五臺山臭冷杉保護(hù)區(qū)森林群落土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

田志杰 晉佳敏 田森淼

摘 要：土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征是氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要評價(jià)指標(biāo)。以五臺山臭冷杉保護(hù)區(qū)森林群落為研究對象，對不同海拔（1500、1900、2300m）和不同土層深度（0～20、20～40、40～60cm）土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：隨海拔上升和土層深度增加，森林群落土壤有機(jī)碳、總氮、總磷、有效氮、C/P、C/N、N/P比均呈下降趨勢，其中有機(jī)碳和總氮含量變化最為顯著。海拔1500m處0～20cm土層有機(jī)碳和總氮含量分別為33.77和2.64g/kg，海拔2300m處40～60cm土層有機(jī)碳和總氮含量分別為15.03和1.48g/kg。受土壤濕度增加的影響，有效磷含量隨海拔上升顯著增加。土壤養(yǎng)分含量和C/N、C/P值均與土壤有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)，土壤N/P值與土壤總氮含量顯著正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：海拔;土層深度;土壤養(yǎng)分;化學(xué)計(jì)量學(xué)

中圖分類號 S158文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）22-0072-05

Abstract：Soil nutrients and stoichiometric characteristics are important evaluation indicators of ecosystem nutrient cycling under the background of climate change. This study took the forest community in the Nature Reserve of Abies nephrolepis in Wutai Mountain as the research object， and carried out soil nutrient and stoichiometric characteristics of different altitudes （1500m， 1900m， 2300m） and different soil depths （0-20cm， 20-40cm， 40-60cm） comparative analysis. The results showed that， with the increase in altitude and soil depth， the soil organic carbon， total nitrogen， total phosphorus， available nitrogen， C/P， C/N， and N/P ratios all showed the downward trend， among which organic carbon and total nitrogen content changed most significantly. The organic carbon and total nitrogen content of the 0-20cm soil layer at an altitude of 1500m were 33.77g/kg and 2.64g/kg， respectively， and the organic carbon and total nitrogen content of the 40-60cm soil layer at an altitude of 2300m decreased to 15.03g/kg and 1.48g/kg， respectively. Affected by the increase in soil moisture， the available phosphorus content increased significantly with the increase in altitude. Combined with the results of correlation analysis， soil nutrient content， C/N and C/P were significant positively correlated with soil organic carbon content， and soil N/P values were significant positively correlated with soil total nitrogen content.

Key words：Altitude;Soil depth;Soil nutrients;Stoichiometric

1 引言

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)與陸地生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)密切相關(guān)。土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）化學(xué)計(jì)量學(xué)特征可對凋落物分解、氮固定、植被群落演替等重要生態(tài)學(xué)過程產(chǎn)生影響，是森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要評價(jià)指標(biāo)[1，2]。C/N反映土壤微生物代謝強(qiáng)度及有機(jī)質(zhì)礦化速率，C/P反映土壤磷轉(zhuǎn)化及有效性，N/P比則反映土壤N、P養(yǎng)分限制狀況[3，4]。因此，土壤C、N、P養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征變化規(guī)律研究對解釋氣候變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡與制約關(guān)系有重要意義。

五臺山作為我國華北地區(qū)海拔之最，地處溫帶-暖溫帶和半濕潤-干旱變化的交匯點(diǎn)，區(qū)域氣候條件特殊，海拔梯度和植被地帶性特征差異明顯[5]，土壤養(yǎng)分也存在空間差異性。本研究在山西臭冷杉省級自然保護(hù)區(qū)（以下簡稱保護(hù)區(qū)）3個海拔梯度（1500、1900、2300m）選擇典型森林群落，對群落3個土層深度（0～20、20～40、40～60cm）的土壤C、N、P養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征進(jìn)行比較分析，解釋該地區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布差異及養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律，為五臺山森林群落多樣性保護(hù)及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)展提供理論支撐。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于山西省繁峙縣臭冷杉省級自然保護(hù)區(qū)（39°02′04″-39°13′01″N，113°19′00″-113°37′30″E），地處五臺山中臺北坡，海拔1300～2500m，屬于暖溫帶濕潤半濕潤氣侯，年平均降水量760mm，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥，年平均氣溫約4℃。研究區(qū)土壤類型主要為山地棕壤土或褐土，主要植被類型中喬木包括青楊（Populus cathayana）、白樺（Betula platyphylla）、華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）、青杄（Picea wilsonii）、白杄（Picea meyeri）、臭冷杉（Abies nephrolepis）等，灌木包括金銀忍冬（Lonicera maakii）、土莊繡線菊（Spiraea pubescens）、美薔薇（Rosa bella）、接骨木（Sambucus williamsii）、沙棘（Hippophae rhamnoides subsp.sinensis）等，草本包括狗尾草（Setaria viridis）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、旋復(fù)花（Inula japonica）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）等。

2.2 樣品采集 本研究選定五臺山臭冷杉保護(hù)區(qū)3個不同海拔的森林群落為研究樣地，樣地信息見表1。于各海拔樣地內(nèi)選擇3個10m×10m樣方，每個樣方內(nèi)按S型采樣法采集0～20，20～40，40～60cm土壤，將各土層土壤樣品分別混勻后裝入密封袋。樣品帶回到實(shí)驗(yàn)室清除植物碎屑、根系和石礫等雜質(zhì)，風(fēng)干、粉碎后過2mm篩待測。

2.3 測定方法 土壤養(yǎng)分測定參照魯如坤[6]的方法。有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，有效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22.0軟件進(jìn)行不同海拔和不同土層深度間土壤養(yǎng)分的差異顯著性（ANOVA）及相關(guān)性分析，Origin軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳含量 由圖1可知，隨海拔上升與土層深度增加，森林土壤有機(jī)碳含量均呈降低趨勢。土壤有機(jī)碳含量為14.75～33.77g/kg。海拔1500和2300m處0～20cm土壤有機(jī)碳含量分別為33.77和25.86g/kg，40～60cm土壤有機(jī)質(zhì)含量分別降至18.16和15.03g/kg，分別降低46.22%和41.89%。隨海拔增加，同一土層有機(jī)碳含量的海拔差異減小。土層深度至40～60cm時(shí)，1900m與2300m處土壤有機(jī)碳含量無顯著差異。

3.2 土壤全氮含量 不同海拔和土層深度土壤總氮含量見圖2。土壤總氮含量為1.48～2.64g/kg。隨著海拔上升和土層深度增加，各海拔土壤總氮含量均顯著降低，且同一土層不同海拔間土壤總氮含量差異減小。海拔1500，1900和2300m處0～20cm土壤總氮含量分別為2.64，2.39和2.19g/kg，40～60cm土壤總氮含量降至1.75、1.59和1.48g/kg，分別減少了33.71%、33.33%和32.67%。

3.3 土壤總磷含量 不同海拔和土層深度土壤總磷含量見圖3。土壤總磷含量為0.48～0.71g/kg。隨著海拔上升和土層深度增加，各海拔土壤總磷含量均降低，且同一土層不同海拔間土壤總磷含量差異減小。海拔1900和2300m處40～60cm總磷含量無顯著差異。海拔1500、1900和2300m處0～20cm土壤總磷含量分別為0.71，0.67和0.64g/kg，40～60cm土壤總磷含量降至0.54，0.49和0.48g/kg，分別減少22.64%、27.10%和25.00%。

3.4 土壤有效氮含量 不同海拔和土層深度土壤有效氮含量見圖4。土壤有效氮含量為0.16～0.30g/kg。同一海拔高度，土壤有效氮含量隨土層深度增加顯著降低。同一土層深度，不同海拔間土壤有效氮含量差異不顯著，但海拔1900m處各土層土壤有效氮含量均高于海拔1500和2300m處土壤有效氮含量。海拔1500、1900和2300m處0～20cm土壤有效氮含量分別為0.29，0.30和0.28g/kg，40～60cm土壤有效氮含量分別為0.21，0.25和0.16g/kg，分別減少29.52%、16.85%和42.36%。

3.5 土壤有效磷含量 不同海拔和土層深度土壤有效磷含量見圖5。土壤有效磷含量為8.71～14.47mg/kg。同一海拔高度，土壤有效磷含量隨土層深度增加顯著降低。同一土層深度，土壤有效磷含量隨海拔上升顯著增加。海拔1500、1900和2300m處0～20cm土壤有效磷含量分別為11.73，13.15和14.47mg/kg，40～60cm土壤有效磷含量分別為8.71、10.11和11.60mg/kg，分別減少25.77%、23.07%和19.82%。

3.6 土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)特征 不同海拔和不同土層深度土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)特征見圖6。C/N值為9.26～12.82，均值為11.24。C/P值為29.10～47.66，均值為38.20;N/P值為3.06～3.73，均值為3.38。同一海拔土壤C/N、C/P、N/P值均隨土層深度增加而降低，且3個海拔梯度0～20cm和20～40cm土層的C/N、C/P、N/P值均顯著高于40～60cm土層的C/N、C/P、N/P值。3個土層深度不同海拔間C/N值均無顯著差異。0～20cm和20～40cm土層不同海拔間C/P值差異顯著，40-60cm土層不同海拔間C/P值無顯著差異。3個不同土層深度在海拔1500和1900m的N/P值無顯著差異。

3.7 土壤養(yǎng)分特征相關(guān)性分析 由2表可知，土壤有機(jī)碳、總氮、總磷間呈極顯著（P<0.01）正相關(guān)，且三者與土壤C/N、C/P、N/P也呈極顯著（P<0.01）正相關(guān)。土壤有效氮與有機(jī)碳、總氮、總磷及C/N、C/P、N/P均呈顯著（P<0.05）正相關(guān)。土壤有效磷僅與土壤有效氮呈顯著（P<0.05）正相關(guān)。

4 討論

4.1 土壤養(yǎng)分分布的空間差異 土壤養(yǎng)分總量反映土壤養(yǎng)分的儲量狀況及供應(yīng)潛力，速效養(yǎng)分則決定植被群落的養(yǎng)分吸收與生物量積累[7]。海拔通過改變溫度和水分條件影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及土壤養(yǎng)分供應(yīng)。已有研究表明，低海拔地區(qū)溫度較高，有機(jī)質(zhì)的快速分解促進(jìn)了土壤與植物間的物質(zhì)循環(huán)，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量與海拔呈負(fù)相關(guān)[8，9]。本研究得到了與前人較一致的研究結(jié)果。保護(hù)區(qū)森林土壤有機(jī)碳、總氮、總磷、有效氮含量均隨海拔上升而降低，其中有機(jī)碳和總氮變化最為顯著。就0～20cm土層而言，有機(jī)碳和總氮含量分別由海拔1500m處的33.77和2.64g/kg，下降至海拔1900m處的29.67和2.39g/kg，海拔2300m為25.86和2.19g/kg。隨著土壤深度增加，養(yǎng)分輸入減少，40～60cm土層土壤養(yǎng)分的海拔差異減小。表明海拔對土壤養(yǎng)分的影響主要集中在土壤表層。但也有研究者得到相反的結(jié)果，土壤養(yǎng)分含量與海拔呈顯著正相關(guān)[10，11]。本研究中僅發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量隨海拔升高顯著增加，這些差異可能與研究區(qū)氣候條件及成土母質(zhì)的差異有關(guān)[12]。五臺山區(qū)夏季降雨量較大，高海拔森林群落氣溫較低，地表凋落物層和土壤的濕度較大，一定程度上促進(jìn)了土壤中無機(jī)磷的溶解[13，14]。

由于森林土壤養(yǎng)分主要來源于植物地上凋落物分解，養(yǎng)分首先在土壤表層富集并向下遷移。隨土壤深度增加，有機(jī)質(zhì)分解減弱，土壤養(yǎng)分輸入減少，有機(jī)碳、氮、磷含量下降，呈現(xiàn)“倒金字塔”型分布[15]。生命活動減弱同時(shí)導(dǎo)致深層土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化減緩，養(yǎng)分有效性隨之降低[16，17]。本研究中土壤有機(jī)碳、總氮、總磷、有效氮、有效磷含量均隨土層深度增加顯著降低。與0～20cm土層土壤相比，40～60cm土層的土壤有機(jī)碳和總氮含量平均值分別減少達(dá)43.31%和36.27%，總磷含量平均值減少24.88%。朱秋蓮等[18]也發(fā)現(xiàn)黃土丘陵溝壑區(qū)森林表層土壤養(yǎng)分含量顯著較高，且不同土層間有機(jī)碳和總氮含量變異較大。孟慶權(quán)等發(fā)現(xiàn)濱海人工林10cm以下深度土壤總碳和總氮含量不足表層（0～10cm）土壤總碳和總氮含量的50%[19]。此外，相關(guān)性分析結(jié)果顯示土壤有機(jī)碳與全氮、全磷有效磷均呈顯著正相關(guān)，表明地表凋落物的分解及土壤有機(jī)質(zhì)的含量可對土壤氮、磷養(yǎng)分的豐度和有效性產(chǎn)生影響[20]。有機(jī)質(zhì)與有效磷含量無顯著相關(guān)性也表明有機(jī)質(zhì)對土壤養(yǎng)分有效性的作用還受其他環(huán)境或生物因素的影響。

4.2 土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的空間差異 多數(shù)情況下，土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力與植物的養(yǎng)分需求處于動態(tài)平衡，土壤中各元素比例也在養(yǎng)分循環(huán)過程中維持相對固定[21，22]。因此土壤元素的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征可以真實(shí)反映森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過程[23]。土壤C/N值影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解礦化過程，較低的C/N值可為土壤微生物提供相對充足的碳源，加速有機(jī)質(zhì)礦化，有機(jī)質(zhì)中微生物無法利用的氮進(jìn)入土壤成為有效氮[24，25]。本研究區(qū)土壤C/N平均值為11.24，介于全國土壤C/N平均值10～12之間，但表現(xiàn)出較明顯的空間差異性。土壤C/N值隨海拔上升和土層深度增加均呈降低趨勢，尤其土層間C/N值差異更明顯。表明土壤C/N值的土層空間差異比海拔差異更大，這與不同土層間有機(jī)碳顯著減小，礦化速率減慢有關(guān)。土壤有機(jī)碳的礦化受磷有效性的影響，C/P值可在一定程度上反映土壤中碳磷養(yǎng)分的平衡[26]。本研究區(qū)C/P平均值為38.20，小于全國土壤均值61，表明磷的溶解和礦化作用較強(qiáng)[27]。隨著海拔上升，C/P值與有效磷含量均增加，這與高海拔地區(qū)土壤濕度較大，促進(jìn)土壤磷礦化和喬木生長有關(guān)，但C/P值隨土壤深度增加而減小表明深層土壤中磷已不是主要的養(yǎng)分限制元素，而是有機(jī)碳含量。N/P值則反映土壤中氮或磷養(yǎng)分的限制情況[28]。本研究區(qū)N/P平均值為3.38，低于全國土壤均值5.2，表明研究區(qū)土壤磷元素偏多而氮元素不足，且隨海拔上升和土層加深土壤缺氮少磷情況更加明顯。以上研究結(jié)果與諸多已有研究結(jié)果一致，土壤C/N、C/P、N/P均隨海拔和土層深度增加而降低[29]。經(jīng)相關(guān)性分析可知，土壤C/N、C/P、N/P之間均存在顯著相關(guān)，且三者均與土壤有機(jī)碳、總氮和總磷含量顯著相關(guān)，其中有機(jī)碳含量與C/N、C/P值的相關(guān)性均大于總氮、總磷和C/N、C/P、N/P值的相關(guān)性，總氮含量與N/P值的相關(guān)性大于其他土壤養(yǎng)分與N/P值的相關(guān)性。表明研究區(qū)土壤C/N、C/P值主要受有機(jī)碳含量影響，N/P值主要受總氮含量影響。此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[25， 30]。

5 結(jié)論

本研究對五臺山臭冷杉保護(hù)區(qū)森林土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的空間變異性進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明，隨海拔上升，研究區(qū)土壤有機(jī)碳、總氮、總磷、有效氮含量及C/N、C/P、N/P值均呈現(xiàn)降低趨勢，表明海拔增加明顯抑制了土壤養(yǎng)分的礦化與輸入。有效磷含量隨海拔上升顯著增加則與高海拔區(qū)土壤濕度大、促進(jìn)土壤磷溶解有關(guān)。隨土壤深度增加，土壤有機(jī)碳、總氮、總磷、有效氮、有效磷含量及C/N、C/P、N/P值均呈下降趨勢，表明養(yǎng)分的生物化學(xué)循環(huán)主要發(fā)生在土壤表層，深層土壤養(yǎng)分含量相對穩(wěn)定。不同海拔和土層深度土壤有機(jī)碳和總氮含量變化最為顯著，表明海拔和土層深度改變對土壤有機(jī)質(zhì)分解和氮輸入過程產(chǎn)生較大影響。相關(guān)性分析結(jié)果表明研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)分解對土壤養(yǎng)分提升有顯著促進(jìn)作用，并影響?zhàn)B分比例的變化。鑒于土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征是研究區(qū)多種生物和非生物因子共同作用的結(jié)果，今后應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境氣候因子和生物因子對五臺山土壤養(yǎng)分平衡影響的相關(guān)研究。

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（責(zé)編：王慧晴）