中溫-暖溫帶表土碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的空間變異性
——以河北省為例

曹祥會(huì),龍懷玉,周腳根,朱阿興,劉宏斌,雷秋良,*,邱衛(wèi)文

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)沙 410125 3 中科院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 4 The New Zealand Institute for Plant & Food Research Limited, Private Bag 4704, Christchurch

中溫-暖溫帶表土碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的空間變異性
——以河北省為例

曹祥會(huì)1,龍懷玉1,周腳根2,朱阿興3,劉宏斌1,雷秋良1,*,邱衛(wèi)文4

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)沙 410125 3 中科院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 4 The New Zealand Institute for Plant & Food Research Limited, Private Bag 4704, Christchurch

解析區(qū)域土壤碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的空間分異格局有助于土壤養(yǎng)分的綜合管理與利用。運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法,以河北省為例分析了中溫-暖溫帶表土(0—30cm)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的空間變異性及影響因素。結(jié)果顯示：(1)土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TSN)、全磷(TSP)其摩爾比率的變異系數(shù)均介于0.1—1之間,表明其在空間上存在中等程度的變異性。此外,C∶N的變異系數(shù)較小,表明C∶N較穩(wěn)定。(2)表土TSP和C∶N具有小范圍、強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有較大范圍、中等程度的空間自相關(guān)性,結(jié)構(gòu)性因素是土壤碳氮磷含量及其摩爾比率空間變異的主要影響因素。從空間分布規(guī)律來(lái)看,表土碳氮磷含量及其摩爾比率均沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的遞增或遞減的變化規(guī)律,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有相同的空間分布趨勢(shì),高值區(qū)主要分布在冀北地區(qū),分布面積較小,低值區(qū)分布范圍較廣；C∶N的高值區(qū)零星分布在冀北地區(qū),TSP的高值區(qū)和低值區(qū)呈現(xiàn)斑塊狀分布。(3)土壤C∶N、C∶P和N∶P受到土壤理化性狀、土地利用方式、人類(lèi)擾動(dòng)、氣候及地形等因素的調(diào)控。此外,不同氣候帶的C∶N、C∶P和N∶P也存在一定的差異,研究區(qū)土壤C∶N與高寒帶較接近,同時(shí)與其他氣候帶沒(méi)有顯著的差異；C∶P和N∶P與溫帶沙漠區(qū)較接近,與其余氣候帶存在顯著的差異性,說(shuō)明不同氣候帶之間的C∶N較C∶P和N∶P穩(wěn)定。

碳氮磷；生態(tài)化學(xué)計(jì)量；地統(tǒng)計(jì)；空間變異

從分子到生態(tài)系統(tǒng)都是元素按照一定比例組成的,生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素(主要是碳、氮、磷)平衡的科學(xué),以及元素平衡對(duì)生態(tài)交互作用影響的一種理論[1]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)自首次被明確為生態(tài)研究的一個(gè)補(bǔ)充理論以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)從全球與區(qū)域尺度、功能群或生態(tài)系統(tǒng)尺度以及個(gè)體水平方面對(duì)植物組織的碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征開(kāi)展了相關(guān)的研究[1- 3]。

由于土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)植物的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵性的作用,直接影響著植被群落的組成、結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力水平,解析土壤元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)揭示土壤化學(xué)元素的可獲得性、循環(huán)和平衡機(jī)制以及生態(tài)系統(tǒng)植被養(yǎng)分限制性等具有重要意義[4-5],因此諸多學(xué)者開(kāi)始對(duì)土壤生境的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行研究。Cleveland 和Liptzin[6]利用186個(gè)表層土壤的觀測(cè)數(shù)據(jù),探討了全球林地、草地及其他土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征,結(jié)果顯示：不同植被間土壤C∶N∶P比值存在變異現(xiàn)象,但在點(diǎn)與點(diǎn)之間及大尺度范圍內(nèi),其相似性比差異性更明顯,土壤C∶N∶P比值有顯著的穩(wěn)定性,其值為186:13:1。Kirkby等[7]研究了澳大利亞土壤碳氮磷的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征,并與其他國(guó)家土壤碳氮磷的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征進(jìn)行了比較,也認(rèn)為土壤腐殖質(zhì)的C∶N∶P比值在全球大范圍的土壤間是一致的。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征有重要影響[4],許泉等[8]利用第二次土壤普查數(shù)據(jù)估算的中國(guó)水田和旱地耕層土壤C∶N的結(jié)果為水田(10.8)>旱地(9.9)；Li 等[9]對(duì)中國(guó)南方亞熱帶地區(qū)不同土地利用條件下土壤碳氮磷的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的研究也表明,土壤C∶N、C∶P及N∶P呈水田>旱地或林地的特征；王維奇等[10]比較不同干擾程度的濕地土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的結(jié)果表明,土壤C∶N、C∶P 和N∶P 均表現(xiàn)出隨干擾程度增大而降低的趨勢(shì)。氣候因素對(duì)土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量也有重要影響,Post 等[11]探討了土壤C∶N 在Holdridge生命帶的分布特征,認(rèn)為C∶N的高低與氣候關(guān)系密切；Tian等[12]利用第二次土壤普查的剖面數(shù)據(jù),研究了中國(guó)不同氣候的土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征,得知中國(guó)土壤的C∶N在不同氣候區(qū)的變異均較小,而C∶P和N∶P的變異均較大。

由于土壤養(yǎng)分具有空間異質(zhì)性,探討影響土壤C、N和P生態(tài)化學(xué)特征的空間變異因素至關(guān)重要。而上述研究主要是從全球或全國(guó)尺度上研究了不同生態(tài)系統(tǒng)、不同植被類(lèi)型及人類(lèi)干擾等方面的土壤C、N和P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征,而未對(duì)影響C、N和P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征空間變異的影響因子進(jìn)行深入分析。因此,本文根據(jù)“科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)——土系調(diào)查”基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在省域尺度上,首先分析了表土碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的空間變異性；其次,從土壤類(lèi)型、土地利用方式、氣候及地形等方面分析了影響碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的空間變異性的因子；最后,與其他氣候帶的異同進(jìn)行了相關(guān)的研究。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

河北省地處東經(jīng)113°27′—119°50′、北緯36°05′—42°40′之間。西北環(huán)山, 東臨渤海, 東南部是廣闊的華北平原,土地總面積18.88 萬(wàn)km2。全省年平均氣溫9.67℃；年平均降水量536 mm,屬于典型的中溫-暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。全省地貌以高原、山地及平原為主,海拔高度呈現(xiàn)從西北向東南逐級(jí)下降的趨勢(shì)。成土母質(zhì)主要包括殘積物、坡積物以及黃土母質(zhì)等；植被類(lèi)型主要有闊葉林和針葉林等；土壤類(lèi)型主要包括初育土、人為土、淋溶土、鹽堿土、鈣層土及水成土等；土地利用類(lèi)型主要有耕地、林地以及草地等,其中耕地面積為39.91%、林地為21.59%和草地為4.51%。

1.2 土壤樣品采集及測(cè)定

依據(jù)土壤樣點(diǎn)布設(shè)要具有代表性、空間分布的均勻性的基本原則,以及研究區(qū)域地貌特點(diǎn)、土壤類(lèi)型以及土地利用方式,總計(jì)布設(shè)156個(gè)樣點(diǎn)(圖1)。于2010年8月采集表土(0—30cm)樣品,裝入自封袋；同時(shí),用GPS記錄下樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程,并詳細(xì)記錄采樣點(diǎn)周?chē)木坝^信息。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,剔除雜質(zhì),經(jīng)自然風(fēng)干后過(guò)100目孔篩,以待實(shí)驗(yàn)分析。樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法、土壤全氮采用凱氏定氮法和全磷采用鉬銻抗比色法[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)(土壤C、N和P及其摩爾比率C∶N、C∶P和N∶P),用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、方差分析(ANOVA)和多重比較(Duncan)等經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析,用GS+9.0軟件輸出它們的空間結(jié)構(gòu)信息,用ArcGIS9.3軟件輸出它們的普通克里格插值圖。

圖1 河北省樣點(diǎn)空間分布圖、土地利用類(lèi)型圖、地形圖、土壤圖和氣候帶區(qū)劃圖Fig.1 Spatial distribution of the samplers, land-use type, terrain, soil and temperature zoning maps in Hebei Province

2 結(jié)果與分析

2.1 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的統(tǒng)計(jì)描述

運(yùn)用SPSS17.0對(duì)研究區(qū)156個(gè)土壤C、N、P及其摩爾比進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征分析, 結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出,沒(méi)有進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換的SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的均值和中值差異較大,說(shuō)明在一定區(qū)域內(nèi)分布不均勻,易受異常值以及地形等因素的影響。然而,經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后,SOC、TSN和TSP的均值分別為2.46、0.06和0.11,中值分別為2.38、0.05和0.10；C∶N、C∶P和N∶P的均值分別為2.57、3.31和0.75,中值為2.56、3.22和0.68,土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的均值和中值較接近,且中值均小于均值,這說(shuō)明經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后,減小了異常值以及地形等因素的影響,其分布比較均勻。土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的變異系數(shù)分別為介于0.1—1之間,按照變異系數(shù)的劃分等級(jí): 弱變異性, C.V< 0.1；中等變異性,C.V= 0.1— 1.0;強(qiáng)變異性,C.V> 1.0[14],土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率在空間上存在中等程度的變異性。

表1 土壤C、N、P及其摩爾比率的描述統(tǒng)計(jì)特征值

SOC指土壤有機(jī)碳,TSN指土壤全氮,TSP指土壤全磷,C∶N∶P指SOC:TSN:TSP的摩爾比率

鑒于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)描述分析只能概括研究區(qū)SOC、TSN、TSP及其摩爾比率分布特征的全貌, 在一定程度上反映樣本全體,沒(méi)能定量地刻畫(huà)其隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性和相關(guān)性。因此,進(jìn)一步采用地統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行土壤有機(jī)碳和全氮的空間變異結(jié)構(gòu)分析。

數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性是使用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行土壤特性空間分析的前提。由表1可知, 沒(méi)有進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換的SOC、TSN、TSP及其摩爾比率經(jīng)K-S檢驗(yàn)(α=0.05),均不符合正態(tài)分布。然而,經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后,SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的K-SP值分別為0.589、0.747、0.106、0.216、0.505和0.447,均符合正態(tài)分布。因此, 研究區(qū)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率均滿(mǎn)足地統(tǒng)計(jì)分析的假設(shè)條件。

2.2 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的空間結(jié)構(gòu)分析

表土碳氮磷含量及其摩爾比率是基于半方差函數(shù)模型的選擇,采用GS+9.0對(duì)碳氮磷含量及其摩爾比率進(jìn)行分析,比較不同模型產(chǎn)生的塊金值、基臺(tái)值、塊金值/基臺(tái)值和決定系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。在這幾個(gè)參數(shù)中,首先要考慮的是決定系數(shù),其次考慮塊金值的大小。決定系數(shù)較大表明半方差函數(shù)理論模型的擬合效果較好。根據(jù)這個(gè)原則,選擇高斯模型作為SOC、TSN和C∶N的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型,指數(shù)模型作為C∶P的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型,球狀模型作為T(mén)SP和N∶P的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型(表2)。土壤碳氮磷含量及其摩爾比率的空間分異性是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。結(jié)構(gòu)性因素, 如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類(lèi)型等可以導(dǎo)致土壤養(yǎng)分強(qiáng)的空間相關(guān)性,而隨機(jī)性因素如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)使得土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性減弱,朝均一化方向發(fā)展。在半方差函數(shù)模型中,塊金值/基臺(tái)值(塊金系數(shù))表示空間變異性程度,該比值越小,表明由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大；反之,表明由隨機(jī)部分引起的空間變異性程度較大[15- 16]。由表2可以看出,土壤TSP和C∶N的塊金值/基臺(tái)值分別為5.4%和18.8%(均小于25%),且其變程分別為23km和22km；SOC、TSN、C∶P和N∶P的塊金值/基臺(tái)值分別為37.6%、37.1%、49.9%和47.0%(介于25%—75%),且其變程分別為64、72、205、140 km,表明TSP和C∶N具有小范圍、強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有較大范圍、中等程度的空間自相關(guān)性。另外,結(jié)構(gòu)性因素是土壤碳氮磷含量及其摩爾比率空間變異的主要影響因素。

表2 土壤碳、氮、磷及其摩爾比的變異函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

2.3 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的空間分布規(guī)律

對(duì)表土碳氮磷含量及其摩爾比率進(jìn)行普通克里格插值(圖2)。獨(dú)立驗(yàn)證結(jié)果表明(表3),SOC、TSN、TSP、C∶N、C∶P和N∶P的測(cè)定值與預(yù)測(cè)值顯著相關(guān),且ME和RMSE較小。可見(jiàn),利用克里格插值法的空間插值結(jié)果相對(duì)可靠。

表3 插值結(jié)果的精度統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

從空間分布規(guī)律來(lái)看,表土碳氮磷含量及其摩爾比率均沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的遞增或遞減的變化規(guī)律,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有相同的空間分布趨勢(shì),高含量區(qū)主要分布在北部地勢(shì)相對(duì)較高的林地(承德、保定及張家口部分地區(qū)),而低含量區(qū)則主要出現(xiàn)在南部地勢(shì)較低的農(nóng)業(yè)用地區(qū)域(邢臺(tái)、滄州、石家莊、張家口及唐山等地區(qū))。土壤TSP的高值區(qū)主要分布在張家口、唐山、秦皇島等地區(qū),分布面積較小,其值范圍為1.32—2.84；低值區(qū)分布于邢臺(tái)、保定及承德等地區(qū),分布面積較小,其值范圍為0.25—0.91。土壤C∶N高值區(qū)零星分布在承德、張家口及唐山等地區(qū),分布面積較小,其值范圍為27.95—42.27；低值區(qū)分布于整個(gè)研究區(qū),其值范圍為6.62—13.33。此外,由表1可知,土壤C∶N在整個(gè)研究區(qū)的變異系數(shù)為0.34,說(shuō)明C∶N在該研究區(qū)的空間分布較為穩(wěn)定,這主要是由于土壤全氮和有機(jī)碳的空間分布具有一致性,因此導(dǎo)致土壤的C∶N比在整個(gè)空間內(nèi)較為穩(wěn)定。

圖2 表土碳氮磷含量及其摩爾比率的空間分布Fig.2 Spatial distribution of topsoil C, N, P and their atomic ratio

2.4 表土碳氮磷摩爾比率的空間分異的影響因素

2.4.1土壤特性對(duì)土壤C∶N、C∶P和N∶P的影響

根據(jù)中國(guó)土壤發(fā)生分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn),本研究區(qū)土壤類(lèi)型主要可以劃分為6大土綱,不同土綱的C∶N、C∶P和N∶P均值存在一定的差異(表4)。C∶N均值的大小順序?yàn)椋撼跤?14.87)>水成土(13.96)>鹽堿土(13.38)>鈣層土(13.21)>淋溶土(12.81)>人為土(10.82),人為土除與淋溶土差異不顯著外,與其余4種土壤均存在顯著性差異(P<0.05)；C∶P均值的大小順序：初育土(47.69) >淋溶土(35.97) >鈣層土(31.57)>水成土(31.49)>鹽堿土(24.44)>人為土(15.44),人為土除與鹽堿土差異不顯著外,與其余四種土壤均存在顯著性差異(P<0.05)；N∶P均值的大小順序：初育土(3.34) >淋溶土(2.77) >鈣層土(2.34)>水成土(2.17)>鹽堿土(1.91)>人為土(1.45),人為土除與鹽堿土差異不顯著外,與其余四種土壤均存在顯著性差異(P<0.05)。由以上分析可知,人為土的C∶N、C∶P和N∶P較其他土壤小,且變異程度也較小。

根據(jù)美國(guó)農(nóng)部制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (USDA,1952),本研究區(qū)可以劃分出3種類(lèi)型的土壤質(zhì)地,不同土壤質(zhì)地的C∶N、C∶P和N∶P均值也表現(xiàn)不同(表4)。一般認(rèn)為,土壤質(zhì)地主要影響土壤水分有效性、植被生長(zhǎng)及黏粉粒對(duì)有機(jī)碳的吸附,從而影響土壤C∶N、C∶P和N∶P。C∶N、C∶P和N∶P的均值大小順序均為：砂土>壤土>黏壤土,C∶N和N∶P均值的差異性不顯著(P<0.05),砂土的C∶P與壤土和黏壤土的差異性較顯著(P<0.05)。

此外,土壤C∶N、C∶P和N∶P還受到土壤理化性狀的影響[10]。土壤C∶N、C∶P、N∶P除受到各自比例元素的影響外,同時(shí)還受到土壤pH、容重等因子的調(diào)控。由表5可知,除C∶N與磷含量的相關(guān)性不顯著,而土壤C∶P和N∶P分別與氮和碳含量的相關(guān)性顯著,這主要是因?yàn)樘寂c氮具有顯著的相關(guān)性；土壤pH對(duì)C∶N、C∶P和N∶P的影響較小,相關(guān)性不顯著(α=0.05)；而容重與C∶N、C∶P和N∶P均存在極顯著相關(guān)關(guān)系。

表4 不同土壤類(lèi)型和土壤質(zhì)地的C∶N、C∶P和N∶P比較

同一列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

表5 C∶N、C∶P及N∶P與影響因子間的相關(guān)關(guān)系

*顯著相關(guān)(P<0.05)；**顯著相關(guān)(P<0.01);—存在自相關(guān)關(guān)系,不宜進(jìn)行相關(guān)分析

2.4.2不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤C∶N、C∶P和N∶P的影響

不同土地利用方式下的土壤元素影響因子差異不同(表6),主要是因?yàn)椴煌耐恋乩梅绞接胁煌闹脖桓采w,從而導(dǎo)致C、N和P進(jìn)入土壤的方式也有所不同。不同土地利用類(lèi)型下C∶N大小順序?yàn)椋赫訚傻?21.15)>草地(14.62)>林地(13.39)>鹽堿地(13.38)>耕地(11.81),且沼澤地的C∶N與其他四種土地利用類(lèi)型的差異顯著(P<0.05)；C∶P的大小順序?yàn)椋赫訚傻?49.84)>草地(48.18)>林地(39.84)>鹽堿地(24.44)>耕地(18.32),且耕地與鹽堿地差異不顯著,而與草地、林地及沼澤地的差異顯著(P<0.05)；N∶P的大小順序?yàn)椋翰莸?3.34)>林地(3.05)>沼澤地(2.16)>鹽堿地(1.91)>耕地(1.59),且耕地與沼澤地和鹽堿地差異不顯著,而與草地及林地的差異顯著(P<0.05)。

表6 不同土地利用類(lèi)型C∶N、C∶P和N∶P比較

同一列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4.3氣溫、降水量和地形對(duì)土壤C∶N、C∶P和N∶P的影響

圖3 中溫帶和暖溫帶的表土C∶N、C∶P 和N∶P比較Fig.3 Comparison of topsoil C∶N, C∶P and N∶P in the mid-temperature zone and warm temperature zone

由圖3可以看出,本研究區(qū)中溫帶和暖溫帶的C∶N、C∶P和N∶P存在一定的差異,中溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P均值分別為13.83、33.51和2.91；暖溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P均值分別為13.27、30.78和2.32。中溫帶和暖溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P在α=0.05水平經(jīng)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),其P值分別為0.444、0.045和0.068,其中只有C∶P的P值小于0.05,說(shuō)明中溫帶和暖溫帶的C∶P在α=0.05水平上差異顯著,而C∶N和N∶P差異不顯著。由以上分析可以看出,中溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P均大于暖溫帶的土壤C∶N、C∶P 和N∶P,這主要是由于中溫帶地區(qū)的氣溫較暖溫帶低,而降水量高于暖溫帶,C∶N、C∶P和N∶P與氣溫呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.01),而與降水量呈現(xiàn)較顯著的正相關(guān)性(P<0.05)(表7)。由表5可知,除C∶N與坡度相關(guān)性不顯著外,C∶N、C∶P和N∶P與海拔、坡度的相關(guān)性均較顯著(P<0.05)。

表7 C∶N、C∶P及N∶P與氣溫和降水量的相關(guān)關(guān)系

*顯著相關(guān)(P<0.05)；**顯著相關(guān)(P<0.01)

3 討論

3.1 碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的空間格局規(guī)律及影響因子分析

該研究區(qū)土壤碳、氮、磷空間分布結(jié)果表明,土壤SOC和TSN具有較大尺度的、中等程度的空間自相關(guān)性,表明兩者的空間分布特征受地形、施肥、土地利用等因素影響,這與前人研究結(jié)果基本一致[17-18]。有關(guān)研究表明,不同土地利用之間土壤SOC、TSN和TSP含量差異顯著,而總體上SOC、TSN與坡度之間相關(guān)性顯著[19]。這表明土壤SOC和TSN含量變化不僅受到施肥、耕作等人為因素的影響,還受到生物固定碳氮、大氣碳氮沉降和凋落物歸還等自然因素的限制[20-21]。綜上所述,土壤SOC和TSN的空間變異可能受到地形起伏、土地利用類(lèi)型和施肥等因素影響。研究區(qū)TSP的空間分布特征恰好與SOC和TSN相反,具有小尺度范圍的、高等程度的空間自相關(guān)性。土壤磷素的主要來(lái)源為人為施肥導(dǎo)致的累積,同時(shí)相比土壤碳氮元素,土壤磷素不易發(fā)生遷移[22-23]。

研究結(jié)果表明,表土碳氮磷摩爾比率均沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的遞增或遞減的變化規(guī)律,這種空間分布格局主要可能是與該研究區(qū)的氣候、植物生產(chǎn)力、土地利用狀況以及人類(lèi)活動(dòng)干擾等因素有關(guān)[24]。但是C∶N在該研究區(qū)的空間分布較為穩(wěn)定,Tian等[12]在對(duì)全國(guó)土壤C∶N∶P比的研究中也指出,雖然碳和氮含量具有較大的空間變異性,但C∶N比相對(duì)穩(wěn)定,受氣候的影響很小。土壤C∶N在整個(gè)研究區(qū)變化差異不明顯,主要是因?yàn)樘?、氮元素之間聯(lián)系較緊密且對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)幾乎是同步的,這在Cleveland 等[6]的研究中也有體現(xiàn),同時(shí)碳和氮作為結(jié)構(gòu)性成分,其積累與消耗過(guò)程存在相對(duì)固定的比值。土壤C∶P與N∶P的變化,可認(rèn)為是隨著干擾程度的增大,土壤碳含量和氮含量的損失較快,磷含量的改變則滯后于碳和氮,具有相對(duì)穩(wěn)定性[6]。

氮磷養(yǎng)分的有效性是調(diào)節(jié)植物凋落物分解速率和生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的一個(gè)主要因素,碳積累速率和存儲(chǔ)能力是與限制植物生長(zhǎng)的氮和磷的供應(yīng)有關(guān)[4]。研究結(jié)果表明,其中土壤SOC與TSN和C∶P與N∶P之間顯著相關(guān),這與前人的研究結(jié)果基本一致[9- 10]。同時(shí),研究區(qū)不同土壤類(lèi)型的C∶N、C∶P和N∶P存在一定的差異,其中人為土的C∶N、C∶P和N∶P較鹽堿土、初育土、水成土、鈣層土及淋溶土?。徊煌恋乩妙?lèi)型的C∶N、C∶P和N∶P研究表明,耕地與沼澤地和鹽堿地差異不顯著,而與草地及林地的差異顯著,歐陽(yáng)林梅等[25]對(duì)比了耕地土壤C∶N、C∶P和N∶P與其它類(lèi)型土壤的異同,主要表現(xiàn)為耕地土壤C∶N與全球草地、森林及中國(guó)陸地平均值差別不大,表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性,而C∶P、N∶P則在土地利用方式下有所差異,這與本文研究略有差異,本研究區(qū)的耕地土壤C∶N與草地差異顯著,而與林地?zé)o顯著差異。主要是因?yàn)橐话惴侨祟?lèi)擾動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng),由于高的有機(jī)物質(zhì)自然歸還而沒(méi)有N、P外源輸入(除N干濕沉降外),C∶N、C∶P和N∶P的值高于人類(lèi)擾動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)。由此可見(jiàn),人類(lèi)活動(dòng)的干擾對(duì)土壤碳、氮、磷元素的儲(chǔ)量及循環(huán)過(guò)程有著深刻地影響,相應(yīng)的元素比也將發(fā)生變化[26]。土壤C∶N與C∶P隨著干擾程度的增大而降低,一方面是因?yàn)殡S著干擾程度的增大(如翻耕等)導(dǎo)致碳損失速率高于氮；另一方面可能是人為施肥導(dǎo)致土壤中N、P的含量增加。

不同氣候帶的氣候狀況存在一定的差異,氣候主要是通過(guò)氣溫和降水量等條件的變化,影響植物根系和微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的分解[27-28]。溫度、濕度適宜,土壤植物根系愈發(fā)達(dá),微生物活性較強(qiáng),枯枝落葉分易于分解,有利于土壤有機(jī)碳的累積。地形主要影響?zhàn)B分的流失狀況,坡度較大的地區(qū)易造成土壤中碳、氮和磷的流失,從而影響C∶N、C∶P和N∶P比值。有關(guān)研究表明土壤固碳機(jī)制主要包括黏粒保護(hù)理論、團(tuán)聚體保護(hù)理論及植物-微生物保護(hù)機(jī)制,土壤氮素主要通過(guò)徑流攜帶進(jìn)入水體,土壤中磷素多以不溶態(tài)的土壤結(jié)合物形式存在,坡地磷素多以泥沙吸附態(tài)形式發(fā)生流失,相對(duì)而言,氮的流失速率最大,磷次之,碳最小[29- 32]。海拔對(duì)C∶N、C∶P和N∶P也有一定的影響, 一方面使植被生產(chǎn)力不同而使植物殘?bào)w的形成量和碳、氮的輸入不同,另一方面也使氣候要素和土壤性質(zhì)不同而致使土壤碳和氮的分解、礦化和淋溶等過(guò)程不同。

3.2 不同氣候帶土壤C∶N, C∶P和N∶P的比較

對(duì)比中國(guó)其他氣候帶可以發(fā)現(xiàn)(表8),研究區(qū)土壤C∶N與高寒帶較接近,同時(shí)與其他氣候帶沒(méi)有顯著的差異,但緯度越高,則C∶N越大。相關(guān)研究表明在熱帶和亞熱帶地區(qū)有較多的植被凋落物,與寒冷地區(qū)相比,熱帶和亞熱帶地區(qū)的凋落物降解速率快,C∶N較低[11]；C∶P和N∶P與溫帶沙漠區(qū)較接近,與其余氣候存在顯著的差異性(P<0.05)。土壤C∶N、C∶P 和N∶P反映極端氣候?qū)ν寥鲤B(yǎng)分平衡的影響,熱帶及亞熱帶地區(qū)的高溫及強(qiáng)降水量導(dǎo)致大量的P淋溶損失；此外,熱帶及亞熱帶系統(tǒng)具有較強(qiáng)的生產(chǎn)力,可以保持土壤具有較高的碳和氮含量,從而使土壤具有較高的C∶P 和N∶P[33]。相比之下,寒冷干燥地區(qū)的植被生產(chǎn)力較低,土壤中含有較低的碳和氮含量,同時(shí)P的淋溶損失也較低,從而使使土壤具有較低的C∶P 和N∶P。在溫帶沙漠地區(qū),降水量少導(dǎo)致土壤濕度低,植被具有較低的生產(chǎn)力及養(yǎng)分淋溶弱,因而植被吸收氮的能力下降以及碳的輸入量也降低,同時(shí)P的淋溶損失也較低,從而無(wú)機(jī)氮在土壤中大量積累,具有較低的C∶N和C∶P。從表8可以看出,溫帶沙漠地區(qū)的N∶P最低,有研究表明全球表層土壤(0—10cm)的N∶P為13.1[34],這明顯高于中國(guó)不同氣候帶的土壤N∶P。

關(guān)于中國(guó)不同氣候帶的土壤C∶N, C∶P和N∶P相關(guān)研究較少。由于不同的土地利用、土壤的發(fā)育階段、氣候、地形、生態(tài)系統(tǒng)、植被及樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)等差異,造成了不同氣候帶土壤C∶N, C∶P和N∶P的復(fù)雜性和不確定性。因此,有待進(jìn)一步研究以更準(zhǔn)確評(píng)估土壤C∶N, C∶P和N∶P。

表8 中國(guó)不同氣候帶的土壤C∶N, C∶P和N∶P[35]

同一列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

4 結(jié)論

(1) 土壤SOC、TSN、TSP及其摩爾比率的變異系數(shù)分別為介于0.1—1之間,表明其在空間上存在中等程度的變異性。此外,C∶N的變異系數(shù)較小,C∶N較C∶P 和N∶P穩(wěn)定。

(2) 表土TSP和C∶N具有小范圍、強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有較大范圍、中等程度的空間自相關(guān)性,結(jié)構(gòu)性因素是土壤碳氮磷含量及其摩爾比率空間變異的主要影響因素。從空間分布規(guī)律來(lái)看,表土碳氮磷含量及其摩爾比率均沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的遞增或遞減的變化規(guī)律,SOC、TSN、C∶P和N∶P具有相同的空間分布趨勢(shì),高值區(qū)主要分布在冀北地區(qū),分布面積較小,低值區(qū)分布范圍較廣；C∶N的高值區(qū)零星分布在冀北地區(qū),TSP的高值區(qū)和低值區(qū)呈現(xiàn)斑塊狀分布。

(3) 土壤C∶N、C∶P和N∶P受到土壤理化性狀、土地利用方式、人類(lèi)擾動(dòng)、氣候及地形等因素的調(diào)控,這些因素不是獨(dú)立起作用,土壤C∶N、C∶P和N∶P是這些因子綜合作用的結(jié)果。不同氣候帶的C∶N、C∶P和N∶P也存在一定的差異,研究區(qū)土壤C∶N與高寒帶較接近,同時(shí)與其他氣候帶沒(méi)有顯著的差異；C∶P和N∶P與溫帶沙漠區(qū)較接近,與其余氣候帶存在顯著的差異性,說(shuō)明不同氣候帶之間的C∶N較C∶P和N∶P穩(wěn)定。

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Spatialvariationofecologicalstoichiometrycharacteristicsoftopsoilcarbon,nitrogenandphosphorusinHebeiProvince,China

CAO Xianghui1, LONG Huaiyu1, ZHOU Jiaogen2, ZHU Axing3, LIU Hongbin1,LEI Qiuliang1, *, QIU Weiwen4

1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofNon-pointPollutionControl,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China2InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China3InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4TheNewZealandInstituteforPlant&FoodResearchLimited,PrivateBag4704,Christchurch,NewZealand

The study on ecological stoichiometric characteristics of elements in soils is important to revealing mechanisms of the circulation and balance of soil carbon, nitrogen, phosphorus and other elements, and the knowledge of spatial variance of the ecological stoichiometric characteristcs of soil carbon, nitrogen and phosphorus is conducive to soil nutrient management. Spatial distributions of stoichiometric characteristcs of soil C, N and P in the topsoil (0—30cm) and influence factors were systematically analyzed in total Hebei Province. Based on the soil survey data in Hebei Province, the traditional statistics, geostatistics and ordinary kriging interpolation method were used to analyze the spatial variation characteristics of C∶N∶P and its influence factors. The results showed that (1) The variation coefficients of SOC, TSN, TSP and their molar ratios were between 0.1—1, which indicated that there existed spatial variability with a moderate degree. In addition, the variation coefficient of C∶N was smaller, which indicated C∶N was more stable than N∶P and C∶P. (2) Topsoil TSP and C: N has a small range and strong spatial autocorrelation, and SOC, TSN, C: P and N: P has a large range and a moderate degree of spatial autocorrelation. Structural factors were main factors of influencing spatial variation of soil organic carbon, nitrogen, phosphorus content and their molar ratio. From the spatial distribution, soil carbon, nitrogen and phosphorus content and its molar ratio did not show obvious increasing or decreasing trend. SOC, TSN, C∶P and N∶P had the same spatial distribution trend. High value region mainly distributed in the north of Hebei and the distribution area was small. The low value distributed widely in Hebei Province. The high value of TSP distributed in North Hebei, and the high value and low value of C∶N showed patch-shape distribution. (3) C∶N, C∶P and N∶P were affected by soil physical and chemical properties, land use patterns, human disturbance, climate and topography so on. In addition, there were some differences between N∶P, C∶P and C∶N in different climate zones. C∶N of study region was close to that of and the alpine zone, and there was no significant difference from other climatic zones. C∶P and N∶P of study region were close to the temperate zone, and there existed significant differences from other climate zones, which indicated that C∶N was more stable than C∶P and N∶P in different climate zones.

Carbon, nitrogen and phosphorus; ecological stoichiometry; geostatistics; spatial variation

國(guó)家自然基金(31572208)；寧夏回族自治區(qū)土系調(diào)查與土系志編制(2014FY110200A07)；國(guó)家留學(xué)基金資助

2016- 06- 29; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: leiqiuliang@caas.cn

10.5846/stxb201606291298

曹祥會(huì),龍懷玉,周腳根,朱阿興,劉宏斌,雷秋良,邱衛(wèi)文.中溫-暖溫帶表土碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的空間變異性——以河北省為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(18):6053- 6063.

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