尹秋龍, 寇 萌, 焦菊英, 岳 明

(1.西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 西安710069; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

黃土丘陵溝壑區(qū)不同植物群落的土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征

尹秋龍1, 寇 萌2, 焦菊英2, 岳 明1

(1.西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 西安710069; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

[目的] 對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)不同群落土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量進(jìn)行研究，為該區(qū)的植被恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。[方法] 測(cè)定土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷含量，計(jì)算C∶N，C∶P，N∶P，進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。[結(jié)果] 研究區(qū)土壤有機(jī)碳和全氮含量屬于6級(jí)，全磷含量屬于4級(jí)，均為養(yǎng)分含量較低的級(jí)別；0—10 cm土層土壤養(yǎng)分含量大于10—20 cm土層；不同群落之間P含量差異不顯著，檸條群落的C，N含量最高，鐵桿蒿群落的C，N含量最低；檸條群落C∶N與其他群落(鐵桿蒿群落除外)差異不顯著，C∶N保持相對(duì)穩(wěn)定；鐵桿蒿群落和刺槐群落的C∶P較低，土壤P的有效性較高。[結(jié)論] 不同群落的生物量和蓋度等特征不同，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有所差異；不同群落對(duì)土壤C，N，P的補(bǔ)充和吸收利用能力不同，導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量特征有所不同。

土壤養(yǎng)分; 化學(xué)計(jì)量; 植物群落; 黃土丘陵溝壑區(qū)

文獻(xiàn)參數(shù)： 尹秋龍, 寇萌, 焦菊英, 等.黃土丘陵溝壑區(qū)不同植物群落的土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：062-066.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.011； Yin Qiulong, Kou Meng, Jiao Juying, et al. Characteristics of soil nutrients and stoichiometry in different communities in hilly-gullied region of Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：062-066.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.011

土壤和植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，兩者之間具有密切的相互作用。土壤是陸地植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，為植物提供生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分，對(duì)植物群落的發(fā)生和演替、群落的物種組成和多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要影響[1-3]；而植被在生長(zhǎng)過程中又可通過根系分泌物及枯落物分解等過程影響土壤的養(yǎng)分狀況和理化性質(zhì)[4]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)綜合了生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科的基本原理，為研究生態(tài)系統(tǒng)中C，N，P等多重營(yíng)養(yǎng)元素的耦合關(guān)系提供了一種綜合方法[5]。近年來，中國(guó)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)發(fā)展迅速，眾多學(xué)者在不同時(shí)空尺度對(duì)植物葉片和枯落物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量做了大量研究，而對(duì)不同植物群落土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量的研究相對(duì)較少[6-7]。研究不同植物群落的土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征，可以揭示不同群落土壤養(yǎng)分的可獲得性及各營(yíng)養(yǎng)元素的平衡機(jī)制[7]，對(duì)于認(rèn)識(shí)群落與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系具有重要意義。

黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤侵蝕劇烈，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，植被恢復(fù)與重建是改善該區(qū)土壤質(zhì)量和治理水土流失的重要措施。生態(tài)建設(shè)的成效很大程度上取決于植被恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量的演化，土壤質(zhì)量逐步提高并保持較高水平，退化的生態(tài)系統(tǒng)才能到達(dá)生態(tài)平衡[8]。經(jīng)過多年的退耕還林(草)等生態(tài)工程的建設(shè)，該區(qū)植被得到了不同程度的恢復(fù)，形成了不同的群落類型。不同植物群落的土壤侵蝕程度不同，對(duì)土壤的吸收能力和歸還能力也不同，從而導(dǎo)致不同群落間土壤養(yǎng)分的差異。目前，在黃土高原，關(guān)于土壤養(yǎng)分的研究多集中于退耕地恢復(fù)過程中及不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分的變化[9-11]；對(duì)化學(xué)計(jì)量的研究多集中于植物葉片和枯落物以及養(yǎng)分添加對(duì)化學(xué)計(jì)量的影響[12-15]，對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量的研究較少[7,16]，而對(duì)不同群落土壤C，N，P生態(tài)化學(xué)計(jì)量的研究則更少。因此，本研究擬選取黃土丘陵溝壑區(qū)常見的3種草本群落(長(zhǎng)芒草Stipabungeana群落、鐵桿蒿Artemisiagmelinii群落、白羊草Bothriochloaischaemum群落)和2種人工林群落(刺槐Robiniapseudoacacia和檸條Caraganakorshinskii)，分析不同群落間土壤C，N，P的養(yǎng)分特征及化學(xué)計(jì)量特征，以期揭示植物群落與土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量之間的關(guān)系，為當(dāng)?shù)氐闹脖换謴?fù)重建提供一定的理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于陜西省安塞縣紙坊溝流域(109°13′36″—109°16′03″E，36°46′42″—36°46′28″N)，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，流域面積8.27 km2，海拔1 010～1 431 m。該區(qū)在氣候區(qū)劃上屬于溫帶半濕潤(rùn)氣候向半干旱氣候過渡地區(qū)，多年平均降水量500 mm左右[17]，年日照時(shí)數(shù)2 300～2 400 h，年均氣溫8.8 ℃，年平均蒸發(fā)量1 460 mm左右[18]。流域植被屬于暖溫帶落葉闊葉林向暖溫帶草原區(qū)過渡的森林草原區(qū)，天然森林已被破壞，以人工的刺槐和小葉楊(Populussimonii)為主；灌叢以檸條、沙棘(Hippophaerhamnoides)等人工灌叢和黃刺玫(Rosaxanthina)、狼牙刺(Sophoradavidii)等天然灌叢為主；草原以鐵桿蒿、茭蒿(Artemisiagiraldii)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadaurica)、白羊草(Bothriochloaischaemun)、長(zhǎng)芒草為主。土壤類型為黃綿土，土質(zhì)疏松，水土流失嚴(yán)重。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

土壤采集于2013年8月進(jìn)行。每種植物群落選取2～4個(gè)樣地，在樣地中布設(shè)3個(gè)2 m×2 m草本樣方，3個(gè)5 m×5 m灌木樣方和1個(gè)10 m×10 m喬木樣方，記錄樣方內(nèi)物種組成及物種的高度、蓋度、密度等，并采集植物地上生物量，分析不同群落的組成、結(jié)構(gòu)與數(shù)量特征(表1)。在每個(gè)樣方內(nèi)按“S”型路線選擇5個(gè)點(diǎn)，用土鉆分別采集0—10和10—20 cm兩層土壤，多點(diǎn)混合，去除土層上枯落物，裝入布袋子中帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干備用。

表1 不同植物群落基本特征

1.3 樣品測(cè)定

仔細(xì)去除土樣中的動(dòng)植物殘?bào)w、石塊等雜物，混勻、研磨、過篩。每個(gè)樣品3個(gè)重復(fù)進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用高氯酸—硫酸消化，鉬銻抗比色法測(cè)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究中土壤C，N，P比均采用質(zhì)量比，采用One-way ANOVA和LSD進(jìn)行差異顯著性分析、Pearson進(jìn)行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)分析通過PASW Statistics 18軟件包中相應(yīng)程序進(jìn)行，采用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量基本特征

對(duì)所有樣地的養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量進(jìn)行平均(表2)，可知研究區(qū)0—20 cm土壤有機(jī)碳的變化范圍為1.24～5.16 g/kg，平均值為3.37 g/kg；全氮的變化范圍為0.30～0.60 g/kg，平均值為0.41 g/kg；全磷的變化范圍為0.40～0.70 g/kg，平均值為0.54 g/kg；C∶N的變化范圍為4.11～11.03，平均值為8.23；C∶P的變化范圍為3.14～10.71，平均值為6.32；N∶P的變化范圍為0.54～1.14，平均值為0.77。6種指標(biāo)的變異系數(shù)在17.71%～34.80%，C∶P的變異程度最大，P的變異程度最小。

表2 土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 不同土層土壤養(yǎng)分特征

所有樣地0—10和10—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量的平均值分別為3.80，2.95 g/kg，全氮為0.44，0.37 g/kg，全磷均為0.54 g/kg。土壤有機(jī)碳、全氮含量為0—10 cm 土層大于10—20 cm土層，但兩層之間的差異不顯著(圖1，p>0.05，下同。)。

2.3 不同群落土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征

由于0—10和10—20 cm土層土壤養(yǎng)分狀況沒有顯著差異，因此對(duì)不同群落土壤的分析數(shù)據(jù)采用0—20 cm的平均值。對(duì)于土壤有機(jī)碳，檸條群落的含量為4.98 g/kg，顯著高于其他4種群落(圖2，p<0.05，下同。)；長(zhǎng)芒草和白羊草分別為3.81和3.85 g/kg，兩者間差異不顯著；刺槐為2.67 g/kg，鐵桿蒿最低，僅為1.93 g/kg。土壤全氮與有機(jī)碳表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，檸條的含量顯著高于其他群落，為0.58 g/kg；其次為白羊草群落，為0.43 g/kg，與長(zhǎng)芒草差異不顯著；鐵桿蒿最低，為0.33 g/kg，且與刺槐和長(zhǎng)芒草差異不顯著。5種群落土壤之間的全P含量差異均不顯著，長(zhǎng)芒草最高(0.62 g/kg)，白羊草和鐵桿蒿最低(均為0.47 g/kg)。

圖1 不同土層養(yǎng)分特征

圖2 不同群落土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征

長(zhǎng)芒草群落土壤的C∶N最高，為10.14，與白羊草群落和檸條群落差異不顯著；鐵桿蒿群落最低，為5.82。對(duì)于土壤C∶P，檸條群落最高，為8.49；白羊草次之，為8.34；鐵桿蒿群落和刺槐群落較小，分別為4.00，4.69，兩者之間差異不顯著。檸條群落和白羊草群落的N∶P較高，分別為0.99，0.93；鐵桿蒿群落、刺槐群落和長(zhǎng)芒草群落的N∶P較低，分別為0.70，0.62，0.61，三者之間差異不顯著(圖2)。

2.4 土壤養(yǎng)分與群落特征的相關(guān)性分析

為了解土壤與群落之間的關(guān)系，對(duì)土壤特征與群落特征進(jìn)行相關(guān)性分析。發(fā)現(xiàn)草本層蓋度與有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)，與全氮含量、C∶P和N∶P表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性。物種豐富度與全磷含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)的關(guān)系。而地上生物量和物種多樣性均未與土壤指標(biāo)表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(表3)。

表3 群落特征與土壤特征的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

(1) 黃土丘陵溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，該區(qū)的土壤養(yǎng)分水平對(duì)于植被恢復(fù)具有重要意義。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本研究中的土壤有機(jī)碳和全氮含量屬于6級(jí)，全磷含量屬于4級(jí)，均為養(yǎng)分含量較低的級(jí)別，這充分說明黃土丘陵溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分的匱乏。本研究的土壤C∶N平均值為8.23，低于中國(guó)土壤C∶N的平均值(中國(guó)土壤C∶N平均為10～12[20])。通常情況下，較低的C∶N對(duì)土壤微生物的活力具有促進(jìn)作用，有助于增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用[7,21]，而本研究區(qū)的土壤C，N含量均處于較低水平，C∶N的指示作用有待進(jìn)一步研究。

表層土壤受外界環(huán)境和枯落物養(yǎng)分歸還的影響較大，使得養(yǎng)分首先在表層土壤中聚集，然后再向下層遷移[22]。本研究中，0—10 cm土層的土壤C，N含量均大于10—20 cm土層，這主要是由于土壤C，N元素受枯落物分解等生物因素的影響較大，上層土壤得到的養(yǎng)分補(bǔ)給較多；而P元素在上、下層土壤中的含量相同，這充分說明在本研究區(qū)內(nèi)土壤磷素含量主要受黃土母質(zhì)的影響，生物作用對(duì)其影響不大[23]?？傮w上3種元素在兩層土壤之間的差異均不顯著，這可能是由于本研究所采集的土壤深度較淺，在今后的研究中應(yīng)增加土壤樣品的采集深度。

(2) 研究表明植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分有重要的影響，不同植物群落的根系活動(dòng)深度不同，對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收深度和強(qiáng)度有所不同，不同植物對(duì)不同元素的選擇吸收也不同，從而導(dǎo)致不同群落的土壤養(yǎng)分存在差異[7,10]。本研究中，檸條群落土壤的C，N含量均最高，這主要是由于檸條枝葉繁茂，枯落物較多，可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量；檸條為豆科灌木，根部具有大量的根瘤菌，可以固定空氣中游離態(tài)氮，增加土壤氮含量[4]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)檸條根系分泌的有機(jī)酸可以降低根際的pH值，活化根際土壤的難溶性養(yǎng)分，提高養(yǎng)分有效性，使其可以在貧瘠的土壤中旺盛生長(zhǎng)，從而明顯改善土壤養(yǎng)分狀況[24]。本研究中檸條林下的草本層蓋度(58%)為5種群落中最高的，較高的草本層蓋度有助于降低土壤侵蝕，從而減少土壤養(yǎng)分的流失；較高的林下蓋度也有助于提高群落抵抗外界干擾的能力，在夏季強(qiáng)降雨時(shí)，減少枯落物被沖走的量，這也是群落結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的重要體現(xiàn)[25]。研究還發(fā)現(xiàn)地表植被的蓋度越大，表層土壤獲得的光照和熱量就越少，有助于有機(jī)質(zhì)的積累[11]。

刺槐也屬于豆科植物，但其土壤養(yǎng)分狀況卻顯著低于檸條群落，這可能主要是由于刺槐林下的草本層蓋度較低的原因。通過相關(guān)性分析，本研究也確實(shí)發(fā)現(xiàn)了草本層蓋度與C，N之間顯著地正相關(guān)關(guān)系。此外，有研究發(fā)現(xiàn)刺槐人工林為高吸收、高歸還、快速循環(huán)、養(yǎng)分浪費(fèi)型，這種高的周轉(zhuǎn)率可能會(huì)使土壤中的養(yǎng)分相對(duì)較低[26]。鐵桿蒿群落的蓋度在所研究的5種群落中最低，這可能是其土壤C，N含量最低的重要原因。此外，鐵桿蒿枯死的地上部分大部分以立枯體的形式存在，減少了對(duì)土壤養(yǎng)分的歸還。長(zhǎng)芒草和白羊草均為禾本科植物，發(fā)達(dá)的須根系有助于改善土壤的物理性質(zhì)，增加土壤團(tuán)聚體含量，進(jìn)而增強(qiáng)土壤抗蝕性，減少土壤養(yǎng)分的流失。

(3) 土壤C∶N∶P是土壤有機(jī)質(zhì)(或其他成分)中C與N，P總質(zhì)量的比值，是反映有機(jī)質(zhì)構(gòu)成、土壤質(zhì)量及養(yǎng)分供給能力的一個(gè)重要指標(biāo)[27]。其中C∶N是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，可以影響土壤中的C，N循環(huán)[28]。本研究中，雖然檸條群落的C，N含量均顯著高于其他群落，但C∶N與其他群落(鐵桿蒿除外)無顯著差異。這驗(yàn)證了不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤C∶N相對(duì)穩(wěn)定這一結(jié)論[29]。草本層蓋度與有機(jī)碳顯著正相關(guān)、與全氮極顯著正相關(guān)，而與C∶N沒有顯著的相關(guān)性，這也說明了C∶N的相對(duì)穩(wěn)定性。研究表明，C，N之間具有顯著相關(guān)性，對(duì)環(huán)境的響應(yīng)也幾乎是同步的，兩者作為結(jié)構(gòu)性成分，其消耗和累計(jì)的過程存在相對(duì)固定的比值[7]。土壤C∶P可以用來表征P有效性的高低[30]。本研究中，鐵桿蒿群落和刺槐群落的C∶P較低，而5種群落土壤的P含量差異不顯著，說明這兩種群落土壤P的有效性較高。N∶P可以用作N飽和的診斷指標(biāo)，用于確定養(yǎng)分限制的閾值[30]。本研究中，不同群落的N∶P在0.61～0.99，明顯低于其他地區(qū)的研究結(jié)果[30]，這進(jìn)一步驗(yàn)證了黃土丘陵溝壑區(qū)土壤N的缺乏。

綜上所述，不同群落的結(jié)構(gòu)特征不同，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量的差異；土壤養(yǎng)分是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，在研究土壤養(yǎng)分時(shí)應(yīng)該從土壤養(yǎng)分的補(bǔ)給(枯落物、根系分泌物)和流失(植物的吸收利用、土壤侵蝕)兩方面進(jìn)行綜合考量，并結(jié)合養(yǎng)分在生態(tài)系統(tǒng)中的流動(dòng)過程，這樣才能更加全面的認(rèn)識(shí)土壤養(yǎng)分變化，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)這方面研究；應(yīng)注重發(fā)揮土壤化學(xué)計(jì)量的指示作用，使植被對(duì)土壤的改善作用更有針對(duì)性。

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Characteristics of Soil Nutrients and Stoichiometry in Different Communities in Hilly-gullied Region of Loess Plateau

YIN Qiulong1, KOU Meng2, JIAO Juying2, YUE Ming1

(1.CollegeofLifeScience,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,MinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] The study aims to analyze the characteristics of soil nutrients and stoichiometry in different communities in hilly-gullied region of Loess Plateau, and to provide theoretical basis for vegetation restoration. [Methods] Soil organic carbon, total phosphorous and total nitrogen were measured, and C∶N, C∶P and N∶P were calculated. Significance test was done in data analysis. [Results] The contents of soil organic carbon and total nitrogen were at the 6thlevel, total phosphorous was at the 4th level. Soil nutrient contents of the study area were at a lower level. Soil nutrient contents of 0—10 cm were higher than that of 10—20 cm. The total phosphorous contents in different communities were not significant. The contents of organic carbon and total nitrogen inCaraganakorshinskiidominated community were the highest, and the contents inArtemisiagmeliniidominated community were the lowest. The C∶N inCaraganaintermediadominated community had no significant difference with other communities, exceptA.gmeliniidominated community. The C∶P ofA.gmeliniidominated community andRobiniapseudoacaciadominated community were lower than other communities. [Conclusion] The biomass and coverage of different communities were different, and it led to the differences of soil nutrients. The supply and absorption abilities of C, N and P were different across communities, and it led to the differences of stoichiometric characteristics.

soil nutrients; stoichiometric; plant communities; hilly-gullied region of Loess Plateau.

2016-05-31

2016-06-13

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“西北黃土高原區(qū)水土保持生態(tài)效應(yīng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究”(201501045); 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“黃丘區(qū)坡面退耕與淤地壩對(duì)坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙的阻控機(jī)理”(41371280), “黃土高原森林次生演替過程中基于功能性狀的群落構(gòu)建機(jī)制的演變”(41571500)

尹秋龍(1988—),男(漢族),山東省濟(jì)南市人,博士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)。E-mail:yinql1988@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0062-05

S158.3, X171.4