不同恢复年限刺槐林土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征

2021-05-10张富荣柳洋史常明赵云飞肖锦锦汪霞

生态环境学报 2021年3期

张富荣，柳洋，史常明，赵云飞，肖锦锦，汪霞,

1. 兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000；2. 兰州大学西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000

土壤作为陆地生态系统的重要组分，为植物生长提供必要的营养物质。植物凋落物经微生物分解后的养分在土壤中积累（欧延升等，2019），这种土壤养分供给与植物养分需求的动态交换使得土壤碳、氮、磷保持着相对稳定的元素比值（王绍强等，2008）。土壤 C∶N∶P比是反映有机质组成、土壤质量和碳氮磷循环的主要指标。它综合了生态系统功能的变异性，是确定土壤碳氮磷平衡（矿化和固持）特征的一个重要参数（程滨等，2010）。生态化学计量学是研究生物系统能量平衡和多重化学元素（主要是碳、氮、磷）平衡的科学，它包含了生态学和化学计量学的基本原理（Paul，1976；王绍强等，2008；欧延升等，2019），旨在揭示生态系统稳态转化机制。因此，研究土壤碳氮磷含量及其生态化学计量学特征有利于更好地理解生物系统和全球生物地球化学循环（樊兰英，2016），为整合当前生物学领域不同层次的研究（分子水平、细胞和个体水平、种群水平、群落水平、生态系统水平和全球水平）提供新思路（程滨等，2010）。

长期的植被恢复主要通过增加地上凋落物量和地下根系生物量以及根系分泌物而显著提高土壤质量（Huang et al.，2011；Deng et al.，2016），使得土壤SOC、TN、TP含量及C∶N、C∶P、N∶P均随着林龄的增加而增加（崔志鹏等，2020）。目前已有很多学者展开不同恢复年限人工林对土壤碳、氮、磷及其生态化学计量学特征的影响研究（任璐璐等，2017），但因研究区的气候（温度和水分）（Zhang et al.，2015；卢同平等，2016；李慧等，2018）、植被类型（Zhang et al.，2018；Wang et al.，2020）、经纬度（张向茹等，2013；陈亚南等，2014）、土壤发育阶段（王晓光等，2016）、人类干扰程度等因素的差异，土壤C∶N∶P比值的变化规律不尽相同。本研究通过野外调查采样及实验室样品分析，探索长期的植被恢复对土壤SOC、TN、TP含量及其化学计量特征的影响，阐明土壤SOC、TN、TP含量及其化学计量比相互间的关系，以期为当地森林管理和土壤质量改善、防止人工林地退化和维护林地健康提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吕二沟流域（34°32′N，105°44′E）位于甘肃省天水市秦州区，是黄河支流渭河水系的藉河南岸的一级支沟，地处秦巴山区西秦岭北缘，大陆性半高寒半湿润气候。研究位点海拔 1469—1546 m，多年平均降雨量605.2 mm（1954—2000年），年均气温10.72 ℃，土壤类型主要为黄绵土类。上世纪五六十年代开始，当地政府在研究区实施了多年的生态恢复措施以保持水土，目前植被长势良好。流域内主要的草本植物有白草（Pennisetum centrasiaticumTzvel.）、艾蒿（Artemisia argyiLevl.et Van）、苜蓿（Medicago SativaLinn）等，灌木多为酸枣（Ziziphus jujubaMill. var.spinosa(Bunge) Hu ex H. F. Chow）、花椒（Zanthoxylum bungeanumMaxim.）、沙棘（Hippophae rhamnoidesLinn.）等，乔木以刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）、核桃（Juglans regiaL.），油松（Pinus tabuliformisCarr.）为主。

1.2 试验设计

通过走访调查、资料查证等方式确定流域内人工林恢复的时间年限，选择4个不同恢复年限（5、20、40、56 a）的人工刺槐林为研究对象，同时选择临近的荒地作为对比。其中每个生长年限的刺槐林的面积为2.3—3.6 km2，荒地面积约2 km2。所选样地具有相似的土壤母质、土壤质地和坡度（30°左右）等立地条件。于2018年10月，将不同年限的刺槐林划分样地，每两个样地相距3 km以内。每个样地中随机设置3个10 m×10 m的样方，每个样方中设置3个采样剖面，挖出深100 cm的剖面，按照从下往上的顺序每10 cm采集1个土壤样品，并将样方中的3个采样剖面上相同土层的样品混合，作为一个样品，共采集土壤样品150个。现场详细记录样方信息（表1），所有样品进行编号后带回实验室，在室温条件下自然风干，备用。

表1 现场调查详细信息Table 1 Details of field investigation

1.3 样品分析

土壤容重采用环刀法测得，通过公式土壤总孔隙度=(1-土壤容重/土壤密度)×100%计算得到土壤总孔隙度（欧延升等，2019），土壤水分用烘干法测得，采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳（SOC）含量（鲍士旦，2000）。总氮（TN）含量以 K2SO4-CuSO4-Se（100∶10∶1）为催化剂，加 5 mL浓硫酸，在380 ℃下消煮150 min（鲁如坤，2000）。总磷（TP）含量经 H2SO4-HClO4催化在 380 ℃下消解45 min。消煮完成后稀释定容，采用全自动化学分析仪（Smart Chem 200）测定总氮和总磷含量（鲁如坤，2000）。土壤质地用激光粒度仪（Master Sizer 2000，Malvern Instruments，Malvern，UK）测定（刘雪梅等，2005）。

1.4 数据分析

数据经Excel 2010整理后，采用SPSS 26.0中的单因素方差分析（One-way analysis of variance）对不同恢复年限和不同土层的碳氮磷含量进行差异性分析；采用Pearson分析法对碳氮磷含量与土壤物理化学性质进行相关性分析；相关制图在Origin 2019软件中完成。

2 结果与分析

2.1 不同恢复年限人工刺槐林土壤理化性质的差异

表2汇总了研究区不同恢复年限土壤理化性质的差异，结果显示，在植被生长过程中土壤容重、总孔隙度均无显著变化（P＞0.05）。土壤水分总体呈现降低的趋势，经过56年的人工刺槐林恢复，土壤水分比荒地下降了22.7%，其中5—20年恢复阶段土壤含水率下降最快，平均每年下降0.224%。土壤黏土含量差异显著（P＜0.05），这可能与有机碳的合成机制有关。

表2 不同样地土壤理化性质特征Table 2 Summary of features of soil in different stages in the study area

2.2 不同恢复年限人工刺槐林土壤剖面上 C、N、P含量的差异

土壤有机碳和总氮含量随着植被恢复年限的增加而增加，表明长期的植被恢复有利于碳氮元素的固存。生长 56年的刺槐林中有机碳含量低于荒地，生长5年的刺槐林中总氮含量最低。长期的植被恢复对土壤总磷含量的变化影响不大，但生长 5年的刺槐林中总磷含量在土壤剖面上的变化明显。在土壤剖面上，有机碳、总氮、总磷含量均随着土层深度的增加而降低，但有机碳和总氮含量的变化差异比磷明显（图1）。

图1 不同恢复年限人工刺槐林土壤剖面上C、N、P含量的变化Fig. 1 Variation of C, N and P content in soil profile of Robiniapseudoacacia plantations with different restoration years

2.3 不同恢复年限人工刺槐林生态化学计量比的差异

随着恢复年限的增加，C∶N比值整体呈减小趋势，但无显著性差异（P＞0.05），荒地土壤C∶N比值高于人工刺槐林，表明人工林地土壤微生物的活动强度和氮有效性高于荒地（图2）。人工刺槐林土壤碳氮比值介于 6.67—15.19之间，平均值为10.97。人工刺槐林土壤C∶P比值随着恢复年限的增加而增加，变化范围为7.07—11.43。土壤C∶P比在植被恢复初期显著减小（P＜0.05）。人工刺槐林土壤C∶P比最大值出现在56年恢复阶段，平均值为9.02，表明土壤磷的有效性较高。研究区人工刺槐林地土壤N∶P比的变化范围为0.62—1.57，随着植被恢复年限的增加而显著增大（P＜0.05）。

图2 不同恢复年限人工刺槐林生态化学计量比的差异Fig. 2 Differences of ecological stoichiometric ratio of artificial Robiniapseudoacacia forest in different restoration years

2.4 土壤碳氮磷含量与生态化学计量比值的相关性

土壤总氮、总磷和有机碳两两之间存在显著的正相关关系，其中有机碳和全氮的相关性系数最高，达到了0.694，说明它们之间存在比较高的耦合关系（表3）。在生态系统中，氮的迁移、转化必然要依赖碳的流动，且它们的来源途径相似，造成了碳氮磷元素的显著相关性。C∶N比与有机碳的相关性没有达到显著水平（P＞0.05），而与全氮含量存在显著的负相关关系（P＜0.01），说明土壤C∶N比受全氮影响较大，基本不受有机碳含量的影响；土壤C∶P比与总磷含量的相关性不显著，与土壤有机碳呈极显著正相关（P＜0.01），相关性系数达到0.954，说明C∶P比的变化主要受碳素的影响，也可能是因为土壤总磷含量的变化范围较小；与C∶P比类似，N∶P比与总磷含量的相关性不显著，与氮素含量存在极高的正相关关系，相关性系数为0.964，表明N∶P比在极大程度上受氮素的限制。

表3 土壤碳氮磷含量与生态化学计量比的皮尔逊相关性系数Table 3 Pearson correlation coefficient between SOC, N, P content and ecological stoichiometric ratio

2.5 植被恢复过程中影响土壤碳氮磷含量和生态化学计量比的因素

在土壤碳氮磷与环境因子的排序图中（图3a），箭头的长度代表了因子对土壤碳氮磷变异的影响，结果表明，在整个植被恢复过程中引起土壤碳氮磷含量变化的因子中土壤含水率＞容重＞孔隙度。与环境因子对生态化学计量比的影响相似（图3b）。土壤总氮含量与孔隙度间的夹角最小（图3a），表明二者存在较强的相关关系。同理，N∶P比与黏土含量的夹角最小（图3b），表明植被恢复过程中N∶P比值的变异与黏土含量的差异密不可分；C∶N比与土壤水分间的夹角最小且土壤水分的箭头较长，说明在植被恢复过程中C∶N比受土壤水分的影响最大；而C∶P比与砂土含量的关系最密切。土壤碳氮磷含量及其生态化学计量比均与土壤水分和孔隙度呈正相关关系，而与土壤容重呈负相关关系（表4）。

图3 土壤碳氮磷含量、生态化学计量比与理化性质的冗余分析图Fig. 3 Redundancy analysis of soil C, N, P content, ecological stoichiometric ratio and physicochemical properties

表4 RDA前两轴的排序概要Table 4 Summary of the first two axes of RDA

3 讨论

3.1 植被恢复年限对土壤碳氮磷含量的影响

土壤有机碳和总氮含量随着植被恢复年限的增加而增加，且随着土壤深度的增加而减少，与张雨鉴等（2019）和张莎莎等（2020）的研究结果类似。在植被恢复过程中，随着凋落物、刺槐根系生物量以及根系分泌物的增加，进而加大了碳输入量，形成了有机碳含量随植被恢复年限的增加而增加的规律。总氮含量随植被恢复增加是因为与刺槐根系相关的根瘤菌能够固定大气中的氮元素，使土壤氮素得以富集（Li et al.，2019）。底层土壤有机碳的来源主要有：（1）上层土壤中的易溶解有机碳（DOC）被雨水冲刷到下层土壤中（Zhao et al.，2019）；（2）通过胶体将有机碳转运进入底土（Rumpel et al.，2010）；（3）深层植物根系分泌物和土壤动植物残体的贡献（Ojeda et al.，2017），这决定了表层土壤有机碳含量高于底层。土壤有机碳和全氮主要来自植被凋落物，磷素作为一种沉积性矿物元素，在土壤中的迁移率较低（邱扬等，2004），且磷素在凋落物中的含量相比碳氮要低很多，所以碳氮磷3种元素来源的差异使得有机碳和氮素在土壤表层富集，而磷在土壤中的分布相对均匀。生长56年的刺槐林中有机碳含量低于荒地，可能是由于荒地生长着各种草本植物，而草地的固碳能力远高于人工刺槐林（Li et al.，2017）。植被恢复过程中，土壤碳氮磷含量变化主要受土壤水分的制约，这可能是因为刺槐在快速生长时期所需水分较多（孙中峰等，2006），造成较严重的土壤水分亏空（王舒等，2016；任璐璐等，2017；吴多洋等，2017），限制了刺槐的生长。

3.2 植被恢复年限对生态化学计量比的影响

一般而言，高土壤C∶N比值表示低速率的有机质矿化（王绍强等，2008），在一定程度上指示有机质的积累速率和氮有效性。较低的土壤C∶P比值往往表示较高的磷有效性（王绍强等，2008），C∶P比值反映了微生物分解有机质时释放磷素的多少。土壤N∶P比值作为当前限制性养分判断的重要指标之一（曾全超等，2016），主要用于确定养分限制的阈值（张良侠等，2014）。人工刺槐林地土壤C∶N比平均值低于全球土壤碳氮比的均值（13.33）（Post et al.，1985），但居于我国土壤C∶N比值（10—12）范围之间（Huang，2000）。人工刺槐林土壤C∶P比值随着恢复年限的增加而增加，可能是土壤有机碳增加的缘故，说明随着恢复年限的增加，土壤磷的有效性越来越低。土壤C∶P比在植被恢复初期显著减小（P＜0.05），可能是恢复初期土壤有机质大幅减少导致。人工刺槐林土壤C∶P比最大值出现在56年恢复阶段，远低于中国陆地土壤的平均值 52.70（Tian et al.，2010），表明土壤磷的有效性较高。研究区人工刺槐林地土壤N∶P比随着植被恢复年限的增加而显著增大（P＜0.05），但仍远低于全球生态系统土壤N∶P比的平均值13和中国土壤N∶P比值的平均水平 9.3（Cleveland et al.，2007；Yuan et al.，2011）。土壤中碳氮元素的含量虽然具有较大空间异质性，但与它们组成物质结构时紧密相关（Tian et al.，2010），使得其比值保持相对稳定。由于土壤总磷含量变化不大，所以N∶P比的变化基本上受氮素的控制，较小的N∶P比说明土壤中的氮素偏少，但土壤中氮素匮乏并不能说明刺槐的生长受到了氮的限制，只能说明作为豆科植物的刺槐虽然促进了研究区土壤氮素的增加，但并没有使土壤中的氮素含量达到正常水平。土壤水分不仅是影响土壤碳氮磷含量的主要因素，对其生态化学计量特征也造成一定影响。