文章信息
- 曹娟, 闫文德, 项文化, 谌小勇, 雷丕锋
- Cao Juan, Yan Wende, Xiang Wenhua, Chen Xiaoyong, Lei Pifeng
- 湖南会同3个林龄杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征
- Stoichiometry Characterization of Soil C, N, and P of Chinese Fir Plantations at Three Different Ages in Huitong, Hunan Province, China
- 林业科学, 2015, 51(7): 1-8
- Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(7): 1-8.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150701
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文章历史
- 收稿日期:2014-06-17
- 修回日期:2015-05-13
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作者相关文章
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3. 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站 会同 418307;
4. 州长州立大学 伊利诺伊州 60484
2. National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China Changsha 410004;
3. Huitong National Field Station for Scientific Observation and Research of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province Huitong 418307;
4. Governors State University Illinois 60484
在过去10年里,我国生态化学计量学的研究获得了长足发展,并取得了许多成果(Han et al.,2005;任书杰等,2007;韩文轩等,2009;刘兴诏等,2010;阎恩荣等,2010;刘万德等,2010)。生态化学计量学主要研究生态系统各组分的化学元素比例关系及生态化学过程中各元素的动态平衡(Sardans et al.,2012;曾德慧等,2005;王绍强等,2008;贺金生等,2010)。森林土壤是森林生态系统的重要组分和元素储库,研究和了解森林土壤的生态化学计量特征,对进一步认识森林生态系统的营养元素循环过程、反馈机制和对各种干扰的响应,及实现森林生态系统服务功能的可持续管理均具有重大的理论和实践意义(曾德慧等,2005;王绍强等,2008;钟庸,2010)。
森林土壤碳、氮、磷含量间存在紧密关系,其比值可反映土壤内部的碳、氮、磷循环和平衡特征,是成土因子、植被类型和人类活动的综合影响结果(王绍强等,2008;Achat et al.,2013)。刘万德等(2010)研究发现,我国西南季风常绿阔叶林不同演替阶段(演替15年、演替30年及原始林)土壤中C:N无显著变化,N:P以及C:P则随演替进程呈下降趋势。而在高寒草甸生态系统,土壤C:N,N:P和C:P均随着草甸的退化过程呈降低趋势(罗亚勇等,2012)。王维奇等(2010)研究表明,土壤中碳、氮、磷计量学特征因人为干扰程度的不同而发生改变。综观已有文献,对于不同林龄森林土壤生态化学计量特征差别的研究报道较少,尤其是幼龄林到中龄林生长变化较快的一段时间内土壤养分含量变化研究不足。
杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方极为重要的速生用材树种,栽培面积广、生产力高、材质好,在林业建设和生态安全中具有举足轻重的地位。杉木林土壤肥力直接制约着生产力,其土壤营养元素含量受地域、地形和林分生长阶段的影响。到目前为止,对杉木林土壤生态化学计量的研究报道还不多,许鲁平(2013)研究了杉木种子园土壤碳、氮、磷化学计量特征,发现N:P为3.5~5.1,C:N < 10,而C:P要比C:N和N:P大得多;郭虎波等(2014)报道,氮沉降对土壤碳含量影响不显著,但增加了土壤氮含量和氮、磷比,减少了土壤磷含量。然而,尚未见到杉木林土壤碳、氮、磷生态化学计量特征随林龄变化的报道,而这对准确评价杉木林地养分状况、制定合理经营措施十分重要。因此,本研究分析对不同林龄杉木人工林土壤有机碳、全氮、全磷含量及其生态化学计量特征,探讨土壤层次分布规律和随年龄的变化规律,以期为杉木人工林可持续经营提供理论依据。
1 研究区概况研究区位于湖南会同县杉木林生态系统国家野外科学观测研究站(109°45′ E,26°50′ N),属典型的亚热带湿润性气候,年均气温16.8 ℃,年降水量1 100~1 400 mm,年空气相对湿度在80%以上。地貌为低山丘陵,海拔300~500 m。土壤为变色页岩和砂岩发育成的山地黄壤,pH4.9~5.1。气候和土壤条件都利于杉木生长。本试验林分为炼山后的实生苗造林林分,造林前林分为杉木人工林,整地方式均一致。造林后前3年内进行抚育管理,随后任其自然生长。林下灌木主要有杜茎山(Maesa japonica)、菝葜(Smilax china)和冬青(Ilex purpurea),草本有狗脊蕨(Woodwardia japonica)、铁芒萁(Dicranopteris linearis)和华南毛蕨(Cyclosorus parasiticus)等。
2 研究方法 2.1 样地设置选取土壤类型、立地条件一致的杉木幼龄林(7年生)、中龄林(17年生)和近熟林(25年生),并且选择杉木林采伐地炼山后造林前的对照样地1块。每种林龄林分和对照样地分别设置3块20 m×20 m样地,3种林龄杉木人工林样地基本特征见表 1。
野外采样于2013年8月进行。分别在各样地内随机设置“品”字形取样点3个,按0~20,20~40和40~60 cm土层取样,然后各样地同一土层样品混合后去掉杂质,采用四分法各取土500 g。带回室内自然风干,用对角线法取土样100~200 g,磨细后过0.149 mm筛备用,测定土壤有机碳、全氮和全磷含量。
2.3 样品测定重铬酸钾氧化-外加热法测定有机碳含量;半微量凯氏定氮法测定全氮含量;碱熔-钼锑抗比色法测定全磷含量。
2.4 数据处理采用SPSS18.0统计软件进行数据处理。
3 结果与分析 3.1 土壤有机碳含量的林龄及土层变化表 2表明,7,17和25年生杉木人工林0~60 cm土壤有机碳含量分别为18.37,14.20和15.40 g·kg-1,对照样地土壤有机碳含量平均为12.24 g·kg-1,且对照样地和3个林龄林分土壤有机碳含量均随着土层深度增加而逐渐降低。方差分析表明,3个林龄林分土壤平均有机碳含量均显著高于对照样地,幼龄林显著高于中龄林和近熟林(P < 0.05),中龄林和近熟林则没有显著差异(P>0.05);同一年龄不同土层,除25年生中龄林各土层间土壤有机碳含量差异不显著外,7和17年生林分土壤有机碳含量均表现为0~20 cm土层显著高于40~60 cm土层(P < 0.05),而这2层与20~40 cm土层均无显著差异(P>0.05);不同年龄同一土层,0~20 cm土层土壤有机碳在各林龄间无显著差异(P>0.05),20~40和40~60 cm土层均表现为7年生显著高于17和25年生(P < 0.05),所有土层中7,17和25年生均显著高于对照样地(P < 0.05)。
表 2表明,7,17和25年生杉木人工林0~60 cm土壤全氮含量分别为1.57,1.63和1.80 g·kg-1,对照样地土壤全氮含量平均为1.29 g·kg-1,且对照样地和3个林龄林分土壤全氮含量均随着土层深度增加而逐渐降低。方差分析表明,3个林龄林分土壤全氮含量均显著高于对照样地,25年生近熟林显著高于其他2个林龄林分(P < 0.05);同一年龄不同土层,除7年生中龄林和25年生近熟林各土层间无显著差异(P>0.05)外,17年生中龄林土壤全氮含量表现为0~20 cm土层显著高于20~40 cm土层(P < 0.05),20~40 cm土层显著高于40~60 cm土层(P < 0.05);0~20和20~40 cm土层在3个林龄间均无显著差异(P>0.05),但均显著高于对照样地(P < 0.05),40~60 cm土层表现为25年生近熟林显著高于7年生幼龄林和17年生中龄林,而3个林龄林分均显著高于对照样地(P < 0.05)。
3.3 土壤全磷含量的林龄及土层变化表 2表明,3个林龄杉木人工林土壤全磷含量分别为0.33,0.39和0.38 g·kg-1,对照样地土壤全磷含量为0.22 g·kg-1。方差分析表明,3个林龄林分土壤全磷含量均显著高于对照样地,17和25年生林分显著高于7年生林分(P < 0.05);同一土层不同年龄间土壤全磷含量差异不显著(P>0.05);同一年龄不同土层间土壤全磷含量差异也不显著(P>0.05)。
3.4 土壤有机碳、全氮、全磷的化学计量特征由图 1可以看出,3个林龄杉木人工林0~60 cm土层土壤C:N为8.00~11.88,平均值为9.66,变异系数为16.65%;N:P为3.67~5.53,平均值为4.56,变异系数为11.68%;C:P为30.98~64.21,平均值为44.75,变异系数为23.86%;土壤C:N和N:P变化较C:P稳定,变异系数都不大。
由图 1和表 3可以看出,3个林龄杉木人工林土壤C:N,N:P和C:P随土层深度的变化没有一致规律,这主要是土壤腐殖质层对植物养分供应与杉木生长吸收利用不同造成的。随土层深度变化,对照样地的C:N波动较小,而N:P和C:P在0~40 cm土层缓慢下降,在40~60 cm土层迅速下降;7年生幼龄林、17年生中龄林和25年生近熟林土壤C:N分别为11.73,8.70和8.52,对照样地为9.52,表现为7年生幼龄林>对照样地> 17年生中龄林>25年生近熟林,且7年生幼龄林显著高于对照样地、17年生中龄林和25年生近熟林,对照样地显著高于17年生中龄林和25年生近熟林(P < 0.05);3个林龄杉木人工林土壤N:P分别为4.87,4.18和4.76,对照样地为5.85,3个林龄杉木林显著低于对照样地(P < 0.05);3个林龄杉木人工林土壤C:P分别为57.42,36.27和40.54,对照样地为55.70,表现为7年生幼龄林>对照样地>25年生近熟林> 17年生中龄林,7年生幼龄林和对照样地显著高于17年生中龄林和25年生近熟林(P < 0.05);3个林龄杉木人工林C:N:P分别为56:5:1,36:4:1和41:5:1,对照样地为55:6:1。
从表 4可以看出,C:N与有机碳含量的相关性大于与全氮含量的相关性,而C:P与有机碳含量的相关性大于与全磷含量的相关性,表明研究区不同年龄杉木人工林土壤C:N和C:P主要受土壤有机碳含量的影响,与孙超(2012)对大安市姜家店退化草场的生态化学计量研究结果一致。研究林分土壤N:P与全氮、全磷含量都呈现出较高的相关性,表明N:P同时受到全氮和全磷含量的影响,而受到全磷含量的限制作用较大。
与讨论土壤碳、氮、磷是植物生长、发育以及物质循环过程中重要的化学元素,其含量和分布状况对植物的生长发育有很大影响(刘兴华等,2013)。本文通过对不同林龄杉木人工林土壤有机碳、全氮和全磷含量的研究发现,造林后土壤有机碳、全氮和全磷含量显著高于炼山造林前,表明随着炼山造林年限增长,植被逐渐恢复,枯枝落叶残体开始积累,地被物的分解加速了碳、氮、磷含量的恢复。不同林龄杉木人工林土壤有机碳含量为12.14~19.52 g·kg-1,全氮含量为1.43~1.89 g·kg-1,全磷含量为0.32~0.40 g·kg-1。从年龄梯度上看,土壤有机碳含量都表现为从7年生幼龄林、17年生中龄林到25年生近熟林先下降后上升的趋势,与其他学者对不同发育阶段杉木人工林土壤的研究结果一致(盛炜彤等,2003;王丹等,2009)。这可能是由于炼山对杉木人工林的影响在幼龄林基本郁闭时有所改善,有机碳含量有所恢复,加之新造杉木幼龄林生长过程中原有有机质分解利用小于新形成有机质的输入,使得幼龄林土壤有机碳含量较高;当杉木人工林进入到速生生长阶段后,林木生长需要消耗大量的养分,原有有机质分解大于新形成有机质的输入,从而使土壤有机碳含量有所下降;而当林分进入中龄林之后,林木对养分吸收减少,加之凋落物、植物根系分解产生的有机碳进入土壤,使得土壤有机碳含量有回升的趋势。土壤全氮含量表现为从7年生幼龄林、17年生中龄林到25年生近熟林增加的趋势。土壤全磷含量从7年生幼龄林、17年生中龄林到25年生近熟林先增高后降低。
3个林龄土壤有机碳和全氮含量随着土壤深度增加而逐渐降低,而土壤全磷含量在不同土层上差异不明显,土壤有机碳、全氮和全磷含量在土壤剖面上的分布模式主要是由碳、氮、磷的来源不同决定的。碳、氮主要受枯落物养分归还和分解的影响,使这些元素在土壤表层积累,然后经淋溶作用向下迁移,同时还受植物吸收利用的影响;而磷主要受土壤母质风化的影响。依据《中国土壤》中全磷含量的分级标准,研究区土壤全磷含量属低水平,这表明研究地土壤磷素供应不足,可能是影响杉木人工林生长的限制性因素。
土壤C:N:P是土壤有机质组成和质量好坏的一个重要参数,主要受区域水热条件和成土作用的控制,是碳、氮、磷矿化作用和固持作用的指标(王绍强等,2008;程滨等,2010)。研究地3个林龄杉木人工林C:N:P分别为56:5:1,36:4:1和41:5:1,对照样地为55:6:1,均低于我国土壤C:N:P的平均值(60:5:1)。
土壤C:N既是土壤质量的敏感指标,也是衡量土壤碳、氮营养平衡状况的指标,并且会影响土壤中有机碳和氮的循环(张春华等,2011)。本研究3个林龄杉木人工林有机碳和全氮含量显著正相关,在土壤剖面表现出相对一致的变化规律,这主要是由于这2种养分受枯落物养分归还和分解的影响,同时碳和氮作为结构性成分,其积累和消耗过程存在相对固定的比值。土壤有机层的C:N较低表明有机质具有较快的矿化作用,3个林龄杉木人工林土壤C:N表现为7年生幼龄林(11.73)> 17年生中龄林(8.70)>25年生近熟林(8.52),对照样地为9.52,对照样地显著低于7年生幼龄林,这可能是由于炼山燃烧后造成有机碳、氮的大量损失,尽管在造林前有机碳、氮含量有所恢复,但增加量依然有限,随着造林年限的推移,地上植被逐渐恢复、郁闭度增加,有机碳、全氮含量逐渐恢复,7年后有机碳的增幅较全氮大,因此C:N较高;对照样地显著高于17年生中龄林和25年生近熟林,这表明中龄林、近熟林具有较快的矿化作用,释放较多的氮从而使C:N降低。3个林龄杉木林土壤C:N均低于我国土壤C:N平均值(11.9)和全球土壤C:N平均值(13.33)(黄昌勇等,2000;王绍强等,2008;郭冬艳,2013)。
土壤N:P可用作氮养分限制、饱和的诊断指标,指示植物生长过程中土壤营养成分的供应情况(郭冬艳,2013),但由于植物除了从土壤中吸收养分外,还可以从老叶凋落之前的转移再分配以及空气中吸收部分养分,这表明土壤N:P并不能很好地反映生态系统养分限制状态(高三平,2008)。3个林龄杉木人工林土壤N:P表现为7年生幼龄林(4.87)>25年生近熟林(4.76)> 17年生中龄林(4.18),对照样地为5.85,3个林龄杉木林显著低于对照样地(P < 0.05),这主要是由磷含量的多少决定的,与研究区土壤磷背景值低、炼山前的皆伐、炼山等经营措施有关。3个林龄杉木人工林土壤N:P低于我国土壤N:P的平均值5.2(Tian et al.,2010;郭冬艳,2013),但均大于鼎湖山针叶林、混交林和季风林表层土壤N:P值2.3~3.6(刘兴诏等,2010),加之研究地土壤中磷较少,这表明研究地土壤中氮元素相对偏多,土壤磷元素可能是一个重要的限制因子。土壤氮元素相对偏多会使得土壤中的磷素有效性不足以平衡氮素有效性,影响林木生长发育、生理功能以及在生态系统中的循环特征(He et al.,2002;赵琼等,2005),因此在杉木可持续经营中适时适量施用磷肥以维持养分平衡显得十分必要。
土壤C:P是衡量微生物矿化土壤有机物质释放磷或从环境中吸收固持磷素潜力的一个指标(敖伊敏,2012)。土壤C:P<200,会出现土壤微生物的碳元素含量增加,微生物磷元素发生净矿化作用。3个林龄杉木人工林土壤C:P表现为7年生幼龄林(57.42)>25年生近熟林(40.54)> 17年生中龄林(36.27),对照样地为55.70,7年生幼龄林和对照样地显著高于17年生中龄林和25年生近熟林(P < 0.05)。较低的C:P是磷有效性高的一个指标,7年生幼龄林较炼山后造林前土壤磷的有效性低,这可能是造林前的炼山在一定程度上加快了土壤中磷的矿化速度,加大了土壤速效磷的供应,而造林后杉木人工林生长消耗较多的磷造成的;而7年生幼龄林以后随着杉木人工林林龄增长,磷的有效性先增加后下降,这主要是杉木人工林速生生长阶段对养分需求大、中龄林后养分需求减少造成的。3个林龄杉木人工林土壤C:P均低于我国平均值61(Tian et al.,2010;郭冬艳,2013),这将有利于研究区土壤微生物体有机磷净矿化,为杉木人工林生长提供可吸收利用的磷酸盐。
3个林龄杉木人工林土壤C:P和N:P均随着林龄的增加先下降后升高,土壤中碳、氮含量的变化是土壤C:P和N:P变化的重要影响因素,而枯落物分解归还、林木生长吸收利用是碳、氮含量变化的主要原因。刘兴诏等(2010)研究南亚热带森林演替过程中土壤氮、磷的相互关系发现,土壤N:P随着森林演替的进行呈现出明显增加的变化趋势;白荣(2012)研究认为,土壤C:P和N:P随着滇中高原典型植被演替的进行先升高后降低,在演替中期达到最大。本文的研究结果有所不同,可能是由于植被类型和立地条件等因素造成的。
对土壤有机碳含量、全氮含量、全磷含量、C:N、C:P和N:P之间的相关性分析可以看出,C:N与有机碳含量的相关性大于与全氮含量的相关性,C:P与有机碳含量的相关性大于与全磷含量的相关性,表明研究区杉木人工林土壤C:N和C:P主要受土壤有机碳含量的影响,低的C:N和C:P意味着有机质分解较快,对于有较大降雨量和降雨频率的南方杉木人工林来讲可能不利于土壤肥力的维持。
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