三峽庫(kù)區(qū)不同植被對(duì)土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響

摘要：土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)偶聯(lián)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。以湖北宜昌點(diǎn)軍區(qū)3種植被類(lèi)型（柏樹(shù)地、橘樹(shù)地、菜地）的土壤作為研究對(duì)象，對(duì)土壤碳氮磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行了研究，探討不同植被覆蓋對(duì)土壤碳氮磷之間的關(guān)系與影響。結(jié)果表明，不同植被覆蓋顯著改變土壤碳氮磷含量，柏樹(shù)地的土壤有機(jī)碳和全氮的含量顯著大于柑橘地和菜地，而菜地和柑橘地土壤有機(jī)碳和全氮含量之間無(wú)顯著差異，菜地的全磷含量最大，其次是橘樹(shù)地，柏樹(shù)地最小。3種植被覆蓋的土壤碳氮比之間無(wú)顯著差異，但是柏樹(shù)地的土壤碳磷比最大，其次是橘樹(shù)地，菜地的最??；土壤氮磷比是柏樹(shù)地顯著大于橘樹(shù)地和菜地，而菜地和橘樹(shù)地之間無(wú)顯著差異。表明三峽庫(kù)區(qū)土壤碳氮偶聯(lián)反應(yīng)，而氮磷之間以及碳磷之間并未發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。相關(guān)性分析的結(jié)果表明，土壤碳磷比是柏樹(shù)地>橘樹(shù)地>菜地。碳磷比、氮磷比與有機(jī)碳之間的相關(guān)性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到碳的影響。

關(guān)鍵詞：不同植被；碳氮比；碳磷比；氮磷比；生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

中圖分類(lèi)號(hào)：S153.6+1；Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）14-3566-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.009

Abstract： Soil carbon （C），nitrogen （N） and phosphorus （P） stoichiometry is a critical indicator of biogeochemical coupling in terrestrial ecosystem. Taking 3 vegetation types（cypress，tangerine trees and vegetable） soil in Dianjun Yichang command of Hubei province as the research object，soil carbon，nitrogen and phosphorus and its ecological chemometrics were studied，and the relationship and influence of different vegetation on soil carbon，nitrogen and phosphorus were discussed. The results showed that although the contents soil organic C（OC） and total nitrogen（TN） of cypress site was significantly higher than those of vegetable site and citrus tree site，which were not significant difference，total phosphorus（TP） followed the order：Vegetable site>citrus tree site> cypress site. Although soil C/N had no significant diffence among three vegetation cover，C/P followed as cypress site>citrus tree site>vegetable site，the trend of N/P was similar to OC and TN. It was suggested that soil C and N remained coupled whereas C and P，N and P become decoupled. The correlation analysis showed the relationship between soil C/P，N/P and OC was higher than those between soil C/P，N/P and TN，TP，indicating that C/P and N/P were mainly affected by soil organic carbon.

Key words： different vegetation； C/N； C/P； N/P； stoichiometry

土壤碳氮磷是地球化學(xué)養(yǎng)分循環(huán)的核心，驅(qū)動(dòng)著土壤內(nèi)其他養(yǎng)分元素的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，在元素平衡中發(fā)揮著重要的作用[1，2]。同時(shí)土壤碳氮磷又是目前全球變化中碳循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)的研究熱點(diǎn)[3]。有研究表明土壤碳氮磷相互之間緊密聯(lián)系[4]，土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)能夠反映土壤內(nèi)部碳氮磷循環(huán)，因而在生物地球化學(xué)循環(huán)偶聯(lián)中具有重要的生態(tài)指示作用[5-7]。目前，雖然有大量的研究報(bào)道了黃土高原不同植被區(qū)土壤[8]、桂西北不同森林類(lèi)型土壤[9]、祁連山北坡亞高山草地退耕還林草混合植被對(duì)土壤碳氮磷的影響[2]等的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，但是很少有研究報(bào)道三峽庫(kù)區(qū)不同植被對(duì)土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響。

三峽庫(kù)區(qū)由于復(fù)雜的地形條件和自然地質(zhì)條件，加之人類(lèi)不合理的土地利用，水土侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤退化，土壤碳氮磷含量及其土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征發(fā)生變化。而植被的存在能夠截獲和儲(chǔ)藏水分[10]，通過(guò)凋落物歸還土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以植被覆蓋是決定水土流失和改善土壤質(zhì)量最為重要的因素。然而不同的植被覆蓋對(duì)土壤質(zhì)量影響不同。這是由于不同植被的凋落物的質(zhì)和量、根的分泌物以及營(yíng)養(yǎng)吸收不同，影響土壤微生物群落的活性，進(jìn)而影響土壤碳氮磷的循環(huán)[11]。本研究選擇三峽庫(kù)區(qū)的3種植被類(lèi)型（柏樹(shù)地、橘樹(shù)地和菜地）作為研究對(duì)象，研究其土壤全量養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，為三峽庫(kù)區(qū)的植被恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于三峽庫(kù)區(qū)宜昌市點(diǎn)軍區(qū)退耕還林區(qū)內(nèi)。采集點(diǎn)為同一座山，山頂為次生柏樹(shù)林，山麓為橘樹(shù)林，山下平地為菜地。該區(qū)位于東經(jīng)110°15′-112°04′、北緯29°56′-31°34′之間，年平均降水量992.1～1 404.1 mm。雨水充沛，雨季多發(fā)生在6～7月，雨熱同季，全年積溫較高，無(wú)霜期較長(zhǎng)，年平均氣溫13.1～18.0 ℃。

1.2 方法

選擇柏樹(shù)地、橘樹(shù)地和菜地的土壤作為研究對(duì)象。分別在每個(gè)樣地選取3個(gè)樣方，柏樹(shù)地和橘樹(shù)地的樣方為10 m×10 m，菜地的樣方為1 m×1 m。在每個(gè)樣地的樣方內(nèi)用土鉆隨機(jī)取0～10 cm土層的土樣，按“S”形布設(shè)取樣點(diǎn)5個(gè)，混合為一個(gè)樣，撿去枯枝落葉，自然風(fēng)干，用于土壤有機(jī)碳、全氮和全磷的測(cè)定。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法測(cè)定，土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，土壤全磷采用HClO4-H2SO4法測(cè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理比較用Turkey’s-b單因素方差分析，相關(guān)性分析用SPSS11.5軟件進(jìn)行Pearson分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤碳氮磷含量特征

不同植被覆蓋的土壤碳氮磷含量如圖1所示。柏樹(shù)地的土壤有機(jī)碳和全氮含量均顯著高于橘樹(shù)地和菜地，菜地與橘樹(shù)地?zé)o顯著差異。菜地的土壤全磷含量最高，其次是橘樹(shù)地，柏樹(shù)地最低。這是因?yàn)榘貥?shù)地從無(wú)耕犁過(guò)，物種多樣性和豐富度較高，大量的凋落物進(jìn)入土壤中，而在菜地和橘樹(shù)地，有機(jī)殘?bào)w的減少如地上植物或者菜地的地下根系每年都被收獲等，導(dǎo)致有機(jī)碳和全氮含量相對(duì)較低[12]。柏樹(shù)地位于坡頂，土壤中的磷隨著雨水徑流沖刷到坡地，且柏樹(shù)地從未施用磷肥，所以全磷含量最低；橘樹(shù)地雖然也施用磷肥，但是橘樹(shù)地位于坡中，雨水的徑流也會(huì)沖刷磷，降低其全磷含量；菜地在平地，農(nóng)民為了提高其產(chǎn)量，長(zhǎng)期以來(lái)施用磷肥，所以磷肥含量最高。全磷含量的大小順序?yàn)椋翰说?gt;橘樹(shù)地>柏樹(shù)地，磷成為柏樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育和重要生態(tài)過(guò)程的限制因子。

2.2 土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分狀況和質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[9]。Cleveland等[13]綜述了全世界48篇文獻(xiàn)的186個(gè)表土的觀測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，不同植被間土壤碳氮磷比存在差異，但是在大多數(shù)情況下，其相似性比差異性更顯著，土壤碳氮磷比值有顯著的穩(wěn)定性，三者的比值為186∶13∶1。本研究中，土壤碳氮比（C/N）為6.45～7.18（圖2），表明三峽庫(kù)區(qū)不同植被的土壤碳氮比低于中國(guó)土壤碳氮比的平均值范圍（10～12）[14]，土壤礦化作用較強(qiáng)。雖然土壤碳氮含量在不同植被覆蓋下有差異，但是土壤碳氮比卻無(wú)顯著差異，這意味著三峽庫(kù)區(qū)土壤碳氮比存在相對(duì)的一致性，不受植被變化的影響。此研究結(jié)果與Tian等[5]、Cleveland等[13]和王維奇等[15]的研究結(jié)果一致，不同生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比具有內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征，這主要是由于碳氮元素之間具有極顯著的正相關(guān)性（表1），而且對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)幾乎是同步的[13]。同時(shí)由于碳氮是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)性成分，積累和消耗過(guò)程存在相對(duì)固定的比值[16]。

土壤氮磷比（N/P）為2.09～4.82（圖2），小于Tian等[5]的氮磷比5和Cleveland等[13]的碳磷比13.1。這說(shuō)明三峽庫(kù)區(qū)土壤仍然受到氮素的限制。且本研究中，柏樹(shù)地土壤氮磷比顯著高于菜地和橘樹(shù)地，橘樹(shù)地與菜地?zé)o顯著差異。此結(jié)果一方面說(shuō)明橘樹(shù)地和菜地比柏樹(shù)地土壤更易受到氮的限制，另一方面說(shuō)明土壤氮磷比的空間異質(zhì)性，這與Tian等[5]的研究結(jié)果一致。

土壤碳磷比（C/P）為13.49～33.19（圖2），小于Tian等[5]的中國(guó)土壤碳磷比的平均值105和Cleveland等[13]全球的碳磷比186，表明三峽庫(kù)區(qū)土壤微生物有機(jī)磷存在凈礦化現(xiàn)象。本研究中柏樹(shù)地土壤碳磷比（C/P）最高，其次是橘樹(shù)地，菜地最低。碳氮磷比是土壤有機(jī)質(zhì)或其他成分中碳氮磷總質(zhì)量的比值，是衡量土壤有機(jī)質(zhì)組成和營(yíng)養(yǎng)平衡的重要指標(biāo)[17]。本研究結(jié)果表明，C/P可能比C/N和N/P與不同植被覆蓋具有更高的同步性。C/P比C/N和N/P對(duì)植被變化可能具有更優(yōu)的生態(tài)指示功能。

2.3 土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析

由表1可知，土壤有機(jī)碳與全氮有極顯著的正相關(guān)，表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律；土壤有機(jī)碳、全氮與全磷無(wú)顯著的相關(guān)性，意味著全磷并未與有機(jī)碳及其全氮有一致的變化規(guī)律。土壤有機(jī)碳、全氮含量與碳磷比及其氮磷比有極顯著的正相關(guān)；全磷含量與碳磷比及氮磷比有顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)。土壤碳磷比、氮磷比與有機(jī)碳的相關(guān)性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到有機(jī)碳的影響。

3 小結(jié)與討論

柏樹(shù)地由于受外界擾動(dòng)少，凋落物歸還量大于橘樹(shù)地和菜地，導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳、全氮含量大于橘樹(shù)地和菜地，但全磷含量顯著小于橘樹(shù)地和菜地，這是由于柏樹(shù)地從未施肥，又處于坡頂，雨水的徑流沖刷降低了土壤全磷的含量。橘樹(shù)地與菜地的土壤有機(jī)碳和全氮含量無(wú)顯著性差異，但菜地土壤全磷含量顯著大于橘樹(shù)地。3種植被的土壤碳氮比之間無(wú)顯著差異，這可能意味著土壤碳氮比不受植被變化的影響，具有內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征；氮磷比的變化趨勢(shì)與有機(jī)碳和全氮含量一致，而土壤碳磷比是柏樹(shù)地>橘樹(shù)地>菜地。碳磷比、氮磷比與有機(jī)碳的相關(guān)性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受碳的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] ELSER J J，STERNER R W，GOROKHO V A，et al. Biological stoichiometry from genes to ecosystems[J].Ecology Letters，2000， 3（6）：540-550.

[2] 張 蕊，曹靜娟，郭瑞英，等.祁連山北坡亞高山草地退耕還林草混合植被對(duì)土壤碳氮磷的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，23（6）：938-944.

[3] 賀金生，韓興國(guó).生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)：探索從個(gè)體到生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一化理論[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，34（1）：2-6.

[4] ZHANG Z S，SONG X L，LU X G，et al. Ecological stoichiometry of carbon， nitrogen and phosphorus in estuarine wetland soils：Infuences of vegetation coverage，plant communities，geomorphology and seawalls[J]. J Soils and Sediments，2013，13（6）：1043-1051.

[5] TIAN H Q，CHEN G S，ZHANG C，et al. Pattern and variation of C∶N∶P ratios in China’s soils： A synthesis of observational data[J].Biogeochemistry，2010，98（1）：139-151.

[6] YANG Y H，LUO Y Q. Carbon： Nitrogen stoichiometry in forest ecosystems during stand development[J].Global Ecology and Biogeography，2011，20（2）：354-361.

[7] 周正虎，王傳寬，張全智.土地利用變化對(duì)東北溫帶幼齡林土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量特征的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（20）：6694-6702.

[8] 朱秋蓮，邢肖毅，張 宏，等.黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（15）：4674-4682.

[9] 龐圣江，張 培，賈宏炎，等.桂西北不同森林類(lèi)型土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（1）：17-23.

[10] ASTON A R. Rainfall interception by eight small trees[J].Journal of Hydrology，1989，42（3-4）：383-396.

[11] PRIHA O，GRAYSTON S J，HIUKKA R，et al. Microbial community structure and characteristics of the organic matter in soils under Pinus sylvestris， Picea abies and Betula pendula seedlings at two forest sites[J]. Biology and Fertility of Soils，2001，33：17-24.

[12] 賈國(guó)梅，張寶林，劉 成，等.三峽庫(kù)區(qū)不同植被覆蓋對(duì)土壤碳的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（5）：2037-2040.

[13] CLEVELAND C C，LIPTZIN D. C∶N∶P stoichiometry in soil： Is there a“Redfiled ratio” for the microbial biomass[J].Biogeochemistry，2007，85（3）：235-252.

[14] 王紹強(qiáng)，于貴瑞.生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（8）：3937-3947.

[15] 王維奇，仝 川，賈瑞霞.不同淹水頻率下濕地土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（3）：238-242.

[16] CHAPIN S F Ⅲ，MATSON P A，MOONEY H A. Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology[M].New York：Springer Verlag，2002.

[17] SCHLESINGER W H，REYNOLDS J F，CUNNINGHAM G L，et al. Biological feedbacks in global desertification[J].Science，1990，247：1043-1048.