干旱荒漠区人工梭梭林土壤碳氮磷密度与生态化学计量特征

2022-05-26魏亚娟党晓宏韩彦隆段晓婷

水土保持学报 2022年3期

魏亚娟，汪季,2，党晓宏,2，韩彦隆，高岩，段晓婷，金山

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古鄂尔多斯 017400；3.中盐内蒙古化工股份有限公司盐碱分公司资源保护站，内蒙古阿拉善 750336)

土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)是表征土壤肥力和生产力的重要指标。三者不仅是植物生长发育的重要物质来源，而且影响植物对养分的吸收、利用等一系列生物生化过程。土壤作为植被生长发育的基础，其C、N、P密度和生态化学计量变化影响植物对土壤养分的利用策略。土壤C、N、P密度和生态化学计量空间异质性与土壤类型、植被类型、土壤物理因子、气候因子、人类活动和林龄密切相关。同时，其密度和生态化学计量比在探究土壤养分供给能力和内部循环过程中发挥着重要作用。因此，加强对土壤C、N、P密度及其化学计量特征的研究，对维系局域土壤质量、保护生态环境具有重要意义。

干旱荒漠生态系统占全球生态系统总面积的18.5%。由于蒸发强烈且降雨稀少，荒漠区水分收支失衡，加之植被稀疏，导致荒漠生态系统非常脆弱。人工造林是荒漠区生态恢复的有效措施之一，其不仅能防风固沙，改善局域内水热环境、恢复地表植被，还能有效改善土壤养分状况，提升荒漠生态系统固持碳氮的能力。梭梭()作为藜科梭梭属小乔木，因其耐干旱瘠薄，成为干旱荒漠区重要的防风固沙树种。自20世纪50年代以来，吉兰泰盐湖资源掠夺式开发导致盐湖周边天然梭梭林遭到大面积破坏，绿洲沙化面积不断扩大，严重影响盐湖正常的生产活动。为了改善盐湖周边生态环境，维持盐湖正常生产，先后营建人工梭梭林7 664 hm，在当地防风固沙林中占有重要地位。近年来，学者们对吉兰泰人工梭梭林的研究主要集中于其枝系构型、生态与生理特性和土壤养分等方面。然而，对研究区梭梭土壤C∶N∶P密度及其生态化学计量的变化尚不清晰。

据此，本研究以吉兰泰干旱荒漠区4种林龄(3，6，11，16年)的人工梭梭林作为研究对象，分析人工梭梭林不同深度土壤C∶N∶P密度及其生态化学计量比随林龄的变化特征，探讨不同林龄人工梭梭林土壤养分的循环、平衡及限制状况，以期为干旱荒漠区人工林的建设和管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于乌兰布和沙漠西南缘荒漠区(105°47′08″—105°47′38″E，39°46′58″—39°47′40″N)，海拔960～979 m。年均气温8.6 ℃，绝对最高温40.9 ℃，绝对最低温-31.2 ℃，年均地温10.5 ℃。年均降水量125.7 mm，主要集中在6—7月，占全年降水量的52.75%以上。年均潜在蒸发量3 005.2 mm，年均风速3.5 m/s，最大风速15 m/s，全年大风日数在34天左右，且以西北风为主。常见植物以灌木、半灌木为主，建群种为梭梭，并分布少量白刺()、沙蒿()、红砂()和沙米()等。研究区土壤类型以风沙土为主，土壤养分贫瘠。

1.2 植被调查与采样

于2019年8月中旬，选择立地条件基本一致3，6，11,16年人工梭梭林，每种林龄分别设立3个20 m×20 m标准样地，共设置12个标准样地。样地之间相距不足1 km；对样地内所有梭梭株高、基径、冠幅进行调查；然后按照“品”字形设置3个1 m×1 m的样方，调查样方内草本，并收集样方内地表枯落物(表1)。然后用土钻自上而下分别采集0—20，20—40，40—60 cm土层的土壤样品，将同一样地相同土层土壤均匀混合装入塑封袋，带回实验室备用。同时，用环刀取每一土层深度原状土进行土壤容重()、含水量()和孔隙度(STP)的测定。

1.3 土壤理化性质测定

将枯落物和土壤样品带回实验室，枯落物置于80 ℃烘箱烘干至恒重。土壤样品经自然风干，去除砾石、枯落物、根系等杂物，研磨后分别过1.000,0.149 mm土壤筛，用于土壤pH、SOC、TN和TP的测定。土壤pH、SOC采用重铬酸钾—外加热法测定，TN采用高氯酸—硫酸消化法测定，TP采用酸溶—钼锑抗比色法测定，土壤含水量采用烘干法测定，土壤容重采用环刀法测定，具体方法参照文献[12]。土壤孔隙度计算公式为：

表1 样地基本情况

1.4 土壤碳氮磷密度测定

第层土壤SOC、TN、TP密度计算方法为：

SOC=SOC×××(1-001)×100

TN=TN×××(1-001)×100

TP=TP×××(1-001)×100

式中：SOC、TN、TP分别为第层土壤碳、氮、磷密度(g/m)；SOC、TN、TP分别为土壤有机碳、全氮、全磷含量(g/kg)；为土壤容重(g/cm)；为土层深度(cm)；为>2 mm砾石质量百分含量(%)。本研究显示>2 mm的砾石含量为0，因此忽略不计。

1.5 数据处理

使用Excel 2007软件处理数据，使用SPSS 20.00软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和双因素方差分析(Two-way ANOVA)。利用Origin 2017软件进行作图和最优拟合分析。利用变异系数表示不同林龄和土层深度土壤SOC、TN、TP及其生态化学计量比的变异情况。其公式为：

式中：CV为变异系数；为标准偏差；为平均值。根据Jobbage等的划分标准，将变异系数分为3级：<10%为弱变异，10%～100%为中等变异，≥100%为强变异。

2 结果与分析

2.1 不同林龄人工梭梭林土壤容重、总孔隙度、含水量和pH的变化

由图1可知，对同一土层而言，梭梭林土壤pH随林龄增大而增加，而土壤孔隙度、含水量和容重变化各异。而且，各林龄土壤容重、总孔隙度和pH差异不显著(>0.05)，表明在吉兰泰建植梭梭林并未显著改善0—60 cm土层的土壤物理性质。在40—60 cm土层，6，11，16年梭梭土壤含水量分别是3年的6.14，1.57，6.46倍，说明在荒漠区建植梭梭林有利于土壤水分蓄积。对同一林龄而言，梭梭林土壤各指标随土层深度增加变化各异，且各土层土壤pH差异不显著(>0.05)。此外，除16年外，3，6,11年梭梭林土壤容重、土壤总孔隙度和土壤含水量差异不显著(>0.05)。16年土壤总孔隙度、土壤含水量在20—40 cm土层较0—20 cm分别增加17.47%和81.52%(<0.05)，土壤容重减少13.33%(<0.05)。

2.2 不同林龄人工梭梭林土壤SOC、TN、TP含量变化

由表2可知，在0—60 cm土层范围内，土壤SOC、TN含量随梭梭林龄增加整体呈增加趋势，而TP含量与之相反。各林龄梭梭土壤SOC、TN、TP含量在不同土层深度范围存在差异。其中，3，6年梭梭林土壤SOC、TN含量随土层深度增加而降低，11，16年土壤SOC含量与之相反。各林龄梭梭土壤TP含量均随土层深度增加而降低。在0—60 cm，16年梭梭土壤SOC和TN含量较3年增加85.71%(<0.05)。土壤SOC、TN、TP含量变异系数均属于中等变异。土壤SOC变异系数随林龄和土层深度增加逐渐降低，说明土壤SOC随林龄和土层深度增加逐渐趋于稳定。土壤TN和TP变异系数随林龄变化较小，说明TN和TP含量维持在比较平稳的状态。

2.3 不同林龄人工梭梭林土壤C∶N∶P密度变化

由表3可知，SOC密度、TN密度随林龄增加而升高，TP密度与之相反。其中，与3年梭梭相比，16年梭梭土壤SOC密度增加85.71%(<0.05)，且3，6，11年与16年梭梭土壤SOC密度差异显著(<0.05)，TN密度、TP密度在各林龄之间差异不显著(>0.05)，说明不同林龄梭梭林土壤TN密度、TP密度维持在比较平稳的状态。SOC密度、TN密度变异系数随林龄增加而逐渐降低，但TP密度变异系数无规律性。

由图2可知，3年和6年梭梭土壤SOC密度、TN密度随土层深度增加而升高，而11，16年梭梭土壤SOC密度、TN密度与之相反；各林龄梭梭土壤TP密度随土层深度增加而降低。同一土层不同林龄土壤SOC密度、TN密度和TP密度无统一变化规律。同一土层不同林龄梭梭土壤SOC密度、TN密度差异显著(<0.05)。其中，在0—20 cm土层，16年梭梭土壤SOC密度、TN密度较3年分别增加397.37%，51.02%(<0.05)。20—40 cm土层，16年梭梭土壤SOC密度、TN密度较3年分别增加300.64%，18.00%(<0.05)。TP密度在同一林龄不同土层和同一土层不同林龄间差异均不显著(>0.05)。

注：图柱上方不同大写字母表示同一土层下不同林龄之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一林龄不同土层之间差异显著(P<0.05)。下同。

表2 4种林龄人工梭梭林各土层土壤SOC、TN和TP含量

2.4 不同林龄人工梭梭林土壤C∶N∶P

由表4可知，0—60 cm土层土壤C∶N随林龄增加呈增加趋势，而C∶P和N∶P随林龄增加无显著变化。此外，各林龄梭梭土壤C∶N、C∶P和N∶P随土层深度增加变化各异。其中，3，6年梭梭林土壤C∶N、C∶P随土层深度增加而增大，11，16年梭梭林土壤C∶N、C∶P随土层深度增加而降低，而N∶P随土层深度增加而降低。土壤C∶N、C∶P、N∶P均属于中等变异，其变异系数随林龄增加而逐渐降低，说明在梭梭林建植初期，C∶N、C∶P、N∶P生态化学计量比不稳定，但随着建植年限增加，其逐渐趋于平稳的状态。

表3 不同林龄人工梭梭林土壤碳氮磷密度

图2 不同林龄人工梭梭林各层土壤碳氮磷密度

2.5 人工梭梭林土壤理化性质和C∶N∶P化学计量比的影响因素

2.5.1 林龄和土层深度通过对人工梭梭林林龄和土层深度的土壤理化性质和C∶N∶P化学计量比进行双因素方差分析(表5)发现，林龄和土层深度对梭梭林土壤SOC含量、SOC密度、C∶N和C∶P有显著影响。同时，对林龄和土层深度的交互作用进行简单效应分析发现，二者的交互作用对SOC含量、SOC密度、C∶N和C∶P也具有显著影响(<0.01)。此外，林龄和土层深度对SM、pH影响显著，而对土壤、STP、TN、TP含量N∶P影响不显著。

2.5.2 土壤C∶N∶P生态计量比与土壤理化性质的相关性及趋势变化由表6可知，SOC密度与SOC、TN分别呈极显著正相关(<0.01)和显著正相关(<0.05)；TN密度与SOC、TN呈极显著正相关(<0.01)；TP密度仅与TP呈极显著正相关(<0.01)；STP与SOC密度呈显著正相关(<0.05)；C∶N与SOC呈极显著正相关(<0.01)，与TN呈显著负相关(<0.05)；C∶P与SOC呈极显著正相关(<0.01)，与TP呈显著负相关(<0.05)；N∶P与TN呈极显著正相关(<0.01)，与TP呈显著负相关(<0.05)。对上述相关性显著的指标进行拟合分析，TN与C∶N之间存在斜率为负的线性关系，TP分别与C∶P和N∶P之间存在斜率为负值的指数函数关系。SOC密度与SOC、TN和STP，TN密度与SOC、TN、TP密度与TP，SOC与C∶N、C∶P以及TN与N∶P之间存在斜率为正的线性关系(表7)。

3 讨论

3.1 人工梭梭林对土壤SOC、TN、TP含量的影响

本研究中，4种林龄梭梭土壤SOC、TN含量随林龄增加而增大，说明梭梭在生长过程中表现为明显的碳汇作用，也说明土壤碳、氮积累存在一定偶联关系。土壤TP含量随林龄增加逐渐减小，说明梭梭生长增加了对土壤磷的消耗。已有研究表明，表层土壤SOC、TN含量高于深层土壤。但是，研究区3，6年梭梭土壤SOC、TN含量随土层深度增加而增大，与淑敏等对科尔沁沙地土壤的研究结果相悖，其研究表明，樟子松人工林土壤SOC、TN含量随土层深度增加逐渐降低。原因为吉兰泰气候环境恶劣，3，6年梭梭冠幅较小，枯落物较少，强烈风沙活动导致林内表层有限的凋落物和黏粉粒被风吹走，土壤养分损失严重。其次，可能与梭梭造林方式—水冲造林有关，水冲造林过程中水流将表层粉黏粒冲到底层，导致下层土壤SOC、TN含量大于表层。11，16年人工梭梭林土壤SOC、TN含量随土层深度增加而减小，说明随着梭梭林龄增加，株高、冠幅和侧影面积增加，削弱了过境的风沙活动，土壤表层可蚀性减弱，使粉粒和黏粒在其周围沉积，增强了地表土壤黏结力，下垫面趋于稳定。本研究表明，与SOC含量相比，不同林龄和土层深度的TN含量无显著差异(>0.05)，与伍方骥等对喀斯特植被恢复过程的研究一致。土壤TN主要来源于枯落物分解、植物固氮和大气降尘，然而，干旱区降雨和温度等气候因子并不利于凋落物分解。而且梭梭纯林化，导致氮素归还能力弱，从而限制了土壤TN的来源。此外，梭梭林土壤SOC、TN、TP含量分别介于0.37～1.67，0.15～0.22，0.21～0.34 g/kg，含量远低于全国平均水平和北方典型风沙区表层土壤(12.2，1.2，0.8 g/kg)。该结果与董雪等对乌兰布和沙漠荒漠灌丛的研究结果相一致，主要归因于吉兰泰极端的生境条件。吉兰泰降雨稀少，植被盖度低，表层土壤微生物活性较低，凋落物分解速率较慢且时间长，加之研究区土壤类型为风沙土，不利于土壤养分固存。

表4 不同林龄人工梭梭林各土层土壤C∶N、N∶P和C∶P

表5 林龄和土层深度对杉木人工林土壤理化性质及C∶N∶P化学计量比的影响

表 6人工梭梭林土壤理化性质和C∶N∶P密度及其生态化学计量比的相关性分析(n=60)

表7 人工梭梭林土壤各指标之间的关系

3.2 人工梭梭林建植对土壤碳氮磷密度的影响

土壤养分密度是衡量土壤肥力和土地生产力水平的重要指标。研究区人工梭梭林0—60 cm土层SOC、TN和TP密度随林龄增大而增加。尤其16年梭梭土壤SOC密度较3年增加178.46%，说明荒漠区建植梭梭能明显提高局域土壤碳汇能力。而且，群落植物种类随林龄逐渐增加(表1)，说明随着林龄增加，林内环境越来越有利于草本定居。但是，3，6年梭梭土壤SOC密度、TN密度随土层深度增加而增大，该结果与董雪等对乌兰布和沙漠典型灌木的研究结果相悖。另外，11，16年人工梭梭林土壤SOC密度、TN密度随土层深度增加而降低。其原因与SOC、TN含量的变化相同。相关分析发现，SOC密度与STP呈显著正相关关系，说明梭梭在生长发育过程中，改善了土壤孔隙度，有利于SOC的固持，从而在梭梭周围形成“肥岛”效应。各林龄梭梭TP密度随着土层深度增加而减少，与何高迅等对滇中退化山地的研究结果一致。因为土壤TP主要来源于岩石风化和凋落物分解。研究区土壤属于风沙土，凋落物质量低且分解缓慢，吉兰泰干燥的气候环境导致凋落物和岩石中的磷元素淋溶缓慢。另外，随着梭梭林龄的增加，梭梭对TP的需求增加，当表层土壤不能满足梭梭所需，需要从深层土壤获取。因此，导致表层TP密度大于下层。

3.3 人工梭梭林建植对土壤C∶N∶P生态化学计量比的影响

研究区人工梭梭林样地土壤C∶N、C∶P、N∶P显著低于全国平均水平(表8)。人工梭梭林土壤C∶N、C∶P随林龄增加整体呈递增的趋势。土壤C∶N为2.24～9.21，其值远<25，说明研究区土壤碳较为缺乏，且有机质分解速率和积累速率较低。但是随梭梭林龄增加，土壤SOC积累速率将会大于分解速率。土壤C∶P为1.59～7.05，表明研究区土壤P的有效性相对较高，P的矿化速率也相对较高，微生物分解有机质过程中受P的限制可能性较小。该结果与陶冶等和李红林等分别对准格尔荒漠区和塔里木盆地北缘绿洲的研究结果一致。土壤N∶P随梭梭林龄增加整体呈逐渐降低的趋势。研究区土壤N∶P仅为0.56～0.81，表明研究区梭梭生长发育可能受到氮限制。由于森林生态系统的功能是土壤、凋落物和叶片三者之间相互作用的结果。单一生态化学计量比不能很好地反映梭梭的生长状况，因此，在今后试验过程中，需要对不同林龄梭梭凋落物和叶片养分含量进行测定，从而对梭梭生长的限制因素进行诊断。通过双因素方差分析发现，林龄、土层深度及其交互作用对土壤C∶N、C∶P产生显著影响(<0.05)。C∶N与SOC的相关系数大于TN，而C∶P与SOC的相关系数大于其与TP，说明C∶N、C∶P主要受控于SOC含量。而且，土壤TP与C∶P、N∶P分别呈极显著负相关(<0.01)，说明TP是影响梭梭林土壤C∶P、N∶P的关键元素。