黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林地土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

呂金林,閆美杰,宋變蘭,關(guān)晉宏,時(shí)偉宇,杜 盛,*

1 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 3 中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所, 西安 710061 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

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黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林地土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

呂金林1,4,閆美杰1,2,宋變蘭1,關(guān)晉宏1,時(shí)偉宇3,杜 盛1,2,*

1 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 3 中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所, 西安 710061 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

黃土高原中部的丘陵溝壑區(qū)位于半濕潤(rùn)、半干旱氣候帶,生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴(yán)重,植被恢復(fù)是該地區(qū)水土保持與生態(tài)重建的重要措施。遼東櫟天然次生林和刺槐人工林是該地區(qū)典型的森林植被類型。以黃土丘陵森林分布區(qū)邊緣的兩種主要森林類型為對(duì)象,通過(guò)采集林地不同深度土壤樣品,對(duì)比分析兩種林地土壤中碳、氮、磷含量的計(jì)量關(guān)系及垂直分布特征,旨在探明該區(qū)域土壤化學(xué)計(jì)量特征及主要影響因素。結(jié)果表明：(1)在兩種林地類型中,土壤有機(jī)碳與全碳含量呈正相關(guān)關(guān)系,兩種林地可用同一曲線進(jìn)行擬合,說(shuō)明特定土壤類型在同一區(qū)域其有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳相對(duì)含量基本穩(wěn)定。(2)土壤有機(jī)碳與全氮比值在10左右,在不同土層深度無(wú)明顯變化；而土壤全碳與全氮比值則隨土壤深度的增加而增加,超過(guò)1 m以后呈現(xiàn)飽和曲線的變化趨勢(shì)。(3)土壤氮磷比隨土壤深度的增加呈冪次型降低。

黃土丘陵區(qū)；土壤碳氮磷；碳氮比；氮磷比；化學(xué)計(jì)量

近年來(lái),生態(tài)系統(tǒng)中多重化學(xué)元素的平衡受到廣泛關(guān)注,以強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中主要元素相對(duì)含量及其平衡關(guān)系為主要內(nèi)容的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)迅速發(fā)展并發(fā)揮著重要作用[1- 4]。碳(C)、氮(N)、磷(P)作為結(jié)構(gòu)性元素和養(yǎng)分元素,在地球各圈層之間不斷地循環(huán)傳遞,構(gòu)成了碳、氮、磷元素的生物地球化學(xué)循環(huán),保證了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)順利進(jìn)行,對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源,土壤碳、氮、磷是主要的土壤養(yǎng)分成分。楊雪棟等[5]對(duì)內(nèi)蒙古荒漠草原帶小針茅群落的研究發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)土壤各養(yǎng)分計(jì)量比不同,隨土壤深度的變化也不一致。王維奇等[6]對(duì)不同淹水頻率下的濕地土壤的研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)近潮溝區(qū)域土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比對(duì)淹水頻率的響應(yīng)不同,且碳氮比的響應(yīng)敏感性不及氮磷比。因此,土壤碳、氮、磷的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征可能受土壤類型、群落特征和氣候環(huán)境等多種因素影響,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳匯潛力以及氣候變化的響應(yīng)機(jī)制具有重要作用。

黃土高原中部的丘陵溝壑區(qū)位于半濕潤(rùn)、半干旱氣候帶,生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴(yán)重,植被恢復(fù)是該地區(qū)水土保持與生態(tài)重建的重要措施[7]。自20世紀(jì)70年代后期以來(lái),隨著“三北”防護(hù)林建設(shè)和水土保持重點(diǎn)治理等生態(tài)工程的實(shí)施,該地區(qū)的人工林面積不斷擴(kuò)大。退耕還林還草工程和天然林保護(hù)工程實(shí)施以后,不僅人工植被覆蓋度大幅度增加,天然林草植被也得到了有效的恢復(fù),水土流失也明顯減弱,生態(tài)環(huán)境得到極大改善[8]。對(duì)天然林實(shí)施保護(hù)以促進(jìn)其恢復(fù)并營(yíng)造適宜的人工林樹種是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)林地植被恢復(fù)的主要措施。天然林中,遼東櫟天然次生林是暖溫帶主要的落葉闊葉林之一,也是黃土高原半濕潤(rùn)區(qū)森林自然演替的頂級(jí)群落[9]。在半濕潤(rùn)半干旱的黃土丘陵區(qū),植被類型介于森林向森林草原的過(guò)渡區(qū)域,遼東櫟頂級(jí)群落容易遭受間歇性干旱氣候和人為干擾的影響,受到廣泛關(guān)注。而刺槐是建國(guó)以來(lái)該區(qū)域的主要造林樹種,在大面積黃山綠化中成效顯著,特別是在水土流失區(qū)域發(fā)揮了十分有效的固土保水效果[10- 11]。遼東櫟天然次生林和刺槐人工林作為黃土丘陵區(qū)的代表性森林植被類型,對(duì)該地區(qū)的水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分和元素儲(chǔ)庫(kù),在全球氣候變化和土地利用方式變化背景下,研究和了解森林土壤中元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征,對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)森林生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)過(guò)程、反饋機(jī)制和對(duì)各種干擾的響應(yīng),及實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)管理均具有重大的理論和實(shí)踐意義[12- 14],同時(shí)能夠揭示碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)變化規(guī)律及其對(duì)全球變化的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究多集中于不同植被區(qū)、林齡、緯度和立地條件等方面的差異性[15- 18],針對(duì)黃土丘陵區(qū)主要森林植被類型的土壤碳、氮、磷含量及其分布規(guī)律的研究開展較少。此外,針對(duì)黃土高原不同植被類型的土壤環(huán)境效應(yīng),尤其是天然和人工植被類型對(duì)土壤性狀的影響,雖有不少研究,但其研究結(jié)果存在較大差異,有必要開展進(jìn)一步研究[19-26]。本研究以黃土丘陵森林分布區(qū)邊緣的兩種主要森林類型為對(duì)象,旨在探明該區(qū)域林地土壤中碳、氮、磷的垂直分布規(guī)律、化學(xué)計(jì)量關(guān)系及其與植被類型的關(guān)系,為科學(xué)評(píng)估植被恢復(fù)的生態(tài)功能和效益提供理論依據(jù),并為黃土高原區(qū)和國(guó)家范圍內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)和森林生態(tài)系統(tǒng)源匯效應(yīng)的深入研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市南郊公路山林區(qū),地理坐標(biāo)為36°25.40′N,109°31.53′E,海拔1245—1395 m。據(jù)位于試驗(yàn)地北約15 km處的延安市氣象臺(tái)資料,1988—2007的20 a間平均降雨量為498 mm,平均氣溫為10.6℃,雨季集中于7—9月份[27]。該區(qū)域?qū)儆跍貛淙~闊葉林區(qū)向溫帶草原區(qū)的過(guò)渡地帶,暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候,地貌為梁峁?fàn)铧S土丘陵溝壑區(qū),土壤類型主要為黃綿土。目前區(qū)域內(nèi)植被破壞較為嚴(yán)重,選取遼東櫟(Quercusliaotungensis)天然次生林和刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林進(jìn)行研究。遼東櫟群落遠(yuǎn)離村落,人為干擾較少,林分結(jié)構(gòu)合理,是該區(qū)典型的天然林類型,伴生樹種有山杏(Ameniacasibirica)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、水栒子(Cotoneastermultiflorus)、細(xì)裂槭(Acerstenolobum)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等；刺槐群落為該區(qū)主要人工林類型,林下灌草稀疏雜生。

1.2 樣地設(shè)置與土壤樣品采集方法

野外調(diào)查采樣于2013年8月進(jìn)行,在公路山林區(qū)選取有一定代表性的近成熟遼東櫟天然次生林群落和刺槐人工林群落,設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地各3個(gè),樣地規(guī)格為20 m×40 m,樣地間距在0.5—1.5 km。各樣地基本特征見表1。在調(diào)查樣地內(nèi)沿一個(gè)對(duì)角線確定3個(gè)土壤取樣點(diǎn),使用內(nèi)徑6 cm的土鉆,按0—10、10—20、20—30、30—50、50—100、100—150、150—200 cm 7個(gè)層次鉆取土壤樣品,將相同土層土樣等量混合作為該樣地相應(yīng)土層樣品,帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

表1 研究區(qū)樣地概況

林分密度按矯正坡度后的投影面積計(jì)算

1.3 土樣樣品處理及分析測(cè)試

新鮮土樣混合均勻后,風(fēng)干,研磨,過(guò)0.25 mm篩后,測(cè)定土壤有機(jī)碳(SOC)、全碳(STC)、全氮(N)、全磷(P)含量。有機(jī)碳的測(cè)定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法；全碳的測(cè)定采用碳氮分析儀法(Vario EL III Elementar,德國(guó))；全氮的測(cè)定采用了兩種方法,分別是碳氮分析儀法和經(jīng)硫酸-高氯酸消煮法處理后用FOSS- 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；全磷的測(cè)定采用硫酸-高氯酸消煮法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤無(wú)機(jī)碳含量(SIC)依據(jù)全碳和有機(jī)碳含量的差值算得。采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)不同數(shù)據(jù)組進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),并采用Sigmaplot 12.5對(duì)數(shù)據(jù)組之間的關(guān)系進(jìn)行擬合和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳和全碳含量的相關(guān)性及垂直變化

2.1.1 有機(jī)碳和全碳的計(jì)量特征

圖1 土壤有機(jī)碳(SOC)與全碳(STC)含量的關(guān)系Fig.1 The relationship between SOC and STC

由圖1可見,在刺槐人工林和遼東櫟天然次生林中,土壤有機(jī)碳和全碳之間存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系,且兩種林地的土壤有機(jī)碳和全碳關(guān)系可用同一曲線擬合(y=1.2153x-2.0709,R2=0.9794,P<0.0001)。在不同土層深度,雖然有機(jī)碳和全碳含量發(fā)生了變化,但是保持線性關(guān)系不變,擬合曲線在X軸的截距顯示,該類型土壤中有十分可觀的無(wú)機(jī)碳含量。

2.1.2 土壤深度和林地類型對(duì)土壤有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳相對(duì)含量的影響

由圖2可見,兩種林地中SOC/STC隨土壤深度的增加均呈下降的趨勢(shì),而SIC/STC呈升高的趨勢(shì),且SOC/STC和SIC/STC均在0—100 cm土層變化速率較大,在100—200 cm土層變化速率較小并趨于穩(wěn)定、這應(yīng)該與植物根系分布范圍有關(guān)。表層土壤受環(huán)境因子影響大,枯落物和腐殖質(zhì)層對(duì)土壤有機(jī)碳積累的影響也集中于表層土壤,因而表層土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)存較為顯著[16],而深層土壤中無(wú)機(jī)碳占較大份額。

此外,遼東櫟林的土壤SOC/STC明顯高于刺槐林,遼東櫟林各土壤深度SOC/STC值分別是刺槐林SOC/STC值的1.50、1.44、1.44、1.16、0.86、0.90、1.01倍。這與遼東櫟天然林凋落物量明顯高于刺槐人工林相吻合[28- 32]。與人工林相比,天然次生林有大量地表凋落物及細(xì)根,可向土壤中釋放大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使表層土壤蓄存較多的有機(jī)碳氮[33]。

圖2 不同林地不同土層SOC/STC、SIC/STCFig.2 SOC/STC and SIC/STC of different soil depth and different forests

2.2 兩種林地土壤氮含量及垂直分布特征

2.2.1 基于兩種測(cè)定方法的土壤全氮含量相關(guān)性分析

將凱氏定氮法和燃燒法測(cè)定得出的土壤全氮含量進(jìn)行分析可見,2種方法測(cè)定的全氮含量呈極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖3,P<0.0001),趨勢(shì)線斜率為0.8865,接近1,表明凱氏定氮法測(cè)定結(jié)果略低于燃燒法但無(wú)明顯差異。這與之前有關(guān)報(bào)道相吻合[34- 35]。

2.2.2 土壤深度和林地類型對(duì)土壤全氮含量的影響

由圖4可見,兩種林地中土壤全氮含量均隨土壤深度的增加呈降低趨勢(shì),在0—100 cm土層中下降幅度較大,在100—200 cm土層中趨于穩(wěn)定。這種變化趨勢(shì)同SOC/STC的變化趨勢(shì)相似(圖2),林地之間表層土壤中全氮含量存在差異,遼東櫟天然林高于刺槐人工林,各土壤深度遼東櫟林全氮含量分別是刺槐林的2.03、1.43、1.44、1.19、0.88、0.80、0.89倍,顯示全氮含量同有機(jī)碳含量存在關(guān)聯(lián)性,土壤表面凋落物的累積與分解是造成土壤有機(jī)碳和全氮含量差異的主要原因。

圖3 基于2種測(cè)定方法的土壤全氮含量比較Fig.3 Comparison of two methods of N content determination

圖4 不同林地不同土層土壤N%Fig.4 N% different soil depth and different forests

2.3 兩種林地土壤碳氮比及其垂直變化

土壤有機(jī)碳是土壤微生物活動(dòng)的能源,氮是構(gòu)成微生物細(xì)胞的要素。有機(jī)碳與全氮之比影響微生物的繁殖和活動(dòng),從而影響有機(jī)質(zhì)礦化分解速度[36],是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量水平的一個(gè)重要指標(biāo)[37]。由圖5可見,刺槐人工林中,不同土層深度的有機(jī)碳與全氮比值無(wú)明顯差異(P>0.05),分別為10.670,9.721,9.964,9.910,10.007,10.270,9.932,均在10左右。遼東櫟天然次生林中,0—10 cm土層的SOC/N值較高,為13.201,與該土層較高的有機(jī)碳含量一致；其他土層的SOC/N值略低,分別為10.716,10.697,9.762,9.387,10.117,10.121,但基本都在10左右。而全碳與氮的比值則隨著土壤深度的增加而增加,在0—100 cm淺層土壤中變化速率較快,而在100—200 cm深層土壤中變化緩慢,呈現(xiàn)飽和曲線的變化趨勢(shì),與土壤中無(wú)機(jī)碳的變化相關(guān)聯(lián)。

圖5 SOC/N和STC/N變化Fig.5 Variations of SOC/N and STC/N字母不同表示各土層SOC/N之間差異顯著性,相同字母表示未達(dá)到顯著水平(P<0.05)

2.4 兩種林地土壤磷含量、氮磷比及其垂直變化

由圖6、圖7可見,兩林地中土壤磷含量隨土壤深度變化幅度不大,但有一定差異(P<0.05),表層較高,隨土壤深度增加而減少。而土壤N/P值在表層較大,隨土壤深度的增加而降低,在50 cm以下逐漸趨于恒定,基本上同土壤全氮含量變化趨勢(shì)相一致。氮磷比的差異主要來(lái)自于土壤中氮含量的變化,土壤氮磷比空間格局的形成可能還與土壤本身結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和地形地貌有關(guān)[38]。

圖6 磷含量與土壤深度的關(guān)系Fig.6 Relationship between phosphorus content and soil depth字母不同表示各土層P%之間差異顯著性,相同字母表示未達(dá)到顯著水平(P<0.05)

圖7 不同林地不同土層N/P比Fig.7 N/P of different soil depth and different forests

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 土壤碳、氮、磷含量對(duì)土壤深度和林分類型的響應(yīng)

在黃土丘陵區(qū)土壤深度是決定土壤養(yǎng)分含量變化的重要因素。本研究中,土壤碳素和氮素隨著土壤深度的增加而降低,而土壤磷素變化較為穩(wěn)定,這與朱秋蓮等[39]的研究結(jié)果相一致。土壤碳素含量受土壤深度的影響較明顯,土壤表層與外界環(huán)境直接接觸,地表凋落物、動(dòng)植物殘?bào)w、植物根系以及微生物作用等對(duì)有機(jī)碳在土壤表層的積累和向下轉(zhuǎn)移起促進(jìn)作用。土壤全氮主要來(lái)源于土壤植物殘?bào)w分解與合成所形成的有機(jī)質(zhì)[40],因此土壤氮素含量的變化與有機(jī)質(zhì)變化具有一致性,也就是與土壤有機(jī)碳變化具有一致性。而土壤磷素是一種沉積性的礦物,在土壤中的遷移率很低,因此全磷的垂直變化較為穩(wěn)定[41]。

本研究中林分類型對(duì)土壤養(yǎng)分的影響并不明顯,土壤碳、氮、磷含量在兩種林地中均呈相同的變化趨勢(shì),且土壤有機(jī)碳和全碳關(guān)系可用同一曲線擬合。值得注意的是,固氮樹種刺槐在0—100 cm土層中全氮含量卻低于遼東櫟,Tateno等[42]認(rèn)為造成這種結(jié)果的原因可能是刺槐林中土壤表層的凋落物積累較少,受風(fēng)等環(huán)境因子影響而流失。

3.1.2 土壤碳氮比和氮磷比的垂直變化特征

本研究中,黃土丘陵區(qū)土壤有機(jī)碳氮比在不同土壤深度和林分類型中基本都在10左右,在中國(guó)土壤的C/N的平均值內(nèi)(中國(guó)土壤的C/N平均值在10—12[43])。雖然土壤碳、氮含量變化明顯,但碳氮比維持相對(duì)穩(wěn)定,Tian等[44]在研究全國(guó)土壤C/N時(shí)發(fā)現(xiàn),雖然碳和氮含量具有較大的空間變異性,但C/N相對(duì)穩(wěn)定,本研究結(jié)果基本符合這一規(guī)律,反映了碳、氮作為結(jié)構(gòu)性成分,緊密相關(guān),且二者的積累和消耗過(guò)程存在相對(duì)穩(wěn)定的比值[4]。而在遼東櫟天然次生林中,0—10 cm土層的C/N為13.20,可能原因是表層有機(jī)碳、氮含量高,隨土壤深度的增加,碳含量的減小幅度大于氮含量。而全碳氮比則隨著土壤深度的增加而升高,并逐漸趨于穩(wěn)定。土壤全碳是由有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳組成,隨著土壤深度的加深,有機(jī)碳所占比例逐漸下降而無(wú)機(jī)碳所占比例逐漸上升,土壤全碳含量趨于恒定,全氮含量卻逐漸下降,導(dǎo)致土壤全碳氮比值處于升高趨勢(shì)。同時(shí),有機(jī)碳含量的減少很有可能引起無(wú)機(jī)碳含量的升高,而無(wú)機(jī)碳提高無(wú)疑會(huì)在一定程度上彌補(bǔ)有機(jī)碳的減少對(duì)區(qū)域碳平衡產(chǎn)生的影響[45]。然而這方面的研究甚少,以后應(yīng)多加關(guān)注無(wú)機(jī)碳與有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系。

土壤中的N、P是植物生長(zhǎng)所必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和生態(tài)系統(tǒng)中最常見的限制性元素[46],土壤N/P可以作為養(yǎng)分限制類型的有效預(yù)測(cè)指標(biāo)[13]。但由于植物除了從土壤中吸收養(yǎng)分外,還可以從老葉凋落之前的轉(zhuǎn)移再分配以及空氣中吸收部分養(yǎng)分,這表明土壤N/P并不能很好地反映生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制狀態(tài)[47]。本研究中土壤N/P隨著土壤深度的增加呈冪次型降低,遼東櫟天然次生林和刺槐人工林中最大值分別為5.02、2.28,均低于全國(guó)土壤0—10 cm土層土壤氮磷比的平均值9.3[44],這是因?yàn)辄S土區(qū)的土壤偏堿性,全氮含量較低,而全磷含量與我國(guó)其他生態(tài)系統(tǒng)相比并不算低,氮、磷比遠(yuǎn)小于15,黃土區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分限制表現(xiàn)為以氮限制為主或氮、磷共同限制[48]。但進(jìn)一步確定遼東櫟和刺槐是受氮或者磷限制,還需要對(duì)植物的氮磷比做進(jìn)一步研究[49],以更好地管理遼東櫟天然次生林和刺槐人工林。李英[50]的研究表明土壤全氮含量與土壤深度呈指數(shù)關(guān)系,在本研究中通過(guò)擬合趨勢(shì)線發(fā)現(xiàn)兩者的指數(shù)關(guān)系達(dá)到了顯著水平,而冪關(guān)系達(dá)到了極顯著水平,因此在該研究中N/P與土壤深度呈冪關(guān)系。

3.2 結(jié)論

(1)有機(jī)碳與全碳的計(jì)量關(guān)系與土壤深度有關(guān),與同地區(qū)兩種林地類型關(guān)系不明顯。

(2)燃燒法和凱氏定氮法兩種方法測(cè)定的土壤全氮含量無(wú)明顯差異,可以相互替代。

(3)黃土丘陵區(qū)不同土壤深度的土壤有機(jī)碳氮比均在10左右,而全碳氮比隨土壤深度的增加而增加,超過(guò)1m以后呈現(xiàn)飽和曲線的變化趨勢(shì)。

(4)黃土丘陵區(qū)不同土壤深度的土壤氮磷比隨土壤深度的增加呈冪次型降低。

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Ecological stoichiometry characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in an oak forest and a black locust plantation in the Loess hilly region

Lü Jinlin1,4, YAN Meijie1,2, SONG Bianlan1, GUAN Jinhong1, SHI Weiyu3, DU Sheng1,2,*

1InstituteofSoilandWaterConservation,StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China3InstituteofEarthEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xi′an710061,China4UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Carbon, nitrogen, and phosphorus are the major plant growth elements, and are mainly absorbed by the plant from the soil. Research on the relationships among these elements is critical for understanding the mechanisms driving the status and balance of these elements in various soils of different land use types. However, to date, there have been relatively few studies on the ecological stoichiometry characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in the sub-humid and semiarid Loess hilly region, which is characterized by severe soil erosion and a fragile ecological environment. Vegetation restoration is one of the most important management approaches for controlling soil and water loss, and for improving soil quality. In the sub-humid and semiarid Loess hilly region,Quercusliaotungensis(oak), which dominates the secondary forests, andRobiniapseudoacacia(black locust) plantations are the major natural and planted vegetation types, respectively. In this study, we investigated the soil organic carbon (SOC), soil total carbon (STC), soil inorganic carbon (SIC), total nitrogen (N), and total phosphorus (P) contents throughout the soil profiles of the two forest types. In addition, the relationships among the aforementioned fractions were analyzed to reveal the ecological stoichiometry of forests in the region. Three stands were selected for each forest type, and a 20 m × 40 m representative plot was surveyed in each stand. Soil samples were collected (using a soil auger with a 6 cm internal diameter) at three points diagonally across the plot at depths of 0—10, 10—20, 20—30, 30—50, 50—100, 100—150, and 150—200 cm. The cored samples from the same depth in each plot were mixed, and all samples were then transferred to the laboratory for further analyses. Prior to the analysis, samples were air-dried, ground to powder, and passed through a 0.25-mm sieve. The SOC content was determined using the potassium dichromate-sulfuric acid oxidation method. The N and P contents were determined using the perchloric acid sulfate cooking method. A FOSS- 8400 fully automated Kjeldahl analyzer was used for N quantification. The STC and N contents were also determined using an elemental analyzer. The main results were as follows: (1) SOC and STC contents were linearly correlated (P< 0.0001), and the relationship between SOC and STC could be fitted using the same curve for the two forest types. The relative SOC and SIC contents were stable within a specific soil type from the same area, independent of forest type; (2) in general, the SOC:N ratio was approximately 10, but the STC:N ratio increased with increasing soil depth, and stabilized gradually (saturation curve); and (3) the soil N:P ratio decreased with an increase in soil depth (power law curve). These results provide basic information for the clarification of stoichiometry characteristics in relation to vegetation type and soil depth in this region.

loess hilly region; soil carbon, nitrogen and phosphorus; C∶N; N∶P; phosphorus

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05050202)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41411140035,41471440,41171419,41201258)

2016- 03- 12; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603120437

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shengdu@ms.iswc.ac.cn

呂金林,閆美杰,宋變蘭,關(guān)晉宏,時(shí)偉宇,杜盛.黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林地土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3385- 3393.

Lü J L, Yan M J, Song B L, Guan J H, Shi W Y, Du S.Ecological stoichiometry characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in an oak forest and a black locust plantation in the Loess hilly region.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3385- 3393.