人工草地土壤碳氮磷含量變化及化學計量特征研究

生態(tài)化學計量學是一門以生物學、化學、物理學、生態(tài)學和化學計量學為基本原理，研究生物系統(tǒng)能量平衡和多種化學元素（主要是碳氮磷）平衡的新興學科[1-2]。土壤碳氮磷化學計量特征的研究是近年來生態(tài)學領域的研究熱點[3]，碳氮磷作為土壤的主要營養(yǎng)成分，在很大程度上決定土壤肥力，進而影響植物生長發(fā)育[4]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)許多生態(tài)過程的主要載體，是植物賴以生存的重要基質和環(huán)境條件，凋落物所形成的有機質及巖石風化釋放的養(yǎng)分都聚集在土壤中，供給地上植被生長發(fā)育[5]。全球土壤有機碳儲存量遠高于生物碳庫和大氣碳庫，土壤有機碳的微小波動可能會影響生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性[6]，土壤碳氮磷是陸地生態(tài)系統(tǒng)中限制植物生長和不同生態(tài)過程的重要元素，碳氮磷作為土壤養(yǎng)分重要營養(yǎng)元素，是生態(tài)系統(tǒng)中植物群落組成、演替和穩(wěn)定的主要驅動因素[7]。另外，土壤碳氮磷化學計量比在生態(tài)化學計量學中具有重要地位，可以用來判斷土壤有機質的分解速率、養(yǎng)分限制狀況和碳氮磷飽和狀態(tài)等[8]，因此，研究土壤碳氮磷含量及其化學計量特征對于認識土壤養(yǎng)分循環(huán)平衡機制具有重要意義。

高寒草甸是三江源區(qū)重要的草地生態(tài)系統(tǒng)，不僅提供肉、奶、皮、毛等直接經濟價值的產品，同時還承擔調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風固沙、生物多樣性保育、初級生產力和碳固持等極其重要的生態(tài)服務功能[9-10]。然而，長期過度放牧、氣候變化、蟲鼠害和牧區(qū)政策偏差等因素導致高寒草甸大面積退化，甚至形成大面積次生裸地—“黑土灘”[11-12]，這些情況導致地上生物量下降，土壤微生物數(shù)量和水分含量降低，優(yōu)質牧草消失，生物多樣性減少，固碳能力減弱，從而改變了該區(qū)域土壤中關鍵養(yǎng)分元素的含量及比例關系[13]。

三江源地區(qū)“黑土灘”已完全失去恢復能力，需要人工輔助來恢復[14]。因此，人工草地建植是治理三江源地區(qū)草地退化最有效的方法之一[15]，已被廣泛應用，并產生了“黑土灘人工草地”，作為一種人工植被出現(xiàn)在三江源區(qū)。人工草地可以在短時間內提高植物群落的蓋度、高度、生物量及物種多樣性[16]，還有利于土壤團聚體的形成，增加土壤團聚體的體積，使其具有較強的穩(wěn)定性，從而改善“黑土灘”表層土壤結構，提高土壤含水量[17]。此外，人工草地建植還可以減少土壤中的碳流失，增加植被的碳儲量，增加土壤固碳能力[18]。但是，在草種的選擇和搭配方面也十分重要。有研究表明，豆禾種類和比例的搭配可以顯著提高土壤養(yǎng)分的供給[19]。因此，對不同牧草混播人工草地土壤狀況的研究是十分必要的。本研究選擇耐寒和利用價值高且被廣泛運用于三江源地區(qū)退化草地修復的本地禾草垂穗披堿草（Elymusnutans）和草地早熟禾（Poapratensis），以及對禾本科植物生長發(fā)育起著促進作用的豆科植物呼倫貝爾苜蓿（Mcdicagofalcata）為人工種植草種[20-21]。使用對比分析法，對不同牧草播種的人工草地土壤進行分析，探討不同牧草播種的人工草地土壤碳氮磷含量及其生態(tài)化學計量特征變化規(guī)律，以期為三江源地區(qū)通過合理牧草混播的方式改善土壤養(yǎng)分和修復退化草地提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣，是三江源高寒草甸研究觀測站軍牧場試驗點，其經緯度范圍為34°22'～34°20'N，100°30'～100°29'E，海拔約為4100m。該區(qū)屬于典型的大陸高寒季風氣候區(qū)，日照時間長，太陽輻射強，無絕對的無霜期。年均氣溫極低，僅有0.7℃，而年降雨量則為423mm～565mm，主要集中在植物生長期的5月至8月，即雨熱同期。該區(qū)是典型的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)，土壤為高寒草甸土，主要由莎草科和禾本科等植物組成，如高山嵩草（Kobresiapygmaea）、矮嵩草（Kobresiahumilis）、垂穗披堿草、草地早熟禾、細葉亞菊（Ajaniatenuifolia （Jacq.）Tzvel）、甘肅馬先蒿（Pediculariskansuensis Maxim）黃帚橐吾（Ligulariavirgaurea （Maxim.）Mattf）、青海刺參（Morinakokonorica Hao）等。

1.2 試驗設計

在2016年1月至2018年12月期間，針對果洛軍牧場一塊地勢相對平坦的重度退化高寒草甸，進行了隨機區(qū)組試驗設計。該試驗選擇了垂穗披堿草、草地早熟禾和呼倫貝爾苜蓿進行播種，共劃分為8組處理（詳見表1），每組處理包含3個重復，共計24個小區(qū)，每個小區(qū)面積為3m×3m，且相鄰小區(qū)間隔1m。試驗于2016年5月進行播種操作，播種前通過農具對試驗地進行了翻耕處理，并將由青海省牧草良種繁殖場提供的牧草種子混勻后撒播。為避免放牧干擾，試驗地進行了圍欄保護，并協(xié)調當?shù)啬撩襁M行鼠害防治，盡可能避免鼠兔等嚙齒類動物的干擾。為避免牧草之間的競爭，播種當年的苗期進行了雜草清除。雜草清除采用人工除草方式，將除試驗草種以外的雜草剔除。對照組不進行任何處理。播種時，垂穗披堿草的播種量為3g·m-2，草地早熟禾的播種量為0.75g·m-2，呼倫貝爾苜蓿的播種量為1.5g·m-2，均按照青海省建植人工草地的標準進行[22]。

1.3 樣品采集

在2018年9月，進行了樣品采集工作。在每個小區(qū)對角線上選擇了3個點作為土壤取樣點，并使用內徑為5 厘米的土鉆分別從0～10cm，10～20cm和20～30cm 的深度采集土壤樣品。采集的根土混合樣品放入塑封袋中，并帶回實驗室。在實驗室中，使用孔徑為0.28mm 的60目標準土壤篩對樣品進行過篩，然后將過篩后的土樣放置在陰涼通風的地方自然風干，以用于后續(xù)的土壤有機碳（Soilorganiccarbon，SOC）、全氮（Totalnitrogen，TN）和全磷（Totalphosphorous，TP）含量的測定。

具體測定方法如下：土壤有機碳（SOC）含量采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法進行測定，土壤全氮（TN）和全磷（TP）含量則采用全自動間斷化學分析儀進行測定。通過計算SOC與TN 之間的比值（C∶N）、SOC 與TP之間的比值（C∶P）以及TN與TP之間的比值（N∶P），來表示土壤的化學計量特征。

1.4 數(shù)據分析

數(shù)據分析方面，首先使用Excel2021對數(shù)據進行預處理，然后采用SPSS25.0進行單因素方差分析（One-WayANOVA）和Pearson相關性分析。對于差異顯著的結果，采用Duncan多重比較方法進行進一步分析，其中P lt;0.05表示差異顯著。最后，使用Origin2023進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同牧草混播人工草地土壤碳氮磷的差異

由表2可知，不同處理方法對土壤中的有機碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量產生了顯著影響。其中，EP，EM，PM，E和M 處理的土壤SOC含量顯著高于CK處理，而P處理的土壤SOC含量則顯著降低（Plt;0.05）。EP，EM，PM，E和M 處理的土壤TN含量也顯著高于CK處理，而EPM 和P處理的土壤TN含量則顯著降低（Plt;0.05）。EP，EM，PM，E，和M 處理土壤TN含量顯著高于CK，而EPM 處理土壤TN含量則顯著低于CK（Plt;0.05）。

如圖1所示，EM 處理的表層土壤SOC含量最高，為32.259g·kg-1，除PM 和M 處理外，其他處理的土壤SOC含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢。EPM 處理土壤SOC含量在三個土層上差異顯著，其他處理的土壤SOC含量在0～10cm 和10～20cm 土壤層沒有顯著差異，顯著高于20～30cm 土壤層（Plt;0.05）。EM 處理的表層土壤TN 含量最高，為3.93g·kg-1。除了PM，CK和M 處理外，其他處理的土壤TN含量隨著土壤深度的增加而降低。P處理的土壤TN 含量在土壤表層顯著高于10～20cm 和20～30cm深度層次（Plt;0.05）。土壤TP含量在不同處理中差異較大，EPM，EP，EM，PM 和P處理土壤TP含量在0～10cm 土壤層中最高，E處理在10～20cm 中最高，CK 和P處理土壤TN 含量在20～30cm 土壤層中最高，且EP處理中三層土壤之間均存在顯著差異，P處理土壤TP含量在0～10cm土壤層顯著高于10～20cm 和20～30cm 土壤層（Plt;0.05）。

2.2 不同牧草混播人工草地土壤碳氮磷化學計量特征的差異

由表3可知，不同牧草混播人工草地的土壤碳氮磷化學計量特征比較結果如下：CK 處理與EPM 處理之間土壤C∶N 比值差異顯著，CK 處理土壤的C∶P比值顯著高于EPM，E和P處理，PM 處理土壤的N∶P 比值顯著高于CK 處理（Plt;0.05）。

圖2顯示，在0～10cm 土壤層中，除P處理外，EPM 處理土壤的C∶N 比值顯著高于其他處理（Plt;0.05）。隨著土壤深度的增加，不同處理之間的土壤C∶N 比值差異較大。EP處理土壤的C∶N比值在20～30cm土壤層顯著高于0～10cm 和10～20cm 土壤層，而EM 處理土壤的C∶N 比值在10～20cm 和20～30cm 土壤層顯著高于0～10cm土壤層（Plt;0.05）。各處理土壤的C∶P比值在0～10cm 土壤層中無明顯差異。隨著土壤深度的增加，土壤的C∶P比值整體呈下降趨勢，除了EPM和EP處理外，其余處理的C∶P比值在0～10cm和10～20cm 土壤層中顯著高于20～30cm 土壤層（Plt;0.05）。土壤的N∶P比值也隨著土壤深度的增加而下降，且EM，EM，P和M 處理土壤的N∶P比值在0～10cm 和10～20cm 土壤層中顯著高于20～30cm 土壤層（Plt;0.05）。

2.3 不同牧草混播人工草地土壤碳氮磷含量與化學計量特征的相關性

對每種處理的三層土壤碳氮磷含量取平均值，并進行Pearson相關分析（圖3）。結果顯示：土壤有機碳（SOC）含量與總氮（TN）含量、C∶P比值和N∶P比值存在顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.92，0.82和0.90，而與C∶N比值存在顯著負相關關系，相關系數(shù)為-0.67（Plt;0.05）。TN含量與C∶N比值也呈現(xiàn)出負顯著相關關系，而與N∶P比值存在正顯著相關關系（Plt;0.05）。TP與化學計量比均沒有顯著相關性，而N∶P比值與C∶N比值存在顯著負相關關系，與C∶P比值存在顯著正相關關系（Plt;0.05）。

3 討論

3.1 土壤碳氮磷含量對退化草地與恢復草地的響應

研究表明，土壤碳氮磷是植物生長發(fā)育的重要生源元素[23]。在本研究中，EP，EM 和PM 混播人工草地的土壤有機碳和全氮含量顯著高于CK 處理（Plt;0.05）。近年來，許多國內外學者進行了豆禾牧草混播后土壤養(yǎng)分及其植被生產力變化特征的研究，并認為豆禾混播后土壤養(yǎng)分和植被生產力均得到改善[24]。馬玉壽等[25]也認為垂穗披堿草植株高大，而草地早熟禾植株矮小，這兩種禾草之間存在生態(tài)位互補，從而使土壤養(yǎng)分得到改善。此外，研究表明土壤有機碳主要來源于植被凋落物和根系分泌物[26]，土壤中的氮素則來源于動植物殘體分解的有機質和生物固氮[27]。因此，EP，EM 和PM 混播人工草地土壤有機碳含量較高的原因可能是這些禾草具有較高的植被生產力、地上部分凋落物、地下根系分泌物及其死根，有利于土壤有機碳的積累[28];P單播人工草地導致土壤有機碳含量減少可能是由于單一作物種植減少了不同植物殘體的輸入，減少了土壤有機質的來源[18]。另外，草地早熟禾快速生長和高生物量的特點也使其植物殘體分解速度較快。當早熟禾植物凋落后，在土壤中迅速分解，進而導致土壤有機碳含量減少[29]。此外，早熟禾根系質量相對較小，而根系是植物向土壤輸入有機碳的主要途徑之一。因此，根系質量較小意味著有機碳輸入較少，進而導致土壤有機碳含量減少[30]。同時，相對于CK處理，EP，EM 混播和E 單播人工草地的土壤全磷含量較高。EM 和PM 土壤全磷含量較高的原因可能是豆禾混播可以在根際上形成磷養(yǎng)分利用空間、磷源利用差異性等優(yōu)勢，因此，土壤全磷含量也得到提高，有利于磷元素的積累[31]。而E單播人工草地土壤全磷含量較高，可能是因為草地早熟禾單播沒有豆科植物進行固氮作用，氮磷供應平衡系統(tǒng)未受到影響，較低氮素供應使得植被不需要吸收更多的磷，有利于磷元素的積累[32]。

在同一人工草地中，土壤有機碳和全氮含量隨著土壤深度的增加呈下降趨勢。這可能是因為地表凋落物是土壤有機碳和全氮的主要來源，堆積在植物地表的凋落物經微生物分解形成有機質，最初在土壤表層聚集，向下輸入的有機質逐漸減少。另外，植物殘留物和根系主要積累在表層土壤，深層土壤中有機物分解較快，導致有機碳含量較低。而土壤全氮含量可能是因為人工草地土壤根系主要集中在表層土壤，隨著土壤深度的增加，植物根系密度和活動減少，導致土壤中的有機物分解和氮素吸收較少，因此土壤有機碳和全氮含量隨深度增加而逐漸減少[28]。相比之下，磷是一種容易被土壤顆粒吸附和固定的養(yǎng)分，它在不同土壤剖面中的遷移和淋失相對較少[29]。此外，人工草地植物根系較為均勻地分布在整個土壤剖面上，使得植物對土壤中磷養(yǎng)分的吸收相對一致，從而維持了不同深度的磷含量相對穩(wěn)定。因此，在不同土壤層中，全磷含量的差異不顯著[33]。需要注意的是，以上結論是基于已有研究結果的總結，并不能代表所有情況，具體的土壤養(yǎng)分變化還需要根據具體環(huán)境和實驗條件進行研究。

3.2 土壤化學計量特征對退化草地與恢復草地的響應

土壤碳氮磷化學計量比是評估土壤有機質組成和預測有機質分解速率的重要指標[2]。其中，土壤C∶N 比值是評估土壤氮礦化能力的重要參考指標，可以反映微生物分解有機質的速率，也能反映凋落物和根系殘體對土壤碳氮含量的積累[34]。本研究發(fā)現(xiàn)所有人工草地中土壤C∶N 比值的變化范圍為9.20～10.13，最大值出現(xiàn)在EPM 混播人工草地，該值介于中國土壤C∶N 平均值（10～12）之間[35-36]，但低于全球土壤C∶N 平均值（13.33）[35]。當土壤C∶N 比小于25時，微生物分解土壤有機質的速率加快[37]。Tian等人對全國土壤C∶N 的研究表明，盡管土壤碳氮含量在不同空間具有較大差異，但C∶N 比值始終保持相對穩(wěn)定，這表明二者作為結構性成分具有高度相關性，并且在消耗和積累過程中C∶N 比值始終保持相對穩(wěn)定[29]。土壤C∶P比值是反映土壤微生物磷礦化速率及植物從土壤中吸收固定磷元素的重要指標[38]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤C∶P比值的變化范圍在44.45～49.35之間，E單播人工草地中的C∶P比值最高，但低于中國陸地土壤C∶P平均值（52.70）[39]。賈宇等人[40]的研究表明，當土壤C∶P比值小于200時，微生物礦化有機質會釋放出更多養(yǎng)分，磷的有效性也更高，因此在植物和土壤中積累較多[40]。土壤N∶P比值是評估氮磷限制作用的重要指標，并用于確定養(yǎng)分限制的閾值[41]。本研究中，土壤N∶P比值的變化范圍在4.45～5.40之間，PM 混播中的值最高，但低于全球（13）和全國（9.3）土壤N∶P水平。Güsewel等人[8]的研究表明，當土壤N∶P比值小于10時，植物的生長發(fā)育受到氮限制。本研究中所有混播人工草地土壤的N∶P比值均小于10，說明植被生長都受到氮限制，與青藏高原植物生長發(fā)育與氮素密切耦合的研究結論一致[42]。另外，由于土壤中的磷元素遷移率較低且含量相對穩(wěn)定[33]，說明所有人工草地均表現(xiàn)為氮素限制，可適當增加氮素施肥量來保持土壤養(yǎng)分平衡。不同混播人工草地中的C∶P比值和N∶P比值隨著土壤深度的增加而逐漸下降，這可能是因為隨著土壤深度的增加，土壤中的有機碳和全氮含量逐漸減少，而全磷含量在不同土壤層間保持相對穩(wěn)定[28]。土壤C∶N 比值在不同混播系統(tǒng)的不同土壤層間沒有明顯變化，這與朱秋蓮等人[39]的研究結果相符，也符合Yang等人[43]的觀察，即土壤C∶N 比值在不同生境中始終保持相對穩(wěn)定。

3.3 不同牧草混播土壤碳氮磷含量與化學計量比的相關性

根據研究結果顯示（圖3），三江源地區(qū)的高寒草甸受到氣候變化和過度放牧等因素的影響，導致土壤中碳、氮、磷元素的循環(huán)和化學計量特征變得更加復雜。研究表明，土壤中的有機碳含量與全氮含量呈現(xiàn)顯著正相關關系，相關系數(shù)高達0.92。然而，土壤中的有機碳和全氮與全磷含量之間并沒有顯著相關性。這可能是因為土壤中的碳和氮之間存在緊密的耦合關系，這與朱秋蓮[39]和李金芬等人[44]研究結果一致。研究者認為，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中的氮流動依賴于有機碳[45]，因為氮通常以有機氮的形式存在[46]。土壤中的氮素礦化潛力受到有機碳的影響，而磷元素在任何生態(tài)系統(tǒng)中都保持穩(wěn)定狀態(tài)[47]。因此，土壤中的有機碳含量與全氮含量和全磷含量之間存在一定的相關性和規(guī)律性。土壤化學計量特征是反映土壤養(yǎng)分限制的重要因素[1]。相關性分析顯示，人工草地土壤中的C∶N 比值與有機碳和全氮含量整體上呈負相關關系，這表明土壤的C∶N比值受到碳和氮的共同限制。而土壤中的C∶P比值與有機碳含量顯著正相關，與全磷含量之間沒有相關性，說明土壤的C∶P比值受到碳的影響較大;土壤中的N∶P比值與全氮含量呈顯著正相關，與全磷無顯著相關性，說明土壤的N∶P比值主要受到氮元素的影響，根據研究結果，可以通過調整人工草地土壤中的有機碳、氮和磷含量，以及采取相應的管理措施，改善土壤中C∶N比值，C∶P比值和N∶P比值之間的關系，并提高土壤養(yǎng)分的利用效率。

4 結論

相較于對照組，人工草地土壤整體有機碳、全氮和全磷含量得到了顯著提高。尤其在垂穗披堿草+呼倫貝爾苜?；觳サ娜斯げ莸刂?，這一效果更為明顯。相關性分析表明，該地區(qū)土壤中碳與氮是限制植物營養(yǎng)的主要元素。因此，在草地恢復過程中，建議適量施加有機肥料來提高土壤養(yǎng)分含量，以確保草本植物健康生長和草地恢復效果?？傊?，如欲通過合理牧草混播來改善三江源地區(qū)退化高寒草甸土壤養(yǎng)分，建議選擇垂穗披堿草+呼倫貝爾苜?；觳?。