三峽庫區不同植被對土壤碳氮磷生態化學計量學特征的影響

摘要：土壤碳氮磷生態化學計量特征是陸地生態系統生物地球化學循環偶聯的關鍵指標之一。以湖北宜昌點軍區3種植被類型（柏樹地、橘樹地、菜地）的土壤作為研究對象，對土壤碳氮磷及其生態化學計量學進行了研究，探討不同植被覆蓋對土壤碳氮磷之間的關系與影響。結果表明，不同植被覆蓋顯著改變土壤碳氮磷含量，柏樹地的土壤有機碳和全氮的含量顯著大于柑橘地和菜地，而菜地和柑橘地土壤有機碳和全氮含量之間無顯著差異，菜地的全磷含量最大，其次是橘樹地，柏樹地最小。3種植被覆蓋的土壤碳氮比之間無顯著差異，但是柏樹地的土壤碳磷比最大，其次是橘樹地，菜地的最小；土壤氮磷比是柏樹地顯著大于橘樹地和菜地，而菜地和橘樹地之間無顯著差異。表明三峽庫區土壤碳氮偶聯反應，而氮磷之間以及碳磷之間并未發生偶聯反應。相關性分析的結果表明，土壤碳磷比是柏樹地>橘樹地>菜地。碳磷比、氮磷比與有機碳之間的相關性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到碳的影響。

關鍵詞：不同植被；碳氮比；碳磷比；氮磷比；生態化學計量學特征

中圖分類號：S153.6+1；Q948 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3566-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.009

Abstract： Soil carbon （C），nitrogen （N） and phosphorus （P） stoichiometry is a critical indicator of biogeochemical coupling in terrestrial ecosystem. Taking 3 vegetation types（cypress，tangerine trees and vegetable） soil in Dianjun Yichang command of Hubei province as the research object，soil carbon，nitrogen and phosphorus and its ecological chemometrics were studied，and the relationship and influence of different vegetation on soil carbon，nitrogen and phosphorus were discussed. The results showed that although the contents soil organic C（OC） and total nitrogen（TN） of cypress site was significantly higher than those of vegetable site and citrus tree site，which were not significant difference，total phosphorus（TP） followed the order：Vegetable site>citrus tree site> cypress site. Although soil C/N had no significant diffence among three vegetation cover，C/P followed as cypress site>citrus tree site>vegetable site，the trend of N/P was similar to OC and TN. It was suggested that soil C and N remained coupled whereas C and P，N and P become decoupled. The correlation analysis showed the relationship between soil C/P，N/P and OC was higher than those between soil C/P，N/P and TN，TP，indicating that C/P and N/P were mainly affected by soil organic carbon.

Key words： different vegetation； C/N； C/P； N/P； stoichiometry

土壤碳氮磷是地球化學養分循環的核心，驅動著土壤內其他養分元素的循環和轉化，在元素平衡中發揮著重要的作用[1，2]。同時土壤碳氮磷又是目前全球變化中碳循環和生物地球化學循環的研究熱點[3]。有研究表明土壤碳氮磷相互之間緊密聯系[4]，土壤碳氮磷的生態化學計量學能夠反映土壤內部碳氮磷循環，因而在生物地球化學循環偶聯中具有重要的生態指示作用[5-7]。目前，雖然有大量的研究報道了黃土高原不同植被區土壤[8]、桂西北不同森林類型土壤[9]、祁連山北坡亞高山草地退耕還林草混合植被對土壤碳氮磷的影響[2]等的生態化學計量學特征，但是很少有研究報道三峽庫區不同植被對土壤碳氮磷生態化學計量學特征的影響。

三峽庫區由于復雜的地形條件和自然地質條件，加之人類不合理的土地利用，水土侵蝕嚴重，導致土壤退化，土壤碳氮磷含量及其土壤碳氮磷生態化學計量學特征發生變化。而植被的存在能夠截獲和儲藏水分[10]，通過凋落物歸還土壤營養物質，所以植被覆蓋是決定水土流失和改善土壤質量最為重要的因素。然而不同的植被覆蓋對土壤質量影響不同。這是由于不同植被的凋落物的質和量、根的分泌物以及營養吸收不同，影響土壤微生物群落的活性，進而影響土壤碳氮磷的循環[11]。本研究選擇三峽庫區的3種植被類型（柏樹地、橘樹地和菜地）作為研究對象，研究其土壤全量養分和生態化學計量學特征，為三峽庫區的植被恢復提供一定的理論依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于三峽庫區宜昌市點軍區退耕還林區內。采集點為同一座山，山頂為次生柏樹林，山麓為橘樹林，山下平地為菜地。該區位于東經110°15′-112°04′、北緯29°56′-31°34′之間，年平均降水量992.1～1 404.1 mm。雨水充沛，雨季多發生在6～7月，雨熱同季，全年積溫較高，無霜期較長，年平均氣溫13.1～18.0 ℃。

1.2 方法

選擇柏樹地、橘樹地和菜地的土壤作為研究對象。分別在每個樣地選取3個樣方，柏樹地和橘樹地的樣方為10 m×10 m，菜地的樣方為1 m×1 m。在每個樣地的樣方內用土鉆隨機取0～10 cm土層的土樣，按“S”形布設取樣點5個，混合為一個樣，撿去枯枝落葉，自然風干，用于土壤有機碳、全氮和全磷的測定。

土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法測定，土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，土壤全磷采用HClO4-H2SO4法測定。

試驗數據的處理比較用Turkey’s-b單因素方差分析，相關性分析用SPSS11.5軟件進行Pearson分析。

2 結果與分析

2.1 土壤碳氮磷含量特征

不同植被覆蓋的土壤碳氮磷含量如圖1所示。柏樹地的土壤有機碳和全氮含量均顯著高于橘樹地和菜地，菜地與橘樹地無顯著差異。菜地的土壤全磷含量最高，其次是橘樹地，柏樹地最低。這是因為柏樹地從無耕犁過，物種多樣性和豐富度較高，大量的凋落物進入土壤中，而在菜地和橘樹地，有機殘體的減少如地上植物或者菜地的地下根系每年都被收獲等，導致有機碳和全氮含量相對較低[12]。柏樹地位于坡頂，土壤中的磷隨著雨水徑流沖刷到坡地，且柏樹地從未施用磷肥，所以全磷含量最低；橘樹地雖然也施用磷肥，但是橘樹地位于坡中，雨水的徑流也會沖刷磷，降低其全磷含量；菜地在平地，農民為了提高其產量，長期以來施用磷肥，所以磷肥含量最高。全磷含量的大小順序為：菜地>橘樹地>柏樹地，磷成為柏樹生長發育和重要生態過程的限制因子。

2.2 土壤碳氮磷生態化學計量特征

土壤碳氮磷的生態化學計量比是評價土壤養分狀況和質量的一個重要指標[9]。Cleveland等[13]綜述了全世界48篇文獻的186個表土的觀測數據。結果表明，不同植被間土壤碳氮磷比存在差異，但是在大多數情況下，其相似性比差異性更顯著，土壤碳氮磷比值有顯著的穩定性，三者的比值為186∶13∶1。本研究中，土壤碳氮比（C/N）為6.45～7.18（圖2），表明三峽庫區不同植被的土壤碳氮比低于中國土壤碳氮比的平均值范圍（10～12）[14]，土壤礦化作用較強。雖然土壤碳氮含量在不同植被覆蓋下有差異，但是土壤碳氮比卻無顯著差異，這意味著三峽庫區土壤碳氮比存在相對的一致性，不受植被變化的影響。此研究結果與Tian等[5]、Cleveland等[13]和王維奇等[15]的研究結果一致，不同生態系統土壤碳氮比具有內穩態特征，這主要是由于碳氮元素之間具有極顯著的正相關性（表1），而且對環境變化的響應幾乎是同步的[13]。同時由于碳氮是細胞的結構性成分，積累和消耗過程存在相對固定的比值[16]。

土壤氮磷比（N/P）為2.09～4.82（圖2），小于Tian等[5]的氮磷比5和Cleveland等[13]的碳磷比13.1。這說明三峽庫區土壤仍然受到氮素的限制。且本研究中，柏樹地土壤氮磷比顯著高于菜地和橘樹地，橘樹地與菜地無顯著差異。此結果一方面說明橘樹地和菜地比柏樹地土壤更易受到氮的限制，另一方面說明土壤氮磷比的空間異質性，這與Tian等[5]的研究結果一致。

土壤碳磷比（C/P）為13.49～33.19（圖2），小于Tian等[5]的中國土壤碳磷比的平均值105和Cleveland等[13]全球的碳磷比186，表明三峽庫區土壤微生物有機磷存在凈礦化現象。本研究中柏樹地土壤碳磷比（C/P）最高，其次是橘樹地，菜地最低。碳氮磷比是土壤有機質或其他成分中碳氮磷總質量的比值，是衡量土壤有機質組成和營養平衡的重要指標[17]。本研究結果表明，C/P可能比C/N和N/P與不同植被覆蓋具有更高的同步性。C/P比C/N和N/P對植被變化可能具有更優的生態指示功能。

2.3 土壤養分與生態化學計量比的相關性分析

由表1可知，土壤有機碳與全氮有極顯著的正相關，表現出一致的變化規律；土壤有機碳、全氮與全磷無顯著的相關性，意味著全磷并未與有機碳及其全氮有一致的變化規律。土壤有機碳、全氮含量與碳磷比及其氮磷比有極顯著的正相關；全磷含量與碳磷比及氮磷比有顯著或極顯著的負相關。土壤碳磷比、氮磷比與有機碳的相關性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到有機碳的影響。

3 小結與討論

柏樹地由于受外界擾動少，凋落物歸還量大于橘樹地和菜地，導致其土壤有機碳、全氮含量大于橘樹地和菜地，但全磷含量顯著小于橘樹地和菜地，這是由于柏樹地從未施肥，又處于坡頂，雨水的徑流沖刷降低了土壤全磷的含量。橘樹地與菜地的土壤有機碳和全氮含量無顯著性差異，但菜地土壤全磷含量顯著大于橘樹地。3種植被的土壤碳氮比之間無顯著差異，這可能意味著土壤碳氮比不受植被變化的影響，具有內穩態特征；氮磷比的變化趨勢與有機碳和全氮含量一致，而土壤碳磷比是柏樹地>橘樹地>菜地。碳磷比、氮磷比與有機碳的相關性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受碳的影響。

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