陕西省眉县猕猴桃园土壤碳氮磷生态化学计量学特征
2017-08-16范拴喜
范拴喜
(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室， 陕西 宝鸡 721013)
陕西省眉县猕猴桃园土壤碳氮磷生态化学计量学特征
范拴喜
(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室， 陕西 宝鸡 721013)
以眉县猕猴桃园土壤为研究对象，对土壤pH值、含水率、有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)的分布及其生态化学计量学特征进行研究。结果表明：研究区域猕猴桃园土壤含水率、pH值、SOC、TN和TP含量均存在显著性差异，分别处于1.12%～3.46%、7.12～8.40、4.22～13.90 g·kg-1、0.77～1.84 g·kg-1和0.73～2.45 g·kg-1之间，均值分别为2.73%、7.83、7.66 g·kg-1、1.20 g·kg-1和1.40 g·kg-1，其表现C、N元素相对匮乏，而P元素相对丰富；其次，不同区域及不同品种园区土壤中C、N和P的生态化学计量学特征均存在显著性差异，C/N、C/P和N/P的变异系数分别为28.30%、35.71%和21.15%，变化范围分别为3.06～11.99、2.68～10.90和0.48～1.41，均值分别为6.57、5.91和0.90，均低于全国平均水平；相关分析表明，在0.05水平上，pH值与C/P呈显著正相关性；在0.01水平上，pH值与TN、pH值与TP、TN与C/N、TN与C/P、TP与C/N、TP与C/P、TP与N/P呈显著的负相关性，pH值与C/N、SOC与C/N、SOC与C/P、TN与TP、C/N与C/P及C/P与N/P呈显著正相关性。
猕猴桃园土壤； C； N； P； 生态化学计量学特征
生态化学计量学是研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是C、N、P)平衡的学科[1]，其本质是元素含量与植物生长之间的化学计量学关系[2]，主要用来指导养分限制、养分循环及土壤与植物相互作用对C、N、P循环的关系[3]。生态系统中C是动植物及微生物干物质的结构性物质，N和P是影响其生长的限制性因子[4]，N、P关键养分的改变会对生态系统碳循环的过程造成影响[5-6]，C/N比和C/P比代表生物吸收营养元素时同化碳的能力，反映了生物对营养元素的利用效率[7]。我国对生态化学计量学的研究起步较晚，但发展速度较快，主要集中在C、N、P的生态化学计量学特征、驱动因素、环境因子的耦合及其在不同系统、群落、物种间的差异等方面，近几年尤以草原、森林和湿地等生态系统为对象来研究植物的根茎叶、凋落物及叶片中的C、N、P的生态计量学特征较为突出，而对土壤中C、N、P的生态计量学特征研究较少。土壤中C、N、P含量的高低及组合状况不仅会受到母岩、地貌、气候、年代、植被、土壤动植物、物理结构、化学性质影响，也会受到人类活动的影响[8-10]，C、N、P之间的比值是土壤中有机碳与其总氮、总磷质量之比，是土壤中碳、氮、磷循环及土壤有机碳质量的重要指标，也是土壤内部C、N、P循环能力和土壤质量状况的重要指标[11]，并对土壤元素矿化或固持有重要的指示作用[12]。开展土壤化学计量学特征研究，对揭示土壤养分的限制情况和C、N、P循环及平衡机制具有重要意义；同时对调控土壤肥力具有一定的指导作用，有助于认识土壤-植物-微生物相互作用的养分调控因素和辨别土壤养分动态平衡的阈值；亦可作为预测有机质分解速度的重要指标；而且通过对土壤C、N、P的化学计量学研究，可预测土壤生态系统中碳氮磷的平衡趋势，对评估区域土壤生态系统的碳汇潜力具有辅助作用[13]。另外，研究土壤碳氮磷化学计量有助于评价生态系统过程中元素循环对全球气候变化的生态响应[14-15]。
眉县是“中国优质猕猴桃之乡”，也是国家级猕猴桃标准化示范区，取得了农业部猕猴桃国家地理标志认证。截止2014年春，全县猕猴桃种植面积已达到1.96万公顷，约占耕地总面积的83.5%，农民户均种植猕猴桃0.24公顷，人均0.063公顷，已成为眉县经济的新亮点和农业发展的支柱产业。本文选取陕西省眉县猕猴桃种植园区为研究对象，对不同区域、不同品种以及不同树龄土壤中C、N、P化学计量学特征进行研究，旨在掌握研究区域土壤C、N、P化学计量学特征、养分情况，并探索C、N、P在不同区域、不同品种以及不同树龄土壤中的协同趋势和响应特征，以及C/N、C/P、N/P与碳储量的联系，为眉县猕猴桃园区土壤科学管理，提高猕猴桃品质和产量提供科学依据，并为化学计量学研究提供一定的参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
眉县隶属陕西省宝鸡市，地处东经107°39′08″～108°00′51″，北纬33°59′080″～34°19′28″，位于陕西省关中平原西部，太白山下，南依秦岭，北临渭水，属黄河中游川塬沟壑区。地形地貌由南向北依次为山区、浅山丘陵区、黄土台塬区、渭北平原区，坡面、台塬、川道、河谷等，地形地貌特征分明。眉县气候差异极其悬殊，既有平原气候和川原气候，还有浅山丘陵气候，更有山地垂直气候带，总体为暖温带大陆性半湿润气候。海拔高度在442～3 767 m之间，年平均气温12.9℃，平均降水609.5 mm，平均相对湿度为7l%，平均日照2 015.2 h，光照热量充足。湿润的气候，充足的水源，温暖的气候是种植猕猴桃的理想场地。全县辖8镇123个行政村，总面积863 km2，其中农耕地2.48万公顷，猕猴桃种植面积已达到1.96万公顷，主要分布在渭河以南的首善镇、金渠镇、横渠镇、汤峪镇、青化乡等7个乡镇，栽培品种主要有徐香、红阳、秦美及海沃德，另外搭配栽培的品种有黄金果、金香、华优、金魁、楚红等。
1.2 土样采集与处理
采样时间为2015年2—4月。采集区域分布眉县猕猴桃主要种植乡镇首善镇、金渠镇、汤峪镇、横渠镇、青化乡，其选取采样点数分别为20、25、25、25、10个，各区域根据栽植品种、面积、树龄综合考虑，选取能代表临近果园状况的园区作为具体的采样点位，每个采样位面积不小于0.3 hm2，采集品种主要为徐香、秦美、红阳，树龄在2、4、6、8 a中选择，根据实际情况对不同品种和不同树龄果园土壤进行分类采集，采集深度为0～20 cm的表层土壤，各果园中按“S”型布点，避开施肥点，在离树干1 m左右的范围采集土样，每个果园以多点采集后混合作为一个样品，现场采用四分法缩至约1 kg后装入自封袋编号带回实验室。首善镇、金渠镇、汤峪镇、横渠镇、青化乡最终采集样品总数分别为97、116、109、112、53个。将采集的土样经自然风干，拣出石子和植物根系，碾碎后研细，使其全部通过100目筛，用“四分法”缩分，约剩余200 g编号装袋，实验待用。
图1 眉县猕猴桃园区土壤采样位置分布示意图
Fig.1 The diagrammatic sketches of soil the sampling location of kiwi fruit orchards in Meixian County
1.3 测定项目与方法
测定项目包括土壤pH值、有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)，其中：土壤含水率和干物质测定依照重量法测定；pH值采用笔式pH计测定；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定；总氮和总磷采用连续流动分析仪(Flowsys Ⅲ)的总氮和总磷模块分别进行测定。
数据分析以及图的制作采用Excel 2003、Origin 7.5及SPSS 20等软件进行。
1.4 主要设备及仪器
连续流动分析仪(厂家：SYSTEA意大利；型号：Flowsys Ⅲ)；控温式远红外消解炉(厂家：STP20；编号：13-020-02-02-675)；笔式pH计(厂家：美国维赛；型号：YSI pH 10)；调速多用振荡器(厂家：常州国华；编号：HY-2)；电子天平(厂家：赛多斯科学仪器有限公司；编号:00000246)。
2 结果与分析
2.1 猕猴桃园土壤含水率、pH值、有机碳、总氮及总磷的变化
由表1可知，眉县各采样乡镇猕猴桃园土壤pH值、SOC、TN及TP的总体情况为：pH值介于7.12～8.40 之间，均值7.83，属于中偏弱碱性土壤，变异系数金渠镇最大(5.44%)，横渠镇最小(2.24%)，总的变异系数为4.60%；有机碳(SOC)介于4.22～13.90 g·kg-1之间，均值7.66 g·kg-1，变异系数汤峪镇最大(25.12%)，青化乡最小(9.00%)，平均变异系数为23.12%；总氮(TN)介于0.77～1.84 g·kg-1之间，均值1.20 g·kg-1，变异系数青化乡最大(23,48%)，横渠镇最小(12.26%)，平均变异系数为19.10%；总磷(TP)介于0.73～2.45 g·kg-1之间，均值1.40 g·kg-1，变异系数金渠镇最大(39.29%)，青化乡最小(15.30%)，平均变异系数为29.94%。变异系数是用于衡量一组观测数据离散程度大小，即衡量观测值的变异程度的一个统计量，变异系数越大，说明观测指标具有较大的空间异质性，本研究显示眉县猕猴桃园土壤相应观测指标的整体空间变异性情况为TP>SOC>TN>pH，总磷含量在水平空间上的变异较大，其次是有机碳，再是总氮，而pH值最小，对于同一指标，除青化乡SOC差异变异程度较小外，其余各乡镇之间有所差异，但差异性较小。
表1 眉县猕猴桃园土样pH值、有机碳、总氮及总磷统计学特征
2.2 猕猴桃园土壤碳氮磷生态化学计量学分布特征
由表2可知眉县各研究乡镇猕猴桃园土壤生态化学计量学整体分布情况为：C/N变化范围为3.06～11.99，均值为6.57，各乡镇变异系数介于24.81%～43.41%之间，横渠镇最大，平均变异值为28.30%；C/P变化范围为2.68～10.90，均值为5.91，各乡镇变异系数介于16.98%～41.57%，最大为金渠镇，平均为35.71%；N/P变化范围为0.48～1.41，均值为0.90，变异系数介于11.48%～23.36%，最大为金渠镇，平均为21.15%，由此可见：C/N、C/P和N/P各指标之间表现出较大的空间变化，其整体变化趋势为：C/P>C/N>N/P；C/N、C/P和N/P同一指标内部各乡镇也存在差异，但差异较小。
2.3 猕猴桃园土壤各目标因子间的相关性
对猕猴桃园土壤有机碳、全氮、全磷及其生态化学计量比的相关性分析，结果见表3。
表2 猕猴桃园土壤碳氮磷生态化学计量学分布特征
表3 猕猴桃园土壤各肥力指标之间的相关性
注：*在0.05水平上显著相关,**在0.01水平上显著相关;TN—总氮，TP—总磷。
Note：* were significantly correlated at 0.05 level, ** were significantly correlated at 0.01 level; TN—total N, TP—total P.
由表3得出：pH值与C/P在0.05水平上具有显著的正相关性；pH值与TN、pH值与TP、TN与C/N、TN与C/P、TP与C/N、TP与C/P、TP与N/P在0.01水平上具有显著的负相关性；pH值与C/N、SOC与C/N、SOC与C/P、TN与TP、C/N与C/P及C/P与N/P在0.01水平上具有显著的正相关性。
3 讨 论
通过对眉县猕猴桃园0～20 cm土壤pH值、SOC、TN、TP、C/N、C/P及N/P等研究，其结果显示：眉县猕猴桃园土壤为中偏弱碱性土壤。该研究区域内土壤C、N、P平均含量(有机碳平均含量为7.66 g·kg-1，总氮为1.20 g·kg-1，总磷为1.40 g·kg-1)与全国土壤C、N、P平均含量(全国土壤C、N、P平均含量[16]分别为19.33、1.61、0.75 g·kg-1)相比，C、N含量明显低于全国水平，P含量高于全国水平，说明研究区域土壤C、N元素相对匮乏，而P元素相对丰富。C、N、P各指标之间和同一指标各乡镇之间其变异系数存在较大的差异和波动，这是缘于土壤中碳素、氮素和磷的总量受土壤母岩、地质、地貌、气候、植被、土壤动植物等成土因子和物理结构、化学性质以及种植户的管理措施、耕作方式、施肥种类及量等影响因素所导致，C、N、P总量空间变异性较大，其导致了C/N、C/P、N/P的空间变异性较大。
本研究所得眉县猕猴桃园土壤C/N的平均值为6.57，低于全球土壤C/N(全球C/N平均值为13.33[17])，也低于中国土壤C/N平均值(中国土壤C/N在10～12之间，平均值为11.9[18-20])。在土壤中，其C/N与土壤有效N的关系为：当C/N>30，同化固N量>矿化释N量，其差值即为土壤有效N的固定量；当15
土壤C/P是土壤磷素矿化能力的标志[25]，本研究中眉县猕猴桃园土壤C/P平均值为5.91，已有研究表明，微生物量C/P一般在7～30之间变化，故本研究区域土壤C/P较低。C/P高低会对植物的生长发育有重要影响，C/P小则说明微生物在矿化土壤有机物中释放磷的潜力较大，磷的有效性较高，其利于微生物在有机质分解和矿化过程中养分的释放，促进土壤中有效磷的增加，故C/P低是磷有效性高的一个指标；反之，C/P较高，会使土壤微生物在分解有机质的过程中受到磷的限制，有利于土壤有机碳库的积累，但会使土壤微生物与植物存在对无机磷的竞争，不利于植物的生长[26]。本研究中C/P低，表明了研究区域中土壤中磷的有效性较高，有利于其上植物的生长，但不利于土壤有机碳库的积累。
土壤中的N和P是限制植物生长的重要元素，也是植物赖以生存的物质基础和环境条件。土壤N/P的变化可能影响植物体内N/P的变化，N和P是最重要的陆地生态系统植被限制性元素，土壤N/P的变化是植物体N/P变化的基础，土壤N/P可作为养分限制类型的有效指标[27]。土壤中N/P的变化也会影响菌根共生体的固氮量和非菌根共生体，在陆地生态系统中，生物固氮量与土壤中N/P呈反比关系。本研究中眉县猕猴桃园土壤N/P平均值为0.90，低于全国平均值2.15[28]，有利于土壤中微生物的固氮作用。
本研究中，C/P、N/P值低于全国水平，一方面是因为研究区土壤P含量较为丰富，另一方面由于落叶较少、土壤微生物的分解作用低、施肥及管理方式不当等原因造成土壤中C、N含量相对偏低，故致使C/P、N/P的值偏低。
4 结 论
1) 眉县猕猴桃园耕层土壤pH均值为7.83，属中偏弱碱性土壤，平均含水率2.73%，有机碳、总N、总P平均含量分别为：7.66、1.20、1.40 g·kg-1，其中 C、N含量低于全国水平，而P含量高于全国水平，即C、N元素相对匮乏，而P元素相对丰富。
2) 眉县猕猴桃园耕层土壤生态化学计量学C/N、C/P、N/P比的平均值分别为：6.57、5.91、0.90，其值均低于全国平均值。生态化学计量学C/N、C/P及N/P的变异系数分别为28.30%、35.71%和21.15%，表现出较大的空间变化，其变化趋势为：C/P>C/N>N/P。
3) 相关性分析结果表明：pH值与C/P在0.05水平上具有显著的正相关性；pH值与TN、pH值与TP、TN与C/N、TN与C/P、TP与C/N、TP与C/P、TP与N/P在0.01水平上具有显著的负相关性；pH值与C/N、SOC与C/N、SOC与C/P、TN与TP、C/N与C/P及C/P与N/P在0.01水平上具有显著的正相关性。
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Ecological stoichiometry of soil carboin, nitrogen and phosphorus within kiwi fruit orchards of Meixian County in Shaanxi
FAN Shuan-xi
(ShaanxiKeyLaboratoryofDisasterMonitoringandMechanismSimulation,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji,Shaanxi721013,China)
The objective of this study was to investigate the soil ecological stoichiometric characteristics of kiwi fruit orchards of Meixian County. The soil at different territories and kiwi fruit cultivars were selected to investigate the distribution patterns of moisture content, pH, soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN) and total phosphorous (TP), and to examine the ecological stoichiometric characteristics of C, N and P within the soil. The results showed that the moisture content, pH, SOC, TN and TP varied in different territories and different kiwi fruit cultivars, with ranges of 1.12%～3.46%, 7.12～8.40, 4.22～13.90 g·kg-1, 0.77～1.84 g·kg-1and 0.73～2.45 g·kg-1, respectively. And the mean were 2.73%, 7.83, 7.66 g·kg-1, 1.20 g·kg-1and 1.40 g·kg-1, respectively, indicating that the elements of N and C were relatively scarce, and P was relatively rich. The soil ecological stoichiometric characteristics were significant difference in kiwi fruit orchards of Meixian County. The coefficients of variation of C/N, C/P and N/P were 28.30%, 35.71% and 21.15%, respectively, which were in the range of 3.06～11.99, 2.68～10.90 and 0.48～1.41, respectively. The mean of variation coefficients were 6.57, 5.91 and 0.90，respectively, all being below the national average. The correlation analyses revealed that the pH had highly significant positive correlation with C/P at 0.05 level; pH and TN, pH and TP, TN and C/N, TN and C/P, TP and C/N, TP and C/P, TP and N/P were all highly significant negative correlation at 0.01 level; pH and C/N, SOC and C/N, SOC and C/P, TN and TP, C/N and C/P, C/P and N/P were all highly significant positive correlation.
soil of kiwi fruit orchards; C; N; P; ecological stoichiometric characteristics
1000-7601(2017)04-0033-06
10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.06
2016-06-20
陕西省教育厅自然科学项目(16JK1042)；陕西省地理学重点学科资助
范拴喜(1981—)，男，陕西陇县人，硕士，副教授，主要从事环境分析与评价研究。E-mail: fanshuanxi123@sina.com。
S153.6+1
A
