干旱荒漠區(qū)人工梭梭林土壤碳氮磷密度與生態(tài)化學計量特征

魏亞娟， 汪 季,2， 黨曉宏,2， 韓彥隆， 高 巖， 段曉婷， 金 山

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400；3.中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司鹽堿分公司資源保護站，內(nèi)蒙古 阿拉善 750336)

土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)是表征土壤肥力和生產(chǎn)力的重要指標。三者不僅是植物生長發(fā)育的重要物質(zhì)來源，而且影響植物對養(yǎng)分的吸收、利用等一系列生物生化過程。土壤作為植被生長發(fā)育的基礎(chǔ)，其C、N、P密度和生態(tài)化學計量變化影響植物對土壤養(yǎng)分的利用策略。土壤C、N、P密度和生態(tài)化學計量空間異質(zhì)性與土壤類型、植被類型、土壤物理因子、氣候因子、人類活動和林齡密切相關(guān)。同時，其密度和生態(tài)化學計量比在探究土壤養(yǎng)分供給能力和內(nèi)部循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。因此，加強對土壤C、N、P密度及其化學計量特征的研究，對維系局域土壤質(zhì)量、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)占全球生態(tài)系統(tǒng)總面積的18.5%。由于蒸發(fā)強烈且降雨稀少，荒漠區(qū)水分收支失衡，加之植被稀疏，導致荒漠生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱。人工造林是荒漠區(qū)生態(tài)恢復的有效措施之一，其不僅能防風固沙，改善局域內(nèi)水熱環(huán)境、恢復地表植被，還能有效改善土壤養(yǎng)分狀況，提升荒漠生態(tài)系統(tǒng)固持碳氮的能力。梭梭()作為藜科梭梭屬小喬木，因其耐干旱瘠薄，成為干旱荒漠區(qū)重要的防風固沙樹種。自20世紀50年代以來，吉蘭泰鹽湖資源掠奪式開發(fā)導致鹽湖周邊天然梭梭林遭到大面積破壞，綠洲沙化面積不斷擴大，嚴重影響鹽湖正常的生產(chǎn)活動。為了改善鹽湖周邊生態(tài)環(huán)境，維持鹽湖正常生產(chǎn)，先后營建人工梭梭林7 664 hm，在當?shù)胤里L固沙林中占有重要地位。近年來，學者們對吉蘭泰人工梭梭林的研究主要集中于其枝系構(gòu)型、生態(tài)與生理特性和土壤養(yǎng)分等方面。然而，對研究區(qū)梭梭土壤C∶N∶P密度及其生態(tài)化學計量的變化尚不清晰。

據(jù)此，本研究以吉蘭泰干旱荒漠區(qū)4種林齡(3，6，11，16年)的人工梭梭林作為研究對象，分析人工梭梭林不同深度土壤C∶N∶P密度及其生態(tài)化學計量比隨林齡的變化特征，探討不同林齡人工梭梭林土壤養(yǎng)分的循環(huán)、平衡及限制狀況，以期為干旱荒漠區(qū)人工林的建設(shè)和管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠西南緣荒漠區(qū)(105°47′08″—105°47′38″E，39°46′58″—39°47′40″N)，海拔960～979 m。年均氣溫8.6 ℃，絕對最高溫40.9 ℃，絕對最低溫-31.2 ℃，年均地溫10.5 ℃。年均降水量125.7 mm，主要集中在6—7月，占全年降水量的52.75%以上。年均潛在蒸發(fā)量3 005.2 mm，年均風速3.5 m/s，最大風速15 m/s，全年大風日數(shù)在34天左右，且以西北風為主。常見植物以灌木、半灌木為主，建群種為梭梭，并分布少量白刺()、沙蒿()、紅砂()和沙米()等。研究區(qū)土壤類型以風沙土為主，土壤養(yǎng)分貧瘠。

1.2 植被調(diào)查與采樣

于2019年8月中旬，選擇立地條件基本一致3，6，11,16年人工梭梭林，每種林齡分別設(shè)立3個20 m×20 m標準樣地，共設(shè)置12個標準樣地。樣地之間相距不足1 km；對樣地內(nèi)所有梭梭株高、基徑、冠幅進行調(diào)查；然后按照“品”字形設(shè)置3個1 m×1 m的樣方，調(diào)查樣方內(nèi)草本，并收集樣方內(nèi)地表枯落物(表1)。然后用土鉆自上而下分別采集0—20，20—40，40—60 cm土層的土壤樣品，將同一樣地相同土層土壤均勻混合裝入塑封袋，帶回實驗室備用。同時，用環(huán)刀取每一土層深度原狀土進行土壤容重()、含水量()和孔隙度(STP)的測定。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

將枯落物和土壤樣品帶回實驗室，枯落物置于80 ℃烘箱烘干至恒重。土壤樣品經(jīng)自然風干，去除礫石、枯落物、根系等雜物，研磨后分別過1.000,0.149 mm土壤篩，用于土壤pH、SOC、TN和TP的測定。土壤pH、SOC采用重鉻酸鉀—外加熱法測定，TN采用高氯酸—硫酸消化法測定，TP采用酸溶—鉬銻抗比色法測定，土壤含水量采用烘干法測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定，具體方法參照文獻[12]。土壤孔隙度計算公式為：

表1 樣地基本情況

1.4 土壤碳氮磷密度測定

第層土壤SOC、TN、TP密度計算方法為：

SOC=SOC×××(1-001)×100

TN=TN×××(1-001)×100

TP=TP×××(1-001)×100

式中：SOC、TN、TP分別為第層土壤碳、氮、磷密度(g/m)；SOC、TN、TP分別為土壤有機碳、全氮、全磷含量(g/kg)；為土壤容重(g/cm)；為土層深度(cm)；為>2 mm礫石質(zhì)量百分含量(%)。本研究顯示>2 mm的礫石含量為0，因此忽略不計。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007軟件處理數(shù)據(jù)，使用SPSS 20.00軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和雙因素方差分析(Two-way ANOVA)。利用Origin 2017軟件進行作圖和最優(yōu)擬合分析。利用變異系數(shù)表示不同林齡和土層深度土壤SOC、TN、TP及其生態(tài)化學計量比的變異情況。其公式為：

式中：CV為變異系數(shù)；為標準偏差；為平均值。根據(jù)Jobbage等的劃分標準，將變異系數(shù)分為3級：<10%為弱變異，10%～100%為中等變異，≥100%為強變異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡人工梭梭林土壤容重、總孔隙度、含水量和pH的變化

由圖1可知，對同一土層而言，梭梭林土壤pH隨林齡增大而增加，而土壤孔隙度、含水量和容重變化各異。而且，各林齡土壤容重、總孔隙度和pH差異不顯著(>0.05)，表明在吉蘭泰建植梭梭林并未顯著改善0—60 cm土層的土壤物理性質(zhì)。在40—60 cm土層，6，11，16年梭梭土壤含水量分別是3年的6.14，1.57，6.46倍，說明在荒漠區(qū)建植梭梭林有利于土壤水分蓄積。對同一林齡而言，梭梭林土壤各指標隨土層深度增加變化各異，且各土層土壤pH差異不顯著(>0.05)。此外，除16年外，3，6,11年梭梭林土壤容重、土壤總孔隙度和土壤含水量差異不顯著(>0.05)。16年土壤總孔隙度、土壤含水量在20—40 cm土層較0—20 cm分別增加17.47%和81.52%(<0.05)，土壤容重減少13.33%(<0.05)。

2.2 不同林齡人工梭梭林土壤SOC、TN、TP含量變化

由表2可知，在0—60 cm土層范圍內(nèi)，土壤SOC、TN含量隨梭梭林齡增加整體呈增加趨勢，而TP含量與之相反。各林齡梭梭土壤SOC、TN、TP含量在不同土層深度范圍存在差異。其中，3，6年梭梭林土壤SOC、TN含量隨土層深度增加而降低，11，16年土壤SOC含量與之相反。各林齡梭梭土壤TP含量均隨土層深度增加而降低。在0—60 cm，16年梭梭土壤SOC和TN含量較3年增加85.71%(<0.05)。土壤SOC、TN、TP含量變異系數(shù)均屬于中等變異。土壤SOC變異系數(shù)隨林齡和土層深度增加逐漸降低，說明土壤SOC隨林齡和土層深度增加逐漸趨于穩(wěn)定。土壤TN和TP變異系數(shù)隨林齡變化較小，說明TN和TP含量維持在比較平穩(wěn)的狀態(tài)。

2.3 不同林齡人工梭梭林土壤C∶N∶P密度變化

由表3可知，SOC密度、TN密度隨林齡增加而升高，TP密度與之相反。其中，與3年梭梭相比，16年梭梭土壤SOC密度增加85.71%(<0.05)，且3，6，11年與16年梭梭土壤SOC密度差異顯著(<0.05)，TN密度、TP密度在各林齡之間差異不顯著(>0.05)，說明不同林齡梭梭林土壤TN密度、TP密度維持在比較平穩(wěn)的狀態(tài)。SOC密度、TN密度變異系數(shù)隨林齡增加而逐漸降低，但TP密度變異系數(shù)無規(guī)律性。

由圖2可知，3年和6年梭梭土壤SOC密度、TN密度隨土層深度增加而升高，而11，16年梭梭土壤SOC密度、TN密度與之相反；各林齡梭梭土壤TP密度隨土層深度增加而降低。同一土層不同林齡土壤SOC密度、TN密度和TP密度無統(tǒng)一變化規(guī)律。同一土層不同林齡梭梭土壤SOC密度、TN密度差異顯著(<0.05)。其中，在0—20 cm土層，16年梭梭土壤SOC密度、TN密度較3年分別增加397.37%，51.02%(<0.05)。20—40 cm土層，16年梭梭土壤SOC密度、TN密度較3年分別增加300.64%，18.00%(<0.05)。TP密度在同一林齡不同土層和同一土層不同林齡間差異均不顯著(>0.05)。

注：圖柱上方不同大寫字母表示同一土層下不同林齡之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一林齡不同土層之間差異顯著(P<0.05)。下同。

表2 4種林齡人工梭梭林各土層土壤SOC、TN和TP含量

2.4 不同林齡人工梭梭林土壤C∶N∶P

由表4可知，0—60 cm土層土壤C∶N隨林齡增加呈增加趨勢，而C∶P和N∶P隨林齡增加無顯著變化。此外，各林齡梭梭土壤C∶N、C∶P和N∶P隨土層深度增加變化各異。其中，3，6年梭梭林土壤C∶N、C∶P隨土層深度增加而增大，11，16年梭梭林土壤C∶N、C∶P隨土層深度增加而降低，而N∶P隨土層深度增加而降低。土壤C∶N、C∶P、N∶P均屬于中等變異，其變異系數(shù)隨林齡增加而逐漸降低，說明在梭梭林建植初期，C∶N、C∶P、N∶P生態(tài)化學計量比不穩(wěn)定，但隨著建植年限增加，其逐漸趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。

表3 不同林齡人工梭梭林土壤碳氮磷密度

圖2 不同林齡人工梭梭林各層土壤碳氮磷密度

2.5 人工梭梭林土壤理化性質(zhì)和C∶N∶P化學計量比的影響因素

2.5.1 林齡和土層深度 通過對人工梭梭林林齡和土層深度的土壤理化性質(zhì)和C∶N∶P化學計量比進行雙因素方差分析(表5)發(fā)現(xiàn)，林齡和土層深度對梭梭林土壤SOC含量、SOC密度、C∶N和C∶P有顯著影響。同時，對林齡和土層深度的交互作用進行簡單效應分析發(fā)現(xiàn)，二者的交互作用對SOC含量、SOC密度、C∶N和C∶P也具有顯著影響(<0.01)。此外，林齡和土層深度對SM、pH影響顯著，而對土壤、STP、TN、TP含量N∶P影響不顯著。

2.5.2 土壤C∶N∶P生態(tài)計量比與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性及趨勢變化 由表6可知，SOC密度與SOC、TN分別呈極顯著正相關(guān)(<0.01)和顯著正相關(guān)(<0.05)；TN密度與SOC、TN呈極顯著正相關(guān)(<0.01)；TP密度僅與TP呈極顯著正相關(guān)(<0.01)；STP與SOC密度呈顯著正相關(guān)(<0.05)；C∶N與SOC呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與TN呈顯著負相關(guān)(<0.05)；C∶P與SOC呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與TP呈顯著負相關(guān)(<0.05)；N∶P與TN呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與TP呈顯著負相關(guān)(<0.05)。對上述相關(guān)性顯著的指標進行擬合分析，TN與C∶N之間存在斜率為負的線性關(guān)系，TP分別與C∶P和N∶P之間存在斜率為負值的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。SOC密度與SOC、TN和STP，TN密度與SOC、TN、TP密度與TP，SOC與C∶N、C∶P以及TN與N∶P之間存在斜率為正的線性關(guān)系(表7)。

3 討 論

3.1 人工梭梭林對土壤SOC、TN、TP含量的影響

本研究中，4種林齡梭梭土壤SOC、TN含量隨林齡增加而增大，說明梭梭在生長過程中表現(xiàn)為明顯的碳匯作用，也說明土壤碳、氮積累存在一定偶聯(lián)關(guān)系。土壤TP含量隨林齡增加逐漸減小，說明梭梭生長增加了對土壤磷的消耗。已有研究表明，表層土壤SOC、TN含量高于深層土壤。但是，研究區(qū)3，6年梭梭土壤SOC、TN含量隨土層深度增加而增大，與淑敏等對科爾沁沙地土壤的研究結(jié)果相悖，其研究表明，樟子松人工林土壤SOC、TN含量隨土層深度增加逐漸降低。原因為吉蘭泰氣候環(huán)境惡劣，3，6年梭梭冠幅較小，枯落物較少，強烈風沙活動導致林內(nèi)表層有限的凋落物和黏粉粒被風吹走，土壤養(yǎng)分損失嚴重。其次，可能與梭梭造林方式—水沖造林有關(guān)，水沖造林過程中水流將表層粉黏粒沖到底層，導致下層土壤SOC、TN含量大于表層。11，16年人工梭梭林土壤SOC、TN含量隨土層深度增加而減小，說明隨著梭梭林齡增加，株高、冠幅和側(cè)影面積增加，削弱了過境的風沙活動，土壤表層可蝕性減弱，使粉粒和黏粒在其周圍沉積，增強了地表土壤黏結(jié)力，下墊面趨于穩(wěn)定。本研究表明，與SOC含量相比，不同林齡和土層深度的TN含量無顯著差異(>0.05)，與伍方驥等對喀斯特植被恢復過程的研究一致。土壤TN主要來源于枯落物分解、植物固氮和大氣降塵，然而，干旱區(qū)降雨和溫度等氣候因子并不利于凋落物分解。而且梭梭純林化，導致氮素歸還能力弱，從而限制了土壤TN的來源。此外，梭梭林土壤SOC、TN、TP含量分別介于0.37～1.67，0.15～0.22，0.21～0.34 g/kg，含量遠低于全國平均水平和北方典型風沙區(qū)表層土壤(12.2，1.2，0.8 g/kg)。該結(jié)果與董雪等對烏蘭布和沙漠荒漠灌叢的研究結(jié)果相一致，主要歸因于吉蘭泰極端的生境條件。吉蘭泰降雨稀少，植被蓋度低，表層土壤微生物活性較低，凋落物分解速率較慢且時間長，加之研究區(qū)土壤類型為風沙土，不利于土壤養(yǎng)分固存。

表4 不同林齡人工梭梭林各土層土壤C∶N、N∶P和C∶P

表5 林齡和土層深度對杉木人工林土壤理化性質(zhì)及C∶N∶P化學計量比的影響

表 6人工梭梭林土壤理化性質(zhì)和C∶N∶P密度及其生態(tài)化學計量比的相關(guān)性分析(n=60)

表7 人工梭梭林土壤各指標之間的關(guān)系

3.2 人工梭梭林建植對土壤碳氮磷密度的影響

土壤養(yǎng)分密度是衡量土壤肥力和土地生產(chǎn)力水平的重要指標。研究區(qū)人工梭梭林0—60 cm土層SOC、TN和TP密度隨林齡增大而增加。尤其16年梭梭土壤SOC密度較3年增加178.46%，說明荒漠區(qū)建植梭梭能明顯提高局域土壤碳匯能力。而且，群落植物種類隨林齡逐漸增加(表1)，說明隨著林齡增加，林內(nèi)環(huán)境越來越有利于草本定居。但是，3，6年梭梭土壤SOC密度、TN密度隨土層深度增加而增大，該結(jié)果與董雪等對烏蘭布和沙漠典型灌木的研究結(jié)果相悖。另外，11，16年人工梭梭林土壤SOC密度、TN密度隨土層深度增加而降低。其原因與SOC、TN含量的變化相同。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，SOC密度與STP呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明梭梭在生長發(fā)育過程中，改善了土壤孔隙度，有利于SOC的固持，從而在梭梭周圍形成“肥島”效應。各林齡梭梭TP密度隨著土層深度增加而減少，與何高迅等對滇中退化山地的研究結(jié)果一致。因為土壤TP主要來源于巖石風化和凋落物分解。研究區(qū)土壤屬于風沙土，凋落物質(zhì)量低且分解緩慢，吉蘭泰干燥的氣候環(huán)境導致凋落物和巖石中的磷元素淋溶緩慢。另外，隨著梭梭林齡的增加，梭梭對TP的需求增加，當表層土壤不能滿足梭梭所需，需要從深層土壤獲取。因此，導致表層TP密度大于下層。

3.3 人工梭梭林建植對土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量比的影響

研究區(qū)人工梭梭林樣地土壤C∶N、C∶P、N∶P顯著低于全國平均水平(表8)。人工梭梭林土壤C∶N、C∶P隨林齡增加整體呈遞增的趨勢。土壤C∶N為2.24～9.21，其值遠<25，說明研究區(qū)土壤碳較為缺乏，且有機質(zhì)分解速率和積累速率較低。但是隨梭梭林齡增加，土壤SOC積累速率將會大于分解速率。土壤C∶P為1.59～7.05，表明研究區(qū)土壤P的有效性相對較高，P的礦化速率也相對較高，微生物分解有機質(zhì)過程中受P的限制可能性較小。該結(jié)果與陶冶等和李紅林等分別對準格爾荒漠區(qū)和塔里木盆地北緣綠洲的研究結(jié)果一致。土壤N∶P隨梭梭林齡增加整體呈逐漸降低的趨勢。研究區(qū)土壤N∶P僅為0.56～0.81，表明研究區(qū)梭梭生長發(fā)育可能受到氮限制。由于森林生態(tài)系統(tǒng)的功能是土壤、凋落物和葉片三者之間相互作用的結(jié)果。單一生態(tài)化學計量比不能很好地反映梭梭的生長狀況，因此，在今后試驗過程中，需要對不同林齡梭梭凋落物和葉片養(yǎng)分含量進行測定，從而對梭梭生長的限制因素進行診斷。通過雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，林齡、土層深度及其交互作用對土壤C∶N、C∶P產(chǎn)生顯著影響(<0.05)。C∶N與SOC的相關(guān)系數(shù)大于TN，而C∶P與SOC的相關(guān)系數(shù)大于其與TP，說明C∶N、C∶P主要受控于SOC含量。而且，土壤TP與C∶P、N∶P分別呈極顯著負相關(guān)(<0.01)，說明TP是影響梭梭林土壤C∶P、N∶P的關(guān)鍵元素。

表8 本研究與其他地區(qū)土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量比較

4 結(jié) 論

(1)建植3，6年梭梭林土壤SOC、TN含量及其密度隨土層深度增加而升高，11，16年梭梭林土壤SOC、TN含量及其密度隨土層深度增加而降低。TP含量及其密度隨林齡和土層深度增加而降低。

(2)SOC密度、TN密度隨著梭梭林齡增加而逐漸增加，TP密度逐漸降低。干旱荒漠區(qū)建植梭梭能明顯提高土壤的碳匯能力，尤其是16年梭梭SOC密度顯著高于其他林齡，達13.26 kg/m。

(3)林齡、土層深度及其交互作用顯著影響SOC含量、SOC密度、C∶N和C∶P，對TN、TP含量及其密度、N∶P無顯著影響。C∶N、C∶P變化主要受控于SOC含量的變化。

(4)人工梭梭林土壤主要受到氮的限制，且隨著林齡增加，氮限制作用越強。可以在后期撫育管理過程中，增施氮肥。