中溫-暖溫帶表土碳氮磷生態化學計量特征的空間變異性
——以河北省為例

曹祥會,龍懷玉,周腳根,朱阿興,劉宏斌,雷秋良,*,邱衛文

1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部面源污染控制重點實驗室,北京 100081 2 中國科學院亞熱帶農業生態研究所,長沙 410125 3 中科院地理科學與資源研究所, 北京 100101 4 The New Zealand Institute for Plant & Food Research Limited, Private Bag 4704, Christchurch

中溫-暖溫帶表土碳氮磷生態化學計量特征的空間變異性
——以河北省為例

曹祥會1,龍懷玉1,周腳根2,朱阿興3,劉宏斌1,雷秋良1,*,邱衛文4

1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部面源污染控制重點實驗室,北京 100081 2 中國科學院亞熱帶農業生態研究所,長沙 410125 3 中科院地理科學與資源研究所, 北京 100101 4 The New Zealand Institute for Plant & Food Research Limited, Private Bag 4704, Christchurch

解析區域土壤碳氮磷元素的生態化學計量特征的空間分異格局有助于土壤養分的綜合管理與利用。運用傳統統計學和地統計學分析方法,以河北省為例分析了中溫-暖溫帶表土(0—30cm)碳氮磷元素的生態化學計量特征的空間變異性及影響因素。結果顯示：(1)土壤有機碳(SOC)、全氮(TSN)、全磷(TSP)其摩爾比率的變異系數均介于0.1—1之間,表明其在空間上存在中等程度的變異性。此外,C∶N的變異系數較小,表明C∶N較穩定。(2)表土TSP和C∶N具有小范圍、強烈的空間自相關性,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有較大范圍、中等程度的空間自相關性,結構性因素是土壤碳氮磷含量及其摩爾比率空間變異的主要影響因素。從空間分布規律來看,表土碳氮磷含量及其摩爾比率均沒有呈現明顯的遞增或遞減的變化規律,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有相同的空間分布趨勢,高值區主要分布在冀北地區,分布面積較小,低值區分布范圍較廣；C∶N的高值區零星分布在冀北地區,TSP的高值區和低值區呈現斑塊狀分布。(3)土壤C∶N、C∶P和N∶P受到土壤理化性狀、土地利用方式、人類擾動、氣候及地形等因素的調控。此外,不同氣候帶的C∶N、C∶P和N∶P也存在一定的差異,研究區土壤C∶N與高寒帶較接近,同時與其他氣候帶沒有顯著的差異；C∶P和N∶P與溫帶沙漠區較接近,與其余氣候帶存在顯著的差異性,說明不同氣候帶之間的C∶N較C∶P和N∶P穩定。

碳氮磷；生態化學計量；地統計；空間變異

從分子到生態系統都是元素按照一定比例組成的,生態化學計量學是研究生物系統能量平衡和多重化學元素(主要是碳、氮、磷)平衡的科學,以及元素平衡對生態交互作用影響的一種理論[1]。生態化學計量學自首次被明確為生態研究的一個補充理論以來,國內外學者已經從全球與區域尺度、功能群或生態系統尺度以及個體水平方面對植物組織的碳氮磷生態化學計量特征開展了相關的研究[1- 3]。

由于土壤作為生態系統的重要組成部分,對植物的生長起著關鍵性的作用,直接影響著植被群落的組成、結構與生產力水平,解析土壤元素的生態化學計量特征對揭示土壤化學元素的可獲得性、循環和平衡機制以及生態系統植被養分限制性等具有重要意義[4-5],因此諸多學者開始對土壤生境的生態化學計量學進行研究。Cleveland 和Liptzin[6]利用186個表層土壤的觀測數據,探討了全球林地、草地及其他土壤碳氮磷的生態化學計量學特征,結果顯示：不同植被間土壤C∶N∶P比值存在變異現象,但在點與點之間及大尺度范圍內,其相似性比差異性更明顯,土壤C∶N∶P比值有顯著的穩定性,其值為186:13:1。Kirkby等[7]研究了澳大利亞土壤碳氮磷的化學計量學特征,并與其他國家土壤碳氮磷的化學計量學特征進行了比較,也認為土壤腐殖質的C∶N∶P比值在全球大范圍的土壤間是一致的。人類活動對碳氮磷的生態化學計量學特征有重要影響[4],許泉等[8]利用第二次土壤普查數據估算的中國水田和旱地耕層土壤C∶N的結果為水田(10.8)>旱地(9.9)；Li 等[9]對中國南方亞熱帶地區不同土地利用條件下土壤碳氮磷的化學計量學特征的研究也表明,土壤C∶N、C∶P及N∶P呈水田>旱地或林地的特征；王維奇等[10]比較不同干擾程度的濕地土壤碳氮磷生態化學計量學特征的結果表明,土壤C∶N、C∶P 和N∶P 均表現出隨干擾程度增大而降低的趨勢。氣候因素對土壤碳氮磷生態化學計量也有重要影響,Post 等[11]探討了土壤C∶N 在Holdridge生命帶的分布特征,認為C∶N的高低與氣候關系密切；Tian等[12]利用第二次土壤普查的剖面數據,研究了中國不同氣候的土壤碳氮磷的生態化學計量特征,得知中國土壤的C∶N在不同氣候區的變異均較小,而C∶P和N∶P的變異均較大。

由于土壤養分具有空間異質性,探討影響土壤C、N和P生態化學特征的空間變異因素至關重要。而上述研究主要是從全球或全國尺度上研究了不同生態系統、不同植被類型及人類干擾等方面的土壤C、N和P生態化學計量特征,而未對影響C、N和P生態化學計量特征空間變異的影響因子進行深入分析。因此,本文根據“科技基礎性工作專項——土系調查”基礎數據,在省域尺度上,首先分析了表土碳氮磷生態化學計量的空間變異性；其次,從土壤類型、土地利用方式、氣候及地形等方面分析了影響碳氮磷生態化學計量的空間變異性的因子；最后,與其他氣候帶的異同進行了相關的研究。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區域概況

河北省地處東經113°27′—119°50′、北緯36°05′—42°40′之間。西北環山, 東臨渤海, 東南部是廣闊的華北平原,土地總面積18.88 萬km2。全省年平均氣溫9.67℃；年平均降水量536 mm,屬于典型的中溫-暖溫帶大陸性季風氣候。全省地貌以高原、山地及平原為主,海拔高度呈現從西北向東南逐級下降的趨勢。成土母質主要包括殘積物、坡積物以及黃土母質等；植被類型主要有闊葉林和針葉林等；土壤類型主要包括初育土、人為土、淋溶土、鹽堿土、鈣層土及水成土等；土地利用類型主要有耕地、林地以及草地等,其中耕地面積為39.91%、林地為21.59%和草地為4.51%。

1.2 土壤樣品采集及測定

依據土壤樣點布設要具有代表性、空間分布的均勻性的基本原則,以及研究區域地貌特點、土壤類型以及土地利用方式,總計布設156個樣點(圖1)。于2010年8月采集表土(0—30cm)樣品,裝入自封袋；同時,用GPS記錄下樣點的經緯度和高程,并詳細記錄采樣點周圍的景觀信息。樣品帶回實驗室后,剔除雜質,經自然風干后過100目孔篩,以待實驗分析。樣點的土壤有機碳含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法、土壤全氮采用凱氏定氮法和全磷采用鉬銻抗比色法[13]。

1.3 數據處理

對觀測數據(土壤C、N和P及其摩爾比率C∶N、C∶P和N∶P),用SPSS 17.0 統計分析軟件進行描述統計、方差分析(ANOVA)和多重比較(Duncan)等經典統計分析,用GS+9.0軟件輸出它們的空間結構信息,用ArcGIS9.3軟件輸出它們的普通克里格插值圖。

圖1 河北省樣點空間分布圖、土地利用類型圖、地形圖、土壤圖和氣候帶區劃圖Fig.1 Spatial distribution of the samplers, land-use type, terrain, soil and temperature zoning maps in Hebei Province

2 結果與分析

2.1 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的統計描述

運用SPSS17.0對研究區156個土壤C、N、P及其摩爾比進行經典統計特征分析, 結果見表1。由表1可以看出,沒有進行對數轉換的SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的均值和中值差異較大,說明在一定區域內分布不均勻,易受異常值以及地形等因素的影響。然而,經對數轉化后,SOC、TSN和TSP的均值分別為2.46、0.06和0.11,中值分別為2.38、0.05和0.10；C∶N、C∶P和N∶P的均值分別為2.57、3.31和0.75,中值為2.56、3.22和0.68,土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的均值和中值較接近,且中值均小于均值,這說明經對數轉換后,減小了異常值以及地形等因素的影響,其分布比較均勻。土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的變異系數分別為介于0.1—1之間,按照變異系數的劃分等級: 弱變異性, C.V< 0.1；中等變異性,C.V= 0.1— 1.0;強變異性,C.V> 1.0[14],土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率在空間上存在中等程度的變異性。

表1 土壤C、N、P及其摩爾比率的描述統計特征值

SOC指土壤有機碳,TSN指土壤全氮,TSP指土壤全磷,C∶N∶P指SOC:TSN:TSP的摩爾比率

鑒于經典統計描述分析只能概括研究區SOC、TSN、TSP及其摩爾比率分布特征的全貌, 在一定程度上反映樣本全體,沒能定量地刻畫其隨機性和結構性、獨立性和相關性。因此,進一步采用地統計方法進行土壤有機碳和全氮的空間變異結構分析。

數據的正態分布性是使用地統計學方法進行土壤特性空間分析的前提。由表1可知, 沒有進行對數轉換的SOC、TSN、TSP及其摩爾比率經K-S檢驗(α=0.05),均不符合正態分布。然而,經過對數轉換后,SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的K-SP值分別為0.589、0.747、0.106、0.216、0.505和0.447,均符合正態分布。因此, 研究區經對數轉換后的土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率均滿足地統計分析的假設條件。

2.2 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的空間結構分析

表土碳氮磷含量及其摩爾比率是基于半方差函數模型的選擇,采用GS+9.0對碳氮磷含量及其摩爾比率進行分析,比較不同模型產生的塊金值、基臺值、塊金值/基臺值和決定系數等相關參數。在這幾個參數中,首先要考慮的是決定系數,其次考慮塊金值的大小。決定系數較大表明半方差函數理論模型的擬合效果較好。根據這個原則,選擇高斯模型作為SOC、TSN和C∶N的最優半方差函數擬合模型,指數模型作為C∶P的最優半方差函數擬合模型,球狀模型作為TSP和N∶P的最優半方差函數擬合模型(表2)。土壤碳氮磷含量及其摩爾比率的空間分異性是結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。結構性因素, 如氣候、母質、地形、土壤類型等可以導致土壤養分強的空間相關性,而隨機性因素如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動使得土壤養分的空間相關性減弱,朝均一化方向發展。在半方差函數模型中,塊金值/基臺值(塊金系數)表示空間變異性程度,該比值越小,表明由結構性因素引起的空間變異性程度較大；反之,表明由隨機部分引起的空間變異性程度較大[15- 16]。由表2可以看出,土壤TSP和C∶N的塊金值/基臺值分別為5.4%和18.8%(均小于25%),且其變程分別為23km和22km；SOC、TSN、C∶P和N∶P的塊金值/基臺值分別為37.6%、37.1%、49.9%和47.0%(介于25%—75%),且其變程分別為64、72、205、140 km,表明TSP和C∶N具有小范圍、強烈的空間自相關性,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有較大范圍、中等程度的空間自相關性。另外,結構性因素是土壤碳氮磷含量及其摩爾比率空間變異的主要影響因素。

表2 土壤碳、氮、磷及其摩爾比的變異函數理論模型及相關參數

2.3 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的空間分布規律

對表土碳氮磷含量及其摩爾比率進行普通克里格插值(圖2)。獨立驗證結果表明(表3),SOC、TSN、TSP、C∶N、C∶P和N∶P的測定值與預測值顯著相關,且ME和RMSE較小。可見,利用克里格插值法的空間插值結果相對可靠。

表3 插值結果的精度統計檢驗

從空間分布規律來看,表土碳氮磷含量及其摩爾比率均沒有呈現明顯的遞增或遞減的變化規律,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有相同的空間分布趨勢,高含量區主要分布在北部地勢相對較高的林地(承德、保定及張家口部分地區),而低含量區則主要出現在南部地勢較低的農業用地區域(邢臺、滄州、石家莊、張家口及唐山等地區)。土壤TSP的高值區主要分布在張家口、唐山、秦皇島等地區,分布面積較小,其值范圍為1.32—2.84；低值區分布于邢臺、保定及承德等地區,分布面積較小,其值范圍為0.25—0.91。土壤C∶N高值區零星分布在承德、張家口及唐山等地區,分布面積較小,其值范圍為27.95—42.27；低值區分布于整個研究區,其值范圍為6.62—13.33。此外,由表1可知,土壤C∶N在整個研究區的變異系數為0.34,說明C∶N在該研究區的空間分布較為穩定,這主要是由于土壤全氮和有機碳的空間分布具有一致性,因此導致土壤的C∶N比在整個空間內較為穩定。

圖2 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的空間分布Fig.2 Spatial distribution of topsoil C, N, P and their atomic ratio

2.4 表土碳氮磷摩爾比率的空間分異的影響因素

2.4.1土壤特性對土壤C∶N、C∶P和N∶P的影響

根據中國土壤發生分類的標準,本研究區土壤類型主要可以劃分為6大土綱,不同土綱的C∶N、C∶P和N∶P均值存在一定的差異(表4)。C∶N均值的大小順序為：初育土(14.87)>水成土(13.96)>鹽堿土(13.38)>鈣層土(13.21)>淋溶土(12.81)>人為土(10.82),人為土除與淋溶土差異不顯著外,與其余4種土壤均存在顯著性差異(P<0.05)；C∶P均值的大小順序：初育土(47.69) >淋溶土(35.97) >鈣層土(31.57)>水成土(31.49)>鹽堿土(24.44)>人為土(15.44),人為土除與鹽堿土差異不顯著外,與其余四種土壤均存在顯著性差異(P<0.05)；N∶P均值的大小順序：初育土(3.34) >淋溶土(2.77) >鈣層土(2.34)>水成土(2.17)>鹽堿土(1.91)>人為土(1.45),人為土除與鹽堿土差異不顯著外,與其余四種土壤均存在顯著性差異(P<0.05)。由以上分析可知,人為土的C∶N、C∶P和N∶P較其他土壤小,且變異程度也較小。

根據美國農部制分級標準 (USDA,1952),本研究區可以劃分出3種類型的土壤質地,不同土壤質地的C∶N、C∶P和N∶P均值也表現不同(表4)。一般認為,土壤質地主要影響土壤水分有效性、植被生長及黏粉粒對有機碳的吸附,從而影響土壤C∶N、C∶P和N∶P。C∶N、C∶P和N∶P的均值大小順序均為：砂土>壤土>黏壤土,C∶N和N∶P均值的差異性不顯著(P<0.05),砂土的C∶P與壤土和黏壤土的差異性較顯著(P<0.05)。

此外,土壤C∶N、C∶P和N∶P還受到土壤理化性狀的影響[10]。土壤C∶N、C∶P、N∶P除受到各自比例元素的影響外,同時還受到土壤pH、容重等因子的調控。由表5可知,除C∶N與磷含量的相關性不顯著,而土壤C∶P和N∶P分別與氮和碳含量的相關性顯著,這主要是因為碳與氮具有顯著的相關性；土壤pH對C∶N、C∶P和N∶P的影響較小,相關性不顯著(α=0.05)；而容重與C∶N、C∶P和N∶P均存在極顯著相關關系。

表4 不同土壤類型和土壤質地的C∶N、C∶P和N∶P比較

同一列數據小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

表5 C∶N、C∶P及N∶P與影響因子間的相關關系

*顯著相關(P<0.05)；**顯著相關(P<0.01);—存在自相關關系,不宜進行相關分析

2.4.2不同土地利用類型對土壤C∶N、C∶P和N∶P的影響

不同土地利用方式下的土壤元素影響因子差異不同(表6),主要是因為不同的土地利用方式有不同的植被覆蓋,從而導致C、N和P進入土壤的方式也有所不同。不同土地利用類型下C∶N大小順序為：沼澤地(21.15)>草地(14.62)>林地(13.39)>鹽堿地(13.38)>耕地(11.81),且沼澤地的C∶N與其他四種土地利用類型的差異顯著(P<0.05)；C∶P的大小順序為：沼澤地(49.84)>草地(48.18)>林地(39.84)>鹽堿地(24.44)>耕地(18.32),且耕地與鹽堿地差異不顯著,而與草地、林地及沼澤地的差異顯著(P<0.05)；N∶P的大小順序為：草地(3.34)>林地(3.05)>沼澤地(2.16)>鹽堿地(1.91)>耕地(1.59),且耕地與沼澤地和鹽堿地差異不顯著,而與草地及林地的差異顯著(P<0.05)。

表6 不同土地利用類型C∶N、C∶P和N∶P比較

同一列數據小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4.3氣溫、降水量和地形對土壤C∶N、C∶P和N∶P的影響

圖3 中溫帶和暖溫帶的表土C∶N、C∶P 和N∶P比較Fig.3 Comparison of topsoil C∶N, C∶P and N∶P in the mid-temperature zone and warm temperature zone

由圖3可以看出,本研究區中溫帶和暖溫帶的C∶N、C∶P和N∶P存在一定的差異,中溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P均值分別為13.83、33.51和2.91；暖溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P均值分別為13.27、30.78和2.32。中溫帶和暖溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P在α=0.05水平經獨立樣本t檢驗,其P值分別為0.444、0.045和0.068,其中只有C∶P的P值小于0.05,說明中溫帶和暖溫帶的C∶P在α=0.05水平上差異顯著,而C∶N和N∶P差異不顯著。由以上分析可以看出,中溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P均大于暖溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P,這主要是由于中溫帶地區的氣溫較暖溫帶低,而降水量高于暖溫帶,C∶N、C∶P和N∶P與氣溫呈現極顯著的負相關性(P<0.01),而與降水量呈現較顯著的正相關性(P<0.05)(表7)。由表5可知,除C∶N與坡度相關性不顯著外,C∶N、C∶P和N∶P與海拔、坡度的相關性均較顯著(P<0.05)。

表7 C∶N、C∶P及N∶P與氣溫和降水量的相關關系

*顯著相關(P<0.05)；**顯著相關(P<0.01)

3 討論

3.1 碳、氮、磷生態化學計量特征的空間格局規律及影響因子分析

該研究區土壤碳、氮、磷空間分布結果表明,土壤SOC和TSN具有較大尺度的、中等程度的空間自相關性,表明兩者的空間分布特征受地形、施肥、土地利用等因素影響,這與前人研究結果基本一致[17-18]。有關研究表明,不同土地利用之間土壤SOC、TSN和TSP含量差異顯著,而總體上SOC、TSN與坡度之間相關性顯著[19]。這表明土壤SOC和TSN含量變化不僅受到施肥、耕作等人為因素的影響,還受到生物固定碳氮、大氣碳氮沉降和凋落物歸還等自然因素的限制[20-21]。綜上所述,土壤SOC和TSN的空間變異可能受到地形起伏、土地利用類型和施肥等因素影響。研究區TSP的空間分布特征恰好與SOC和TSN相反,具有小尺度范圍的、高等程度的空間自相關性。土壤磷素的主要來源為人為施肥導致的累積,同時相比土壤碳氮元素,土壤磷素不易發生遷移[22-23]。

研究結果表明,表土碳氮磷摩爾比率均沒有呈現明顯的遞增或遞減的變化規律,這種空間分布格局主要可能是與該研究區的氣候、植物生產力、土地利用狀況以及人類活動干擾等因素有關[24]。但是C∶N在該研究區的空間分布較為穩定,Tian等[12]在對全國土壤C∶N∶P比的研究中也指出,雖然碳和氮含量具有較大的空間變異性,但C∶N比相對穩定,受氣候的影響很小。土壤C∶N在整個研究區變化差異不明顯,主要是因為碳、氮元素之間聯系較緊密且對環境變化的響應幾乎是同步的,這在Cleveland 等[6]的研究中也有體現,同時碳和氮作為結構性成分,其積累與消耗過程存在相對固定的比值。土壤C∶P與N∶P的變化,可認為是隨著干擾程度的增大,土壤碳含量和氮含量的損失較快,磷含量的改變則滯后于碳和氮,具有相對穩定性[6]。

氮磷養分的有效性是調節植物凋落物分解速率和生態系統碳平衡的一個主要因素,碳積累速率和存儲能力是與限制植物生長的氮和磷的供應有關[4]。研究結果表明,其中土壤SOC與TSN和C∶P與N∶P之間顯著相關,這與前人的研究結果基本一致[9- 10]。同時,研究區不同土壤類型的C∶N、C∶P和N∶P存在一定的差異,其中人為土的C∶N、C∶P和N∶P較鹽堿土、初育土、水成土、鈣層土及淋溶土小；不同土地利用類型的C∶N、C∶P和N∶P研究表明,耕地與沼澤地和鹽堿地差異不顯著,而與草地及林地的差異顯著,歐陽林梅等[25]對比了耕地土壤C∶N、C∶P和N∶P與其它類型土壤的異同,主要表現為耕地土壤C∶N與全球草地、森林及中國陸地平均值差別不大,表現出一定的穩定性,而C∶P、N∶P則在土地利用方式下有所差異,這與本文研究略有差異,本研究區的耕地土壤C∶N與草地差異顯著,而與林地無顯著差異。主要是因為一般非人類擾動的生態系統,由于高的有機物質自然歸還而沒有N、P外源輸入(除N干濕沉降外),C∶N、C∶P和N∶P的值高于人類擾動的生態系統。由此可見,人類活動的干擾對土壤碳、氮、磷元素的儲量及循環過程有著深刻地影響,相應的元素比也將發生變化[26]。土壤C∶N與C∶P隨著干擾程度的增大而降低,一方面是因為隨著干擾程度的增大(如翻耕等)導致碳損失速率高于氮；另一方面可能是人為施肥導致土壤中N、P的含量增加。

不同氣候帶的氣候狀況存在一定的差異,氣候主要是通過氣溫和降水量等條件的變化,影響植物根系和微生物對土壤養分的分解[27-28]。溫度、濕度適宜,土壤植物根系愈發達,微生物活性較強,枯枝落葉分易于分解,有利于土壤有機碳的累積。地形主要影響養分的流失狀況,坡度較大的地區易造成土壤中碳、氮和磷的流失,從而影響C∶N、C∶P和N∶P比值。有關研究表明土壤固碳機制主要包括黏粒保護理論、團聚體保護理論及植物-微生物保護機制,土壤氮素主要通過徑流攜帶進入水體,土壤中磷素多以不溶態的土壤結合物形式存在,坡地磷素多以泥沙吸附態形式發生流失,相對而言,氮的流失速率最大,磷次之,碳最小[29- 32]。海拔對C∶N、C∶P和N∶P也有一定的影響, 一方面使植被生產力不同而使植物殘體的形成量和碳、氮的輸入不同,另一方面也使氣候要素和土壤性質不同而致使土壤碳和氮的分解、礦化和淋溶等過程不同。

3.2 不同氣候帶土壤C∶N, C∶P和N∶P的比較

對比中國其他氣候帶可以發現(表8),研究區土壤C∶N與高寒帶較接近,同時與其他氣候帶沒有顯著的差異,但緯度越高,則C∶N越大。相關研究表明在熱帶和亞熱帶地區有較多的植被凋落物,與寒冷地區相比,熱帶和亞熱帶地區的凋落物降解速率快,C∶N較低[11]；C∶P和N∶P與溫帶沙漠區較接近,與其余氣候存在顯著的差異性(P<0.05)。土壤C∶N、C∶P 和N∶P反映極端氣候對土壤養分平衡的影響,熱帶及亞熱帶地區的高溫及強降水量導致大量的P淋溶損失；此外,熱帶及亞熱帶系統具有較強的生產力,可以保持土壤具有較高的碳和氮含量,從而使土壤具有較高的C∶P 和N∶P[33]。相比之下,寒冷干燥地區的植被生產力較低,土壤中含有較低的碳和氮含量,同時P的淋溶損失也較低,從而使使土壤具有較低的C∶P 和N∶P。在溫帶沙漠地區,降水量少導致土壤濕度低,植被具有較低的生產力及養分淋溶弱,因而植被吸收氮的能力下降以及碳的輸入量也降低,同時P的淋溶損失也較低,從而無機氮在土壤中大量積累,具有較低的C∶N和C∶P。從表8可以看出,溫帶沙漠地區的N∶P最低,有研究表明全球表層土壤(0—10cm)的N∶P為13.1[34],這明顯高于中國不同氣候帶的土壤N∶P。

關于中國不同氣候帶的土壤C∶N, C∶P和N∶P相關研究較少。由于不同的土地利用、土壤的發育階段、氣候、地形、生態系統、植被及樣點的個數等差異,造成了不同氣候帶土壤C∶N, C∶P和N∶P的復雜性和不確定性。因此,有待進一步研究以更準確評估土壤C∶N, C∶P和N∶P。

表8 中國不同氣候帶的土壤C∶N, C∶P和N∶P[35]

同一列數據小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

4 結論

(1) 土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的變異系數分別為介于0.1—1之間,表明其在空間上存在中等程度的變異性。此外,C∶N的變異系數較小,C∶N較C∶P 和N∶P穩定。

(2) 表土TSP和C∶N具有小范圍、強烈的空間自相關性,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有較大范圍、中等程度的空間自相關性,結構性因素是土壤碳氮磷含量及其摩爾比率空間變異的主要影響因素。從空間分布規律來看,表土碳氮磷含量及其摩爾比率均沒有呈現明顯的遞增或遞減的變化規律,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有相同的空間分布趨勢,高值區主要分布在冀北地區,分布面積較小,低值區分布范圍較廣；C∶N的高值區零星分布在冀北地區,TSP的高值區和低值區呈現斑塊狀分布。

(3) 土壤C∶N、C∶P和N∶P受到土壤理化性狀、土地利用方式、人類擾動、氣候及地形等因素的調控,這些因素不是獨立起作用,土壤C∶N、C∶P和N∶P是這些因子綜合作用的結果。不同氣候帶的C∶N、C∶P和N∶P也存在一定的差異,研究區土壤C∶N與高寒帶較接近,同時與其他氣候帶沒有顯著的差異；C∶P和N∶P與溫帶沙漠區較接近,與其余氣候帶存在顯著的差異性,說明不同氣候帶之間的C∶N較C∶P和N∶P穩定。

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Spatialvariationofecologicalstoichiometrycharacteristicsoftopsoilcarbon,nitrogenandphosphorusinHebeiProvince,China

CAO Xianghui1, LONG Huaiyu1, ZHOU Jiaogen2, ZHU Axing3, LIU Hongbin1,LEI Qiuliang1, *, QIU Weiwen4

1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofNon-pointPollutionControl,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China2InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China3InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4TheNewZealandInstituteforPlant&FoodResearchLimited,PrivateBag4704,Christchurch,NewZealand

The study on ecological stoichiometric characteristics of elements in soils is important to revealing mechanisms of the circulation and balance of soil carbon, nitrogen, phosphorus and other elements, and the knowledge of spatial variance of the ecological stoichiometric characteristcs of soil carbon, nitrogen and phosphorus is conducive to soil nutrient management. Spatial distributions of stoichiometric characteristcs of soil C, N and P in the topsoil (0—30cm) and influence factors were systematically analyzed in total Hebei Province. Based on the soil survey data in Hebei Province, the traditional statistics, geostatistics and ordinary kriging interpolation method were used to analyze the spatial variation characteristics of C∶N∶P and its influence factors. The results showed that (1) The variation coefficients of SOC, TSN, TSP and their molar ratios were between 0.1—1, which indicated that there existed spatial variability with a moderate degree. In addition, the variation coefficient of C∶N was smaller, which indicated C∶N was more stable than N∶P and C∶P. (2) Topsoil TSP and C: N has a small range and strong spatial autocorrelation, and SOC, TSN, C: P and N: P has a large range and a moderate degree of spatial autocorrelation. Structural factors were main factors of influencing spatial variation of soil organic carbon, nitrogen, phosphorus content and their molar ratio. From the spatial distribution, soil carbon, nitrogen and phosphorus content and its molar ratio did not show obvious increasing or decreasing trend. SOC, TSN, C∶P and N∶P had the same spatial distribution trend. High value region mainly distributed in the north of Hebei and the distribution area was small. The low value distributed widely in Hebei Province. The high value of TSP distributed in North Hebei, and the high value and low value of C∶N showed patch-shape distribution. (3) C∶N, C∶P and N∶P were affected by soil physical and chemical properties, land use patterns, human disturbance, climate and topography so on. In addition, there were some differences between N∶P, C∶P and C∶N in different climate zones. C∶N of study region was close to that of and the alpine zone, and there was no significant difference from other climatic zones. C∶P and N∶P of study region were close to the temperate zone, and there existed significant differences from other climate zones, which indicated that C∶N was more stable than C∶P and N∶P in different climate zones.

Carbon, nitrogen and phosphorus; ecological stoichiometry; geostatistics; spatial variation

國家自然基金(31572208)；寧夏回族自治區土系調查與土系志編制(2014FY110200A07)；國家留學基金資助

2016- 06- 29; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: leiqiuliang@caas.cn

10.5846/stxb201606291298

曹祥會,龍懷玉,周腳根,朱阿興,劉宏斌,雷秋良,邱衛文.中溫-暖溫帶表土碳氮磷生態化學計量特征的空間變異性——以河北省為例.生態學報,2017,37(18):6053- 6063.

Cao X H, Long H Y, Zhou J G, Zhu A X, Liu H B,Lei Q L, Qiu W W.Spatial variation of ecological stoichiometry characteristics of topsoil carbon, nitrogen and phosphorus in Hebei Province, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6053- 6063.