方 培 胡海波 王 霞 陈建宇 阮存鑫 贾西川

（1. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2. 江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037）

生态化学计量学主要研究生态系统的养分供应与循环、元素间的多重动态平衡及两者间的交互作用[1]。土壤是全球生态系统最为重要的部分，具有较高的结构复杂性、空间异质性及生物多样性，可显著影响森林植被的生长发育，是森林生态系统可持续经营的关键[2]。土壤生态化学计量可反映土壤养分循环的动态特征，对森林经营及抚育措施改良具有重要意义。我国有着广阔的人工林面积，具有巨大的生态恢复潜力和社会经济价值[3]，但也面临林分结构单一、养分分配不均以及生态稳定性差等问题[4]。目前，国内外针对人工林土壤生态化学计量特征已有较多研究，主要涉及不同林种[5-6]、不同纬度[7-8]、不同立地条件[9-10]、不同季节[11-12]、不同海拔[13-14]、不同恢复阶段[15-16]、不同林龄[17-18]等。特别是近年来，关于人工林的在不同林龄阶段的土壤养分特征和限制性养分因子的研究已经逐渐增多，这是因为随着林龄的增长，人工林生态系统结构组成、土壤理化性质及环境状况随之变化，从而改变林分与土壤间的养分分配状况[19]。但是，针对不同林龄人工林土壤养分特征及限制性养分因子的研究，大多关注土壤生态化学计量及土壤理化性质之间的关系[20-23]，忽略了土壤微生物在土壤养分循环、有效性养分固定与释放过程中的重要作用[24-27]。因此，对不同林龄麻栎（Quercus acutissima）人工林土壤及其微生物的生态化学计量特征研究具有重要意义。

麻栎属于壳斗科（Fagaceae）栎属（Quercus）落叶乔木，主要分布于我国湿润半湿润地区，树形高大，根系发达，适应性强，耐干旱瘠薄，是生态修复的先锋树种和水土保持的优良树种[28]，其种子、树皮和木材作为良好的工业原料，具有广泛的用途[29]。目前，针对麻栎人工林的研究主要集中在林分结构、定向培育和造林技术等方面[30]，针对麻栎人工林土壤生态系统生态化学计量特征以及限制性养分因子的研究鲜有报道，而这有助于厘清麻栎林地土壤养分状况、优化经营措施。因此，本研究以江苏省句容市不同林龄麻栎人工林（18、30、45、67 a）为对象，分析土壤及其微生物生态化学计量特征，探究麻栎生长过程中的限制性养分元素，以期为麻栎人工林的可持续经营提供理论依据。

1 研究区概况

本研究位于江苏省句容市境内的句容林场及下蜀林场，地处宁镇山脉低山丘陵地带中段空青山，处于北亚热带季风气候区，雨水丰沛，四季分明，光照充足，气候温和。年平均气温15.51 ℃，年平均降雨1 119.43 mm，年际变化大；年平均相对湿度79%；年均无霜期223 d。地形多丘陵山地，地势缓和。土壤类型主要为黄棕壤和山地黄棕壤，土层深度一般在40～60 cm。该地区森林植被属于我国北亚热带东部区，是北亚热带向暖温带过渡的植被类型，地带性植被为带有常绿成分的落叶阔叶混交林。试验地乔木以麻栎为主，灌木主要有白檀（Symplocos paniculate）、菝葜（Smilaxchina）、枸骨（Ilex cornuta）、野鸦椿（Euscaphis japonica）、卫矛（Euonymus alatus）、牛鼻栓（Fortunearia sinensis）等。各样地造林整地和经营管理方法基本一致。

2 研究方法

2.1 样地设置与采样

供试土样采集于2020年9月下旬。选择麻栎人工林立地条件相对一致的4个林龄林分（18、30、45、67 a）为研究对象，每个林龄林分内随机设置3块20 m×20 m的样地，进行每木检尺，测定和计算树高、胸径、郁闭度及林分密度等指标（表1）。每个样地内设置3个5 m×5 m的小样方，每个小样方内随机取3个点，采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm土样，将每个样地采得的各层土壤样品混匀装袋，带回实验室测定土壤及其微生物生物量碳（C）、氮（N）、磷（P）含量。

表 1 样地基本情况Table 1 The basic situation of sample plots

2.2 样品测定方法

本研究中，土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）采用元素分析仪（Vario MACRO cube，elematar，German）测定；土壤全磷（TP）采用浓硫酸-高氯酸消煮法消煮，用紫外分光光度计测定；土壤微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）经氯仿熏蒸浸提，由总有机碳分析仪（Toc-L，Otsu，Japan）测定；土壤微生物生物量磷（MBP）采用熏蒸提取-无机磷测定法，土样经熏蒸浸提后用紫外分光光度计测定，并计算外加无机磷和微生物磷回收率[31]。

2.3 数据处理与分析

试验测得数据采用Microsoft Execl 2019进行初步统计处理；采用SPSS 26.0软件对不同林龄及土壤深度之间的土壤碳氮磷含量、微生物生物量碳氮磷含量以及它们的生态化学计量比进行双因素方差分析，并运用最小显著差异法（LSD）进行多重比较，运用Pearson相关分析法对土壤碳氮磷含量、土壤微生物生物量碳氮磷含量以及其生态化学计量比进行相关性分析；采用Origin 2019软件制图。

3 结果与分析

3.1 不同林龄麻栎人工林土壤生态化学特征

由表2可得，不同林龄林分0～60 cm土壤SOC、TN、TP含量均值的变化范围分别是20.80～35.58、1.48～2.07、0.35～0.48 g/kg，平均值分别是29.53、1.73、0.42 g/kg，变异系数分别为8.33%、8.92%、8.87%。不同林龄林分0～60 cm土壤C/N、C/P、N/P均值的变化范围分别为14.20～20.77、70.21～93.33、4.20～4.94，平均值分别为17.45、80.90、4.59，变异系数分别为6.32%、3.80%、7.85%。

表 2 不同林龄麻栎林土壤碳氮磷含量及其生态化学计量比Table 2 Soil C, N, P content and their stoichiometry in Q. acutissima forests of different ages

随着林龄的增长，土壤SOC、TN含量总体呈增加趋势，在30 a时土壤TN含量略有降低；土壤TP含量先增高后降低，最高值出现在45 a时（图1）。土壤SOC、TN、TP含量在不同林龄间的差异性不显著。不同林龄土壤SOC、TN、TP含量均随土壤深度增加而减少，各土层间土壤SOC、TP、TN含量差异性显著（P<0.05）。

图 1 不同林龄麻栎林土壤有机碳、全氮、全磷含量Fig. 1 Content of soil SOC, TN and TP in Q. acutissima forests of different ages

不同林龄林分各土层C/N、C/P、N/P呈现不同的变化规律（图2），土壤C/N随林龄的增长呈现先升高后降低的趋势，在30 a时达到最高值；土壤C/P和N/P则呈先降低后升高的趋势，最低值均出现在45 a时，但不同林龄间土壤C/N、C/P、N/P不存在显著性差异。不同林龄阶段土壤C/N、C/P、N/P在土壤的垂直分布上不同，土壤C/N在18 a和30 a时随土壤深度增加呈先降低后升高趋势，45 a和67 a时随土壤深度增加而升高，但各土层间的差异不显著；土壤C/P在18、45 a和67 a时随土壤深度的增加而升高，在30 a时随土壤深度呈先升高后降低的趋势，各土层间差异显著（P<0.05）；土壤N/P在18 a和30 a时随土壤深度增加呈先升高后降低的趋势，在45 a和67 a时随土壤深度增加而升高，各土层间的差异不显著。

图 2 不同林龄麻栎林土壤碳氮磷生态化学计量特征Fig. 2 Ecological stoichiometry of soil C/N, C/P, N/P in Q. acutissima forests of different ages

3.2 不同林龄麻栎人工林土壤微生物生态化学计量特征

随着林龄的增长，麻栎林各土层土壤MBC、MBN、MBP含量总体呈升高趋势（图3），林龄之间的差异不显著。不同林龄阶段土壤MBC、MBN、MBP含量均随土壤深度的增加而减少。其中，0～10 cm土层的土壤MBC、MBN、MBP含量显著高于其他土层，各土层间的差异性显著（P<0.05）。

图 3 不同林龄麻栎林土壤微生物量碳、氮、磷含量Fig. 3 Content of soil MBC, MBN, MBP in Q. acutissima forests of different ages

随着林龄的增长，麻栎人工林不同土层土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP呈现不同的变化规律（图4）。土壤MBC/MBN随林龄的增长呈先升高后降低的趋势；土壤MBC/MBP随林龄的增长呈降低趋势；土壤MBN/MBP则呈先降低后升高的趋势。同一林龄林分，土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP在不同土壤深度上的垂直分布基本状况一致，均随土层深度增加而降低。土层深度对土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP具有显著影响（P<0.05），而林龄对土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP的影响不显著。

图 4 不同林龄麻栎林土壤微生物量碳氮磷生态化学计量特征Fig. 4 Ecological stoichiometry of soil MBC/MBN, MBC/MBP, MBN/MBP in Q. acutissima forests of different ages

3.3 麻栎人工林土壤生态化学计量特征的相关性

对不同林龄林分土壤与土壤微生物生物量碳氮磷含量以及它们的生态化学计量比进行相关分析，结果见表3。由表3可知，土壤SOC、TN、TP以及土壤MBC、MBN、MBP之间存在着极显著正相关关系（P<0.01）；土壤SOC与C/N、C/P之间呈显著相关（P<0.05）；土壤TN与C/N呈显著性负相关（P<0.05），与N/P呈极显著正相关（P<0.01）；土壤TP与C/P呈显著负相关（P<0.05），与N/P呈极显著负相关（P<0.01）；土壤C/N与C/P呈极显著正相关（P<0.01）；土壤SOC与MBC/MBP呈显著正相关（P<0.05）；土壤TN与MBC/MBP呈显著负相关（P<0.05）；土壤TP与土壤MBC/MBP、MBN/MBP呈显著负相关（P<0.05）；土壤MBC与土壤C/N、C/P呈显著正相关（P<0.05）；土壤MBN与土壤C/N呈显著性负相关（P<0.05），与土壤N/P呈显著正相关（P<0.05）；土壤MBP与土壤C/P、N/P呈显著负相关（P<0.05）；土壤MBC/MBN与土壤C/P呈显著正相关（P<0.05）；土壤MBC/MBP与土壤SOC呈显著正相关（P<0.05），与土壤TN、TP呈显著负相关（P<0.05）；土壤MBN/MBP与土壤TP呈显著负相关，与土壤C/N、C/P呈极显著负相关（P<0.01）。

表 3 麻栎林土壤与土壤微生物碳氮磷含量及其生态化学计量特征相关性Table 3 Correlation between soil and soil microbial C, N and P contents and their ecological stoichiometry in Q. acutissima forests

4 结论与讨论

4.1 讨论

4.1.1土壤碳氮磷含量特征

土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量是反映森林土壤质量的重要指标，影响林分生长发育与土壤养分循环等重要过程[10]。本研究中，土壤SOC、TN、TP平均含量分别为29.53、1.73、0.42 g/kg ，SOC、TN平均含量高于全国土壤平均水平11.13、1.07 g/kg ，而TP平均含量低于全国土壤平均值0.65 g/kg[32]，表明研究区内土壤SOC、TN含量较为丰富，而TP含量较为匮乏。研究区麻栎林土壤碳氮磷养分的在垂直分布上的空间异质性较高，随土壤深度增加显著减少，这与前人的研究结论一致[20,23,27]，原因是土壤养分主要由地上枯落物输入，枯落物分解养分首先归还至土壤表层，而且林下灌草的残体分解等也大大增加了土壤浅层养分含量。

各土层SOC含量随着林龄的增长而增加，这与张芸等[21]的研究结论吻合，与王丹等[33]的研究结论有差异，这是由于不同林分类型的枯落物蓄积特征不同，从而影响土壤SOC的转化和积累。土壤TN与土壤SOC含量显著相关（P<0.05），反映土壤氮素可作为土壤有机碳库变化的指征[21]，土壤TN含量总体随林龄的增大而升高，30年生林分略有降低，推测是由于麻栎处于快速生长时期，对土壤TN的消耗加剧导致。TP含量呈先升高后降低趋势，最高值出现在45年生林分，这与马天舒等[34]对不同林龄红心杉（Cunninghamia lanceolata）人工林的研究结果相似，林龄增长使得林分对磷的需求更大，而土壤通过凋落物分解、养分循环等过程补充磷的过程较长，加之研究区较低的土壤TP含量水平，使得麻栎林的生长受到制约。

4.1.2土壤碳氮磷生态化学计量特征

土壤碳、氮、磷生态化学计量比可评价有机质矿化程度及营养元素固持效果，反映土壤养分限制状况[35]。土壤C/N体现土壤中有机质矿化速率的大小，C/N越大表明矿化速率越慢[36]。本研究4个林龄麻栎林土壤C/N均值为17.45，高于我国土壤C/N平均水平11.90[2]，表现为30 a>45 a>67 a>18 a，但不同林龄林分土壤C/N变化总体差异较小，这与张继辉等[23]和李丹维等[37]的研究结论一致，表明土壤中碳、氮元素的含量紧密相关，二者的积蓄和消耗相对恒定，这也验证了Chapin等[38]的研究结论，土壤C/N比在不同类型土壤中相对稳定。

土壤C/P可作为衡量土壤磷元素吸持与释放的指标，体现土壤微生物促进土壤有效磷释放的特性，对植物的生长发育具有重要意义，C/P越高表明磷元素有效性越低[39]。研究区土壤C/P平均值80.09，高于全国平均水平52.7[40]，说明研究区土壤磷的有效性较低。随林龄的增长土壤C/P比差异较小，总体呈降低趋势，这与淑敏等[41]研究结果一致，表明麻栎的生长对土壤有效磷的需求逐渐增大，导致土壤有效磷的消耗。

土壤N/P是土壤中氮饱和程度与养分限制阈值的重要诊断指标[36]，研究区N/P平均值4.59，高于全国平均值3.9[40]，表明研究区林地土壤氮素储量丰富，而土壤磷的储量相对匮乏。不同林龄林分土壤N/P比值差异较小，在45年生林分略低，这与冼伟光等[22]对混交人工林的研究结论相反，可能是由于混交林分土壤养分循环状况更好，土壤养分积蓄丰富，土壤氮素的补充较快所致。需要说明的是，由于本研究仅进行1次取样，获得的土壤养分含量及其化学计量比特征具有一定的局限性，因而本研究结果在外延和拓展时应足够谨慎和小心。

4.1.3土壤微生物生物量特征与土壤碳氮磷生态化学计量比的相关性

土壤微生物生物量碳氮磷含量是反映土壤肥力及其变化的重要指标[42]。王薪琪等[43]、吴然等[44]的研究表明，土壤微生物生物量随林龄的增长而增大，与土壤养分含量的关系密切，土壤养分含量和空间分布的异质性可在土壤微生物生物量的变化上得到体现[24]。本研究进一步验证了这个结论，麻栎林土壤MBC、MBN、MBP含量与土壤SOC、TN、TP含量的极显著相关（P<0.01），并表现出相似的变化规律，均随着林龄的增长而增加，表明麻栎林的生长可提高土壤养分含量，并促进土壤微生物活动，提高其生物量[25]。

土壤MBC可先于土壤SOC、TN等反映土壤养分的微小变化[24]。相关性分析显示，麻栎林土壤MBC含量与土壤C/N、C/P呈显著正相关关系（P<0.05），这与贾国梅等[42]、Cleveland等[40]的研究结果相似，是因土壤微生物参与并主导土壤有机质矿化与有效磷的释放过程，而其MBC含量变化也反映这一特征。土壤MBN含量是反映土壤氮素的矿化与固持的重要指征[24]，本研究土壤MBN随着林龄的增长呈先减小后增大，虽然与林雅超等[45]对呼伦贝尔沙地樟子松（Pinus sylvestris）的研究结果不一致，但都体现了土壤微生物生物量受土壤养分影响的特征， 30年生麻栎人工林对土壤TN消耗较大，影响了土壤微生物的活动，使得土壤MBN含量降低。土壤MBN含量与土壤C/N呈显著负相关关系（P<0.05），这反映了土壤C/N与土壤MBN含量在有机质矿化过程中的指征作用[44]。土壤MBN与土壤N/P显著正相关，二者共同反映研究区林地土壤氮素的固持效果。土壤MBP可调控土壤中磷元素对植物的有效性[24]，本研究土壤MBP含量随着林龄的增长而升高，有利于土壤有效磷的转化与释放。此外，土壤MBP与N/P呈显著负相关关系（P<0.05），推测是由于研究区林地土壤TP较为匮乏，土壤MBP含量受土壤TP含量的影响导致。

4.1.4土壤与土壤微生物碳氮磷生态化学计量比的相关性

相关性分析可以揭示不同林龄麻栎林土壤微生物生物量计量比对土壤生态化学计量比变化的响应和指征作用，有助于对土壤养分转化与循环以及养分限制状况的掌握。本研究中，土壤MBC/MBN在林龄间的差异较小，这验证了Tischer等[46]与Cleveland等[40]的研究结果，表明不同林龄林分土壤MBC/MBN具有相对的稳定性。土壤MBC/MBN与土壤C/P呈显著正相关（P<0.05），目前还未见到有相似的研究结果，本研究推测主要是因为土壤MBC含量与土壤SOC含量紧密相关，较高的C/P比可能意味着土壤SOC储量较为丰富，而这也反映在土壤MBC含量及土壤MBC/MBN上。

土壤MBC/MBP可以反映土壤有机质质量，MBC/MBP比值越低，土壤微生物转化有机质中的有效磷含量越高[47-48]，这与土壤C/P的指示作用相似。本研究中，各土层土壤MBC/MBP随着林龄的增长而降低，土壤微生物对有效磷的转化作用得到促进，与土壤C/P的研究结果相悖，推测林龄的增长虽然能促进土壤微生物对有机质中有效磷的转化，但也会增大土壤有效磷的消耗，导致其含量的减少。土壤MBC/MBP与土壤TP、SOC呈显著相关关系（P<0.05），且与TP的相关性更大，表明土壤MBC/MBP更大程度上受土壤TP含量的影响。

土壤MBN/MBP与土壤TP呈显著负相关关系（P<0.05），是由于土壤MBP与土壤TP含量变化有紧密联系，土壤MBP含量随土壤TP含量的增加而增加。Cleveland等[48]对土壤生态化学计量比指示作用的研究表明，土壤MBN/MBP可作为土壤生态系统的养分限制指标。本研究中，土壤MBN/MBP与土壤C/N、C/P呈极显著负相关关系（P<0.01），表明土壤MBN/MBP与土壤有机质分解、有效磷转化密切相关，也进一步验证了前人的研究结论[40,43,46]。

4.2 结论

1）研究区土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）平均含量及C/N、C/P、N/P平均值高于全国土壤平均水平，全磷（TP）平均含量低于全国土壤平均水平。

2）随着林龄的增长各土层土壤SOC、MBC、MBP呈升高趋势，土壤MBC/MBP呈降低趋势，土壤TN、MBN、C/P、MBN/MBP呈先降低再升高的趋势，土壤TP、C/N、N/P、MBC/MBN呈先升高后降低的趋势。

3）不同林龄之间，随土壤深度的增加，土壤SOC、TN、TP、MBC、MBN、MBP、MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP呈降低趋势，土壤C/N、C/P、N/P呈升高趋势。

4）土壤微生物生物量碳氮磷与土壤碳氮磷含量间呈极显著正相关（P<0.01），土壤TP与土壤MBC/MBP、MBN/MBP显著负相关（P<0.05），土壤MBN与土壤C/N显著性负相关，与土壤N/P显著正相关（P<0.05），土壤MBP与土壤C/P、N/P显著负相关（P<0.05），土壤MBC/MBP与C/P极显著负相关（P<0.01）。

综上，研究区土壤表现出全磷和有效磷的匮乏，麻栎人工林生长受到磷的严重制约，因此在营林过程中应适量补施磷肥。此外，麻栎林土壤微生物生物量受土壤养分含量影响，且二者存在显著的生态化学计量耦合关系。