李佳佳,樊妙春,上官周平,*

1 西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

生態(tài)化學計量學貫穿生態(tài)系統(tǒng)各個層次[1],交叉融合多學科[2],廣泛應用于凋落物分解[3-4]、氮固定[5]、群落結構動態(tài)[6]及全球生物地球化學循環(huán)[7]等領域,其逐漸完善、擴展成為許多生態(tài)系統(tǒng)結構與功能研究的工具。土壤碳∶氮∶磷(C∶N∶P)是反應土壤內部C、N、P循環(huán)和土壤生態(tài)系統(tǒng)結構與功能變異性的重要指標,有利于進一步了解相關生態(tài)過程對全局變化的響應。CO2增加、氣候變暖、營養(yǎng)富集化和生物入侵[8]不斷促進全球變化,引起全球變化的因子與生態(tài)化學計量學有關[9]。因此,研究氣候變化和營養(yǎng)動態(tài)模型等對生態(tài)化學計量的影響成為生態(tài)學、地學和農學研究的熱點[10]。

黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,土壤侵蝕和水土流失嚴重,植被恢復、調整土地利用方式、改進耕作技術等是改善黃土高原生態(tài)環(huán)境和水土保持的重要舉措[11-12]。刺槐具有涵養(yǎng)水源、保持水土、抗逆性強、速生性好等特點[13],其生長狀況在以水分為限制性因素的黃土高原不同區(qū)域差異較大[14]。從1970年以來,刺槐在黃土高原地區(qū)大面積栽植,對黃河流域生態(tài)恢復與水土保持發(fā)揮了重要作用[15]。目前,關于黃土高原刺槐的相關報道較多,如不同緯度、植被類型對土壤理化性質的影響[16-18]、不同植被生態(tài)效應[19]等,而關于黃土高原水分空間分布格局對刺槐林地土壤C、N、P影響還亟待加強。隨著全球氣候變暖,區(qū)域降水格局表現(xiàn)出明顯的分異特征[20],降雨格局的改變影響一些關鍵生態(tài)系統(tǒng)過程,特別表現(xiàn)在脆弱生態(tài)系統(tǒng)[21],與此同時黃土高原刺槐人工林因土壤干燥化加劇,其林分穩(wěn)定性和生態(tài)功能也將面臨挑戰(zhàn)[22]。降雨是制約黃土高原土壤水分特征的主要因素,對刺槐生長和土壤C、N、P循環(huán)具有重要影響。探討黃土高原南北樣帶刺槐林土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征,對刺槐林的有效經(jīng)營和水土保持具有重要現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原地區(qū)(34.303°—39.183°,108.067°—110.629°),屬大陸性氣候,平均氣溫8.8—13.4 ℃,年降雨量500 mm左右,且從南向北逐漸較少,全年雨量少且雨季集中,氣候干燥,蒸發(fā)量大,無霜期短,加上大風、霜凍等自然災害現(xiàn)象頻繁,植被生長的環(huán)境條件較差。該區(qū)域地表破碎,溝壑縱橫,大部分地區(qū)坡度都在15°以上。刺槐屬于速生、耗水樹種,具有生長快、繁殖容易和適應強,是黃土高原主要的人工造林樹種。

表1 研究樣地基本環(huán)境特征

本研究在黃土高原南北樣帶設置12個代表性較強的樣點,分別為楊凌、涇陽、銅川、黃陵、富縣、延安、延川、綏德、米脂、榆林、神木和府谷等(表1),跨越半濕潤和半干旱氣候區(qū)。

1.2 樣品采集與測定

樣品采集于2018年8月植物生長旺盛時期,采樣點分布在黃土高原南北水分梯度帶上,在每個樣點選擇18—23年的刺槐成熟林為研究對象,每個研究樣點設置3個20 m×20 m樣方,坡度和坡向大致相同,每個樣方內隨機選取3棵長勢較好的刺槐,采集其林下0—20 cm土層的土壤樣品,挑出植物、細根、石塊等雜物后,混勻、風干、過篩后裝入自封袋,供室內分析使用。

土壤含水量采用烘干法測定,土壤pH采用水土比例1∶2.5玻璃電極法測定,土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定,全氮(TN)采用凱氏定氮法進行測定,全磷(TP)采用高氯酸-硫酸消解鉬銻抗比色法測定[23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對實驗數(shù)據(jù)進行前期統(tǒng)計處理,運用R(version 3.5.2)對數(shù)據(jù)進行回歸分析及相關性分析。用變異系數(shù)表示土壤SOC、TN、TP及其化學計量比的變異情況。Jobbage等指出變異系數(shù)C.V≤10%為弱變異,10%≤C.V≤100%為中等變異,≥100%為強變異[24]。變異系數(shù)具體計算公式如下式:

C.V=(SD÷MN)×100%

式中,C.V表示變異系數(shù),SD表示標準偏差,MN表示平均值。

采用Canoco 5.0.2進行PCA分析,分析土壤理化性質和生態(tài)化學計量學之間的關系。

2 結果與分析

2.1 不同降雨條件下土壤C、N、P化學計量特征

圖1 不同降雨量下刺槐林土壤C、N、P化學計量特征Fig.1 Characteristics of soil C, N and P stoichiometry in Robinia pseudoacacia forest under different precipitation

黃土高原南北樣帶刺槐林土壤SOC含量變化范圍1.74—33.80 g/kg,均值9.95 g/kg,變異系數(shù)為96.18%(圖1),降雨量在500—600 mm之間先增加后降低。TN含量變化范圍0.21—0.91 g/kg,均值0.42 g/kg,變異系數(shù)為40.48%,與土壤SOC變化具有一致性。TP含量變化范圍0.24—0.71 g/kg,均值0.11 g/kg,變異系數(shù)為23.40%,總體呈下降趨勢,變化幅度較小。C∶P變化范圍3.89—85.45,均值20.98,變異系數(shù)為102.62%；C∶N變化范圍4.83—70.85,均值22.01,變異系數(shù)為87.01%；C∶P變化范圍0.50—1.79,均值0.91,變異系數(shù)為36.26%。統(tǒng)計結果顯示,土壤SOC、TN、TP屬于中等變異,且SOC變異性強于TN和TP,C∶P屬于強變異,C∶N、C∶P屬于中等變異,C∶N和C∶P、C∶P變化趨較為一致,均隨降雨量的降低而降低。

2.2 土壤理化性質與土壤生態(tài)化學計量學主成分分析

對土壤理化性質與土壤生態(tài)化學計量進行主成分分析,提取4個主成分,累積貢獻率達到99.18%,其中第一主成分(PC1)貢獻率53.67%,第二主成分(PC2)貢獻率18.52%,所以提取前兩個主成分進行分析,以PC1為橫軸,以PC2為縱軸,以土壤理化性質和生態(tài)化學計量在兩個主成分上的得分為坐標作圖,得到土壤理化性質與土壤生態(tài)化學計量學主成分分析圖(圖2)。

圖2 土壤理化性質與土壤生態(tài)化學計量之間的關系Fig.2 Ordination plots of principal component analysis (PCA) result showing the relationship between soil physical and chemical properties and ecological stoichiometry SOC,土壤有機質 Soil organic carbon；TN,土壤全氮 Soil total nitrogen；TP,土壤全磷 Soil total phosphorus；SWC,土壤含水量 Soil water content;YLN: 楊凌, JY: 涇陽, TC: 銅川, HL: 黃陵, FX: 富縣, YA: 延安, YC: 延川, SD: 綏德, MZ: 米脂, YL: 榆林, SM: 神木, FG:府谷

土壤SOC、TN、TP、C∶P、C∶P、C∶N、土壤含水量與第一序軸呈正相關,pH與第一序軸呈負相關。從箭頭連線夾角所示,土壤SOC、TP、C∶N、C∶P相關性較強,其中SOC與C∶P相關性強于C∶N,TN與C∶P、土壤含水量相關性較大。

2.3 土壤生態(tài)化學計量與環(huán)境因子相關性分析

土壤SOC含量與緯度、海拔呈顯著負相關(P<0.05),與降雨量、溫度呈顯著正相關,TN與海拔、緯度呈顯著負相關,與降雨、土壤含水量呈顯著正相關(P<0.05)(圖3)。TP與緯度和海拔呈顯著負相關,與降雨量、溫度呈顯著正相關(P<0.05),C∶N、C∶P、C∶P與降水呈顯著正相關(P<0.05),與緯度、海拔呈顯著負相關,C∶P與土壤含水量呈顯著正相關(P<0.05)。

圖3 環(huán)境因子和土壤理化性質相關性分析Fig.3 The correlation relationship between environmental factors and soil physical and chemical properties 紅色表示顯著負相關,藍色表示顯著正相關,白色表示不顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 南北樣帶刺槐林土壤C、N、P生態(tài)化學計量影響因素分析

本研究中,土壤均呈弱堿性,土壤pH與降雨量顯著呈負相關,土壤SOC和TN與降雨量呈顯著正相關(圖3)。土壤碳氮的變化具有一致性,呈現(xiàn)從南向北逐漸降低,這與曾全超、張向茹、涂明夏等對黃土高原刺槐林土壤的碳氮研究相似[17,25-26]。這主要是因為土壤全氮來源于土壤植物殘體分解與合成的有機質,土壤氮素水平在一定程度決定有機碳含量[27],研究區(qū)向北推進降水量降低,土壤含水量和植物繁茂程度降低,生物量和地表植被枯落物逐漸降低。相關研究表明植被生長有利土壤養(yǎng)分積累[28]。王寶榮等研究結果也表明,植物類型對土壤養(yǎng)分含量影響很重要[29],另外,張晗等認為較高的土壤含水量條件下,嫌氣性微生物的固氮能力強,有助于土壤C、N礦化積累[30],向北推進,氣候干旱,土壤含水量降低,嫌棄性微生物固氮能力降低,同時土壤砂粒也會降低對有機質的吸附能力[26]等。土壤SOC變異系數(shù)高達94.18%,強于全氮和全磷,這與張向茹研究結果相同[25],土壤全磷變異較小,變異系數(shù)為23.40%。土壤磷主要受氣候、土壤母質[31]影響。氣候通過淋溶和降雨作用影響土壤磷含量,磷含量主要來源于土壤母質。研究區(qū)域從南向北,降雨量逐漸減少,土壤含水量降低,土壤質地粘性減弱砂性增強,養(yǎng)分含量逐漸減少,隨著海拔升高,表土沖刷在低海拔沉積,土壤C、N、P表現(xiàn)從南向北逐漸降低[32]。

3.2 南北樣帶刺槐林土壤C、N、P生態(tài)化學計量對環(huán)境因子的響應

本研究結果表明土壤C∶N、C∶P、C∶P隨降雨量的減少呈現(xiàn)降低趨勢,土壤SOC、TN、TP也均隨降雨量降低而降低,TN、TP的變化幅度較小,C∶P、C∶N變化主要由SOC變化引起,TN變化引起C∶P變化。土壤C、N、P與降水呈顯著正相關(圖3)。降雨量減少使土壤含水量降低和刺槐耗水量下降,表現(xiàn)植物對環(huán)境因子的適應,但最終導致刺槐生存力下降[20],土壤C∶N∶P與植物生長、養(yǎng)分策略具有一定關系。另外,前人研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫也會使微生物數(shù)量和活性降低[33],降雨量適當增加不僅可以緩解土壤水分限制,還可以提高土壤N的礦化速率和有效性,有利于微生物生長和繁殖[34-35]。土壤含水量與土壤養(yǎng)分動態(tài)和植物光合生理過程等密切相關[36]。就黃土高原南北樣帶來說,南部是半濕潤區(qū),高溫多雨,北部是半干旱氣候區(qū),氣候干冷。在未來氣候變化背景下,降雨會促進干旱和半干旱地區(qū)植物生長[8],高溫多雨可能會加速土壤枯落物分解,縮短土壤-植物-枯落之間的養(yǎng)分循環(huán)速率,加速土壤N淋失[37],降雨增加還通過改變土壤含水量和土壤pH來影響微生物群落結構和酶的活性,從而影響土壤C、N、P的礦化和積累過程[26]。另外,從緯度角度來看,水熱條件在不同緯度分配狀況不同,進而影響土壤C、N、P的養(yǎng)分轉化和遷移。研究區(qū)土壤碳氮磷均表現(xiàn)一致的變化規(guī)律,隨緯度增加而降低,這與曾全超等研究一致[17]。但是在南北樣帶不同降雨條件土壤-植物之間的營養(yǎng)元素循環(huán)還不清楚,有待深入研究。

4 結論

黃土高原南北樣帶降雨量對刺槐林土壤C、N、P具有顯著影響,土壤pH及含水量從南向北逐漸增加。土壤有機碳、全氮、全磷含量均隨降水量減少而降低,土壤有機碳與全碳的空間變化具有一致性。在南北樣帶刺槐林土壤C∶P與降水相關性較小,其變異性也較小,相比土壤C∶N、C∶P變化較大,隨著降水的減少顯著下降。未來需進一步開展降雨量變化對植物-土壤系統(tǒng)C、N、P生態(tài)化學計量關系影響機理的研究,并系統(tǒng)探討土壤C、N、P化學計量平衡關系與物種分布之間的協(xié)同關系。