霧靈山不同海拔土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

陳珍珠,楊苗,王華玲,3,樊曉亮,崔華蕾,李會(huì)平,3

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2河北霧靈山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理中心,河北 承德 067300; 3河北省城市森林健康技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 保定 071000)

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成之一,是植物賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。土壤養(yǎng)分是指土壤中貯存的碳、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素,是養(yǎng)分循環(huán)的重要的物質(zhì)和能量來(lái)源[1]。土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比可以直觀反映碳氮磷等元素在土壤中動(dòng)態(tài)變化情況,通過(guò)對(duì)土壤中碳、氮、磷元素化學(xué)計(jì)量特征的研究,可以明確土壤養(yǎng)分與植物間的相互關(guān)系及整體循環(huán)過(guò)程[2]。其中,碳氮比(C∶N)反映土壤有機(jī)質(zhì)的積累或分解狀況,是衡量碳氮營(yíng)養(yǎng)情況的重要指標(biāo)[3]。碳磷比(C∶P)是反映植物生長(zhǎng)速度和衡量磷素礦化能力的重要指標(biāo)[4]。氮磷比(N∶P)則反映了土壤養(yǎng)分的供給情況[5]。在山地條件下,海拔梯度是影響土壤養(yǎng)分含量及分布的主要因子[6]。不同海拔梯度導(dǎo)致土層質(zhì)地、植被類(lèi)型和環(huán)境因子(溫度、降雨量)等條件不同,進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分含量和各養(yǎng)分之間的平衡關(guān)系,土壤C∶N∶P的比值也有類(lèi)似的變化[5]。例如：Muller等研究發(fā)現(xiàn),高寒地區(qū)的土壤C∶N、N∶P隨海拔的升高顯著增加,表明土壤養(yǎng)分受氮、磷元素的限制,可能是由于矮灌木植被的凋落物較少,有機(jī)質(zhì)少量積累[5]。姜哲浩等研究表明,三江源區(qū)土壤C∶N,C∶P,N∶P均隨海拔的增加先升后降,N∶P受海拔因子顯著影響[7]。張莎莎等對(duì)不同海拔杉木人工林土壤研究表明,土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、其化學(xué)計(jì)量比的垂直分布受海拔高度顯著影響[8]。因此,探究土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量海拔變化特征,可以提高對(duì)養(yǎng)分有效性及其潛在生長(zhǎng)限制的認(rèn)識(shí),有助于了解土壤養(yǎng)分的循環(huán)過(guò)程。

霧靈山地理位置獨(dú)特,森林植被覆蓋率高,動(dòng)植物資源豐富,是研究土壤養(yǎng)分循環(huán)的天然實(shí)驗(yàn)室[9]。近年來(lái),有關(guān)霧靈山土壤養(yǎng)分的研究主要集中于不同林分、低海拔土地利用類(lèi)型等方面,關(guān)于霧靈山不同海拔土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究還未見(jiàn)報(bào)道[10-11]。因此,本研究以霧靈山保護(hù)區(qū)不同海拔梯度的土壤為研究對(duì)象,分析土壤養(yǎng)分含量和化學(xué)計(jì)量特征沿海拔梯度和土層的分布規(guī)律;通過(guò)土壤養(yǎng)分含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性分析揭示其變化規(guī)律,為霧靈山森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

霧靈山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(E 117°17′～117°35′,N 40°29′～40°36′)位于河北省興隆縣(暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候),總面積共14 246.9 hm2,其中有林面積達(dá)10 522 hm2,試驗(yàn)區(qū)面積達(dá)8 047.9 hm2。霧靈山年均氣溫7.6 ℃,年均降水量可達(dá)763 mm,海拔高度為450 ～2 118.2 m。土壤以褐土和棕壤為主[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與采樣 2020年9月于研究區(qū)海拔800～2 000 m范圍內(nèi),共設(shè)置7個(gè)梯度,各海拔梯度間隔200 m選擇3個(gè)樣地,并對(duì)樣地的地形地貌、坡向、巖石類(lèi)型、植被類(lèi)型、海拔高度等條件進(jìn)行記錄。在每個(gè)樣地內(nèi),選擇適當(dāng)?shù)耐寥榔拭纥c(diǎn)去除土層上的枯落物,挖掘土壤剖面并對(duì)土壤剖面O(枯枝落葉層)、A(腐殖層)、B(淀積層)、C(母質(zhì)層)4層進(jìn)行形態(tài)描述。樣地的基本情況見(jiàn)表1。采用五點(diǎn)取樣法對(duì)A、B、C層土壤進(jìn)行取土,各土層留取1 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室。

表1 霧靈山自然保護(hù)區(qū)樣地基本概況Table 1 Basic characteristics of sample plot in Wuling Mountain National Nature Reserve

1.2.2 樣品處理與測(cè)定 將土樣自然風(fēng)干后,去除雜物磨碎過(guò)1 mm和0.149 mm篩,將過(guò)篩后的土樣用封口袋暫存。霧靈山土壤養(yǎng)分均參考《土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法》中的描述進(jìn)行有機(jī)碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AK)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)含量及pH值的測(cè)定[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM SPSS 24.0對(duì)霧靈山不同海拔和土層間的土壤養(yǎng)分含量變化及其化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行雙因素分析,同時(shí)計(jì)算Pearson相關(guān)性。采用Canoco 5.0軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧靈山不同土層土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征的差異

霧靈山不同土層土壤養(yǎng)分含量變化見(jiàn)表2,不同土層土壤化學(xué)計(jì)量特征見(jiàn)表3。

表2 霧靈山自然保護(hù)區(qū)不同土層土壤養(yǎng)分含量變化Table 2 Changes of soil nutrient content in different soil layers in Wuling Mountain National Nature Reserve

表3 霧靈山自然保護(hù)區(qū)不同土層化學(xué)計(jì)量特征Table 3 Stoichiometric characteristics in different soil layer in Wuling Mountain National Nature Reserve

由表2可知,霧靈山土壤pH值、OC、TN、TK、AN、AP和AK均受土層影響顯著(P<0.05)。土壤pH值隨土層的加深呈現(xiàn)上升趨勢(shì),A層最低,C層最高。土壤OC、TN、TK、AN、AP和AK含量均隨土層加深而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且A層的含量均顯著高于其他土層,呈明顯的表聚集現(xiàn)象。另外,除P∶K外,其余化學(xué)計(jì)量比均受土層影響顯著?？傮w上來(lái)看,C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K隨土層加深呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),且A層比值顯著高于C層(表3)。

2.2 霧靈山不同海拔土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征的差異

霧靈山不同海拔土壤養(yǎng)分含量變化見(jiàn)表4,不同海拔土壤化學(xué)計(jì)量特征見(jiàn)表5。

表4 霧靈山自然保護(hù)區(qū)不同海拔土壤養(yǎng)分含量Table 4 Soil nutrient contents at different elevations in Wuling Mountain National Nature Reserve

表5 霧靈山自然保護(hù)區(qū)不同海拔化學(xué)計(jì)量特征Table 5 Stoichiometric characteristics at different elevations in Wuling Mountain National Nature Reserve

由表4可知,霧靈山土壤pH值、OC、TP、TK、AN和AP含量受海拔顯著影響(P<0.05)。隨海拔的升高,土壤OC含量呈“V”型變化趨勢(shì);土壤TP、TK含量主要呈現(xiàn)“M”型變化趨勢(shì);AN含量呈現(xiàn)“N”型變化趨勢(shì);pH值與AP含量呈波形變化趨勢(shì);TN和AK則無(wú)顯著變化趨勢(shì)。另外,海拔梯度變化也顯著影響了土壤C∶P、N∶P和P∶K比(P<0.05)。隨著海拔的升高,C∶P,N∶P呈現(xiàn)“W”型變化趨勢(shì),在海拔1 400 m處最高;P∶K呈現(xiàn)“M”形變化趨勢(shì),在海拔1 200 m處最高;C∶N、C∶K和N∶K則無(wú)顯著變化趨勢(shì)(表5)。

2.3 霧靈山土壤養(yǎng)分與化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

對(duì)霧靈山土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行主成分分析見(jiàn)圖1,相關(guān)性分析見(jiàn)表6。

圖1 霧靈山自然保護(hù)區(qū)土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征的主成分分析Figure 1 Principal component analysis of soil nutrients and stoichiometric characteristics of Wuling Mountain National Nature Reserve注：A代表腐殖層;B代表淀積層;C代表母質(zhì)層;1～7依次代表800～2 000 m的7個(gè)海拔梯度。

由圖1可知,土壤養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量比累計(jì)貢獻(xiàn)率為70.13%,可以基本反映土壤情況。其中,第一主成分貢獻(xiàn)率分別為50.12%,第二主成分貢獻(xiàn)率為20.01%。第一主成分主要與除pH值呈負(fù)相關(guān)外,與OC、TN、TK、AN、AP、AK、C∶N、C∶K、N∶K均呈正相關(guān);第二主成分主要與P∶K、TP呈負(fù)相關(guān),但與N∶P呈正相關(guān)。

通過(guò)皮爾遜相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析可知(表6),pH值與AK呈極顯著中度負(fù)相關(guān)(0.5<|r|<0.8,P<0.01),OC與TN、TK、AK呈極顯著中度正相關(guān)(0.5<|r|<0.8,P<0.01);TN與TK、AK呈極顯著中度正相關(guān);C∶N與OC、C∶P呈極顯著中度正相關(guān);C∶P與OC、AK、N∶P呈極顯著中度正相關(guān);C∶K與OC、N∶K呈極顯著中度正相關(guān);N∶P與TP、P∶K呈極顯著中度負(fù)相關(guān);N∶K與TN呈極顯著中度正相關(guān);P∶K與TP呈極顯著中度正相關(guān)。

表6 霧靈山自然保護(hù)區(qū)土壤養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analyses of soil nutrients and stoichiometric characteristics of Wuling Mountain National Nature Reserve

3 討論

霧靈山自然保護(hù)區(qū)土壤pH值變化范圍為5.90～6.32,呈弱酸性。這是因?yàn)殪F靈山地區(qū)降水充沛,淋溶作用強(qiáng)烈造成土壤pH值降低,形成弱酸性土壤[14]。土壤pH值隨土層加深而增加,和劉月華等在甘南高寒草甸草原的研究結(jié)果一致,原因是由于土壤表面枯落物中的有機(jī)質(zhì)在分解時(shí)產(chǎn)生了一些酸性的中間產(chǎn)物,如單寧、有機(jī)酸等,導(dǎo)致土壤表面酸性大于深層[15]。隨海拔增高,霧靈山土壤OC和TN含量整體呈上升趨勢(shì)。其原因可能是,海拔升高而氣溫逐漸下降,有機(jī)質(zhì)分解和氮礦化速率減慢,導(dǎo)致OC和TN含量不斷積累[16-17]。此外,在同一土壤剖面中,除TP外,其余土壤養(yǎng)分含量均隨土層的增加而降低,且呈現(xiàn)明顯的表聚集現(xiàn)象,這與王慧元等對(duì)霧靈山的5種人工純林土壤養(yǎng)分研究結(jié)果一致[10]。可能是植被凋落物的積累和分解都聚集在土壤表面,表層的透氣性和溫濕條件都比深層土壤好,有助于土壤養(yǎng)分的快速分解,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量明顯高于深層土壤[18]。

碳、氮、磷等化學(xué)計(jì)量比的平衡關(guān)系可以反映土壤養(yǎng)分間的狀況,對(duì)養(yǎng)分循環(huán)具有重要的意義[19]。C∶N反映土壤有機(jī)質(zhì)的積累或分解狀況,是衡量碳氮營(yíng)養(yǎng)情況的重要指標(biāo)[3]。當(dāng)C∶N<25時(shí),氮素快速礦化和釋放;當(dāng)C∶N=25時(shí),氮素礦化與固定達(dá)到平衡狀態(tài);C∶N>25時(shí),可促進(jìn)微生物的同化[20]。本研究中,不同海拔土壤C∶N介于7.76～13.40(顯著低于25),說(shuō)明霧靈山土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和氮素的釋放速率快,有助于植物吸收營(yíng)養(yǎng)。C∶N在海拔2 000 m處最高,且不同海拔間土壤C∶N變化趨勢(shì)不顯著,表明碳、氮二者的積累和分解過(guò)程穩(wěn)定,這與趙雯等在高寒地區(qū)的研究結(jié)果一致[21]。C∶P是反映植物生長(zhǎng)速度和衡量磷素礦化能力的重要指標(biāo),當(dāng)C∶P<200時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中傾向于釋放磷[4]。霧靈山地區(qū)各海拔梯度C∶P的范圍為19.06～52.01,顯著低于200,體現(xiàn)了該研究區(qū)土壤較好的養(yǎng)分釋放性能和相對(duì)豐富的磷含量。N∶P是氮素飽和的養(yǎng)分限制閾值標(biāo)準(zhǔn),也可指示土壤營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)植物生長(zhǎng)的供給情況[8]。當(dāng)N∶P<14時(shí),土壤養(yǎng)分受氮素限制;當(dāng)N∶P>16時(shí),土壤養(yǎng)分受磷素限制;當(dāng)14

本研究區(qū)的土壤養(yǎng)分與化學(xué)計(jì)量比之間主成分分析和相關(guān)性分析表明,土壤OC與TN、TK、AK、C∶N、C∶P和C∶K之間呈中度正相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果與張莎莎等在天馬國(guó)家自然保護(hù)區(qū)不同海拔杉木人工林研究結(jié)果類(lèi)似,該結(jié)果的出現(xiàn)原因在于OC為土壤養(yǎng)分的主要組成,不僅在養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中起到關(guān)鍵作用,還反映了養(yǎng)分間的平衡關(guān)系[8]。C∶N與OC的相關(guān)性大于TN,C∶P與OC的相關(guān)性大于TP,C∶K與OC的相關(guān)性大于TK,這表明C∶N、C∶P、C∶K主要受OC的影響,與董廷發(fā)在不同海拔云南松林的研究結(jié)果一致[24]。N：K主要受土壤TN含量的影響,呈顯著正相關(guān)關(guān)系;P∶K主要受TP含量的影響,呈顯著正相關(guān)。由此可知,霧靈山保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分間具有一定的相關(guān)性,每種養(yǎng)分含量的增減,都能對(duì)土壤中其他養(yǎng)分的提供帶來(lái)不同的影響。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)比較霧靈山不同海拔梯度的土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征,發(fā)現(xiàn)霧靈山土壤pH值呈弱酸性,土壤養(yǎng)分含量達(dá)到了中等偏上水平,這與其植物覆蓋度高是密切相關(guān)的。土壤OC受土層、海拔的顯著影響,且OC與TN、TK、AK、C∶N、C∶P和C∶K之間呈中度正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明OC是霧靈山土壤養(yǎng)分的關(guān)鍵因子,其含量的增減會(huì)影響土壤中其他養(yǎng)分供應(yīng),從而影響其他養(yǎng)分含量的變化。