江西省森林土壤碳氮磷含量及其化学计量比特征分析

刘耀辉，郑淇元，文 杰，修玉冰，王珊珊，栾军伟，张文元,★

（1.江西农业大学林学院，江西 南昌330045；2.国际竹藤中心，北京100000）

生态化学计量学是研究不同生态系统过程中能量和化学元素之间平衡关系的学科。土壤养分特别是C、N、P 循环作为生物地球化学循环的核心，影响着植物的生产、森林的演替和生态系统的进化过程[1-4]。土壤中C、N、P 含量及生态化学计量特征对植物的养分吸收能力和生长发育都会造成一定的影响[5-6]，植物的生长状况也是土壤肥力的表征，土壤肥力受土壤类型、质地、植被类型等限制，而红壤对化学营养元素的吸附和储存能力差，多雨又会加剧大量营养元素的流失，土壤肥力低下尤为明显，严重限制了林木的生长，又由于江西森林资源丰富，覆盖率位居全国第二（64.69%）[7]。因此，探究森林土壤C、N、P 含量及其化学计量比对植物的生产、森林的演替及生态系统的平衡具有重要的指导意义[8]。红壤是江西典型的土壤类型，对化学营养元素的吸附和储存能力极差，导致大量营养元素流失，土壤肥力低下，影响植被正常生长，破坏森林生态系统的局部平衡[9-10]。江西主要为人工纯林，地力衰退严重[11]，最终破坏土壤养分的积累及其计量平衡。有研究发现，泰和马尾松林C、N、P 含量随土层加深呈现下降趋势，N∶P 值较高，土壤P 淋失严重，P 成是土壤肥力限制的主要因子[12]，且赣州马尾松森林土壤C、N、P 含量及N∶P(4.28)值也偏低，严重制约了马尾松的生长[13]。还有研究表明，江西红壤丘陵区不同森林类型对土壤养分的需求是不同的，如杉木纯林C、N、P 含量低于针阔混交林[14]。目前对江西省森林土壤C、N、P 含量及其化学计量比的研究区域和林分较为集中，不能充分揭示江西省森林土壤C、N、P 的储量及化学计量平衡，因此研究江西省森林土壤C、N、P 含量及其化学计量比具有重要意义。故本试验在2011－2013年期间对江西7 个市的森林土壤C、N、P 的含量进行测量，探明整个江西森林土壤C、N、P 含量的分布情况及其化学计量比间的特征，为江西省森林土壤养分精准管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地分别设置在九江、景德镇、上饶、抚州、宜春、吉安、赣州地区，并选取郊外丘陵地带具有代表性的人工混交林土壤为研究对象，每个地区分别设8 个800 m2（20 m×40 m）的样地，共56 个，又把7个市分为赣北（九江）、赣东北（上饶、景德镇）、赣南（赣州）、赣中（吉安）、赣西北（宜春）赣东（抚州）7 个区域。江西属亚热带季风性湿润气候，研究区土壤类型为红壤，基本情况如表1 所示。

1.2 样品采集

在样地内，首先调查优势乔木层树种，再按五点取样法取土，挖取1 m 深的垂直剖面，用直径为2.5 cm 的环刀，分别取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～100 cm 土层的原状土，每个土层分别重复取3份，带回实验室自然风干，挑去沙石和根系，并过0.149 mm 孔径筛，用于土壤全C、N、P 的测定。

1.3 测定指标

土壤全 N 采用半微量凯氏消化法（KjeltecTM8400Analyzer Unit，FOSS，Hillerd，Denmark）测定，土壤全P 含量用HClO4-H2SO4消煮法测定，土壤全C 先用重铬酸钾-油浴测量有机质含量，再换算成土壤全C，所有的测量方法都参考鲍士旦的《土壤农化分析》[15]。

1.4 数据处理

用Excel2010 对数据进行汇编整理；SPSS 20.0做单因素方差分析及T 检验（LSD,P＜0.01 或0.05），SigmaPlot12.0 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 各个研究区、土层间的C、N、P 含量

总体上，江西C、N、P 储量低于全国平均水平[19.33、1.61、0.75（g·kg-1）（表2）][19]。从区域的角度上看，不同地区间的C、N、P 含量存在显著差异（表2）。吉安C、N、P 含量39.86、7.97、1.34 （g·kg-1）均为最低，表明吉安相对于其他研究区森林土壤肥力低下。而景德镇、上饶0 ～100 cm 的C 含量最为丰富144.93、132.05（g·kg-1），与吉安、赣州、抚州地区存在显著差异（P＜0.01），吉安、赣州0～100 cm 土层N 含量最少且相同7.97（g·kg-1），与九江N 含量存在显著差异（P＜0.01），其他各地区间N 含量无差异。总体上，在0～100 cm 土层土壤C、N、P 含量都随土层加深呈现减少的趋势。在不同土层间，N、C、P 含量也存在差异。如0～10 cm 土层，上饶P 含量最高0.58（g·kg-1），与其他地区P 含量存在极显著差异（P＜0.01），且不同土层间P 含量不存在差异（除吉安）。0～10 cm 土层C、N含量与30～50 cm，50～100 cm 土层都存在极显著差异（P＜0.01）。

表2 不同研究区土层间C、N、P 含量/g·kg-1Tab. 2 Distribution of C，N and P between soil layers in different study areas/ g·kg-1

2.2 不同地区C、N、P 化学计量比特征

表3 不同地区C、N、P 化学计量比Tab. 3 C, N and P chemical metering ratio in different regions

由表3 可知：各地区0～100 cm 土层C∶N 在8.44～18.07 之间，且随土层加深而减小。景德镇C∶N均值最大（18.07），高于全国平均水平（11.90）[6]，与九江、宜春、抚州存在极显著差异（P＜0.01）。赣州与宜春N∶P 存在极显著差异（P＜0.01），但其他地区间无显著差异。除0～10 cm，吉安与其他地区10～20、20～30、30～50、50～100 cm 土层C∶P 存在极显著差异（P＜0.01）。总体上，0～100 cm 土层C∶P、N∶P、C∶N 值都随土层加深而减小。

2.3 不同赣分区C、N、P 分布特征

由图1 可知，江西东北部C 含量最高（27.7 g·kg-1），最高N（1.74 g·kg-1）、P（0.45 g·kg-1）含量都分布在江西北部，但北部与东北部P 含量不存在差异，且北部P 含量与东北部、西北部也不存在差异（P＜0.05），因此，总体上江西北部森林土壤肥力较江西其他地区高。

图1 6 个赣分区C、N、P 含量Fig. 1 C, N and P content in six regions of Jiangxi Province

3 讨论

3.1 不同地区土层C、N、P 含量特征

土壤C、N 含量主要集中在土壤表层（表2），具有“表聚性”，0～20 cm 土层的C、N 含量分别占0～100 cm 土层的55.05%、50.35%，与王涛[1]等研究结果相似，这是由于森林产生大量的凋落物与土壤表层的微生物相互作用，为地表层补充丰富的C、N[17]；吉安C、N 含量最低，是由于江西油茶林多数生长在沙石地，土壤质地差，地表植被覆盖率低，对矿质营养元素的固持性差，大量C、N 流失而导致的。0～10 cm 土层的P 含量在0.30～0.58 g·kg-1之间，显著低于我国土壤0～10 cm 土层总P 含量0.78 g·kg-1[18]，也略低于李新星[19]研究的马衔山混交林总P 含量0.58 g·kg-1，由于江西是红壤区，P 淋失和沉淀导致土壤P 含量较低。但上饶P 含量0.52g·kg-1较其他地区都高，一方面是由于成土母质的影响；另一方是因为农林大量施用P肥导致土壤P 素增加，使上饶P 含量从1985年至2012年提高了0.39 个级别，整体达到中等P 水平[20]。

3.2 不同地区、土层C、N、P 化学计量比特征

土壤化学计量比是有机质组成和养分有效性的重要指标，可用于C、N、P 矿化、固持作用的表征[21]，在全球范围内，土壤C、N、P 的比例是相对稳定的（60∶7∶1）[22-24]。本试验C∶N 为9.25～19.45（0～10 cm），略高于中国和世界土壤C∶N（11.90 和13.33）[6]，是由于森林地表凋落物在微生物及其他环境因子的作用下大量分解，释放有机C 并矿化到土层表面，导致土壤表层的C 含量较高。但赣州N∶P 值异常，表现为先增加后减小最后趋于平稳的趋势，是由于0～10 cm 的P素淋失和向下迁移，P 与10～20 cm 土层的Ca2+、Al3+，Fe3+等离子结合[25-26]，沉积在10～20 cm 土层，再加上自然N 沉降导致土层中N 元素增加[27]，导致此层的N∶P 值较高。景德镇0～10 cm 的C∶P（114.06）虽然显著低于中国[16]平均C∶P（134），但极显著高于研究区其他土层和地区的C∶P 值，这是由于土壤表层0～10 cm的P 随雨水流失，地表枯枝落叶在微生物的作用下被分解，大量的C 释放到土壤中，C 含量增加，导致C∶P 值极高。

3.3 江西不同分区C、N、P 含量差异分析

C、N、P 是土壤中重要的养分，也是植物生长所必需的营养元素，其养分含量及其计量比的变化和分布状况综合反映了土壤生态系统功能的变异性[28]。江西整个区域的的C、N、P 含量均低于全国平均C、N、P含量[18][19.33、1.61、0.75（g·kg-1）]，可能由于研究区为常绿针叶林，养分回归率低，从而释放到土壤中的C、N 量较少，红壤是江西省典型性土壤，偏酸性，保蓄性能差，高温多雨加快了岩石的风化速率和P 素的淋溶[30]，从而导致江西地区整体P 水平含量低。整体上，C、N、P 含量（0～100 cm）都符合赣北＞赣东＞赣南＞赣中，由于赣南地势较高，赣北地势低，坡度越大的区域水的排泄和地表径流作用越强烈，土壤易被冲刷侵蚀，土壤C、N、P 容易随水流失[31]，导致赣南C、N、P 含量低下；上饶地区为针阔混交林，森林演替稳定，积累了大量凋落物，营养元素丰富[30]，导致赣东土壤C、N、P 相对富集，从而出现上述情况。

4 结论

通过研究江西7 个市土壤C、N、P 含量及其化学计量特征发现，江西省森林土壤C、N、P 平均含量分为16.89、1.45、0.36（g·kg-1），低于全国C、N、P 平均含量，表明江西森林土壤的肥力较差，限制了林木的生长发育，应适当添加C、N、P 肥以促进林木的生长，特别是赣西南地区，应加大施肥力度，提高土壤矿质营养，以维持森林C、N、P 的收支平衡。此外，如果对森林土壤、林木C、N、P 含量等其他养分进行动态监测，将能为江西森林土壤提供更精准的养分管理。