平原造林工程影響下的河岸帶土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

王 瑩， 王西涵， 劉 云， 梁 瓊， 徐 艷， 石生偉

(1.北京農(nóng)學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193)

2012年北京市提出百萬畝平原造林工程后，城市生態(tài)綠地總量和碳匯功能持續(xù)提升，為北京市碳中和與生態(tài)環(huán)境改善提供了強(qiáng)有力支撐。2016年對溫榆河、永定河等北京市重要流域河岸帶兩側(cè)綠化帶的荒灘荒地進(jìn)行植被群落重建，使植被覆蓋類型發(fā)生變化，改變了土壤環(huán)境質(zhì)量，且造成不同程度的差異，這種差異對植被生長發(fā)育以及土壤固碳潛力會產(chǎn)生一定的影響。

河岸帶生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)生物化學(xué)循環(huán)過程，對元素間循環(huán)與平衡機(jī)制有極大的影響，且對揭示養(yǎng)分的可獲得性有著重要的意義。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(ecological stoichiometry)通過對C、N、P為主的多重化學(xué)元素質(zhì)量分析來確定土壤養(yǎng)分礦化與固持作用平衡特征。C、N、P作為土壤養(yǎng)分循環(huán)與轉(zhuǎn)化的主要元素，在植物生長發(fā)育過程中充當(dāng)重要的角色，因此，了解土壤養(yǎng)分循環(huán)過程間的化學(xué)計(jì)量變化，對評價(jià)人工植被恢復(fù)過程中土壤養(yǎng)分狀況和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來，已有眾多學(xué)者對平原造林后的土壤環(huán)境進(jìn)行相關(guān)了探究，劉碩等研究表明，北京永定河延河植被類型結(jié)構(gòu)單一，典型受損沙區(qū)土壤N、P等養(yǎng)分含量低，嚴(yán)重制約植被生長；郭二輝等指出，溫榆河河岸帶植被類型與組成、土壤理化性質(zhì)等都會影響土壤N、P的富集、遷移、轉(zhuǎn)化過程；彭?xiàng)澋妊芯勘砻?，北京地區(qū)平原造林立地條件相差較大且各地限制因子不同，土壤質(zhì)量普遍底下；鄭永林等研究表明，在0—20 cm土層中，樹種對土壤有機(jī)碳、全氮和全磷濃度影響顯著，在20—40 cm土層中，樹種對土壤全氮濃度有顯著影響；李宸宇等研究發(fā)現(xiàn)，平原造林是北京市森林碳儲量變化的主要原因，人工楊樹林固碳效率尤為突出，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他優(yōu)勢樹種。

鑒于此，目前針對平原造林河岸帶原有與重建植被類型下的土壤C、N、P平衡機(jī)制的研究未見報(bào)道，因而，本研究通過對溫榆河河岸帶平原造林工程實(shí)施前后原有與重建的不同植被類型土壤進(jìn)行野外調(diào)查采樣及分析，探索原有及重建不同植被類型對土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及其化學(xué)計(jì)量比特征的影響，分析與揭示土壤SOC、TN、TP及其計(jì)量比相互間的關(guān)系，為河岸帶不同植被生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境質(zhì)量及固碳能力的提高提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

溫榆河又被稱為北京市的“母親河”，位于北京市東北部(116°20′48″—116°29′21″E，40°07′49″—40°08′18″N)，海拔42.9 m，屬于北運(yùn)河水系，流經(jīng)昌平、海淀、順義、朝陽和通州5個(gè)區(qū)，全長約47.5 km，流域面積2 478 km。溫榆河流域?qū)儆诘湫团瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，降雨主要集中在6—8月，研究區(qū)域土壤主要為沙壤土，土壤的pH為7.2～8.8。在北京市實(shí)施了百萬畝平原造林工程后，溫榆河昌平段河岸帶以原有護(hù)岸樹木為主體，林下增加地被，局部區(qū)域補(bǔ)種喬、灌木，主要喬木樹種包括國槐()、銀杏()、油松()、碧桃()、毛白楊()、榆樹()和旱柳(Koidz)；主要灌木樹種有紫葉李()、黃櫨(Scop)、金銀忍冬((Rupr.))、酸棗(Mill. var.(Bunge) Hu ex H. F. Chow)、胡枝子(Turcz)與連翹()；主要草本植物有紫花地丁()、萱草()、二月蘭((L.) O. E. Schulz)、薹草()與地錦((L.) Planch)。

1.2 樣品采集與處理

于2020年10—12月通過實(shí)地調(diào)查溫榆河河岸帶平原造林情況，并在北京園林綠化局官網(wǎng)查閱該區(qū)域平原造林實(shí)施過程，選擇溫榆河昌平段河岸帶為樣帶，樣帶從西至東，長約16.6 km，寬約2 km。設(shè)置平原造林原有與重建植被類型15個(gè)樣地，其中，原有植被類型包括喬木林2個(gè)、喬灌林2個(gè)和草地2個(gè)；重建植被類型包括喬木林6個(gè)、灌木林3個(gè)。樣帶中樣地選取在空間上間隔1 km的距離，林分整齊且長勢較好的林地作為標(biāo)準(zhǔn)樣地，充分考慮不同人工林地土壤來源(如荒地、廢棄礦山、建筑土壤回填等)。標(biāo)準(zhǔn)樣地大小設(shè)置為20 m×20 m，并按照“S”形用土鉆鉆取5個(gè)樣點(diǎn)。由于城市人工林生態(tài)系統(tǒng)受人為擾動較大，并且北京平原地區(qū)土層薄，部分地區(qū)土層僅有20—30 cm，因此本研究采集0—10，10—20，20—30 cm的3個(gè)土層的土壤樣品，將采集的225份土壤樣品挑出細(xì)根、石塊等雜物后，按土層裝入自封袋中，土壤樣品風(fēng)干后過0.25 mm篩后供元素測定，并采用環(huán)刀法取該樣地的原狀土測量容重。

1.3 土壤樣品測定

于2021年1—3月在北京農(nóng)學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對土壤樣品進(jìn)行室內(nèi)分析，土壤含水量及容重采用烘干法測定；土壤酸堿度采用電極法測定；土壤有機(jī)碳采用林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀氧化-外加熱法(LY/T 1237—1999)測定；土壤全氮采用林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半微量凱氏定氮法(LY/T 1228-1999)測定；土壤全磷采用林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法(LY/T 1232-1999)測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于SPSS 20.0軟件進(jìn)行處理與分析，采用ANOVA單因素方差分析檢驗(yàn)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量的差異性，采用LSD法進(jìn)行多重比較，利用Pearson相關(guān)分析法分析C、N、P及其計(jì)量比間特征關(guān)系；采用Origin 2018軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 平原造林影響下原有與重建不同植被類型土壤理化特征差異

對比分析平原造林影響下，溫榆河昌平段河岸帶原有與重建不同植被類型土壤理化特征差異見圖1，可看出，土壤pH呈現(xiàn)為弱堿性(7.75～8.21)，均隨土層深度增加而增大且具有顯著差異性(<0.05)；原有植被類型(喬木林)土壤含水量在3個(gè)土層間均顯著高于其他植被類型，0—10 cm土層中，以原有植被類型(草地)最低，在10—20，20—30 cm土層，原有植被類型(喬灌林)顯著低于其他植被類型(<0.05)；原有植被類型(喬木林)和重建植被類型(灌木林)土壤容重隨著土層深度增加有減小的趨勢，但并無顯著性差異(>0.05)，其他植被類型樣方土壤容重隨土層深度增加呈現(xiàn)增大的趨勢，以重建植被類型(喬木林)最大。

原有及重建不同植被類型土壤SOC和TN含量均在0—10 cm土層較高且隨土層深度增加而減少，呈現(xiàn)一定顯著性差異(<0.05)，其中，SOC、TN、TP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.810～10.320，0.223～0.700，0.551～0.743 g/kg；原有植被類型(喬木林)和重建植被類型(灌木林)各層土壤SOC均顯著高于其他植被類型，原有植被類型(喬灌林、草地)和重建植被類型(喬木林)在0—10 cm土層的土壤SOC與前兩者無顯著差異，但在10—20，20—30 cm土層中差異顯著(<0.05)；原有植被類型(喬木林)的TN含量均顯著高于其他植被類型，約是其他植被類型的1.41倍。在10—20 cm土層中，原有植被類型(草地)土壤TN含量高于原有植被類型(喬灌林)與重建植被類型(喬木林、灌木林)，在20—30 cm土層中，重建植被類型(灌木林)的TN含量最低(<0.05)；在0—10 cm土層中，不同植被類型土壤TP表現(xiàn)為原有植被類型(草地>喬木林>喬灌林)>重建植被類型(灌木林>喬木林)，在10—20，20—30 cm的土層中，原有植被類型(喬木林、草地)土壤TP均顯著高于其他植被類型。在3個(gè)土層中，均以重建植被類型(喬木林)土壤TP含量顯著低于其他植被類型(<0.05)；進(jìn)行多重比較結(jié)果表明，0—30 cm土層中原有植被類型(喬木林)的土壤SOC、TN、TP含量略高于其他植被類型。

注：圖柱上不同大寫字母表示不同植被類型在同一土層間的差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一植被類型內(nèi)不同土層間養(yǎng)分的差異顯著(P<0.05)。

2.2 平原造林影響下原有與重建不同植被類型土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

平原造林工程影響下，溫榆河昌平段河岸帶原有與重建不同植被類型土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行對比，由圖2可知，不同植被類型樣方的C/N、N/P、C/P均表現(xiàn)出一定的差異性。不同深度土層C/N均為重建植被類型(灌木林)高于其他植被類型，原有植被類型(喬木林)顯著低于其他植被類型(<0.05)，前者比值介于20.244～25.373，呈現(xiàn)出隨土層深度增加而增加的變化趨勢，后者介于11.592～14.703，與重建植被類型(灌木林)的變化趨勢相反；重建植被類型(喬木林)土壤C/N在20—30 cm土層顯著低于原有植被類型(喬灌林、草地)(<0.05)；不同植被類型土壤N/P、C/P均呈現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的變化趨勢，原有植被類型(草地)在0—10 cm土層與重建植被類型(灌木林)在0—10，10—20 cm土層中的N/P均顯著低于其他3種植被類型(<0.05)；C/P在各植被類型表層土壤差異不顯著(>0.05)，在10—20，20—30 cm土層，原有植被類型(喬木林)的C/P顯著低于其他植被類型，重建植被類型(喬木林)在20—30 cm土層顯著低于重建植被類型(灌木林)、原有植被類型(喬灌林、草地)(<0.05)。

2.3 土壤C、N、P含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

通過對土壤C、N、P含量與其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比間進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3)可知，SOC與TN、N/P和C/P呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與C/N呈顯著正相關(guān)(<0.05)；TN與N/P、C/P呈極顯著正相關(guān)(<0.01)；C/N與C/P呈顯著性正相關(guān)(<0.05)；N/P與C/P呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，土壤TP與土壤SOC、TN和其之間的計(jì)量比無顯著相關(guān)性(>0.05)。

圖2 原有與重建不同植被類型的各層土壤C/N、N/P、C/P特征

注：圓面積越大表示差異越顯著；*表示P<0.05；**表示P<0.01。

3 討 論

3.1 原有及重建植被類型中土壤碳氮磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征

平原造林工程的實(shí)施改變了河岸帶的植被類型結(jié)構(gòu)，使得河岸帶土壤環(huán)境中C、N、P生物化學(xué)循環(huán)發(fā)生一定程度的改變。保持河岸帶原有植被類型基礎(chǔ)上，在植被不連續(xù)的點(diǎn)補(bǔ)充和栽植新的植被類型，保持植被連通性與多樣性，可有效地?cái)U(kuò)大河岸植被緩沖帶，進(jìn)而提升土壤環(huán)境質(zhì)量。原有植被類型喬木林，喬灌林土壤SOC含量均高于重建植被類型喬木林、灌木林，且隨著土壤深度增加而減少，這一結(jié)論與何高迅等所得出的結(jié)論相同，是因植被地表凋落物與根系分泌物的累積量會隨著植被補(bǔ)植年限增長而增多，導(dǎo)致碳輸入量增多，使SOC含量增加。表層土壤不僅堆積了凋落物也是其分解為有機(jī)物質(zhì)的最初界面，因此，土壤SOC和TN在表層土壤中富集，隨著土層深度增加但輸入量逐漸減少。土壤磷作為一種沉積性礦物元素，主要受氣候、成土母質(zhì)影響，在土壤中遷移率較低且移動性差，可能因?yàn)槌鞘型寥缐A性化使得土壤中活性鋁離子等能夠降低土壤P有效性的離子減少所致。原有植被類型喬木林土壤TP顯著高于其他植被類型，隨著河岸帶植被恢復(fù)時(shí)間的延長，群落結(jié)構(gòu)和物種豐富度也逐漸提高，對P素的積累提供了有利條件。重建植被類型喬木林的土壤TP顯著低于其他植被類型，是因?yàn)樵撝脖活愋拖碌耐寥罏榛靥钔?，土壤質(zhì)量及養(yǎng)分低于河岸帶原有植被類型下土壤質(zhì)量，還需通過植被長期恢復(fù)來提高土壤TP含量。本研究中，土壤P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.551～0.743 g/kg，明顯低于全球水平的2.8 g/kg，可見土壤P含量較為匱乏。

土壤C、N、P間的化學(xué)計(jì)量比用來衡量有機(jī)質(zhì)和元素礦化能力，反映土壤內(nèi)部環(huán)境養(yǎng)分元素循環(huán)狀況，是判斷生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。C/N可表現(xiàn)土壤碳氮的平衡狀況，已有研究表明，C/N與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解速率成反比，比值越大，有機(jī)質(zhì)分解和N的礦化速率越低，釋放出有效N含量就越少，N穩(wěn)定性越高。原有植被類型喬木林土壤C/N在不同深度土層均顯著低于其他植被類型，因?yàn)榈蚵湮锓e累較多，土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分釋放也多，土壤礦化水平高導(dǎo)致其C/N低，低C/N預(yù)示有機(jī)質(zhì)的高分解度與N的高穩(wěn)定性。重建植被類型土壤C/N高，是因?yàn)橹脖惶幱谠灾渤跗冢蚵湮锓颠€比例相對較低，其土壤有機(jī)質(zhì)礦化作用較慢，此時(shí)更利于有機(jī)質(zhì)積累。N、P是植物生長過程中必需的礦物質(zhì)營養(yǎng)元素及限制性養(yǎng)分，其含量高低會對植物生長發(fā)育與群落演替過程產(chǎn)生影響，N/P是限制性養(yǎng)分判斷的重要標(biāo)準(zhǔn)。N/P基本與TN變化趨勢一致，由于土壤TP變化不大，因此N/P的變化基本由N素決定，較小的N/P說明土壤中N素偏少，原有植被類型土壤N/P高于重建植被類型，這一現(xiàn)象與張富榮等得出的結(jié)果一致，土壤N/P隨重建年限增加而增加。本研究區(qū)域內(nèi)的N/P比值遠(yuǎn)低于全國森林土壤N/P的平均值5，因此，N素是限制本研究區(qū)植物生長發(fā)育的主要營養(yǎng)元素，與海旭瑩等得出的結(jié)論相同。C/P可反映有機(jī)質(zhì)分解時(shí)釋放P素的多少，較低的C/P往往表示具有較高的P有效性，原有植被類型中喬木林與喬灌林土壤C/P低于重建植被類型，有效P釋放能力更強(qiáng)，P的有效性更高；重建植被類型土壤C/P較高，有機(jī)質(zhì)礦化時(shí)釋放P較少，固磷能力更強(qiáng)。

3.2 不同植被群落結(jié)構(gòu)土壤碳氮磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征差異

城市河流河岸帶原有植被類型一般為草地，河岸帶綠化建設(shè)會對草地原有土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，通過影響其水熱條件及過程，從而改變其土壤養(yǎng)分循環(huán)與環(huán)境質(zhì)量。草地土壤TN、TP要高于重建植被類型(喬木林與灌木林)，被擾動的土壤養(yǎng)分需要一定時(shí)間的積累才能達(dá)到原有植被類型下的土壤環(huán)境狀況，然而重建植被類型(喬木林與灌木林)土壤SOC要大于草地，是因?yàn)槟颈局脖粫a(chǎn)生大量凋落物，且多集中于土壤表層，而草本植被類型的凋落物基本來自植被死亡的根系，地上部分枯落物相對較少，所以，在淺層土壤中喬、灌木的有機(jī)質(zhì)積累要高于草地。原有植被類型(喬木林與喬灌林)土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分循環(huán)較穩(wěn)定，且凋落物返還土壤比例高于草地，因此，原有植被類型的土壤環(huán)境質(zhì)量要優(yōu)于草地。盡管草本植物生長迅速能夠在短時(shí)間內(nèi)提高土壤覆蓋度，有利于城市園林綠化，但草地土壤質(zhì)量的改善要經(jīng)歷一個(gè)長期且復(fù)雜的過程，不如多層群落結(jié)構(gòu)有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量提升。

喬灌草植被根系分布深度不同，影響不同層土壤養(yǎng)分。喬木林下土壤SOC、TN和TP含量均高于喬灌林與灌木林，是因?yàn)閱棠玖秩郝浣Y(jié)構(gòu)較單一，喬灌林群落結(jié)構(gòu)比喬木林復(fù)雜，土壤中根系也復(fù)雜，會對土壤TN含量產(chǎn)生影響，與黃磊等研究結(jié)論相同；灌木林土壤養(yǎng)分含量低可能與發(fā)達(dá)的根系有關(guān)，且喬木林比灌木林返還土壤的凋落物比例更高，凋落物作為林地土壤養(yǎng)分的主要輸入源，因而，喬木林土壤養(yǎng)分含量高于灌木林，周永維等研究也得出相同結(jié)論。土壤C/N、N/P和C/P在一定程度上可以反映出有機(jī)質(zhì)與P素分解與積累情況，土壤C/N與土壤SOC分解速率、C/P與土壤P有效性均呈反比關(guān)系，不同植被類型土壤C/N與C/P在土層0—10 cm無顯著差異(>0.05)，但在10—20，20—30 cm土壤表現(xiàn)為灌木林>喬灌林>喬木林，與吳旭等得出的結(jié)論一致，說明灌木林相較于喬木、喬灌林土壤SOC礦化及分解作用較慢、P釋放少且有效性低，喬木林受人為擾動較少，使得其土壤SOC和P的分解能力更強(qiáng)，P有效性更高。本研究土壤C/P為5.66～15.49，低于全國陸地土壤C/P比值52.70，表明本研究區(qū)整體土壤P有效性較高，這一結(jié)論與姜俊等研究相同。本研究土壤N/P比值為0.372～1.022，表現(xiàn)為喬木林>喬灌林>灌木林，與陳印平等研究得出的黃河三角洲土壤N/P(0.76)接近，但均低于我國土壤N/P均值5.2，表明本研究區(qū)土壤在一定程度上處于N限制狀態(tài)。由于灌木林的快速生長消耗了大量土壤N素，而各植被類型對于土壤P素需求較為平均，且N/P與TN呈極顯著相關(guān)(<0.01)，因此導(dǎo)致灌木林在0—10，10—20 cm土層N/P均最低，鄭永林等也得到相同結(jié)論。本研究表明，平原造林能夠提升土壤有機(jī)碳固存量，不同植被類型中不斷積累的地表凋落物與草本更新的根系，這些作為土壤碳源的主要來源之一能夠在改善土壤質(zhì)量的同時(shí)，也使土壤SOC含量及理化性質(zhì)發(fā)生明顯改變。喬木林比灌木林及草地產(chǎn)生更多凋落物歸還量，并且較低的C/N表明具有較多的土壤碳源，較高有機(jī)質(zhì)分解與礦化速率，因此喬木林更有利于土壤SOC的固存與積累，趙萌捷等也得到相同結(jié)論。

4 結(jié) 論

(1)相對重建植被類型，原有植被類型受人為擾動較少，有機(jī)質(zhì)釋放更多，礦化水平和P有效性更高，土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量相對較好。

(2)河岸帶各植被群落類型中，喬木林土壤SOC和P的分解能力更強(qiáng)；原有植被群落草地土壤積累較多N、P素，但草地土壤SOC較低；土壤固碳能力受植被群落垂直結(jié)構(gòu)影響，復(fù)層植被結(jié)構(gòu)土壤固碳潛力更強(qiáng)。

(3)土壤質(zhì)量的改善要經(jīng)歷一個(gè)漫長且復(fù)雜的過程，喬木林和喬灌林下的土壤能夠積累較多的土壤養(yǎng)分，土壤質(zhì)量較好，建議河岸帶應(yīng)以喬木為主要優(yōu)勢樹種，搭種草本或喬灌混交林，來提升城市河流河岸帶土壤質(zhì)量及固碳潛力。