黄土高原南北样带刺槐林土壤碳、氮、磷生态化学计量特征

李佳佳,樊妙春,上官周平,*

1 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100 2 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100

生态化学计量学贯穿生态系统各个层次[1],交叉融合多学科[2],广泛应用于凋落物分解[3-4]、氮固定[5]、群落结构动态[6]及全球生物地球化学循环[7]等领域,其逐渐完善、扩展成为许多生态系统结构与功能研究的工具。土壤碳∶氮∶磷(C∶N∶P)是反应土壤内部C、N、P循环和土壤生态系统结构与功能变异性的重要指标,有利于进一步了解相关生态过程对全局变化的响应。CO2增加、气候变暖、营养富集化和生物入侵[8]不断促进全球变化,引起全球变化的因子与生态化学计量学有关[9]。因此,研究气候变化和营养动态模型等对生态化学计量的影响成为生态学、地学和农学研究的热点[10]。

黄土高原地区生态环境脆弱,土壤侵蚀和水土流失严重,植被恢复、调整土地利用方式、改进耕作技术等是改善黄土高原生态环境和水土保持的重要举措[11-12]。刺槐具有涵养水源、保持水土、抗逆性强、速生性好等特点[13],其生长状况在以水分为限制性因素的黄土高原不同区域差异较大[14]。从1970年以来,刺槐在黄土高原地区大面积栽植,对黄河流域生态恢复与水土保持发挥了重要作用[15]。目前,关于黄土高原刺槐的相关报道较多,如不同纬度、植被类型对土壤理化性质的影响[16-18]、不同植被生态效应[19]等,而关于黄土高原水分空间分布格局对刺槐林地土壤C、N、P影响还亟待加强。随着全球气候变暖,区域降水格局表现出明显的分异特征[20],降雨格局的改变影响一些关键生态系统过程,特别表现在脆弱生态系统[21],与此同时黄土高原刺槐人工林因土壤干燥化加剧,其林分稳定性和生态功能也将面临挑战[22]。降雨是制约黄土高原土壤水分特征的主要因素,对刺槐生长和土壤C、N、P循环具有重要影响。探讨黄土高原南北样带刺槐林土壤C、N、P生态化学计量特征,对刺槐林的有效经营和水土保持具有重要现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原地区(34.303°—39.183°,108.067°—110.629°),属大陆性气候,平均气温8.8—13.4 ℃,年降雨量500 mm左右,且从南向北逐渐较少,全年雨量少且雨季集中,气候干燥,蒸发量大,无霜期短,加上大风、霜冻等自然灾害现象频繁,植被生长的环境条件较差。该区域地表破碎,沟壑纵横,大部分地区坡度都在15°以上。刺槐属于速生、耗水树种,具有生长快、繁殖容易和适应强,是黄土高原主要的人工造林树种。

表1 研究样地基本环境特征

本研究在黄土高原南北样带设置12个代表性较强的样点,分别为杨凌、泾阳、铜川、黄陵、富县、延安、延川、绥德、米脂、榆林、神木和府谷等(表1),跨越半湿润和半干旱气候区。

1.2 样品采集与测定

样品采集于2018年8月植物生长旺盛时期,采样点分布在黄土高原南北水分梯度带上,在每个样点选择18—23年的刺槐成熟林为研究对象,每个研究样点设置3个20 m×20 m样方,坡度和坡向大致相同,每个样方内随机选取3棵长势较好的刺槐,采集其林下0—20 cm土层的土壤样品,挑出植物、细根、石块等杂物后,混匀、风干、过筛后装入自封袋,供室内分析使用。

土壤含水量采用烘干法测定,土壤pH采用水土比例1∶2.5玻璃电极法测定,土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾外加热法测定,全氮(TN)采用凯氏定氮法进行测定,全磷(TP)采用高氯酸-硫酸消解钼锑抗比色法测定[23]。

1.3 数据处理

采用Excel 2016对实验数据进行前期统计处理,运用R(version 3.5.2)对数据进行回归分析及相关性分析。用变异系数表示土壤SOC、TN、TP及其化学计量比的变异情况。Jobbage等指出变异系数C.V≤10%为弱变异,10%≤C.V≤100%为中等变异,≥100%为强变异[24]。变异系数具体计算公式如下式:

C.V=(SD÷MN)×100%

式中,C.V表示变异系数,SD表示标准偏差,MN表示平均值。

采用Canoco 5.0.2进行PCA分析,分析土壤理化性质和生态化学计量学之间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同降雨条件下土壤C、N、P化学计量特征

图1 不同降雨量下刺槐林土壤C、N、P化学计量特征Fig.1 Characteristics of soil C, N and P stoichiometry in Robinia pseudoacacia forest under different precipitation

黄土高原南北样带刺槐林土壤SOC含量变化范围1.74—33.80 g/kg,均值9.95 g/kg,变异系数为96.18%(图1),降雨量在500—600 mm之间先增加后降低。TN含量变化范围0.21—0.91 g/kg,均值0.42 g/kg,变异系数为40.48%,与土壤SOC变化具有一致性。TP含量变化范围0.24—0.71 g/kg,均值0.11 g/kg,变异系数为23.40%,总体呈下降趋势,变化幅度较小。C∶P变化范围3.89—85.45,均值20.98,变异系数为102.62%；C∶N变化范围4.83—70.85,均值22.01,变异系数为87.01%；C∶P变化范围0.50—1.79,均值0.91,变异系数为36.26%。统计结果显示,土壤SOC、TN、TP属于中等变异,且SOC变异性强于TN和TP,C∶P属于强变异,C∶N、C∶P属于中等变异,C∶N和C∶P、C∶P变化趋较为一致,均随降雨量的降低而降低。

2.2 土壤理化性质与土壤生态化学计量学主成分分析

对土壤理化性质与土壤生态化学计量进行主成分分析,提取4个主成分,累积贡献率达到99.18%,其中第一主成分(PC1)贡献率53.67%,第二主成分(PC2)贡献率18.52%,所以提取前两个主成分进行分析,以PC1为横轴,以PC2为纵轴,以土壤理化性质和生态化学计量在两个主成分上的得分为坐标作图,得到土壤理化性质与土壤生态化学计量学主成分分析图(图2)。

图2 土壤理化性质与土壤生态化学计量之间的关系Fig.2 Ordination plots of principal component analysis (PCA) result showing the relationship between soil physical and chemical properties and ecological stoichiometry SOC,土壤有机质 Soil organic carbon；TN,土壤全氮 Soil total nitrogen；TP,土壤全磷 Soil total phosphorus；SWC,土壤含水量 Soil water content;YLN: 杨凌, JY: 泾阳, TC: 铜川, HL: 黄陵, FX: 富县, YA: 延安, YC: 延川, SD: 绥德, MZ: 米脂, YL: 榆林, SM: 神木, FG:府谷

土壤SOC、TN、TP、C∶P、C∶P、C∶N、土壤含水量与第一序轴呈正相关,pH与第一序轴呈负相关。从箭头连线夹角所示,土壤SOC、TP、C∶N、C∶P相关性较强,其中SOC与C∶P相关性强于C∶N,TN与C∶P、土壤含水量相关性较大。

2.3 土壤生态化学计量与环境因子相关性分析

土壤SOC含量与纬度、海拔呈显著负相关(P<0.05),与降雨量、温度呈显著正相关,TN与海拔、纬度呈显著负相关,与降雨、土壤含水量呈显著正相关(P<0.05)(图3)。TP与纬度和海拔呈显著负相关,与降雨量、温度呈显著正相关(P<0.05),C∶N、C∶P、C∶P与降水呈显著正相关(P<0.05),与纬度、海拔呈显著负相关,C∶P与土壤含水量呈显著正相关(P<0.05)。

图3 环境因子和土壤理化性质相关性分析Fig.3 The correlation relationship between environmental factors and soil physical and chemical properties 红色表示显著负相关,蓝色表示显著正相关,白色表示不显著(P<0.05)

3 讨论

3.1 南北样带刺槐林土壤C、N、P生态化学计量影响因素分析

本研究中,土壤均呈弱碱性,土壤pH与降雨量显著呈负相关,土壤SOC和TN与降雨量呈显著正相关(图3)。土壤碳氮的变化具有一致性,呈现从南向北逐渐降低,这与曾全超、张向茹、涂明夏等对黄土高原刺槐林土壤的碳氮研究相似[17,25-26]。这主要是因为土壤全氮来源于土壤植物残体分解与合成的有机质,土壤氮素水平在一定程度决定有机碳含量[27],研究区向北推进降水量降低,土壤含水量和植物繁茂程度降低,生物量和地表植被枯落物逐渐降低。相关研究表明植被生长有利土壤养分积累[28]。王宝荣等研究结果也表明,植物类型对土壤养分含量影响很重要[29],另外,张晗等认为较高的土壤含水量条件下,嫌气性微生物的固氮能力强,有助于土壤C、N矿化积累[30],向北推进,气候干旱,土壤含水量降低,嫌弃性微生物固氮能力降低,同时土壤砂粒也会降低对有机质的吸附能力[26]等。土壤SOC变异系数高达94.18%,强于全氮和全磷,这与张向茹研究结果相同[25],土壤全磷变异较小,变异系数为23.40%。土壤磷主要受气候、土壤母质[31]影响。气候通过淋溶和降雨作用影响土壤磷含量,磷含量主要来源于土壤母质。研究区域从南向北,降雨量逐渐减少,土壤含水量降低,土壤质地粘性减弱砂性增强,养分含量逐渐减少,随着海拔升高,表土冲刷在低海拔沉积,土壤C、N、P表现从南向北逐渐降低[32]。

3.2 南北样带刺槐林土壤C、N、P生态化学计量对环境因子的响应

本研究结果表明土壤C∶N、C∶P、C∶P随降雨量的减少呈现降低趋势,土壤SOC、TN、TP也均随降雨量降低而降低,TN、TP的变化幅度较小,C∶P、C∶N变化主要由SOC变化引起,TN变化引起C∶P变化。土壤C、N、P与降水呈显著正相关(图3)。降雨量减少使土壤含水量降低和刺槐耗水量下降,表现植物对环境因子的适应,但最终导致刺槐生存力下降[20],土壤C∶N∶P与植物生长、养分策略具有一定关系。另外,前人研究发现干旱胁迫也会使微生物数量和活性降低[33],降雨量适当增加不仅可以缓解土壤水分限制,还可以提高土壤N的矿化速率和有效性,有利于微生物生长和繁殖[34-35]。土壤含水量与土壤养分动态和植物光合生理过程等密切相关[36]。就黄土高原南北样带来说,南部是半湿润区,高温多雨,北部是半干旱气候区,气候干冷。在未来气候变化背景下,降雨会促进干旱和半干旱地区植物生长[8],高温多雨可能会加速土壤枯落物分解,缩短土壤-植物-枯落之间的养分循环速率,加速土壤N淋失[37],降雨增加还通过改变土壤含水量和土壤pH来影响微生物群落结构和酶的活性,从而影响土壤C、N、P的矿化和积累过程[26]。另外,从纬度角度来看,水热条件在不同纬度分配状况不同,进而影响土壤C、N、P的养分转化和迁移。研究区土壤碳氮磷均表现一致的变化规律,随纬度增加而降低,这与曾全超等研究一致[17]。但是在南北样带不同降雨条件土壤-植物之间的营养元素循环还不清楚,有待深入研究。

4 结论

黄土高原南北样带降雨量对刺槐林土壤C、N、P具有显著影响,土壤pH及含水量从南向北逐渐增加。土壤有机碳、全氮、全磷含量均随降水量减少而降低,土壤有机碳与全碳的空间变化具有一致性。在南北样带刺槐林土壤C∶P与降水相关性较小,其变异性也较小,相比土壤C∶N、C∶P变化较大,随着降水的减少显著下降。未来需进一步开展降雨量变化对植物-土壤系统C、N、P生态化学计量关系影响机理的研究,并系统探讨土壤C、N、P化学计量平衡关系与物种分布之间的协同关系。