準(zhǔn)噶爾荒漠區(qū)域尺度淺層土壤化學(xué)計(jì)量特征及其空間分布格局

陶冶，劉耀斌，吳甘霖，張?jiān)?/p>

(1.安慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 皖西南生物多樣性研究與生態(tài)保護(hù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 安慶246133;2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,中國(guó)科學(xué)院干旱區(qū)生物地理與生物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊830011;3.固原市工業(yè)和信息化局,寧夏 固原 756000)

?

準(zhǔn)噶爾荒漠區(qū)域尺度淺層土壤化學(xué)計(jì)量特征及其空間分布格局

陶冶1,2，劉耀斌3，吳甘霖1，張?jiān)?*

(1.安慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 皖西南生物多樣性研究與生態(tài)保護(hù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 安慶246133;2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,中國(guó)科學(xué)院干旱區(qū)生物地理與生物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊830011;3.固原市工業(yè)和信息化局,寧夏 固原 756000)

摘要：干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有降水稀少、土壤貧瘠、生物多樣性低的特點(diǎn)，對(duì)荒漠土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究有助于深入了解荒漠土壤養(yǎng)分供給能力及其對(duì)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。對(duì)準(zhǔn)噶爾荒漠79個(gè)樣點(diǎn)淺層(0～10 cm)土壤及環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)查取樣，分析了土壤有機(jī)碳(C)、全氮(N)及全磷(P)化學(xué)計(jì)量特征、空間分布及其影響因素。結(jié)果表明，準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P平均含量分別為(5.73±0.49)，(0.207±0.009)和(0.347±0.004) g/kg，C∶N、C∶P、N∶P分別為(29.92±2.55)，(15.97±1.23)和(0.498±0.024)。土壤P穩(wěn)定性最高(CV=0.098)，而C、C∶N和C∶P的變異性較強(qiáng)(CV=0.687～0.758)。C、P、C∶N及C∶P在不同生境(沙漠、戈壁和鹽堿荒漠)、不同群落(白梭梭、梭梭及小灌木)間均存在差異。與全國(guó)及全球平均水平相比，準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P含量、C∶P及N∶P均較低而C∶N較高，養(yǎng)分元素缺乏程度表現(xiàn)為N>C>P。土壤養(yǎng)分元素及其化學(xué)計(jì)量比之間多具有顯著的二次函數(shù)關(guān)系，且化學(xué)計(jì)量比主要受C和N的制約。在區(qū)域尺度上，各化學(xué)計(jì)量參數(shù)表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，其中C、C∶N和C∶P分布格局相似，并受年降水量、緯度和經(jīng)度的影響；N與N∶P分布格局相似，受經(jīng)度、海拔和年均溫的影響。

關(guān)鍵詞：化學(xué)計(jì)量學(xué)；土壤養(yǎng)分；環(huán)境因子；空間格局；準(zhǔn)噶爾荒漠

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(ecological stoichiometry)是研究生態(tài)系統(tǒng)各組分主要組成元素平衡關(guān)系和耦合關(guān)系的科學(xué)，廣泛應(yīng)用于植物個(gè)體生長(zhǎng)、種群動(dòng)態(tài)、限制元素判斷、群落演替、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等研究領(lǐng)域[1-2]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的理論和方法還可為深入認(rèn)識(shí)植物—土壤相互作用的養(yǎng)分調(diào)控機(jī)制、揭示生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分元素之間的相互作用與平衡制約關(guān)系提供新的思路。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)源于對(duì)植物養(yǎng)分的研究[3-4]，目前也較多地涉及土壤養(yǎng)分元素[4]。土壤對(duì)陸地植物的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用，直接影響著植物群落的組成、結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力水平[5-6]。碳(C)、氮(N)、磷(P)等化學(xué)元素既是植物生長(zhǎng)所必需的元素，也是土壤養(yǎng)分的主要組成部分，還直接影響土壤微生物數(shù)量、凋落物分解速率及土壤有機(jī)C和養(yǎng)分的長(zhǎng)期積累[6-7]。土壤養(yǎng)分元素在循環(huán)過(guò)程中是相互耦合的[8]，在了解土壤質(zhì)量變異的同時(shí)更應(yīng)深入了解各元素之間的比例關(guān)系[5,7-8]，這對(duì)于認(rèn)識(shí)養(yǎng)分元素的循環(huán)、平衡機(jī)制及其對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響均具有重要意義[5]。然而，目前對(duì)荒漠地區(qū)土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究仍相對(duì)缺乏。

荒漠是世界陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，約占陸地總面積的18.5%[9]。荒漠生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，極易受到外力擾動(dòng)，且恢復(fù)困難[9-10]。因此，加強(qiáng)荒漠生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)和保護(hù)荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有重要而深遠(yuǎn)的意義。在干旱荒漠地區(qū)，植物生命活動(dòng)不僅受水分短缺的限制，還受到土壤養(yǎng)分貧瘠以及脅迫環(huán)境的制約。土壤養(yǎng)分狀況與植物生長(zhǎng)和分布息息相關(guān)，土壤養(yǎng)分的限制將會(huì)對(duì)植物體的營(yíng)養(yǎng)元素含量產(chǎn)生影響[8,10]。因而，探究土壤元素含量及其相互關(guān)系對(duì)了解植物養(yǎng)分現(xiàn)狀也有重要作用。

準(zhǔn)噶爾荒漠是中亞荒漠的重要組成部分，也是中國(guó)唯一一個(gè)受北冰洋氣流影響的荒漠，因而其氣候特征、植被組成與豐富度等與中國(guó)其他荒漠差異明顯[11]。在對(duì)該地區(qū)土壤的相關(guān)研究中，土壤養(yǎng)分常作為影響植物分布的因子[12]，而對(duì)土壤養(yǎng)分元素耦合關(guān)系及其影響因素的了解甚微。為此，我們?cè)跍?zhǔn)噶爾荒漠隨機(jī)設(shè)置了79個(gè)樣點(diǎn)，分析土壤C、N、P含量、化學(xué)計(jì)量比及其在不同生境和群落間的變異，探討化學(xué)計(jì)量特征在區(qū)域尺度上的空間分布格局及其與環(huán)境因子(如降水、溫度、緯度等)的關(guān)系。研究結(jié)果不僅豐富和完善了我國(guó)荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究，為土壤養(yǎng)分元素區(qū)域性群落尺度特征提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也有助于進(jìn)一步了解荒漠土壤養(yǎng)分供給與限制狀況及其對(duì)生物多樣性和荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆北部，是我國(guó)第二大內(nèi)陸盆地(范圍為34°09′-49°08′ N，73°25′-96°24′ E)，介于天山、阿爾泰山和塔爾巴哈臺(tái)山之間。準(zhǔn)噶爾荒漠距離海洋遙遠(yuǎn)，周圍被大山環(huán)繞，屬于典型的大陸性氣候，具有降水量少、濕度低、冬季漫長(zhǎng)、春秋短暫、日照充足、溫度變化范圍寬等特點(diǎn)。準(zhǔn)噶爾荒漠年均降水量在50～200 mm之間，其中盆地中部的古爾班通古特沙漠降水僅70～150 mm，而年均蒸發(fā)量>2000 mm[12]。準(zhǔn)噶爾荒漠年均溫-4～9 ℃，1月平均溫度在-20～-15 ℃，6月平均氣溫在22～26 ℃。無(wú)霜期約150 d。準(zhǔn)噶爾荒漠主要土壤類型有風(fēng)沙土、灰漠土、棕漠土、棕鈣土、龜裂土、鹽土等[13]。作為我國(guó)唯一一個(gè)受北冰洋氣流影響的荒漠區(qū)，準(zhǔn)噶爾荒漠的物種組成和豐富度與我國(guó)其他荒漠地區(qū)差異明顯，大量分布著適應(yīng)干旱高溫環(huán)境的短命和類短命植物[11]。荒漠地表還廣泛覆蓋著處于不同發(fā)育階段的生物土壤結(jié)皮，是維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要生物因子[9]。梭梭(Haloxylonammodendron)、白梭梭(Haloxylonpersicum)、假木賊屬(Anabasis)、絹蒿屬(Seriphidium)、蒿屬(Artemisia)是準(zhǔn)噶爾荒漠植物群落的主要建群種。

1.2研究方法

圖1　準(zhǔn)噶爾荒漠土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1　Distribution of soil sampling sites in the Junggar desert

1.2.1土壤樣品采集與分析2013年5-6月在準(zhǔn)噶爾盆地共設(shè)置79個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。在每個(gè)樣點(diǎn)周圍100 m范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)大小為1 m×1 m的土壤樣方，以消除小尺度空間異質(zhì)性對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。在每個(gè)樣方內(nèi)采集1份0～10 cm層土壤樣品，然后將每個(gè)點(diǎn)5個(gè)樣方的土樣混合為1份，裝入封口袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，在通風(fēng)、陰涼、干燥處自然風(fēng)干。依據(jù)土壤分析標(biāo)準(zhǔn)方法[14]，測(cè)定土壤有機(jī)碳(C)、全氮(N)和全磷(P)含量(g/kg)，并計(jì)算土壤C∶N、C∶P和N∶P。

1.2.2環(huán)境因子調(diào)查與分析調(diào)查采樣過(guò)程中，對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行定位，獲取樣地經(jīng)度、緯度和海拔，并記錄群落生境(土壤生境類型)及建群種。采樣點(diǎn)的年均降水量和年均溫度參照文獻(xiàn)[15]所給方法獲取，并與相近氣象站氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比修正。

1.3統(tǒng)計(jì)分析方法

對(duì)79個(gè)點(diǎn)的土壤有機(jī)C、N、P及C∶N、C∶P、N∶P進(jìn)行K-S正態(tài)性檢驗(yàn)。將79個(gè)采樣地點(diǎn)按照生境類型和群落類型進(jìn)行分類，前者包括沙漠、戈壁和輕度鹽堿地共3類，后者包括梭梭群落、白梭梭群落和小灌木群落[如假木賊(Anabasisspp.)、心葉駝絨藜(Ceratocarpusewersmanniana)、蒿(Artemisiaspp.)、琵琶柴(Reaumuriasongonica)等]共4類。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同生境或群落間土壤化學(xué)計(jì)量特征的差異。利用Levene’s test檢驗(yàn)方差齊性與否，方差齊性時(shí)使用Duncan法進(jìn)行多重比較，方差不齊時(shí)則使用T2Tamhane’s test進(jìn)行多重比較。為探究土壤化學(xué)計(jì)量特征間的關(guān)系，除相關(guān)性分析外，還選擇線性函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等多種函數(shù)模型對(duì)79個(gè)樣地土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行最優(yōu)擬合。使用Pearson相關(guān)性分析判斷土壤化學(xué)計(jì)量特征與氣象因子及地理因子之間的關(guān)系。基于79個(gè)樣點(diǎn)的土壤化學(xué)計(jì)量特征及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)信息，使用ArcGIS 9.3中的制圖軟件ArcMap進(jìn)行空間插值分析并作圖，得到的空間分布圖可直觀對(duì)比不同區(qū)域土壤化學(xué)計(jì)量特征的變化趨勢(shì)[16]。常規(guī)數(shù)據(jù)分析和作圖在Excel 2003中完成，ANOVA分析和方程擬合在SPSS 19.0中實(shí)現(xiàn)。

2結(jié)果與分析

2.1準(zhǔn)噶爾荒漠土壤化學(xué)計(jì)量特征及其相互關(guān)系

準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比多呈偏態(tài)分布(S>0)，且相對(duì)集中(K>0)；K-S檢驗(yàn)表明，除P含量外，其余5個(gè)指標(biāo)均不符合正態(tài)分布(圖2)。準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P平均含量分別為5.734，0.207和0.347 g/kg，化學(xué)計(jì)量比C∶N、C∶P、N∶P分別為29.920，15.974和0.598。土壤P含量(0.26～0.42 g/kg)的變異性最弱，變異系數(shù)(CV)為0.098；N和N∶P變異稍強(qiáng)(CV=0.372和0.361)，而C、C∶N和C∶P的變異最強(qiáng)，CV達(dá)到0.687～0.758。

圖2　準(zhǔn)噶爾荒漠土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比的頻數(shù)分布(n=79)Fig.2　Frequency of soil nutrients and the stoichiometric ratios in the Junggar desert (n=79)

除C與N∶P之間、P與N∶P之間及N∶P與C∶P之間相關(guān)性不顯著外，大部分土壤化學(xué)計(jì)量指標(biāo)之間具有顯著和極顯著的相關(guān)關(guān)系(表1)。其中，C∶N與N及N∶P之間為顯著和極顯著負(fù)相關(guān)，其余多為顯著正相關(guān)。線性和非線性方程擬合表明，土壤C、N、P含量間均具有顯著的二次函數(shù)關(guān)系，其中C與P的相關(guān)性最強(qiáng)(R2=0.4126)，而C與N、N與 P間的相關(guān)性較弱(圖3)。土壤養(yǎng)分元素與對(duì)應(yīng)化學(xué)計(jì)量比之間的最優(yōu)擬合顯示(圖4)，C∶N與C和N之間、C∶P與P之間均為極顯著的二次函數(shù)關(guān)系，而C∶P與C之間既符合二次函數(shù)關(guān)系也呈現(xiàn)線性關(guān)系(二者R2相同)。N∶P與N之間為極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，而N∶P與P之間沒(méi)有明顯的關(guān)系。此外，最優(yōu)擬合還顯示，化學(xué)計(jì)量比與分子的決定系數(shù)(R2)明顯大于其與分母的決定系數(shù)，也證明土壤化學(xué)計(jì)量比主要受控于土壤C和N。由此可知，準(zhǔn)噶爾荒漠土壤化學(xué)計(jì)量指標(biāo)之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而往往具有顯著的非線性關(guān)系。

*:P<0.05, **:P<0.01.下同The same below.

圖3　準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P含量間的非線性關(guān)系Fig.3　Non-linear relationships among soil C, N and P contents in the Junggar desert

圖4　準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P分別與對(duì)應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比之間的非線性關(guān)系Fig.4　Non-linear relationships between soil C, N, P contents and their corresponding stoichiometric ratios in the Junggar desert

2.2不同生境、不同群落土壤化學(xué)計(jì)量特征對(duì)比

方差分析表明(表2)，戈壁土壤具有最高的C含量(8.20 g/kg)、C∶N (40.55)和C∶P (21.94)，沙漠土壤C含量(3.87 g/kg)、C∶N (20.96)和C∶P (11.49)最低，鹽堿荒漠處于中等水平。土壤P含量表現(xiàn)為沙漠顯著低于鹽堿荒漠和戈壁，而3種生境的土壤N及N∶P沒(méi)有差異。不同群落間土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征也有一定差異(表2)。梭梭群落具有最高的土壤C含量(7.86 g/kg)、C∶N (40.94)和C∶P (21.25)，而白梭梭群落這3個(gè)指標(biāo)最低。梭梭群落和小灌木群落的土壤P含量顯著高于白梭梭群落，而3類群落類型間的土壤N及N∶P也沒(méi)有顯著差異。

表2　不同生境和不同群落類型土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比Table 2　Comparison of soil nutrients and stoichiometric ratios among different habitats and communities (mean±SE)

同一類別同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。 Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

2.3土壤化學(xué)計(jì)量特征的空間分布格局

土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比具有一定的空間異質(zhì)性(圖5)。土壤C含量表現(xiàn)為西部—北部—東部外圍區(qū)域偏高，中部—南部偏低，其中以古爾班通古特沙漠中東部最低，這與表3沙漠生境土壤C最低的結(jié)果一致。土壤N含量表現(xiàn)為準(zhǔn)噶爾荒漠西部最低，往東逐漸增高，至準(zhǔn)噶爾荒漠最東端的卡拉麥里山—天山地區(qū)達(dá)到最高。土壤P含量總體表現(xiàn)為中部(主要位于古爾班通古特沙漠中西部)低，西部—北部—東部等外圍區(qū)域偏高，其中東部卡拉麥里山—天山地區(qū)最高。土壤C∶N的空間格局規(guī)律性稍差，但總體上表現(xiàn)出中部偏東南的區(qū)域偏低、西部和北部偏高的趨勢(shì)，與C分布格局有相似之處。由于土壤P含量相對(duì)穩(wěn)定(CV=0.098)，因而土壤C∶P的空間分布格局與土壤C極其相似，土壤N∶P的空間分布格局也與土壤N極其相似。

圖5　準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征的空間分布Fig.5　Distributions of soil C, N, P stoichiometric characteristics in the Junggar desert

2.4土壤化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子的關(guān)系

就環(huán)境因子之間的關(guān)系而言，緯度越高降水量越高，但年均溫越低；隨經(jīng)度增大，海拔升高，但降水量和年均溫均降低；年均溫還與海拔和降水量呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)。經(jīng)緯度、海拔、年均溫和年降水量與準(zhǔn)噶爾荒漠一些土壤化學(xué)計(jì)量特征有明顯相關(guān)關(guān)系(表3)。年降水量、緯度與土壤C含量、C∶N、C∶P呈顯著正相關(guān)，表明隨降水增大及緯度升高，土壤C及2個(gè)化學(xué)計(jì)量比會(huì)顯著增大；而年降水量、緯度與N、P及N∶P無(wú)顯著相關(guān)。經(jīng)度與N和N∶P呈極顯著正相關(guān)，而與C∶N呈極顯著負(fù)相關(guān)，也即越往東，N及N∶P越高，而C∶N越低。海拔也在一定程度上影響了土壤化學(xué)計(jì)量特征，表現(xiàn)為土壤N、P含量及N∶P隨海拔升高而增大。年均溫對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響相對(duì)較小，表現(xiàn)為溫度升高不利于提高土壤N濃度和N∶P。

表3　準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子間的相關(guān)系數(shù)Table 3　Correlation coefficients between soil C, N, P stoichiometric characteristics and environmental factors in the Junggar desert

Lon: 經(jīng)度Longitude; Lat: 緯度Latitude; Alt: 海拔Altitude; MAP: 年均降水量Mean annual precipitation; MAT: 年均溫度Mean annual temperature.

3討論

3.1準(zhǔn)噶爾荒漠土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征

土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比是土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量的重要指標(biāo)[17]。荒漠地區(qū)由于降水量少和相對(duì)較低的分解速度，使得礦質(zhì)風(fēng)化速率降低和土壤存儲(chǔ)有機(jī)物質(zhì)的能力較小，導(dǎo)致養(yǎng)分可利用性顯著降低[8]。研究表明，全球陸地土壤平均C含量為25.71 g/kg，中國(guó)陸地土壤平均C含量為29.51 g/kg[18]，是準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C含量(5.73 g/kg)的5～6倍，說(shuō)明準(zhǔn)噶爾荒漠植被生長(zhǎng)和恢復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)了較嚴(yán)重的土壤C源限制。類似較低土壤C含量或者可能出現(xiàn)C源限制的還有黃土丘陵地區(qū)[5]、黃土高原[19]及寧夏荒漠區(qū)[20](表4)。對(duì)土壤N含量而言，準(zhǔn)噶爾荒漠土壤N含量顯著低于全球(2.10 g/kg)[21]及中國(guó)陸地土壤平均值(2.30 g/kg)[17]，也遠(yuǎn)低于松嫩平原(0.36～1.97 g/kg)[22]；在荒漠區(qū)內(nèi)比較，本研究低于黃土丘陵[5]、黃土高原[19]及寧夏荒漠區(qū)[20]，也屬于土壤N嚴(yán)重缺乏的荒漠區(qū)。土壤 P素來(lái)源相對(duì)固定，主要通過(guò)巖石的風(fēng)化[6]。地殼平均P含量為2.8 g/kg[21]，我國(guó)土壤P含量平均值為0.56 g/kg[17]，也高于本研究(0.347 g/kg)。與主要荒漠區(qū)相比，本研究土壤P含量與黃土高原[19]、寧夏荒漠草原[20]相近，但低于黃土丘陵溝壑區(qū)[5]及寧夏鹽池檸條(Caraganakorshinskii)人工林[23]。綜合而言，干旱荒漠地區(qū)土壤C、N和P含量均較為缺乏，但以降水更為稀少的準(zhǔn)噶爾荒漠最甚，其中N和C較P而言缺乏更為嚴(yán)重。

由于氣候、地貌、植被、母巖、年代、土壤動(dòng)物等土壤形成因子和人類活動(dòng)的影響，不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤C、N、P總量變化很大，其比值也有較大變異[5,17]。C∶N是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，而且C∶N會(huì)影響到土壤中有機(jī)C和N的循環(huán)[5]。本研究中，準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C∶N (29.92)高于中國(guó)陸地土壤(12.30)[17]、全球陸地土壤(12.30)、全球草地土壤(11.80)及全球森林土壤(12.40)[21]，也遠(yuǎn)高于諸多干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)如黃土高原[19]、黃土丘陵溝壑區(qū)[5]及寧夏荒漠[20,23](表4)，表明準(zhǔn)噶爾荒漠土壤N比C更為缺乏。土壤C∶N與有機(jī)質(zhì)分解速度呈反比關(guān)系，因而較高的土壤C∶N表明準(zhǔn)噶爾荒漠土壤的C源、有機(jī)質(zhì)分解速率和礦化速率較低[5]。本研究中土壤C和C∶N的變異性(CV>0.75)最高而穩(wěn)定性最低，表明土壤C來(lái)源及土壤有機(jī)物質(zhì)的形成所需N的數(shù)量不穩(wěn)定。因而，這種不穩(wěn)定的C∶N不利于荒漠土壤N儲(chǔ)量估算及生態(tài)系統(tǒng)C儲(chǔ)量和C循環(huán)模型研究[5,19]。

表4　準(zhǔn)噶爾荒漠土壤化學(xué)計(jì)量特征(0～10 cm)與其他地區(qū)的比較Table 4　Comparison of the soil stoichiometry (0-10 cm) in Junggar desert and others

土壤C∶P的高低對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響[24-25]。土壤C∶P通常被認(rèn)為是土壤P素礦化能力的標(biāo)志，也是衡量微生物礦化土壤有機(jī)物質(zhì)釋放P或從環(huán)境中吸收固持P素潛力的一種指標(biāo)[19]。低C∶P有利于微生物在有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中的養(yǎng)分釋放，促進(jìn)土壤中有效P的增加；反之，高C∶P則會(huì)導(dǎo)致微生物在分解有機(jī)質(zhì)的過(guò)程中存在P受限，從而與植物存在對(duì)土壤無(wú)機(jī)P的競(jìng)爭(zhēng)，不利于植物的生長(zhǎng)[25]。在大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中，C∶P一般在10.06～503.50之間[25]，本研究荒漠灌木群落土壤C∶P值為15.97，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國(guó)陸地土壤(52.70)[17]、全球陸地土壤(72.00)、全球草地土壤(64.30)及全球森林土壤(81.90)[21]，但高于黃土丘陵溝壑區(qū)[5]和寧夏鹽池荒漠[20,23](表4)。該結(jié)果表明準(zhǔn)噶爾荒漠土壤P可能表現(xiàn)為凈礦化率較高，微生物分解有機(jī)質(zhì)過(guò)程中受P的限制可能性較小，土壤P表現(xiàn)出較高的有效性。較低的土壤C∶P也說(shuō)明，相比于P而言土壤C更為缺乏，這也印證了C∶N的分析結(jié)果。

N∶P比可用作N飽和的診斷指標(biāo)，并被用于確定養(yǎng)分限制的閾值[5]。準(zhǔn)噶爾荒漠土壤 N∶P平均值為0.598，遠(yuǎn)低于中國(guó)陸地土壤(3.9)[17]、全球陸地土壤(5.9)、全球草地土壤(5.6)及全球森林土壤(6.6)[21]，同樣低于其他干旱荒漠區(qū)土壤[5,19-20,23](表4)。一般認(rèn)為溫帶地區(qū)的土壤N是主要的限制性因子，如對(duì)黃土丘陵土壤N∶P為0.86，表現(xiàn)為顯著N缺乏[5]。因此，結(jié)合較低的N含量及N∶P，本研究區(qū)土壤N缺乏的程度遠(yuǎn)高于P缺乏。然而，已有研究表明準(zhǔn)噶爾荒漠腹地土壤速效N含量(16.04～25.10 mg/kg)顯著高于速效P (3.61～4.37 mg/kg)，速效N∶P達(dá)到4.75～6.99，遠(yuǎn)高于全量N∶P[26]。由此可知，盡管本研究中土壤全量N含量顯著低于全量P，但N的有效性應(yīng)遠(yuǎn)高于P，這也是該地區(qū)短命和類短命植物葉片呈現(xiàn)植物P缺乏(N∶P>16.0)的關(guān)鍵原因[26]。

綜合分析可知，準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P元素的缺乏程度為N>C>P。土壤化學(xué)計(jì)量比與養(yǎng)分元素間的非線性擬合也可看出，化學(xué)計(jì)量比主要受控于C和N含量，也印證了N和C的主導(dǎo)作用(主要限制性作用)。

3.2準(zhǔn)噶爾荒漠土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量關(guān)系

土壤養(yǎng)分元素之間往往是密切相關(guān)、相互耦合的，因此僅關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)中土壤的質(zhì)量變異及各元素含量之間的比例關(guān)系是不全面的，還必須考慮養(yǎng)分元素之間的耦合關(guān)系。朱秋蓮等[5]對(duì)黃土高原的研究表明，C、N、P之間均有顯著的線性關(guān)系，而土壤K與它們之間沒(méi)有顯著關(guān)系。曾全超等[19]對(duì)黃土高原的研究也表明C、N、P之間均有顯著的線性關(guān)系。潘軍等[24]對(duì)寧夏鹽池地區(qū)人工檸條林的研究表明，僅有C與N有顯著相關(guān)性，其他元素間相關(guān)性不明顯。而本研究發(fā)現(xiàn)，土壤C、N、P之間均具有顯著(但R2較低)的二次函數(shù)關(guān)系；除N∶P與N (冪函數(shù)關(guān)系)及N∶P與P (無(wú)顯著關(guān)系)外，土壤養(yǎng)分與化學(xué)計(jì)量比之間也均為二次函數(shù)關(guān)系。由此可見(jiàn)，準(zhǔn)噶爾荒漠區(qū)域尺度土壤化學(xué)計(jì)量特征之間具有非線性耦合關(guān)系，需要用非線性模型才能真正體現(xiàn)土壤養(yǎng)分元素之間的相互關(guān)系。之前的研究大部分僅作了相關(guān)性分析，而沒(méi)有進(jìn)行非線性擬合。因此，以后在進(jìn)行土壤化學(xué)計(jì)量關(guān)系研究時(shí)，應(yīng)選擇線性和非線性模型綜合探討元素計(jì)量關(guān)系。此外，與其他一些僅針對(duì)單一群落或小區(qū)域的研究相比，本研究中C、N之間，N、P之間二次函數(shù)的決定系數(shù)R2較低，可能是由于本研究區(qū)面積較大、生境類型和群落類型多樣引起的異質(zhì)性導(dǎo)致的，因?yàn)椴煌愁愋图安煌郝漕愋烷g的C、P等化學(xué)計(jì)量參數(shù)均有顯著差異(表2)。

一般而言，元素計(jì)量比與2個(gè)元素之間均有一定關(guān)系，但不同元素間的變化趨勢(shì)不盡相同[5,19,23]。如寧夏鹽池人工檸條林土壤C∶N與C呈顯著負(fù)相關(guān)，與N呈顯著正相關(guān)[23]；黃土高原土壤C∶N與C之間無(wú)顯著關(guān)系，與N呈顯著正相關(guān)[19]；紫色丘陵地土壤C∶N與C之間為顯著正相關(guān)，與N呈顯著負(fù)相關(guān)[27]。而本研究中，土壤C∶N與C之間呈二次項(xiàng)為負(fù)的二次函數(shù)關(guān)系，與N之間呈二次項(xiàng)為正的二次函數(shù)關(guān)系，但在值域內(nèi)C∶N表現(xiàn)為隨C增加而增加、隨N增加而減小。此外，土壤化學(xué)計(jì)量比與各元素的相關(guān)性大小不同，相關(guān)性較小的元素對(duì)化學(xué)計(jì)量比的影響小于相關(guān)性大的元素，如紫色丘陵地土壤C∶N與C間的相關(guān)系數(shù)(0.608)小于其與N間的相關(guān)系數(shù)(-0.779)，故C∶N主要受控于土壤N[27]。本研究表明，C∶N和C∶P主要受控于土壤C含量，N∶P主要受控于N，皆為化學(xué)計(jì)量比的分子。可見(jiàn)，不同的土壤養(yǎng)分元素化學(xué)計(jì)量關(guān)系在一定程度上體現(xiàn)了土壤化學(xué)計(jì)量特征在不同區(qū)域不同土壤類型間的異質(zhì)性。

3.3土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征的空間格局及影響因素

土壤作為植物生長(zhǎng)的基質(zhì)，其養(yǎng)分含量是地形、氣候及生物因素相互作用的結(jié)果。土壤有機(jī)C含量受到有機(jī)質(zhì)的礦化和積累以及植物殘?bào)w和動(dòng)物廢棄物歸還土壤等多方面的影響。土壤N含量主要受成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、地貌、降水、溫度、植被類型及土壤微生物活性的影響。土壤P素主要來(lái)源于巖石風(fēng)化[6]，但極端缺水、堿性土壤及富含CaCO3的土壤均會(huì)降低土壤P的生物活性。本研究P含量總體較低可能與極端缺水和堿性土壤(如古爾班通古特沙漠土壤pH=8.23±0.02)導(dǎo)致的較低P生物活性有關(guān)(表4)。對(duì)于一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)而言，其植物群落和土壤生態(tài)系統(tǒng)間必然存在緊密的聯(lián)系，不同植被對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)必然具有顯著的影響。

在本研究中，土壤基質(zhì)和植被類型顯著影響了土壤化學(xué)計(jì)量特征。土壤C含量、P含量、C∶N和N∶P表現(xiàn)為戈壁最高沙漠最低，而在3種主要群落類型中則表現(xiàn)為梭梭群落最高而沙漠最低。植物群落一方面影響土壤微生物賴以生存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量來(lái)源，另一方面也影響著土壤的化學(xué)—物理環(huán)境、凋落物類型、堆積深度和地表水文過(guò)程[28-29]。由于梭梭群落生物量較大，可提供的有機(jī)養(yǎng)分相對(duì)較多[30]，而白梭梭群落均位于沙漠地區(qū)，植被生物量較小，沙面活度大[31]，不利于有機(jī)養(yǎng)分積累，因而導(dǎo)致梭梭群落土壤C、P含量顯著高于白梭梭群落。盡管戈壁生境植被生物量并非最大，但其地表穩(wěn)定性較高，有利于有機(jī)養(yǎng)分固持，這可能也是其C、P含量高于沙漠的重要原因之一。

在區(qū)域尺度上，準(zhǔn)噶爾荒漠土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比具有一定的空間異質(zhì)性，并受多種因素的影響。除P外(CV=0.098)，其他元素和化學(xué)計(jì)量比的變異系數(shù)均較高，其中以C、C∶N和C∶P的變異性最強(qiáng)(CV=0.687～0.758)。土壤C、C∶N和C∶P格局類型相似，表現(xiàn)為中南部偏低、西北部偏高。土壤N和N∶P格局類似，表現(xiàn)為由西向東逐漸增高的趨勢(shì)，有明顯的經(jīng)向變異性。土壤P含量總體表現(xiàn)為中部低、周偏高的趨勢(shì)，但最高值出現(xiàn)在準(zhǔn)噶爾荒漠最東部。一般而言，土壤養(yǎng)分因子除影響植被生長(zhǎng)、植被分布等生態(tài)過(guò)程外，其同樣也受到植被及其他環(huán)境因子的影響，如降水量、土地利用方式、植被覆蓋度、生態(tài)系統(tǒng)類型、土壤質(zhì)地等[5,19,32]。水分是干旱荒漠地區(qū)的主要限制性因子，本研究區(qū)年均降水量(MAP)僅為50～200 mm，并呈現(xiàn)北高南低的緯度地帶性及西高東低的經(jīng)度異質(zhì)性(表3)。因此，越往北或往西MAP越大，有利于土壤C、C∶N及C∶P的增大，但對(duì)其他參數(shù)沒(méi)有明顯影響。這可能因?yàn)榻涤暝龃笥欣诘乇碇脖坏纳L(zhǎng)，從而促進(jìn)土壤有機(jī)C的累積。在本研究中，經(jīng)緯度主要是通過(guò)改變降水和溫度來(lái)對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征產(chǎn)生影響的，還將直接或間接地改變地表覆被類型(群落類型)、對(duì)土壤養(yǎng)分元素含量及其關(guān)系產(chǎn)生進(jìn)一步影響；而海拔則主要是通過(guò)影響溫度進(jìn)而對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征產(chǎn)生效應(yīng)。越來(lái)越多的研究表明，新疆北部地區(qū)近幾十年及未來(lái)降水呈逐漸增大趨勢(shì)[33-34]，那么表層土壤有機(jī)C、C∶N及C∶P也應(yīng)該會(huì)持續(xù)增加，但土壤P含量可能會(huì)降低。

致謝：中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所周曉兵、周志斌、李國(guó)棟參與了野外調(diào)查，在此深表感謝。

References：

[1]Elser J J, Sterner R W, Gorokhova E,etal. Biological stoichiometry from genes to ecosystems. Ecology Letters, 2000, 3: 540-550.

[2]Güsewell S. N: P ratios in terrestrial plants: Variation and functional significance. New Phytologist, 2004, 164(2): 243-266.

[3]He J S, Han X G. Ecological stoichiometry: Searching for unifying principles from individuals to ecosystems. Chinese Journal of Plant Ecology, 2010, 34(1): 2-6.

[4]Wang S Q, Yu G R. Ecological stoichiometry characteristics of ecosystem carbon, nitrogen and phosphorus elements. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(8): 3938-3949.

[5]Zhu Q L, Xing X Y, Zhang H,etal. Soil ecological stoichiometry under different vegetation area on Loess hilly-gully region. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(15): 4674-4682.

[6]Huang C Y. Pedology[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2000.

[7]Wang W Q, Tong C, Jia R X. Ecological stoichiometry characteristics of wetland soil carbon, nitrogen and phosphorus in different water-flooded frequency. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(3): 238-242.

[8]Li C J, Xu X W, Sun Y Q,etal. Stoichiometric characteristics of C, N, P for three desert plants leaf and soil at different habitats. Arid Land Geography, 2014, 37(5): 976-984.

[9]Zhang Y M, Wang X Q. Study on the Biological Soil Crust of the Junggar Desert[M]. Beijing: Science Press, 2008.

[10]Whitford W G. Ecology of Desert Systems[M]. London, UK: Academic Press, 2002.

[11]Zhang L Y, Chen C D. On the general characteristics of plant diversity of Gurbantunggut sandy desert. Acta Ecologica Sinica, 2002, 22(11): 1923-1932.

[12]Qian Y B, Wu Z N, Zhao R F,etal. Vegetation patterns and species-environment relationships in the Gurbantunggut Desert of China. Journal of Geographical Sciences, 2008, 18(4): 400-414.

[13]China Vegetation Committee, Chinese Academy of Sciences. Vegetation Atlas of China[M]. Beijing: Science Press, 2001.

[14]Bao S D. Soil Chemical Analysis of Agriculture[M]. Beijing: China Agriculture Press, 2000.

[15]Hijmans R J, Cameron S E, Parra J L,etal. Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas. International Journal of Climatology, 2005, 25: 1965-1978.

[16]Zhou L L, Zhu H Z, Zhong H P,etal. Spatial analysis of soil bulk density in Yili, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 64-75.

[17]Tian H Q, Chen G S, Zhang C,etal. Pattern and variation of C∶N∶P ratios in China’s soils: a synthesis of observational data. Biogeochemistry, 2010, 98(1/3): 139-151.

[18]Wang S Q, Zhou C H, Li K R,etal. Analysis on spatial distribution characteristics of soil organic carbon reservoir in China. Acta Geographica Sinica, 2000, 55(5): 533-544.

[19]Zeng Q C, Li X, Dong Y H,etal. Ecological stoichiometry characteristics and physical-chemical properties of soils at different latitudes on the Loess Plateau. Journal of Natural Resources, 2015, 30(5): 870-879.

[20]Yang Y, Liu B R, Yang X G,etal. Soil stoichiometry characteristics of artificialCaraganakorshinskiishrubs with different density in desert steppe. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2014, 34(5): 67-73.

[21]Qing Y, Sun F D, Li Y,etal. Analysis of soil carbon, nitrogen and phosphorus in degraded alpine wetland, Zoige, southwest China. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(3): 38-47.

[22]Cleveland C C, Liptzin D. C∶N∶P stoichiometry in soil: Is there a “Redfield ratio” for the microbial biomass. Biogeochemistry, 2007, 85: 235-252.

[23]Ding F, Lian P Y, Zeng D H. Characteristics of plant leaf nitrogen and phosphorus stoichiometry in relation to soil nitrogen and phosphorus concentrations in Songnen Plain meadow. Chinese Journal of Ecology, 2011, 30(1): 77-81.

[24]Pan J, Song N P, Wu X D,etal. Effects of different planting-years of artificialCaraganaintermedia shrubs on soil organic carbon, nitrogen and phosphorus stoichiometry characteristics in desert steppe. Journal of Zhejiang University (Agriculture & Life Sciences), 2015, 41(2): 160-168.

[25]Wang J L, Zhong Z M, Wang Z H,etal. Soil C/N distribution characteristics of alpine steppe ecosystem in Qinghai-Tibetan Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 9-19.

[26]Tao Y, Zhang Y M. Leaf and soil stoichiometry of four herbs in the Gurbantunggut Desert, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(3): 659-665.

[27]Liu Z Y, Yang N. Soil ecological stoichiometry properties of different re-vegetation stages on sloping-land of purple soil. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(18): 163-167.

[28]Yang J, Xie Y Z, Wu X D,etal. Stoichiometry characteristics of plant and soil in alfalfa grassland with different growing years. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 340-345.

[29]Fan J W, Zhang L X, Zhang W Y,etal. Plant root N and P levels and their relationship to geographical and climate factors in a Chinese grassland transect. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(5): 69-76.

[30]Wang C L, Guo Q S, Tan D Y,etal.Haloxylonammodendroncommunity patterns in different habitats along southeastern edge of Zhunger Basin. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(7): 1224-1229.

[31]Wang X Q, Jiang J, Lei J Q,etal. The distribution of ephemeral vegetation on the longitudinal dune surface and its stabilization significance in the Gurbantunggut Desert. Acta Geographica Sinica, 2003, 58(4): 598-605.

[32]Neufeldt H, Da Silva J, Ayarza M A,etal. Land-use effects on phosphorus fractions in Cerrado Oxisols. Biology and Fertility of Soils, 2000, 31(1): 30-37.

[33]Chen F H, Huang W, Jin L Y,etal. Spatiotemporal precipitation variations in the arid Central Asia in the context of global warming. Science China: Earth Science, 2011, 41(11): 1647-1657.

[34]Zhang S J, Wang T M, Wang T,etal. Spatial-temporal variation of the precipitation in Xinjiang and its abrupt change in recent 50 years. Journal of Desert Research, 2010, 30(3): 668-674.

參考文獻(xiàn)：

[3]賀金生, 韓興國(guó). 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)：探索從個(gè)體到生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一化理論. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 34(1): 2-6.

[4]王紹強(qiáng), 于貴瑞. 生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(8): 3938-3949.

[5]朱秋蓮, 邢肖毅, 張宏, 等. 黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(15): 4674-4682.

[6]黃昌勇. 土壤學(xué)[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[7]王維奇, 仝川, 賈瑞霞. 不同淹水頻率下濕地土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征. 水土保持學(xué)報(bào), 2010, 24(3): 238-242.

[8]李從娟, 徐新文, 孫永強(qiáng), 等. 不同生境下三種荒漠植物葉片及土壤C、N、P的化學(xué)計(jì)量特征. 干旱區(qū)地理, 2014, 37(5): 976-984.

[9]張?jiān)? 王雪芹. 準(zhǔn)噶爾荒漠生物結(jié)皮研究[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

[11]張立運(yùn), 陳昌篤. 論古爾班通古特沙漠植物多樣性的一般特點(diǎn). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 22(11): 1923-1932.

[13]中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植被圖編輯委員會(huì). 1∶100萬(wàn)中國(guó)植被圖集[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[14]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[16]周李磊, 朱華忠, 鐘華平, 等. 新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重空間格局分析. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(1): 64-75.

[18]王紹強(qiáng), 周成虎, 李克讓, 等. 中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)及空間分布特征分析. 地理學(xué)報(bào), 2000, 55(5): 533-544.

[19]曾全超, 李鑫, 董揚(yáng)紅, 等. 陜北黃土高原土壤性質(zhì)及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量的緯度變化特征. 自然資源學(xué)報(bào), 2015, 30(5): 870-879.

[20]楊陽(yáng), 劉秉儒, 楊新國(guó), 等. 荒漠草原中不同密度人工檸條灌叢土壤化學(xué)計(jì)量特征. 水土保持通報(bào), 2014, 34(5): 67-73.

[21]青燁, 孫飛達(dá), 李勇, 等. 若爾蓋高寒退化濕地土壤碳氮磷比及相關(guān)性分析. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 38-47.

[23]丁凡, 廉培勇, 曾德慧. 松嫩平原草甸三種植物葉片N、P化學(xué)計(jì)量特征及其與土壤N、P濃度的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)雜志, 2011, 30(1): 77-81.

[24]潘軍, 宋乃平, 吳旭東, 等. 荒漠草原不同種植年限人工檸條林土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版), 2015, 41(2): 160-168.

[25]王建林, 鐘志明, 王忠紅, 等. 青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳磷比的分布特征. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(2): 9-19.

[26]陶冶, 張?jiān)? 古爾班通古特沙漠4種草本植物葉片與土壤的化學(xué)計(jì)量特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(3): 659-665.

[27]劉作云, 楊寧. 紫色土丘陵坡地不同恢復(fù)階段土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2015, 31(18): 163-167.

[28]楊菁, 謝應(yīng)忠, 吳旭東, 等. 不同種植年限人工苜蓿草地植物和土壤化學(xué)計(jì)量特征. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(2): 340-345.

[29]樊江文, 張良俠, 張文彥, 等. 中國(guó)草地樣帶植物根系N、P元素特征及其與地理氣候因子的關(guān)系. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(5): 69-76.

[30]王春玲, 郭泉水, 譚德遠(yuǎn), 等. 準(zhǔn)噶爾盆地東南緣不同生境條件下梭梭群落結(jié)構(gòu)特征研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 16(7): 1224-1229.

[31]王雪芹, 蔣進(jìn), 雷加強(qiáng), 等. 古爾班通古特沙漠短命植物分布及其沙面穩(wěn)定意義. 地理學(xué)報(bào), 2003, 58(4): 598-605.

[33]陳發(fā)虎, 黃偉, 靳立亞, 等. 全球變暖背景下中亞干旱區(qū)降水變化特征及其空間差異. 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 2011, 41(11): 1647-1657.

[34]張生軍, 王天明, 王濤, 等. 新疆近50a來(lái)降水量時(shí)空變化及其突變分析. 中國(guó)沙漠, 2010, 30(3): 668-674.

DOI：10.11686/cyxb2016009

*收稿日期：2016-01-06；改回日期：2016-03-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB954202)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471251)和新疆杰出青年人才項(xiàng)目(2013711013)資助。

作者簡(jiǎn)介：陶冶(1983-)，男，安徽宿州人，講師，博士。E-mail: xishanyeren@163.com *通信作者Corresponding author. E-mail: ymzhang@ms.xjb.ac.cn

* 1Regional-scale ecological stoichiometric characteristics and spatial distribution patterns of key elements in surface soils in the Junggar desert, China

TAO Ye1,2, LIU Yao-Bin3, WU Gan-Lin1, ZHANG Yuan-Ming2*

1.CollegeofLifeSciences,TheProvinceKeyLaboratoryoftheBiodiversityStudyandEcologyConservationinSouthwestAnhui,AnqingNormalUniversity,Anqing246133,China; 2.KeyLaboratoryofBiogeographyandBioresourceinAridLand,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 3.BureauofIndustryandInformationTechnologyofGuyuan,Guyuan756000,China

Abstract:Ecological stoichiometry focuses on the element equilibrium and coupling relations, and it has been widely used in study of plant growth, limiting element determination, and ecosystem stability, among others. Desert ecosystems are an important component of terrestrial ecosystems, and are characterized by low precipitation, poor soil development and low floral and faunal biodiversity. Study of the ecological stoichiometry of desert soils enhances understanding of the nutrient supply capability and its effect on biodiversity and ecosystem stability. In this study, surface soil samples (0-10 cm) and environmental factors (including climate and geographical factors) in 79 sites in the Junggar desert were investigated, and then the stoichiometric characteristics of soil organic carbon (C), total nitrogen (N), total phosphorus (P) contents, their distribution patterns and factors influencing them were systematically studied using one-way ANOVA, a Kriging technique and correlation analysis. Soil C, N and P contents were (5.73±0.49), (0.207±0.009) and (0.347±0.004) g/kg respectively; and the soil C∶N, C∶P, and N∶P ratios were (29.92±2.55), (15.97±1.23) and (0.498±0.024) respectively. Soil P showed the highest stability (CV=0.098), whereas C, C∶N and C∶P exhibited relatively strong variability (CV=0.687-0.758). Soil C, P, C∶N and C∶P varied among different habitats (sandy desert, Gobi desert and saline-alkali desert) and different communities (Haloxylon ammodendron, H. persicum and small shrubs). Compared with national and global averages, the soil C, N and P contents, and C∶P and N∶P ratios in the Junggar desert were lower, but the C∶N was higher. The degree of deficiency of soil nutrient elements ranked in order: N>C>P. The soil nutrients and their stoichiometric ratios typically exhibited quadratic relationships with other nutrients, and the stoichiometric ratios were dominated by C and N. At a regional scale, all stoichiometric traits displayed obvious spatial heterogeneity. Soil C, and C∶N and C∶P ratios showed similar distribution patterns and were influenced by mean annual precipitation, latitude and longitude. Soil N and N∶P ratio displayed similar distribution patterns and were influenced by longitude, elevation and mean annual temperature.

Key words:stoichiometry; soil nutrient; environmental factor; spatial distribution; Junggar desert

http://cyxb.lzu.edu.cn

陶冶, 劉耀斌, 吳甘霖, 張?jiān)? 準(zhǔn)噶爾荒漠區(qū)域尺度淺層土壤化學(xué)計(jì)量特征及其空間分布格局. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(7): 13-23.

TAO Ye, LIU Yao-Bin, WU Gan-Lin, ZHANG Yuan-Ming. Regional-scale ecological stoichiometric characteristics and spatial distribution patterns of key elements in surface soils in the Junggar desert, China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(7): 13-23.