烏蘭布和沙漠典型灌木群落土壤化學(xué)計(jì)量特征

董 雪,辛智鳴,黃雅茹,李新樂,郝玉光,劉 芳,劉明虎, 李 煒

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位監(jiān)測(cè)研究站, 磴口 015200

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)主要研究生態(tài)過程中化學(xué)元素含量和元素比例關(guān)系及其對(duì)環(huán)境因子響應(yīng)的變化規(guī)律[1],廣泛應(yīng)用于植物個(gè)體生長(zhǎng)、種群動(dòng)態(tài)、群落演替、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及限制元素判斷等研究領(lǐng)域。土壤是植物賴以生存與修復(fù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),土壤中的C、N、P元素是保障生態(tài)系統(tǒng)健康及養(yǎng)分循環(huán)的重要生態(tài)因子,3個(gè)元素含量的動(dòng)態(tài)平衡及其化學(xué)計(jì)量特征直接影響著土壤肥力和植物的生產(chǎn)力[2- 4]。因此,研究碳氮磷化學(xué)元素在生態(tài)系統(tǒng)過程中的共變規(guī)律和耦合關(guān)系,對(duì)于揭示生態(tài)系統(tǒng)過程影響因素、平衡循環(huán)機(jī)制及其作用機(jī)制具有重要意義[5- 7]。從土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)角度揭示不同荒漠植被類型生態(tài)系統(tǒng)土壤內(nèi)部C、N、P平衡和循環(huán)過程,能為我國(guó)荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分平衡和循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論指導(dǎo)。

荒漠化是當(dāng)今世界面臨的重大土地退化問題,并且平均每年以3.4%的面積在遞增,荒漠又是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一,中國(guó)荒漠化土地面積約占國(guó)土總面積的17.9%[8]?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)由于降水稀少,蒸發(fā)量大而引起氣候干燥、植被稀少、環(huán)境荒涼,造成生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱,且修復(fù)困難[9]。土壤碳氮磷計(jì)量比特征能廣泛地指示群落的生態(tài)學(xué)動(dòng)態(tài)過程,土壤養(yǎng)分狀況與植物的生長(zhǎng)與修復(fù)密切相關(guān),土壤-植物相互作用與碳氮磷循環(huán)的耦合關(guān)系,對(duì)于深入認(rèn)識(shí)和保護(hù)荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有重要而深遠(yuǎn)的意義。灌木作為干旱、半干旱荒漠區(qū)植物群落的主要建群種和基礎(chǔ)資源,對(duì)于減輕自然侵蝕、遏制荒漠化的進(jìn)展、保護(hù)自然環(huán)境和維系干旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有重要保障作用[10]。然而,荒漠地區(qū)土壤的化學(xué)計(jì)量學(xué)研究相對(duì)滯后于植物器官的研究,這嚴(yán)重限制了土壤-植物分布關(guān)系和養(yǎng)分循環(huán)的動(dòng)態(tài)研究發(fā)展?；诖?本研究在對(duì)烏蘭布和沙漠優(yōu)勢(shì)灌木群落土壤有機(jī)C、全N、全P含量調(diào)查分析的基礎(chǔ)上,通過研究不同灌木群落間的土壤養(yǎng)分垂直分布狀況及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比,探討土壤碳氮磷含量之間及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比之間的相互關(guān)系,評(píng)價(jià)不同植被類型下土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征,預(yù)測(cè)烏蘭布和沙漠植被群落、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的演變趨勢(shì),以期為荒漠土地承載力評(píng)價(jià)、土壤-植物養(yǎng)分關(guān)系及荒漠植被修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘭布和沙漠是中國(guó)八大沙漠之一,位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善左旗和巴彥淖爾市磴口縣2個(gè)旗縣境內(nèi),地理區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)106°09′—106°57′,北緯39°16′—40°57′之間。該區(qū)屬于中溫帶干旱性氣候,年均降水量110—160 mm,年均蒸發(fā)量2400—3200 mm,是降水量的20倍多；年均氣溫7.5—8.5℃,年平均風(fēng)速3.5 m/s,常見風(fēng)力3—5級(jí),主風(fēng)方向?yàn)闁|南風(fēng)或偏南風(fēng),年日照總時(shí)數(shù)3000 h以上。氣候干旱少雨,晝夜溫差大,季風(fēng)強(qiáng)勁,沙塵暴災(zāi)害性天氣較頻繁[11]。土壤類型以風(fēng)沙土為主,沙漠南部多流沙,中部多壟崗形沙丘,北部多固定和半固定沙丘。調(diào)查統(tǒng)計(jì)烏蘭布和沙漠共有天然植物455種,屬于56科208屬?；哪脖皇蔷S系干旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要保障,其植被組成中灌木是植物群落的主要建群種。旱生灌木是治理荒漠化的有效物種,也是干旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中至關(guān)重要的基礎(chǔ)資源。

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 烏蘭布和沙漠植被調(diào)查路線Fig.1 Investigation route of Ulan Buh Desert vegetation

于2016年7月下旬實(shí)地考察中,采用考察沿線記錄與典型樣地調(diào)查相結(jié)合的方法(科考路線見圖1)。在烏蘭布和沙漠8個(gè)主要建群種(白刺、沙冬青、梭梭、霸王、紅砂、油蒿、沙拐棗、駝絨藜)天然植被類型灌木林地內(nèi)設(shè)置10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方,實(shí)測(cè)并記錄每個(gè)樣方內(nèi)植物種名、株數(shù)、高度、冠幅和蓋度等指標(biāo),樣地情況見表1。在灌叢邊緣(東、南、西、北4個(gè)方向)進(jìn)行土壤分層采樣,取樣深度分別為0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm,共5層。將相同層次多點(diǎn)取樣土壤樣品充分混合,除去植物根系、動(dòng)植物殘?bào)w及大的石塊,裝入樣品袋低溫保鮮運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)四分法取樣,風(fēng)干,過 0.15 mm 篩用于土壤C、N、P含量的測(cè)量。采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)C含量；經(jīng)H2SO4-H2O2法消煮后,用凱氏定氮法測(cè)定全N含量；經(jīng)H2SO4-HClO4法消煮后,用鉬銻抗比色法測(cè)定全P含量[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2007 和 SPSS 17.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,土壤 C∶N、C∶P 、N∶P 化學(xué)計(jì)量比采用質(zhì)量比表示,通過單因素方差分析(One-Way ANOVA)的LSD 法對(duì)不同灌木類型和同一灌木類型不同土層土壤間各元素含量及其化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),且采用多因素方法對(duì)兩者的交互作用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,選擇線性函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等多種函數(shù)模型對(duì)72個(gè)樣地土壤 C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行最優(yōu)擬合。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌木群落類型0—100 cm土壤化學(xué)計(jì)量特征

烏蘭布和沙漠8種典型荒漠灌木群落樣地0—100 cm土壤 C、N、P含量為5個(gè)土層的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤分別為(2.45±1.06) g/kg、(0.26±0.09) g/kg、(0.28±0.07) g/kg,土壤C∶N、C∶P、N∶P平均值分別為9.41±2.12、8.70±3.18、0.93±0.30(表2)。土壤C∶N的變異系數(shù)最小僅為22.50%,其次是全P含量,變異系數(shù)為24.39%,兩者均屬于弱變異(CV<25%)。其余4個(gè)指標(biāo)為中等變異,其變異系數(shù)范圍31.80%—43.44%,以土壤有機(jī)C含量變異為最高。土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征在不同群落類型間有差異(P<0.05)。駝絨藜群落具有最高的土壤C、N 含量,且顯著高于其他灌木群落(P<0.05),而油蒿群落最低。土壤P含量以霸王群落為最高,但其與沙冬青群落、梭梭群落和白刺群落均未達(dá)到顯著水平 (P>0.05),油蒿群落土壤P含量最低,且顯著低于其他灌木群落(P<0.05)。土壤C∶P和N∶P均以駝絨藜群落最高,分別為13.41±3.38和1.52±0.29,而以霸王群落最低,分別為4.89±0.82和0.54±0.03。除紅砂和油蒿群落外,不同植被類型對(duì)土壤C∶P的影響均達(dá)到了顯著水平(P<0.05),除沙拐棗和梭梭群落外,不同植被類型對(duì)土壤N∶P的影響均達(dá)到了顯著水平(P<0.05),但是不同植被類型對(duì)土壤C∶N的影響相對(duì)較小。土壤C∶N以沙拐棗群落最高,比值為13.08±1.64,但其與沙冬青、梭梭和紅砂群落土壤C∶N比均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。土壤C∶N以油蒿群落最低,比值為6.28±1.14,但其與駝絨藜、霸王和白刺群落土壤C∶N比均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

表1 典型灌木群落樣地植被特征

駝絨藜Ceratoideslatens、沙冬青Ammopiptanthusmongolicus、沙拐棗Calligonummongolicum、梭梭Haloxylonammodendron、霸王SarcozygiumxanthoxylonBunge、白刺N(yùn)itrariatangutorum、紅砂Reaumuriasoongorica、油蒿Artemisiaordosica、泡泡刺N(yùn)itrariasphaerocarpa、鹽爪爪Kalidiumfoliatum、駱駝蓬Peganumharmala、貓頭刺Oxytropisaciphylla、蟲實(shí)Corispermumhyssopifolium、豬毛菜Salsolacollina、蒺藜Tribulusterrestris、沙蔥Alliummongolicum、畫眉草Eragrostispilosa、沙生針茅Stipacapillata、五星蒿Bassiadasyphylla、珍珠柴SalsolapasserinaBunge、沙竹Psammochloavillosa、沙米Agriophyllumsquarrosum

表2 烏蘭布和沙漠8種典型灌木群落0—100cm土層土壤化學(xué)計(jì)量特征

表中土壤化學(xué)計(jì)量特征結(jié)果為0—100 cm土層以20 cm土層為間隔共計(jì)5個(gè)土層的平均值；同一列中不同小寫字母表示各指標(biāo)在不同灌木群落之間的差異顯著(P<0.05)

2.2 不同灌木群落類型0—100 cm土層化學(xué)計(jì)量特征垂直分布特征

由圖2可以看出,烏蘭布和沙漠8種典型荒漠灌木0—100 cm土壤的有機(jī)C、全N含量隨不同土層深度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),且土壤有機(jī)C、全N含量在0—60 cm范圍內(nèi)銳減,在60 cm以下緩慢降低并趨于穩(wěn)定。從土壤剖面來看,表層0—20 cm土層,不同植被群落類型對(duì)土壤有機(jī)C和全N的影響均達(dá)到顯著水平(P<0.05),駝絨藜群落土壤有機(jī)C和全N含量均量顯著大于其他7個(gè)群落,其中表層土壤有機(jī)C含量最大,為6.15 g/kg,油蒿群落最低,為1.42 g/kg。對(duì)8種典型灌木群落而言,同一植被類型土壤全P在0—100 cm各土層間差異不顯著,且各灌木群落類型從上到下分布規(guī)律不一致。駝絨藜、沙冬青、沙拐棗、紅砂土壤中全P含量隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì),而梭梭、霸王、白刺、油蒿土壤中全P含量隨著土層深度減小或者不變。分析比較不同灌木類型同層間的土壤P含量,紅砂和油蒿群落土壤全P含量與其他6種灌木群落達(dá)到顯著水平,而其余6種灌木群落之間的差異均不顯著。不同灌木類型土壤C∶N比值隨著土層加深的變化規(guī)律不一致,梭梭和油蒿群落 60—80 cm土層C∶N值最高,其余各灌木類型土壤 0—20 cm層C∶N值最大,其比值范圍在9.46—14.27之間。8種典型灌木群落的土壤N∶P和C∶P都隨著土壤剖面土層深度的增加呈減小趨勢(shì),其比值變化范圍分別在4.07—17.07 和0.53—1.81之間,且垂直遞減的速率比C∶N較快。不同灌木類型、不同土層深度之間土壤N∶P和C∶P的差異顯著(P<0.05)。不同灌木類型土壤C∶N之間差異性顯著(P<0.05),但同一灌木類型不同土層間C∶N差異不顯著(P>0.05)。

通過多變量因素分析植被類型、土壤深度及兩者的交互作用對(duì)化學(xué)計(jì)量特征值6個(gè)指標(biāo)的整體影響結(jié)果顯示(見表3),植被類型、土壤深度分別對(duì)6個(gè)指標(biāo)的綜合影響達(dá)到了顯著水平(P<0.01),而植被類型與土壤深度的交互作用對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征值的6個(gè)指標(biāo)的整體影響未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

表3 植被類型、土壤深度對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征6個(gè)指標(biāo)的整體影響

2.3 荒漠灌木群落土壤化學(xué)計(jì)量特征間的關(guān)系

荒漠灌木群落土壤有機(jī)C、全N、全P含量之間均存在一定的耦合關(guān)系(圖3)。土壤有機(jī)C含量與全N含量之間為極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.8427,P<0.01),土壤有機(jī)C與全P含量及土壤全N與全P之間為顯著的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.05),其相關(guān)系數(shù)較低(R2=0.4874及0.4208)。土壤N含量隨有機(jī)C含量的增加顯著增大,而P含量相對(duì)穩(wěn)定,且變化滯后于土壤碳、氮,三者間均表現(xiàn)出不同的非線性協(xié)變關(guān)系。土壤C∶P與N∶P呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.6731,P<0.01),但C∶N與C∶P和N∶P之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系(圖3)。由圖4可知,土壤化學(xué)計(jì)量比與土壤有機(jī)C之間均具有極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(P<0.01),但與土壤全P之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。土壤全N含量與土壤C∶P和N∶P具有極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(P<0.01),但與土壤C∶N之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。C∶P隨C含量的增加先增加后降低,而隨N的增加顯著上升。此外,不同化學(xué)計(jì)量比的主要控制元素也各不相同,土壤C∶N與有機(jī)C含量擬合模型的相關(guān)系數(shù)(0.4593)高于N含量(0.1315),故土壤有機(jī)C含量對(duì)C∶N的影響更大；C∶P的主要受C含量的影響(R2=0.4905),P含量的影響較弱(R2=0.1791)；N∶P的主要受N含量的影響(R2=0.6528),P含量的影響較弱(R2=0.0269)。碳氮磷化學(xué)計(jì)量比中,C∶N和N∶P的變異系數(shù)相對(duì)較大(表2),但卻都與C含量呈現(xiàn)極為密切的二次函數(shù)關(guān)系?？梢?荒漠土壤有機(jī)C、全N和全P含量與其化學(xué)計(jì)量比之間具有較復(fù)雜的非線性關(guān)系,而非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖2 不同灌木類型土壤化學(xué)計(jì)量特征的垂直分布變化Fig.2 Vertical distribution of soil stoichiometric characteristics under different shrub types不同大寫字母表示同一土層不同典型群落之間的顯著性差異(P<0.05)；不同小寫字母表示同一典型群落不同土層之間的顯著性差異(P<0.05)

圖3 荒漠灌木群落土壤化學(xué)計(jì)量特征之間的關(guān)系Fig.3 Relationship among soil stoichiometric in typical desert shrub communities

3 討論

研究表明,由于以不同類型灌木為建群種的荒漠植被群落其伴生的物種也不同,因此各灌木群落多樣性和豐富度均有差別,造成不同群落的生物量、地表凋落物的組成及分解速率等均存在一定差異,從而造成不同植被類型灌木林地土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征有顯著差異[13],我們對(duì)烏蘭布和沙漠分布的典型荒漠灌木類型的研究結(jié)果與其類似。此外,不同灌木群落根系活動(dòng)深度不同,對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收強(qiáng)度和深度也不同,從而在對(duì)土壤養(yǎng)分垂直分布特征的影響強(qiáng)度上存在差異[14]。本研究結(jié)果得出,烏蘭布和沙漠8種典型灌木群落土壤整體的有機(jī)C、全N、全P三元素含量較低(2.45、0.26、0.28 g/kg)遠(yuǎn)低于全國(guó)(11.12、1.06、0.65 g/kg)水平[15-16],可知烏蘭布和沙漠典型灌木群落土壤C、N、P元素極為貧瘠。土壤有機(jī)C和全N主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)、凋落物的分解和根系分泌物,受環(huán)境和植被類型的影響較大[17-18]。由于荒漠區(qū)干旱少雨,環(huán)境惡劣,植物群落形成的凋落物相對(duì)較少,致使輸送到土壤中的凋落物分解合成的有機(jī)質(zhì)含量較低[19-20],因此造成土壤有機(jī)C、全N含量相對(duì)偏低。而土壤全 P 是一種沉積性物質(zhì),受成土母質(zhì)的影響,主要來源于巖石分化且不利于遷移[21],因此烏蘭布和沙漠8種典型灌木土壤全P含量隨著土層深度的增加,差異性逐漸減弱,而造成表層土壤磷含量差異較大的主要影響因素是植被類型[22]。土壤C∶N、C∶P和N∶P能很好地指示土壤養(yǎng)分狀況[23],本研究灌木群落土壤整體C∶N、C∶P、N∶P值(9.41、8.70、0.93) 低于全國(guó)水平(12.01、25.77、2.15)[15,20]。烏蘭布和沙漠8種典型灌木群落同一植被類型下各層土壤的C∶N差異不顯著且比較穩(wěn)定,說明碳、氮作為結(jié)構(gòu)性成分,在積累和消耗過程中具有相對(duì)固定的比值,且對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)具有一致性[24]。但研究發(fā)現(xiàn),烏蘭布和沙漠不同典型灌木群落土壤C∶P 和N∶P變化較大,植被類型造成土壤C∶P和N∶P 的差異,主要是由于不同植物對(duì)土壤、大氣中主要化學(xué)元素的吸收和釋放不同,從而導(dǎo)致不同植被類型下土壤C∶P和N∶P值的差異[2,25]。由此推斷土壤C∶P和N∶P可以作為烏蘭布和荒漠地區(qū)指示磷有效性和限制性養(yǎng)分判斷的重要指標(biāo),其化學(xué)計(jì)量比值大小可以預(yù)測(cè)該地區(qū)土壤-植被群落的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的演變趨勢(shì)。

在干旱、半干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)中,由于風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈,風(fēng)力搬運(yùn)、水土流失、降塵頻發(fā)以及灌木植物對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和土壤微環(huán)境的改變,使得灌叢邊緣土壤養(yǎng)分富集表現(xiàn)出 “沃島效應(yīng)”現(xiàn)象比較典型[26-27]。研究表明烏蘭布和沙漠8種典型灌木土壤有機(jī)C和全N含量均隨土層深度的增加而下降?？赡苁且?yàn)榛哪貐^(qū)土壤表層較為疏松,土壤透氣性較好,表層土壤氧氣充足,使其微生物活動(dòng)比較活躍,易于植物凋落物的分解、腐殖質(zhì)的積累和土壤養(yǎng)分的截存和富集,呈現(xiàn)一定的“沃島效應(yīng)”現(xiàn)象。土壤 C、N、P 元素作為影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的養(yǎng)分,在植物生長(zhǎng)過程中發(fā)揮著重要的作用,其含量的多少及成分組合狀況,均會(huì)受到植被種類和外界環(huán)境的影響[28-29]。本研究0—20 cm土層有機(jī)C、全N在不同群落類型之間形成顯著的差異(P<0.05),表明不同灌木種類,由于植株形態(tài)結(jié)構(gòu)、凋落物和根分泌物的不同,造成土壤養(yǎng)分含量存在明顯的差異,另一方面灌叢形成后對(duì)周圍土壤的肥力亦有明顯的富集和保護(hù)作用, 0—20 cm土層土壤全P含量高于下層土壤,但相對(duì)比較穩(wěn)定,土層對(duì)其影響未達(dá)到顯著水平。相關(guān)性分析表明,烏蘭布和沙漠典型灌木群落土壤有機(jī)C、全N、全P彼此之間存在顯著的正相關(guān)(P<0.05),土壤的碳、氮、磷3個(gè)元素的關(guān)系緊密,互相作用形成了一定的耦合關(guān)系。土壤有機(jī)C與全N的相關(guān)系數(shù)最高達(dá)0.843,說明土壤中碳、氮含量對(duì)地表植被類型及環(huán)境因子的響應(yīng)是一致的,荒漠區(qū)不同灌木類型的土壤C∶N比較穩(wěn)定,變異性最小。

烏蘭布和沙漠典型灌木群落土壤表層C、N和P含量高于下層土壤,這可能由于土壤有機(jī)C和全N主要來源植物殘?bào)w(凋落物和根系分泌物),隨著土壤深度增加,有機(jī)質(zhì)輸入的能力會(huì)下降,土壤有機(jī)C、全N含量隨土層深度的增加逐漸減小。土壤P含量除了源于有機(jī)質(zhì)輸入外,母巖風(fēng)化過程會(huì)不斷補(bǔ)充下層土壤P含量,使土壤P含量的垂直遞減速率要遠(yuǎn)慢于土壤C和N含量,導(dǎo)致土壤P具有相對(duì)穩(wěn)定的垂直分布,變異性較小。研究區(qū)土壤碳氮磷計(jì)量比隨土層深度的變化格局表現(xiàn)為：8種典型灌木類型(除梭梭和油蒿群落外)土壤C∶N隨土層深度逐漸遞減,各灌木群落土壤N∶P和C∶P均隨著土壤深度呈急劇減小趨勢(shì),且垂直遞減的速率比C∶N快,此研究結(jié)果與許多學(xué)者[30-32]的研究結(jié)果類似。由于氣候、植被、土壤類型均會(huì)影響C∶N,且影響力在土層深度間也存在差異,但隨著土壤深度增加,通常氣象因子(降水、溫度等)和植被因子對(duì)土壤C∶N的影響力相對(duì)減弱,而土壤類型的影響力逐漸增強(qiáng)[31,33]。此外,由于C、N養(yǎng)分的土壤剖面分布規(guī)律在不同植被類型間存在顯著差異,植被動(dòng)態(tài)變化將會(huì)改變土壤C∶N的垂直分布規(guī)律,從而導(dǎo)致C∶N隨土層深度呈現(xiàn)復(fù)雜的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

本文通過分析烏蘭布和沙漠8種典型灌木類型區(qū)土壤的碳、氮、磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征,探討了養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比之間的相互關(guān)系,得出以下結(jié)論：

(1)土壤有機(jī)C和全N受土層和植被類型的影響,而土壤全P主要受土壤母質(zhì)的影響。各灌木類型土壤有機(jī)C、全N、全P含量均表現(xiàn)為表層土壤大于下層土壤,不同灌木類型表層0—20 cm土壤有機(jī)C和全N含量差異顯著(P<0.05),全P隨土層深度變化差異性不顯著(P>0.05)。各灌木群落土壤C、N含量隨著土壤深度的增加均呈減少趨勢(shì),但各灌木類型土壤P含量隨著土層增加變化規(guī)律不一致。

(2)不同植被類型對(duì)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的影響程度不同。土壤 C∶N 較為穩(wěn)定,變異系數(shù)最小,C∶P、N∶P 受植被類型影響較大,隨著土壤深度的增加,各灌木群落土壤C∶P、N∶P均有所下降,但土壤C∶N在不同群落中變化規(guī)律不一致。因此土壤C∶P與N∶P可以作為評(píng)價(jià)該區(qū)域磷有效性和養(yǎng)分限制性的指標(biāo)。

(3)土壤碳、氮、磷含量及其化學(xué)計(jì)量比之間存在非線性耦合關(guān)系,土壤有機(jī)C含量與全N含量之間為極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(P<0.01),土壤有機(jī)C與全P含量及土壤全N與全P含量之間為顯著的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.05)。C、N元素含量變化幾乎同步,但P元素含量變化滯后于二者。土壤化學(xué)計(jì)量比與土壤有機(jī)C之間均具有極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(P<0.01),但與土壤全P之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。土壤全N含量與土壤C∶P和N∶P具有極顯著的二次函數(shù)關(guān)系(P<0.01),但與土壤C∶N之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。因此,烏蘭布和沙漠典型灌木群落土壤有機(jī)C、全N、全P與其化學(xué)計(jì)量比之間具有復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系。

在沙漠惡劣的自然環(huán)境下, 荒漠灌叢為了適應(yīng)貧瘠的沙質(zhì)環(huán)境,需要提高養(yǎng)分的有效利用率,從而形成了灌叢的“沃島效應(yīng)”,研究不同灌木植物類型對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響,對(duì)揭示灌木對(duì)荒漠系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分的保護(hù)和有效利用機(jī)制,以及植被的演替和恢復(fù)重建等都有重要的生態(tài)學(xué)意義。本研究對(duì)荒漠典型灌木類型對(duì)土壤養(yǎng)分的利用和保護(hù)效應(yīng)進(jìn)行了研究,初步揭示了灌木植物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用對(duì)策和對(duì)土壤養(yǎng)分的截獲和保護(hù)效應(yīng),可以為荒漠地區(qū)植被演替和重建以及土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)研究提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。