退耕地植被演替过程对土壤化学计量特征的影响

由 政， 张 鹏， 薛 萐,3， 王国梁,3*， 姚 旭

(1. 西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100；2. 西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100； 3. 中国科学院水利部水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100)

黄土高原丘陵区降水稀少、气候干旱，是我国生态脆弱区之一。自20世纪80年代以来，黄土高原地区开展了一系列退耕还林还草工程[1]。为了探究退耕地群落演替机理，开展了大量关于群落植物组织生态化学计量学特征研究[2-5]，但是对土壤养分研究相对较少[6]。本文通过研究陕北黄土丘陵区退耕地植被演替过程和土壤养分的变化关系，探讨植被与土壤养分之间的生态效应，为恢复植被、保持土壤肥力、提高退耕还林还草工程效益提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究样地位于陕北黄土高原丘陵沟壑区安塞县和志丹县内沿河湾流域，地处黄土高原中部(108°38'～110°29' E， 36°21'～37°19' N)，海拔1 068～1 309 m，年均日照时数2 300～2 570 h，属暖温带半干旱季风气候，年平均温度为9.2°C，平均无霜期142天，年平均降雨量500 mm。

1.2 研究方法

本文主要通过空间代替时间的方法来研究植被演替过程与相应的土壤养分变化。在查阅资料或调查农户的基础上，根据研究区植被自然恢复的群落类型及数量分布，选取的恢复时间序列大体为：坡耕地、退耕2年、5年、7年、10年、15年、20年、30年、35年以及50年草地。每个时间段选择3个样地，每个样地随机选取3个1 m×1 m的样方。调查每个样方的植物种类，及其高度、盖度、频度、生物量、物候期，样地描述包括地理位置、海拔、坡度、坡位、地形、土壤类型等。用内径3.5 cm的土钻分层采集土壤样品，取样深度分0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm共5层；每个样方随机选取3点，分层混合。土样带回实验室后去除植物残体、根系和可见的土壤动物，自然风干，研磨过100目筛后测定土壤有机碳、全氮、全磷含量，结果均以干重计。

1.3 物种多样性计算

选取Margalef丰富度指数(Ma)、Shannon-Wiener指数(H)衡量植物群落物种多样性特征和Pielou均匀度指数(Jsw)衡量植物群落物种的分布均匀程度。不同撂荒阶段群落的多样性指数按对应样地内各样方的多样性指数平均值计。其中：

Ma=(s-1)/lnN

Jsw=(-∑PilnPi)/lnS

式中Pi为种i的相对重要值；S为样方内的物种数目；N为样方内所有物种的个体总数。

1.4 数据分析

利用SPSS 19.0对测定数据进行分析统计并用Excel 2013进行作图。

2 结果分析

2.1 退耕地植被演替过程中群落特征变化

表1表明，Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度在退耕2～5年时变化平稳，在7年后左右增加显著，并在15年左右到达峰值，而后呈下降趋势，至30年后趋于稳定。生物量随演替阶段先降低后升高，退耕7年时最低，在30年后趋于稳定。

表1 黄土丘陵区不同退耕年限群落物种多样性指数Table 1 Species diversity index of plant community at different succession stages of abandoned croplands in loess hilly region

2.2 退耕地植被演替过程中土壤化学计量特征的变化

随着退耕年限的增加，土壤各层有机碳、全氮以及全磷表现出不同的规律(图1)。在整个退耕地土壤演变过程中，有机碳含量在退耕2年和7年时最低，50年最高，从弃耕2年到10年的过程中，土壤各层有机碳含量变化不明显，10年后开始增长。总体来看，各层土壤有机碳都随退耕年限的增加呈现逐渐上升趋势。

土壤全氮的变化趋势与有机碳相对一致，随着退耕时间的增加，土壤各层全氮含量呈现增长趋势。在15年之前，各层土壤全氮含量变化平缓，之后增加明显。

随着退耕过程的进行，各层土壤全磷含量变化较小，整体上表现出先下降后增长的变化趋势，在7-10年间出现最低值。

图1 不同撂荒年限下土壤各层养分变化
Fig.1 The changes of nutrients in different soil layers on abandoned times

图2表明，不同退耕年限各层土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比变化规律有所差异。土壤撂荒过程中不同深度土壤的碳氮比、碳磷比和氮磷比呈现出上升的趋势。土壤碳氮比在不同撂荒年限波动明显，各层之间差别并不明显。碳磷比和氮磷比的变化规律与土壤有机碳和全氮相似；随深度的增加而降低。0～100 cm土壤的碳氮比、碳磷比和氮磷比呈现出上升的趋势，其中撂荒35 a的土壤碳磷比和氮磷比显著高于之前所有年限，而低于50 a时期。

2.3 撂荒阶段植被多样性指标与土壤养分及其化学计量的相关性分析

对植被多样性指标与土壤养分及其化学计量进行相关分析，发现仅地上生物量与磷含量显著相关，其他指标之间相关性不显著(表3)。

图2 不同退耕年限各层土壤化学计量变化特征
Fig.2 Variation characteristics of stoichiometry in different soil layers on abandoned times

表3撂荒阶段植被多样性指标与土壤养分及其化学计量比的相关性
Table 3 The correlation between vegetation diversity index and soil nutrient and stoichiometry at different succession stages in loess hilly region

多样性指标Diversity index有机碳Organic carbon全氮Total nitrogen全磷Total phosphorus碳氮比C/N ratio碳磷比C/P ratio氮磷比N/P ratioMa-0.147-0.203-0.2550.173-0.092-0.091H-0.204-0.217-0.2940.034-0.143-0.096Jsw-0.249-0.198-0.376-0.103-0.171-0.046生物量Biomass0.5500.4260.705*0.5040.4270.174

注： * 表示显著相关(P<0.05)

Note: * indicates significant correlation at the 0.05 level

3 讨论与结论

黄土退耕地演替依次经历了先锋植物茵陈蒿、阿尔泰狗娃花，中期的铁杆蒿群落和后期地带性植被白羊草群落。地上生物量在演替7年左右最低，而后增长至稳定。群落多样性指数在演替15年时到达峰值，而后降低至稳定。退耕初期土壤肥力能够满足先锋植物生长需要，传播能力强的杂草迅速占据整个群落，植物之间竞争较小，生长旺盛，生物量较高。之后植被向一年生草本演替，杂草陆续失去优势地位，群落的物种分布散乱，因此2年与5年的生物多样性指标差别不大。演替5年后一年生草本群落形成，同时多年生草本物种数开始增加，物种多样性指数呈增长趋势，此阶段植被生物量较低。在演替15年时物种丰富，物种多样性指数达到峰值。随着演替进行，物种间的竞争使一些物种退出群落，优势种少且集中，之后各项多样性指数逐渐降低并在退耕30年后达到稳定状态。

随着演替年限的增加，土壤有机碳、全氮、全磷、碳氮比、碳磷比及氮磷比均呈增长趋势；在垂直剖面上，土壤有机碳、全氮、碳氮比及碳磷比随土壤深度的增加而减小。随着演替的进行，土壤表层有机碳与全氮含量变化较为明显，这与郝文芳[7]的研究结果一致。土壤养分除受土壤母质的影响外，还受枯落物的分解以及植物吸收利用的影响，导致养分首先在土壤表层密集，然后再随水或者其他介质向下层迁移扩散，同时研究区域内植被类型为草地，深层土壤根系难以企及，因而存在着空间变异性。磷主要受土壤母质的影响，变异性并不像土壤碳、氮明显，但是土壤磷素变化还受植物吸收以及微生物固定等影响，同时本研究中，浅层土壤全磷随退耕年限的增长速度高于深层，这在一定程度反映了土壤磷元素表层富集的特点。

与土壤有机碳和全氮相比，土壤碳氮比相对稳定，这验证了不同生态系统土壤碳氮比相对稳定的结果，同时也符合化学计量学的基本原则，即有机物质的形成需要一定数量的氮和其他营养成分与其相应的相对固定比率的碳。在本研究中，不同土层碳氮比差异较小，这与王维奇[8]和朱秋莲[9]等的研究结果相一致，主要是因为碳氮元素对环境变化的响应较为同步，同时作为结构性成分，其积累和消耗过程存在相对固定的比值。不同土层间的碳磷比和氮磷比差异显著，这是因为土壤中全磷含量相对稳定，碳磷比和氮磷比主要受土壤有机碳或者全氮含量的影响，因而呈现较大的差异性。

随着演替进行,植被多样性指数与土壤养分之间相关性较弱，原因可能是植被类型仍为草地，土壤碳、氮等养分含量随着植被条件的改善逐渐增加，而群落特征经过峰值后趋于稳定，植被演替仍缓慢进行中，故其相关性并不明显。这也说明土壤养分条件及其化学计量比和植被恢复演替的关系较为复杂，仍需进一步研究。