河岸带农田不同恢复年限对土壤碳氮磷生态化学计量特征的影响——以温榆河为例

郭二辉,方 晓,马 丽,杨小燕,杨喜田

河南农业大学林学院,郑州 450002

碳(C)、氮(N)、磷(P)等养分元素在促进生态系统的物质循环、能量流动和群落演替,对维持整个生态系统稳定性和可持续性方面具有极其重要的作用[1- 3]。土壤生态化学计量特征对于养分的可获取性以及C、N、P等元素的生态地球化学循环平衡方面具有重要意义和指示作用[4]。土壤的C、N、P比值对于揭示生态系统结构、过程和功能的影响因素及作用机制至关重要,已经成为当前修复生态学研究的热点和焦点之一[5]。C、N、P作为土壤养分循环与转化的关键元素,调控和驱动着整个生态系统的演替过程,在植物生长进程中发挥非常重要的作用。因此,研究土壤C、N、P生态化学计量特征对于揭示土壤养分的有效性、限制性、可获得性和养分循环等具有重要指示作用,也是反映土壤质量的灵敏指标[5- 7]。土壤的C、N、P比值受土地利用、地形地貌和管理措施等因素的影响,目前对于农田退耕的生态化学计量研究主要集中在低山丘陵区、黄土丘陵区等,而对于河岸带区域研究则相对较少[4,8-9]。河岸带是水陆生态过渡带与交错区,也是河流的重要组成部分与保护河流的自然生态屏障。河岸带所占的景观面积较小,但却提供了极其重要的供应、调节、文化和支持等生态系统服务功能[2,10- 12]。河岸带生态系统也是一个脆弱的、易受水文、人类活动等干扰而退化的生态区域,具有明显的边缘效应和独特的生态过程,也被公认为全球生物地球化学循环和生态恢复的热点区域[1,13- 15]。由于人口数量的增加和对粮食的需要,许多河岸区域都被开垦种植为农田,造成了河岸生物栖息地的丧失、水土流失的加剧、河岸生境的均一化,以及河流水体的污染等生态环境问题[16-18]。

近年来,随着人们对生态环境保护的日益重视以及对河岸带生态服务功能和生态价值认知能力的提升,河岸区域的许多农田逐渐被弃耕撂荒。退耕后的土壤是植被恢复和群落演替赖以生存和发展的基础,也是维持河岸带生态健康与可持续的重要资源。河岸带生态系统具有不可替代的生态服务功能,深入了解河岸带区域的土壤C、N、P生物地球化学循环过程,对认识河岸带生态系统空间格局变化规律和C、N、P元素的循环与平衡机制,揭示养分的可获得性、预测群落的演替趋势和生态修复都具有重要意义,同时对于提升河岸带生态系统在气候变化背景下的适应能力也越来越重要。本研究以农田为对照、分别选取了撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的样地作为研究对象,对比分析了不同撂荒年限河岸带土壤C、N、P分布规律及生态化学计量学特征,以及河岸带土壤C、N、P含量之间的相互关系,以期阐明河岸带土壤生态化学计量学特征对不同撂荒年限的响应,为受损河岸带生态系统的植被恢复和群落重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区样品采集

温榆河属于海河流域的北运河水系,位于北京市北部,流经昌平、海淀、顺义、朝阳和通州,全长约47.5 km,流域面积2478 km2。本试验分别在温榆河河岸带,以农田为对照(control check,CK),同时选择了撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的样地作为研究对象,样带以垂直于河道设置, 每条样带河道到河漫滩长约 60—100 m 左右,采样间距为10 m,每个样地设置3个重复样带用于植被调查与土壤采样。在每个样方内用土钻按照0—5 cm、5—10 cm 、10—20 cm、20—30 cm 进行分层采样。试验样地基本情况见表1所示。

表1 试验样地基本情况

1.2 测定方法

图1 河岸带农田撂荒年限对土壤容重的影响 Fig.1 Effects of different abandoned year of farmland on the soil bulk density in riparian buffer CK：对照 Control check；不同小写字母表示同一土层,不同撂荒年限间具有显著性差异(P<0.05)

土样带回实验室风干,以四分法取样并过2 mm筛,移出砾石和根系,之后再过0.15 mm筛。土壤容重采用环刀法,土壤全氮(Total Nitrogen,TN)用元素分析仪测定(Vario EL III Element Analyzer),土壤全磷采用钼锑抗比色法测定,土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定。

1.3 数据处理

采用Excel 2013 和SPSS 19.0 软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 河岸带不同撂荒年限对土壤容重的影响

土壤容重也是反映土壤质量和植被生产力水平的重要指标。图1表明,农田撂荒可以降低土壤的容重,改善土壤的物理结构。在0—10 m土壤,农田撂荒2年,土壤的容重没有显著的变化；而撂荒8年和10年后,土壤容重均有显著的降低,分别减少了8.97%和10.90%。在10—20 cm和20—30 cm的土壤,农田撂荒2和8年,土壤的容重均有所降低,但没有显著的差异；而撂荒10年,土壤的容重都有显著性的降低。在10—20 cm的土壤,农田撂荒10年后,容重降低了8.18%。在20—30 cm的土壤,农田撂荒10年后,容重降低了8.70%。

2.2 不同撂荒年限对河岸带土壤碳、氮、磷分布特征的影响

河岸带农田的撂荒年限显著影响着土壤碳含量的变化。图2表明在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm和20—30 cm各类型土壤碳含量之间均存在差异。各层土壤碳含量均呈现撂荒10年最高,撂荒10年后各土壤层次碳含量平均比撂荒8年高26.26%,比撂荒2年高99.61%,比农田高35.27%。农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤碳含量随着土壤深度增加而显著降低。

图2 河岸带不同撂荒年限的土壤碳、氮、磷含量分布特征Fig.2 The distribution of soil carbon, nitrogen and phosphorus contents in different abandoned year of farmland in the riparian buffer 不同小写字母表示同一土层,不同撂荒年限间具有显著性差异(P<0.05)

结果表明,随着退耕年限的增加,河岸土壤的全氮含量整体呈现增高的趋势,但主要表现在0—5 cm和5—10 cm土层。在0—5 cm的表层土壤, 撂荒2年后,土壤的全氮有所提高,但没有显著的差异；农田撂荒8和10年,土壤的全氮含量都有显著性的增加,分别增加了67.09%和55.70%。在5—10 cm的土层,撂荒2年和8年的土壤全氮含量均没有显著的变化；撂荒10年的土壤全氮提高了28.21%,具有显著的差异。撂荒10年后,各土壤层氮含量平均比撂荒8年高11.56%,比撂荒2年高33.21%,比农田高24.39%。结果也表明,农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤氮含量随着土壤深度增加而显著降低。

农田撂荒的初期阶段如2和8年,土壤的0—5 cm和5—10 cm的土壤全磷含量有较为明显的增加,而10—20 cm和20—30 cm土层,增加不明显。农田撂荒10年后,土壤的全磷含量在4个土层均有较为显著的增加,土壤磷含量最高。如0—5 cm土壤,农田撂荒2、8、10年,土壤的全磷含量分别增加了18.95%、15.79%和25.26%。在5—10 cm土壤,农田撂荒2年,土壤的全磷含量分别增加了6.52%,没有显著性的差异；撂荒8和10年后,土壤的全磷含量均有显著性的增加,分布增加了13.04%和27.17%。在10—20 cm土层,撂荒10年后,土壤的全磷含量增加了17.71%。在20—30 cm土层,撂荒10年后,土壤的全磷含量增加了16.09%。农田土壤磷含量随土壤深度加深而逐渐降低,但差异不显著,但撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤磷含量随着土壤深度增加而降低较为明显。

2.3 不同恢复年限对土壤C∶N∶P的影响

河岸带的撂荒年限显著影响土壤C/N,C/P和N/P。图3表明,在0—5 cm和5—10 cm,不同撂荒恢复年限的土壤C/N之间有显著差异。在10—20 cm和20—30 cm各类型土壤C/N之间差异不明显。其中撂荒8年的土壤C/N各土壤层次间差异较大且存在显著差异。农田在不同土层之间的C/N基本保持恒定且各层之间差异较小,平均值为10.01；而撂荒2年和撂荒10年的C/N随着土壤深度的增加而减小,但差异程度不明显,变化范围分别为5.27—8.72和9.82—12.12。

农田C/P的平均值为7.77,撂荒2年、8年和10年后,各土壤层次之间C/P差异显著,随着土壤深度的增加C/P逐渐降低。在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土层,土壤的C/P均有明显的差异。土壤N/P比自农田弃耕后先降低,后随撂荒年限的增加逐渐增加,撂荒2年<撂荒8年<撂荒10年。0—5 cm、10—20 cm和20—30 cm土壤层次,各种类型土壤N/P均存在较为显著差异。农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤N/P随着土壤深度的增加而降低。

图3 河岸带不同撂荒年限土壤对C/N、C/P、N/P的影响Fig.3 Effects of different abandoned year of farmland on t soil C/N, C/P and N/P in riparian buffer 不同小写字母表示同一土层,不同撂荒年限间具有显著性差异(P<0.05)

2.4 不同恢复年限对土壤的C、N、P的相关关系

由图4可知,农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤中碳、氮含量均呈现显著的线性回归关系。碳、磷的含量在农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年中呈现的不显著的线性回归关系,农田撂荒后,随着撂荒年限的增加,线性趋势越明显。农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年在土壤的氮、磷含量之间存在不显著的线性回归关系,随着撂荒年限的增加,线性趋势越明显。

图4 河岸带不同撂荒年限下土壤碳、氮、磷相互关系Fig.4 Relationship between soil carbon, nitrogen and phosphorus in different abandoned year of riparian farmland

3 讨论

3.1 河岸带不同撂荒年限对土壤C、N、P含量的影响

河岸带水文环境和地形地貌复杂多变,是土壤碳、氮、磷生物地球化学循环非常活跃的区域,也是土壤氮磷迁移循环过程中的重要源和汇景观[18]。河岸带农田撂荒后,群落就开始了次生演替过程,植被的恢复及其与土壤的相互作用使土壤质量得到逐步改良[19]。在撂荒演替的过程中土壤有机碳反映比较灵敏,影响着植物群落的潜在生产力,同时在调节土壤养分流向和土壤性质方面有重要作用。研究结果也发现随着撂荒年限的增加土壤中有机碳和全氮的平均含量呈现增加趋势：撂荒10年>撂荒8年>农田>撂荒2年。在撂荒演替的初期阶段,植被的种类和盖度也较小,土壤的同化作用较强,土壤中的有机质和氮含量被大量的消耗或流失,造成撂荒初期的碳氮含量小于农田的碳氮含量[20-21]。但到撂荒8年和10年,土壤中的碳氮含量均高于农田水平,其原因可能是随着恢复年限的延长,植被的种类和数量提高,植物枯落物和根系也逐渐增加。河岸带农田及不同撂荒年限的土壤有机碳和全氮随着土壤深度的增加含量逐渐减小,呈现出表层富集现象,这可能与土壤表层枯落物、根系和土壤微生物活性较高有关,促进了土壤碳、氮的积累。赵娜等[22]在华北低丘山地的研究也表明,随着退耕年限的增加,退耕刺槐人工林土壤养分的表层富集作用显著,且0—5 cm土层土壤改良效果增强。李永强等[16]在内蒙古草原的研究发现,随撂荒年限的增加,土壤全氮、全磷、碱解氮等均呈现出先降低后增加的趋势,土壤养分相对于植被变化具有迟滞性,本研究也证明了温榆河河岸带农田撂荒后土壤碳氮含量具有迟滞效应。当由次生裸地到植物迅速生长发育时养分是从土壤到植物体内的转移,土壤养分库为流失状态,后期随植物种类和数量的增多,随着根系和枯枝落叶回归土壤,而直接参与土壤物质循环量增加,植物残体能够补充土壤养分的损失,土壤养分含量得到提高。张超等[23]在黄土丘陵区的研究表明,撂荒后阴坡的有机碳、全氮含量在演替前期变化较小,而后期随撂荒年限的延长而显著增加。

河岸带土壤中磷含量对于撂荒年限的响应和碳和氮并不相同,撂荒10年>撂荒8年>撂荒2年>农田,自撂荒开始,土壤中磷的含量就在逐渐恢复。土壤中的P元素除了受成土母质的影响,主要来自于地上生物量的归还,随着退化河岸恢复时间的延长,其物种丰富度和群落结构复杂度也逐渐提高,有利于P元素的累积。在农田撂荒的初期阶段如2和8年,土壤的0—5 cm和5—10 cm的土壤全磷含量有较为明显的增加,而10—20 cm和20—30 cm土层,增加不显著。农田撂荒10年后,土壤的全磷在4个土层均有较为显著的增加。在陕北黄土丘陵区农田撂荒次生演替过程中,土壤的有机质、全氮、全磷都呈现先减少后增加的趋势,但本研究的结果表明,在河岸带农田撂荒恢复过程中,土壤的有机质、全氮有先减少后增加的趋势,而土壤磷一直呈现增加的趋势,这可能与土壤磷素循环与碳、氮养分元素的循环不同有关[1]。磷是一种沉积性物质,在土壤中的迁移率相对比较低,同时随着河岸农田恢复年限的增加,大量枯枝落叶的降解对土壤全磷具有重要的影响,造成土壤磷含量的逐步提升。

3.2 河岸带不同撂荒年限对土壤容重的影响

本研究表明,河岸农田撂荒能有效地改善土壤的结构,降低土壤的容重。随着撂荒年限的增加,地表分布有大量的草本植物根系,土壤具有良好的通透性,土壤的结构变得疏松。土壤容重可以反应土壤孔隙率状况,影响土壤养分的有效化和植物的生长[5]。在0—10 cm土壤,农田撂荒2年,土壤的容重没有显著的变化；而撂荒8年和10年后,土壤容重均有显著的降低,分别减少了8.97%和10.90%。在10—20 cm和20—30 cm的土壤,农田撂荒2和8年,土壤的容重均有所降低,但没有显著的差异；而撂荒10年,土壤的容重都有显著性的降低。在10—20 cm的土壤,农田撂荒10年后,容重降低了8.18%。在20—30 cm的土壤,农田撂荒10年后,容重降低了8.70%。这也表明,河岸农田撂荒恢复后能改善土壤容重和孔隙度状况,从而形成团粒结构等良好土壤结构。

3.3 河岸带不同撂荒年限的土壤C、N、P含量比值

土壤的C、N、P比受区域气候、植被、地貌、母岩、土壤动物等成土因子及人类活动等综合因素的影响,其空间异质性较强,是反映土壤内部碳氮磷循环及养分的限制性的重要指标[6]。C/N是土壤氮素矿化能力的标志,与土壤有机质分解速率成反比关系,C/N值越大,释放出有效 N 量就越少[3]。河岸带撂荒土壤中C/N的均值呈现：撂荒10年(10.69)>农田(10.01)>撂荒8年(9.59)>撂荒2年(7.02)。撂荒2年的土壤C/N均值较低,这可能与撂荒初期土壤中有机质生物矿化分解有关,河岸农田撂荒初期植被郁闭度小,植被的固碳能力还较弱,因而导致C/N的均值最低。土壤 C/P可以表征土壤有机质矿化释放P或吸收固定P的潜力。C/P的均值呈现：撂荒10年(8.53)>农田(7.77)>撂荒8年(7.45)>撂荒2年(4.82)。土壤磷的来源主要是含磷矿石的风化及以植被凋落物的降解,其中土壤母质是影响其含量的主要因素。研究区土壤 C/P 随恢复年限的延长呈现先降低而后增加的趋势。

N和P是河岸带植物生长必须的矿物质营养元素和限制性养分,其含量的高低影响植物的生长与群落的演替过程,对湿地生态系统的生产力和生态净化功能等有重要影响,因而N/P是限制性养分判断的重要指标之一。N/P的均值呈现：撂荒10年(0.78)>农田(0.77)>撂荒8年(0.77)>撂荒2年(0.67)。研究的结果与敦煌阳关湿地 N/P均值为0.83[24]、黄河三角洲新生湿地N/P均值为 0.77[25]等地的结果较为一致,远低于全国 N/P的平均值8,因此N元素也是本研究区植物生长繁育的限制性营养元素。河岸带农田弃耕后,由于河岸带地理位置的特殊性,土壤水土流失严重,造成土壤中碳和氮的流失,在经过长期的自然恢复下,河岸带土壤才逐渐具有固碳和固氮的能力。氮和磷通常是生态系统中的主要限制性元素[26-27]。河岸带撂荒土壤C/N、C/P在垂直结构上均随着土壤深度的增加,而显著降低,这主要是因为土壤碳和氮主要来源于植物凋落物的降解,表层土壤碳和氮含量均明显高于深层土壤。

3.4 不同撂荒年限对土壤C、N、P比值的相关关系

本研究结果表明,河岸带农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤中碳、氮含量存在极显著的耦合线性关系,与Tian等[28]在全国尺度的研究结论一致。进一步表明撂荒并没有显著改变土壤碳氮之间的关系,只是影响了碳氮线性的斜率和截距,这与有关研究结论相符[29-31]。由于磷元素的迁移循环机制与碳氮的不一致,碳、氮是气体型循环,其受植物的吸收固定和枯落物养分归还和分解的影响；而磷元素是沉积性循环,其主要受土壤母质风化的影响,其含量大小更大程度上取决于立地的地质特征,这也造成了碳磷、氮磷的相互关系在撂荒过程中也出现了较大的不确定性。

4 结论

(1)随着河岸农田撂荒年限的增加,土壤碳和氮的含量均呈现撂荒10年>撂荒8年>农田>撂荒2年,土壤中磷含量呈现撂荒10年>撂荒8年>撂荒2年>农田。农田和各撂荒年限的土壤碳、氮、磷含量,均存在表层富集规律,但土壤碳和氮的表层富集效应比磷明显。

(2)河岸带土壤中C/N和C/P均呈现：撂荒10年>农田>撂荒8年>撂荒2年趋势。河岸带土壤中 C和N 的空间变异最大,P 空间变异较小。农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤C/N、C/P和N/P随着土壤深度的增加而呈现降低趋势。N/P的均值表明N是本研究区的限制性营养元素,次生演替和植被恢复过程易受到土壤N含量的限制。

(3)河岸带农田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤中碳、氮含量存在极显著的耦合线性关系,而碳与磷、氮与磷之间的线性拟合程度相对较低。在农田撂荒演替的初期阶段(2年),土壤的容重没有显著的变化,而随着撂荒时间的增加(8年和10年),土壤容重均有显著的降低。