劉 愿, 陳云明,2, 梁思琦, 陳 晨

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)中能量平衡和化學(xué)元素平衡的一門學(xué)科[1-2]，強(qiáng)調(diào)有機(jī)體主要組成元素碳、氮、磷、鉀化學(xué)計(jì)量特征之間的關(guān)系，對(duì)植被演變動(dòng)態(tài)、土壤養(yǎng)分循環(huán)及其平衡機(jī)制起到關(guān)鍵作用[3-8]，已被應(yīng)用到分子、種群、群落以及生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)方面[2]。

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和化學(xué)元素儲(chǔ)庫(kù)，是植物賴以生存的基礎(chǔ)。研究人工林土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，對(duì)認(rèn)識(shí)人工林的元素循環(huán)過程及實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能的可持續(xù)管理均具有重要的理論和實(shí)踐意義。碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)是土壤重要組成元素，是反映土壤內(nèi)部元素循環(huán)的主要指標(biāo)及平衡特征的重要參數(shù)。淑敏等對(duì)科爾沁沙地不同年限樟子松人工林土壤的研究發(fā)現(xiàn)，各年限土壤同時(shí)受N，P養(yǎng)分限制較顯著[9]。曹娟等對(duì)不同年限杉木人工林土壤C，N，P含量的研究發(fā)現(xiàn)，土壤C∶N和C∶P主要受土壤有機(jī)碳的影響，如何調(diào)控杉木有機(jī)碳含量顯得十分必要[10]。許多研究表明，土壤的C，N，P及化學(xué)計(jì)量隨年限增加有明顯的動(dòng)態(tài)變化，能夠較好地指示植被恢復(fù)狀況[11-15]。目前，對(duì)于不同年限刺槐土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究仍然不足，尤其是不同元素化學(xué)計(jì)量比基于年限的變化是否有相似的情況尚不確定。因此，開展不同年限刺槐林下土壤化學(xué)計(jì)量特征變化的研究則顯得尤為重要，以期為探究土壤養(yǎng)分限制、循環(huán)和平衡調(diào)控機(jī)制提供理論依據(jù)。

陜北黃土丘陵區(qū)水土流失嚴(yán)重，人工造林已成為該地區(qū)水土流失治理和生態(tài)環(huán)境改善的主要途徑[16]。刺槐(Robiniapseudoacacia)根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)迅速、耐干旱瘠薄，是黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持的主要造林樹種[17]。本研究以陜西省延安市安塞區(qū)紙坊溝和縣南溝流域不同年限刺槐人工林為研究對(duì)象，通過對(duì)不同年限刺槐林土壤C，N，P，K含量的測(cè)定和分析，探討土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征隨年限的變化規(guī)律，為刺槐人工林的改善撫育作理論指導(dǎo)，為提高生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和利用效率提供依據(jù)，進(jìn)而對(duì)黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)、土壤養(yǎng)分和營(yíng)養(yǎng)元素的平衡提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院安塞區(qū)水土保持綜合試驗(yàn)站紙坊溝流域和縣南溝流域，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，是延河支流杏子河下游的一級(jí)支溝，地理位置在東經(jīng)109°13′46″—109°16′3″，北緯36°42′42″—36°46′28″，海拔高度為1 041.5～1 425.7 m，地貌類型屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)，流域內(nèi)地形破碎，溝壑密度為8.06 km/km2，水土流失嚴(yán)重；氣候類型屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為8.8℃，干燥度為1.5，無霜期為157～194 d；年平均降水量為542.5 mm，降水年際年內(nèi)分布不均，7—9月降水量占年降水量的61.1%，且多暴雨；流域內(nèi)土壤是以黃綿土為主，約占該地區(qū)總面積的95%，抗沖抗蝕能力差；植被分區(qū)屬于暖溫帶森林草原過渡帶，天然林已遭破壞，主要植物有刺槐(Robiniapseudoacacia)、小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、黃刺玫(Rosaxanthina)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、茭蒿(Artemisiagiraldii)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 2016年5月末在研究區(qū)內(nèi)選擇3個(gè)年限的刺槐人工林地和1個(gè)撂荒地(CK)為研究對(duì)象，其中刺槐人工林分為幼齡林(9 a生)、中齡林(17 a生)和近熟林(30 a生)，每個(gè)年限選3塊樣地；撂荒地年限為9 a。選取的各樣地立地條件基本一致。樣地面積為20 m×20 m。研究樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本情況

1.2.2 樣品采集及測(cè)定 于每個(gè)年限的3個(gè)樣方內(nèi)，在樣地對(duì)角線上選取6個(gè)取樣點(diǎn)，用土鉆分別取0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm共5個(gè)層次的土壤樣品，同層分別混合為1個(gè)土壤樣品。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，剔除根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，過0.25 mm篩，用于土壤養(yǎng)分的測(cè)定。土壤C含量測(cè)定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法測(cè)定；土壤N含量測(cè)定采用半微量凱氏定氮法；P含量測(cè)定用鉬銻抗顯色法；K含量測(cè)定采用火焰光度計(jì)法測(cè)定[18]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法 采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)刺槐不同年限土壤C，N，P，K含量及其比值差異顯著性，顯著性水平設(shè)置為p=0.05。先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，若方差為齊性，用LSD法進(jìn)行多重比較；若方差為非齊性，則用Tamhane′s T2法進(jìn)行多重比較。采用Pearson相關(guān)分析法對(duì)刺槐土壤C，N，P，K含量及其比值進(jìn)行相關(guān)性分析。所有數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 17進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和Sigmaplot 10.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 刺槐人工林土壤C，N，P，K含量的變化規(guī)律

2.1.1 土壤C含量 不同年限刺槐人工林土壤和CK樣地的土壤C含量呈顯著性差異(p<0.05)，不同年限土壤平均C含量均顯著低于CK樣地，9 a顯著低于30 a，17 a分別與9 a，30 a之間差異不顯著(表2)。CK樣地和3個(gè)年限林分的土壤C含量隨著土層深度的增加而逐漸減少；同一年限不同土層，3個(gè)年限各土層土壤C含量均有顯著性差異，9 a土壤C含量表現(xiàn)為0—20 cm土層顯著高于20—100 cm土層，17 a土壤C含量表現(xiàn)為0—40 cm土層顯著高于40—100 cm土層，30 a土壤C含量表現(xiàn)為0—80 cm土層顯著高于80—100 cm土層；不同年限同一土層，除40—60 cm土層土壤C含量在各年限間有顯著性差異，其他土層在各年限間均無顯著性差異，40—60 cm土層土壤C含量表現(xiàn)為30 a顯著高于9 a，但17 a和二者均無顯著性差異，在20—40 cm和80—100 cm土層，9 a土壤C含量顯著低于CK樣地，但17 a，30 a與CK樣地?zé)o顯著性差異(圖1)。

2.1.2 土壤N含量 9 a和17 a刺槐人工林與CK樣地土壤N含量呈顯著性差異(p<0.05)，且二者均顯著低于CK樣地，30 a林分土壤N含量和CK樣地?zé)o顯著性差異，3個(gè)年限之間土壤N含量無顯著性差異(表2)。CK樣地和3個(gè)年限林分土壤N含量隨著土層深度的加深逐漸減少而趨于穩(wěn)定；同一年限不同土層，3個(gè)年限各土層土壤N含量均有顯著性差異，9 a土壤N含量表現(xiàn)為0—20 cm土層顯著高于20—100 cm土層，17 a土壤N含量表現(xiàn)為0—20 cm土層顯著高于40—100 cm土層，30 a土壤N含量表現(xiàn)為0—40 cm土層顯著高于60—100 cm土層；不同年限同一土層，除20—40 cm土層土壤N含量在各年限間有顯著性差異外，其他土層在各年限間均無顯著性差異，在20—40 cm土層土壤N含量表現(xiàn)為30 a和CK樣地顯著高于9 a和17 a，30 a和CK樣地之間無顯著性差異，在40—60 cm，80—100 cm土層，3個(gè)年限林分土壤N含量均顯著低于CK樣地(圖1)。

表2 不同年限刺槐人工林0-100 cm土層土壤養(yǎng)分含量 g/kg

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同小寫字母表示不同年限之間差異顯著(p<0.05)。

2.1.3 土壤P含量 9 a和17 a刺槐人工林土壤P含量呈顯著性差異(p<0.05)，但二者與30 a及CK樣地?zé)o顯著性差異(表2)。CK樣地和3個(gè)年限林分土壤P含量隨著土層深度的增加變化范圍較小；同一年限不同土層，3個(gè)年限和CK樣地各土層P含量差異不顯著；不同年限同一土層，在0—60 cm土層之間，3個(gè)年限林分土壤P含量差異不顯著，在60—100 cm土層之間，17 a顯著高于9 a，但二者與30 a均無顯著性差異，在40—80 cm土層之間，CK樣地顯著高于9 a，但與17 a，30 a無顯著性差異(圖1)。

2.1.4 土壤K含量 9 a土壤K含量和17 a差異不顯著，二者與30 a差異顯著，CK樣地顯著低于9 a(表2)。3個(gè)年限和CK樣地刺槐人工林土壤K含量隨著土層深度的增加而增加；同一年限不同土層，除17 a各土層K含量無顯著性差異，9 a和30 a均有顯著性差異，9 a土壤K含量表現(xiàn)為0—40 cm土層顯著低于80—100 cm土層，30 a土壤K含量表現(xiàn)為0—20 cm土層顯著低于40—100 cm土層；不同年限同一土層，在0—60 cm土層之間，9 a，17 a土壤K含量無顯著性差異，二者與30 a有顯著性差異，60—80 cm土層表現(xiàn)為9 a和30 a之間有顯著性差異，二者與17 a無顯著性差異，80—100 cm土層表現(xiàn)為9 a顯著高于17 a和30 a，CK樣地和17 a在20—80 cm土層土壤K含量均無顯著性差異(圖1)。

2.2 刺槐人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的變化規(guī)律

土壤C∶N的平均值表現(xiàn)為30 a>17 a>9 a>CK，其中3個(gè)年限之間差異不顯著，但30 a與CK樣地存在顯著性差異(p<0.05)。土壤C∶P的大小順序?yàn)镃K>30 a>17 a>9 a，30 a顯著高于9 a和17 a，9 a樣地的C∶P值顯著低于CK樣地。土壤C∶K依次為CK≈30 a>17 a>9 a，30 a和CK樣地差異不顯著，但二者均顯著高于9 a和17 a樣地。土壤N∶P，N∶K和P∶K變化范圍較小，3個(gè)年限之間N∶P無顯著差異，N∶K和P∶K均為CK樣地顯著高于9 a樣地。C∶N∶P均值由大到小依次為30 a>9 a>17 a>CK，3個(gè)年限之間無顯著差異，CK樣地顯著高于9 a和30 a(表3)。

注：大寫字母表示同一年限不同土層之間差異顯著(p<0.05)，小寫字母表示不同年限同一土層之間差異顯著(p<0.05)。

圖1 不同年限土壤C，N，P，K含量變化

表3 不同年限刺槐人工林0-100 cm土層土壤化學(xué)計(jì)量比

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同小寫字母表示不同年限之間差異顯著(p<0.05)。

不同年限土壤C∶N隨土層深度的增加出現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，平均值在7.50～8.96之間，但CK樣地土壤C∶N隨土層深度的增加而減少；同一年限不同土層，3個(gè)年限間均存在顯著性差異(p<0.05)，9 a和17 a樣地土壤C∶N為20—40 cm土層顯著高于60—80 cm土層，30 a樣地土壤C∶N為40—80 cm顯著高于80—100 cm土層；不同年限同一土層，3個(gè)年限均表現(xiàn)為差異不顯著，在20—60 cm土層，9 a和CK樣地土壤C∶N差異顯著(p<0.05)。土壤C∶P和C∶K隨土層深度的增加而逐漸減少；同一年限不同土層，二者9 a土壤均為0—20 cm顯著高于20—100 cm土層，17 a和CK樣地土壤均為0—40 cm顯著高于40—100 cm土層，30 a樣地土壤均為0—40 cm顯著高于80—100 cm土層；不同年限同一土層，不同年限土壤C∶P均為差異不顯著，在20—60 cm土層土壤C∶K表現(xiàn)為30 a和CK樣地顯著高于9 a樣地，在20—100 cm土層，CK樣地土壤C∶K顯著高于9 a樣地。土壤N∶P和N∶K隨土層深度的增加出現(xiàn)先減少后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；同一年限不同土層，二者9 a樣地土壤均為0—20 cm顯著高于20—100 cm，17 a和30 a土壤均為0—40 cm顯著高于40—80 cm，CK樣地土壤N∶P表現(xiàn)為0—80 cm土層之間無顯著性差異，而土壤N∶K為0—20 cm顯著高于40—60 cm；不同年限同一土層，在20—60 cm土層，土壤N∶P和N∶K均為CK樣地顯著高于9 a，在0—20 cm，60—80 cm土層，3個(gè)年限間土壤N∶P均無顯著性差異。土壤P∶K隨土層深度的增加變化范圍較小；同一年限不同土層，17 a和CK樣地土壤P∶K不同土層之間差異性不顯著，9 a土壤表現(xiàn)為0—20 cm顯著高于80—100 cm，30 a土壤表現(xiàn)為0—20 cm顯著高于60—100 cm；不同年限同一土層，30 a土壤P∶K所有土層均顯著高于9 a，在40—100 cm土層，17 a顯著高于9 a，在20—100 cm土層，17 a，30 a和CK樣地之間均無顯著性差異(圖2)。

注：大寫字母表示同一年限不同土層之間差異顯著(p<0.05)，小寫字母表示不同年限同一土層之間差異顯著(p<0.05)。

圖2 不同年限土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量變化

2.3 刺槐人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量及其比值的相關(guān)性分析

對(duì)3個(gè)年限刺槐人工林土壤養(yǎng)分含量及其土層深度做相關(guān)性分析(表4)，土壤C，N和K含量與土層深度有極顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤C，N含量與土層深度呈顯著負(fù)相關(guān)，K含量與土層深度有極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤P含量與其他3種元素含量均無相關(guān)性。

對(duì)3個(gè)年限刺槐人工林土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量比與土層深度做相關(guān)性分析(表5)，土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比均與土層深度表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。C∶N與C∶P，C∶K呈極顯著正相關(guān)，與N∶P，N∶K呈極顯著負(fù)相關(guān)；C∶P與C∶K，N∶P，N∶K表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系；C∶K，N∶P和N∶K互為極顯著正相關(guān)。

表4 不同年限土壤養(yǎng)分含量相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表5 不同年限土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 討 論

3.1 不同年限土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分含量

本研究中土壤表層的C，N含量均大于底層，這與很多研究觀點(diǎn)一致[19-21]。土壤C，N含量表現(xiàn)為隨年限增大逐漸增加的趨勢(shì)，可能與地表枯落物的累積、植物根系分解產(chǎn)生的C，N含量進(jìn)入土壤有關(guān)[21]。本研究區(qū)的土壤P含量平均值(0.58 g/kg)遠(yuǎn)低于黃土高原中部刺槐林土壤P含量平均值(1.12 g/kg)[12,20]和全球土壤P含量平均值(2.8 g/kg)[22]，這是由于土壤中P含量易受母質(zhì)、氣候、生物和地球化學(xué)過程等一系列因素的影響以及黃土高原地區(qū)風(fēng)化作用和水土流失形成的黃綿土所致，但其接近全國(guó)土壤P含量平均值(0.56 g/kg)。磷元素是一種沉積性的礦物，土壤中P的遷移率很低，在整個(gè)土層中分布均勻，不同年限對(duì)土壤P含量的影響較小。我國(guó)土壤中K含量一般在16.6 g/kg左右[23]，本研究中土壤K含量是18.78 g/kg，高于全國(guó)平均水平，這是由于K元素在自然界以化合物形式存在，K元素主要來自于土壤母質(zhì)分化，研究區(qū)的位置不同導(dǎo)致土壤K含量有所差異。3個(gè)恢復(fù)年限土壤C，N含量隨著土層深度增加而逐漸降低，土壤P含量在不同土層上變化不明顯，而土壤K含量隨著土層深度的增加而增加，土壤C，N，P和K含量在土壤剖面上的分布情況主要是由于C，N，P，K元素的來源不同引起的。C，N主要來自枯落物養(yǎng)分歸還和分解，這些元素先在土壤表層積累，再經(jīng)淋溶作用向下遷移；而P和K主要來自土壤母質(zhì)分化。

3.2 不同年限土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

土壤C∶N與有機(jī)質(zhì)分解速率成反比，是有機(jī)質(zhì)分解速率的有效指標(biāo)，也是衡量土壤C，N營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，影響土壤C，N的循環(huán)[24]。研究表明，中國(guó)土壤C∶N平均值在10～12之間[25]，本研究中土壤C∶N平均值為8.38，低于此平均值，這是由于隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)逐漸穩(wěn)定，而大氣N沉降和有機(jī)質(zhì)礦化作用使土壤N含量增加，從而使C∶N比值降低。本研究中，在0—100 cm土層內(nèi)C∶N變化范圍較小，是因?yàn)橥寥繡和N在空間分布上具有一致性[26]，因此C∶N在整個(gè)土層空間內(nèi)比較穩(wěn)定。隨著恢復(fù)年限的增加無明顯的變化，說明恢復(fù)年限對(duì)土壤C∶N的影響較小。

土壤C∶P反映磷有效性的高低，是衡量微生物礦化土壤有機(jī)物質(zhì)釋放磷或從環(huán)境中吸收固持磷元素潛力的一種指標(biāo)[27]。有研究表明，C∶P值低說明微生物在礦化土壤有機(jī)質(zhì)中釋放磷的潛力較大；C∶P比值高則說明土壤微生物對(duì)土壤有效磷具有同化趨勢(shì)，出現(xiàn)微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)吸收土壤有效磷的現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的固磷潛力[26]。本研究中，C∶P遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國(guó)平均值(61)，說明本研究中刺槐人工林地微生物在礦化土壤有機(jī)質(zhì)中釋放P的潛力較大，土壤微生物磷對(duì)土壤的有效磷庫(kù)具有補(bǔ)充作用，9 a和17 a的固磷能力低于30 a和CK樣地，說明隨著恢復(fù)年限的增加土壤固磷能力逐漸增強(qiáng)。

氮是植物生長(zhǎng)的必需礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，磷是生態(tài)系統(tǒng)的限制性元素，土壤N∶P可以作為衡量氮磷養(yǎng)分元素限制的指標(biāo)[24]。本研究中土壤N∶P均值大小為9 a<17 a<30 a

3.3 土壤養(yǎng)分含量及其比值的相關(guān)性分析

土壤C，N和K含量有極顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤C，N含量與土層深度有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，C∶N與C∶P，C∶K呈極顯著正相關(guān)，與N∶P，N∶K呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤C對(duì)土壤養(yǎng)分有良好的指示作用。土壤C，N含量和土層深度有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明隨著土層深度增加，土壤C，N含量減少，這與“表聚現(xiàn)象”具有一致性。土壤P含量與土層深度無相關(guān)性，表明土壤P元素不受土層深度的影響，土壤中的P大部分以有機(jī)態(tài)存在于土壤中。C∶K，N∶K和P∶K互為極顯著正相關(guān)，表明C，N，P元素均對(duì)K元素有較大影響。

4 結(jié) 論

(1) 隨著年限的增加，刺槐人工林土壤C，N含量逐漸增加，土壤P含量先增加后減少，在生長(zhǎng)后期補(bǔ)充P元素有助于改善人工林樹木的生長(zhǎng)情況，土壤C，N和K含量有極顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤P含量接近全國(guó)平均值，K含量逐漸減少但高于全國(guó)平均值。

(2) 刺槐人工林地土壤C，N含量在空間分布上具有一致性，在0—40 cm土層含量逐漸減少，40 cm以下逐漸趨于穩(wěn)定，表層土壤C，N含量明顯高于底層。P和K含量在整個(gè)空間分布均勻，無明顯差異。土壤C，N含量與土層深度呈顯著負(fù)相關(guān)，P含量不受土層深度影響。

(3) 土壤C∶N，C∶P，C∶K，N∶P，N∶K和P∶K隨年限的增加均呈增大的趨勢(shì)。土壤C∶N在整個(gè)土層中變化范圍較小，土壤C∶P，C∶K，N∶P和N∶K在整個(gè)土層內(nèi)逐漸減少后趨于穩(wěn)定，表層均顯著高于底層。C∶N與C∶P，C∶K呈極顯著正相關(guān)，該研究區(qū)土壤C∶N對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解速率具有指示作用。