古爾班通古特沙漠西南緣檉柳沙包的土壤化學(xué)計量特征

董正武, 玉米提·哈力克, 李生宇, 雷加強, 趙 英

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011 3 新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830054 4 魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 煙臺 264025

土壤是植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ), 能夠提供植物生長的營養(yǎng)與環(huán)境等條件[1- 2]。碳(C)、氮(N)、磷(P)是土壤中以相對穩(wěn)定比例分布的重要養(yǎng)分元素, 其含量的多寡及其平衡關(guān)系, 不僅影響著植物的生長發(fā)育、群落組成及生產(chǎn)力水平, 而且對維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用[3]。土壤C、N、P在生物地球化學(xué)循環(huán)過程中具有相互耦合的特征, 這種耦合關(guān)系可用化學(xué)計量學(xué)的基本原理進(jìn)行表達(dá)[4]。土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的理論和方法為深入認(rèn)識植物-土壤相互作用的養(yǎng)分調(diào)控機制提供了新的思路[5- 6], 因此, 研究土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量特征對認(rèn)識土壤養(yǎng)分循環(huán)及平衡機制具有重要的意義[7-8]。在干旱沙漠地區(qū), 植物生命活動不僅受水分短缺的限制, 而且也受到土壤養(yǎng)分貧瘠及脅迫環(huán)境的制約[9], 從而使土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量特征呈現(xiàn)特殊的變化趨勢[10]。此外, 土壤養(yǎng)分在一定程度上決定了土壤的結(jié)構(gòu)及性質(zhì), 間接影響著土壤水分、肥力及抗侵蝕能力等[11- 13]。沙漠生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分極其匱乏, 通常受降水等氣候因素、沙丘地貌、微地形、土壤質(zhì)地及植被類型等諸多因素影響[10-11]。因此, 研究沙漠生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分化學(xué)計量特征及其與環(huán)境因素之間的關(guān)系是非常必要的, 對評價干旱沙漠地區(qū)土壤演變過程及退化程度具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義[14- 15]。

檉柳沙包作為干旱沙漠地區(qū)獨特的生物地貌景觀, 主要由長期的風(fēng)成沙與檉柳枯枝落葉交互堆積形成[16], 是沙漠-綠洲過渡帶的重要生態(tài)屏障, 在保障綠洲生態(tài)安全及遏制沙漠蔓延等方面發(fā)揮著重要作用[17]。目前, 關(guān)于檉柳沙包的研究主要集中在其形成機理、形態(tài)結(jié)構(gòu)、環(huán)境指示意義及土壤鹽分等方面[16-17, 18-19]。劉進(jìn)輝等[12]和尹傳華等[ 14]認(rèn)為檉柳灌叢沙堆土壤養(yǎng)分具有“肥島效應(yīng)”, 且土壤養(yǎng)分在表層呈現(xiàn)富集, 這種灌叢沙堆養(yǎng)分的富集直接影響到區(qū)域生物地球化學(xué)循環(huán)過程。然而, 由于土壤養(yǎng)分的積累與氣候、地形地貌、成土過程及生物作用等因素密切相關(guān), 在從檉柳沙堆發(fā)育成高大沙包的過程中, 檉柳沙包的土壤養(yǎng)分分布情況尚不明確, 尤其對處于穩(wěn)定階段檉柳沙包中土壤養(yǎng)分變化的研究鮮見報道。

近年來, 古爾班通古特沙漠地區(qū)部分檉柳沙包被開發(fā)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 檉柳沙包的開墾增加了耕地, 提高了土地利用效率。然而, 由于該地區(qū)降水稀少, 以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等對水資源的過度利用, 造成地下水位明顯下降、水資源嚴(yán)重短缺, 使已開墾的檉柳沙包被荒棄現(xiàn)象時有發(fā)生。這種檉柳沙包的不當(dāng)利用, 導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境呈惡化發(fā)展的趨勢。隨著檉柳沙包的破壞及消失, 導(dǎo)致局部土地向荒漠化或沙丘演進(jìn), 進(jìn)而帶來嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[20-21]?；诖? 本文以古爾班通古特沙漠西南緣地區(qū)的典型檉柳沙包為研究對象, 通過分析處于穩(wěn)定階段檉柳沙包中土壤養(yǎng)分變化及化學(xué)計量特征, 結(jié)合部分環(huán)境因子, 揭示檉柳沙包中土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量的變化特點、以及它們與環(huán)境因子之間的關(guān)系, 探討檉柳沙包的形成對土壤養(yǎng)分的影響。研究結(jié)果對理解干旱沙漠地區(qū)檉柳在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用, 以及環(huán)境變化對檉柳沙包土壤演化過程的影響提供初步認(rèn)識; 也為檉柳沙包的保護及利用提供理論依據(jù), 同時也對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護及建設(shè)具有參考價值。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

古爾班通古特沙漠(84.52°—90.00°E, 44.18°—46.33°N)地處新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地中心, 面積約為5.11×104km2, 是中國第二大沙漠。地貌類型主要為各種類型的沙壟、沙丘鏈及蜂窩狀沙丘。該地區(qū)年均溫度約為5—8℃, ≥ 10℃的年積溫3000—3500 ℃, 年平均降水量約為114.89 mm, 主要發(fā)生于冬季(降雪)和春季(降雨), 冬季積雪厚度約為13 cm, 最厚可達(dá)27 cm。春夏兩季為風(fēng)季, 控制本區(qū)域的風(fēng)系主要為西風(fēng)氣流和蒙古高壓形成的西北和東北風(fēng)系, 起沙風(fēng)速達(dá)6 m/s, 以4—6月最強盛, 最大風(fēng)速達(dá)20 m/s; 年均潛在蒸發(fā)量超過2000 mm, 為典型溫帶干旱荒漠氣候[22]。植被以短命、類短命植物及旱生草灌木為主, 植物種類豐富、生活型多樣, 主要優(yōu)勢植物有梭梭、白梭梭、檉柳、麻黃、絹蒿等, 部分可形成大小不等的植叢沙堆。地表有發(fā)育良好的土壤結(jié)皮, 成為維持地表穩(wěn)定的重要因素[23-24]。

圖1 古爾班通古特沙漠檉柳沙包采樣圖Fig.1 Sample plots of Tamarix cones in the Gurbantunggut Desert

1.2 研究方法

1.2.1試驗設(shè)計

根據(jù)檉柳沙包形成過程中的氣候、水文及植被分布狀況等特征, 本研究以古爾班通古特沙漠西南緣由風(fēng)蝕和水蝕共同作用形成的檉柳沙包為研究對象, 選擇荒漠-綠洲過渡帶的典型檉柳沙包分布區(qū)為研究區(qū)(圖1), 沙包上的檉柳蓋度為50%—60%左右, 檉柳沙包周圍伴生有梭梭、白梭梭及早春短命草本植物等[24]。該地區(qū)地下水埋深約在30 m以上, 地表有生物結(jié)皮, 土壤主要為風(fēng)沙土, 呈中度鹽漬化。本研究共選擇了6個長勢較為一致、大小相近、處于穩(wěn)定階段發(fā)育成熟的典型檉柳沙包(高度為(2.5±0.3) m, 直徑約為10 m)。

1.2.2土壤樣品采集

為避免降水對土樣采集造成的影響, 選擇基本沒有降水發(fā)生的夏季進(jìn)行采樣。于2017年7月進(jìn)行樣品采集。在檉柳沙包頂部灌叢下, 用土鉆以20 cm為一個取樣層分層進(jìn)行土樣采集; 根據(jù)檉柳沙包高度, 取樣深度設(shè)定為0—500 cm, 即每個沙包采集土樣25個, 6個檉柳沙包共采集土樣150個, 裝入自封袋, 帶回實驗室進(jìn)行測試和分析。

1.2.3指標(biāo)測定

土樣在室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干后分成兩部分, 一部分過0.5 mm篩, 用于土壤理化性質(zhì)分析, 另一部分過2 mm篩, 用于土壤粒徑分析。制備土水質(zhì)量體積比為1:5的土壤浸提液進(jìn)行土壤pH和電導(dǎo)率(EC)的測定。土壤pH采用pH計(pHS- 2C, 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司, 上海)測定; 土壤電導(dǎo)率(EC)(Ms/cm)采用電導(dǎo)率儀(DDS- 307, 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司, 上海)測定; 土壤含水量(SWC)(%)采用烘干稱重法; 土壤有機碳(SOC)含量(g/kg)采用重鉻酸鉀外加熱法測定; 全氮(TN)含量(g/kg)采用凱氏定氮法測定; 全磷(TP)含量(g/kg)采用鉬銻抗比色法測定; 具體分析方法參見《土壤農(nóng)化分析》[25]。土壤粒徑測定按照試驗規(guī)范對土樣進(jìn)行預(yù)處理, 然后通過Malvern Matersizer 2000激光粒徑儀(粒級0.02—2000 μm)測量土壤粒徑的體積百分比, 采用美國制土壤顆粒大小的分級標(biāo)準(zhǔn): 沙粒(2.0—0.05 mm)、粉粒(0.05—0.002 mm)和粘粒(< 0.002 mm)。

1.2.4取樣土層確定

基于檉柳沙包中土壤養(yǎng)分含量及變異程度隨土壤深度的變化特點, 共劃分為5個層次: 0—100、100—200、200—300、300—400和400—500 cm層。

1.2.5數(shù)據(jù)分析

利用R 3.5.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析, 并運用Origin2017進(jìn)行繪圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同深度土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分及化學(xué)計量特征的差異。利用Levene′s test檢驗方差齊性與否, 方差齊性時使用Duncan法進(jìn)行多重比較, 方差不齊時則使用T2Tamhane′s test進(jìn)行多重比較。運用Pearson相關(guān)性分析土壤化學(xué)計量特征間的關(guān)系, 并通過線性回歸分析對土壤 C、N、P含量及化學(xué)計量比進(jìn)行擬合。運用Pearson相關(guān)性分析和db-RDA(Distance-based redundancy analysis)分析土壤化學(xué)計量特征與環(huán)境因子的關(guān)系。在用R語言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時, 主要用到以下軟件包: 1) db-RDA分析-ggvegan; 2) Pearson相關(guān)性分析-Hmisc; 3)回歸分析-lm.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化特征的垂直變化

隨著土層深度的增加, 土壤含水量及粉粒含量呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律(表1)。土壤含水量在300—400 cm層最低(P<0.05), 0—200 cm層土壤含水量明顯低于200—300 cm和400—500 cm(P<0.05)。0—100 cm和100—200 cm層土壤含水量沒有明顯差異(P> 0.05)。粘、粉粒含量呈先升高后降低再升高的變化, 而沙粒含量正好相反。200—300 cm層土壤粘、粉粒含量最高, 沙粒含量最低(P<0.05), 而300—400 cm層土壤粘、粉粒含量最低, 沙粒含量最高(P<0.05)。土壤EC值呈先降低后升高的變化, 0—100 cm層鹽分含量最高(P<0.05), 達(dá)2.960 Ms/cm; 300—400 cm層含量最低(P<0.05), 為0.710 Ms/cm; 從0—100 cm至400—500 cm, 土壤EC值降幅達(dá)200%以上; 說明檉柳沙包的土壤鹽分垂直分布呈表聚現(xiàn)象。土壤pH呈先升高后降低再升高的變化, 且0—100 cm層土壤pH最低, 呈弱堿性(pH為7.802); 100—200 cm層為堿性(pH為8.416), 而200 cm層以下呈強堿性, 且400—500 cm層土壤pH最高(P<0.05)。

2.2 土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計量比的垂直變化

檉柳沙包的土壤養(yǎng)分變化見圖2。隨著土層深度增加, SOC和TN均呈先升高后降低的變化, 其中表層0—100 cm含量最大, 與100 cm以下各土層有顯著差異(P<0.05); TP含量在整個土壤剖面的變化幅度較小, 其中300—400 cm層明顯低于其他各層(P<0.05)。隨著土層深度的增加, 土壤C/N呈先降低后升高再降低的變化, 且300—400 cm層明顯高于其他各層(P<0.05), 土壤C/P和N/P呈先降低后升高的變化, 表層0—100 cm明顯高于其他各層(P<0.05) (表2)。

表1 檉柳沙包土壤基本性質(zhì)

圖2 檉柳沙包中土壤養(yǎng)分變化特征Fig.2 Variation of soil nutrient contents at Tamarix cones

變異系數(shù)CV(Coefficient of variation)反映樣點的離散程度, CV<0.1為弱變異性; 0.1≤CV≤1為中等變異性; CV>1為強變異性[26]。由表2可知, 不同深度土壤C、N、P含量的變異程度存在一定差異, 土壤C、N在0—500 cm層均呈中等變異, 而P在0—400 cm呈弱變異, 400—500 cm為中等變異。

2.3 土壤C、N、P與化學(xué)計量特征的關(guān)系

土壤養(yǎng)分元素間密切相關(guān)并相互耦合[27], 已有研究認(rèn)為元素計量比與兩個元素間均存在一定關(guān)系, 但不同元素間的變化趨勢不盡相同[10,28]。根據(jù)Pearson相關(guān)性分析, 除C與C/N之間、N與C/N之間、C/P與C/N之間、N/P與C/N之間相關(guān)性不顯著外, 其余土壤化學(xué)計量指標(biāo)之間均呈顯著和極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05,P<0.01) (圖3)。線性方程擬合表明, 土壤C、N、P之間均具有顯著的線性關(guān)系(P<0.05), 其中C與N的相關(guān)性最強(圖3, 圖4)。C/N與C、N之間沒有明顯的關(guān)系, C/P與C、P之間、N/P與N、P之間呈顯著的線性關(guān)系(p<0.05) (圖4)。

表2 檉柳沙包土壤養(yǎng)分變異程度及化學(xué)計量特征

土壤化學(xué)計量比與各元素的相關(guān)性大小不同, 相關(guān)性較小的元素對化學(xué)計量比的影響小于相關(guān)性大的元素[28]。根據(jù)相關(guān)性分析及線性擬合, C/N和N/P主要受控于N含量, C/P主要受控于C含量 (圖3, 圖4); 此外, 除C/N與C、N外, 化學(xué)計量比與分子的決定系數(shù)(R2)明顯大于其與分母的決定系數(shù), 表明土壤化學(xué)計量比主要受控于土壤C和N, 其中N的影響作用更明顯 (圖4)。

圖3 檉柳沙包土壤 C、N、P含量及化學(xué)計量比之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficients between soil C, N and P content and their stoichiometric ratios at Tamarix cones*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001

圖4 檉柳沙包土壤C、N、P含量及化學(xué)計量之間的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationships between soil C, N, P contents and their corresponding stoichiometric ratios

就不同深度而言, 從0—100 cm到400—500 cm層, 土壤C與C/P之間、N與N/P之間均呈極顯著正相關(guān), 表明土壤化學(xué)計量比主要受C和N控制。0—100 cm層N、N/P與C/P之間呈極顯著正相關(guān), 100—200 cm層C、C/P與N/P之間呈極顯著正相關(guān), 而P與C/P、N/P之間在0—200 cm層無顯著相關(guān)性, 表明0—200 cm層P對土壤土化學(xué)計量特征的影響不明顯。400—500 cm層N與P之間及N、P與N/P之間呈極顯著正相關(guān), C/N與N/P之間為顯著負(fù)相關(guān), 表明土壤化學(xué)計量特征在400—500 cm層不僅受C、N的制約, 也受P的影響(表3)。

表3 不同深度土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量比間的Pearson相關(guān)關(guān)系

2.4 土壤養(yǎng)分化學(xué)計量特征與環(huán)境因子的關(guān)系

基于db-RDA分析的土壤化學(xué)計量特征與環(huán)境因子關(guān)系見表4和圖5。第一軸和第二軸解釋了土壤化學(xué)計量與環(huán)境因子之間關(guān)系的大部分信息。在0—200 cm層, 第一軸和第二軸分別解釋了土壤化學(xué)計量89.198%和1.235%的變量, 解釋了土壤化學(xué)計量與環(huán)境因子之間關(guān)系98.493%和1.383%的變量。在200—500 cm 層, 第一軸和第二軸分別解釋了土壤化學(xué)計量95.268%和1.023%的變量, 解釋了土壤化學(xué)計量與環(huán)境因子之間關(guān)系的98.086%和1.053%的變量(表4)。

根據(jù)db-RDA分析, 各因子箭頭所指的方向大致相同, 表明具有極顯著正相關(guān)[3]。在0—200 cm層, 年平均降水量、溫度、蒸發(fā)量、pH、土壤含水量及EC對土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量的影響依次減弱; 其中位于第一軸右側(cè)的年均降水量、年均溫度、年均蒸發(fā)量及pH與土壤P、C/N呈正相關(guān)關(guān)系, 說明溫度、降水及蒸發(fā)是影響土壤養(yǎng)分化學(xué)計量特征的主要因素。而在200—500 cm層, 土壤含水量、pH、年均溫度及EC對土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量具有顯著的影響, 且所有環(huán)境因子均位于第一軸的左側(cè), 與土壤C、N、P、C/P及N/P呈正相關(guān)關(guān)系(圖5), 說明土壤含水量、pH及鹽分是影響土壤養(yǎng)分化學(xué)計量特征的主要因素。

表4 基于db-RDA分析的土壤化學(xué)計量的特征值和累積貢獻(xiàn)比率

圖5 基于db-RDA分析的土壤化學(xué)計量與環(huán)境因子之間的關(guān)系Fig.5 Distance based redundancy analysis (db-RDA) biplot of soil stoichiometry and environmental factors MAT:年平均溫度mean annual temperature, MAP: 年平均降水 mean annual precipitation, MAEP: 年平均蒸發(fā)量mean annual evaporation, C: 有機碳o(jì)rganic carbon, N:總氮 total nitrogen, P: 總磷total phosphorus, SWC: 土壤水分含量 soil water content and electrical conductivity, EC: 電導(dǎo)率 respectively

根據(jù) Pearson相關(guān)性分析, 在0—200 cm層, 除P與所選環(huán)境因子之間相關(guān)性不顯著外, 土壤C、N、C/P及N/P與年平均溫度、年平均蒸發(fā)量、pH及粘粉粒呈顯著和極顯著負(fù)相關(guān), 而與沙粒呈顯著和極顯著正相關(guān); 電導(dǎo)率與C、N、C/N及C/P呈顯著正相關(guān)(表5), 說明表層土壤C、N易受溫度、蒸發(fā)等氣候因素的影響, 而P受環(huán)境因素的影響不明顯。在200—500 cm層, 土壤C、N、C/P及N/P與土壤含水量、粘粉粒呈顯著和極顯著正相關(guān), 與沙粒呈極顯著負(fù)相關(guān); C/N與土壤含水量、粘粉粒呈極顯著負(fù)相關(guān), 與沙粒呈極顯著正相關(guān)(表5); 說明深層土壤C、N、P化學(xué)計量特征主要受土壤含水量的影響。此外, 粘、粉、沙粒在整個剖面對土壤C、N、P化學(xué)計量特征均有一定程度的影響。

3 討論

3.1 檉柳沙包中土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量特征

土壤養(yǎng)分含量反映了土壤肥力、有機質(zhì)組成及質(zhì)量程度, 是表征土壤 C、N、P 元素循環(huán)的有效指標(biāo)[8- 9]。沙漠地區(qū)由于降水稀少及相對低的分解速率, 使得土壤儲存有機質(zhì)的能力較低, 導(dǎo)致養(yǎng)分可利用性相對較低[10]。本研究中, 土壤C含量低于中國平均值(24 g/kg)及中國溫帶沙漠平均值(9 g/kg)[29](表2), 土壤N含量低于中國平均值(1.5 g/kg)及中國溫帶沙漠平均值(1.0 g/kg)[29](表2), 表明研究區(qū)檉柳沙包中土壤 C、N元素極為貧瘠, 是影響區(qū)域植物生長發(fā)育的主要因素。土壤C、N主要源于土壤有機質(zhì)及凋落物的分解[29-31], 由于受水分及風(fēng)沙侵蝕的影響, 檉柳沙包中枯落物相對較少, 致使輸送到土壤中的有機質(zhì)含量較低。類似較低土壤C、N含量及存在C、N源限制的還有準(zhǔn)噶爾荒漠[10]、塔里木河上游荒漠[30]及河西走廊沙漠[32]等地區(qū)。土壤P是一種沉積性元素, 主要源于巖石分化, 受成土母質(zhì)及氣候等因素的影響較大[3], 本研究P含量為0.57 g/kg, 低于地殼平均值(2.8 g/kg)及全國平均(0.65 g/kg)水平[28](表2)。與荒漠地區(qū)相比, 本研究P含量與塔里木河上游荒漠[30]及河西走廊沙漠[32]相近, 這主要與荒漠區(qū)干旱少雨等氣候條件密切相關(guān), 導(dǎo)致巖石分化緩慢, 從而使土壤P含量相對較低。綜合分析表明, 干旱荒漠區(qū)土壤C、N、P含量均較為缺乏, 并以降水稀少的古爾班通古特沙漠檉柳沙包中更甚, 且N和C較P而言更為缺乏。

表5 土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量與環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)關(guān)系

本研究中, 0—300 cm層土壤養(yǎng)分含量隨土層深度的增加呈降低趨勢, 尤其是C、N含量具有較大的變異, 而P含量波動相對較小(表1), 這與前人的研究結(jié)果較為一致[12,14,27], 即表層土壤C、N含量高于深層, 這主要是由于土壤C、N受氣候環(huán)境、枯落物分解、植物利用等影響而存在較大的空間異質(zhì)性。土壤P含量主要由母質(zhì)經(jīng)風(fēng)化形成, 且風(fēng)化程度在土層中差異不明顯[31], 因此, P在檉柳沙包0—500 cm層土壤分布相對穩(wěn)定(圖2)。已有研究表明檉柳灌叢沙堆在表層土壤存在“肥島效應(yīng)”, 即檉柳灌叢下土壤C、N含量明顯高于丘間地及裸沙地[12, 14,31-33]。本研究結(jié)果與文獻(xiàn)[10, 12, 14, 33]進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)檉柳沙包表層0—100 cm土壤C、N含量明顯高于丘間地及裸沙地, 證實檉柳沙包也存在“肥島效應(yīng)”(表6)。這與檉柳沙包的形成過程密切相關(guān), 由于檉柳呈灌叢狀分布, 能夠?qū)⒖葜β淙~及沙物質(zhì)阻擋于灌叢下, 從而使灌叢下土壤含有相對較高的枯落物等物質(zhì)[16- 17], 枯落物的分解有利于提高灌叢下土壤肥力, 從而使灌叢下土壤具有相對較高的養(yǎng)分。本研究中檉柳沙包表層土壤C、N、P含量明顯高于檉柳灌叢沙堆土壤養(yǎng)分含量[10,12, 33](表6), 表明檉柳沙包富集養(yǎng)分的能力強于檉柳灌叢沙堆。在300—400 cm層土壤C、N、P含量呈最低值, 且土壤水分及鹽分含量最低(表1), 這與該層土壤沙粒含量(47%)較高而粘粉粒含量較低有關(guān), 較高的沙粒含量易使土壤水分?jǐn)y帶著營養(yǎng)物質(zhì)一起流失, 從而導(dǎo)致該層養(yǎng)分及鹽分含量均較低。在400—500cm層, 隨著粘、粉粒的增加, 土壤水分及養(yǎng)分含量逐漸升高, 并形成一定的富集(表1和2)。這也解釋了為什么在整個剖面土壤養(yǎng)分含量會隨深度的增加呈先降低后升高的變化。

表6 檉柳沙包與不同采樣點檉柳灌叢沙堆土壤養(yǎng)分含量對比

土壤化學(xué)計量比是表征土壤有機質(zhì)組成及質(zhì)量程度的重要指標(biāo)[10]。由于受氣候、地形地貌、植被、年代等土壤形成因子及人類活動的影響, 土壤 C、N、P比值在空間上有較大的差異[8- 9]。本研究中, 檉柳沙包表層0—100 cm土壤C/N (11.32—12.62)高于中國陸地平均值(10—12)[29]、古爾班通古特沙漠荒漠灌木群落(8.12)[31]、河西走廊荒漠生態(tài)系統(tǒng)(8.2)[32]及塔克拉瑪干沙漠北緣沖積平原中下部檉柳灌叢下(9.2—11.1)[12], 反映出檉柳沙包中土壤N比C更為缺乏。土壤C/N與有機質(zhì)的分解速率呈反比[10], 因此較高的C/N表明檉柳沙包中土壤C源及有機質(zhì)分解速率較低。Cleveland和Liptzin[9]研究表明土壤C/N在生態(tài)系統(tǒng)中具有相對一致性, 張珂等[3]發(fā)現(xiàn)沙漠生態(tài)系統(tǒng)中土壤C/N隨著土層深度的增加沒有明顯差異。這與本研究結(jié)果并不一致, 在檉柳沙包中, 隨著土層深度的增加, C/N呈先降低再升高后降低的變化(表2); 這可能與檉柳沙包形成過程中的環(huán)境因素及生物作用有關(guān)。由于氣候環(huán)境的變化(如降水, 溫度和風(fēng)速等)、沉積物的厚度(枯枝落葉和沙物質(zhì))及營養(yǎng)物質(zhì)的釋放速度在檉柳沙包形成的各個階段存在差異[15- 16], 從而使養(yǎng)分在不同土層分布不均勻; 此外, 檉柳根系對養(yǎng)分的吸收及地下生物量的分布[33], 也影響著C/N隨土層深度的變化。

土壤C/P的高低對植物的生長發(fā)育具有重要的作用, 其不僅能夠反映土壤P的礦化能力, 也是衡量土壤中微生物礦化有機質(zhì)釋放P的有效指標(biāo)[34]。已有研究表明低C/P有利于微生物對土壤中有機質(zhì)分解的養(yǎng)分釋放, 有利于土壤中有效P的增加; 反之, 高C/P會導(dǎo)致微生物在分解有機質(zhì)過程中受到P限制, 從而與植物存在對土壤P的競爭, 不利于植物的生長[34]。大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤C/P介于10.06—503.5之間[35], 本研究中檉柳沙包土壤C/P僅為6.2—15.6, 低于中國陸地平均值(52.7)、全球陸地平均水平(72.0)及大部分已有研究[3, 10,29], 表明研究區(qū)土壤P表現(xiàn)為凈礦化, 微生物分解有機質(zhì)過程中不受P的限制; 因此, 土壤P表現(xiàn)出較高的有效性。較低的土壤C/P表明相比于P而言土壤C更為缺乏, 這也印證了C/P的分析結(jié)果。檉柳沙包的土壤N/P為0.45—1.32, 低于全球陸地平均值(5.9)及中國平均值(3.9), 接近于中國溫帶荒漠平均值(1.2)[29]。一般認(rèn)為溫帶荒漠地區(qū)土壤N是主要的限制性因子, 如荒漠灌叢沙堆土壤N/P為0.43, 表現(xiàn)為顯著N缺乏[10]。因此, 結(jié)合較低的N含量及N/P, 本研究中N缺乏程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P。綜合分析表明, 檉柳沙包中土壤C、N、P元素的缺乏程度為N>C>P。

3.2 檉柳沙包中土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量特征的影響因素

土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量與氣候、地形地貌、土壤質(zhì)地及植被組成等有較強的相關(guān)關(guān)系[31-32]。干旱荒漠區(qū)土壤N、P含量與MAT呈負(fù)相關(guān), MAP與N、N/P呈正相關(guān), 與P呈負(fù)相關(guān)[35]。陶冶等[10]發(fā)現(xiàn)沙漠生態(tài)系統(tǒng)MAP的增加有利于土壤C、N含量的升高, 并認(rèn)為經(jīng)緯度、海拔、MAP和EC對沙漠灌木群落土壤化學(xué)計量特征有較大的影響。在古爾班通古特沙漠地區(qū), 近些年隨著全球氣候的變化, 導(dǎo)致降水量有相對增加的趨勢[10,36], 降水的增加有利于表層土壤枯落物的分解[10], 從而有利于灌叢下表層土壤養(yǎng)分的積累, 這部分印證了檉柳沙包中表層(0—200 cm)土壤養(yǎng)分高于深層, 也反映出檉柳沙包表層土壤養(yǎng)分易受氣候環(huán)境的影響(表4, 圖5)。檉柳沙包深層(200—500 cm)土壤養(yǎng)分及化學(xué)計量主要受土壤水分及質(zhì)地等的影響(表4, 圖5), 這與丁小慧等[37]的研究結(jié)果較為一致。由于深層土壤受降水等氣候因素的影響較小, 且深層土壤中缺乏氧氣, 不利于微生物對土壤中有機質(zhì)的分解, 導(dǎo)致深層土壤養(yǎng)分含量相對較低。此外, 檉柳沙包中枯落物對土壤養(yǎng)分的影響不容忽視, 由于檉柳沙包的形成受沙物質(zhì)及枯落物等的影響, 枯落物含量在檉柳沙包土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著極其重要的作用, 關(guān)于檉柳沙包中枯落物含量及分解對土壤養(yǎng)分的影響有待進(jìn)一步研究。

3.3 檉柳沙包中土壤養(yǎng)分變化的生態(tài)環(huán)境意義

檉柳沙包作為沙漠與綠洲之間重要的生態(tài)屏障, 其演化發(fā)展方向?qū)^(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的影響。土壤養(yǎng)分是沙包上檉柳生長發(fā)育的營養(yǎng)基礎(chǔ), 且檉柳沙包的形成也影響著土壤養(yǎng)分的變化。就檉柳沙包的形成機理來看, 檉柳沙包是由檉柳枯落物和風(fēng)沙在風(fēng)力、檉柳灌叢等因素長期作用下交替堆積而成[16- 17]。在檉柳灌叢發(fā)育初期, 由于其形態(tài)較小, 對風(fēng)沙及枯落物的攔截能力較弱, 導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分含量較低。隨著檉柳灌叢的生長, 對風(fēng)沙及枯落物的攔截能力逐漸增強, 且檉柳的枯枝落葉逐漸增加, 有利于更多沉積物堆積于檉柳灌叢下, 在氣候因子(降水、溫度等)及生物因子的共同作用下, 土壤養(yǎng)分逐漸積累。就本研究中相對穩(wěn)定的檉柳沙包來說, 在當(dāng)前古爾班通古特沙漠地區(qū)降水相對增加的情況下, 有利于檉柳沙包中土壤養(yǎng)分的持續(xù)積累, 也有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。

從檉柳沙包的現(xiàn)實意義來看, 檉柳沙包中土壤雖具有“肥島效應(yīng)”, 但其C、N、P仍然極為缺乏, 不宜對其進(jìn)行破壞及利用。如果對檉柳沙包進(jìn)行開墾, 不僅造成土壤養(yǎng)分的流失, 也會導(dǎo)致土地退化。由于失去了檉柳灌叢的庇護, 破壞的檉柳沙包將成為新的沙源, 使風(fēng)沙活動加劇, 從而導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境的退化。

4 結(jié)論

(1)隨著土壤深度的增加, 古爾班通古特沙漠檉柳沙包土壤pH總體呈升高趨勢, 從表層到深層土壤pH呈弱堿性、堿性到強堿性; 土壤電導(dǎo)率總體呈先降低后升高的變化, 呈表聚現(xiàn)象; 土壤有機碳及總氮均呈先降低后升高的變化, 且C、N在表層含量最高, 呈表層富集?？偭缀吭谡麄€土層變化幅度較小, 土壤C/N值呈先降低后升高再降低的變化, C/P和N/P值呈先降低后升高的變化。

(2)根據(jù)Pearson相關(guān)性分析和回歸分析, 檉柳沙包土壤C、N、P之間具有顯著的線性關(guān)系, 且化學(xué)計量比主要受C和N的制約。與全球及中國平均值相比, 古爾班通古特沙漠檉柳沙包土壤C、N、P含量、C/P及N/P均相對較低, C/N相對較高, 土壤養(yǎng)分元素缺乏程度表現(xiàn)為N>C>P。

(3)檉柳沙包表層0—200 cm土壤養(yǎng)分易受降水、溫度及蒸發(fā)等氣候因素的影響, 主要受C和N的制約; 深層200—500 cm土壤養(yǎng)分易受土壤含水量的影響, 受C、N、P的共同限制。

(4)檉柳沙包的土壤雖具有“肥島效應(yīng)”, 但其C、N、P仍極其缺乏, 不宜對其進(jìn)行開發(fā)利用; 其具有較好的生態(tài)價值, 應(yīng)加強保護。