土壤碳氮磷生态化学计量比对针阔人工混交林及其纯林的差异响应.pdf

/土壤碳氮磷生态化学计量比对针阔人工混交林及其纯林的差异响应肖指柔 滕金倩 秦佳琪 梁泽丽 何江 覃林(广西大学 林学院 广西森林生态与保育重点实验室/广西高校亚热带人工林培育与利用重点实验室 广西 南宁)摘要:为了阐明针阔人工混交林及其纯林对土壤碳()、氮()、磷()生态化学计量比的影响 以我国南亚热带地区针叶马尾松、阔叶格木人工纯林及二者的混交林为研究对象 依据各林分土壤表层()、中层()和底层()土壤碳氮比(/)、碳磷比(/)和氮磷比(/)利用方差分析检验土壤/、/、/在不同林分不同土层间的差异特征 进而采用直线回归分析法探究/、/、/与土壤理化性质因子的相关关系 结果显示:()土壤、生态化学计量比在不同林分间的差异依土层而异 土壤/在各土层的林分间无显著差异()而马尾松格木混交林土壤表层的/显著高于马尾松林()土壤/在格木林和混交林表层和底层均显著高于马尾松林()随土壤深度增加土壤、生态化学计量比变化趋势依林分而异 马尾松林土壤/在土壤表层显著高于中层和底层()而其/则是土壤中层显著高于表层和底层 马尾松林和混交林的土壤/均随土壤深度增加而降低()研究区样地林分土壤/、/与 显著正相关()而土壤/与 极显著正相关()第 卷 期 年 月 西 部 林 业 科 学 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()第一作者简介:肖指柔()女 硕士研究生 主要从事森林生态学研究:通信作者简介:覃林()男 副教授 博士 主要从事森林生态与经营研究:/()./.()/()/./.()/()/().:生态化学计量学是研究生态系统中多种化学物质相互作用和协调平衡的工具 对揭示生态系统各组分养分供需平衡和调控机制发挥重要作用 土壤碳()、氮()、磷()元素是养分循环的核心 被认为是植物生长发育的主要元素 其比值直接反映了土壤肥力 间接揭示了植物的营养状况 可用于确定限制植物生长的营养元素 研究森林土壤营养元素的生态化学计量特征有利于加深对于森林生态系统养分循环、养分制约因素等方面的理解 对维持森林可持续经营具有重要意义土壤生态化学计量特征显著受林分类型影响主要是由于不同树种的凋落物数量和质量差异影响土壤理化性质 进而改变了元素的生态化学计量比 李树斌等研究发现 亚热带地区阔叶混交林的土壤碳氮比(/)、碳磷比(/)和氮磷比(/)显著高于针叶纯林 且/、/和/与土壤全碳()、全氮()显著正相关与 值、土壤容重显著负相关 余雅尧等对宁夏不同林分类型的研究结果表明 青海云杉()针叶林土壤/显著高于山杨()阔叶林 并认为土壤 和土壤碱解氮是导致/差异的主要因素 此外 土壤、生态化学计量比还受土层深度的显著影响 比如 赵文东等的研究发现 闽南人工林土壤/、/和/随着土层加深而降低淑敏等对科尔沁沙地人工林的研究却表明 随土层加深/增加/降低 而/的变化不大 可见 已有的相关研究之间虽有相似之处但未得出一致结论 说明区域尺度上不同林分类型和土层深度土壤、生态化学计量特征仍具有差异在过去几十年 我国亚热带地区以追求木材产量为主要目标 大规模种植以马尾松()为主的针叶林 导致了诸多生态问题(如地力衰退、生物多样性降低等)为了发展兼顾木材产量和生态服务的多用途森林 该地区开展了多种森林经营试验 当前 营造阔叶林(包括固氮树种)、针阔混交林等多种优质、高效、可持续的多功能人工林正成为亚热带地区造林的主流趋势 由于固氮树种能在根际固定大量的氮素 为微生物生长提供大量养分 与非固氮树种之间土壤特性有很大差异 然而 针叶树与固氮阔叶树混交如何影响土壤、生态化学计量比的研究还相对缺乏 鉴于此 本研究以南亚热带针叶树种马尾松、阔叶固氮树种格木()及二者混交林为研究对象 基于各林分 个土层(、和 )的土样 旨在探讨()针阔混交林及其纯林土壤、生态化学计量比差异特征及其主导土壤理化性质因子()不同林分类型土壤、生态化学计量比随土层深度的变化是否具有一致性 研究结果可为该地区人工林经营的树种选择及树种混交模式提供参考 材料与方法 研究区概况与土壤样品采集研究地位于中国林业科学研究院热带林业实验中心大青山实验场(、)隶属于广西凭祥市 海拔为 属南亚热带季风气候 干湿季分明 每年 月至 月为雨季 月至翌年 月为旱季 年均气温 年均降雨量 相对湿度在 以上 地貌类型 第 期 肖指柔等:土壤碳氮磷生态化学计量比对针阔人工混交林及其纯林的差异响应以低山丘陵为主 土壤类型为砖红壤 年 月在该区域分别选取有代表性的马尾松、格木人工纯林以及马尾松格木人工混交林为研究对象 个人工林均于 年在马尾松林皆伐迹地上种植 造林密度均为 株/其中混交林中马尾松与格木的株数比为 个人工林的立地条件及基本特征见表 表 个林分样地的基本特征 林分类型东经北纬海拔/坡向坡度/()胸径/树高/密度/株马尾松纯林 格木纯林 马尾松格木混交林 在上述每个人工林内各设置 块 的样地 且每个样地之间至少间隔 以避免空间自相关 在每块样地内 用内径 的土钻按 点“”型取样方法采集表层()、中层()和底层()土样 并将同层土壤样品混合成 个土样 共得 个(个林分 个样地 个土层)土壤样品 装入无菌采样袋并用生物冰袋保存迅速带回实验室 新鲜混合土样在实验室内分为 份 一份过 土壤筛后置于 冰箱中保存待用 另一份于室内自然风干后 研磨过 细筛 放入自封袋保存 指标测定土壤含水量()采用 烘干法测定土壤 用玻璃电极计(上海锦幻仪器仪表公司 中国)测定(土 水比为 )采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机碳()含量 土壤全磷()含量用酸溶钼锑抗比色法测定 速效磷()含量用双酸()浸提后 使用酶标仪(瑞士)测定 上述土壤理化性质因子测定方法详见鲍士旦主编的土壤农化分析(第三版)土壤全氮()含量经 消煮后 用连续流动分析仪(德 国)测 定 硝 态 氮()、铵态氮()含量用 浸提(土 水比为 )连续流动分析仪(德国)测定 土壤可溶性有机碳()用蒸馏水浸提后在 分析仪(日本)上测定 土壤碳氮比(/)是土壤 与 含量之比 碳磷比(/)为 与 的比值 氮磷比(/)为 与 的比值 数据处理林分类型、土层深度及其交互作用对土壤理化性质、/、/、/的影响采用双因素方差分析()检验 并利用 多重比较判断土壤理化性质及、化学计量比在相同土层不同林分类型间或相同林分不同土层间的差异在进行方差分析前所有数据皆通过 正态性检验及 方差齐性检验 对不符合方差分析的数据进行了对数()转换 建立一元线性回归模型分析土壤理化性质与化学计量比之间的相关性 以上计算由 软件()完成 结果与分析 不同林分不同土层间土壤理化性质的比较土壤 和 在不同林分间存在显著差异 而、和 在土层深度之间存在显著差异 林分类型和土层的交互作用仅对 有显著效果()(表)在相同土层不同林分间 马尾松林土壤表层的 含量显著高于格木纯林和马尾松格木混交林()在中层和底层 马尾松纯林和混交林的 含量显著高于格木纯林 和 含量在马尾松林土壤底层均显著低于混交林 相同林分不同土层间 和 含量在马尾纯林中随土层深度增加显著降低(中层底层 同时 在格木纯林和混交林中均为土壤表层显著高于底层 中层与其他两个土层间无显著差异 含量仅在马尾松纯林的不同土层间具有显著差异 表现为土壤表层和底层显著高于中层西 部 林 业 科 学 年表 土壤理化性质在林分类型和土层深度间的差异 林分类型土层深度/含水量/值有机碳/可溶性有机碳/全氮/马尾松纯林 格木纯林 马尾松格木混交林 双因素方差分析林分土层林分土层林分类型土层深度/全磷/硝态氮/铵态氮/速效磷/马尾松纯林 格木纯林 马尾松格木混交林 双因素方差分析林分土层林分土层注:平均值标准差 不同小写字母、大写字母分别表示同一土层不同林分之间及同一林分不同土层之间有显著差异()下同 不同林分不同土层间土壤碳氮磷化学计量比特征将不同林分类型不同土层的/、/和/与全国土壤进行对比可知 对/而言 马尾松林土壤表层、中层和底层(分别为 、和)格木纯林土壤表层、中层和底层(分别为、和 )混交林土壤表层、中层和底层(分别为 、和 )均高于全国土壤水平()(图)土壤/在马尾松纯林()、格 木 纯 林()和 混 交 林()的土壤底层都低于全国土壤 在表层和中层均高于全国水平(图)土壤/具有相反的趋势 个林分各土层均低于全国水平(图)双因素方差分析表明/和/仅受土层深度显著影响 而/受林分类型、土层深度及二者交互作用显著影响()/和/在林分间的差异依土层而异/在土壤表层为马尾松纯林显著低于混交林 而格木纯林介于两者之间 在土壤中层和底层 个林分间差异不显著/在土壤表层和底层 皆是马尾松纯林显著低于格木纯林和混交林 对于相同林分不同土层而言/在马尾松林土壤表层显著高于中层和底层 其他 个林分的不同土层间无显著差异/在马尾松林表层和中层显著高于底层 混交林表层明显高于底层 而格木纯林的 个土层间不存在显著差异/仅在马尾松林土壤中层显著高于表层和底层 第 期 肖指柔等:土壤碳氮磷生态化学计量比对针阔人工混交林及其纯林的差异响应图 个林分不同土层的土壤/、/和/差异 /研究林分土壤理化性质与碳氮磷化学计量比的相关性直线回归分析发现(图)土壤/与 存在显著负相关关系()而与 和 呈显著和极显著正相关关系(格木纯林()马尾松纯林()这与秦娟等关于马尾松与枫香()混交后 土壤/得到显著提高的研究结果类似由于混交林具有物种多样性的生态学属性优势 更能优化林分结构 提高林下凋落物量 增强土壤微生物活性 进而增加土壤 含量 而针叶林凋落物数量少且不容易分解 土壤微生物效应较差/在不同林分土壤中层和底层无显著差异 因为仅表层土壤受外部环境因素和地面凋落物中养分归还等因素的影响较大 导致不同森林类型的土壤养分含量差异更明显 不同林分类型对土壤、化学计量特征的影响土壤/可作为植物 限制和饱和的量化指标 反映植物生长过程中土壤养分的有效性 较低的/意味着植物受到 限制 本研究发现/在 个林分的整个土壤剖面()均低于全国土壤均值(图)说明研究林分均受土壤 限制/在土壤表层和底层皆是马尾松纯林(分别为 、)显著低于格木纯林(分别为、)与混交林(分别为 、)(图)表明马尾松纯林比格木纯林和混交林受 限制更明显 格木是固氮阔叶树种 其凋落物归还量大 土壤 含量相对较高 而且还能够进行生物固氮作用减少对土壤 的吸收 同时固氮植物根系能够分泌有机酸等物质活化土壤中难溶性 进而增加对土壤 的吸收 导致土壤 含量降低 引起/增加 个林分土壤 为 /低于全国土壤 (/)个林分的土壤 含量均较低且相差甚微 土壤 含量是影响/的重要因素 直线回归分析也证实这一点 即土壤 与/极显著正相关 可以解释 的/变异(图)以往的研究也报道 是影响土壤/变化的主要理化因子 另外 第 期 肖指柔等:土壤碳氮磷生态化学计量比对针阔人工混交林及其纯林的差异响应土壤/在马尾松纯林不同土层中的差异是受 含量的影响/与 显著正相关(图)马尾松纯林土壤中层 含量(/)显著低于表层(/)和底层(/)导致土壤中层/显著高于表层和底层 结论土壤/对马尾松纯林、格木纯林及其混交林无显著响应 马尾松纯林土壤表层/显著低于混交林 是导致差异的主要土壤环境因子/在土壤表层和底层均为马尾松纯林显著低于格木林和混交林 主要受 制约/、/、/随土壤深度增加的变化规律在林分间不具有一致性 综上所述 相较于马尾松林 南亚热带的格木纯林和马尾松格木混交林具有更好的土壤碳氮磷养分平衡策略参考文献:贺金生韩兴国.生态化学计量学:探索从个体到生态系统的统一化理论.植物生态学报():.王绍强于贵瑞.生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征.生态学报():.():.:.():.王薇菡虞依娜谢嘉淇等.中国南亚热带不同造林模式碳汇林土壤碳、氮、磷的积累及化学计量特征.生态学报():.():.柳杨何先进侯恩庆.鼎湖山森林演替和海拔梯度上的土壤微生物生物量碳氮变化.生态学杂志():.李树斌周丽丽陈宝英等.亚热带树种转换对林地土壤碳氮磷计量比的影响.森林与环境学报():.余雅尧徐雪蕾刘超等.宁夏罗山 种典型森林群落植物凋落物土壤生态化学计量特征/.南京林业大学学报(自然科学版):().:/./.雷丽群卢立华农友等.不同林龄马尾松人工林土壤碳氮磷生态化学计量特征.林业科学研究():.赵文东杨启帆沈健等.闽南山地树种转换对土壤碳氮磷及化学计量的影响.江西农业大学学报():.淑敏姜涛孔涛等.科尔沁沙地不同林龄樟子松人工林土壤生态化学计量特征.干旱区研究():.刘世荣杨予静王晖.中国人工林经营发展战略与对策:从追求木材产量的单一目标经营转向提升生态系统服务质量和效益的多目标经营.生态学报():.:.():.罗达史作民唐敬超等.南亚热带乡土树种人工纯林及混交林土壤微生物群落结构.应用生态学报():.鲍士旦.土壤农化分析(第三版).北京:中国农业出版社:.:.():.:.():./.():.黄雍容高伟黄石德等.福建三种常绿阔叶林碳氮磷生态化学计量特征.生态学报():.秦娟孔海燕刘华.马尾松不同林型土壤、的化学计量特征.西北农林科技大学学报(自然科学版)():.:.西 部 林 业 科 学 年曾全超李鑫董扬红等.陕北黄土高原土壤性质及其生态化学计量的纬度变化特征.自然资源学报():.李汶倬高扬杨柳等.东北地区落叶松新鲜针叶凋落物碳氮磷化学计量特征对环境变化的响应.生态学杂志():.高君亮罗凤敏高永等.农牧交错带不同土地利用类型土壤碳氮磷生态化学计量特征.生态学报():.何高迅王越彭淑娴等.滇中退化山地不同植被恢复下土壤碳氮磷储量与生态化学计量特征.生态学报():.王娟娟朱莎靳士科等.上海市 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