荒漠綠洲區土壤生態化學計量特征及驅動因素

劉靖宇,尹 芳,劉 磊,蔣 磊,郭 帥(.長安大學地球科學與資源學院,陜西 西安 70054；.中國地質調查局烏魯木齊自然資源綜合調查中心,新疆 烏魯木齊 830057；3.長安大學土地工程學院,陜西 西安 70054)

土壤是陸地生態系統最大的營養庫,是地表生物主要的物質來源,更是人類賴以生存和發展的基礎[1].生態化學計量學是研究生態交互作用和過程中多種化學元素及生物系統能量平衡的科學,是一門綜合生態學、生物學、化學等多學科基本原理,研究生態系統能量、元素平衡(主要為C、N、P 元素)的學科[2],其中C 是構成有機物骨架的基礎,N、P 是酶、遺傳物質和細胞結構的基本組成部分,是評價土壤質量和植被狀況的重要指標,也被認為是評價生態系統結構和功能的重要手段.近年來,隨著對生態化學計量學的研究不斷發展,研究對象也由單一目標向大氣植物水凋落物土壤微生物等全生態鏈條拓展,極大的促進了人類對于生態系統元素動態平衡的認識[3].土地利用方式是指人類為了一定目的,對土地進行使用、保護和改造的活動,不同的土地利用方式會影響土壤生態環境狀況[4].深度剖析土地利用方式與土壤生態化學計量特征的內在聯系,可以為合理配置土壤資源、消除土壤低產和提高土壤肥力等級等提供科學依據.

近年來,國內外學者就不同土地利用方式對土壤理化性質的影響進行了一系列的研究,并取得了一定進展.在亞熱帶丘陵區以及Pampas 地區的研究認為,土地利用方式對區域土壤養分質量以及生態化學計量特征的影響較小[5-6];而在晉西黃土區、高寒山區以及沙地系統的研究發現,土地利用方式對土壤生態化學計量特征影響明顯,其中林地、草地的土壤養分狀況要好于農田[7-11].但是目前針對荒漠綠洲區,特別是針對塔里木盆地相關領域的研究較少,僅局限于天山南坡的渭庫綠洲[12-13],對土壤理化性質在垂向上的變化研究仍存在不足,需要進一步加強研究.

南疆地處西北荒漠干旱區,是世界上自然條件最惡劣的地區之一,但同時也是我國重要的生態功能區和資源潛力區,承擔著西北地區生態安全屏障和國家戰略性能源資源保障的重要使命.近年來,受全球氣候變暖的影響,中低緯度干旱區降雨量明顯降低[14],地區生態環境面臨嚴峻挑戰.基于此,本文以塔里木盆地東北緣的農二師塔里木墾區為研究對象,共布設土壤采樣點645 個,采集土壤樣品3870 件,分析TN、SOC、TC、TK、TP 和pH 值等6 項土壤化學指標,解析以上指標在耕地、園地、林地和裸地中及不同土壤深度的分布特征;并從塔里木河流域土壤質地數據庫中提取土壤容重、飽和度、堆積密度、電導率、黏土含量和孔隙度等6 項土壤物理性質指標,探討不同土壤理化性質、不同土地利用方式對區內w(C):w(N)、w(C):w(P)、w(N):w(P)等土壤生態化學計量特征的影響,以期為典型荒漠綠洲區植被恢復與養分配置提供參考依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處亞歐內陸腹地(圖1),塔里木盆地東北緣,塔里木河和孔雀河下游,涉及行政區域包括新疆生產建設兵團農二師31、32、33 團,地理坐標為86°86′～87°35′N,40°59′～40°98′E,面積約 864.60hm2,呈條帶狀分布.研究區屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候,地勢西北高東南低,整體較為平坦.受塔克拉瑪干沙漠的影響,地表蒸發強烈,年平均溫度為12.6℃,年平均降水量為 52.4mm.植被以胡楊(Populus euphratica)、檉柳(Tamarix ramosissima)、甘草(Glycyrrhiza inflate)和蘆葦(Phragmites australis)為主,灌耕棕漠土、沼澤土、鹽漬土等是研究區的主要土壤類型.耕地、林地、園地、裸地和建設用地等為區內主要土地利用方式,棉花、蘋果、香梨等是當地重要產業.

圖1 研究區位置和采樣點位置Fig.1 Location plots of the study area and sampling sites

1.2 樣品采集與分析

綜合考慮研究區土地利用方式,在研究區布設采樣點645 個,其中耕地樣點170 個,裸地樣點181 個,林地樣點249 個,園地樣點45 個.2020年5～8月,在0～180cm深度范圍內,以30cm的均等間隔,分6個層位共采集土壤樣品3870 件,樣品采集以地球化學樣品采集方法為依據[15].樣品運輸至實驗室后風干,過20目篩去除雜質,留取300g 裝入潔凈的樣品袋內待測.

測定實驗在新疆有色地質勘查局分析測試中心進行,標準參照地球化學樣品分析測試方法[16].測定項目為:TN、TC、TP、TK、SOC、pH 值.其中SOC使用總鉻酸鉀容量法測定;TC 使用燃燒紅外吸收光譜法;TN 使用凱氏定氮法測定;TP、TK 使用X 射線熒光光譜法測定;pH 值使用離子電極法測定.

1.3 數據處理

利用Excel 2020 對原始數據進行預處理,采用SPSS 24.0 和Origin 2018 分別對數據進行Pearson相關性檢驗、ANOVO 方差分析和相應圖表繪制,并利用Duncan 法對分析結果進行多重比較.同時使用Canoco 5.0 對土壤理化性質與生態化學計量特征進行冗余分析.

2 結果與分析

2.1 表層土壤的化學性質

由表1 可知,研究區總體TC、SOC、TK、TN、TP 元素的含量均值分別為 25466.43,4658.14,22437.84,438.20,572.12mg/kg;pH 值的均值為8.59.按照第二次全國土壤普查土壤養分分級標準,其中TN元素含量均值達到了六級水平(<500mg/kg),最大值為三級水平(1000～1500mg/kg),反映了研究區的氮元素處于缺乏狀態;SOC 元素均值處于五級水平(3480～5800mg/kg),最大值處于二級水平(17401～23202mg/kg),說明區內部分土地處于碳缺乏狀態.TP元素的含量均值處于四級水平(400～600mg/kg),最大值處于一級水平(>1000mg/kg),整體含量符合正常水平;TK 元素的含量均值處于二級水平(20000～25000mg/kg),最大值處于一級水平(>25000mg/kg),整體含量豐富.原因可能是研究區土壤主要以風成沙為其成土母質,土壤顆粒是以石英、長石等原生礦物組成的粉沙粒為主,質地粗且松散,不利于TN、SOC 等的積累.除pH 值的變異系數小于0.1,TC、SOC、TK、TN、TP 元素的變異系數均介于0.1～1 之間,處于中等變異水平,表明各元素在空間上分布不均勻,與地理空間位置存在一定的關聯性.

表1 研究區土壤化學性質統計特征Table 1 Statistical characteristics of the soil chemical properties in the study area

土壤是時空連續體,受多種成土因素的共同控制,成土因素的變化易導致土壤理化性質發生改變,致使其空間分布非均一[17].由圖2 可知,TC、SOC、TK、TN、TP等5 種元素具有較為一致的空間分布規律,含量高值區主要集中于研究區東南部;相反,pH 值則呈現“西北高、東南低”的分布格局,與其他元素的空間分布格局表現出一定的負相關關系.結合表1 可知,TC、SOC、TK、TN、TP 等元素含量高值區主要分布于耕地土壤中,其次為林地,在裸地中相關元素的含量最低.原因可能是在農作物種植過程中肥料大量使用或其他人為活動導致;同時受土壤高鹽度的影響,作物生長受限,影響了部分養分元素的遷移聚集,這與前人研究結論相一致[18].

圖2 不同土地利用類型土壤化學性質的空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil chemical properties in different land use practices

圖3 不同土地利用方式不同土壤深度的土壤化學性質差異Fig.3 Map of differences in soil chemical properties at various depths for different land use practices

2.2 不同深度、不同土地利用方式土壤的化學性質

不同土地利用類型不同土壤深度的土壤化學性質差異見圖 3.不同土地利用類型中,TC、SOC、TN、TP 等4 種元素含量均表現出隨土層深度的增加而減少,其中SOC 在不同土壤深度的變化幅度最大(1596.81～5354.77mg/kg),變幅達70.18%;TC 在不同土壤深度的變化幅度最小(25121.12～26317.71mg/ kg),變幅僅為 4.54%.且表層(0～30cm)土壤元素含量顯著高于其他層位元素含量均值,具有明顯的“表聚效應”;TK 元素在不同土壤深度含量變化不明顯,保持相對穩定的狀態;pH 值則表現為隨土層深度的增加而增加,變幅為5.16%.

不同土地利用方式下TC、TN、TP、SOC 和pH 值的差異性較顯著(P<0.5),說明土地利用方式對土壤的化學性質具有一定影響.不同土地利用方式中,土壤TC、SOC、TP 和TN 含量均值表現較一致,表現為耕地中含量最高,裸地中含量最低,大小順序依次為耕地>園地>林地>裸地.土壤pH 值整體在林地中最大、耕地中最小,大小順序依次為林地>裸地>園地>耕地.不同土地利用方式中TK 的差異性不顯著(P>0.5),僅在土壤表層(0～30cm)含量大小依次為園地>耕地>林地>裸地,其他層位TK 含量大小相近.

2.3 不同土地利用方式的土壤生態化學計量特征

土地利用方式對土壤生態化學計量特征具有顯著影響(圖4),不同土地利用方式中土壤w(C):w(N)均值分別為:裸地(114.61)、園地(113.96)、林地(113.08)、耕地(103.32);w(C):w(P)均值分別為:園地(47.91)、林地(46.52)、裸地(46.36)、耕地(45.89);耕地w(C):w(N)、w(C):w(P)與其他3 種地類間差異性較明顯,原因可能與人類耕作活動較頻繁有關.不同土地利用方式w(N):w(P)均值分別為:園地(0.54)、耕地(0.53)、裸地(0.48)、林地(0.47),由于土壤中氮、磷元素循環相互耦合,且影響機制相似,因此不同土地利用類型中土壤w(N):w(P)差異性不顯著.

圖4 不同土地利用方式不同土壤深度的土壤生態化學計量比差異Fig.4 Differences in soil ecological stoichiometric ratios across various land uses and depths

不同土壤深度上,w(C):w(N)均呈現隨土層深度的增加逐漸增加的趨勢,w(N):w(P)呈現隨土層深度的增加逐漸減少的趨勢,w(C):w(P)沒有表現出明顯的變化規律(圖4).

不同土地利用類型 0～180cm 土壤中 w(C):w(N)、w(C):w(P)及w(N):w(P)變化范圍分別為:耕地w(C):w(N)為60.09～116.16,w(C):w(P)為41.61～48.87,w(N):w(P)為 0.46～0.76;林地 w(C):w(N)為 75.41～137.73,w(C):w(P)為45.49～46.77,w(N):w(P)為0.37～0.71;園地w(C):w(N)為64.58～128.96,w(C):w(P)為47.23～49.47,w(N):w(P)為0.44～0.87;裸地w(C):w(N)為69.85～145.44,w(C):w(P)為44.97～47.12,w(N):w(P)為0.34～0.79.需要注意的是,w(C):w(N)、w(N):w(P)在0～30cm 到30～60cm 土層變化幅度遠大于其他土層變化幅度.

2.4 土壤理化性質對土壤生態化學計量特征的影響

為研究土壤物理性質對土壤生態化學計量特征的影響,本文選擇土壤容重、飽和度、堆積密度、電導率、黏土含量和孔隙度等6 項土壤物理性質指標進行分析.以上數據來源于國家冰川凍土沙漠科學數據中心(www.ncdc.ac.cn)提供的塔里木河流域HWSD 土壤質地數據集[19],利用ArcGIS 10.2 的空間分析工具提取土壤表層各采樣點屬性值.

由圖5 可知,土壤飽和度與TC、TP 含量呈正相關關系、與w(C):w(P)呈負相關關系;容重、電導率、堆積密度與w(C):w(N)值呈正相關關系;黏土含量、孔隙度與w(C):w(N)值呈顯著負相關關系;堆積密度、電導率與w(N):w(P)值呈負相關關系;TN、SOC、TC、TK 和TP 與w(C):w(N)值呈顯著負相關關系,pH值與w(C):w(N)值呈顯著正相關關系.TC 與w(C):w(P)值呈顯著正相關關系,TP 與w(C):w(P)值呈顯著負相關關系.TN、SOC、TC、TK、TP 與w(N):w(P)值呈顯著正相關關系,pH 值與w(N):w(P)值呈顯著負相關關系.

圖5 土壤理化性質與生態化學計量比的相關性Fig.5 Correlation between soil physicochemical properties and ecological stoichiometric ratios

通過冗余分析,生態化學計量特征累計方差解釋量為91.66%,其中在第Ⅰ、Ⅱ排序軸的方差解釋量分別為59.96%和31.70%(圖6).同時,對第Ⅰ軸(F=58.20、P=0.002)和所有軸(F=62.1、P=0.002)進行置換檢驗的P 值均小于0.01,說明排序結果可靠可信.根據圖6 中夾角和箭頭的大小顯示,w(C):w(N)值與土壤電導率、飽和度、黏粒含量、pH 值、Corg、TC 含量成正比,其中pH 值的解釋量較高.w(C):w(P)值與土壤孔隙度、黏粒含量、飽和度、TC、TN、Corg 含量成正比,其中TC 含量的解釋量最高.w(N):w(P)值與土壤容重、孔隙度、堆積密度、黏粒含量、TN 和TK 含量成正比,其中TN 含量的解釋量較高.

圖6 土壤理化性質與生態化學計量比冗余分析Fig.6 Redundancy analysis of soil physicochemical properties and ecological stoichiometry ratio

蒙特卡洛(Monte Carlo)檢驗進一步證實,不同理化性質對土壤生態化學計量特征影響的重要性不同(表2).其中TN 對土壤生態化學計量特征的重要性最高,解釋量為53.5%;Corg、TC、pH 值、TK、TP、孔隙度、容重、黏粒含量、電導率、飽和度和堆積密度的重要性依次降低,解釋量分別為32.9%,25.4%,24.8%,23.7%,11.8%,11.7%,9.8%,8.7%,3.5%,1.9%和1.1%.

表2 土壤理化性質對生態化學計量特征重要性排序Table 2 Ranking the importance of soil physicochemical properties for ecological stoichiometric characterization

3 討論

3.1 土地利用方式對土壤化學性質的影響

土壤化學性質受地表植被、成土母質、氣候和地形的綜合影響[20-21].光照、溫度、水分等環境因素影響著酶的活性[22],耕作方式、土地利用方式等影響枯落物分解的速率,導致了土壤化學性質的差異.耕地土壤中TC、TN、TK 和TP 含量比其他土地利用方式高,原因可能是為保證農作物正常生長,施用肥料導致[23].但是,與全國土壤背景值[24]相比,研究區TC、TN 和TK 元素的含量仍處于缺乏狀態[25].主要原因是作物吸收土壤養分后被收割,相關養分元素無法返回土壤生態系統再次參與循環.同時,土壤pH值對植物的生長和養分利用具有重要影響[26],區內土壤pH 值在7.47～9.84 之間,平均值為8.59,以強堿性為主,符合研究區土壤鹽漬化程度較高的實際情況[27].

土壤TN、TC、SOC、TP 元素呈現“表聚現象”[28],隨土壤深度的增加,含量遞減.原因可能有兩個方面:一方面是枯落物、有機碎屑和根系分泌物[29]等多在地表集聚,研究區降水少,淋溶作用弱,元素垂向運移受限.另一方面是施用有機肥等其他農業措施.隨土壤深度的增加,pH 值遞增,原因可能是土壤深部有機質匱乏,微生物活動弱,分解酸性物質的能力下降,加之區內鹽堿化程度較高,導致了深層土壤的堿性升高[30].土壤TK、TP 元素則變化規律不明顯.由于研究區地處干旱區,植物根系向下延伸深度較大,對鉀元素的吸附較強,使得鉀元素在深層土壤中富集[31],表現在剖面上分布較均勻.TP 元素主要來源于礦物質長期風化和成土過程中[32],具有沉積型循環的特征,在整個土壤中分布較穩定.

3.2 土地利用方式對土壤生態化學計量特征的影響

土壤生態化學計量特征受成土作用、水熱條件和人為活動等多種因素綜合影響[33].其中w(C):w(N)是體現土壤質量的敏感指標,其大小與土壤有機質的分解速率呈反比,反映了微生物利用土壤有機質的有效性,區內土壤的w(C):w(N)值均高于全國平均值(10～12)[34],表明區內土壤有機質的礦化過程較慢,這可能與干旱區的氣候環境有關[35].

w(C):w(P)是表征土壤中磷礦化能力的重要指標,反映了土壤微生物對磷元素的代謝趨勢,區內土壤的w(C):w(P)值低于全國平均值(52.7)[36],說明土壤微生物對于磷元素的利用效率較低.其中,耕地土壤的w(C):w(P)值要大于林地、園地的w(C):w(P)值,可能與耕地的肥料使用有關.

土壤氮磷是植物生長的必需元素,是生態系統的限制性元素.w(N):w(P)是表征土壤氮、磷可利用性水平的重要指標,反映土壤中氮和磷對植被生長的限制作用.研究區的w(N):w(P)值低于全國平均值(3.9)[37],說明存在氮限制的影響,加之TN含量低于全國土壤背景值,表明氮缺乏是影響區域植被生長的主控因素之一,這與馬偉棟等[38]研究相一致.

研究發現,隨土壤深度的增加,w(C):w(N)值遞增,雖然碳與氮元素隨土壤深度增加也減少,但碳元素的遞減速率遠小于氮元素[39],導致了深層土壤w(C):w(N)值較表層要高.隨土壤深度的增加,w(N):w(P)值遞減,原因可能是磷主要來源于巖石風化,磷含量在地層中保持相對穩定,而氮元素主要輸入來源是有機碎屑腐解和大氣沉降,導致表層含量較深層要高,因此w(N):w(P)值隨土壤深度增加遞減,這與吳雨晴等[40]的研究結果相一致.然而,不同土壤深度w(C):w(P)均無顯著差異,表明人為干擾(施肥和灌溉)影響了土壤中養分轉化和平衡關系[41],致使垂向上碳、磷元素變化差異不明顯.

4 結論

4.1 研究區TC、SOC、TK、TN、TP 等5 種養分元素的空間差異性較大,但各元素含量高值區均主要集中于研究區東南部;pH 值空間分布則呈現“西北高、東南低”的格局,與其他元素的空間分布格局表現出負相關關系.研究區土壤中TN、SOC 含量處于缺乏狀態,是限制區內農業發展的重要因素之一.

4.2 不同深度土壤中,TC、SOC、TN、TP 等4 種元素含量表現為隨土層深度的增加而減少;pH 值隨土層深度的增加而增加;TK 元素含量在不同土壤深度變化不明顯.不同土地利用方式中,TC、SOC、TP 和TN 含量大小順序基本一致,耕地中含量最高,裸地中含量最低.土壤pH 值在林地中最大、耕地中最小,TK 含量在不同土地利用方式中的差異性不顯著.

4.3 w(C):w(N)呈現隨土層深度的增加逐漸增加的趨勢,w(N):w(P)呈現隨土層深度的增加逐漸減少的趨勢,w(C):w(P)未呈現出明顯的變化規律.對于不同土地利用方式,w(C):w(N)表現為裸地>園地>林地>耕地,w(C):w(P)為園地>林地>裸地>耕地,w(N):w(P)為園地>耕地>裸地>林地.

4.4 相關性和冗余分析結果顯示,容重、電導率、堆積密度、pH 與w(C):w(N)值呈正相關關系,TN、SOC、TC、TK 和TP 元素與w(C):w(P)值呈負相關關系;TC 元素與w(C):w(P)值呈顯著正相關關系,土壤飽和度、TP 與 w(C):w(P)值呈顯著負相關關系;TN、SOC、TC、TK、TP 元素與w(N):w(P)值呈顯著正相關關系,黏土含量、孔隙度、堆積密度、電導率、pH 值與w(N):w(P)值呈顯著負相關關系.生態化學計量特征累計方差解釋量為91.66%,其中在第Ⅰ、Ⅱ排序軸的方差解釋量分別為59.96%和31.70%,其中TN 對土壤生態化學計量特征的重要性最高,解釋量為53.5%.