全 文 ：书第 51 卷 第 7 期
2 0 1 5 年 7 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51，No. 7
Jul．，2 0 1 5
doi:10．11707 / j．1001-7488．20150701
收稿日期: 2014 － 06 － 17; 修回日期: 2015 － 05 － 13。
基金项目: 国家林业公益性行业科研专项(201404316) ; 湖南省自然科学基金创新群体项目(湘基金委字［2013］7 号); 城市森林生态湖
南省重点实验室运行项目; 湖南省优势重点学科项目; 湖南省“百人计划”项目( 0842 ) ; 中南林业科技大学研究生科技创新基金项目
(CX2014A04) ; 国家林业局软科学研究项目(2013 － Ｒ09) ; 中南林业科技大学青年科学基金项目“杉木林健康经营技术研究”。
* 谌小勇为通讯作者。
湖南会同 3 个林龄杉木人工林土壤
碳、氮、磷化学计量特征*
曹 娟1 闫文德1，2，3 项文化1，2，3 谌小勇1，2，4 雷丕锋1，2
(1．中南林业科技大学 长沙 410004; 2．南方林业生态应用技术国家工程实验室 长沙 410004;
3． 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站 会同 418307; 4．州长州立大学 伊利诺伊州 60484)
摘 要: 【目的】研究不同林龄(7，17 和 25 年生)杉木人工林土壤有机碳、全氮和全磷含量及其生态化学计量特
征，探讨土壤层次分布规律及随年龄的变化规律，以期为杉木人工林可持续经营提供理论依据。【方法】以湖南会
同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站基地内 3 块不同林龄的杉木人工林为研究对象，在每个林分内设置 3
块 20 m × 20 m 样地，按照随机、等量和多点混合的原则，每块样地内采用“品”字形布点，按 0 ～ 20，20 ～ 40 和 40 ～
60 cm 土层取样，测定土壤有机碳、全氮和全磷含量，并计算土壤碳、氮、磷之间的计量比。【结果】7，17 和 25 年生
杉木人工林土壤有机碳含量为 12. 14 ～ 19. 52 g·kg － 1，全氮含量为 1. 43 ～ 1. 89 g·kg － 1，全磷含量为 0. 32 ～ 0. 40
g·kg － 1 ; 3 个林分土壤有机碳含量和全氮含量随着土壤深度(0 ～ 60 cm)增加而逐渐降低，全磷含量在土壤垂直结
构上的差异不明显; 3 个林龄杉木人工林的土壤 C∶ N 随林龄增加而下降，分别为 11. 73，8. 70 和 8. 52，对照样地炼
山造林前土壤 C∶ N 为9. 52，7 年生幼龄林显著高于对照样地，对照样地显著高于 17 年生中龄林和 25 年生近熟林
(P ＜ 0. 05); 土壤 C∶ P 分别为57. 42，36. 27 和 40. 54，对照样地为 55. 70，低于我国平均值 61，7 年生幼龄林、对照样
地显著高于 17 年生中龄林和 25 年生近熟林( P ＜ 0. 05); 土壤 N ∶ P 分别为4. 87，4. 18，4. 76，差异不显著 ( P ＞
0. 05)，低于我国土壤平均值 5. 2，而炼山造林前为 5. 85，显著高于 3 个林龄杉木人工林土壤 N∶ P(P ＜ 0. 05); 3 个
林龄杉木人工林土壤 C∶ N∶ P 分别为56∶ 5∶ 1，36∶ 4∶ 1和 41∶ 5∶ 1，炼山造林前为 55∶ 6∶ 1，均低于我国平均值(60∶ 5 ∶ 1)。
【结论】通过对不同林龄杉木人工林土壤碳、氮、磷含量的研究发现，随着炼山后造林时间的推移，土壤有机碳、全
氮、全磷含量逐渐得到恢复。本研究杉木人工林土壤中的氮含量相对较高，而磷含量较为缺乏，为了达到土壤中磷
的相对平衡，在土壤 C∶ P 较低的情况下土壤微生物体有机磷会出现净矿化现象。3 个林龄杉木人工林土壤 C∶ N，
N∶ P和 C∶ P 在不同土壤剖面深度上变化不大，相对稳定。该研究区土壤 C∶ N 和 C∶ P 主要受土壤有机碳的影响，因
此在杉木人工林经营管理过程中如何调控土壤中机碳含量显得十分关键。
关键词: 杉木人工林; 土壤; 碳; 氮; 磷; 生态化学计量; 林分年龄
中图分类号: S714. 2 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2015)07 － 0001 － 08
Stoichiometry Characterization of Soil C，N，and P of Chinese Fir Plantations at
Three Different Ages in Huitong，Hunan Province，China
Cao Juan1 Yan Wende1，2，3 Xiang Wenhua1，2，3 Chen Xiaoyong1，2，4 Lei Pifeng1，2
(1 ． Central South University of Forestry and Technology Changsha 410004;
2 ． National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry ＆ Ecology in South China Changsha 410004;
3 ． Huitong National Field Station for Scientific Observation and Ｒesearch of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province Huitong 418307;
4 ． Governors State University Illinois 60484)
Abstract: 【Objective】Soil organic C，total N ，and total P were measured in Chinese fir plantations at 3 different ages
(7-，17-，and 25-year-old) and changes of these elements along soil profile were also investigated in these plantations，in
order to provide a scientific basis for sustainable management of Chinese fir plantations． 【Method】The study was
conducted at the National Key Field Observation Station of Central South University of Forestry and Technology，located in
林 业 科 学 51 卷
Huitong，Hunan Province of China． Three plantations at different ages were selected within the station and three plots in
size of 20 m × 20 m were set up for each of the three plantations． Based on the principle of‘random’，‘equal’and
‘pooled’，soil samples were collected from 0 － 20，20 － 40，and 40 － 60 cm depths，respectively，at three sampling
points with a triangle shape within each plot． Soil organic C，total N and total P were analyzed． C∶ N，C∶ P，N∶ P and
C∶ N∶ P ratios were estimated． 【Ｒesult】The contents of soil organic C，total N ，and total P ranged 12． 14 － 19． 52，
1． 43 － 1． 89，and 0． 32 － 0． 40 g·kg － 1 in the studied plantations，respectively． The contents of soil organic C and total N
decreased with the increase of soil depths in 7-，17-and 25-year-old stands． Total P contents did not significantly differ
among soil depths in the studied stands． Soil C ∶ N of the 3 plantations was respectively 11． 73，8． 70，and 8． 52，
displaying a declining trend with aging． ． In addition，soil C ∶ N ratio was significantly higher in 7-year-old plantations
(P ＜ 0． 05) and significantly lower in 17- and 25-year-old plantations ( P ＜ 0． 05) when compared to the control plots
(9. 52) (plots with slash burning but before afforestation) ． Soil C∶ P ratios were 57. 42，36. 27 ，and 40. 54 in the studied
plantations and 55. 70 in the control，which were all lower than the national mean (61) ． Soil C∶ P ratios were significantly
higher in 7-year-old plantations and the control plots than in 17- and 25-year old plantations． Soil N∶ P ratios were 4. 87，
4. 18 and 4. 76 in the studied plantations and no significant differences from each other． But soil N∶ P ratios were lower in
the studied plantations compared to the national mean ( 5． 2 )，and significantly lower when compared to the control
(5． 85) (P ＜ 0． 05) ． Soil C∶ N∶ P ratios were 56∶ 5∶ 1，36∶ 4∶ 1，41∶ 5∶ 1 in the three plantations and 55∶ 6∶ 1 in the control，
all were lower than the national mean (60∶ 5∶ 1) ． 【Conclusion】Soil C，N ，and P contents were gradually restored with the
aging of plantations． Our study suggested that N was relatively adequate，but P was relatively lack in the studied sites． It
was likely that net mineralization of soil microbial biomass P occurred in order to maintain a relative equilibrium of P in
soils under low soil C∶ P ratio condition． Soil C∶ N，N∶ P ，and C∶ P ratios were in a relative steady state along soil profile
in the plantations． Soil C∶ N and C∶ P ratios were mainly affected by soil total C in the study area． As a consequence，to
regulate soil organic C content is a critical target in sustainable management of Chinese fir plantations．
Key words: Chinese fir plantation; soil; carbon; nitrogen; phosphorus; stoichiometry; plantation age
在过去 10 年里，我国生态化学计量学的研究获
得了长足发展，并取得了许多成果 ( Han et al．，
2005; 任书杰等，2007; 韩文轩等，2009; 刘兴诏
等，2010; 阎恩荣等，2010; 刘万德等，2010)。生
态化学计量学主要研究生态系统各组分的化学元素
比例关系及生态化学过程中各元素的动态平衡
(Sardans et al．，2012; 曾德慧等，2005; 王绍强等，
2008; 贺金生等，2010)。森林土壤是森林生态系
统的重要组分和元素储库，研究和了解森林土壤的
生态化学计量特征，对进一步认识森林生态系统的
营养元素循环过程、反馈机制和对各种干扰的响应，
及实现森林生态系统服务功能的可持续管理均具有
重大的理论和实践意义 (曾德慧等，2005; 王绍强
等，2008; 钟庸，2010)。
森林土壤碳、氮、磷含量间存在紧密关系，其比
值可反映土壤内部的碳、氮、磷循环和平衡特征，是
成土因子、植被类型和人类活动的综合影响结果
(王绍强等，2008; Achat et al．，2013)。刘万德等
(2010)研究发现，我国西南季风常绿阔叶林不同演
替阶段(演替 15 年、演替 30 年及原始林)土壤中
C∶ N无显著变化，N∶ P 以及 C∶ P 则随演替进程呈下
降趋势。而在高寒草甸生态系统，土壤 C∶ N，N∶ P 和
C∶ P 均随着草甸的退化过程呈降低趋势(罗亚勇
等，2012)。王维奇等(2010)研究表明，土壤中碳、
氮、磷计量学特征因人为干扰程度的不同而发生改
变。综观已有文献，对于不同林龄森林土壤生态化
学计量特征差别的研究报道较少，尤其是幼龄林到
中龄林生长变化较快的一段时间内土壤养分含量变
化研究不足。
杉木( Cunninghamia lanceolata)是我国南方极
为重要的速生用材树种，栽培面积广、生产力高、材
质好，在林业建设和生态安全中具有举足轻重的地
位。杉木林土壤肥力直接制约着生产力，其土壤营
养元素含量受地域、地形和林分生长阶段的影响。
到目前为止，对杉木林土壤生态化学计量的研究报
道还不多，许鲁平 (2013) 研究了杉木种子园土壤
碳、氮、磷化学计量特征，发现 N ∶ P 为 3. 5 ～ 5. 1，
C ∶ N ＜ 10，而 C∶ P 要比 C∶ N 和 N∶ P 大得多; 郭虎波
等(2014)报道，氮沉降对土壤碳含量影响不显著，
但增加了土壤氮含量和氮、磷比，减少了土壤磷含
量。然而，尚未见到杉木林土壤碳、氮、磷生态化学
计量特征随林龄变化的报道，而这对准确评价杉木
林地养分状况、制定合理经营措施十分重要。因此，
本研究分析对不同林龄杉木人工林土壤有机碳、全
2
第 7 期 曹 娟等: 湖南会同 3 个林龄杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征
氮、全磷含量及其生态化学计量特征，探讨土壤层次
分布规律和随年龄的变化规律，以期为杉木人工林
可持续经营提供理论依据。
1 研究区概况
研究区位于湖南会同县杉木林生态系统国家野
外科学观测研究站(109°45 E，26°50 N)，属典型
的亚热带湿润性气候，年均气温 16. 8 ℃，年降水量
1 100 ～ 1 400 mm，年空气相对湿度在 80% 以上。
地貌为低山丘陵，海拔 300 ～ 500 m。土壤为变色页
岩和砂岩发育成的山地黄壤，pH4. 9 ～ 5. 1。气候和
土壤条件都利于杉木生长。本试验林分为炼山后的
实生苗造林林分，造林前林分为杉木人工林，整地方
式均一致。造林后前 3 年内进行抚育管理，随后任
其自然生 长。林 下灌 木主要 有杜茎 山 ( Maesa
japonica)、菝 葜 ( Smilax china ) 和 冬 青 ( Ilex
purpurea)，草本有狗脊蕨(Woodwardia japonica)、铁
芒萁( Dicranopteris linearis)和华南毛蕨 ( Cyclosorus
parasiticus)等。
2 研究方法
2. 1 样地设置
选取土壤类型、立地条件一致的杉木幼龄林
(7 年生)、中龄林(17 年生)和近熟林(25 年生)，并
且选择杉木林采伐地炼山后造林前的对照样地 1
块。每种林龄林分和对照样地分别设置 3 块
20 m × 20 m样地，3 种林龄杉木人工林样地基本特
征见表 1。
表 1 样地基本特征
Tab． 1 Basic characteristics of sample plots
林龄
Age / a
坡向
Slope aspect
坡度
Slope gradient /
( °)
郁闭度
Canopy
density
平均胸径
Mean
DBH /cm
平均树高
Mean tree
height /m
林分密度
Stand density /
( individual·hm － 2 )
7 北 North 28 0. 7 6. 8 5. 6 2 440
17 北 North 25 0. 9 13. 8 14. 2 1 825
25 北 North 30 0. 8 17. 1 16. 0 1 417
2. 2 土样采集
野外采样于 2013 年 8 月进行。分别在各样地
内随机设置“品”字形取样点 3 个，按 0 ～ 20，20 ～
40 和 40 ～ 60 cm 土层取样，然后各样地同一土层样
品混合后去掉杂质，采用四分法各取土 500 g。带回
室内自然风干，用对角线法取土样 100 ～ 200 g，磨细
后过 0. 149 mm 筛备用，测定土壤有机碳、全氮和全
磷含量。
2. 3 样品测定
重铬酸钾氧化 －外加热法测定有机碳含量; 半
微量凯氏定氮法测定全氮含量; 碱熔 －钼锑抗比色
法测定全磷含量。
2. 4 数据处理
采用 SPSS18. 0 统计软件进行数据处理。
3 结果与分析
3. 1 土壤有机碳含量的林龄及土层变化
表 2 表明，7，17 和 25 年生杉木人工林 0 ～
60 cm 土壤有机碳含量分别为 18. 37，14. 20 和
15. 40 g·kg － 1，对照样地土壤有机碳含量平均为
12. 24 g·kg － 1，且对照样地和 3 个林龄林分土壤有
机碳含量均随着土层深度增加而逐渐降低。方差分
析表明，3 个林龄林分土壤平均有机碳含量均显著
高于对照样地，幼龄林显著高于中龄林和近熟林
(P ＜ 0. 05)，中龄林和近熟林则没有显著差异(P ＞
0. 05); 同一年龄不同土层，除 25 年生中龄林各土
层间土壤有机碳含量差异不显著外，7 和 17 年生林
分土壤有机碳含量均表现为 0 ～ 20 cm 土层显著高
于 40 ～ 60 cm 土层 ( P ＜ 0. 05)，而这 2 层与 20 ～
40 cm土层均无显著差异 (P ＞ 0. 05); 不同年龄同
一土层，0 ～ 20 cm 土层土壤有机碳在各林龄间无显
著差异(P ＞ 0. 05)，20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土层均表
现为 7 年生显著高于 17 和 25 年生(P ＜ 0. 05)，所
有土层中 7，17 和 25 年生均显著高于对照样
地(P ＜ 0. 05)。
3. 2 土壤全氮含量的林龄及土层变化
表 2 表明，7，17 和 25 年生杉木人工林 0 ～
60 cm 土 壤 全 氮 含 量 分 别 为 1. 57，1. 63 和
1. 80 g·kg － 1，对照样地土壤全氮含量平均为 1. 29
g·kg － 1，且对照样地和 3 个林龄林分土壤全氮含量
均随着土层深度增加而逐渐降低。方差分析表
明，3 个林龄林分土壤全氮含量均显著高于对照样
地，25 年生近熟林显著高于其他 2 个林龄林分
(P ＜ 0. 05) ; 同一年龄不同土层，除 7 年生中龄林
和 25 年生近熟林各土层间无显著差异(P ＞ 0. 05)
外，17 年生中龄林土壤全氮含量表现为 0 ～ 20 cm
3
林 业 科 学 51 卷
土层显著高于 20 ～ 40 cm 土层 (P ＜ 0. 05)，20 ～
40 cm 土层显著高于40 ～ 60 cm 土层 ( P ＜ 0. 05) ;
0 ～ 20 和 20 ～ 40 cm 土层在 3 个林龄间均无显著
差异 ( P ＞ 0. 05 )，但均显著高于对照样地 ( P ＜
0. 05)，40 ～ 60 cm 土层表现为 25 年生近熟林显著
高于 7 年生幼龄林和 17 年生中龄林，而 3 个林龄
林分均显著高于对照样地(P ＜ 0. 05)。
表 2 3 个林龄杉木人工林各土层土壤有机碳、全氮和全磷含量①
Tab． 2 Content of soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus of the
various soil layers in the three aged Chinese fir plantations g·kg － 1
元素 Element
林龄
Age / a
土层 Soil layer
0 ～ 20 cm 20 ～ 40 cm 40 ～ 60 cm 平均值 Mean
有机碳
Organic
carbon
CK 14. 63 ± 0. 612Aa 12. 13 ± 0. 32Ab 9. 95 ± 0. 54Ac 12. 24 ± 2. 08A
7 19. 52 ± 1. 18Ba 18. 11 ± 0. 28Cab 17. 49 ± 0. 43Cb 18. 37 ± 1. 11C
17 16. 72 ± 0. 67ABa 13. 73 ± 1. 28ABab 12. 14 ± 2. 20ABb 14. 20 ± 2. 40B
25 16. 76 ± 3. 17ABa 15. 12 ± 2. 37Ba 14. 31 ± 2. 02Ba 15. 40 ± 2. 47B
全氮
Total
nitrogen
CK 1. 49 ± 0. 03Aa 1. 27 ± 0. 14Aab 1. 11 ± 0. 18Ab 1. 29 ± 0. 20A
7 1. 70 ± 0. 15ABa 1. 54 ± 0. 18Ba 1. 48 ± 0. 08Ba 1. 57 ± 0. 16B
17 1. 89 ± 0. 02Ba 1. 58 ± 0. 01Bb 1. 43 ± 0. 07Bc 1. 63 ± 0. 09B
25 1. 82 ± 0. 20Ba 1. 79 ± 0. 14Ba 1. 78 ± 0. 12Ca 1. 80 ± 0. 14C
全磷
Total
phosphorus
CK 0. 23 ± 0. 03Aa 0. 21 ± 0. 02Aa 0. 23 ± 0. 03Aa 0. 22 ± 0. 03A
7 0. 32 ± 0. 04Ba 0. 33 ± 0. 03Ba 0. 34 ± 0. 03Ba 0. 33 ± 0. 03B
17 0. 40 ± 0. 01Ba 0. 39 ± 0. 02Ba 0. 40 ± 0. 03Ba 0. 39 ± 0. 02C
25 0. 39 ± 0. 01Ba 0. 36 ± 0. 03Ba 0. 39 ± 0. 04Ba 0. 38 ± 0. 02C
①同行不同小写字母表示差异显著 (P ＜ 0. 05);同元素同列不同大写字母表示差异显著 (P ＜ 0. 05)。Different lowercase in the same row
represents significant difference(P ＜ 0. 05)，different capital letter of the same element in the same column represents significant difference(P ＜ 0. 05) ．
3. 3 土壤全磷含量的林龄及土层变化
表 2 表明，3 个林龄杉木人工林土壤全磷含量
分别为 0. 33，0. 39 和 0. 38 g·kg － 1，对照样地土壤全
磷含量为 0. 22 g·kg － 1。方差分析表明，3 个林龄林
分土壤全磷含量均显著高于对照样地，17 和 25 年
生林分显著高于 7 年生林分(P ＜ 0. 05); 同一土层
不同年龄间土壤全磷含量差异不显著 (P ＞ 0. 05);
同一年龄不同土层间土壤全磷含量差异也不显著
(P ＞ 0. 05)。
3. 4 土壤有机碳、全氮、全磷的化学计量特征
由图 1 可以看出，3 个林龄杉木人工林 0 ～
60 cm 土层土壤 C ∶ N 为 8. 00 ～ 11. 88，平均值为
9. 66，变异系数为 16. 65% ; N∶ P 为3. 67 ～ 5. 53，平
均值为 4. 56，变异系数为 11. 68% ; C∶ P 为30. 98 ～
64. 21，平均值为 44. 75，变异系数为 23. 86% ; 土壤
C∶ N 和 N∶ P 变化较 C∶ P 稳定，变异系数都不大。
由图 1 和表 3 可以看出，3 个林龄杉木人工林
土壤 C∶ N，N∶ P 和 C∶ P 随土层深度的变化没有一致
规律，这主要是土壤腐殖质层对植物养分供应与杉
木生长吸收利用不同造成的。随土层深度变化，对
照样地的 C∶ N 波动较小，而 N∶ P 和 C∶ P 在0 ～ 40 cm
土层缓慢下降，在40 ～ 60 cm土层迅速下降;7 年生
幼龄林、17 年生中龄林和 25 年生近熟林土壤 C ∶ N
分别为11. 73，8. 70 和 8. 52，对照样地为 9. 52，表现
为 7 年生幼龄林 ＞对照样地 ＞ 17 年生中龄林 ＞ 25
年生近熟林，且 7 年生幼龄林显著高于对照样地、17
年生中龄林和 25 年生近熟林，对照样地显著高于
17 年生中龄林和 25 年生近熟林(P ＜ 0. 05);3 个林
龄杉木人工林土壤 N∶ P 分别为4. 87，4. 18 和 4. 76，
对照样地为 5. 85，3 个林龄杉木林显著低于对照样
地(P ＜ 0. 05); 3 个林龄杉木人工林土壤 C∶ P 分别
为57. 42，36. 27 和 40. 54，对照样地为 55. 70，表现为
7 年生幼龄林 ＞对照样地 ＞ 25 年生近熟林 ＞ 17 年
生中龄林，7 年生幼龄林和对照样地显著高于 17 年
生中龄林和 25 年生近熟林(P ＜ 0. 05);3 个林龄杉
木人工林 C∶ N∶ P 分别为56 ∶ 5 ∶ 1，36∶ 4∶ 1和 41 ∶ 5 ∶ 1，
对照样地为 55∶ 6∶ 1。
3. 5 土壤有机碳、全氮、全磷含量及其化学计量比
之间的相关性
从表 4 可以看出，C∶ N 与有机碳含量的相关性
大于与全氮含量的相关性，而 C∶ P 与有机碳含量的
相关性大于与全磷含量的相关性，表明研究区不同
年龄杉木人工林土壤 C∶ N 和 C∶ P 主要受土壤有机
碳含量的影响，与孙超(2012)对大安市姜家店退化
草场的生态化学计量研究结果一致。研究林分土壤
N∶ P 与全氮、全磷含量都呈现出较高的相关性，表明
N∶ P 同时受到全氮和全磷含量的影响，而受到全磷
含量的限制作用较大。
4
第 7 期 曹 娟等: 湖南会同 3 个林龄杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征
图 1 杉木人工林土壤 C∶ N，N∶ P 和 C∶ P
随土壤深度的变化
Fig． 1 Changes of C∶ N，N∶ P，and C∶ P along soil
depths in the Chinese fir plantations
4 结论与讨论
土壤碳、氮、磷是植物生长、发育以及物质循环
过程中重要的化学元素，其含量和分布状况对植物
的生长发育有很大影响(刘兴华等，2013)。本文通
过对不同林龄杉木人工林土壤有机碳、全氮和全磷
含量的研究发现，造林后土壤有机碳、全氮和全磷含
量显著高于炼山造林前，表明随着炼山造林年限增
长，植被逐渐恢复，枯枝落叶残体开始积累，地被物
的分解加速了碳、氮、磷含量的恢复。不同林龄杉木
人工林土壤有机碳含量为 12. 14 ～ 19. 52 g·kg － 1，全
氮含量为 1. 43 ～ 1. 89 g·kg － 1，全磷含量为 0. 32 ～
0. 40 g·kg － 1。从年龄梯度上看，土壤有机碳含量都
表现为从 7 年生幼龄林、17 年生中龄林到 25 年生
近熟林先下降后上升的趋势，与其他学者对不同发
育阶段杉木人工林土壤的研究结果一致 (盛炜彤
等，2003; 王丹等，2009)。这可能是由于炼山对杉
木人工林的影响在幼龄林基本郁闭时有所改善，有
机碳含量有所恢复，加之新造杉木幼龄林生长过程
中原有有机质分解利用小于新形成有机质的输入，
使得幼龄林土壤有机碳含量较高; 当杉木人工林进
入到速生生长阶段后，林木生长需要消耗大量的养
分，原有有机质分解大于新形成有机质的输入，从而
使土壤有机碳含量有所下降; 而当林分进入中龄林
之后，林木对养分吸收减少，加之凋落物、植物根系
分解产生的有机碳进入土壤，使得土壤有机碳含量
有回升的趋势。土壤全氮含量表现为从 7 年生幼龄
林、17 年生中龄林到 25 年生近熟林增加的趋势。
土壤全磷含量从 7 年生幼龄林、17 年生中龄林到 25
年生近熟林先增高后降低。
3 个林龄土壤有机碳和全氮含量随着土壤深度
增加而逐渐降低，而土壤全磷含量在不同土层上差
异不明显，土壤有机碳、全氮和全磷含量在土壤剖面
上的分布模式主要是由碳、氮、磷的来源不同决定
的。碳、氮主要受枯落物养分归还和分解的影响，使
这些元素在土壤表层积累，然后经淋溶作用向下迁
移，同时还受植物吸收利用的影响; 而磷主要受土
壤母质风化的影响。依据《中国土壤》中全磷含量
的分级标准，研究区土壤全磷含量属低水平，这表明
研究地土壤磷素供应不足，可能是影响杉木人工林
生长的限制性因素。
土壤 C∶ N∶ P 是土壤有机质组成和质量好坏的
一个重要参数，主要受区域水热条件和成土作用的
控制，是碳、氮、磷矿化作用和固持作用的指标 (王
绍强等，2008; 程滨等，2010)。研究地 3 个林龄杉
木人工林 C∶ N∶ P 分别为 56∶ 5∶ 1，36∶ 4∶ 1和41∶ 5∶ 1，对
照样地为 55∶ 6∶ 1，均低于我国土壤C∶ N∶ P 的平均值
(60∶ 5∶ 1)。
土壤 C∶ N 既是土壤质量的敏感指标，也是衡量
土壤碳、氮营养平衡状况的指标，并且会影响土壤中
有机碳和氮的循环(张春华等，2011)。本研究 3 个
林龄杉木人工林有机碳和全氮含量显著正相关，在
土壤剖面表现出相对一致的变化规律，这主要是由
于这 2 种养分受枯落物养分归还和分解的影响，同
时碳和氮作为结构性成分，其积累和消耗过程存在
相对固定的比值。土壤有机层的 C∶ N 较低表明有
5
林 业 科 学 51 卷
机质具有较快的矿化作用，3 个林龄杉木人工林土
壤 C∶ N 表现为7年生幼龄林(11. 73) ＞ 17 年生中龄
林(8. 70) ＞ 25 年生近熟林 ( 8. 52 )，对照样地为
9. 52，对照样地显著低于 7 年生幼龄林，这可能是由
于炼山燃烧后造成有机碳、氮的大量损失，尽管在造
林前有机碳、氮含量有所恢复，但增加量依然有限，
随着造林年限的推移，地上植被逐渐恢复、郁闭度增
加，有机碳、全氮含量逐渐恢复，7 年后有机碳的增
幅较全氮大，因此 C∶ N 较高; 对照样地显著高于 17
年生中龄林和 25 年生近熟林，这表明中龄林、近熟
林具有较快的矿化作用，释放较多的氮从而使 C∶ N
降低。3 个林龄杉木林土壤 C ∶ N 均低于我国土壤
C∶ N平均值(11. 9)和全球土壤 C∶ N 平均值(13. 33)
(黄昌勇等，2000; 王绍强等，2008; 郭冬艳，
2013)。
表 3 不同林龄杉木人工林土壤 C∶ N，N∶ P 和 C∶ P①
Tab． 3 Soil C∶ N，N∶ P，and C∶ P in the various aged Chinese fir plantations
林龄
Stand age
C∶ N N∶ P C∶ P
C∶ N∶ P
0 ～ 20 cm 土层
0 ～ 20 cm
soil layer
20 ～ 40 cm 土层
20 ～ 40 cm
soil layer
40 ～ 60 cm 土层
40 ～ 60 cm
soil layer
平均值
Mean
CK 9. 52 ± 0. 24a 5. 85 ± 0. 475a 55. 70 ± 5. 97a 63∶ 6∶ 1 59∶ 6∶ 1 44∶ 5∶ 1 55∶ 6∶ 1
7a 11. 73 ± 0. 77c 4. 87 ± 0. 83b 57. 42 ± 11. 78a 61∶ 5∶ 1 55∶ 5∶ 1 51∶ 4∶ 1 56∶ 5∶ 1
17a 8. 70 ± 1. 12b 4. 18 ± 0. 61b 36. 27 ± 6. 14b 42∶ 5∶ 1 35∶ 4∶ 1 30∶ 4∶ 1 36∶ 4∶ 1
25a 8. 52 ± 0. 84b 4. 76 ± 0. 42b 40. 54 ± 5. 32b 43∶ 5∶ 1 42∶ 5∶ 1 37∶ 5∶ 1 41∶ 5∶ 1
①同列不同小写字母表示差异显著(P ＜ 0. 05)。Different capital letter in the same column represents significant difference(P ＜ 0. 05) ．
表 4 土壤有机碳、全氮、全磷含量
及其化学计量比的相关性①
Tab． 4 Correlations of soil organic carbon content，total
nitrogen content and total phosphorus content and their
stoichiometry features in the studied site
项目
Item
C N P C∶ N N∶ P C∶ P
C 1 0. 324 － 0. 020 0. 767＊＊ 0. 460 0. 771＊＊
N 1 0. 419 * － 0. 354 0. 309 － 0. 076
P 1 － 0. 489＊＊ － 0. 710＊＊ － 0. 745＊＊
C∶ N 1 0. 243 0. 812＊＊
N∶ P 1 0. 754＊＊
C∶ P 1
①* : α = 0. 05; ＊＊: α = 0. 01．
土壤 N ∶ P 可用作氮养分限制、饱和的诊断指
标，指示植物生长过程中土壤营养成分的供应情况
(郭冬艳，2013)，但由于植物除了从土壤中吸收养
分外，还可以从老叶凋落之前的转移再分配以及空
气中吸收部分养分，这表明土壤 N∶ P 并不能很好地
反映生态系统养分限制状态(高三平，2008)。3 个
林龄杉木人工林土壤 N ∶ P 表现为 7年生幼龄林
(4. 87) ＞ 25年生近熟林(4. 76) ＞ 17 年生中龄林
(4. 18)，对照样地为 5. 85，3 个林龄杉木林显著低
于对照样地(P ＜ 0. 05)，这主要是由磷含量的多少
决定的，与研究区土壤磷背景值低、炼山前的皆伐、
炼山等经营措施有关。3 个林龄杉木人工林土壤
N∶ P低于我国土壤 N ∶ P 的平均值5. 2 ( Tian et al．，
2010; 郭冬艳，2013)，但均大于鼎湖山针叶林、混
交林和季风林表层土壤 N ∶ P 值2. 3 ～ 3. 6 (刘兴诏
等，2010)，加之研究地土壤中磷较少，这表明研究
地土壤中氮元素相对偏多，土壤磷元素可能是一个
重要的限制因子。土壤氮元素相对偏多会使得土壤
中的磷素有效性不足以平衡氮素有效性，影响林木
生长发育、生理功能以及在生态系统中的循环特征
(He et al．，2002; 赵琼等，2005)，因此在杉木可持
续经营中适时适量施用磷肥以维持养分平衡显得十
分必要。
土壤 C∶ P 是衡量微生物矿化土壤有机物质释
放磷或从环境中吸收固持磷素潜力的一个指标(敖
伊敏，2012)。土壤 C ∶ P ＜ 200，会出现土壤微生物
的碳元素含量增加，微生物磷元素发生净矿化作用。
3 个林龄杉木人工林土壤 C∶ P 表现为7年生幼龄林
(57. 42) ＞ 25 年生近熟林(40. 54) ＞ 17 年生中龄
林(36. 27)，对照样地为 55. 70，7 年生幼龄林和对
照样地显著高于 17 年生中龄林和 25 年生近熟林
(P ＜ 0. 05)。较低的 C ∶ P 是磷有效性高的一个指
标，7 年生幼龄林较炼山后造林前土壤磷的有效性
低，这可能是造林前的炼山在一定程度上加快了土
壤中磷的矿化速度，加大了土壤速效磷的供应，而造
林后杉木人工林生长消耗较多的磷造成的; 而 7 年
生幼龄林以后随着杉木人工林林龄增长，磷的有效
性先增加后下降，这主要是杉木人工林速生生长阶
段对养分需求大、中龄林后养分需求减少造成的。3
个林龄杉木人工林土壤 C ∶ P 均低于我国平均值61
(Tian et al．，2010; 郭冬艳，2013)，这将有利于研究
区土壤微生物体有机磷净矿化，为杉木人工林生长
6
第 7 期 曹 娟等: 湖南会同 3 个林龄杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征
提供可吸收利用的磷酸盐。
3 个林龄杉木人工林土壤 C ∶ P 和 N∶ P 均随着
林龄的增加先下降后升高，土壤中碳、氮含量的变化
是土壤 C∶ P 和 N∶ P 变化的重要影响因素，而枯落物
分解归还、林木生长吸收利用是碳、氮含量变化的主
要原因。刘兴诏等 (2010)研究南亚热带森林演替
过程中土壤氮、磷的相互关系发现，土壤 N∶ P 随着
森林演替的进行呈现出明显增加的变化趋势; 白荣
(2012)研究认为，土壤 C∶ P 和 N∶ P 随着滇中高原典
型植被演替的进行先升高后降低，在演替中期达到
最大。本文的研究结果有所不同，可能是由于植被
类型和立地条件等因素造成的。
对土壤有机碳含量、全氮含量、全磷含量、C∶ N、
C∶ P 和 N∶ P 之间的相关性分析可以看出，C∶ N 与有
机碳含量的相关性大于与全氮含量的相关性，C ∶ P
与有机碳含量的相关性大于与全磷含量的相关性，
表明研究区杉木人工林土壤 C∶ N 和 C∶ P 主要受土
壤有机碳含量的影响，低的 C∶ N 和 C∶ P 意味着有机
质分解较快，对于有较大降雨量和降雨频率的南方
杉木人工林来讲可能不利于土壤肥力的维持。
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(责任编辑 于静娴)
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