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化学计量学是化学元素平衡的科学,强调活有机体主要组成元素(特别是碳、氮和磷)的化学计量特征关系[1-3]。中国人工林面积居世界之首,因林分结构单一、培育制度不健全而导致水土流失和林分生产力下降等问题日趋严重。目前,国内对人工林生态系统内不同元素化学计量学研究颇多,主要集中在植物器官的元素生态化学计量学特征研究。崔宁洁等[4]总结了长江上游不同林龄马尾松Pinus massoniana人工林生态系统内碳、氮、磷分配格局及化学计量特征,对提高马尾松人工林养分利用效率及林地生产力具有重要意义;赵亚芳等[5]对秦岭西主峰鳌山下3种不同林龄华北落叶松Larix principis-rupprechtii针叶碳、氮、磷质量分数及其化学计量比随季节变化规律进行了比较分析,为华北落叶松的合理经营提供理论依据。土壤作为人工林生态系统的重要组成部分,其养分成分对速生林生长起关键作用[6],土壤中各元素化学计量学特征不仅反映肥力状况,同时其比值也反映了土壤碳、氮、磷、钾的矿化和固持作用及对养分的供给能力。桉树Eucalyptus spp.和松树Pinus spp.是华南地区最重要的速生丰产林树种,栽植面积大,材质好且生产力高,在中国林业建设与生态安全中发挥举足轻重的作用,但树种结构单一、轮伐期短和连年栽植等问题已造成人工林产量逐代递减,林地土壤理化性质变差[7-8]。人工林地力衰退成为了制约林分生长的主要因素[9]。本研究选取雷州半岛尾巨桉Eucalyptus urophylla × E. grandis,赤桉Eucalyptus camaldulensis和湿加松Pinus elliottii × P. caribaea等3种常见人工林为研究对象,对其林下土壤有机碳、全氮、全磷、全钾质量分数及生态化学计量特征进行研究,以期揭示人工速生林下土壤碳、氮、磷、钾的分布格局及其比值变化特征,为人工林土壤养分管理及合理科学施肥提供理论依据和数据支持。
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研究地位于南方国家级林木种苗示范基地,属北热带湿润大区雷琼区北缘,海洋性季风气候,年降水量为1 567 mm,5-9月为雨季,占全年85.5%;年平均气温为23.1 ℃,年相对湿度为80.4%;土壤类型主要为砖红壤,有机质质量分数>10.0 g·kg-1,偏酸性(pH 4.5~5.3)[10-12]。试验林分选取种苗基地内3个不同速生树种(尾巨桉、赤桉、湿加松),不同林分苗木均来源于种苗基地培育的生长均一[(25±2)cm]的网袋苗木,造林前施用等量(666 kg·hm-2)专业基肥,造林后对林分进行定期除杂维护。林分具体特征见表 1。
表 1 试验地林分概况
Table 1. Basic situation of different plantations
林分 样地坐标 海拔/m 坡度/(°) 坡向 初植密度/(株·hm-2) 林龄/a 平均树高/m 平均胸径/cm 尾巨桉林 21°15′42.48″N
110°06′5.76″E113.0 8 东 1 666 8 23.15 18.43 赤桉林 21°16′2.02″N
110°05′26.32″E98.6 0 1 666 8 15.28 10.82 湿加松林 21°15′30.60″N
110°06′6.12″E104.7 0 1 666 15 13.73 20.60 -
2016年4月下旬,在备选的3个不同人工林林分中分别布设3个20 m × 20 m的样地,在每个样方内以“S”形选择5个点取样,使用土钻按0~20 cm,20~40 cm,40~60 cm分层采集土壤,仔细除去其中可见植物残体及土壤动物,风干过筛(0.25 mm网筛)后备用[6]。
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本研究中,元素质量分数测定方法参考LY/T 1210~1275-1999中华人民共和国林业行业标准。有机碳测定采用重铬酸钾氧化-容量法,土壤全氮采用凯氏定氮法,土壤全磷采用碱熔-钼锑抗比色法,土壤全钾采用碱熔-火焰光度法。数据采用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析、相关分析以及多重比较、采用Excle 2010绘制相关图表。
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由表 2可知:3种不同人工林0~60 cm土壤有机碳和全氮质量分数均表现为赤桉林>尾巨桉林>湿加松林,全磷质量分数表现为尾巨桉林>湿加松林>赤桉林。其中,有机碳和全氮质量分数差异不显著(P>0.05);赤桉全磷质量分数显著低于尾巨桉林和湿加松林,全钾质量分数表现为湿加松林>赤桉林>尾巨桉林,湿加松林土壤全钾质量分数显著高于尾巨桉林和赤桉林土壤(P<0.05)。
表 2 各人工林下不同土壤深度有机碳、全氮、全磷和全钾质量分数
Table 2. Content of organic C, total N, total P and total K of the different soil depths in 3 kinds of plantations
养分 林分 不同土层养分质量分数/(g·kg-1) 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 0~60 cm 尾巨桉林 25.73± 2.72 Aa 13.72 ± 1.33 Ab 10.23 ± 1.97 Ab 16.56 ± 1.99 A 有机碳 赤桉林 27.32 ± 2.36 Aa 15.21 ± 1.92Ab 11.06 ± 1.14Ab 17.86 ± 0.54 A 湿加松林 23.73 ± 1.63 Aa 14.86 ± 2.44 Ab 9.70 ± 2.03 Ab 16.10 ± 1.12A 尾巨桉林 2.10 ± 0.21Aa 0.93 ± 0.13 Bab 0.77 ± 0.17 Ab 1.27 ± 0.17 A 全氮 赤桉林 1.84 ± 0.20 Aa 1.33 ± 0.08 Ab 0.94 ± 0.09 Ab 1.37 ± 0.09 A 湿加松林 1.88 ± 0.06 Aa 1.22 ± 0.08 ABb 0.71 ± 0.19 Ac 1.27 ± 0.07 A 尾巨桉林 0.90 ± 0.01Aa 0.82 ± 0.02 Ab 0.84 ± 0.02 Ab 0.85 ± 0.01 A 全磷 赤桉林 0.71 ± 0.00Ba 0.68 ± 0.02 Ca 0.64 ± 0.03 Ba 0.68 ± 0.02 B 湿加松林 0.89 ± 0.06 Aa 0.75 ± 0.02 Ba 0.81 ± 0.03 Aa 0.82 ± 0.04 A 尾巨桉林 0.86 ± 0.02 Ca 0.62 ± 0.10 Bb 0.64 ± 0.05 Bab 0.71 ± 0.03 B 全钾 赤桉林 1.73 ± 0.27 Ba 1.05 ± 0.07 Bb 1.04 ± 0.17Bb 1.27 ± 0.10 B 湿加松林 9.21 ± 0.18Ab 11.56 ± 0.66 Aa 10.36 ± 0.48 Aab 10.38 ± 0.40 A 说明:同列不同大写字母表示相同元素不同人工林间差异显著(P<0.05),同行不同小写字母表示相同元素不同土壤深度差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著(P>0.05),“±”后为标准误。 3种不同人工林中,有机碳、全氮均随土层深度的增加而呈现下降趋势。其中,不同人工林表层(0~20 cm)土壤有机碳和全氮质量分数分别为23.73~27.32和1.84~2.10 g·kg-1,而中层土壤(20~40 cm)则迅速下降至13.72~15.21和0.93~1.33 g·kg-1,之后到下层土壤(40~60 cm)虽质量分数有所下降但未出现显著差异。土壤全磷和全钾质量分数随土层深度增加变化不大,除尾巨桉林表层全磷质量分数及赤桉林表层全钾显著高于中层和下层土壤,其余不同人工林各土层深度间全磷质量分数均未达到显著水平(P>0.05),不同人工林中层土壤全钾质量分数与表层和下层土壤均未产生显著差异(P>0.05)。3种人工林相同土层间有机碳和全氮均未产生显著差异,尾巨桉林与湿加松林各层土壤全磷质量分数均显著高于赤桉林土壤,而尾巨桉林和赤桉林各层土壤全钾质量分数均显著低于湿加松林土壤(P<0.05)。
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图 1可以看出:3种不同人工林0~60 cm土层间土壤碳氮比和氮磷比均未产生显著差异(P>0.05),不同人工林土层间土壤碳氮比为8.87~16.41;氮磷比为0.53~3.38。3种不同人工林0~60 cm土层间碳钾比、氮钾比、碳磷比、磷钾比均产生显著差异(P<0.05),表现为尾巨桉林>赤桉林>湿加松林。
图 1显示:3个不同人工林碳氮比、磷钾比随土层深度变化并无一致规律,主要是由植物对不同土层养分吸收利用以及土壤腐殖质对各土层养分的供应不同所导致。随着土层深度变化,3种不同人工林碳磷比、碳钾比、氮磷比、氮钾比均呈现降低趋势,且表层土壤(0~20 cm)比值均显著高于中层(20~40 cm)和下层(40~60 cm)土壤(P<0.05),中层和下层土壤缓慢下降但未产生显著差异(P>0.05)。其中,碳钾比、氮钾比、磷钾比各土层深度均表现为尾巨桉林>赤桉林>湿加松林。
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表 3显示:土壤有机碳和全氮极显著正相关(P<0.01),相关系数达到0.925,有机碳与土壤全磷和全钾相关性不显著(P>0.05);土壤全氮、全磷以及全钾间相关性均不显著。土壤有机碳与氮磷比及全氮与碳磷比均呈极显著正相关。这是因为土壤中全磷质量分数变化较稳定,氮磷比和碳磷比主要受全氮及土壤有机碳的影响,而3种人工林不同土层土壤有机碳与全氮质量分数的变化又具有一致性。
表 3 土壤各元素质量分数及化学计量的相关性
Table 3. Correlations of soil C, N, P, K and stoichiometry features
项目 C N P K C:N N:P C:P C:K N:K P:K C 1 0.925** 0.243 0.038 - 0.898** - - 0.173 -0.231 N 1 0.253 -0.016 - - 0.885** 0.184 - -0.242 P 1 0.161 0.174 - - 0.24 0.209 - K 1 -0.059 0.016 -0.092 - - - C:N 1 -0.205 0.129 0.066 -0.093 0.134 N:P 1 0.939** 0.085 0.146 -0.327 C:P 1 0.073 0.081 -0.308 C:K 1 0.981** 0.852** N:K 1 0.801** 说明:*表示相关性显著(P<0.05),**表示相关性极显著(P<0.01),“-”表示存在自相关关系,不宜进行相关性分析。
Ecological stoichiometric characteristics of soil C, N, P, and K in three types of plantations on the Leizhou Peninsula
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摘要: 为探讨雷州半岛3种常见人工林尾巨桉Eucalyptus urophylla × Eucalyptus grandis林,赤桉Eucalyptus camaldulensis林及湿加松Pinus elliottii × Pinus caribaea林0~60 cm土层土壤有机碳、全氮、全磷和全钾及其化学计量学特征的变化规律,在雷州半岛内,选取8年生尾巨桉林、8年生赤桉林和15年生湿加松林,分别在各林分内设置3块样地,采用5点法分层取样,测定土壤有机碳、全氮、全磷和全钾,并计算不同元素之间的计量比。结果显示:3种人工林0~60 cm土壤有机碳、全氮质量分数未产生显著差异;赤桉林下土壤全磷质量分数显著低于湿加松林,但尾巨桉林下土壤全磷质量分数与湿加松林未产生显著差异;全钾质量分数表现为湿加松林>赤桉林>尾巨桉林,桉树林下土壤全钾质量分数显著低于湿加松林(P < 0.05),导致林下土壤碳钾比、氮钾比、磷钾比均显著高于湿加松林。3种人工林土壤有机碳及全氮质量分数随土层深度增加而显著下降(P < 0.05),碳磷比、碳钾比、氮磷比、氮钾比均对土层深度呈降低趋势,且表层土壤(0~20 cm)比值均显著高于下2层土壤(P < 0.05),但碳氮比、磷钾比随土层深度的变化没有一致规律;3种人工林下土壤碳磷比均小于200.00,且氮磷比低于全国平均值,说明研究区内氮质量分数相对缺乏。相关性分析表明:土壤有机碳和土壤全氮极显著正相关(P < 0.01),相关系数达0.925,土壤全磷和全钾及全氮相关性不显著(P>0.05)。该试验区内3种人工林生长均受氮元素限制。建议雷州半岛桉树林及松树林培育过程中,注意对不同营养元素的平衡施肥,防止地力衰退问题的出现。Abstract: To provide a scientific basis for sustainable management of plantations on the Leizhou Peninsula, changes of soil organic C, total N, total P, and total K in three different kinds of plantations were explored. Three sample plots were set in Eucalyptus urophylla × Eucalyptus grandis, Eucalyptus camaldulensis, and Pinus elliottii × Pinus caribaea plantations with the five-point sampling method employed for stratification and sampling. Concentrations of C, N, P, and K and their stoichiometric characteristics were analyzed in different plantations and soil depths. Results showed that among the three kinds of plantations, soil organic C and total N content at depths of 0-60 cm were not significantly different. Soil total P of E. camaldulensis plantation was significantly lower (P < 0.05) than P. elliottii × P. caribaea plantation, but was not significantly different between E. urophylla × E. grandis and P. elliottii × P. caribaea plantation. The content of soil total K was in the order of Pinus elliottii × P. caribaea > Eucalyptus camaldulensis > E. urophylla × E. grandis with the soil C:K, N:K, and P:K ratios significantly lower (P < 0.05) in Pinus elliottii × Pinus than Eucalyptus plantations. Soil organic C and total N in the three different plantations decreased significantly (P < 0.05) with an increase of soil depth. The C:P, C:K, N:P, and N:K ratios decreased significantly with an increase of soil depth (P < 0.05), but C:N and P:K showed no consistent pattern. For the three kinds of artificial forests in the 0-60 cm depth, soil C:P was less than 200.00, and N:P, which was below the national average, demonstrated that plant growth was limited by N. Correlation analyses also showed that total N had a significant positive correlation with soil organic C (r = 0.925, P < 0.01), but was not significantly different (P>0.05) from total P (r = 0.253) and K (r = -0.016). In conclusion, stand growth in the test area was limited by N and balanced fertilization was needed to prevent soil degradation in these fast-growing pine and eucalypt plantations.
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表 1 试验地林分概况
Table 1. Basic situation of different plantations
林分 样地坐标 海拔/m 坡度/(°) 坡向 初植密度/(株·hm-2) 林龄/a 平均树高/m 平均胸径/cm 尾巨桉林 21°15′42.48″N
110°06′5.76″E113.0 8 东 1 666 8 23.15 18.43 赤桉林 21°16′2.02″N
110°05′26.32″E98.6 0 1 666 8 15.28 10.82 湿加松林 21°15′30.60″N
110°06′6.12″E104.7 0 1 666 15 13.73 20.60 表 2 各人工林下不同土壤深度有机碳、全氮、全磷和全钾质量分数
Table 2. Content of organic C, total N, total P and total K of the different soil depths in 3 kinds of plantations
养分 林分 不同土层养分质量分数/(g·kg-1) 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 0~60 cm 尾巨桉林 25.73± 2.72 Aa 13.72 ± 1.33 Ab 10.23 ± 1.97 Ab 16.56 ± 1.99 A 有机碳 赤桉林 27.32 ± 2.36 Aa 15.21 ± 1.92Ab 11.06 ± 1.14Ab 17.86 ± 0.54 A 湿加松林 23.73 ± 1.63 Aa 14.86 ± 2.44 Ab 9.70 ± 2.03 Ab 16.10 ± 1.12A 尾巨桉林 2.10 ± 0.21Aa 0.93 ± 0.13 Bab 0.77 ± 0.17 Ab 1.27 ± 0.17 A 全氮 赤桉林 1.84 ± 0.20 Aa 1.33 ± 0.08 Ab 0.94 ± 0.09 Ab 1.37 ± 0.09 A 湿加松林 1.88 ± 0.06 Aa 1.22 ± 0.08 ABb 0.71 ± 0.19 Ac 1.27 ± 0.07 A 尾巨桉林 0.90 ± 0.01Aa 0.82 ± 0.02 Ab 0.84 ± 0.02 Ab 0.85 ± 0.01 A 全磷 赤桉林 0.71 ± 0.00Ba 0.68 ± 0.02 Ca 0.64 ± 0.03 Ba 0.68 ± 0.02 B 湿加松林 0.89 ± 0.06 Aa 0.75 ± 0.02 Ba 0.81 ± 0.03 Aa 0.82 ± 0.04 A 尾巨桉林 0.86 ± 0.02 Ca 0.62 ± 0.10 Bb 0.64 ± 0.05 Bab 0.71 ± 0.03 B 全钾 赤桉林 1.73 ± 0.27 Ba 1.05 ± 0.07 Bb 1.04 ± 0.17Bb 1.27 ± 0.10 B 湿加松林 9.21 ± 0.18Ab 11.56 ± 0.66 Aa 10.36 ± 0.48 Aab 10.38 ± 0.40 A 说明:同列不同大写字母表示相同元素不同人工林间差异显著(P<0.05),同行不同小写字母表示相同元素不同土壤深度差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著(P>0.05),“±”后为标准误。 表 3 土壤各元素质量分数及化学计量的相关性
Table 3. Correlations of soil C, N, P, K and stoichiometry features
项目 C N P K C:N N:P C:P C:K N:K P:K C 1 0.925** 0.243 0.038 - 0.898** - - 0.173 -0.231 N 1 0.253 -0.016 - - 0.885** 0.184 - -0.242 P 1 0.161 0.174 - - 0.24 0.209 - K 1 -0.059 0.016 -0.092 - - - C:N 1 -0.205 0.129 0.066 -0.093 0.134 N:P 1 0.939** 0.085 0.146 -0.327 C:P 1 0.073 0.081 -0.308 C:K 1 0.981** 0.852** N:K 1 0.801** 说明:*表示相关性显著(P<0.05),**表示相关性极显著(P<0.01),“-”表示存在自相关关系,不宜进行相关性分析。 -
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