農牧交錯帶不同土地利用類型土壤碳氮磷生態化學計量特征

高君亮,羅鳳敏,高 永,黨曉宏,蒙仲舉,陳曉娜,段 娜

1 內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站/中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心, 磴口 015200 2 內蒙古農業大學沙漠治理學院, 呼和浩特 010019

生態化學計量學是分析多重化學元素的質量平衡對生態交互作用影響的一種理論[1-2],是當前生態學研究的主要方法和熱點方向[3]。生態化學計量學結合生物學、化學和物理學的基本原理,利用生態過程中多重化學元素的平衡關系,為研究碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素在生態系統過程中的耦合關系提供了一種綜合方法和工具[4-5]。有助于解決植物和生態系統養分供應與需求平衡等方面的難題,其優點是通過分析生態系統組成部分的元素含量及比值關系,認識養分耦合循環特征、驅動力及其機制等問題[6]。作為陸地生態系統的重要組分,土壤與生物的生存和發展密切相關,其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[1,7]。此外,N和P又是陸地植被生長的主要養分限制因子,其有效性是調節凋落物分解速率和生態系統養分平衡的主要因素之一[8]。因此,研究土壤C、N、P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[9]。

陰山北麓是中國北方典型的農牧交錯帶,具有生態和生產的雙重功能。近半個世紀以來,由于氣候干旱、水資源短缺、大風日數多、加之人類高強度的土地資源開發利用,突破了該區域生態系統健康閾值,使其生態系統功能全面受損,進而使得該區域成了中國北方農牧交錯帶沙質荒漠化強烈發展的地區之一[10]。強烈的土壤風蝕導致區域土壤蓄水保肥能力減弱,進而加劇了土壤C、N、P元素的流失。因此,恢復該區域生態系統的健康已是當務之急。目前,眾多研究者圍繞該區域的土壤風蝕與土地沙化問題開展了大量的研究工作[10- 14],但是針對土壤養分方面的研究相對較少[15-16],對土壤生態化學計量的研究未見報道。基于此,本文選取陰山北麓典型農牧交錯帶為研究對象,分析區域內4種主要不同利用類型土地(放牧草地、封育草地、耕地和棄耕地)淺層土壤有機碳、全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量,探討不同利用類型土地土壤生態化學計量特征,揭示土地利用方式對土壤C、N、P含量及其生態化學計量特征的影響,以期為今后該區域合理利用與經營土地提供理論指導和技術支持,同時也為實現北方典型農牧交錯帶生態系統的優化管理和合理保護,維護區域生態安全和實現可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古呼和浩特市武川縣上禿亥鄉(圖1),海拔1700 m。該區域的氣候特征為典型的中溫帶大陸性季風氣候,年均降水量274 mm,年均蒸發量2350 mm,年均氣溫1.0℃,年均日照時數3015 h,無霜期86 d,年均風速4.7 m/s[15]。地貌類型主要為緩坡丘陵,旱作農耕地多分布于緩坡坡面上。土壤以栗鈣土為主,質地粗糙。植物種類組成簡單,天然植被主要以大針茅(Stipagrandis)、沙生針茅(Agropyronglareosa)、克氏針茅(Stipakrylovii)和冷蒿(Artemisiafrigida)等為主,農作物主要為馬鈴薯(Solanumtuberosum),莜麥(AvenaChinensis)和蕎麥(Fagopyrumesculentum)[15]。

圖1 研究區位置及樣地實景圖Fig.1 Study area location and sample plots reality images

1.2 土壤樣品采集

2013年9月下旬在研究區選擇4個有代表性的采樣地,分別為放牧草地(Grazed grassland,GG)、封育草地(Enclosure grassland,EG)、棄耕地(Abandoned land,AL)和耕地(Farmland,FL),每個樣地的概況詳見圖1和表1。在每個采樣地按照“S”形布設5個采樣點,每兩個采樣點之間距離約200 m。在每個采樣點分5層(0—5、5—10、10—15、15—20、20—25 cm)采樣,然后將每個采樣地5個采樣點同一層次的土樣混合裝袋并進行編號。

表1 樣地概況

1.3 土壤樣品測定

土樣陰干后剔除植物根系、葉片、動物糞便、昆蟲尸體等雜物,并充分混合均勻；然后按四分法將樣品分為4份,選擇其中1份進行土壤養分分析；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,一份測定AN和AP,另一份用孔徑0.25 mm的土壤篩篩分,選粒徑<0.25 mm的樣品測定SOC、TN和TP。5項土壤養分指標的具體測定方法參照《土壤農化分析》[17]。

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 研究區淺層(0—25 cm)土壤C、N、P含量特征

土壤C、N、P是植物生長、發育及物質循環過程中重要的化學元素。研究區SOC、TN和TP的平均含量分別為14.57、0.63、0.76 g/kg；AN、AP含量分別為39.87、6.72 mg/kg(表2)。5項土壤養分指標均為中等變異(12.88%—55.81%)。其中,全量養分的變異系數較小,而速效養分和有機碳的變異系數相對較大,這主要是因為全量養分主要受成土母質中礦物成分影響,大多以穩定態存在；而速效養分和有機碳與農牧業生產(耕作、施肥、放牧等)、地上枯落物的分解及植物的吸收利用有著密切關系。

表2 研究區土壤養分特征統計

2.2 不同土地利用類型土壤C、N、P含量特征

圖2 不同土地利用類型的土壤養分含量Fig.2 Soil nutrition content in different land use patternsGG,放牧草地Grazed grassland；EG,封育草地Enclosure grassland；AL,棄耕地Abandoned land；FL,耕地Farmland;圖中不同字母表示同一指標在不同樣地間差異顯著(α=0.05)

4種不同土地利用類型樣地0—25 cm土壤層5項指標的質量分數均存在不同程度的差異(圖2)。SOC平均含量差異極顯著(P<0.01),封育草地(18.24 g/kg)>放牧草地(15.72 g/kg)>耕地(12.86 g/kg)>棄耕地(11.45 g/kg)；TN平均含量差異極顯著(P<0.01),封育草地(0.69 g/kg)>放牧草地(0.67 g/kg)>棄耕地(0.59 g/kg)>耕地(0.56 g/kg)；TP平均含量差異顯著(P<0.05),耕地(0.90 g/kg)>棄耕地(0.74 g/kg)>封育草地(0.73 g/kg)>放牧草地(0.69 g/kg)；AN由于受TN的影響相對較大,排序同TN一致,封育草地(15.48 mg/kg)>放牧草地(40.06 mg/kg)>棄耕地(37.8 mg/kg)>耕地(35.14 mg/kg),但差異不顯著(P>0.05)；AP含量差異極顯著(P<0.01),耕地(11.94 mg/kg)>棄耕地(5.87 mg/kg)>放牧草地(4.60 mg/kg)>封育草地(4.47 mg/kg)。

2.3 不同土地利用類型土壤C、N、P化學計量特征

圖3顯示,4種不同土地利用類型樣地0—25 cm土壤層的土壤C∶N、C∶P、C∶P均存在極顯著差異(P<0.01),且草地(封育草地和放牧草地)的C∶N、C∶P、C∶P值均大于農耕地(棄耕地和耕地)。C∶N均值為封育草地(26.57)>放牧草地(23.37)>耕地(23.21)>棄耕地(19.49)；C∶P均值為封育草地(25.10)>放牧草地(22.79)>棄耕地(15.95)>耕地(14.40)；C∶P均值為放牧草地(0.97)>封育草地(0.95)>棄耕地(0.82)>耕地(0.62)。

圖3 不同土地利用類型土壤C、N、P化學計量特征Fig.3 Soil stoichiometric characteristics in different land use patterns

2.4 土壤C、N、P之間及其化學計量比的關系

表3表明,研究區淺層土壤5項指標含量之間存在一定的相關關系,但顯著水平不同。SOC和TN、SOC和AN、AP和TP之間均為極顯著的線性相關關系(P<0.01)；TP和TN、AP和TN之間為顯著的二次函數關系(P=0.03)；SOC與TP、AP,AN與TP、AP關系不顯著(P分別為0.31、0.21、0.36、0.41)。

表3 土壤C、N、P含量之間的最優擬合關系 (N=20)

圖4表明,SOC與C∶N、C∶P均呈極顯著線性相關關系(P<0.01)；TN與C∶P呈極顯著線性相關關系(P<0.01)、與C∶N關系不顯著(P=0.72)；TP與C∶P、C∶P均呈極顯著線性相關關系(P<0.01)。此外,從圖中還可以看出,C∶N、C∶P、C∶P的化學計量比值與分子的相關關系均強于與分母的相關關系。

圖4 土壤C、N、P含量與對應化學計量比之間的關系Fig.4 Relationships among soil C, N, P contents and ecological stoichiometry

3 討論與結論

3.1 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。本研究表明,研究區淺層土壤(0—25 cm)SOC、TN、TP、AN和AP的平均含量分別為14.57 g/kg、0.63 g/kg、0.76 g/kg,39.87 mg/kg、6.72 mg/kg。據全國第二次土壤普查標準可以確定研究區SOC、TP含量為3級(中上等級),AP含量為4級(中下等級),TN和AN含量為5級(低等級)[18]。據此認為研究區SOC和TP相對較豐富,AP較缺少,TN和AN極為缺乏。5項指標均為中等變異(12.88%—55.81%)。其中,全量養分的變異系數(12.88%—13.51%)較小,而速效養分和有機碳的變異系數(22.93%—55.81%)相對較大,這主要是因為全量養分主要受成土母質中礦物成分影響,大多以穩定態存在；而速效養分和有機碳與農牧業生產(耕作、施肥、放牧等)、地上枯落物的分解及植物的吸收利用有著密切關系。

土地利用方式對土壤養分含量存在顯著影響。SOC含量主要受植物枯落物、微生物殘體和根系分泌物等有機質的影響[19-20],草地開墾為農耕地后,枯落物數量減少,減少了地上生物量中碳素向土壤的輸入；此外,開墾使土壤通氣性增強,有機質充分暴露在空氣中,土壤溫度和濕度條件得到改善,好氧微生物活性增強,促進了土壤呼吸作用,加速了土壤有機碳的礦化分解[21-22],降低了SOC含量。因此,本研究中4個樣地的SOC含量差異極顯著(P<0.01),且草地SOC含量顯著高于農耕地,這與前人研究結果一致[22-23]。

N是土壤養分最重要的指標,是植物吸收的大量元素之一。4個樣地的TN含量存在極顯著差異(P<0.01),且草地TN含量顯著高于農耕地,這主要是因為氮素損失過程與碳素損失機制相近,因此在有機質損失的同時,土壤氮素也逐漸減少,草地被開墾利用后,土壤經過長期而穩定的耕作,N含量會下降是必然的結果[22]。AN由于受TN的影響相對較大,排序同TN一致,但差異不顯著(P>0.05),土壤氮的95%來源于土壤有機質[24],草地枯落物數量較多、加之有牲畜糞便而使其土壤中有機質含量增加,進而使N含量較高。

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],耕地的TP含量極顯著高于其他3者(P<0.01),而其他3者之前差異不顯著(P>0.05),這是因為耕作施肥和放牧等人為干擾活動在一定程度上也會對其產生一定影響[28-29]。農耕地的AP含量均高于草地,AP含量主要受人為活動影響,長期耕作過程中磷肥的使用使農耕地土壤AP含量高于草地等自然植被土壤[28]。

3.2 土壤C、N、P生態化學計量特征

土壤C∶C∶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[30]。

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SOC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[9,31]。本研究中土壤C∶N均值為23.16,低于準噶爾荒漠區域(29.92)[32],但是卻高于中國陸地均值(12.30)[33]和中國北方干旱半干旱區的其他研究區,如黃土丘陵溝壑區(8.23)[34]、黃土高原草地(9.04—9.63)[35]、毛烏素沙地人工檸條林(10.65—15.56)[36]、塔克拉瑪干沙漠腹地人工林(14.80)[6]、塔里木盆地北緣綠洲(12.14)[37]和古爾班通古特沙漠(8.124)[38]等。相對較高的C∶N值(23.16)表明該區域土壤N比C更缺乏,N含量為5級,表現為極缺乏,且土壤C源、有機質分解速率和礦化速率較低。此外,4個樣地的C∶N值存在極顯著差異(P<0.01),草地明顯高于農耕地。這因為草地的枯落物數量較多,枯落物的不斷分解使其SOC含量較農耕地高；此外,草地地表由于植被的存在,降低了風速,減輕了風蝕,富含營養成分的細粒物質被保留,因此有機質損失的也少,而農耕地由于強烈的土壤風蝕,土壤中的細粒物質被風蝕,粗粒和礫石殘留在地表,造成了土壤粗化,使得土壤保水保肥能力下降；此外,春季翻耕和秋季農作物收獲,造成土壤養分含量下降[15]。

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[9,27,39-40]。研究區土壤C∶P均值為19.56,遠低于中國陸地平均值(52.70)[33]和毛烏素沙地人工檸條林(33.68—61.06)[36],相近于黃土高原草地(19.62—32.27)[35],但高于塔克拉瑪干沙漠腹地人工林(2.69)[6]、塔里木盆地北緣綠洲(4.55)[37]和古爾班通古特沙漠(3.486)[38]。表明研究區土壤P的有效性相對較高,P的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,這與陶冶等人在準噶爾荒漠的研究結果相一致[32]。研究表明,人為活動會影響植物生長的生態系統,進而改變植物所需的C、N源儲蓄庫和C、N、P的循環過程,進而引起植物生態化學計量學特征發生變化[32,41-44]。本研究的4個不同樣地C∶P值存在極顯著差異(P<0.01),且草地大于農耕地,這主要是因為草地的SOC含量比農耕地高,而農耕地由于在農業生產過程中磷肥的施用,在一定程度上增加了土壤P含量,進而使草地的C∶P值高于農耕地。

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C∶P值可以用作N飽和的診斷指標,用于確定養分限制的閾值[41]。本研究中土壤C∶P的均值為0.84,低于中國陸地平均值(3.90)[33]和毛烏素沙地人工檸條林(2.46—11.45)[36],但與準噶爾荒漠(0.498)[32]、塔里木盆地北緣綠洲(0.40)[37]及古爾班通古特沙漠(0.434)[38]等其他干旱半干旱區相近,表明土壤C∶P主要受N控制,也進一步驗證了研究區土壤N極缺乏。4個不同樣地的C∶P值存在極顯著差異(P<0.01),草地的C∶P值顯著高于農耕地,這主要是因為草地的N含量高于農耕地,而P含量低于農耕地。土壤C、N、P化學計量結果表明研究區土壤C、N、P元素的缺乏程度表現為N>P>C。此外,C∶N<30、C∶P<14,表明C、N元素主要決定研究區土壤C、N、P化學計量特征及過程。

3.3 土壤養分含量及化學計量特征的關系

研究表明,土壤養分元素之間通常是是密切相關、相互耦合的。眾多研究對養分指標之間的相關關系大都選擇Pearson相關性分析,而沒有進行最優擬合,事實上,土壤養分指標之間并非為簡單的線性擬合關系。陶冶等人對古爾班通古特荒漠灌木群落土壤的研究結果認為,土壤養分之間具有非線性耦合關系,需要用非線性模型才能真正體現它們之間的關系[38]。因此,本研究選擇線性和非線性模型相結合來探討土壤養分之間的關系。通過對5項養分指標兩兩之間進行最優擬合發現,SOC與TN、AN存在極顯著線性相關關系(P<0.01),TP和AP存在極顯著線性相關關系(P<0.01),TN和TP、AP之間為顯著的二次函數關系(P=0.03)；而SOC與TP、AP,AN與TP、AP關系不顯著(P分別為0.31、0.21、0.36、0.41)。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[19,31-32,34- 38,41]。對研究區土壤C、N、P元素化學計量值與相對應的2個元素進行最優擬合發現,C∶N與SOC之間為極顯著線性相關關系(P<0.01),與TN的最優擬合關系可以用二次函數關系表示,但是未達到顯著水平(P=0.38),C∶P與SOC和TP之間為均為極顯著線性相關關系(P<0.01),C∶P與TN和TP之間為均為極顯著線性相關關系(P<0.01)。此外,從相關系數可以發現,C∶N和C∶P主要受控于SOC含量,C∶P主要受控于N含量,這與陶冶等人的研究結果相一致[31-32],研究區土壤C、N、P化學計量特征主要受控于C、N元素。

綜上所述,土地利用方式導致土壤養分含量及其生態化學計量特征均存在一定差異,草地對研究區土壤質量的改善具有明顯作用,有助于SOC和N的積累,提高了土壤C、N含量及土壤C、N、P化學計量比值。而農耕地由于強烈的土壤風蝕,土壤中的細粒物質被風蝕,粗粒和礫石殘留在地表,造成了土壤粗化,使得土壤保水保肥能力下降；此外,春季翻耕和秋季農作物收獲,造成土壤養分含量下降[15]。因此,建議今后應對該區域草地加大保護力度,有計劃有步驟地組織生態退耕工作。

本研究僅對陰山北麓農牧交錯帶4種不同利用類型土地淺層(0—25 cm)土壤養分特征和化學計量特征進行了初步研究,對于全面評價該區域土壤養分狀況與化學計量特征還存在一定的欠缺。今后還需要加大樣本數量,選擇更多的采樣地,對深層次土壤養分進行分析,并結合不同樣地的植物莖、葉、花、果實、種子、根系及枯落物中C、N和P的比例關系進行深入研究。