能供給的有機質較少，而下墊面對巖石碎屑的層層截留使得丘陵坡位越靠下．土層越厚，有機質含量越高；另一方面，隨山地海拔逐漸升高，氣溫和土壤溫度持續降低，抑制了輕木林下土壤動物微生物活動，降低了群落養分循環速率。因此，N/P值和C/P值可以提供比C/N值更有用的信息來反映土壤和微生物之間的關系，本研究區域表現出上坡位土壤缺P程度顯著高于下坡位。

3.3不同坡位輕木生長和土壤養分含量及化學計量比的關系

坡位常通過調節土壤與環境間的能量交換以及水肥分配，改變土壤的養分狀況，進而影響植物長勢。前人研究表明，在坡型一致的坡地上，土壤SOC、TN、TP以及AP、AN含量會隨著坡位升高而降低，呈現明顯的坡底匯集效應。本研究中輕木人工林的樹高和胸徑在不同坡位有顯著差異，下坡位生長狀況較上坡位優勢明顯，在主成分分析中也可以看出，下坡位輕木的胸徑占有較大載荷值。這與張莉等對茅蒼術幼苗（Atractylodeslancea）、胡繼文等對香椿的研究結果一致，均表現出下坡位植物的長勢、土壤養分都高于上坡位。坡位在調控土壤供肥水平的同時，還對各土層C、N和P含量及其化學計量比之間有一定的約束。有研究也發現土壤中SOC和TN之間存在強烈的相關性。本研究中土壤SOC、AP和AN含量對輕木的生長起關鍵性作用，在上坡位中，主要通過SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值的養分平衡反映土壤的肥力情況，也反映TP、TN與AP、AN的轉化情況，特別是AN/AP值反映的是土壤中養分的可利用效率。而在下坡位中，主要是通過AP、AN和SOC含量反映土壤養分情況。

可見本研究區域的輕木人工林土壤SOC主要受土壤有機碳含量的影響，SOC/TP、SOC/TN值和AN、AP含量變化意味著有機質分解快慢，對于有較大降雨量和降雨頻率的西雙版納輕木人工林而言，更不利于土壤肥力的維持。

4結論

1）隨著土層深度的增加，不同坡位土壤SOC、TN、TP、AN和AP含量總體呈降低趨勢；40～60cm土層土壤各養分含量顯著低于0～20cm土層（上坡位TP除外）。

2）在0～60cm的3個不同深度土層中．AP含量均表現為下坡位顯著高于上坡位，AN含量在20～40cm土層中也表現出下坡位顯著高于上坡位；3個不同深度的土層中，AN/AP值均表現為上坡位顯著高于下坡位：20～40cm和40～60cm土層中，SOC/TP值表現為下坡位顯著高于上坡位。

3）下坡位輕木樹高和胸徑較上坡位顯著增加23.39%和49.43%。土壤SOC、AP和AN對輕木的生長起關鍵性作用，其中，在上坡位中，主要通過SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值的養分平衡反映土壤的肥力情況，也反映TP、TN與AP、AN的轉化情況，特別是AN/AP反映的是土壤中養分的可利用效率；而在下坡位中，主要是通過AP、AN和SOC含量反映土壤養分情況。

本研究區中，下坡位輕木的生長狀況優于上坡位，土壤AP、AN和SOC含量及其比值可以反映不同區域輕木的生長情況，也可作為當地評估林地養分是否缺失的信號。本研究結果增加了該地區關于輕木生長及土壤養分變化信息的資料，可為今后輕木人工林管理提供理論支持。