摘要
甘南高原位于青藏高原东部，是西北地区重要的生态屏障。近年来，为应对气候变化，响应国家政策，该区正在实施大规模的生态保护与恢复工程，加强天然林的管护并提高人工林的种植面积，森林覆盖率达到24%，森林主要分布于大夏河、白龙江和洮河流域，在保护和提高生物多样性、控制水土流失和固碳释氧等方面发挥着重要作用。然而，对该区森林生态系统的养分循环和限制情况尚不清楚。土壤是森林生态系统的关键组成部分，土壤中碳(C)、氮(N)和磷(P)是参与森林生态系统物质和能量循环的主要元素，土壤C∶N∶P化学计量特征可以有效反映土壤C、N、P耦合情况、养分利用效率和植物生长过程中养分限制状况，对后续维护区域森林生态平衡具有重要意义。 本研究以甘南高原的天然针叶林与人工针叶林为研究对象，在2020年7月、2021年6月及2022年5月展开了系统的野外森林样方调查工作，共采集了83个样方0-40cm的土壤样品480余份，其中天然林340余份，人工林140余份，分析甘南高原0-40cm土壤C、N、P含量、储量及化学计量比的空间分布特征，综合分析森林类型、地形、气候及土壤理化性质等对土壤C∶N∶P化学计量特征的协同影响，探究区域天然林与人工林的土壤养分差异，主要取得的结论如下： (1)甘南高原天然针叶林内，白龙江上游森林土壤C、N、P含量、储量及化学计量比最高。土壤C与N之间相对C与P具有较强的耦合性，同时由于林下大量豆科植物的影响，C、N、P之间的相关在10-20cm土层深度内最强。树种特性是影响甘南高原天然针叶林土壤C∶N∶P化学计量特征的主导因素。油松和紫果云杉天然林土壤C、N含量及储量最高，未来需要加强并优先展开对油松、紫果云杉天然林的保护工作，以增强该区土壤质量和固碳能力。树种丰富度的增加有利于提高土壤养分含量。林龄在40-60年之间的土壤C、N和P含量最高，分别为85.08mgg-1、5.95mgg-1和0.60mgg-1，因此通过天然林保育和抚育性采伐可以有效实现林龄结构的优化，增加森林碳汇。该区C∶N均值相对较低(17.94)，叶片N∶P均值小于14，研究区土壤有机质分解速率较高，并且存在N限制。 (2)甘南高原人工针叶林C、N含量和储量在洮河下游区域内相对较高，P含量和储量在大夏河流域内和洮河下游最高。林分年龄对人工林土壤C、N、P含量、储量及化学计量比的贡献率达到15%以上，是驱动C、N、P变化的主要因子。林分年龄和树种特性主要影响表层土壤(0-10cm)的C、N、P储量，而深层土壤(20-40cm)的C、N、P储量主要受环境和土壤理化性质的影响。华北落叶松林土壤的C、N、P含量和储量高于其他树种，未来种植华北落叶松可有效提高甘南高原土壤固碳和保氮能力。在50年内，人工林土壤N∶P随林分年龄的增加而增加，P储量保持不变，P元素可能成为未来该区植物生长的限制因素。 (3)甘南高原天然针叶林土壤C、N含量和储量高于人工林，土壤P含量和储量低于人工林。天然林土壤C∶N、N∶P和C∶P分别为人工林的1.23倍、1.74倍和2.07倍。天然林土壤容重、含水量和pH值高于人工林，会影响土壤的通气条件、水分状况及微生物对有机质分解的程度。土壤理化性质和林分结构特征可能是导致天然林比人工林土壤质量更好的原因。 总体而言，本研究确定了甘南高原天然林与人工林土壤养分的空间格局和驱动因素，并据此提出了未来适宜的造林树种。同时建议在生态恢复过程中，因加强对天然林的保护，避免毁林还林；从缓解土壤N限制的角度考虑，在人工林的种植中适当引入固氮植物以缓解氮限制。本研究可为未来甘南高原天然林的管理与保护、森林恢复与未来人工林的可持续发展提供科学指导。同时也可以为相关生态模型提供基础参数。
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