甘肃环县沙化区不同植被类型对土壤养分的影响

刘青梅，黄海霞，姚志勇，杜娟，韩俊芳

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.环县自然资源局，甘肃 环县 745700；3.甘肃白水江国家级自然保护区管理局，甘肃 陇南 746400)

在生态系统中，土壤和植被是协调发展的统一体，两者互为条件，相互制约，相互影响。土壤是植被赖以生存的物质基础，为植物生长发育提供养分元素，植被群落又影响土壤结构的形成和肥力状况。甘肃省环县北部生态环境脆弱，土壤风蚀、沙化严重，天然植被覆盖度低，植被恢复是改善环县沙化区生态环境的根本措施[1]，但植被的自然恢复困难，采用人工途径植被恢复是该区荒漠化防治的有效选择。通过研究不同人工恢复植被类型林地土壤养分状况，阐明植被类型与土壤之间的关系，对促进林地更新、植被恢复与重建以及沙化区生态环境建设具有现实意义[2]。

土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)是植被生长发育的核心元素，能促进土壤养分的转化循环；生态化学计量学是研究C、N、P等化学元素在生态过程中的平衡关系，促进对土壤养分元素的循环以及平衡机理的认识[3]。近年来有关不同植被类型对土壤养分的研究不断涌现，研究表明[4-6]，土壤有机碳与氮的空间分布具有相似性，植被恢复对土壤的改善作用主要集中在上中层，不同植被对土壤养分的积累、贮存和转化存在显著差异。目前，关于环县沙化区的研究主要涉及草地肥力[7]、资源利用[8]、风沙治理[9]等方面，而植被类型对土壤养分的影响少有报道。河北杨(Populushopeiensis)、柠条(Caraganakorshinskii)、爬地柏(Sabinaprocumbens)都具有耐干旱、耐瘠薄、耐盐碱等特性，是西北地区主要的防风固沙树种，也是环县沙化区人工植被恢复的常用乡土树种。因此，本研究以甘肃环县古城堡区河北杨、柠条、爬地柏3种人工植被类型为研究对象，分析不同土层、不同植被类型间的土壤养分含量差异和化学计量特征变化规律，探明植被类型对土壤养分状况的影响，以期为环县沙化区人工植被恢复选择适宜的树种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地为甘肃省环县甜水镇甜水街村古城堡区，位于毛乌素沙地西南缘、鄂尔多斯高原和黄土高原的交汇处(E 106°48′48″，N 37°06′21″)，为半干旱和干旱地区的过渡带，属中温带季风气候，年均降水量341.1 mm，主要集在中7-9月。年均气温6.8 ℃，极端最高温度37 ℃，极端最低温度-25 ℃，无霜期135 d。区内受风沙侵袭严重，以西北风为主，年均风速2.4 m/s，林下沙地草本植物均匀分布，盖度15%，主要有猪毛蒿(Artemisiascoparia)、冰草(Agropyroncristatum)、蒙古虫实(Corispermummongolicum)、狼毒(Stellerachamaejasme)、无茎委陵菜(Potentillacristatum)、冷蒿(Artemisiafrigida)等[10]。

1.2 试验方法

1.2.1 土样采集 供试土样于2019年8月采自甘肃省环县甜水镇古城堡区。选择河北杨、柠条、爬地柏3种类型的林地，分别布设1个20 m×50 m的样地(表1)，按对角线法在每个样地选5个样点，采集0～20、20～40和40～60 cm土层的土样，然后仔细捡除石子、植物残根和土壤动物等杂物，将同一类型的同层土样混匀，采用四分法取2份样品(每份含3个重复)，一份风干后过0.15 mm筛用于测定土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、速效钾、速效磷含量，另一份过2 mm筛，存放在4 ℃冰箱用于测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

表1 样地概况

1.2.2 土壤化学性质的测定方法 pH采用土水比1∶2.5(质量比)提取，电位电极法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮采用半微量凯氏定氮法测定；硝态氮采用CaSO4浸提-还原蒸馏法测定；铵态氮采用KCl浸提-蒸馏法测定；全磷采用H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法测定；速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH碱熔-火焰光度法测定、速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法[11]。根据测得的有机碳、全氮、全磷含量计算化学计量比C/N、C/P、N/P。

1.2.3 数据统计分析 试验数据采用Microsoft Excel 2017进行整理、统计，完成制表和绘图，运用SPSS 17.0 统计分析软件进行单因素方差分析，多重比较采用Duncan法，检验水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 植被类型对土壤养分含量的影响

2.1.1 土壤pH值、有机碳 3种植被类型的土壤pH值在8.62～8.69(图1-A)，各土层之间的土壤pH值无显著差异；在同土层内不同植被间土壤pH值差异不显著。

3种植被的土壤有机碳含量均随着土层深度增加而下降(图1-B)。CKF和SVF 0～20 cm土层的有机碳含量显著高于20～40、40～60 cm土层，分别高出50.0%、84.1%和74.7%、104.8%。3种植被0～60 cm土层有机碳含量大小排序为：CKF>SVF>PHF。在0～20 cm土层，SVF、CKF土壤有机碳含量均显著高于PHF，分别高出65.1%、58.5%；20～40 cm土层，CKF土壤有机碳含量显著较PHF高出22.7%。

图1 不同植被类型土壤的pH值、有机碳含量Fig.1 Changes of soil organic carbon content，pH value in different vegetation types注：大写字母不同表示同一个植被类型不同土层之间指标差异显著(P<0.05)；小写字母不同表示同一土层深度不同植被类型之间指标差异显著(P<0.05)。下同

2.1.2 土壤全氮、硝态氮、铵态氮 3种植被的土壤全氮含量变化与有机碳含量变化一致(图2-A)。CKF和SVF林地0～20、20～40 cm土层的土壤全氮含量较40～60 cm土层分别显著高出81.6%、21.1%和108.1%、20.0%。3种植被在0～60 cm土层全氮含量表现为：CKF>SVF>PHF。0～20 cm土层SVF、CKF土壤全氮含量较PHF分别显著高出65.9%、56.8%；20～40 cm土层，CKF土壤的全氮含量较PHF显著高出 24.3%。

3种植被类型土壤硝态氮含量均随土层加深呈递减趋势(图2-B)。CKF和SVF 0～20 cm土层硝态氮含量分别较20～40、40～60 cm显著高出54.4%、152.9%和62.4%、155.7%。3种植被在0～60 cm土层硝态氮含量表现为：CKF>SVF>PHF。在0～20 cm土层，CKF、SVF硝态氮含量较PHF显著高出29.5%、29.1%；在20～40 cm土层，CKF比PHF的硝态氮含量显著高出17.9%，SVF硝态氮含量处于两者之间。

图2 不同植被类型土壤的全氮、硝态氮、铵态氮含量Fig.2 Changes of soil total nitrogen，nitrate nitrogen，ammonium nitrogen content in different vegetation types

3种植被类型土壤铵态氮含量均随着土层深度增加而显著降低(图2-C)。随着土层深度的增加，PHF、CKF和SVF表层(0～20 cm土层)的铵态氮含量较20～40、40～60 cm土层分别显著高出30.8%、92.4%，49.7%、147.3%和61.8%、143.7%；3种植被0～60 cm土层铵态氮含量大小为：SVF>CKF>PHF。在0～20 cm层，SVF铵态氮含量最高，较CKF显著高出29.7%；CKF 20～40 cm土层土壤铵态氮含量较PHF、SVF分别显著高出9.6%，4.6%；40～60 cm土层不同植被类型土壤铵态氮含量差异不显著。

2.1.3 土壤全磷、速效磷 在0～60 cm土壤剖面上，3种植被类型的土壤全磷含量在每个土层的全磷含量均约为0.39 g/kg，不同土层间无显著差异；不同植被类型间的土壤全磷含量在0～20、20～40和40～60 cm 土层，均差异不显著(图3-A)。

3种植被类型0～20 cm土层的土壤速效磷含量最高(图3-B)，较20～40和40～60 cm土层分别显著高出43.9%和151.9%(PHF)、59.4%和181.7%(CKF)、71.0%和162.1%(SVF)，“表聚”规律明显。3种植被类型0～60 cm层的土壤速效磷含量大小为：SVF>CKF> PHF。0～20 cm土层，SVF速效磷含量较PHF显著高出26.4%，在20～40和40～60 cm土层植被类型间的速效磷含量差异不显著。

图3 不同植被类型土壤全磷、速效磷含量的变化Fig.3 Changes of total phosphorus，available phosphorus content in soil of different vegetation types

2.1.4 土壤全钾、速效钾 3种植被类型0～60 cm土层的全钾含量在42.04～42.17 g/kg，在不同土层的全钾含量分布无显著差异；在0～20、20～40和40～60 cm 土层，不同植被类型间的土壤全钾含量差异也不显著(图4-A)。

图4 不同植被类型土壤全钾、速效钾含量Fig.4 Changes of total potassium、available potassium content in soil of different vegetation types

CKF、SVF土壤速效钾含量随土层加深显著下降(图4-B)，CKF和SVF土壤0～20 cm土层的速效钾含量较20～40、40～60 cm土层分别显著高出31.4%、53.0%和15.4%、36.6%。3种植被土壤0～60 cm的速效钾含量大小为：SVF>CKF>PHF。在0～20 cm土层，SVF和CKF的土壤速效钾含量均极显著高于PHF，分别高出 46.4%和38.8%；在20～40 cm土层，SVF的速效钾较CKF和PHF分别显著高出20.1%和28.2%。

2.2 土壤C、N、P化学计量学特征

3种植被类型土壤的C/N在9.88～10.23，相对稳定，在不同土层、不同植被类型之间均差异不显著；C/P在3.01～6.01、N/P变化在0.29～0.60，均随土层加深而减小，其中CKF和SVF土壤的C/P和N/P在不同土层间差异显著；PHF土壤 0～20 cm土层的C/P显著高于20～40 cm，但N/P在不同土层间无显著差异。在0～20 cm土层，CKF和SVF的土壤C/P和N/P均显著高于PHF；在土壤20～40 cm土层，CKF土壤C/P和N/P显著高于PHF；在40～60 cm土层3种植被的C/P和N/P差异不显著(表2)。

表2 3种植被类型的土壤化学计量特征Table 2 The soil stoichiometric characteristics in three vegetation types

2.3 不同植被类型土壤养分主成分分析

2.3.1 土壤养分主成分分析的方差贡献率 主成分分析中，方差大小表示测定指标在主成分方向上的分散程度，方差越大，说明主成分在样本数据分析中的作用越大[12]。对3种植被土壤养分指标进行主成分分析，根据主成分个数选取原则(特征值>1)，得到3个主成分(表3)，方差累计贡献率为88.68%，能够反映出土壤养分88.68%的变异信息。

表3 土壤养分主成分分析的方差贡献率Table 3 Variance contribution of principal component analysis of soil nutrients

2.3.2 不同植被类型土壤养分的主成分得分 由表4的主成分载荷矩阵可以得出，主成分1与有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾含量的相关系数均大于0.8，能很好地代表这些指标的信息；主成分2与全钾含量的相关性强；主成分3与全磷含量的相关性强。根据各指标在前3个主成分的得分系数(表5)，得出土壤养分的前3个主成分的函数表达式为：

F1=0.173X1+0.175X2+0.184X3+0.183X4-0.024X5+0.172X6+0.069X7+0.17X8-0.012X9

F2=0.01X1+0.03X2+0.002X3-0.005X4-0.079X5-0.081X6+0.672X7+0.132X8+0.503X9

F3=0.114X1+0.092X2-0.059X3-0.067X4+0.802X5-0.05X6-0.267X7-0.062X8+0.341X9

F=0.683×F1+0.178×F2+0.139×F3

式中：X表示土壤养分测定指标，X1～X9分别表示土壤有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾和pH值，F1～F3表示土壤养分主成分的得分值，以表3中土壤养分3个主成分的方差贡献率作为权重进行加权求和，建立植被类型土壤养分综合评价数学模型，即可得到综合得分F(表5)。

结果表明，SVF林地土壤养分的综合得分最高，其次为CKF林地，PHF林地得分最低，说明以爬地柏作为植被恢复树种最有利于土壤养分状况的改善。

表4 不同植被类型土壤养分的主成分载荷及因子得分系数矩阵

表5 不同植被类型土壤养分综合评价结果

3 讨论

土壤pH值与土壤养分积累和微生物活动息息相关，过酸或过碱都会影响土壤的结构改善、水气状况协调和土壤养分积累并阻碍植物生长发育[13]。在本研究中，随土层深度增加，不同土层的pH值变异性很小，并在不同植被间也表现稳定，根据土壤pH值的分级标准[6]，研究区域壤属于强碱性(pH值>8.5)，原因一方面是由于试验区位于毛乌素沙地边缘，土壤本身盐碱化程度高引起[14]，另一方面土壤pH值受气候条件、水热条件以及成土母质等的综合影响，是相对稳定的土壤指标，因而不同土层、不同植被间差异不显著，这在杨红等[15]的研究中也得到印证。

土壤有机碳主要来自土壤动植物残体以及枯落物的分解，对土壤的理化性质和生物特性都具有深刻影响，是衡量土壤肥力的重要参数[16-17]。研究表明，3种植被土壤有机碳随土层深度的增加而下降，有明显的“表聚效应”，这与闫丽娟等[2]和安静等[18]的研究结果相一致，可能是因为植物根系主要分布表层土壤，参与有机质分解活动的土壤动物、微生物也主要集中在表层，地表枯落物的分解物随水或其他介质向下淋溶首先进入表层土壤，这些因素共同作用使得表层含量相对较高[19]。本研究CKF林地有机碳含量最高，显著高于PHF林地，究其原因可能是柠条是豆科灌木，其根部的根瘤菌通过固定空气中的游离态氮作用促进了土壤有机碳增加[20]，也可能是不同植被类型的土壤有机质的输入和输出方式不一样，致使不同植被林地对有机碳的积累存在差异[21]。

全氮、全磷、全钾是土壤中各种形态氮、磷、钾的总和，速效氮、速效磷、速效钾是植被直接吸收利用的主要形式[22]。研究发现3种植被的土壤全氮以及速效养分含量均呈现上层高于下层的规律，存在这种现象的原因可能是表层植被根系密集，土壤透气性强，水热条件良好，有利于土壤微生物活动，促进了土壤营养元素积累[3]，其中CKF林地全氮和硝态氮含量最高，SVF铵态氮较高，这是因为柠条根系的根瘤菌有很强固氮作用，不仅丰富了土壤氮素还有助于改良土壤，另外当铵态氮与硝态氮同时存在时，铵态氮会抑制微生物对硝态氮的吸收[23-24]。有研究表明[17,25]，土壤有机碳的增加会促进氮素的积累，植被恢复可显著优化土壤有机碳与全氮之间的线性相关性，本研究也发现，土壤全氮含量与有机碳含量呈极显著正相关(CKF、SVF、PHF中两者之间相关系数分别为0.994、0.997、0.983)。土壤全磷、全钾主要源于岩石风化，而风化是个漫长过程(植被恢复仅5年)，另外研究区土壤母质和发育过程基本相同，从而导致全磷和全钾在不同土层和植被类型间差异不显著[26]。在0～60 cm土层，土壤速效磷、速效钾含量表现为SVF>CKF> PHF，一可能是因为爬地柏的根系发达，萌蘖力强，对盐碱、干旱、风蚀生境适应能力强，从而促进了土壤速效养分的积累；二可能是土壤速效磷含量与碱性磷酸酶活性强弱相关联，有可能SVF林地土的壤碱性磷酸酶活性较高，促进了有机磷的水解，全磷的矿化作用提升，因而速效磷增加，另外SVF对土壤速效钾同质作用较强，有积累优势[27-28]；三可能是不同植被类型的生理特性存在差异，对土壤养分的累积、消耗机制不同，也会引起不同，有待今后深入研究。

一般而言，C/N反映土壤有机质分解能力强弱，比值低，分解能力强；C/P用于衡量土壤有机质矿化释放磷或吸收固持磷的能力，C/P较高时不利于养分有效磷的释放；N/P是判断土壤N和P不足的指标，<14时表示植被生长受N限制[29]。本研究的3种植被类型土壤的C/N在9.87～10.23、C/P在2.95～6.00、N/P在0.29～0.60，均低于全国土壤C/N、C/P、N/P平均水平(12.01、25.77、2.15)[2]，依据国家第二次养分普查标准[30]，土壤磷元素相对碳、氮元素含量偏高，反映出该区土壤碳、氮含量缺乏，主要原因是该区长期受风沙危害严重，植被退化严重、腐殖质含量低，导致林地养分含量低[31]，凸显了植被恢复的重要性。研究区土壤C/N在不同土层、不同植被类型间差异不显著，土壤C/P和N/P随土层加深减小，0～40 cm层CKF的C/P和N/P显著高于PHF，这与朱秋莲等[32]的研究结果相似，这种差异可能由两方面原因造成：一是土壤碳与氮显著相关，受环境影响变化趋势基本同步[33]，二是不同植被类型养分元素含量存在差异，进而影响C/P和N/P。

不同的土壤养分指标之间可能存在相关性，不同植被类型的土壤养分指标的变化趋势不尽相同，这不利于评价植被类型土壤养分状况的好坏。而主成分分析法可将原来多个相互关联的变量转化为少数几个不相关且包含不重复信息的综合指标，最大限度地保留了原始数据的信息[34]，因此被许多学者用于土壤质量评价[35]或土壤养分状况评价[12]。本研究通过主成分分析法得出爬地柏林地土壤养分的综合得分最高，其次为柠条林地，河北杨林地最低，说明同样的立地条件下，恢复相同年限时，爬地柏林地的土壤养分改善作用最明显，可作为该区植被恢复的优选树种。

4 结论

1)3种植被类型的土壤养分总体随土层深度增加呈下降趋势，植被类型对土壤养分的影响主要表现在0～40 cm土层。在0～20 cm土层柠条和爬地柏更利于土壤碳氮的累积，而爬地柏林地速效磷水平最高。在20～40 cm土层，柠条林地的铵态氮和硝态氮含量最高，最有利于土壤氮的矿化作用，而爬地柏林地土壤钾素供应能力最强。

2)植被类型对0～40 cm土层的C/P和N/P影响显著，柠条和爬地柏林地的碳氮供应状况明显优于河北杨林地。

3)爬地柏林地的土壤养分状况最好，可作为该区植被恢复的最适宜树种。