青海省祁連圓柏天然林林地土壤生態化學計量特征

井 賽，陳志林，侯曉巍，李智華，胡云云，向安民，侯 琳*

(1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100；2.國家林業和草原局西北調查規劃設計院 旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室，陜西 西安 710048)

生態化學計量學主要關注生態過程中多重化學元素(C、N、P)平衡，表征C、N、P的耦合關系，已被廣泛應用于生態系統各層次的種群動態、群落生產力限制因素、養分循環與分布等研究中[1-4]。土壤作為生態系統的重要組成部分，提供了植物生長所必須的養分元素，直接影響植被群落的結構、林地生產力水平與生態系統的穩定性[5-6]。探究土壤生態化學計量特征已逐步成為揭示林地養分狀況與營養循環，實現生態系統可持續經營的新興工具[7-8]。

森林土壤C、N、P化學計量沿環境梯度變化的地理分布格局已成為共識[9-12]。海拔作為關鍵的地理因子，其綜合了氣候、土壤、植被因素的變化，圍繞海拔梯度森林土壤C、N、P生態化學計量研究已成為熱點[9-10]。有研究發現，土壤有機碳(SOC)、全N(TN)、C∶P、N∶P隨海拔升高呈現上升趨勢[8]，但其他研究卻發現相反的變化趨勢[5,11]。以往對青海林地土壤研究表明，SOC隨海拔呈單峰變化，TN隨海拔呈增加趨勢[12]。還有研究發現，土壤生態化學計量特征與海拔梯度間存在非線性關系[5]。已有的研究結果并不一致且多集中于不同植被類型間土壤生態化學計量特征的比較[5,8,13]，對祁連圓柏天然林林地土壤生態化學計量特征關注較少。

祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)為柏科圓柏屬常綠喬木，因耐寒、耐旱、耐瘠薄成為青海省高寒生境中分布最廣的優勢成林樹種之一，在水源涵養、防風固沙、應對氣候變化、維持生物多樣性等方面發揮著不可替代作用[14]。同時，祁連圓柏由于其廣泛的地理分布，生境水熱條件變化顯著，表現出明顯的垂直分異性[15]。目前，關于祁連圓柏的研究多聚焦于樹輪生長、造林、生理生態特性、葉片性狀變異[16-20]。本研究以青海省祁連圓柏7個典型分布區的天然林林地土壤為研究對象，探討祁連圓柏天然林土壤生態化學計量的垂直分布特征與影響因素，以期為林地土壤管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選取祁連圓柏天然林分布的典型區域德令哈市、都蘭縣、互助縣、澤庫縣、祁連縣、烏蘭縣、興海縣7個地點為研究區(表1)。區域范圍97.33°-102.54° E，35.01°-38.22°N，海拔2 340～3 870 m，年平均氣溫-1.33～5.28℃，年降雨量51.60～502.50 mm，降水集中于5-9月，林下土壤類型多為山地褐色針葉林土和山地灰褐色森林土。7個研究區的年平均溫度和年平均降水等氣象數據從中國氣象數據網站(http://data.cma.cn/)獲取。

表1 研究區基本概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與樣品采集 依據典型性原則，結合7個縣祁連圓柏林的海拔分布范圍(2 340～3 870 m)，以200 m為1個梯度進行海拔劃分，即<2 900、2 900～3 100、3 100～3 300、3 300～3 500、3 500～3 700、>3 700 m共6個海拔梯度。在7個縣布設20 m×20 m的群落樣地35個。根據對角線法，在每個群落樣地內設置5個5 m×5 m灌木和5個1 m×1 m草本調查樣方。利用GPS記錄每個樣地的經度、緯度、海拔，對樣地內的喬木進行計數，測定胸徑與樹高；在各樣地的中心與四角位置設置5個5 m×5 m灌木和5個1 m×1 m草本調查樣方；灌木樣方中，記錄灌木的種類、株數，測定高度、蓋度、基徑，記錄草本植物種類、株數，測定高度、蓋度。

每個群落樣地內按照“S”型取樣法選取土壤樣點5個，挖掘土壤剖面，因調查區土層厚度各異，為確保數據的可比性，在各土壤樣點按0～20、20～40、40～60 cm 3個土層用體積為100 cm3的環刀采集各層原狀土，同時采集同深度散土。同一樣地內相同土層的散土混合均勻成一個土樣。將采集的環刀土和散土進行現場稱重、編號并裝入土樣袋中帶回實驗室。

1.2.2 樣品分析 將采集的土壤樣品風干，去雜(撿去其中的植物殘體、礫石與侵入體)，磨細，過篩，用于測定土壤pH與SOC、TN、TP。

土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；土壤全N(TN)采用凱氏定氮法測定；土壤全P(TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤pH利用pH計測定(水土比為2.5∶1)；土壤含水率采用經典的烘干法測定；土壤容重利用環刀法測定[21]。

1.2.3 物種多樣性計算 本研究選取物種豐富度指數(S)、Shannon-wiener指數(H)來衡量群落多樣性特征，計算方法分別為：

物種豐富度指數(S)：S=樣方內的物種數目

Shannon-wiener指數(H)：

H=-∑PilnPi

式中，S為樣方內物種數目，Pi為物種i的相對重要值，即Pi=Ni/N，Ni為物種i的重要值，N為所有物種的重要值之和，重要值=(相對頻度+相對蓋度+相對高度)/3[22]。

1.3 數據處理

運用Excel 2016和SPSS 22.0對數據進行整理與分析。依據拉伊達準則(3σ 準則)排除異常值。采取單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同海拔與土層下土壤C、N、P化學計量特征的差異，若方差為齊性，用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較；若方差為非齊性，用Tamhane’s T2法進行多重比較，所有檢驗的顯著性水平為P<0.05或P<0.01。同時對海拔與土壤化學計量間進行線性和二次回歸方程擬合，根據模型解釋度(R2)確定最優回歸模型。運用Pearson檢驗衡量土壤C、N、P及其化學計量比間的相關性，利用RDA與Pearson相關性分析環境因素對土壤生態化學計量特征的影響。作圖采用Origin 2018。

2 結果與分析

2.1 祁連圓柏林土壤生態化學計量特征

土壤SOC、TN、TP含量平均值分別為36.49、3.43、0.62 g·kg-1，變化范圍為9.05～75.92、0.61～7.47、0.34～0.91 g·kg-1，變異系數為16.13%～45.77%(表3)。SOC與TN的變異系數相近，對外界環境變化響應具有一致性，TP的變異較SOC和TN小；土壤化學計量比中，C∶N、C∶P、N∶P的變化范圍分別為7.13～17.17、15.60～105.44和1.24～9.64，變異系數在1.91%～37.02%，C∶P與N∶P變異系數相近(表3)。

表2 土壤C、N、P及其生態化學計量統計特征

2.2 祁連圓柏天然林土壤生態化學計量特征沿海拔梯度的變化

在同一土層不同海拔梯度下，土壤SOC隨海拔的增加呈降低趨勢，在<3 500 m時顯著高于其他海拔(3 500～3 700、>3 700 m)(P<0.05)(圖1)。土壤全N與有機碳變化規律相似，3個土層最高值均出現在<2 900 m，最低值出現在>3 700 m，隨海拔的增加而降低。在<2 900～3 700 m海拔范圍內，土壤全P隨海拔上升小幅度下降，至海拔3 700 m略微上升，且在>3 700 m顯著低于其他5個海拔梯度(P<0.05)。土壤C∶N隨海拔梯度增加無明顯變化，且各海拔間無顯著差異(P>0.05)。C∶P與N∶P最大值出現在<2 900 m，最小值在最高海拔梯度(>3 700 m)，多重比較顯示，除海拔>3 700 m顯著低于其他海拔梯度外其余4個海拔梯度間差異并不顯著(P>0.05)(圖1)。

在同一海拔梯度不同土層內，土壤SOC、TN含量均隨土壤深度的增加而逐漸降低，且0～20 cm土層的SOC、TN含量顯著高于20～40 cm與40～60 cm土層(P<0.05)(圖1)，表現為明顯的“表聚現象”。土壤TP雖隨土層增加表現為減小趨勢，但減小程度小于SOC與TN，同時0～20 cm土層磷含量顯著高于40～60 cm(P<0.05)(圖1)。在相同海拔梯度內，土壤化學計量比隨土層加深呈現出各異的變化規律。其中，C∶P、N∶P表現為相同的變化趨勢，隨土層的加深而降低，而C∶N隨土層的加深無明顯變化，在各土層間的差異不顯著(P>0.05)(圖1)。

注：不同大寫字母表示同一土層不同海拔梯度下的差異；不同小寫字母表示同一海拔梯度不同土層間的差異。

進一步對土壤SOC、TN、TP及其化學計量與各樣點的實際海拔進行回歸分析，結果表明(圖2)，海拔對土壤3個土層SOC、TN、C∶P、N∶P具有顯著影響(P<0.05)，對土壤C∶N無顯著影響(P>0.05)。其中，土壤SOC、TN、C∶P、N∶P與海拔呈呈現二次曲線負相關關系，土壤TP與海拔間呈線性負相關關系，土壤C∶N與海拔間的回歸關系均未達到顯著水平(圖2)。

圖2 土壤化學計量與海拔間的回歸分析

相關分析表明，SOC、TN、TP含量兩兩之間均呈現極顯著正相關(P<0.01)，且SOC與TN之間相關系數最大(表3)。SOC與TP作為C∶P的分子和分母，理論上應與C∶P分別呈正相關、負相關，而本研究結果SOC、TP與C∶P均呈極顯著正相關(P<0.01)(表3)，因此C∶P的變化主要由SOC引起。N∶P與TN的相關性強于TP，說明N∶P的變化主要有TN引起。

表3 土壤C、N、P及其化學計量的相關性

2.3 氣候因素沿海拔梯度的變化

對各研究區的年平均溫度與年平均降水與海拔梯度間進行相關分析，結果表明(表4)，隨海拔的升高，年平均溫度與年平均降水呈降低的變化趨勢，且相關性均達到顯著水平(P<0.05)。

表4 研究區海拔與氣候因素的關系

2.4 群落特征與土壤指標沿海拔梯度的變化

從青海祁連圓柏天然林群落多樣性指數可以看出，隨海拔的升高，總體灌木、草本的Shannon-Winner指數均呈減小趨勢，且在不同海拔梯度下差異性顯著(P<0.05)(表5)。然而從物種豐富度來看，灌木與草本物種豐富度隨海拔的升高無規律性變化特征，僅群落總體的物種豐富度隨海拔的升高而顯著降低(P<0.05)。林分密度隨海拔梯度增加雖呈減小趨勢，但在各海拔梯度間無顯著差異(P>0.05)(表5)。不同海拔梯度下土壤含水率、pH、容重差異顯著(P<0.05)，其中土壤含水率隨海拔梯度的升高呈減小趨勢，且在高海拔區域(3 500～3 700、>3 700 m)區域顯著低于低海拔區域(<3 500 m)；相反，土壤pH、容重最大值出現在海拔>3 700 m，最小值出現在海拔<2 900 m，表明土壤pH、容重隨海拔梯度的升高呈增加趨勢(表5)。

表5 不同海拔土壤理化性質與群落特征

2.5 環境因素對土壤生態化學計量特征的影響

以土壤SOC、TN、TP及其化學計量比為響應變量，氣候、土壤指標、與群落特征為解釋變量，進行冗余分析。結果表明，前2個排序軸累積解釋土壤SOC、TN、TP及其化學計量比變異的75.93%，其中第1排序軸解釋變異的75.28%，第2排序軸解釋變異的0.65%(圖2)。土壤SOC、TN與群落總體Shannon-Winner指數(H)、物種豐富度(R)、林分密度、降水、土壤含水率呈極顯著正相關(P<0.01)，與溫度呈顯著正相關(P<0.05)，與海拔、pH、容重呈極顯著負相關(P<0.01)。土壤TP與群落總體Shannon-Winner指數(H)、物種豐富度、林分密度、土壤含水率呈極顯著正相關，與海拔、pH、容重呈極顯著負相關(P<0.01)。土壤C∶N與各影響因素間相關性均未達到顯著水平(P>0.05)，土壤C∶P、N∶P與群落總體Shannon-Winner指數(H)、林分密度、降水、土壤含水率呈極顯著正相關，與海拔、pH、容重呈極顯著負相關(P<0.01)(圖3、表6)。冗余分析單獨效應表明土壤含水率、海拔、土層是影響土壤生態化學計量的主要因素，分別解釋了變異的44.0%、15.1%、9.7%(圖3)，土壤含水率的解釋率遠大于海拔與土層。

表6 土壤化學計量特征與環境因子的相關性

3 結論與討論

海拔對青海省祁連圓柏天然林土壤SOC、TN、TP及化學計量比具有顯著影響。隨海拔的升高與土層的加深，土壤SOC、TN、TP、C∶P、N∶P呈下降趨勢；C∶N無顯著的變化。不同海拔梯度上氣候、土壤理化性質、植被因素的差異引起了土壤化學計量的變化，其中土壤含水率是影響土壤化學計量變化的主控因素，解釋了變異的44.0%。青海祁連圓柏天然林土壤P有效性低，N有效性高。

3.1 祁連圓柏天然林土壤C、N、P含量及化學計量比的海拔變化規律及影響因素

本研究中土壤SOC、TN變異系數相近，表現出良好的協同變化特征，均隨海拔的增加而減小，但與王艷麗等[12]調查的青海森林土壤SOC、TN垂直分布規律不一致。可能的原因在于研究對象的差異。王艷麗等[12]研究了隨海拔梯度升高由落葉闊葉林過渡至針葉林的植被類型林地土壤生態化學計量特征的變化，而本研究的對象則為單一的祁連圓柏林。與闊葉林相比，針葉林土壤微生物胞外酶的活性顯著降低[23]，針葉難易分解[5,24]，因此2 900～3 100 m海拔區域土壤SOC、TN含量并未增加。盡管土壤C、N含量存在較大的空間變異性，但是土壤C、N比在不同海拔梯度間卻無顯著變化。這是因為C、N作為土壤的結構成分，在積累與消耗過程中，對外界環境變化的響應是一致的[25]。

不同海拔梯度下土壤SOC、TN含量變化主要歸因于氣候、植被因素與土壤理化性質的變化(圖3，表6)。較大尺度范圍內氣候是限制植被生長的重要因素[25]。自然條件下，土壤C、N含量受生物作用的影響，主要由土壤中有機質和N輸入量與輸出量的相對大小決定[26]。研究區<2 900 m海拔區域降雨量高、溫度適宜，水溫條件好使得群落多樣性、物種豐度與林分密度增加，進而使輸入至林下凋落物含量增加，凋落物為土壤輸送了更多的養分，從而促進了土壤C、N含量的積累。不同海拔梯度下土壤理化性質的變化也導致土壤C、N含量的變化。本研究表明，土壤SOC、TN含量與容重、pH呈極顯著負相關(P<0.01)，這是由于較高的容重與pH不利于土壤通氣，限制了土壤微生物活性和根系生長，不適宜有機質分解與養分匯集[27]。土壤SOC、TN含量與土壤含水率呈極顯著正相關。已有研究表明，土壤濕度較高條件下，土壤微生物和酶的活性會提高[32]，有機質礦化分解加快[28]。本研究中隨海拔的升高，土壤含水率降低，微生物與酶活性降低，有機質分解與周轉周期加長，因而，土壤SOC、TN含量降低。

注:H.Shannon-Winner指數; S.物種豐富度; SD.林分密度; Alt.海拔; T.溫度; P.降水P; SWC.土壤含水率; BD.容重; Lay.土層。

本研究中土壤TP變異系數為16.13%，顯著低于SOC與TN，空間變異性低。這是因為土壤P主要來源于長期而穩定的巖石風化過程，屬沉積性元素，遷移性差[29]。另外，土壤TP隨海拔升高而逐漸增加。土壤P含量決定于巖石分化形成的土壤母質，研究區祁連圓柏林下土壤多為山地灰褐土，土壤母質主要為黃土及殘積物[15]，P來源有限；同時，高海拔地區，pH增大，氧化還原電位升高，土壤中金屬離子對P的吸附作用增強[28]；加之容重增加與含水率的降低削弱了土壤風化，土壤母質中P的釋放量減少[30]，進而造成土壤TP含量的降低。就土壤C/P與N/P比而言，隨海拔的升高，C/P與N/P均呈下降趨勢。本研究中土壤C∶P變化由SOC變化引起，TN變化導致N∶P的變化(表3)，海拔升高土壤C、N含量的下降解釋了這一變化。

3.2 土壤化學計量比的指示作用

土壤環境中C、N、P化學計量比值決定著植物和微生物對養分的可利用性與限制性。N、P通常是陸地生態系統常見的限制性元素。一般認為土壤C∶P是土壤P有效性的標志，低的C∶P有利于微生物通過分解過程釋放養分，促進土壤有效P的增加。反之，較高的C∶P使土壤微生物對有機質的分解受限，同時還會與植物競爭土壤無機磷[31]。土壤N∶P可用作N飽和的指標，反映植被生長過程中土壤養分元素的有效性，并用來確定養分限制的閾值[4]。研究區土壤C∶P、N∶P平均值為57.96與5.43，高于中國土壤平均水平[29]，說明青海祁連圓柏天然林土壤P有效性低，N有效性高。同時，本研究土壤TP含量(0.62 g·kg)低于中國土壤平均水平(0.78 g·kg-1)[29]，從另一個方面驗證了研究區土壤的P限制。冗余分析單獨效應表明土壤含水率解釋了土壤化學計量比變化的44.0%，占所有環境因子總解釋率的58%。有研究指出隨著全球氣候變暖，土壤水分因蒸發量變多而變得比以前更加干旱[32]。本研究中土壤TP與含水率呈極顯著正相關關系，青海地處青藏高原東北部，對氣候變化敏感，未來在全球氣候變暖的背景下，土壤水分下降會進一步加劇土壤P限制。因此，在天然林經營與管理中應注重緩解土壤P限制，如P肥的施用。