高君亮, 羅鳳敏, 段 娜, 陳曉娜, 劉禹廷, 羅紅梅, 郝玉光

(內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站/中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200)

綠洲是指荒漠地區(qū)有水源支撐，適于植物生長和人類居住的地方[1-3]，是干旱、半干旱地區(qū)特有的地理景觀[4]。綠洲是干旱區(qū)的精華，在我國，僅占干旱區(qū)總面積3%～5%的綠洲，卻養(yǎng)育了干旱區(qū)90%以上的人口，創(chuàng)造了95%以上的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值[2-3]。綠洲化是一個(gè)將自然生態(tài)系統(tǒng)通過人類活動(dòng)提升至人工生態(tài)系統(tǒng)的過程[3]。在綠洲化過程中，人類活動(dòng)改變了以水為主導(dǎo)因素的區(qū)域水、土、氣、生過程及其相互作用[5]。其中，土壤環(huán)境的改變是綠洲化過程中的一個(gè)重要方面，綠洲化過程使土壤結(jié)構(gòu)改善，肥力提高，土地熟化等[2]。揭示綠洲土壤環(huán)境特征的變化可為綠洲可持續(xù)經(jīng)營與發(fā)展提供理論依據(jù)。土壤C，N，P元素是生物體體內(nèi)元素的本質(zhì)組分與主要來源，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)及多元素平衡過程中發(fā)揮著重要作用[6-7]。此外，N和P又是陸地植被生長的主要養(yǎng)分限制因子。因此，研究土壤C，N，P及其化學(xué)計(jì)量特征對(duì)揭示養(yǎng)分可獲得性及C，N，P元素的循環(huán)和平衡機(jī)制具有重要的科學(xué)意義[8]。

河套綠洲是國家重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是內(nèi)蒙古規(guī)模最大的綠洲。烏蘭布和沙漠綠洲作為河套綠洲的組成部分，是內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)移民的移入?yún)^(qū)，為緩解生態(tài)危困地區(qū)人口壓力，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)繁榮和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)揮了重要的作用[9]。烏蘭布和沙漠綠洲以農(nóng)田為主，防護(hù)林鑲嵌配套而構(gòu)成。作為“三北防護(hù)林體系建設(shè)工程”的重要組成部分，烏蘭布和沙漠綠洲為河套地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和風(fēng)沙災(zāi)害的減少起著關(guān)鍵作用，長期以來備受眾多專家學(xué)者的關(guān)注。多年以來，眾多研究者在該區(qū)域已開展了大量的研究工作，主要包括：綠洲農(nóng)田土壤風(fēng)蝕監(jiān)測與評(píng)價(jià)[9-11]，綠洲防護(hù)體系防風(fēng)固沙效應(yīng)監(jiān)測[12-13]，不同土地利用類型的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[14-15]等。但是，長期定位監(jiān)測綠洲防護(hù)體系土壤養(yǎng)分特征的研究較少[9]，而關(guān)于土壤C，N，P化學(xué)計(jì)量特征的研究更是未見報(bào)道。基于此，本研究以烏蘭布和沙漠東北部綠洲為研究區(qū)，從綠洲化視角出發(fā)，長期(24 a)定位監(jiān)測綠洲化過程中土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、堿解氮(AN)和速效磷(AP)的含量，分析其變化特征以及土壤C，N，P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征。旨在了解土壤C，N，P含量及其化學(xué)計(jì)量比對(duì)綠洲化過程的響應(yīng)特征，為深入研究綠洲化提供依據(jù)，同時(shí)也為沙漠綠洲的可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)等提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部綠洲區(qū)，行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古磴口縣，監(jiān)測樣地位于中國林科院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心第二實(shí)驗(yàn)場。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，年均氣?.8℃，年均相對(duì)濕度47%，年均降水量140.3 mm，年均潛在蒸發(fā)量2 380.6 mm。土壤類型主要以風(fēng)沙土為主。天然植被以白刺(NitrariatangutorumBobrov.)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、沙米(Agriophyllumsqurrosum(L.)Moq.)等荒漠植被為主。人工植被中，喬木以楊柳科(Salicaceae)植物為主，灌木以梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge.)、花棒(HedysarumscopariumFisch.et C.A.Mey.)等為主。

1.2 土壤樣品采集

在綠洲建設(shè)初年設(shè)置長期監(jiān)測樣地并采集土壤樣品，以后每4 a采樣1次。在采樣地采用梅花狀設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)并做標(biāo)記，以保證后續(xù)監(jiān)測時(shí)原位采樣。每個(gè)樣點(diǎn)采集0—30 cm和30—60 cm兩層土樣，最后將5個(gè)采樣點(diǎn)同一層次的土樣混合[7]。

1.3 土壤樣品測定

土樣陰干后剔除雜物，充分混合均勻；然后按四分法分為4份，選擇其中1份分析土壤養(yǎng)分；樣品研磨后使之全部通過孔徑1.0 mm的土壤篩后分成2份，1份測定AN和AP含量，另1份用孔徑0.25 mm的土壤篩篩分，選粒徑<0.25 mm的樣品測定SOC，TN和TP含量。具體測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖；用SAS 9.0軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析(單因素方差分析和回歸分析)。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤C，N，P含量總體特征

研究區(qū)0—60 cm的SOC，TN和TP的平均含量分別為1.86，0.38，0.74 g/kg；AN，AP含量分別為22.81，0.98 mg/kg(表1)。5項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)均為中等變異(12.47%～16.46%)。其中，AN和AP的變異系數(shù)大于SOC，TN和TP，但是差異不顯著(p>0.05)。這是因?yàn)橥寥浪傩юB(yǎng)分含量及其動(dòng)態(tài)變化與土壤孔隙度數(shù)量、微生物種類與數(shù)量、水分含量、土壤及空氣溫度等關(guān)系很大，受這些因素的影響，其波動(dòng)范圍或不確定性等會(huì)得以加劇[17-18]，進(jìn)而導(dǎo)致其變異系數(shù)大于全效養(yǎng)分。

表1 土壤養(yǎng)分特征統(tǒng)計(jì)

2.2 綠洲化過程中土壤C，N，P含量變化特征

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，在24 a的綠洲化過程中，0—30 cm的5項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量均較30—60 cm的高，但是差異不顯著(p>0.05)。0—30 cm和30—60 cm的SOC，TN，TP，AN和AP含量均呈極顯著增加趨勢(R2=0.856～0.996，p<0.01)，可用線性函數(shù)y=ax+b來表述。其中，SOC和TN含量的增加趨勢相一致，前4 a內(nèi)增幅較大，后20 a增幅相對(duì)較小，前4 a內(nèi)0—30 cm和30—60 cm的SOC含量分別增加了10.5，11.09倍，TN含量分別增加了4.0，2.38倍。TP，AN和AP含量的增加趨勢近似，24 a內(nèi)TP含量增幅較小，0—30 cm和30—60 cm的TP含量分別增加了2.44，2.31倍，AN含量分別增加了9.25，13.12倍，AP含量分別增加了4.53，5.52倍。

2.3 綠洲化過程中土壤C，N，P化學(xué)計(jì)量比變化特征

如圖2所示，綠洲化過程中，土壤C∶N，C∶P，N∶P，AN∶AP的變化趨勢各不相同。C∶N值在0～4 a時(shí)間段內(nèi)增幅明顯，以后隨時(shí)間變化比較平穩(wěn)，波動(dòng)幅度不大，第12年時(shí)達(dá)到最大值；C∶P和N∶P值均在0～4 a有顯著增大的過程，第4 a時(shí)達(dá)到最大值，以后顯著減?。籄N∶AP在0～16 a有顯著增大的過程，第16年時(shí)達(dá)到最大值。此外，從圖中還可看出同一化學(xué)計(jì)量比值，0—30 cm和30—60 cm的變化趨勢是相一致的。

2.4 土壤C，N，P之間及其化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系

表2表明，研究區(qū)淺層(0—60 cm)土壤5項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)含量之間存在一定極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。C∶N與SOC，TN之間最優(yōu)擬合關(guān)系為極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(p<0.01)；C∶P與SOC，TP之間最優(yōu)擬合關(guān)系也為極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(p<0.01)；N∶P與TN，TP之間最優(yōu)擬合關(guān)系為二次函數(shù)關(guān)系，與TN達(dá)極顯著水平(p<0.01)，而與TP為顯著水平呈(p=0.02)；AN∶AP與AN為顯著冪函數(shù)關(guān)系(p=0.02)，與AP關(guān)系不顯著(p=0.09)，此外，從表中還可以看出，化學(xué)計(jì)量比值與分子的相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于與分母的相關(guān)關(guān)系。

3 討 論

3.1 綠洲化過程中土壤養(yǎng)分含量特征

土壤是陸地植物生長的主要基質(zhì)，其C，N，P元素是植物生長、發(fā)育及物質(zhì)循環(huán)過程中重要的化學(xué)元素，土壤養(yǎng)分的發(fā)展是地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)共同作用的結(jié)果[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著綠洲建設(shè)時(shí)間的延長，土壤中有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮和速效磷含量均有顯著的增加。綠洲建設(shè)初期，0—30 cm和30—60 cm的SOC含量為0.14，0.11 g/kg，24 a后增加到了3.07，2.96 g/kg。這主要是因?yàn)榫G洲化過程中，人工植被的建立、發(fā)育以及鄉(xiāng)土植物的生長增加了植被蓋度和生物量，枯枝落葉以及凋落物同步增多，大量枯落物留存于地表，根系的周轉(zhuǎn)、根系分泌物及根際微生物的積累等增加了土壤中有機(jī)碳的輸入。

圖1 土壤C，N，P含量變化特征

圖2 土壤C，N，P化學(xué)計(jì)量比變化特征

表2 土壤C，N，P含量及其化學(xué)計(jì)量比相關(guān)關(guān)系

注：“—”代表兩者之間未進(jìn)行相關(guān)分析。

研究表明，隨著林分年限增加，地上地下生物量均呈顯著增加趨勢。如朱玉偉等[20]發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)楊樹成熟林(22 a)的生物量是幼林(5 a)的12.66倍，其中，地下生物量由2.85 kg/株增加到21.92 kg/株，增長了8倍，地上生物量由22.56 kg/株增加大到299.83 kg/株，增加了13.29倍。趙英銘等[21]在磴口沙漠綠洲的研究中發(fā)現(xiàn)，胸徑10 cm的新疆楊樹林根系生物量為6.79 t/hm2，而胸徑40 cm的新疆楊樹林的根系生物量為169.83 t/hm2，增加了25倍；第二，植被的存在使地表粗糙度增加，降低了風(fēng)速，減輕了土壤風(fēng)蝕，使得地表細(xì)粒物質(zhì)留存，不斷地改善了土壤表面的物理性質(zhì)，為土壤養(yǎng)分的積累提供必要條件。此外，植被攔截風(fēng)沙流和部分大氣降塵，使得更多細(xì)粒物質(zhì)沉降在地面，進(jìn)而增加了SOC含量。研究結(jié)果與余海龍[19]，栗忠飛[22]，邱新彩[23]等的研究結(jié)果類似，即隨著植被恢復(fù)年限的增加，SOC呈顯著增加趨勢。N是土壤養(yǎng)分最重要的指標(biāo)，是植物吸收的大量元素之一。研究區(qū)0—30 cm和30—60 cm的TN含量分別由0.07，0.08 g/kg增加到了0.64，0.50 g/kg，AN含量分別由4.12，2.85 mg/kg增加到了42.22，40.24 mg/kg，研究表明，土壤N的95%來源于土壤有機(jī)質(zhì)[24]，綠洲化過程中，人工植被增多，沙化治理程度提高，天然植被也逐漸增多，枯落物數(shù)量增加，進(jìn)而使土壤N含量增加。這與廖空太等[24]的研究結(jié)果相一致，防風(fēng)固沙林定植20 a后，TN含量增加48.3%。P是一種沉積性礦物，不利于遷移，土壤TP含量主要受土壤母質(zhì)、氣候、植被的影響[25-27]，但是，有機(jī)質(zhì)的積累和礦化直接影響TP含量的變化，土壤TP的40%～60%來源于土壤有機(jī)質(zhì)[25]。綠洲化過程中，盡管TP的增加速率相對(duì)較慢，但是也從綠洲建設(shè)之初的0.36，0.35 g/kg增加到了1.24，1.16 g/kg。AP含量也由0.34，0.25 mg/kg增加到了1.88，1.63 mg/kg。有研究結(jié)果顯示綠洲防護(hù)林建設(shè)20 a后，TP含量增加76.3%[24]，這與本研究結(jié)果相似。

3.2 綠洲化過程中土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

土壤C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可以反映出土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量程度，是表征土壤內(nèi)部C，N，P化學(xué)元素循環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)[26]。

土壤C∶N是衡量土壤C，N營養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的敏感指標(biāo)。土壤C∶N會(huì)影響C和N的循環(huán)，較低的C∶N表明土壤有機(jī)質(zhì)具有更快的礦化速率[27]。本研究結(jié)果顯示，綠洲化過程中，土壤C∶N的均值為4.71，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國陸地均值(12.30)[28]和中國北方干旱半干旱區(qū)的其他研究區(qū)，如毛烏素沙地人工檸條林(10.65～15.56)[29]、塔克拉瑪干沙漠腹地人工林(14.80)[30]、塔里木盆地北緣綠洲(12.14)[31]和古爾班通古特沙漠(8.124)[32]等。表明研究區(qū)土壤C更缺乏，且土壤C源、有機(jī)質(zhì)分解速率和礦化速率較低。土壤C∶P通常被認(rèn)為是土壤P素礦化能力的標(biāo)志，也是衡量微生物礦化土壤有機(jī)物質(zhì)釋放P或從環(huán)境中吸收固持P素潛力的一個(gè)指標(biāo)，其高低對(duì)植物生長發(fā)育具有重要的影響。較低的C∶P是土壤P有效性高的一個(gè)指標(biāo)[33]。研究區(qū)土壤C∶P均值為2.47，遠(yuǎn)低于中國陸地平均值(52.70)[28]，相近于塔克拉瑪干沙漠腹地人工林(2.69)[30]、塔里木盆地北緣綠洲(4.55)[31]和古爾班通古特沙漠(3.486)[32]。表明研究區(qū)土壤P的有效性相對(duì)較高，礦化速率也相對(duì)較高，微生物分解有機(jī)質(zhì)過程中受P的限制可能性較小，這與陶冶等[34]在準(zhǔn)噶爾的研究結(jié)果相一致。土壤N和P是限制植物生長的重要元素，也是植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件。土壤N∶P值可用作N飽和的診斷指標(biāo)，用于確定養(yǎng)分限制的閾值[33]。本研究中土壤N∶P均值為0.5，低于中國陸地平均值(3.90)[28]和毛烏素沙地人工檸條林(2.46～11.45)[29]，但與準(zhǔn)噶爾荒漠(0.498)[34]、塔里木盆地北緣綠洲(0.40)[31]及古爾班通古特沙漠(0.434)[32]等其他干旱半干旱區(qū)相近，表明土壤N∶P主要受N控制，也進(jìn)一步驗(yàn)證了研究區(qū)土壤N極缺乏。AN∶AP值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TN∶TP，而且隨著綠洲化時(shí)間的延長，其值呈先增高后降低趨勢，在第16年時(shí)達(dá)到最大值。這與陶冶等[32]的研究結(jié)果相似，古爾班通古特沙漠土壤AN∶AP遠(yuǎn)高于TN∶TP，推測是生物結(jié)皮的存在提高了土壤養(yǎng)分，尤其是有效態(tài)N含量而導(dǎo)致。通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，綠洲化過程中，由于枯枝落葉含量顯著增加，地表覆蓋物相對(duì)較厚，沒有土壤結(jié)皮存在，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樯车叵蚓G洲變化的過程中，生物量增加，使得SOC和TN含量增加，進(jìn)而使土壤中可利用的AN含量也提高，以及N轉(zhuǎn)化速率較快引起的。土壤N和P的豐缺直接關(guān)系到土壤養(yǎng)分平衡，而速效養(yǎng)分則能更加準(zhǔn)確地反映營養(yǎng)元素供應(yīng)水平，與植物生長發(fā)育關(guān)系更為密切[32]。因此，研究綠洲化過程中的AN∶AP值變化趨勢可為綠洲經(jīng)營提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

與SOC和TN含量的變化趨勢相比，土壤C∶N在綠洲化過程中維持相對(duì)穩(wěn)定(初期4 a除外)，說明SOC和TN含量具有較大的空間變異性，而C∶N相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)說明了土壤C∶N相對(duì)穩(wěn)定的基本原則，即有機(jī)物質(zhì)的形成需要一定數(shù)量的N與其相應(yīng)的相對(duì)固定比率的C[35]。然而，土壤C∶P，N∶P和AN∶AP的變化趨勢則與C∶N不同，隨綠洲化時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加而后減小的趨勢。這可能是因?yàn)镃，N，P元素來源的差異性所致。這同張珂等[36]的研究結(jié)果相類似，表明天然生態(tài)系統(tǒng)土壤C∶N，C∶P和N∶P的變化特征也適用于研究區(qū)人工林土壤。

3.3 土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量特征的關(guān)系

大量的研究結(jié)果表明，土壤C，N，P元素的化學(xué)計(jì)量比值與2個(gè)元素值之間具有一定的相關(guān)關(guān)系，但顯著性存在差別[27,29,31-34,37-38]。本研究中也得到同樣的結(jié)果。此外，從相關(guān)系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，C∶N和C∶P主要受控于SOC含量，N∶P主要受控于N含量，這與陶冶等[27,34]的研究結(jié)果相一致，研究區(qū)土壤C，N，P化學(xué)計(jì)量特征主要受控于C，N元素。

本研究在一定程度上揭示了綠洲化過程土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征的變化情況，為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)提供了理論依據(jù)和參考。然而，植被和土壤之間所構(gòu)成的是一個(gè)交互作用的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，本研究僅僅針對(duì)綠洲化過程中土壤養(yǎng)分開展了研究，而未對(duì)植物養(yǎng)分進(jìn)行測定分析。因此，今后的工作還應(yīng)該對(duì)土壤環(huán)境變化下的植物養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征變化情況進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

(1) 隨著綠洲建設(shè)時(shí)間延長，研究區(qū)土壤SOC，TN，TP，AN和AP含量均呈極顯著增加趨勢。但土壤C缺乏，土壤N極缺乏，且土壤碳源、有機(jī)質(zhì)分解速率和礦化速率較低。

(2) 土壤C，N，P化學(xué)計(jì)量比值在綠洲建設(shè)初期4 a內(nèi)快速增加，而后變化趨勢有所不同，C:N相對(duì)比較穩(wěn)定，變化較小，而C∶P和N∶P呈現(xiàn)減小趨勢，AN∶AP在第16年達(dá)到最大值后也減小。這是因?yàn)镃，N，P元素來源的差異性所致。

(3) 研究區(qū)土壤C，N，P化學(xué)計(jì)量特征主要受控于C，N元素。