黃土丘陵區刺槐、遼東櫟林地土壤碳、氮、磷生態化學計量特征

呂金林,閆美杰,宋變蘭,關晉宏,時偉宇,杜 盛,*

1 中國科學院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100 3 中國科學院地球環境研究所, 西安 710061 4 中國科學院大學, 北京 100049

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黃土丘陵區刺槐、遼東櫟林地土壤碳、氮、磷生態化學計量特征

呂金林1,4,閆美杰1,2,宋變蘭1,關晉宏1,時偉宇3,杜 盛1,2,*

1 中國科學院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100 3 中國科學院地球環境研究所, 西安 710061 4 中國科學院大學, 北京 100049

黃土高原中部的丘陵溝壑區位于半濕潤、半干旱氣候帶,生態環境脆弱,水土流失嚴重,植被恢復是該地區水土保持與生態重建的重要措施。遼東櫟天然次生林和刺槐人工林是該地區典型的森林植被類型。以黃土丘陵森林分布區邊緣的兩種主要森林類型為對象,通過采集林地不同深度土壤樣品,對比分析兩種林地土壤中碳、氮、磷含量的計量關系及垂直分布特征,旨在探明該區域土壤化學計量特征及主要影響因素。結果表明：(1)在兩種林地類型中,土壤有機碳與全碳含量呈正相關關系,兩種林地可用同一曲線進行擬合,說明特定土壤類型在同一區域其有機碳和無機碳相對含量基本穩定。(2)土壤有機碳與全氮比值在10左右,在不同土層深度無明顯變化；而土壤全碳與全氮比值則隨土壤深度的增加而增加,超過1 m以后呈現飽和曲線的變化趨勢。(3)土壤氮磷比隨土壤深度的增加呈冪次型降低。

黃土丘陵區；土壤碳氮磷；碳氮比；氮磷比；化學計量

近年來,生態系統中多重化學元素的平衡受到廣泛關注,以強調系統中主要元素相對含量及其平衡關系為主要內容的生態化學計量學迅速發展并發揮著重要作用[1- 4]。碳(C)、氮(N)、磷(P)作為結構性元素和養分元素,在地球各圈層之間不斷地循環傳遞,構成了碳、氮、磷元素的生物地球化學循環,保證了生態系統物質循環和能量流動順利進行,對維持生態系統穩定性具有重要意義。土壤是陸地生態系統的重要組成部分,是植物生長發育所需營養元素的主要來源,土壤碳、氮、磷是主要的土壤養分成分。楊雪棟等[5]對內蒙古荒漠草原帶小針茅群落的研究發現不同地區土壤各養分計量比不同,隨土壤深度的變化也不一致。王維奇等[6]對不同淹水頻率下的濕地土壤的研究發現遠近潮溝區域土壤碳、氮、磷化學計量比對淹水頻率的響應不同,且碳氮比的響應敏感性不及氮磷比。因此,土壤碳、氮、磷的化學計量學特征可能受土壤類型、群落特征和氣候環境等多種因素影響,對生態系統生產力、碳匯潛力以及氣候變化的響應機制具有重要作用。

黃土高原中部的丘陵溝壑區位于半濕潤、半干旱氣候帶,生態環境脆弱,水土流失嚴重,植被恢復是該地區水土保持與生態重建的重要措施[7]。自20世紀70年代后期以來,隨著“三北”防護林建設和水土保持重點治理等生態工程的實施,該地區的人工林面積不斷擴大。退耕還林還草工程和天然林保護工程實施以后,不僅人工植被覆蓋度大幅度增加,天然林草植被也得到了有效的恢復,水土流失也明顯減弱,生態環境得到極大改善[8]。對天然林實施保護以促進其恢復并營造適宜的人工林樹種是實現該地區林地植被恢復的主要措施。天然林中,遼東櫟天然次生林是暖溫帶主要的落葉闊葉林之一,也是黃土高原半濕潤區森林自然演替的頂級群落[9]。在半濕潤半干旱的黃土丘陵區,植被類型介于森林向森林草原的過渡區域,遼東櫟頂級群落容易遭受間歇性干旱氣候和人為干擾的影響,受到廣泛關注。而刺槐是建國以來該區域的主要造林樹種,在大面積黃山綠化中成效顯著,特別是在水土流失區域發揮了十分有效的固土保水效果[10- 11]。遼東櫟天然次生林和刺槐人工林作為黃土丘陵區的代表性森林植被類型,對該地區的水土保持和生態環境建設具有重要意義。森林土壤是森林生態系統的重要組分和元素儲庫,在全球氣候變化和土地利用方式變化背景下,研究和了解森林土壤中元素的生態化學計量學特征,對進一步認識森林生態系統的營養元素循環過程、反饋機制和對各種干擾的響應,及實現森林生態系統服務功能的可持續管理均具有重大的理論和實踐意義[12- 14],同時能夠揭示碳、氮、磷等營養元素循環變化規律及其對全球變化的生態系統響應。近年來,國內學者關于土壤的生態化學計量學研究多集中于不同植被區、林齡、緯度和立地條件等方面的差異性[15- 18],針對黃土丘陵區主要森林植被類型的土壤碳、氮、磷含量及其分布規律的研究開展較少。此外,針對黃土高原不同植被類型的土壤環境效應,尤其是天然和人工植被類型對土壤性狀的影響,雖有不少研究,但其研究結果存在較大差異,有必要開展進一步研究[19-26]。本研究以黃土丘陵森林分布區邊緣的兩種主要森林類型為對象,旨在探明該區域林地土壤中碳、氮、磷的垂直分布規律、化學計量關系及其與植被類型的關系,為科學評估植被恢復的生態功能和效益提供理論依據,并為黃土高原區和國家范圍內營養元素生物地球化學循環和森林生態系統源匯效應的深入研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市南郊公路山林區,地理坐標為36°25.40′N,109°31.53′E,海拔1245—1395 m。據位于試驗地北約15 km處的延安市氣象臺資料,1988—2007的20 a間平均降雨量為498 mm,平均氣溫為10.6℃,雨季集中于7—9月份[27]。該區域屬于溫帶落葉闊葉林區向溫帶草原區的過渡地帶,暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候,地貌為梁峁狀黃土丘陵溝壑區,土壤類型主要為黃綿土。目前區域內植被破壞較為嚴重,選取遼東櫟(Quercusliaotungensis)天然次生林和刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林進行研究。遼東櫟群落遠離村落,人為干擾較少,林分結構合理,是該區典型的天然林類型,伴生樹種有山杏(Ameniacasibirica)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、水栒子(Cotoneastermultiflorus)、細裂槭(Acerstenolobum)、側柏(Platycladusorientalis)等；刺槐群落為該區主要人工林類型,林下灌草稀疏雜生。

1.2 樣地設置與土壤樣品采集方法

野外調查采樣于2013年8月進行,在公路山林區選取有一定代表性的近成熟遼東櫟天然次生林群落和刺槐人工林群落,設置標準樣地各3個,樣地規格為20 m×40 m,樣地間距在0.5—1.5 km。各樣地基本特征見表1。在調查樣地內沿一個對角線確定3個土壤取樣點,使用內徑6 cm的土鉆,按0—10、10—20、20—30、30—50、50—100、100—150、150—200 cm 7個層次鉆取土壤樣品,將相同土層土樣等量混合作為該樣地相應土層樣品,帶回實驗室分析。

表1 研究區樣地概況

林分密度按矯正坡度后的投影面積計算

1.3 土樣樣品處理及分析測試

新鮮土樣混合均勻后,風干,研磨,過0.25 mm篩后,測定土壤有機碳(SOC)、全碳(STC)、全氮(N)、全磷(P)含量。有機碳的測定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法；全碳的測定采用碳氮分析儀法(Vario EL III Elementar,德國)；全氮的測定采用了兩種方法,分別是碳氮分析儀法和經硫酸-高氯酸消煮法處理后用FOSS- 8400全自動凱氏定氮儀測定；全磷的測定采用硫酸-高氯酸消煮法。

1.4 數據處理

土壤無機碳含量(SIC)依據全碳和有機碳含量的差值算得。采用SPSS 16.0統計分析軟件對不同數據組進行差異顯著性檢驗,并采用Sigmaplot 12.5對數據組之間的關系進行擬合和制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳和全碳含量的相關性及垂直變化

2.1.1 有機碳和全碳的計量特征

圖1 土壤有機碳(SOC)與全碳(STC)含量的關系Fig.1 The relationship between SOC and STC

由圖1可見,在刺槐人工林和遼東櫟天然次生林中,土壤有機碳和全碳之間存在著極顯著的正相關關系,且兩種林地的土壤有機碳和全碳關系可用同一曲線擬合(y=1.2153x-2.0709,R2=0.9794,P<0.0001)。在不同土層深度,雖然有機碳和全碳含量發生了變化,但是保持線性關系不變,擬合曲線在X軸的截距顯示,該類型土壤中有十分可觀的無機碳含量。

2.1.2 土壤深度和林地類型對土壤有機碳、無機碳相對含量的影響

由圖2可見,兩種林地中SOC/STC隨土壤深度的增加均呈下降的趨勢,而SIC/STC呈升高的趨勢,且SOC/STC和SIC/STC均在0—100 cm土層變化速率較大,在100—200 cm土層變化速率較小并趨于穩定、這應該與植物根系分布范圍有關。表層土壤受環境因子影響大,枯落物和腐殖質層對土壤有機碳積累的影響也集中于表層土壤,因而表層土壤的有機碳儲存較為顯著[16],而深層土壤中無機碳占較大份額。

此外,遼東櫟林的土壤SOC/STC明顯高于刺槐林,遼東櫟林各土壤深度SOC/STC值分別是刺槐林SOC/STC值的1.50、1.44、1.44、1.16、0.86、0.90、1.01倍。這與遼東櫟天然林凋落物量明顯高于刺槐人工林相吻合[28- 32]。與人工林相比,天然次生林有大量地表凋落物及細根,可向土壤中釋放大量的營養物質,使表層土壤蓄存較多的有機碳氮[33]。

圖2 不同林地不同土層SOC/STC、SIC/STCFig.2 SOC/STC and SIC/STC of different soil depth and different forests

2.2 兩種林地土壤氮含量及垂直分布特征

2.2.1 基于兩種測定方法的土壤全氮含量相關性分析

將凱氏定氮法和燃燒法測定得出的土壤全氮含量進行分析可見,2種方法測定的全氮含量呈極顯著的線性相關關系(圖3,P<0.0001),趨勢線斜率為0.8865,接近1,表明凱氏定氮法測定結果略低于燃燒法但無明顯差異。這與之前有關報道相吻合[34- 35]。

2.2.2 土壤深度和林地類型對土壤全氮含量的影響

由圖4可見,兩種林地中土壤全氮含量均隨土壤深度的增加呈降低趨勢,在0—100 cm土層中下降幅度較大,在100—200 cm土層中趨于穩定。這種變化趨勢同SOC/STC的變化趨勢相似(圖2),林地之間表層土壤中全氮含量存在差異,遼東櫟天然林高于刺槐人工林,各土壤深度遼東櫟林全氮含量分別是刺槐林的2.03、1.43、1.44、1.19、0.88、0.80、0.89倍,顯示全氮含量同有機碳含量存在關聯性,土壤表面凋落物的累積與分解是造成土壤有機碳和全氮含量差異的主要原因。

圖3 基于2種測定方法的土壤全氮含量比較Fig.3 Comparison of two methods of N content determination

圖4 不同林地不同土層土壤N%Fig.4 N% different soil depth and different forests

2.3 兩種林地土壤碳氮比及其垂直變化

土壤有機碳是土壤微生物活動的能源,氮是構成微生物細胞的要素。有機碳與全氮之比影響微生物的繁殖和活動,從而影響有機質礦化分解速度[36],是評價土壤質量水平的一個重要指標[37]。由圖5可見,刺槐人工林中,不同土層深度的有機碳與全氮比值無明顯差異(P>0.05),分別為10.670,9.721,9.964,9.910,10.007,10.270,9.932,均在10左右。遼東櫟天然次生林中,0—10 cm土層的SOC/N值較高,為13.201,與該土層較高的有機碳含量一致；其他土層的SOC/N值略低,分別為10.716,10.697,9.762,9.387,10.117,10.121,但基本都在10左右。而全碳與氮的比值則隨著土壤深度的增加而增加,在0—100 cm淺層土壤中變化速率較快,而在100—200 cm深層土壤中變化緩慢,呈現飽和曲線的變化趨勢,與土壤中無機碳的變化相關聯。

圖5 SOC/N和STC/N變化Fig.5 Variations of SOC/N and STC/N字母不同表示各土層SOC/N之間差異顯著性,相同字母表示未達到顯著水平(P<0.05)

2.4 兩種林地土壤磷含量、氮磷比及其垂直變化

由圖6、圖7可見,兩林地中土壤磷含量隨土壤深度變化幅度不大,但有一定差異(P<0.05),表層較高,隨土壤深度增加而減少。而土壤N/P值在表層較大,隨土壤深度的增加而降低,在50 cm以下逐漸趨于恒定,基本上同土壤全氮含量變化趨勢相一致。氮磷比的差異主要來自于土壤中氮含量的變化,土壤氮磷比空間格局的形成可能還與土壤本身結構、質地和地形地貌有關[38]。

圖6 磷含量與土壤深度的關系Fig.6 Relationship between phosphorus content and soil depth字母不同表示各土層P%之間差異顯著性,相同字母表示未達到顯著水平(P<0.05)

圖7 不同林地不同土層N/P比Fig.7 N/P of different soil depth and different forests

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 土壤碳、氮、磷含量對土壤深度和林分類型的響應

在黃土丘陵區土壤深度是決定土壤養分含量變化的重要因素。本研究中,土壤碳素和氮素隨著土壤深度的增加而降低,而土壤磷素變化較為穩定,這與朱秋蓮等[39]的研究結果相一致。土壤碳素含量受土壤深度的影響較明顯,土壤表層與外界環境直接接觸,地表凋落物、動植物殘體、植物根系以及微生物作用等對有機碳在土壤表層的積累和向下轉移起促進作用。土壤全氮主要來源于土壤植物殘體分解與合成所形成的有機質[40],因此土壤氮素含量的變化與有機質變化具有一致性,也就是與土壤有機碳變化具有一致性。而土壤磷素是一種沉積性的礦物,在土壤中的遷移率很低,因此全磷的垂直變化較為穩定[41]。

本研究中林分類型對土壤養分的影響并不明顯,土壤碳、氮、磷含量在兩種林地中均呈相同的變化趨勢,且土壤有機碳和全碳關系可用同一曲線擬合。值得注意的是,固氮樹種刺槐在0—100 cm土層中全氮含量卻低于遼東櫟,Tateno等[42]認為造成這種結果的原因可能是刺槐林中土壤表層的凋落物積累較少,受風等環境因子影響而流失。

3.1.2 土壤碳氮比和氮磷比的垂直變化特征

本研究中,黃土丘陵區土壤有機碳氮比在不同土壤深度和林分類型中基本都在10左右,在中國土壤的C/N的平均值內(中國土壤的C/N平均值在10—12[43])。雖然土壤碳、氮含量變化明顯,但碳氮比維持相對穩定,Tian等[44]在研究全國土壤C/N時發現,雖然碳和氮含量具有較大的空間變異性,但C/N相對穩定,本研究結果基本符合這一規律,反映了碳、氮作為結構性成分,緊密相關,且二者的積累和消耗過程存在相對穩定的比值[4]。而在遼東櫟天然次生林中,0—10 cm土層的C/N為13.20,可能原因是表層有機碳、氮含量高,隨土壤深度的增加,碳含量的減小幅度大于氮含量。而全碳氮比則隨著土壤深度的增加而升高,并逐漸趨于穩定。土壤全碳是由有機碳和無機碳組成,隨著土壤深度的加深,有機碳所占比例逐漸下降而無機碳所占比例逐漸上升,土壤全碳含量趨于恒定,全氮含量卻逐漸下降,導致土壤全碳氮比值處于升高趨勢。同時,有機碳含量的減少很有可能引起無機碳含量的升高,而無機碳提高無疑會在一定程度上彌補有機碳的減少對區域碳平衡產生的影響[45]。然而這方面的研究甚少,以后應多加關注無機碳與有機碳和土壤養分之間的關系。

土壤中的N、P是植物生長所必需的礦質營養元素和生態系統中最常見的限制性元素[46],土壤N/P可以作為養分限制類型的有效預測指標[13]。但由于植物除了從土壤中吸收養分外,還可以從老葉凋落之前的轉移再分配以及空氣中吸收部分養分,這表明土壤N/P并不能很好地反映生態系統養分限制狀態[47]。本研究中土壤N/P隨著土壤深度的增加呈冪次型降低,遼東櫟天然次生林和刺槐人工林中最大值分別為5.02、2.28,均低于全國土壤0—10 cm土層土壤氮磷比的平均值9.3[44],這是因為黃土區的土壤偏堿性,全氮含量較低,而全磷含量與我國其他生態系統相比并不算低,氮、磷比遠小于15,黃土區的生態系統的養分限制表現為以氮限制為主或氮、磷共同限制[48]。但進一步確定遼東櫟和刺槐是受氮或者磷限制,還需要對植物的氮磷比做進一步研究[49],以更好地管理遼東櫟天然次生林和刺槐人工林。李英[50]的研究表明土壤全氮含量與土壤深度呈指數關系,在本研究中通過擬合趨勢線發現兩者的指數關系達到了顯著水平,而冪關系達到了極顯著水平,因此在該研究中N/P與土壤深度呈冪關系。

3.2 結論

(1)有機碳與全碳的計量關系與土壤深度有關,與同地區兩種林地類型關系不明顯。

(2)燃燒法和凱氏定氮法兩種方法測定的土壤全氮含量無明顯差異,可以相互替代。

(3)黃土丘陵區不同土壤深度的土壤有機碳氮比均在10左右,而全碳氮比隨土壤深度的增加而增加,超過1m以后呈現飽和曲線的變化趨勢。

(4)黃土丘陵區不同土壤深度的土壤氮磷比隨土壤深度的增加呈冪次型降低。

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Ecological stoichiometry characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in an oak forest and a black locust plantation in the Loess hilly region

Lü Jinlin1,4, YAN Meijie1,2, SONG Bianlan1, GUAN Jinhong1, SHI Weiyu3, DU Sheng1,2,*

1InstituteofSoilandWaterConservation,StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China3InstituteofEarthEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xi′an710061,China4UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Carbon, nitrogen, and phosphorus are the major plant growth elements, and are mainly absorbed by the plant from the soil. Research on the relationships among these elements is critical for understanding the mechanisms driving the status and balance of these elements in various soils of different land use types. However, to date, there have been relatively few studies on the ecological stoichiometry characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in the sub-humid and semiarid Loess hilly region, which is characterized by severe soil erosion and a fragile ecological environment. Vegetation restoration is one of the most important management approaches for controlling soil and water loss, and for improving soil quality. In the sub-humid and semiarid Loess hilly region,Quercusliaotungensis(oak), which dominates the secondary forests, andRobiniapseudoacacia(black locust) plantations are the major natural and planted vegetation types, respectively. In this study, we investigated the soil organic carbon (SOC), soil total carbon (STC), soil inorganic carbon (SIC), total nitrogen (N), and total phosphorus (P) contents throughout the soil profiles of the two forest types. In addition, the relationships among the aforementioned fractions were analyzed to reveal the ecological stoichiometry of forests in the region. Three stands were selected for each forest type, and a 20 m × 40 m representative plot was surveyed in each stand. Soil samples were collected (using a soil auger with a 6 cm internal diameter) at three points diagonally across the plot at depths of 0—10, 10—20, 20—30, 30—50, 50—100, 100—150, and 150—200 cm. The cored samples from the same depth in each plot were mixed, and all samples were then transferred to the laboratory for further analyses. Prior to the analysis, samples were air-dried, ground to powder, and passed through a 0.25-mm sieve. The SOC content was determined using the potassium dichromate-sulfuric acid oxidation method. The N and P contents were determined using the perchloric acid sulfate cooking method. A FOSS- 8400 fully automated Kjeldahl analyzer was used for N quantification. The STC and N contents were also determined using an elemental analyzer. The main results were as follows: (1) SOC and STC contents were linearly correlated (P< 0.0001), and the relationship between SOC and STC could be fitted using the same curve for the two forest types. The relative SOC and SIC contents were stable within a specific soil type from the same area, independent of forest type; (2) in general, the SOC:N ratio was approximately 10, but the STC:N ratio increased with increasing soil depth, and stabilized gradually (saturation curve); and (3) the soil N:P ratio decreased with an increase in soil depth (power law curve). These results provide basic information for the clarification of stoichiometry characteristics in relation to vegetation type and soil depth in this region.

loess hilly region; soil carbon, nitrogen and phosphorus; C∶N; N∶P; phosphorus

中國科學院戰略性先導科技專項(XDA05050202)；國家自然科學基金(41411140035,41471440,41171419,41201258)

2016- 03- 12; 網絡出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603120437

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shengdu@ms.iswc.ac.cn

呂金林,閆美杰,宋變蘭,關晉宏,時偉宇,杜盛.黃土丘陵區刺槐、遼東櫟林地土壤碳、氮、磷生態化學計量特征.生態學報,2017,37(10):3385- 3393.

Lü J L, Yan M J, Song B L, Guan J H, Shi W Y, Du S.Ecological stoichiometry characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in an oak forest and a black locust plantation in the Loess hilly region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3385- 3393.