林分类型转换后植物-土壤化学计量及碳氮稳定同位素的变化特征

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天然次生林向人工林转换是我国亚热带地区一种普遍的森林经营方式。然而,林型转换对植物生长、土壤肥力及稳定性的影响尚未得到很好的量化。为了解林型转换后森林生态系统碳氮稳定同位素组成及化学计量的变化特征,为次生林转换为人工林后的生态恢复和可持续发展提供科学理论依据。本文研究了蔡家桥林场内马尾松(Pinus massoniana)次生林(PM-SF)转换为湿地松(Pinus elliottii)人工林(PE-P)及杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林(CL-P)后,叶片-凋落物-细根-土壤的化学计量、稳定碳(δ13C)、氮(δ15N)同位素的变化特征及其相互关系,探讨林型转换对植物与土壤的综合影响。结果表明:(1)林型转换对植物δ13C、δ15N含量的影响十分显著,马尾松次生林的植物部分包括叶片、凋落物、细根的δ13C含量均高于湿地松人工林及杉木人工林,植物内部各组织中细根δ13C含量最高,凋落物δ13C含量最低;马尾松次生林植物叶片、凋落物δ15N含量高于两种人工林,细根δ15N含量低于两种人工林。林型转换后,人工林叶片(新鲜叶片和凋落叶)TN、TN/TP和细根TN/TP、TC/TP低于次生林,叶片TC/TN和细根体积、SSA、SRL、TN、TP高于次生林。(2)林型转换后土壤δ13C含量无显著变化,而土壤δ15N含量显著升高。马尾松次生林的土壤有机碳周转优于湿地松、杉木人工林(回归斜率β绝对值下降),土壤稳定性更强,除SWC、p H、SOC/TN外,土壤中δ13C与其余各因子呈显著的负相关关系;除p H和SWC外,土壤δ15N与其余各因子均呈显著的负相关关系,其中与SWC呈正相关关系。林型转换后,土壤SOC/TN、SOC、TN含量降低。次生林土壤NO3--N含量显著高于人工林,且土壤NH4+-N、NO3--N与SOC、DOC、TN、MBC、MBN呈显著正相关关系。(3)对植物及土壤各因子进行PCA分析,发现林型转换后植物特征的差异主要体现在与叶片、凋落物以及细根N、P元素有关的化学计量和细根形态的变化上,而土壤各因子的差异主要表现在马尾松次生林及杉木人工林之间,且影响因素较为复杂。(4)林型转换后Δδ13C和Δδ15N均有极显著的变化,马尾松次生林Δδ13C、Δδ15N值大于湿地松人工林和杉木人工林。运用RDA分析对植物与土壤之间的关系进行讨论,发现植物叶片δ13C与其富集因子Δδ13C、土壤NO3--N呈正相关关系,叶片δ15N与土壤SOC、TN、SOC/TN呈正相关关系,土壤δ15N与其富集因子Δδ15N、叶片TN/TP呈负相关关系。RDA排序变量的正向选择表明,Δδ13C主要由植物叶片δ13C决定,而Δδ15N受植物和土壤δ15N交互作用的共同影响。综合各项分析后发现,Δδ13C的变化主要受植物因素影响,Δδ15N的变化主要受土壤因素的影响。总体来看,植物和土壤对碳氮同位素的分馏受森林类型、植物与土壤之间的相互作用、环境及人为干扰等多种因素的影响。与天然次生林相比,人工林植物整体生长发育状态更好,竞争较为激烈。林型转换后不同的植被类型、林分结构、管理措施等可能会导致土壤养分流失,破坏土壤稳定性,从而降低森林生态系统的土壤肥力,短期内会对植物及土壤产生较大的影响。
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