臧 艷

（寬甸滿族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 寬甸 118200）

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究多重化學(xué)元素平衡和生物系統(tǒng)能量平衡的一門科學(xué)，為研究多種生態(tài)系統(tǒng)過程中碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的比例變化規(guī)律及耦合關(guān)系提供一種重要的綜合方法[1]。土壤作為構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，改善土壤質(zhì)量有利于維持生態(tài)系統(tǒng)平衡及植被的快速恢復(fù)[2]。C、N、P 是組成土壤養(yǎng)分的重要元素，其含量變化直接決定了各系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和生產(chǎn)力，并且其化學(xué)計(jì)量比發(fā)揮著重要的生態(tài)指示作用，可體現(xiàn)C、N、P 元素在土壤內(nèi)部的循環(huán)規(guī)律。所以，對土壤C、N、P 化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究分析，對揭示土壤養(yǎng)分平衡機(jī)制、可獲得性、相互制約關(guān)系以及土壤C、N、P 元素循環(huán)調(diào)控等意義重大。

遼東地區(qū)地處我國東北部溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，土壤侵蝕嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。近年來，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)及自然環(huán)境修復(fù)，有效防治土壤侵蝕，該區(qū)實(shí)施了一系列水土保持、退耕還林草等工程，擾動(dòng)土壤逐漸恢復(fù)。在生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)時(shí)，植被作為重要組成部分發(fā)揮著不可替代的作用，同時(shí)外界水熱條件對不同植被的影響具有較大差異，使得生長季階段間不同植被的土壤養(yǎng)分變化規(guī)律差異顯著[3-5]。研究表明，不同植被類型的群落結(jié)構(gòu)特征、植物多樣性、地表植被分布狀況及其組成具有較大差異，這對進(jìn)入土壤的微生物量、動(dòng)植物殘?bào)w、土壤物理性質(zhì)和水文結(jié)構(gòu)等影響較大，并致使其生態(tài)修復(fù)能力和土壤養(yǎng)分特征具有顯著差異[6-10]；有學(xué)者提出，植被類型間土壤儲水量因生長季階段不同而具有明顯差異，受降雨、溫度等因素影響不同生長季階段下，高山灌叢植被的光合性能、養(yǎng)分供應(yīng)狀況等差異較大[11-12]。

近年來，有許多學(xué)者研究了植被生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，主要側(cè)重于土壤系統(tǒng)-凋落物-植被及植被土壤上，何高迅等提出植被類型與土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比特征關(guān)系密切，但因土壤初始養(yǎng)分、氣候特征和地表植被類型不同，致使植被類型變化對土壤化學(xué)計(jì)量比的響應(yīng)規(guī)律具有較大差異，地表植物群落組成也會受土壤中C、N、P儲量及其化學(xué)計(jì)量比的影響。高德新等研究認(rèn)為N：P能夠較好地將土壤與植物緊密聯(lián)系起來，土壤C、N元素的累積速率受植株葉片P元素的影響顯著，并且土壤N元素又會影響到植物器官；溫晨等研究了土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與不同植被類型之間的關(guān)系，N、P元素共同決定著植被生長狀況，在增長趨勢上土壤C、N元素含量基本一致[3-5]。然而，研究不同植被類型下土壤有機(jī)碳與磷氮含量及化學(xué)計(jì)量特征變化規(guī)律的較少，仍需進(jìn)一步深入研究。因此，文章以遼東各生長季下遼東櫟林地、山里紅林地、紫穗槐灌木地、星星草地和荒草地為例，研究分析各生長季階段下不同植被類型化學(xué)計(jì)量特征及TP、TN、SOC含量變化規(guī)律，旨在為加快恢復(fù)遼東地區(qū)土壤肥力，全面掌握土壤養(yǎng)分循環(huán)狀況，有效防治水土流失及優(yōu)化選擇植被修復(fù)類型等提供一定參考。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于丹東市東北部E125°6′28.26″～125°12′32.98″、N40°59′55.41″～41°6′18.49″水土保持試驗(yàn)監(jiān)測區(qū)，該區(qū)屬石棉河小流域，總面積40.09km2。該流域地處長白山余脈的低山丘陵區(qū)，總體地勢北高南低，地貌類型和地形條件簡單，四周為植被覆蓋度較高的山地，山地坡腳與谷底呈緩度接觸，多為狹長的坡耕地。石棉河小流域?qū)儆谂瘻貛啙駶櫺蜌夂颍募狙谉岫嘤?，冬季寒冷干燥，年均降水?110mm，多集中于6～8月份，年均氣溫6.3℃，日照時(shí)數(shù)2473h，無霜期145d。土壤類型以棕壤和棕壤性土為主，土層厚度0.3～1.0m之間，土質(zhì)疏松，表層腐殖質(zhì)較多，有機(jī)質(zhì)含量充足，土壤屬于弱酸性土，土壤條件適宜植物生長。流域內(nèi)植被屬于長白植物區(qū)系，主要為溫帶針闊混交林，林種以天然次生林和人工林為主，天然次生林主要有遼東櫟、椴樹、紅松、山里紅、山核桃、榛子、獼猴桃，人工林主要有柞樹、板栗、油松、落葉松、刺槐等，林草覆蓋率90.45%。

1.2 樣品采集

2020 年6 月，經(jīng)野外實(shí)地調(diào)查最終選擇遼東櫟林地、山里紅林地、紫穗槐灌木地、星星草地和荒草地5 種樣地為試驗(yàn)區(qū)，研究分析不同植被類型下土壤物理性質(zhì)。隨機(jī)在各試驗(yàn)區(qū)選取3 個(gè)樣地，其中紫穗槐灌木地、星星草地和荒草地的樣地大小為4m×6m，遼東櫟林地及山里紅林地的樣地大小為10m×10m，相鄰樣地間隔不少于5m，樣地土壤狀況如表1 所示。在2021 年4 月末、7 月末和10 月末(即生長季初期、旺期、末期)，對各樣地按“S”形取樣法選擇5 個(gè)典型樣點(diǎn)，并用土鉆按0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm 深度分層取土。將土樣中的根系、石塊等雜物去除后，把同層土壤均勻混合成1 個(gè)土樣并裝入無菌保鮮袋中，然后標(biāo)記放入密封容器內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏，保存溫度為5℃。

表1 樣地物理性質(zhì)

1.3 測定方法

采用土水比1 : 2.5 的電位法測定土壤pH 值，土壤總孔隙度、最大持水量和容重利用環(huán)刀法進(jìn)行測定，利用外加熱重鉻酸鉀高溫法測定土壤有機(jī)碳；采用高溫消煮管將土壤樣品與H2O2-H2SO4消煮至乳白色，土壤全氮、全磷利用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

針對不同生長季及植被類型下TP、TN、SOC土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比之間的差異擬利用單因素方差進(jìn)行檢驗(yàn)分析，并利用SPSS 軟件和LSD 法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及多重比較；采用雙因素方差分析驗(yàn)證生長季、植被類型因素及交互作用下對化學(xué)計(jì)量比及TP、TN、SOC 土壤養(yǎng)分的影響；化學(xué)計(jì)量比及TP、TN、SOC 土壤養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系利用Pearson相關(guān)性進(jìn)行分析，繪圖軟件為Excel 2012。研究分析0～60cm 深度范圍的土層數(shù)據(jù)，各指標(biāo)數(shù)值為0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm 各土層植被類型下的加權(quán)平均，以土層厚度占比作為權(quán)重值。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤TP、TN、SOC 含量

雙因素方差分析不同生長季階段和植被類型下土壤TP、TN、SOC 含量，如表2 所示。結(jié)果表明，在生長季及植被類型單一因素作用下土壤TP、TN、SOC 均表現(xiàn)出顯著性差異(P ＜0.001)，在生長季和植被類型的雙因素交互作用下土壤TP(P＜0.001)、TN(P ＜0.01)存在不同水平的顯著差異。

表2 雙因素方差分析

各生長季下不同植被類型0～60cm土壤養(yǎng)分含量如圖1所示，結(jié)果顯示在全生長季下5種植被類型土壤TP、TN、SOC含量均表現(xiàn)出荒草地、星星草地、紫穗槐灌木地顯著低于喬木林地(遼東櫟林地、山里紅林地)，從低到高土壤SOC含量排序?yàn)樽纤牖惫嗄镜?1.538g/kg)＜星星草地(1.748g/kg)＜荒草地(2.169g/kg)＜遼東櫟林地(2.174g/kg)＜山里紅林地(2.464g/kg)，土壤TN、TP含量排序?yàn)榛牟莸?0.073g/kg、0.023g/kg)＜星星草地(0.085g/kg、0.024g/kg)＜紫穗槐灌木地(0.112g/kg、0.028g/kg)＜遼東櫟林地(0.116g/kg、0.033g/kg)＜山里紅林地(0.121g/kg、0.042g/kg)。各植被類型下土壤TN、SOC含量均隨著生長季的推移表現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢，而TP含量則呈“V”形變化趨勢，即TP含量最低值發(fā)生在生長季旺期[16-18]。具體而言，各植被類型土壤SOC含量在生長季初期明顯高出末期33.0%～44.1%；在生長季階段間星星草地、荒草地土壤TP含量無明顯差異，生長季初期山里紅林地、遼東櫟林地、紫穗槐灌木地土壤TN含量明顯高出末期33.1%～50.3%；各植被類型土壤TP含量在生長季旺期均明顯小于初期及末期48.6%～81.3%。

圖1 土壤養(yǎng)分含量分布

2.2 土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征

由表2 可知，由于主導(dǎo)土壤TP、TN、SOC 含量的因素不同，在生長季及植被類型單一因素作用下N：P、C：P、C：N 的顯著差異水平不同，N：P(P ＜0.001)、C：P(P ＜0.01)在生長季和植被類型雙因素交互作用下呈顯著差異，C：P 未表現(xiàn)出顯著差異。0～60cm 土壤化學(xué)計(jì)量特征，如表3 所示。

表3 0～60cm 土壤化學(xué)計(jì)量特征

從表3 可以看出，荒草地全生長季下土壤C：N 明顯高出其它植被46%～72%，并且紫穗槐灌木地土壤N：P、C：P 與荒草地差異顯著，而星星草地、荒草地間土壤N：P、C：P 間及遼東櫟林地、山里紅林地間土壤化學(xué)計(jì)量比(N：P、C：P、C：N)均無顯著差異。各植被類型下土壤N：P、C：P、C：N 均隨著生長季的推移表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，即N：P、C：P、C：N 均值在各生長季階段表現(xiàn)為末期＜初期＜旺期，在生長季階段間各植被類型下C：N 無顯著性差異，除荒草地外其它植被類型下N：P、C：P 表現(xiàn)為生長季初期及末期顯著低于旺期。

2.3 相關(guān)關(guān)系分析

相關(guān)分析結(jié)果，如表4 所示。

表4 相關(guān)分析結(jié)果

由表4 可知，各生長季階段下不同植被類型TP、TN、SOC間均表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性(P＜0.01)。土壤化學(xué)計(jì)量比值與對應(yīng)TP、TN、SOC 之間具有一定相關(guān)關(guān)系，但顯著水平存在明顯差異，其中C：P、C：N 與SOC 關(guān)系不顯著，而C：P 與TP 及N：P、C：N 與TN 間表現(xiàn)出極顯著線性相關(guān)，表明化學(xué)計(jì)量比值受土壤N、P 元素影響顯著。

3 結(jié) 論

不同植被類型下遼東低山丘陵區(qū)土壤P 速有效性較低，有機(jī)質(zhì)分解速度緩慢，并且土壤N 元素對植被生長過程的限制作用高于P 元素。土壤化學(xué)計(jì)量比特征及其C、N、P 含量會受生長季階段及植被類型的影響，在土壤養(yǎng)分存留方面喬木林地具有明顯優(yōu)勢，隨植被生長發(fā)育不同植被下土壤C、N元素均會發(fā)生損耗，生長季末期土壤P 元素會發(fā)生儲集，并且荒草地土壤C：N 明顯高于喬灌植被；該區(qū)土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征主要受N、P 元素的影響，在時(shí)間上土壤C：P 比較穩(wěn)定，各化學(xué)比值為生長季初期及末期低于旺期。因此，在植被修復(fù)過程中應(yīng)考慮各生長季階段下不同植被土壤養(yǎng)分狀況，通過合理施加氮磷肥確保植被的快速修復(fù)，有控制土壤養(yǎng)分流失，逐步實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。