人为活动造成土地利用方式的改变势必会打破陆地生态系统原有的碳氮磷平衡^{[1, 2, 3]}。土壤翻动不但破坏了土壤团聚体，而且也加速了土壤中动物植物微生物残体、排泄物、分泌物以及土壤腐殖质的破碎速率，使其更易被微生物分解、化学氧化、物理释放进入大气和水域生态系统^{[4, 5]}，从而使土壤成为大气碳库的重要来源^[6]。与此同时，土地利用变化也会造成氮磷元素的丢失^{[7, 8, 9]}，但丢失程度取决于干扰的强度^{[1, 10]}。例如，Guo等^[1]综合分析全球数据表明：天然林转变为人工林和农田过程中土壤碳分别减少了13%和42%，而农田转变为天然次生林和人工林时土壤碳分别增加了18%和53%；Xu等^[10]研究表明，在天然林到第一代人工林再到第二代人工林转变过程中土壤碳氮磷含量均显著减小。

生态化学计量受国内外学者的广泛关注，特别是研究碳、氮、磷化学计量特征可以反映土壤内部碳氮磷循环，具有重要的生态指示作用，因而对认识生态系统碳汇潜力及其对气候变化的响应具有重要意义^{[11, 12, 13, 14, 15]}。Tian^[16]、Cleveland等^[17]分别从区域尺度和全球尺度上探讨土壤C/N、N/P和C/P化学计量比时得出：虽然在大尺度上不同生态系统之间土壤碳、氮、磷含量具有显著的变异性，但C/N的空间变异较小；而由于磷元素和碳氮元素来源的差异性，土壤C/P和N/P随气候、土壤类型、土壤深度和风化阶段而呈现显著的空间变异性。而且，天然生态系统土壤C/N在不同层次间基本保持恒定^{[16, 18]}。Yang等^[18]研究也发现，天然高寒草原土壤碳-氮之间具有显著的共斜率线性关系，且这种共斜率关系也存在于不同天然生态系统中^[17]及其不同演替阶段^[19]。

东北地区历经半个多世纪的采伐、垦荒等人为干扰，林地面积显著减小，原始林基本殆尽，森林年龄结构趋于单一化和低龄化。随着退耕还林、天然林保护等林业生态工程的实施，出现大面积的天然次生林和人工林^{[20, 21]}。然而，这种土地利用方式转变对土壤碳氮磷含量、生态化学计量特征及其相互关系的影响还不清楚。本研究以帽儿山生态站的相邻地段、相同林龄(均为10年生)、原始植被一致但土地利用方式不同的3种温带幼龄林为对象，最大程度地消除土壤本身异质性，以便探索土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量关系对土地利用变化的响应。

研究地设在帽儿山森林生态站(45°20′N，127°30′E)。平均海拔400 m，平均坡度10°—15°，地带性土壤为暗棕色森林土。气候属大陆性季风气候，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥，平均年降水量约629 mm，50%的降水集中在6—8月，平均年蒸发量约864 mm，年均气温3.1 ℃，1月份平均气温-18.5 ℃，7月份平均气温 22.0 ℃。无霜期约为120—140 d^[22]。现有植被是原地带性植被阔叶-红松林经干扰后形成的天然次生林和人工林。

本研究选择帽儿山生态站相邻地段、相同林龄(土壤扰动后自然更新10a，林分现已郁闭)但土地利用方式不同的3种温带森林类型，分别为：无土壤翻动的天然次生林 [NS]、间作大豆而土壤翻动中等的人工林[MS]、间作人参而土壤翻动严重的次生林[SS]。NS为皆伐后天然更新次生林，土壤无任何扰动，其中优势树种为白桦(Betula platyphylla Suk.)，伴生有春榆(Ulmus japonica(Rehc.) Sarg.)、水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)、大青杨(Populous ussuriensis Kom.)、黄菠萝(Phellodendron amurense Rupr.)和五角槭(Acer mono Maxim.)。MS为皆伐后人工栽植水曲柳(株行距1.5 m × 1.5 m)，同时翻土深度15 cm左右，间作大豆2a之后混入天然更新树种白桦、春榆等。SS为皆伐后翻土深度40 cm左右，作垄种植人参10a后天然更新的次生林，其树种组成与NS相似。于2013年9月在每林型中随机设立3块20 m × 30 m的固定样地，并对样地进行植被调查。

2013年10月，在每块样地内随机选取5个样点，采用内径为50 mm的土钻分层取样，取样深度分别为：0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm、50—60 cm。土壤样品风干后全部过2 mm筛，除去所有根系和石砾，将土样粉碎后作为分析土样。称取65 ℃烘干粉碎土样约0.100 g，采用multi N/C 3000分析仪和HT 1500 Solids Module分析仪(Analytik Jena AG,Germany)燃烧法测定土壤全碳含量。另称取烘干的粉碎土样约0.200 g，加入5 mL浓硫酸，3 mL过氧化氢420 ℃消煮90 min(消煮完全至白色)，待冷却后定容至100 mL，静置12 h后吸取上清液利用连续流动分析仪(BRAN+LUEBBE-AA3,Germany)测定氮、磷含量。

以样地为统计分析试验单位，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同林型、土壤层次的碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征；回归分析法建立不同土地利用方式下土壤碳、氮、磷含量之间的最优耦合模型(以每样方各土层平均土壤碳、氮、磷含量为数据分析单位)，并采用SMATR检验耦合模型的斜率同质性^[23]。直线回归系数差异性检验由SMATR Version 2.0软件完成，其它统计分析均由SPSS19.0软件完成。

土地利用方式显著影响土壤碳含量(图1)。各层次土壤碳含量均呈现NS最高、MS居中、SS最低。NS各土壤层次碳含量平均比MS高19.4%(变化范围为7.4%—32.4%)，比SS高77.4%(变化范围为69.5%—83.1%)。其中，除0—10 cm外，其它各层次碳含量在NS和MS之间差异不显著(P>0.05)，但两者均显著高于SS(P < 0.05)。NS(F_5,12=19.52,P < 0.001)、MS(F_5,12=38.71,P < 0.001)和SS(F_5,12=31.55,P < 0.001)土壤碳含量均随土层加深而显著降低(图1A)，但同一林型20 cm以下不同土层之间碳含量均无显著性差异(P>0.05)。

图 1 不同土地利用类型下土壤碳、氮、磷含量的垂直分布 Fig.1 Vertical distribution of soil carbon (C) ,nitrogen (N) and phosphorus (P) contents for different land use types 误差线为标准误(n=3);误差线上的不同字母表示同一土壤层次不同土地利用间显著性差异分组(α=0.05);NS:无土壤翻动的天然次生林Naturally regenerated stands;MS:间作大豆而土壤翻动中等的人工林Moderately disturbed stands;SS:间作人参而土壤翻动严重的次生林Severely disturbed stands

图选项

与碳含量相同，各土壤层次氮含量均呈现NS>MS>SS，且具有相同垂直分布格局(图1)。但是，除了0—10 cm(F_2,6=7.18,P=0.026)、10—20 cm(F_2,6=5.77,P=0.040)外，其它各土层氮含量在3种土地利用类型之间差异均不显著(P>0.05)。NS各土壤层次氮含量平均比MS高38.0%(变化范围为29.5% — 47.3%)，比SS高56.8%(变化范围为51.8% — 60.8%)。

然而，与碳、氮含量不同，不同土地利用类型之间各土层的磷含量均无显著差异(P>0.05)。NS和MS土壤磷含量随着土层的加深而递减，而SS的土壤磷含量呈现先递减、20 cm以下保持基本稳定的趋势(图1)。

土地利用变化显著影响土壤C/N,C/P和N/P(图2)。其中，除0—10 cm外，其它各层C/N在不同土地利用方式之间具有显著差异(P < 0.05)，并呈现MS>NS>SS。NS不同土层之间C/N基本保持恒定(F_5,12=0.923,P=0.499)，平均值为15.5；而MS的C/N随着土壤深度的增加而显著增加(F_5,12=7.64,P=0.002)，变化范围为13.4—28.6；SS的C/N随着土壤深度的增加而减小，但不同土层之间无显著差异(F_5,12=1.744,P=0.199)，平均C/N为7.7。NS和MS各土层C/P均显著高于SS(P < 0.05)，而NS和MS之间仅在0—10 cm层具有显著差异(P=0. 006)。土壤翻动显著降低了土壤N/P，不同土地利用方式下N/P呈现：NS>MS>SS，且随土层加深而显著减小(P < 0.05)。

图 2 不同土地利用类型下土壤C/N、C/P和N/P的垂直格局 Fig.2 Vertical patterns of C/N,C/P and N/P for different land use types 误差线为标准误(n=3)；误差线上的不同字母表示同一土壤层次不同土地利用间显著性差异分组(α=0.05)

图选项

土壤碳氮磷含量的耦合模型因元素和土地利用方式而异(图3)。碳-氮(C-N)之间具有极显著(P < 0.001)的线性关系。进一步的SMATR斜率同质性检验表明，不同土地利用方式之间C-N化学计量关系斜率无显著性差异(t=2.048，P=0.458)，共同斜率为11.1，NS和MS之间截距无显著差异(P>0.05)，但两者均显著大于SS(P < 0.001)(表1)。土壤碳磷(C-P)、氮磷(N-P)相互关系因土地利用方式而异，NS和MS呈现极显著(P < 0.001)的指数关系，而SS却为直线关系(图3)。

图 3 不同土地利用类型下土壤碳、氮、磷相互关系 Fig.3 Relationships between soil carbon (C) ,nitrogen (N) and phosphorus (P) contents for different land use types 误差线为标准误(n=18)

图选项

本研究中相邻地段、相同林龄的不同土地利用方式下3种温带幼龄林，因土壤翻动历史、程度和类型不同，其土壤碳、氮含量产生了显著的差异。无论是表层还是深层，土壤翻动均促使土壤碳、氮含量的丢失(图1)。其中，MS平均碳丢失率为19.4%，与Guo等^[1]报道的全球平均值(13%)相当。这种中等程度土壤扰动导致的碳丢失主要发生在土壤表层(0—10 cm)，而对深层土壤的碳含量影响不显著(图1)，这是因为间作大豆2a过程中只翻动了0—15 cm，深层土壤结构没有受到破坏，但对表层土壤的翻动过程中无疑增加了土壤的通透性，一定程度上促进了深层土壤碳的释放，从而呈现出轻微的碳丢失，这与以往的研究相符^{[24, 25]}。然而，翻动强度大(作垄深达40 cm左右)、时间长(10a)的SS平均碳丢失率高达77.4%，远高于Guo等^[1]报道的全球森林向农田转变过程中42%的碳丢失率，也高于Ellert等^[8]报道的长期耕作导致34%的碳丢失率。这种重度土壤翻动显著促使了表层和深层土壤的碳丢失，这是因为种植人参过程中作垄可达40 cm处，一方面土壤结构遭到严重破坏，另一方面也加大了深层土壤和外界环境的接触机会与面积，从而促进了微生物对土壤有机质的分解导致的碳释放以及随地表径流的丢失。此外，Don等^[26]整合分析也表明土地利用变化过程中土地利用变化的类型、土壤水热状况以及土壤属性(如土壤类型，粘土含量等)只解释了55%的土壤碳变化，而将近一半的变异很可能是由土壤翻动强度的差异性所致。

将本研究结果与本地区的顶极群落和成熟林相比：NS的碳含量相对于天然次生成熟林(蒙古栎林、硬阔叶林、杨桦林^[27])的表层土壤(0—10 cm)碳丢失率为6.6%；而3种天然次生成熟林表层土壤平均碳含量比本地区阔叶红松原始林^[3]低47.9%。与碳含量相同，各土壤层次氮含量也均呈现NS>MS>SS(图1)。NS各土壤层次氮含量平均比MS高38.0%，比SS高56.8%，可见土壤氮含量对土地利用方式的响应与碳含量相似。土壤翻动造成碳氮含量的同时丢失已得到众多学者的证实^{[7, 8, 9]}，这是因为土壤有机质在分解过程中每释放25份碳素就会消耗1份氮素^[28]。综上所述，在温带森林从原始林-天然次生林-人工林-农田转变过程中，土壤碳氮含量不断降低。因此，采用适当的退耕还林和森林更新措施可以逆转土壤的碳氮丢失，从而充分发挥森林土壤的碳氮固持潜能^{[26, 29]}。

土壤碳和氮主要来源于植物地上地下凋落物的分解，其含量受植被、气候、人为活动等影响较大^[28]。因此，土壤对土壤碳氮的垂直分布的影响会因土地利用而发生变化，但其主导能力随着土壤深度的增加而降低；而深层土壤碳氮含量主要决定于土壤本身质地，如粘土含量、土壤类型等^{[18, 30, 31, 32]}。然而，长期的重度土壤翻动也会导致深层碳氮含量减小(图1)。这表明量化在退耕还林过程中长期耕作农田的深层土壤碳氮汇功能也是必要的^{[26, 33]}。与土壤碳氮不同，土壤磷主要来源于岩石风化，其含量大小更大程度上取决于立地的地质特征，而受人为影响较小^{[3, 34]}。本研究中0—30 cm土层磷含量呈现NS>MS>SS，这可能是土壤翻动促使土壤有机磷的分解，并随地表径流而流失的缘故^[32]。

Sistla等^[35]指出，从局部到整体研究生态化学计量的可塑性和适应性是理解生态系统碳和养分循环对全球变化响应的有效途径。与Tian^[16]、Cleveland等^[17]大尺度研究结果不同，本研究中NS和MS土壤C/N随土层加深而呈现出增加的趋势。Hamer等^[36]也报道了C/N的这种垂直分布格局。进一步分析刘爽等^[27]报道的当地5种温带成熟林结果也显示，10—20 cm土壤C/N(20.1)高于0—10 cm(16.7)，而C/N与土壤有机质分解速率成反比^[14]，这说明本地区深层土壤具有较高的碳固存潜力^[37]，且因本地区深层土壤温度较低、土壤微生物分解速率较慢、粘粒含量较高而相对稳定。NS和MS之间的差异性可能是因为间作大豆2a中对土壤的翻动促进了表层有机质向深层的输入而补充了翻动导致的有机质输出，而在这些动态变化过程中碳对外界干扰较氮更敏感^[38]；另一方面本研究中NS和MS具有不同的植被组成，而植被特征一定程度上会影响土壤C/N的垂直分布。例如，最近王建林等^[39]发现，不同高寒草地类型下土壤C/N具有5种不同的剖面分布型。此外，也可能是由于深层土壤碳氮的小尺度空间异质性所导致^[40]。种植人参过程中的重度土壤翻动导致了C/N的显著减小，经过10a的恢复，SS仅表层土壤C/N和NS与MS无显著差异，这说明尽管本地区森林深层土壤具有稳定而又较高的碳含量^[37]，但是在土地利用变化过程中一旦发生碳丢失，便需要相当长的时间才能恢复。

同样，土地利用变化也显著影响土壤C/P和N/P。3种不同土地利用方式下的C/P的剖面分布与C/N类似。相对于C/N、C/P，N/P垂直分布，与Tian等^[16]研究结果相符，且不同土壤层次之间均呈现NS>MS>SS。这说明在消除了土壤本身异质性的小尺度上，土壤N/P可能比C/N和C/P与土地利用变化具有更高的同步性(随土壤翻动强度的增加而显著减小，图2)。林丽等^[13]也发现，土壤N/P对草地退化演替的敏感性较高。因此，N/P比C/N和C/P对外界环境变化可能具有更优的生态指示功能。表层土壤C/N、C/P和N/P均呈现SS < MS < NS，说明在森林恢复过程中会受到氮和磷限制。然而，尽管Koerselman^[41]、Tessier^[42]等先后通过综述植被N/P来分析其对养分限制的指示作用，但由于受土壤本身碳氮磷绝对含量的影响，目前有关土壤碳氮磷化学计量对土壤养分限制的指示作用还无定论^[14]。

本研究结果表明，3种林型土壤碳-氮-磷之间存在极显著的耦联关系(图3)。Cleveland等^[17]在综述陆地生态系统土壤和微生物的“Redfield ratio^[43]”时、Yang等^[19]在综述全球森林演替过程中土壤碳氮动态变化以及Tian等^[16]在综合我国土壤碳氮磷化学计量特征时均发现土壤碳氮之间存在着显著的耦合关系。进一步的回归系数差异性分析显示，土壤碳-氮之间均存在显著的共斜率线性关系，但土地利用变化显著影响其截距(P < 0.001，表2)。这表明土地利用变化并没有显著改变土壤碳-氮关系，而是通过改变其直线关系的截距来影响土壤碳氮的丢失以及C/N，这与最近研究相符^{[34, 44, 45]}。

为了进一步验证森林土壤碳氮化学计量关系的普适性，将本研究中的幼龄林和同一地区的5种典型森林类型的成熟林(即红松人工林、落叶松人工林、硬阔叶林、蒙古栎和杨桦林)^[27]以及Cleveland等^[17]的全球不同森林生态系统土壤碳氮数据作综合分析。结果发现，不同尺度的土壤碳-氮之间线性关系的斜率均无显著性差异(t=2.336,P=0.749)，其共同斜率为11.2(95%置信区间为[10.3,11.8]，P < 0.001，图4)。全球尺度上碳-氮之间线性关系的截距与0无显著性差异(95%置信区间为[-4.5,15.9])。这些结果反映了土壤C/N在大尺度上恒定性，这种森林土壤碳氮关系的普适性在陆地生态系统生物地球化学循环研究中具有重要意义^[18]。然而，大尺度上的异质性又掩盖了C-N关系截距的差异性，这从另一方面说明小尺度上研究碳-氮之间线性关系截距的差异性也具有重要的生态指示作用。

图 4 普适性土壤碳-氮关系 Fig.4 Generalized relationships between soil carbon (C) and nitrogen (N) NS、MS、SS分别表示本研究中不同土地利用方式幼龄林；MF表示本地区的成熟林(mature forest)土壤碳-氮关系，土壤碳氮数据来自刘爽等[27]；Global表示全球森林生态系统土壤碳-氮关系，数据来源于Cleveland等[17]；方框中数据表示异常值

图选项

与碳-氮关系不同，在最大程度消除土壤本身异质性的情况下，土壤碳-磷、氮-磷之间的相互关系因土地利用方式而异。NS和MS呈现极显著的指数关系，而SS却为直线关系(图3)。Chen等^[3]发现土壤磷含量对土地利用变化的响应与碳和氮并不相同，土壤全磷含量变化的不确定性同样在落演替过程中发现^[13]。这说明磷元素和碳氮元素不仅在来源上不同，且对外界干扰的响应机制可能也不同^[16]，从而导致碳-磷、氮-磷关系的局域性。

(1)土壤翻动会导致整个土壤剖面碳含量的显著减小，而氮含量仅在0—20 cm显著变化，而土壤磷含量保持恒定，说明土壤碳氮磷含量对土地利用变化响应机制可能不同。NS各土壤层次碳含量平均比MS和SS分别高19.4%和77.4%，氮含量平均比MS和SS分别高38%和56.8%，表明土壤翻动强度越大、持续时间越长，造成土壤碳氮丢失越严重。

(2)相比与NS和MS，各土层SS的C/N、C/P均最低，而NS和MS之间大小因土壤层次而异。3种土地利用方式下C/N和C/P具有不同的垂直分布。与C/N和C/P不同，各土层N/P与土地利用变化同步(NS>MS>SS)，且均为从高到低剖面分布。表明土壤碳氮磷学计量比具有可塑性与适应性，氮磷化学计量比作为土地利用变化的敏感指标优于碳氮和碳磷计量比。

(3)不同土地利用类型的C-P和N-P具有不同的耦合关系。其中C-N关系的斜率无显著性差异，而其截距的差异显著。这反映了森林土壤碳氮关系在大尺度上的普适性和小尺度上对土地利用方式的局域差异性。

致谢： 帽儿山森林生态站提供野外基础支持。