西南喀斯特地區不同林齡華山松人工林根際土壤化學計量特征與根際效應

何 斌，虞應乾，李望軍，鄒 順，白曉龍，薛曉輝

（1. 貴州工程應用技術學院 a. 貴州省典型高原濕地生態保護與修復重點實驗室，b. 生態工程學院，貴州 畢節 551700；2. 畢節市防治石漠化管理中心，貴州 畢節 551700）

根際是指受植物根系生命活動和代謝直接影響的土壤微域環境，是土壤中各種物質循環和能量流動最活躍的區域和各種復雜生物、生態過程發生的場所[1-2]。在根際環境中，植物根系分泌物（如糖類、有機酸、氨基酸、酚類化合物）的輸入和根表皮脫落物的裂解，為根際微生物活動提供了豐富能源和養分，誘發了根際效應，導致土壤pH值、理化性質、酶活性以及微生物等發生了改變[3]，從而對根際土壤養分濃度、形態與分布等產生重要影響[4]。目前，國內外關于植物根際的研究主要集中在不同植被類型和植物的根際養分、離子毒害、根際微生物等方面[5-8]，而對脆弱生態系統植物根際土壤養分、微生物等方面的報道則較少[9-10]。已有研究表明，植物根際效應可能是植物適應脆弱環境和利用土壤養分的最直接表現之一[11-12]。西南喀斯特山區土壤淺薄、養分含量貧瘠，石漠化問題嚴重，是我國典型的生態脆弱區，但是對喀斯特山區植物根際土壤特征及其根際效應等問題尚未得到充分的認識。因此，研究喀斯特山區植物根際土壤養分分布特征、動態變化及其根際養分的富集作用，對于揭示喀斯特山區植物在適應環境變化及其植被恢復等方面具有重要的意義。

在人工林生態系統中，林齡是影響植物生產力和根系生長、代謝活動的重要因素[13]。隨林齡增加，人工林林分結構、凋落物量和分解、根系生長和周轉速率、土壤理化性質隨之發生改變，影響養分分配格局，導致根際土壤養分含量存在差異[14-15]。根際土壤不僅對林木的生長有明顯影響，而且與非根際土壤的養分含量也有很大差異[16]。研究表明，不同生長階段林木根際土壤的變化規律可能不同，不同樹種根際土壤養分分布特征與富集作用也不一致。梅杰等[17]發現，馬尾松人工林土壤氮的根際效應隨林齡變化不明顯，有機質的根際效應則顯著增加。葉功富等[18]研究發現，隨林齡增加，木麻黃人工林根際土壤有機質和全氮先減少后增加。劉順等[19]認為，陳山紅心杉根際土壤有機碳、全氮含量及C、N、P 生態化學計量比隨林齡增加先降低后升高，土壤全磷含量則逐漸下降。黃章翰等[20]發現隨林齡增加，杉木根際土壤pH 值下降，土壤有機碳、全氮和速效氮先增加后減少，全磷和速效磷增加。程昊天等[21]對樟子松研究發現，隨林齡增加，有機碳、全磷根際效應先升高后降低，全氮根際效應沒有規律性。因此，研究不同生長階段根際土壤的化學計量特征和根際效應，對于了解人工林生長過程中養分的循環和獲取能力非常重要。

華山松Pinusarmandii是中國特有森林喬木樹種，在中西部地區自然地理分布范圍較廣，它作為國家西南喀斯特地區“天然林保護工程”的主要樹種，不僅在維護國家生態安全中發揮著重要作用，而且具有較高的經濟價值。但長期以來，關于華山松在喀斯特脆弱生態環境中的適應性方面研究較薄弱，嚴重制約了華山松在石漠化治理和喀斯特退化生態系統恢復中的進一步應用?；诖?，以貴州省西北部分布的不同林齡華山松人工林為研究對象，測定根際和非根際土壤養分含量，分析根際土壤C、N、P 生態化學計量特征的變化規律，探討不同林齡華山松土壤營養元素的根際效應差異，揭示華山松根際效應與根際土壤化學計量特征間的耦合關系，了解華山松不同發育階段的養分利用策略，為實現華山松的可持續經營和推動喀斯特山地的植被恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省西北部、川滇黔三省交界處的畢節市（26°21′～27°46′N，103°36′～106°43′E），地處滇東高原向黔中山原丘陵過渡的傾斜地帶，地質構造復雜，褶皺斷裂交錯發育，境內出露的巖石以沉積巖為主。平均海拔1 600 m，海拔相對高差大，垂直氣候變化尤為明顯。多年平均溫度在10 ～15 ℃，年均降水量在849 ～1 399 mm，年日照時數在1 096～1 769 h，無霜期為245～290 d。植物資源豐富，有苔類植物近100 種，蕨類植物34 科130 種，裸子植物9 科22 種，被子植物155科1809 種。土壤主要為黃棕壤、石灰土和石質土。植被主要有以灰背櫟Quercussenescens、青岡Cyclobalanopsisglauca、硬斗石櫟Lithocarpus hancei等為主的中亞熱帶常綠闊葉林；以馬尾松Pinusmassoniana、華山松Pinusarmandi、云南松Pinusyunnanensis、滇油杉Keteleeriaevelyniana等針葉樹種為主的山地常綠針葉林和針葉闊葉混交林[22]。

1.2 樣地設置和樣品采集

2021 年5 月，根據華山松在研究區內的分布，選取立地條件基本一致的不同林齡華山松人工林（10、16、22 和47 a）設置樣地，在每個林齡內隨機設置3 塊20 m×20 m 的重復樣方，樣方間距為100 m，共12 塊，各林齡林分的基本情況見表1。

表1 不同林齡華山松人工林樣地基本情況Table 1 Basic situation of different stand ages of P. armandii plantation

根據樣地內樹木生長的調查結果，2021 年8月，在每個樣方內選擇5 株生長狀況一致的標準木采集根際土壤。采用眾多學者所接受的Riley 抖落法[23]，在標準木樹冠投影范圍內先將凋落物清除干凈，在標準木基部沿著不同方向挖取根系密集分布的0 ～20 cm 土層，選取直徑較小的根系，抖落黏附在根系表面的土壤，將5 株標準木下收集的土樣混合均勻裝入自封袋內，作為根際土壤（rhizosphere soil，R）。同時，在每個樣方內用土鉆在0 ～20 cm 土層取樣，按“S”形設置5 個采樣點，將5 個土樣混合為1 個土壤樣品裝入布袋，作為非根際土（non-rhizosphere soil，S）。將采集的土壤樣品帶回實驗室，挑除石礫和植物根系等雜物后，置于陰涼處自然風干，用四分法取土、研磨、過100 目篩網備用。

1.3 測定方法

土壤pH 值采用水浸提電位法測定，總碳（TC）采用TOC 分析儀測定，有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定，全氮（TN）采用凱氏定氮法測定，全磷（TP）采用NaOH 堿溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀（TK）采用原子吸收火焰光度法測定，全鈣（TCa）采用原子吸收分光光度計法測定，速效氮（AN）采用堿解擴散法測定，速效磷（AP）采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀（AK）采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定。

1.4 數據處理

一般情況下，變異系數小于20%時屬于弱變異，變異系數大于50%時屬于強變異，介于20%到50%之間屬于中等變異。

參考劉順等[19]的方法，根際效應采用根際土壤各指標值(R)與非根際土壤各指標值(S)的比值表示，R/S＞1 為根際正效應，R/S＜1 為根際負效應，R/S=1 為無根際效應。

在SPSS 22.0 軟件（IBM，USA）中，應用單因素方差分析和多重比較法（LSD）計算分析根際土壤各指標在不同林齡間的差異；應用Pearson 分析法研究根際土壤養分以及C、N、P 生態化學計量比之間的相關關系，在計算C、N、P 生態化學計量比時使用土壤有機碳。

2 結果與分析

2.1 華山松根際土壤養分含量及C、N、P 化學計量比總體特征

由表2 可知，華山松根際土壤養分含量和C、N、P 化學計量比存在不同程度的變異，不同林齡華山松根際土壤全鈣含量的變異程度最大，達到了56.76%；pH 值的變異程度最小，僅為15.24%；總體表現為：TCa ＞TC ＞SOC ＞C∶P ＞AN ＞TP ＞TN ＞AP ＞AK ＞C∶N ＞TK ＞N∶P ＞pH 值?？梢?，華山松根際土壤中僅有全鈣含量屬于強變異，pH 值和N∶P 比屬于弱變異，其他養分含量和C∶N、C∶P 比均屬于中等變異。

表2 華山松人工林根際土壤養分含量及化學計量特征Table 2 Nutrient contents and stoichiometric characteristics of rhizosphere soil of P. armandii plantation

2.2 根際土壤養分含量及C、N、P 化學計量特征

由圖1 可知，不同林齡華山松根際土壤養分含量和pH 值存在顯著差異（P＜0.05），但是隨林齡增加，根際土壤養分含量和pH 值的變化規律有所差異。TC、TN、SOC 隨林齡增加先降低后上升。TC、SOC 和TN 含量變化分別為37.03 ～98.99 g·kg-1、34.15 ～87.05 g·kg-1和2.18 ～4.74 g·kg-1，且TC、SOC 和TN 含量在不同林分間均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖1 不同林齡馬尾松人工林根際土壤養分含量和pH 值Fig. 1 Nutrient content and pH value in rhizosphere soil of P. armandii plantations at different aged stages

隨著林齡增加，根際土壤TP、TK、AN 和AK表現為逐漸升高的趨勢。TP含量變化范圍為0.57～1.24 g·kg-1，47 a 林分顯著高于10、16 和22 a，22 a林分顯著高于10 a（P＜0.05）。TK 含量變化范圍為4.65 ～7.99 g·kg-1，10 a 林分顯著低于16、22和47 a，其他林分之間沒有顯著差異（P＜0.05）。AN 含量變化范圍為0.27 ～0.55 g·kg-1，47 a 顯著高于其他林分，22 a 林分顯著高于10 和16 a，10和16 a 林分沒有顯著差異（P＜0.05）。AK 含量變化范圍為0.13 ～0.23 g·kg-1，不同林分間差異不顯著（P＜0.05）。

隨林齡增加，根際土壤TCa和pH 值表現為先升高后降低。TCa含量變化范圍為0.44 ～2.34 g·kg-1，不同林分間差異顯著（P＜0.05）。pH 值變化范圍為4.21 ～5.97，16 a 林分顯著高于其他林分，22 a 林分顯著高于47 a（P＜0.05）。

由圖2 可知，林齡對華山松人工林根際土壤C∶N、C∶P 和N∶P 比有顯著影響（P＜0.05），隨林齡增加，C∶N 和C∶P 比表現為先降低后升高，N∶P 比呈波動性變化。華山松根際土壤C∶N 比變化范圍為14.82 ～23.84，10 a 林分顯著高于16、22 和47 a，其他林分間沒有顯著差異（P＜0.05）。C∶P 比變化范圍為49.72 ～112.32，不同林分間顯著差異（P＜0.05）。N∶P比變化范圍為3.18 ～4.82，10 a 林分顯著高于其他林分，22 a 林分顯著高于16 a（P＜0.05）。

2.3 根際效應

由圖3 可知，林齡對華山松土壤養分含量和pH 值根際效應的影響存在差異。隨林齡增加，華山松對TC 和SOC 的根際效應呈波浪形變化趨勢，22 a 華山松對TC 和SOC 的根際效應小于1，表現為負效應，其他林齡對TC 和SOC 的根際效應均為正效應。TN、AN、TP 和TK 的根際效應隨林齡增加先降低后升高，10 和16 a 華山松對TN 的根際效應為正效應；10 a 華山松對AN 的根際效應為正效應，其他林齡對AN的根際效應均為負效應；22 a 華山松對TP 和TK 的根際效應為負效應，其他林齡對TP 和TK 的根際效應均為正效應。隨林齡增加，華山松對AP、AK 和TCa 的根際效應呈下降趨勢，10 和16 a 華山松對AP 的根際效應為正效應；不同林齡華山松對AK 和TCa 的根際效應均大于1，均表現為正效應。pH 值的根際效應隨林齡的增加變化較平緩，趨近于1，無明顯根際效應。

圖3 不同林齡華山松根際效應Fig. 3 Rhizosphere effects of P. armandii plantations with different ages

2.4 根際土壤養分含量及C、N、P 生態化學計量比的相關性分析

由表3 可知，根際土壤TC 與SOC、TN 和AN 呈極顯著正相關（P＜0.01），與TP 呈顯著正相關（P＜0.05），與TCa和pH 值呈極顯著負相關（P＜0.01）；TN 與TP、SOC、AN 呈極顯著正相關（P＜0.01），與AK 呈顯著正相關（P＜0.05），與AP 和pH 值呈顯著負相關（P＜0.05）；TP 與TK、AN 呈極顯著正相關（P＜0.01），與SOC 和AK 呈顯著正相關（P＜0.05），與AP 呈顯著負相關（P＜0.05）；TK 與AN 呈顯著正相關（P＜0.05），與N∶P 呈顯著負相關（P＜0.05），與AP、C∶N 和C∶P 呈極顯著負相關（P＜0.01）；TCa與pH 值呈極顯著正相關（P＜0.01），與SOC、C∶P 和N∶P 呈極顯著負相關（P＜0.01），與C∶N 呈顯著負相關（P＜0.05）；SOC 與AN值呈極顯著正相關（P＜0.01），與pH 值呈極顯著負相關（P＜0.01）；AN 與AK 值呈顯著正相關（P＜0.05），與AP 呈極顯著負相關（P＜0.01）；AP 與C∶N 和C∶P 呈顯著正相關（P＜0.05）；pH 值與N∶P 呈顯著負相關（P＜0.05）；C∶N與C∶P 呈極顯著正相關（P＜0.01）；C∶P 與N∶P呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表3 華山松人工林根際土壤養分和C∶N∶P化學計量特征相關性系數?Table 3 Correlation coefficient of rhizosphere soil nutrients and C∶N∶P stoichiometric characteristics of P. armandii plantations

3 討 論

3.1 華山松根際土壤養分含量及C∶N∶P 化學計量比的總體特征

本研究中，華山松根際土壤SOC、TN 和TP含量與喀斯特高原不同次生林土壤SOC、TN、TP的均值（80.40、2.80、0.86 g·kg-1）[24]和黔中不同次生林土壤SOC、TN、TP 的均值（66.47、2.04、0.84 g·kg-1）[25]相當，但遠高于黃土高原不同人工林土壤SOC、TN、TP 含量（6.67 ～16.20、0.70 ～1.53、0.55 ～0.61 g·kg-1）[26]，表明盡管喀斯特地區土層淺薄、淋溶作用強烈，但是由于西南喀斯特地區濕熱的氣候條件有利于凋落物養分的釋放和土壤微生物的生長，具有較強的“自肥”作用[27]。華山松根際土壤pH 值為4.213 ～5.973，說明不同林齡下均表現出一定程度的酸化作用，可能是由于根系分泌有機酸和質子、吸收產生CO2所致，也可能是根際微生物活動造成[28]，與Kopittke 等[29]的研究結果一致。

土壤C∶N∶P 比是描述土壤內部碳、氮、磷元素循環的重要指標，能夠反映土壤有機質組成和營養供應狀況[30]。華山松根際土壤C∶N 和C∶P分別為14.82 ～23.84 和49.72 ～112.32，遠高于全國土壤C∶N 和C∶P 平均值（11.90 和61）[31]；根際土壤N∶P 為3.18 ～4.82，低于全國土壤N∶P平均值5.20[31]。Bengtsson等[32]認為，土壤C∶N＜25時，有利于有機質的轉化和N 的釋放。本研究中，根際土壤C∶N 小于25，說明華山松在有機質礦化過程有利于N 的釋放，能提供更多的有效氮用于維持自身的生長。賈宇等[33]認為，土壤C∶P比的臨界值為200，小于該值時土壤中P 發生凈礦化作用。本研究中，根際土壤C∶P 小于200，說明有利于土壤微生物對磷的礦化，可以為華山松人工林提供可吸收利用的磷酸鹽。

3.2 林齡對華山松人工林根際土壤養分含量和C∶N∶P 化學計量特征的影響

本研究中，林齡對華山松根際土壤養分含量有顯著影響，與許多研究結果[15,34]一致。隨林齡增加，華山松根際土壤TC、TN、SOC 含量先降低后升高，與劉順等[19]的研究結果一致，可能是由于華山松幼齡林階段林分密度大，凈生產力較低，土壤有機質的輸入大于消耗利用，使幼齡林根際土壤碳和氮含量較高；中林齡階段，華山松進入速生生長階段，林木從土壤中吸收大量養分，超過凋落物養分的歸還量，同時土壤礦化作用增強，使根際土壤碳和氮含量下降；近熟林后，華山松生長進入緩慢和停滯期，對養分吸收減少，同時根系的分泌代謝產物和凋落物的分解，使得根際土壤碳和氮含量逐步回升。華山松根際土壤TP、TK 隨林齡增加逐漸升高，可能是華山松在生長過程中，根系不斷向土壤分泌氨基酸和核苷酸等各種代謝產物，為土壤微生物提供營養，同時凋落物不斷累積，提高了土壤中磷和鉀元素的含量，但是隨林齡增加，華山松的生長變緩、發育趨于穩定，對土壤磷、鉀的需求降低，導致了根際土壤磷和鉀含量進一步地增加。此外，隨林齡增加，華山松根際土壤AN 和AK 表現為逐漸升高的趨勢，AP 則表現為逐漸下降的趨勢。除了與華山松生長過程中自身生物學特性有關外，土壤礦質養分的活化也可能是主要原因。植物通過根系有機酸的分泌活化了土壤中吸附態的養分[35]，有機酸的分泌主要表現為土壤pH 值的變化。pH 值對土壤各種礦質養分的化學和生物有效性，以及離子的吸收等均有重要影響[36]。本研究發現，根際土壤pH值與AN、AK呈負相關，與AP呈正相關，進一步證明了這一點。華山松根際土壤pH 值在不同林齡間差異顯著，16 a 林分顯著高于其他林分，此后pH 值下降，與李金輝等[37]的研究結果一致，可能是由于根系和根際微生物呼吸作用產生CO2、同時釋放有機酸或分泌質子到土壤，以及陰陽離子吸收不平衡造成[38]。

本研究中，林齡對華山松人工林根際土壤C∶N、C∶P 和N∶P 比有顯著影響。隨林齡增加，C∶N 和C∶P 比先降低后升高，16 和22 a 均具有較低的C∶N 和C∶P，表明研究區內土壤有機質的礦化速率較快，能夠提供較多的有效氮和磷，維持華山松的快速生長，10 a 的華山松根際土壤的C∶N 和C∶P 顯著高于其他林分，說明土壤有機質礦化過程中氮、磷元素釋放較差，華山松生長可能受到N 和P 素限制。與C∶P 比相比較，C∶N比變異程度較小，且16、22 和47 a 林分間差異不顯著，說明碳和氮作為結構性成分，二者緊密相關，在積累和消耗過程中存在同步性關系。本研究中，碳和氮呈極顯著正相關關系，也驗證了這一點。

3.3 不同林齡華山松人工林土壤養分根際效應的變化

本研究中，隨林齡增加，華山松林中不同土壤養分的根際效應變化規律不同。土壤TC 和SOC 的根際效應隨林齡增加呈波浪形變化，大部分時間為正效應，但是22 a 林分為根際負效應，可能是由于該階段華山松處于速生階段，大量的根系脫落物和分泌物在根部積累，導致土壤微生物對有機質的分解加強，土壤呼吸速率變大，以CO2形式釋放到大氣中的碳增加，碳的消耗大于歸還，使根際土壤碳含量小于非根際土壤。土壤TN、AN、TP 和TK 的根際效應表現為先降低后升高，均在22 a 時達到最低值，可能與土壤養分供應、養分歸還和植物吸收利用之間的平衡有關[39]，22 a 華山松生長旺盛，N、P、K 元素向根際遷移速度較快，植物對其利用效率較高，枯枝落葉層對養分的返還較低，導致華山松對養分的吸收速率大于養分的積累，使其根際效應最低。土壤AP、和TCa的根際效應逐漸下降，可能與pH 值有關。杜明新等[36]研究表明pH 值對土壤各種礦質養分的有效性、根系生長以及離子的吸收有重要的影響。此外，華山松對根際土壤有效養分（AN、AP、AK）的富集效應大于全量養分（TN、TP、TK），說明在土壤養分的吸收和循環過程中，華山松對根際土壤有效態養分的影響更大。

3.4 華山松根際土壤養分含量及C∶N∶P 化學計量比之間的聯系

研究表明，森林土壤養分之間存在著關聯性[40]。由于受到根系分泌物的影響，根際環境中養分形態之間的關系更加復雜和強烈。本研究中，根際土壤SOC 與TN 和AN 呈極顯著正相關，與TP 呈顯著正相關，而與TCa呈極顯著負相關，說明隨有機質的礦化，氮、磷、鈣等養分被不斷地釋放出來，反映了C、N、P 和Ca4 種元素之間存在著平衡與耦合機制用以維持營養的均衡。根際土壤pH 值與SOC 和TN 呈顯著負相關，與TCa呈顯著正相關，是因為土壤酸堿性對土壤微生物的活性、有機質的分解和礦質養分的釋放、固定和遷移等有重要作用[41]。根際土壤TK 和TCa含量與C∶N、C∶P、N∶P 之間存在著顯著負相關性，說明鉀和鈣元素在西南喀斯特地區土壤養分平衡中扮演重要角色，未來應該加強西南喀斯特地區森林生態系統中鉀和鈣生態化學計量關系的研究。

4 結 論

綜上所述，華山松人工林根際土壤理化性質隨林齡增加發生了顯著變化，根系對養分的富集與平衡性維持作用明顯。隨林齡增加，根際土壤TC、TN、SOC 含量先降低后升高，TP、TK、AN和AK 逐漸升高，AP 逐漸下降，TCa 和pH 值先升高后降低。林齡對華山松人工林根際土壤C∶N、C∶P 和N∶P 比有顯著影響，幼林齡階段根際土壤的C∶N 和C∶P 顯著高于其他階段，華山松生長可能受到N 和P 限制。不同林齡華山松土壤養分的根際效應不同，近熟林（22 a）階段TC、SOC、TN、AN、TP 和TK 的根際效應顯著低于其他階段，根際土壤有效養分（AN、AP、AK）的富集效應大于全量養分（TN、TP、TK），在土壤養分的吸收和循環過程中，華山松對根際土壤有效態養分的影響更大。相關分析表明，華山松根際土壤TK 和TCa 含量與C∶N、C∶P、N∶P 之間存在著顯著負相關性，表明鉀和鈣元素在西南喀斯特地區土壤養分平衡中扮演重要角色，未來應該加強西南喀斯特地區森林生態系統中鉀和鈣生態化學計量關系的研究。