綠洲化對土壤養分及化學計量特征的影響

高君亮, 羅鳳敏, 段 娜, 陳曉娜, 劉禹廷, 羅紅梅, 郝玉光

(內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位研究站/中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心, 內蒙古 磴口 015200)

綠洲是指荒漠地區有水源支撐，適于植物生長和人類居住的地方[1-3]，是干旱、半干旱地區特有的地理景觀[4]。綠洲是干旱區的精華，在我國，僅占干旱區總面積3%～5%的綠洲，卻養育了干旱區90%以上的人口，創造了95%以上的農業產值[2-3]。綠洲化是一個將自然生態系統通過人類活動提升至人工生態系統的過程[3]。在綠洲化過程中，人類活動改變了以水為主導因素的區域水、土、氣、生過程及其相互作用[5]。其中，土壤環境的改變是綠洲化過程中的一個重要方面，綠洲化過程使土壤結構改善，肥力提高，土地熟化等[2]。揭示綠洲土壤環境特征的變化可為綠洲可持續經營與發展提供理論依據。土壤C，N，P元素是生物體體內元素的本質組分與主要來源，在生態系統物質循環及多元素平衡過程中發揮著重要作用[6-7]。此外，N和P又是陸地植被生長的主要養分限制因子。因此，研究土壤C，N，P及其化學計量特征對揭示養分可獲得性及C，N，P元素的循環和平衡機制具有重要的科學意義[8]。

河套綠洲是國家重要的商品糧生產基地，也是內蒙古規模最大的綠洲。烏蘭布和沙漠綠洲作為河套綠洲的組成部分，是內蒙古自治區生態移民的移入區，為緩解生態危困地區人口壓力，促進地區經濟繁榮和維護社會穩定發揮了重要的作用[9]。烏蘭布和沙漠綠洲以農田為主，防護林鑲嵌配套而構成。作為“三北防護林體系建設工程”的重要組成部分，烏蘭布和沙漠綠洲為河套地區的經濟發展和風沙災害的減少起著關鍵作用，長期以來備受眾多專家學者的關注。多年以來，眾多研究者在該區域已開展了大量的研究工作，主要包括：綠洲農田土壤風蝕監測與評價[9-11]，綠洲防護體系防風固沙效應監測[12-13]，不同土地利用類型的土壤質量評價[14-15]等。但是，長期定位監測綠洲防護體系土壤養分特征的研究較少[9]，而關于土壤C，N，P化學計量特征的研究更是未見報道。基于此，本研究以烏蘭布和沙漠東北部綠洲為研究區，從綠洲化視角出發，長期(24 a)定位監測綠洲化過程中土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、堿解氮(AN)和速效磷(AP)的含量，分析其變化特征以及土壤C，N，P生態化學計量特征。旨在了解土壤C，N，P含量及其化學計量比對綠洲化過程的響應特征，為深入研究綠洲化提供依據，同時也為沙漠綠洲的可持續發展、環境保護和生態恢復等提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于烏蘭布和沙漠東北部綠洲區，行政區劃隸屬于內蒙古磴口縣，監測樣地位于中國林科院沙漠林業實驗中心第二實驗場。該區域屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫7.8℃，年均相對濕度47%，年均降水量140.3 mm，年均潛在蒸發量2 380.6 mm。土壤類型主要以風沙土為主。天然植被以白刺(NitrariatangutorumBobrov.)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、沙米(Agriophyllumsqurrosum(L.)Moq.)等荒漠植被為主。人工植被中，喬木以楊柳科(Salicaceae)植物為主，灌木以梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge.)、花棒(HedysarumscopariumFisch.et C.A.Mey.)等為主。

1.2 土壤樣品采集

在綠洲建設初年設置長期監測樣地并采集土壤樣品，以后每4 a采樣1次。在采樣地采用梅花狀設置5個采樣點并做標記，以保證后續監測時原位采樣。每個樣點采集0—30 cm和30—60 cm兩層土樣，最后將5個采樣點同一層次的土樣混合[7]。

1.3 土壤樣品測定

土樣陰干后剔除雜物，充分混合均勻；然后按四分法分為4份，選擇其中1份分析土壤養分；樣品研磨后使之全部通過孔徑1.0 mm的土壤篩后分成2份，1份測定AN和AP含量，另1份用孔徑0.25 mm的土壤篩篩分，選粒徑<0.25 mm的樣品測定SOC，TN和TP含量。具體測定方法參照《土壤農化分析》[16]。

1.4 數據分析

用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理和作圖；用SAS 9.0軟件進行數理統計分析(單因素方差分析和回歸分析)。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤C，N，P含量總體特征

研究區0—60 cm的SOC，TN和TP的平均含量分別為1.86，0.38，0.74 g/kg；AN，AP含量分別為22.81，0.98 mg/kg(表1)。5項土壤養分指標均為中等變異(12.47%～16.46%)。其中，AN和AP的變異系數大于SOC，TN和TP，但是差異不顯著(p>0.05)。這是因為土壤速效養分含量及其動態變化與土壤孔隙度數量、微生物種類與數量、水分含量、土壤及空氣溫度等關系很大，受這些因素的影響，其波動范圍或不確定性等會得以加劇[17-18]，進而導致其變異系數大于全效養分。

表1 土壤養分特征統計

2.2 綠洲化過程中土壤C，N，P含量變化特征

從圖1可以發現，在24 a的綠洲化過程中，0—30 cm的5項土壤養分指標含量均較30—60 cm的高，但是差異不顯著(p>0.05)。0—30 cm和30—60 cm的SOC，TN，TP，AN和AP含量均呈極顯著增加趨勢(R2=0.856～0.996，p<0.01)，可用線性函數y=ax+b來表述。其中，SOC和TN含量的增加趨勢相一致，前4 a內增幅較大，后20 a增幅相對較小，前4 a內0—30 cm和30—60 cm的SOC含量分別增加了10.5，11.09倍，TN含量分別增加了4.0，2.38倍。TP，AN和AP含量的增加趨勢近似，24 a內TP含量增幅較小，0—30 cm和30—60 cm的TP含量分別增加了2.44，2.31倍，AN含量分別增加了9.25，13.12倍，AP含量分別增加了4.53，5.52倍。

2.3 綠洲化過程中土壤C，N，P化學計量比變化特征

如圖2所示，綠洲化過程中，土壤C∶N，C∶P，N∶P，AN∶AP的變化趨勢各不相同。C∶N值在0～4 a時間段內增幅明顯，以后隨時間變化比較平穩，波動幅度不大，第12年時達到最大值；C∶P和N∶P值均在0～4 a有顯著增大的過程，第4 a時達到最大值，以后顯著減小；AN∶AP在0～16 a有顯著增大的過程，第16年時達到最大值。此外，從圖中還可看出同一化學計量比值，0—30 cm和30—60 cm的變化趨勢是相一致的。

2.4 土壤C，N，P之間及其化學計量比的關系

表2表明，研究區淺層(0—60 cm)土壤5項養分指標含量之間存在一定極顯著相關關系(p<0.01)。C∶N與SOC，TN之間最優擬合關系為極顯著的二次函數關系(p<0.01)；C∶P與SOC，TP之間最優擬合關系也為極顯著的二次函數關系(p<0.01)；N∶P與TN，TP之間最優擬合關系為二次函數關系，與TN達極顯著水平(p<0.01)，而與TP為顯著水平呈(p=0.02)；AN∶AP與AN為顯著冪函數關系(p=0.02)，與AP關系不顯著(p=0.09)，此外，從表中還可以看出，化學計量比值與分子的相關關系強于與分母的相關關系。

3 討 論

3.1 綠洲化過程中土壤養分含量特征

土壤是陸地植物生長的主要基質，其C，N，P元素是植物生長、發育及物質循環過程中重要的化學元素，土壤養分的發展是地質大循環和生物小循環共同作用的結果[19]。本研究發現，隨著綠洲建設時間的延長，土壤中有機碳、全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量均有顯著的增加。綠洲建設初期，0—30 cm和30—60 cm的SOC含量為0.14，0.11 g/kg，24 a后增加到了3.07，2.96 g/kg。這主要是因為綠洲化過程中，人工植被的建立、發育以及鄉土植物的生長增加了植被蓋度和生物量，枯枝落葉以及凋落物同步增多，大量枯落物留存于地表，根系的周轉、根系分泌物及根際微生物的積累等增加了土壤中有機碳的輸入。

圖1 土壤C，N，P含量變化特征

圖2 土壤C，N，P化學計量比變化特征

表2 土壤C，N，P含量及其化學計量比相關關系

注：“—”代表兩者之間未進行相關分析。

研究表明，隨著林分年限增加，地上地下生物量均呈顯著增加趨勢。如朱玉偉等[20]發現干旱區楊樹成熟林(22 a)的生物量是幼林(5 a)的12.66倍，其中，地下生物量由2.85 kg/株增加到21.92 kg/株，增長了8倍，地上生物量由22.56 kg/株增加大到299.83 kg/株，增加了13.29倍。趙英銘等[21]在磴口沙漠綠洲的研究中發現，胸徑10 cm的新疆楊樹林根系生物量為6.79 t/hm2，而胸徑40 cm的新疆楊樹林的根系生物量為169.83 t/hm2，增加了25倍；第二，植被的存在使地表粗糙度增加，降低了風速，減輕了土壤風蝕，使得地表細粒物質留存，不斷地改善了土壤表面的物理性質，為土壤養分的積累提供必要條件。此外，植被攔截風沙流和部分大氣降塵，使得更多細粒物質沉降在地面，進而增加了SOC含量。研究結果與余海龍[19]，栗忠飛[22]，邱新彩[23]等的研究結果類似，即隨著植被恢復年限的增加，SOC呈顯著增加趨勢。N是土壤養分最重要的指標，是植物吸收的大量元素之一。研究區0—30 cm和30—60 cm的TN含量分別由0.07，0.08 g/kg增加到了0.64，0.50 g/kg，AN含量分別由4.12，2.85 mg/kg增加到了42.22，40.24 mg/kg，研究表明，土壤N的95%來源于土壤有機質[24]，綠洲化過程中，人工植被增多，沙化治理程度提高，天然植被也逐漸增多，枯落物數量增加，進而使土壤N含量增加。這與廖空太等[24]的研究結果相一致，防風固沙林定植20 a后，TN含量增加48.3%。P是一種沉積性礦物，不利于遷移，土壤TP含量主要受土壤母質、氣候、植被的影響[25-27]，但是，有機質的積累和礦化直接影響TP含量的變化，土壤TP的40%～60%來源于土壤有機質[25]。綠洲化過程中，盡管TP的增加速率相對較慢，但是也從綠洲建設之初的0.36，0.35 g/kg增加到了1.24，1.16 g/kg。AP含量也由0.34，0.25 mg/kg增加到了1.88，1.63 mg/kg。有研究結果顯示綠洲防護林建設20 a后，TP含量增加76.3%[24]，這與本研究結果相似。

3.2 綠洲化過程中土壤養分生態化學計量特征

土壤C∶N∶P生態化學計量特征可以反映出土壤有機質組成和質量程度，是表征土壤內部C，N，P化學元素循環的一個重要指標[26]。

土壤C∶N是衡量土壤C，N營養平衡狀況的指標，是土壤質量評價的敏感指標。土壤C∶N會影響C和N的循環，較低的C∶N表明土壤有機質具有更快的礦化速率[27]。本研究結果顯示，綠洲化過程中，土壤C∶N的均值為4.71，遠遠低于中國陸地均值(12.30)[28]和中國北方干旱半干旱區的其他研究區，如毛烏素沙地人工檸條林(10.65～15.56)[29]、塔克拉瑪干沙漠腹地人工林(14.80)[30]、塔里木盆地北緣綠洲(12.14)[31]和古爾班通古特沙漠(8.124)[32]等。表明研究區土壤C更缺乏，且土壤C源、有機質分解速率和礦化速率較低。土壤C∶P通常被認為是土壤P素礦化能力的標志，也是衡量微生物礦化土壤有機物質釋放P或從環境中吸收固持P素潛力的一個指標，其高低對植物生長發育具有重要的影響。較低的C∶P是土壤P有效性高的一個指標[33]。研究區土壤C∶P均值為2.47，遠低于中國陸地平均值(52.70)[28]，相近于塔克拉瑪干沙漠腹地人工林(2.69)[30]、塔里木盆地北緣綠洲(4.55)[31]和古爾班通古特沙漠(3.486)[32]。表明研究區土壤P的有效性相對較高，礦化速率也相對較高，微生物分解有機質過程中受P的限制可能性較小，這與陶冶等[34]在準噶爾的研究結果相一致。土壤N和P是限制植物生長的重要元素，也是植物賴以生存的物質基礎和環境條件。土壤N∶P值可用作N飽和的診斷指標，用于確定養分限制的閾值[33]。本研究中土壤N∶P均值為0.5，低于中國陸地平均值(3.90)[28]和毛烏素沙地人工檸條林(2.46～11.45)[29]，但與準噶爾荒漠(0.498)[34]、塔里木盆地北緣綠洲(0.40)[31]及古爾班通古特沙漠(0.434)[32]等其他干旱半干旱區相近，表明土壤N∶P主要受N控制，也進一步驗證了研究區土壤N極缺乏。AN∶AP值遠遠高于TN∶TP，而且隨著綠洲化時間的延長，其值呈先增高后降低趨勢，在第16年時達到最大值。這與陶冶等[32]的研究結果相似，古爾班通古特沙漠土壤AN∶AP遠高于TN∶TP，推測是生物結皮的存在提高了土壤養分，尤其是有效態N含量而導致。通過我們的研究發現，綠洲化過程中，由于枯枝落葉含量顯著增加，地表覆蓋物相對較厚，沒有土壤結皮存在，出現這種現象可能是因為沙地向綠洲變化的過程中，生物量增加，使得SOC和TN含量增加，進而使土壤中可利用的AN含量也提高，以及N轉化速率較快引起的。土壤N和P的豐缺直接關系到土壤養分平衡，而速效養分則能更加準確地反映營養元素供應水平，與植物生長發育關系更為密切[32]。因此，研究綠洲化過程中的AN∶AP值變化趨勢可為綠洲經營提供一定的基礎數據。

與SOC和TN含量的變化趨勢相比，土壤C∶N在綠洲化過程中維持相對穩定(初期4 a除外)，說明SOC和TN含量具有較大的空間變異性，而C∶N相對穩定，同時說明了土壤C∶N相對穩定的基本原則，即有機物質的形成需要一定數量的N與其相應的相對固定比率的C[35]。然而，土壤C∶P，N∶P和AN∶AP的變化趨勢則與C∶N不同，隨綠洲化時間的增加呈現先增加而后減小的趨勢。這可能是因為C，N，P元素來源的差異性所致。這同張珂等[36]的研究結果相類似，表明天然生態系統土壤C∶N，C∶P和N∶P的變化特征也適用于研究區人工林土壤。

3.3 土壤養分含量及化學計量特征的關系

大量的研究結果表明，土壤C，N，P元素的化學計量比值與2個元素值之間具有一定的相關關系，但顯著性存在差別[27,29,31-34,37-38]。本研究中也得到同樣的結果。此外，從相關系數可以發現，C∶N和C∶P主要受控于SOC含量，N∶P主要受控于N含量，這與陶冶等[27,34]的研究結果相一致，研究區土壤C，N，P化學計量特征主要受控于C，N元素。

本研究在一定程度上揭示了綠洲化過程土壤養分及其化學計量特征的變化情況，為區域生態恢復提供了理論依據和參考。然而，植被和土壤之間所構成的是一個交互作用的復雜生態系統，本研究僅僅針對綠洲化過程中土壤養分開展了研究，而未對植物養分進行測定分析。因此，今后的工作還應該對土壤環境變化下的植物養分及其化學計量特征變化情況進行研究。

4 結 論

(1) 隨著綠洲建設時間延長，研究區土壤SOC，TN，TP，AN和AP含量均呈極顯著增加趨勢。但土壤C缺乏，土壤N極缺乏，且土壤碳源、有機質分解速率和礦化速率較低。

(2) 土壤C，N，P化學計量比值在綠洲建設初期4 a內快速增加，而后變化趨勢有所不同，C:N相對比較穩定，變化較小，而C∶P和N∶P呈現減小趨勢，AN∶AP在第16年達到最大值后也減小。這是因為C，N，P元素來源的差異性所致。

(3) 研究區土壤C，N，P化學計量特征主要受控于C，N元素。