川西北高寒沙地不同年限高山柳土壤生態(tài)化學(xué)計量及儲量變化特征

何佳,胡玉福*,舒向陽,王琴,賈安都,嚴星

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川 成都 611130)

川西北高寒草地位于青藏高原東南緣高寒半濕潤地區(qū)，是我國長江、黃河兩大水系的重要水源涵養(yǎng)地，全球最大的高原泥炭沼澤濕地，也是全國五大牧區(qū)之一，其區(qū)域生態(tài)環(huán)境位置極其重要[1-2]。多年來，由于超載放牧、人類活動強度加大等諸多方面因素的影響，川西北高寒草地退化嚴重，成片草地沙化，嚴重影響區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。通過種植適生灌木對沙化土地進行生態(tài)修復(fù)是沙漠化修復(fù)治理的有效措施[3-5]。趙燕娜[6]研究發(fā)現(xiàn)，種植治沙灌木，能夠使土壤養(yǎng)分狀況得到改善。在生態(tài)修復(fù)過程中，治沙灌木作為先鋒植物具有防風(fēng)固沙，改善局部小環(huán)境作用。舒向陽等[7]研究表明，沙地灌叢生長對土壤養(yǎng)分有富集作用。因此開展治沙灌木對沙地土壤的影響研究對于沙化土地的修復(fù)具有重要意義[8]。

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)(Ecological stoichiometry)是研究化學(xué)元素平衡及生態(tài)系統(tǒng)平衡的工具。而生源要素碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物最基本的營養(yǎng)元素，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要限制性元素，在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮了非常重要的作用，其儲量狀況反映了土壤對植被提供養(yǎng)分的潛在能力[9-11]。生態(tài)化學(xué)計量的出現(xiàn)為研究生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素的積累和平衡動態(tài)、土壤碳、氮、磷循環(huán)方面提供了新思路[12-13]。土壤碳、氮、磷動態(tài)平衡是構(gòu)成土壤肥力的重要指標[14-15]。目前對于土壤碳、氮、磷的相關(guān)研究主要集中在化學(xué)元素自身的變異特征，忽略了元素之間的耦合關(guān)系。應(yīng)用生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的原理和方法研究土壤碳、氮、磷化學(xué)計量比以及儲量變化特征，能夠更全面地反映土壤肥力變化趨勢，有助于了解養(yǎng)分的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。

研究表明，灌木在沙地的生長過程中會改變其林下微區(qū)域的養(yǎng)分礦化速率進而形成“肥島”[16]。高山柳(Salixcupularis)，隸屬楊柳科灌木，主要分布于中國甘肅、青海和四川等省。由于高山柳對高寒沙地具有極強的適應(yīng)性，因而被作為川西北高寒沙地生態(tài)修復(fù)的主要灌木[17]。本研究通過選取不同種植年限高山柳作為對象，通過對土壤碳、氮、磷化學(xué)計量和儲量變化特征研究，以期揭示川西北高寒沙地高山柳不同種植年限對土壤養(yǎng)分狀況的影響，深入了解高寒沙地的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)，為川西北沙地治理修復(fù)工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川阿壩藏族羌族自治州紅原縣境內(nèi)，地理坐標N 31°51′-33°19′，E 101°51′-103°23′，境域分屬長江、黃河兩大水系。地勢由東南向西北傾斜，海拔3210～4857 m，屬大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候，春秋短、長冬無夏。年均降水量791.95 mm，降水主要集中在5-10月，年均氣溫1.1 ℃，最冷月平均氣溫-10.3 ℃，最熱月平均氣溫10.9 ℃，極端最低氣溫-36 ℃，年均積雪期76 d，無絕對的無霜期。日照充分，太陽輻射強，年均日照時間2158.7 h，太陽輻射年總量為6194 MJ·m-2。土地利用現(xiàn)狀以草地為主，也有較大面積的沼澤地和沙化地分布，其中沙化土地總面積約為6915.4 hm2，主要分布在邛溪鎮(zhèn)和瓦切鄉(xiāng)境內(nèi)。

1.2 樣方設(shè)置

本研究于2016年8月，通過對研究區(qū)域進行資料收集和初步調(diào)查，在四川省沙化草地治理重點示范區(qū)紅原縣瓦切鄉(xiāng)進行調(diào)查采樣，種植高山柳是示范區(qū)沙化土地生態(tài)修復(fù)和治理的主要措施之一。在地形基本一致的條件下，于試驗區(qū)內(nèi)選擇固定沙地上種植了6、18和34年高山柳區(qū)域，劃定50 m×50 m樣方，各樣方3次重復(fù)，在各樣方內(nèi)隨機選擇3株生長狀況基本一致的高山柳作為研究對象，共計27株高山柳，其基本信息見表1。

表1 不同年限高山柳灌叢基本狀況Table 1 The informations of different size of S. cupularis shrub

1.3 土壤樣品采集與處理

考慮到灌木下存在養(yǎng)分異質(zhì)性，每株灌木按照東、南、西、北4個方向采集，對高山柳灌叢冠幅根區(qū)(shrub center, SC)、冠幅中部(shrub middle, SM)，冠幅邊緣(shrub edge, SE)進行隨機采樣，均勻混合，各年限灌叢分別采集0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層土壤樣品。每個點的不同土層采集3個重復(fù)，混合為1個樣品，去除植物根系殘體后在自然環(huán)境下風(fēng)干用于土壤理化指標的測定。

1.4 測定方法

土壤容重按照環(huán)刀法測定，采集土壤樣品放入105 ℃的電熱恒溫烘箱烘烤至恒重測定；采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)；采用凱氏定氮法測定全氮(total N, TN)，稱取風(fēng)干土樣0.05 g放入干燥的開氏瓶底部，加入少量去離子水濕潤土樣后，加入2 g混合加速劑和5 mL H2SO4，搖勻，將開氏瓶傾斜置于300 W變溫電爐上消煮，消煮完畢后，冷卻，利用凱氏定氮儀定氮，最后用0.005 mol·L-1H2SO4滴定；采用堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷(total P, TP)[18]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

因土壤剖面無>2 mm的石礫，因此，土壤有機碳、全氮和全磷儲量[SOC (N, P) storage]計算公式為：

SOC (N, P) storage=SOC (N, P)×BD×D/10

(1)

式中：SOC (N, P)為土壤有機碳、氮、磷含量 (g·kg-1)；BD為土壤容重(g·cm-3)；D為土層厚度(cm)。

采用Excel進行數(shù)據(jù)預(yù)處理與表格繪制，采用SPSS 23.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)、雙因素方差分析(Two-way ANOVA)及Pearson相關(guān)系數(shù)分析指標相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限高山柳土壤容重變化特征

不同種植年限高山柳灌叢下土壤容重變化特征見表2。在0～20 cm土層，隨著種植年限的增加，土壤容重呈降低趨勢，相較于6年，18和34年土壤容重分別降低了8.03%和14.73%；在20～40 cm土層，相較于6年，種植18和34年高山柳林下土壤容重分別降低了2.67%和10.79%，不同種植年限高山柳林下40～60 cm土層土壤容重?zé)o明顯變化。

2.2 不同年限高山柳土壤C、N、P含量變化特征

研究結(jié)果表明，隨著年限增加，0～20 cm土層SOC、TN、TP呈上升趨勢(表3)。在0～20 cm 土層，相較于6年，18和34年有機碳含量均顯著升高 (P<0.05)；土壤全氮、全磷含量僅34年有顯著升高(P<

表2 不同年限高山柳土壤容重變化特征Table 2 The changes of soil bulk density of S. cupularis shrub (g·cm-3)

注：不同小寫字母表示相同土層不同種植年限差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters at the same soil depth indicate significant differences among the plantation ages atP<0.05. The same below.

0.05)。 在20～40 cm 和40～60 cm土層，34年高山柳下有機碳含量相較于6和18年高山柳有顯著升高(P<0.05)。其中相較于種植6年高山柳，在土壤20～40 cm和40～60 cm土層，隨種植年限增加，土壤全氮呈顯著下降趨勢(P<0.05)。在20～40 cm土層，隨種植年限增加，土壤全磷無明顯變化；在40～60 cm土層，土壤全磷含量隨著種植年限的增加逐漸降低，相較于6年，18和34年土壤全磷含量分別降低了0.007和0.019 g·kg-1(P<0.05)。

2.3 不同年限高山柳土壤C、N、P化學(xué)計量變化特征

不同年限高山柳土壤C∶N和C∶P隨年限增加不斷升高，隨土層深度增加而降低(表3)。在0～20 cm土層，相較于6年，18和34年土壤C∶N、C∶P和N∶P均顯著升高 (P<0.05)；在40～60 cm土層，相較于6年，18和34年土壤C∶N、C∶P分別升高了21.50%和109.75%、10.00% 和52.35%。在20～40 cm和40～60 cm土層，相較于6年，18和34年土壤N∶P呈逐步降低趨勢。

2.4 不同年限高山柳土壤C、N、P變化特征

不同年限高山柳土壤C∶N∶P變化特征見表4，在同一土層，隨著高山柳種植年限的增加，土壤C∶N∶P呈上升趨勢；在同一種植年限，隨著土層深度的增加，土壤C∶N∶P逐漸下降。同時，隨著年限增加，SOC所占比值呈上升趨勢，TN所占比值呈下降趨勢。

表3 不同年限高山柳土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量變化特征Table 3 The changes of the C, N and P concentrations and stoichiometric characteristics and as affected by S. cupularis plantation age

2.5 不同年限高山柳土壤C、N、P儲量變化特征

本研究結(jié)果表明，隨種植年限增加，在0～60 cm土層碳儲量呈上升趨勢，氮、磷儲量呈下降趨勢(表5)。相較于6年，18和34年在0～20 cm 土層碳儲量分別增加了1.38和3.68 g·m-2；18年土壤氮儲量無顯著變化，34年土壤氮儲量顯著升高了0.08 g·m-2(P<0.05)；18和34年土壤磷儲量有所下降但不顯著。在20～40 cm 和40～60 cm土層，相較于6年，18年土壤碳儲量無顯著變化，34年顯著升高(P<0.05)；18和34年土壤氮儲量相較于6年分別顯著下降了0.13、0.25和0.12、0.28 g·m-2(P<0.05)；18和34年土壤磷儲量相較于6年有所下降但無顯著差異。

表4 不同年限高山柳土壤C∶N∶P變化特征Table 4 Stoichiometric characteristics of the soil C∶N∶P as affected by the S. cupularis plantation age

2.6 雙因素方差分析土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征相關(guān)性

本研究表明，土層深度對有機碳、全氮、全磷含量、C∶N、C∶P、N∶P和碳、氮、磷儲量均有顯著影響(P<0.01)(表6)；高山柳種植年限對土壤有機碳、全氮含量、C∶N、C∶P、N∶P及碳、氮、磷儲量有極顯著影響，對全磷含量無顯著影響；土層深度×種植年限對除C∶N和磷儲量以外的指標均有顯著影響(P<0.01)。

3 討論

碳是構(gòu)成植物體中干物質(zhì)最主要的成分，氮、磷是植物體中各種遺傳物質(zhì)和構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要組成元素。本研究結(jié)果表明，隨種植年限增加，0～20 cm土層有機碳、全氮和全磷的含量均有提高，同時土壤容重顯著升高。Zhang等[19]研究我國西北綠洲沙漠地區(qū)不同種植年限固沙植物梭梭土壤理化性質(zhì)特征表明，0～20 cm土層有機碳、全氮、全磷含量隨年限增加而上升。Fan等[20]研究也表明，隨種植年限增加，植被可提高表層土壤有機碳、全氮、全磷含量。土壤表層碳、氮、磷養(yǎng)分的積累是由于植被有機物投入大于土壤分解速率，隨種植年限增加林下凋落物不斷積累。 灌木在生長過程中減少地表徑流， 攔截養(yǎng)分， 土壤得以螯合碳、氮、磷養(yǎng)分，進而使得土壤碳、氮、磷含量增加[21-22]。同時，本研究表明20～60 cm土層土壤有機碳含量隨高山柳種植年限增加而不斷升高，但氮、磷含量隨年限增加呈降低趨勢。原因可能是由于植被生長過程中對土壤氮、磷養(yǎng)分吸收，而后通過枯枝落葉分解的方式反饋到土壤中，進而使得土壤表層全磷含量高于底層土壤。Deng等[23]通過整合分析結(jié)果表明，造林會導(dǎo)致土壤全磷含量的下降，本研究結(jié)果與此相一致。

表5 不同年限高山柳土壤碳、氮、磷儲量變化特征 Table 5 The changes of the C, N and P stocks as affected by S. cupularis plantation age (g·m-2)

表6 土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量雙因素方差分析Table 6 F (P) values for the effects of the soil depth and plantation age on the soil C, N and P stoichiometry

**：P<0.01.

C, N和P作為植物體重要的生理指標，研究土壤C, N和P化學(xué)計量直接反映著土壤肥力，同時也間接表明了植物營養(yǎng)狀況[24]。土壤C∶N在一定程度上反映著有機質(zhì)的分解速率，C∶P則表示土壤中磷有效性的高低，而土壤N∶P可作為養(yǎng)分限制類型的預(yù)測指標[25]。近年來，諸多研究報道關(guān)于土壤化學(xué)計量及其相關(guān)外部環(huán)境影響[21,26]。Zhao等[27]研究表明，土地利用變化可對土壤養(yǎng)分化學(xué)計量有較大影響。同時，土壤中C, N 和P化學(xué)計量還與植被類型、土壤狀況、種植年限及土層深度有著密切關(guān)系。本研究結(jié)果表明，種植年限與土層深度和土壤C, N和P化學(xué)計量有著密切關(guān)系。 同時本研究表明，川西北高寒沙地不同種植年限高山柳下土壤C∶N、C∶P和N∶P變化范圍分別為4.0～14.0, 5.1～19.3和0.9～1.4。本研究結(jié)果遠低于Tian等[28]報道的關(guān)于我國0～10 cm，10～50 cm和50～100 cm土層的C∶N (14.4, 12.3和11.2), C∶P (136, 74和 45) 和N∶P (9.3, 6.1和 4.2) 值。本研究土壤碳、氮、磷儲量結(jié)果表明，隨著種植年限增加，土壤0～60 cm土層碳儲量呈上升趨勢，氮、磷儲量呈下降趨勢。土壤碳、氮、磷化學(xué)計量及儲量不均衡的主要原因是由于植被從空氣中固定吸收的碳輸入到土壤中，然而在此過程中植物從土壤中吸收的氮、磷少于反饋到土壤中的量，隨著種植年限的增加，這種不均衡狀況不斷加劇[29]。

4 結(jié)論

1)隨著高山柳種植年限的增加，土壤容重呈下降趨勢。隨種植年限增加，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層有機碳含量均呈上升趨勢，全氮、全磷含量在0～20 cm土層呈上升趨勢，但在20～40 cm和40～60 cm土層呈下降趨勢。土壤C∶N和C∶P在各土層隨種植年限增加而升高，土壤N∶P在0～20 cm土層隨年限增加而升高，而在20～40 cm和40～60 cm土層呈下降趨勢。

2)隨種植年限增加，土壤0～60 cm有機碳儲量呈上升趨勢，且隨土層深度增加而不斷降低。土壤氮儲量在0～20 cm隨種植年限增加而增加，而在20～40 cm和40～60 cm土層呈下降趨勢。土壤全磷儲量在各土層均隨種植年限增加而不斷降低。雙因素方差分析結(jié)果表明，土層深度顯著影響著土壤有機碳、全氮和全磷含量、儲量和化學(xué)計量比；種植年限顯著影響著除全磷的各項指標；土層深度×種植年限顯著影響除碳氮比和磷儲量以外的各項指標。

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