周山森林公园土壤及土壤微生物碳、氮、磷生态化学计量关系

王 聪，和武宇恒，翟淑涵，刘谊锋，田耀武

(河南科技大学林学院，河南 洛阳 471003)

土壤碳、氮和磷元素化学计量比率反映着土壤养分矿化和固持间的平衡关系，是群落生态学动态过程的重要特征[1]。土壤微生物生物量(SMB)占土壤有机碳(SOC)量1%～5%，调控土壤能量平衡[2-4]；土壤和SMB碳、氮和磷元素等的生态化学计量关系影响生态系统地球化学过程[5]。生物体自身化学元素计量关系不随环境资源的变化而变化，其具备严格的稳态机制，若随环境资源的变化而变化，即具弱稳态[6]。Cleveland等整合全球陆地生态系统数据，得出全球土壤C∶N∶P比率为186∶13∶1，土壤微生物生物量C∶N∶P比率为60∶7∶1，土壤微生物具有内稳性，碳、氮和磷元素比类似于“Redfield比率”[7]。

城区森林公园是中国城市生态建设的重要方向，有关城区森林公园的生态化学计量研究较少，本文目的(1)揭示森林公园土壤和SMB中C∶N、N∶P、C∶P比率的分布模式；(2)量化林分尺度树种对土壤和SMB中C∶N、N∶P、C∶P比率的影响；(3)探究土壤微生物的内稳性，丰富生态化学计量学理论。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

周山森林公园位于洛阳市区西南部，东经112°22′10″～112°23′47″，北纬34°36′1″～34°38′11″，为周敬王、悼王、定王陵区，核心区面积106hm2。本区属暖温带大陆性季风气候，黄土丘陵区，海拔196～269 m，地势西北高，东南低，土壤主要为黄粘土、黄绵土。日照2 103 h，无霜期198 d，年均降水量672.6 mm。2000年开始按规划片植人工林，主要有雪松(Cedrusdeodara)、侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、银杏(Ginkgobiloba)，针阔混交林等，林下草本植物有本氏针茅(Stipabungeana)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、唐松草(Thalictrumpetaloideum)、狗尾草(Setariaviridis)、黄刺玫(Rosaxanthina)、车前(Plantagoasiatica)、披针苔草(Carexlanceolata)、麻叶绣线菊(Spiraeacantoniensis)等，公园森林覆盖率85.8%，植被覆盖率93.5%。公园实施半封闭式管理，人为活动影响较弱(表1)。

表1 周山森林公园5种林分概况

1.2 土壤取样

2018年4月，按随机性与典型性相结合的原则，在上述5种主要林分中设置125个样点(表1)。2018年6月，清除样点表层凋落物，用内径5 cm土钻在0～20 cm土壤层内取样。每个样点取土600 g左右，由6～10个土芯均匀混合组成，风干3 d，过2 mm筛。

1.3 化学分析

C/N自动分析仪(vario MAX, Elementar, Germany)测定土壤总氮含量；燃烧法测定土壤有机碳含量[4]；碱性氧化消解和比色法[12]测定土壤总磷含量。氯仿(CHCl3)熏蒸浸提法(FE)方法测量SMB碳和N含量[13-14]。微生物量磷采用氯仿熏蒸NaHCO3浸提-钼蓝比色法，UV-2450型紫外分光光度计(700 nm)波长测定[14]。SMB碳、氮、磷元素的化学计量单位为mmol·kg-1。

1.4 统计分析

采用单因素( one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05)，用Spearman法对土壤及土壤微生物量碳、氮和磷含量及其生态化学计量比进行相关分析。Excel 2016进行数据分析和绘图。

2 结果与讨论

2.1 土壤及土壤微生物碳、氮、磷含量

周山森林公园土壤碳、氮和磷含量变化较大(表2)。土壤碳含量为0.36～4.40 mol·kg-1，平均为1.852 mol·kg-1，变异系数为23.3%；土壤N含量变动范围为0.054～0.305 mol·kg-1，平均为0.143 mol·kg-1， 变异系数为20.1%。

表2 周山森林公园5种林分土壤有机碳、全氮、全磷元素含量

土壤P含量变化范围为1.6～37.3 mol·kg-1，平均为12.9 mol·kg-1，变异系数为24.3%。

林分尺度上，雪松、侧柏和刺槐土壤有机碳含量较高，银杏和混交林地较低；二者有机碳含量差异显著(p<0.05)；与有机碳含量不相同的是，侧柏和刺槐土壤全氮含量最高，其次是混交林和雪松林，银杏地全氮含量最低。全氮含量差异显著(p<0.05)；刺槐林土壤全磷含量最高，侧柏、雪松和银杏林较低，混交林最低，土壤全磷含量差异显著(p<0.05)。

与土壤有机碳、全氮、全磷含量相比，周山森林公园土壤微生物生物碳、氮、磷含量变幅更大，变异系数更高(表3)。SMB 碳含量变化为6.0～447.0 mmol·kg-1，平均值为63.6 mmol·kg-1，变异系数为51.3%，SMB 碳含量平均为土壤碳含量的3.4%；SMB N为0.71～21.5 mmol·kg-1，平均值为5.2 mmol·kg-1，变异系数为42.6%，SMB N平均为TSN的3.6%；SMB P为0.024～4.511 mmol·kg-1不等，平均值为0.94 mmol·kg-1，变异系数44.0%，SMB P含量平均为土壤全磷的7.3%。侧柏和雪松林地微生物碳、氮、磷含量最高，混交林和银杏林含量最低，差异显著(p<0.05)。

表3 周山森林公园5种林分土壤微生物量碳、氮、磷元素含量

2.2 土壤及土壤微生物碳、氮、磷含量间的相关性

周山森林公园土壤有机碳含量(SOC)与土壤全氮含量(TN)、全磷含量(TP)，土壤全氮含量(TN)与土壤全磷含量(TP)之间分别呈显著正相关(p<0.001)(图1)。SOC与TN的相关系数高于SOC与TP、TP与TN的相关系数。TP与SOC、TN的相关系数都较低，周山森林公园林分土壤P含量对SOC和全N积累水平影响显著。

周山森林公园SMB碳含量分别与氮含量(SMB N)、P含量(SMB P)，以及SMB N与SMB P之间均呈显著正相关关系(p<0.001)(图2)。SMB碳与SMB P、之间的正相关性显著(R2=0.58，p<0.001)，与之间的正相关性显著(R2=0.67，p<0.001)，SMB碳与SMBN之间的相关系数高于SMB碳与SMBP、SMBN与SMB P之间的相关系数。SMB碳、SMBN和SMBP之间的相关性均要明显高于土壤碳、N和P之间的相关系数。

2.3 土壤与土壤微生物C∶N、C∶P、N∶P比率

周山森林公园土壤C∶N比率范围为5.1～49.0，平均为12.4，变异系数为6.6%。土壤C∶N变异系数均远小于土壤碳(31.5%)及氮(29.3%)的变异系数，C∶N变化幅度受到明显限制(表4)；周山森林公园土壤C∶P比率范围为39.6～610.1，平均为125.7，变异系数为6.6%。土壤N∶P比率范围为3.7～52.5，平均值为10.5，变异系数为6.7%。土壤C∶N、C∶P和N∶P的变异系数较为接近。土壤C∶P和N∶P变异系数均小于对应的土壤碳、氮、磷的变异系数，C∶P和N∶P变幅同样受到限制；林分C∶N、C∶P和N∶P差异均显著(p<0.05)。

图1 土壤碳氮、碳磷、氮磷含量的相关性

图2 土壤微生物量碳氮、碳磷、氮磷含量相关性

周山森林公园土壤C∶N∶P原子比为125.7∶10.5∶1。不同林分C∶N∶P比率排序为侧柏>雪松>刺槐>银杏>混交。土壤C∶N∶P原子比率值表征着不同的林分类型。如表4所示，阔叶林地(包括针阔混交类型)土壤有着相近的C∶N∶P比率，针叶林地也有着相似的C∶N∶P比率。

表4 周山森林公园土壤C∶N、C∶P和N∶P原子比率

周山森林公园土壤SMB C∶N比率范围为2.0～53.6(表5)，平均值为14.5，变异系数为5.5%；SMB C∶P比率范围为4.7～810.7，平均为76.7，变异系数为5.0%；SMB N∶P比率从0.8到52.6，平均值为5.8，变异系数为4.4%。周山森林公园土壤微生物的原子C∶N∶P比率为76.7∶5.8∶1。与土壤C∶N∶P比率变化相似，SMB C∶N、C∶P、N∶P变异系数均小于对应的SMB碳、氮、磷值，SMB C∶N、C∶P、N∶P比率值的分布也受到限制。林分尺度上，5类林分SMB C∶N、C∶P和N∶P比率差异显著(p<0.05)。

2.4 土壤和土壤微生物C∶N、C∶P、N∶P比率之间的相关性

由表6知，周山森林公园土壤和SMB C∶N、N∶P比率之间的相关性均不显著(p>0.05)，C∶P相关性极为显著(r=0.77,p<0.001)；林分尺度上，侧柏、刺槐、银杏C∶N相关性显著(p<0.05)，雪松和混交林相关性不显著；侧柏N∶P相关性显著，其他林分相关性均不显著；所有林分C∶P相关性均显著(p<0.05)。

表5 周山森林公园土壤微生物C∶N、C∶P和N∶P比率

表6 周山森林公园土壤和土壤微生物间C∶N、C∶P和N∶P比率之间的Spearman相关性

3 讨论

碳、氮、磷元素含量和比率关系能够体现生态系统功能的变异性，是土壤元素循环的重要指标。有关土壤C∶N∶P元素比率关系的研究结果差异较大[5-9]。中国土壤碳、氮含量变化较大，总P含量偏低，土壤C∶P、N∶P比值较高[10]。Li等[2]认为中国亚热带地区土壤C∶N∶P原子比率为80∶7.9∶1，具有良好的限制性。Tian等[11]认为中国土壤C∶N∶P原子比平均为60∶5∶1，但变化幅度比较大，没有良好的限制性。周山森林公园土壤C∶N∶P比值平均为125.7∶10.5∶1，具有很好的限制性。周山森林公园C∶N∶P比率远高于Tian等[11]对全国土壤碳氮磷元素比的估算值，低于Cleveland等[7]估算全球土壤比值186∶13∶1。本研究区域虽然与Li 等[4]、吕金林等[12]研究地域接近，但三个区域土壤原子C∶N∶P比值的研究结果并不一致，这说明土壤原子C∶N∶P异质性较大，地理位置、土地管理方式、土壤质地、植被类型等深刻影响着土壤碳、氮、磷的含量[13-14]。

不同的土壤微生物碳、氮、磷比率研究结果之间差别较小。本研究中周山森林公园土壤微生物碳、氮、磷原子比率为76.7∶5.8∶1，接近南亚热带土壤微生物的原子碳氮磷比率为70.2∶6∶1[2]，也接近与全球SMB原子C∶N∶P比率60∶7∶1[7]。土壤微生物主要由土壤中的细菌和真菌组成，微生物在土壤中分布并不均匀。土壤细菌具有严格的稳态平衡，土壤真菌并不具有稳态平衡的特性[14-15]。因此，SMB的C∶N∶P比率可能随着土壤中细菌，真菌和其他形式的SMB种群和组成的资源依赖性变化而变化。总体而言，Cleveland等[7]、Li等[2]和本研究中的土壤微生物C∶N∶P化学计量数据来源于不同的区域，土壤微生物受元素有效性、植被类型、水文特征、气候和人为干扰等不同生境的影响。但这种具有数值接近，且具有限制性特征的化学计量关系，说明土壤SMB也存在可能类似于海洋Redfield比率关系。但周山森林公园不同林分SMB中C∶N、C∶P、N∶P比率并不一致，变化较大，说明在特定区域内土壤SMB元素的生态化学计量存在弱稳态性[4]。

土壤和土壤微生物碳、氮、磷比率间的相关性研究较少[15-18]。周山森林公园土壤和SMB C∶N和N∶P之间的相关性均不显著，但C∶P比率之间存在极显著的正相关，这表明周山森林公园SMBC∶P比率随着土壤环境中C∶P比率的变化而发生正向变化。再次说明SMB可能不是一个稳态系统，磷元素是周山森林公园土壤微生物生产力的限制因子，SMB C∶P比率不但变化程度高，且依赖于土壤资源环境的变化。周山森林公园土壤和SMBC∶N、N∶P之间相关性不显著，SMB中C∶N比率范围大于土壤中的C∶N比率，这进一步说明微生物群落不是均衡系统。

周山森林公园土壤和SMB C∶P相关性极显著，C∶N和N∶P不显著的相关性说明SMB中元素化学计量的弱稳态机制。不同林分类型中土壤和SMB C∶N、C∶P和N∶P复杂的相关关系进一步说明微生物碳、氮、磷化学组分元素对土壤环境的不同程度的依赖性。周山森林公园林地是半自然生态系统，人工施用氮磷肥行为极少。

林分尺度上，不同林分土壤与土壤微生物间的C∶N、C∶P和N∶P间相关性仍不相同。侧柏C∶N、C∶P和N∶P比率相关性均显著，侧柏土壤微生物C∶N、C∶P和N∶P比率均随土壤环境的变化而变化，受环境资源变化的影响和控制最强，即稳态性最弱[4]；银杏和刺槐林C∶N相关性显著，而N∶P比相关性不显著，其稳态性可能稍强于侧柏；研究区内土壤氮含量并不缺乏，可能是由于近年来空气污染或人为活性氮排放量的增加，该地区的氮沉降量大幅增加[29-30]。土壤与SMB C∶N比率在不同林分的反馈机制仍不清楚[19-20]。

4 结论

周山森林公园土壤C∶N∶P (125.7∶10.5∶1)和SMB C∶N∶P (76.7∶5.8∶1)生态化学计量比率均受限制，土壤C∶N∶P低于全球土壤的186∶13∶1比值，但高于中国亚热带土壤的80∶7.9∶1比值；周山森林公园土壤微生物C∶N∶P接近于全球土壤的60∶7∶1比值，也接近于中国亚热带土壤微生物的70.2∶6∶1比值。

周山森林公园土壤与SMB中C∶N、C∶P和N∶P在林分水平上存在有复杂的相关性，土壤微生物碳、氮、磷等元素化学计量存在弱的内稳态机制，不同树种土壤微生物内稳态强弱关系并不相同。