退耕地植被演替過(guò)程對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響

由 政， 張 鵬， 薛 萐,3， 王國(guó)梁,3*， 姚 旭

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

黃土高原丘陵區(qū)降水稀少、氣候干旱，是我國(guó)生態(tài)脆弱區(qū)之一。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，黃土高原地區(qū)開(kāi)展了一系列退耕還林還草工程[1]。為了探究退耕地群落演替機(jī)理，開(kāi)展了大量關(guān)于群落植物組織生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征研究[2-5]，但是對(duì)土壤養(yǎng)分研究相對(duì)較少[6]。本文通過(guò)研究陜北黃土丘陵區(qū)退耕地植被演替過(guò)程和土壤養(yǎng)分的變化關(guān)系，探討植被與土壤養(yǎng)分之間的生態(tài)效應(yīng)，為恢復(fù)植被、保持土壤肥力、提高退耕還林還草工程效益提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)安塞縣和志丹縣內(nèi)沿河灣流域，地處黃土高原中部(108°38'～110°29' E， 36°21'～37°19' N)，海拔1 068～1 309 m，年均日照時(shí)數(shù)2 300～2 570 h，屬暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均溫度為9.2°C，平均無(wú)霜期142天，年平均降雨量500 mm。

1.2 研究方法

本文主要通過(guò)空間代替時(shí)間的方法來(lái)研究植被演替過(guò)程與相應(yīng)的土壤養(yǎng)分變化。在查閱資料或調(diào)查農(nóng)戶的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)植被自然恢復(fù)的群落類(lèi)型及數(shù)量分布，選取的恢復(fù)時(shí)間序列大體為：坡耕地、退耕2年、5年、7年、10年、15年、20年、30年、35年以及50年草地。每個(gè)時(shí)間段選擇3個(gè)樣地，每個(gè)樣地隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的樣方。調(diào)查每個(gè)樣方的植物種類(lèi)，及其高度、蓋度、頻度、生物量、物候期，樣地描述包括地理位置、海拔、坡度、坡位、地形、土壤類(lèi)型等。用內(nèi)徑3.5 cm的土鉆分層采集土壤樣品，取樣深度分0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm共5層；每個(gè)樣方隨機(jī)選取3點(diǎn)，分層混合。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后去除植物殘?bào)w、根系和可見(jiàn)的土壤動(dòng)物，自然風(fēng)干，研磨過(guò)100目篩后測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量，結(jié)果均以干重計(jì)。

1.3 物種多樣性計(jì)算

選取Margalef豐富度指數(shù)(Ma)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)衡量植物群落物種多樣性特征和Pielou均勻度指數(shù)(Jsw)衡量植物群落物種的分布均勻程度。不同撂荒階段群落的多樣性指數(shù)按對(duì)應(yīng)樣地內(nèi)各樣方的多樣性指數(shù)平均值計(jì)。其中：

Ma=(s-1)/lnN

Jsw=(-∑PilnPi)/lnS

式中Pi為種i的相對(duì)重要值；S為樣方內(nèi)的物種數(shù)目；N為樣方內(nèi)所有物種的個(gè)體總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 19.0對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)并用Excel 2013進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 退耕地植被演替過(guò)程中群落特征變化

表1表明，Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度在退耕2～5年時(shí)變化平穩(wěn)，在7年后左右增加顯著，并在15年左右到達(dá)峰值，而后呈下降趨勢(shì)，至30年后趨于穩(wěn)定。生物量隨演替階段先降低后升高，退耕7年時(shí)最低，在30年后趨于穩(wěn)定。

表1 黃土丘陵區(qū)不同退耕年限群落物種多樣性指數(shù)Table 1 Species diversity index of plant community at different succession stages of abandoned croplands in loess hilly region

2.2 退耕地植被演替過(guò)程中土壤化學(xué)計(jì)量特征的變化

隨著退耕年限的增加，土壤各層有機(jī)碳、全氮以及全磷表現(xiàn)出不同的規(guī)律(圖1)。在整個(gè)退耕地土壤演變過(guò)程中，有機(jī)碳含量在退耕2年和7年時(shí)最低，50年最高，從棄耕2年到10年的過(guò)程中，土壤各層有機(jī)碳含量變化不明顯，10年后開(kāi)始增長(zhǎng)。總體來(lái)看，各層土壤有機(jī)碳都隨退耕年限的增加呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。

土壤全氮的變化趨勢(shì)與有機(jī)碳相對(duì)一致，隨著退耕時(shí)間的增加，土壤各層全氮含量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在15年之前，各層土壤全氮含量變化平緩，之后增加明顯。

隨著退耕過(guò)程的進(jìn)行，各層土壤全磷含量變化較小，整體上表現(xiàn)出先下降后增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，在7-10年間出現(xiàn)最低值。

圖1 不同撂荒年限下土壤各層養(yǎng)分變化
Fig.1 The changes of nutrients in different soil layers on abandoned times

圖2表明，不同退耕年限各層土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比變化規(guī)律有所差異。土壤撂荒過(guò)程中不同深度土壤的碳氮比、碳磷比和氮磷比呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。土壤碳氮比在不同撂荒年限波動(dòng)明顯，各層之間差別并不明顯。碳磷比和氮磷比的變化規(guī)律與土壤有機(jī)碳和全氮相似；隨深度的增加而降低。0～100 cm土壤的碳氮比、碳磷比和氮磷比呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，其中撂荒35 a的土壤碳磷比和氮磷比顯著高于之前所有年限，而低于50 a時(shí)期。

2.3 撂荒階段植被多樣性指標(biāo)與土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量的相關(guān)性分析

對(duì)植被多樣性指標(biāo)與土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)僅地上生物量與磷含量顯著相關(guān)，其他指標(biāo)之間相關(guān)性不顯著(表3)。

圖2 不同退耕年限各層土壤化學(xué)計(jì)量變化特征
Fig.2 Variation characteristics of stoichiometry in different soil layers on abandoned times

表3撂荒階段植被多樣性指標(biāo)與土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性
Table 3 The correlation between vegetation diversity index and soil nutrient and stoichiometry at different succession stages in loess hilly region

多樣性指標(biāo)Diversity index有機(jī)碳Organic carbon全氮Total nitrogen全磷Total phosphorus碳氮比C/N ratio碳磷比C/P ratio氮磷比N/P ratioMa-0.147-0.203-0.2550.173-0.092-0.091H-0.204-0.217-0.2940.034-0.143-0.096Jsw-0.249-0.198-0.376-0.103-0.171-0.046生物量Biomass0.5500.4260.705*0.5040.4270.174

注： * 表示顯著相關(guān)(P<0.05)

Note: * indicates significant correlation at the 0.05 level

3 討論與結(jié)論

黃土退耕地演替依次經(jīng)歷了先鋒植物茵陳蒿、阿爾泰狗娃花，中期的鐵桿蒿群落和后期地帶性植被白羊草群落。地上生物量在演替7年左右最低，而后增長(zhǎng)至穩(wěn)定。群落多樣性指數(shù)在演替15年時(shí)到達(dá)峰值，而后降低至穩(wěn)定。退耕初期土壤肥力能夠滿足先鋒植物生長(zhǎng)需要，傳播能力強(qiáng)的雜草迅速占據(jù)整個(gè)群落，植物之間競(jìng)爭(zhēng)較小，生長(zhǎng)旺盛，生物量較高。之后植被向一年生草本演替，雜草陸續(xù)失去優(yōu)勢(shì)地位，群落的物種分布散亂，因此2年與5年的生物多樣性指標(biāo)差別不大。演替5年后一年生草本群落形成，同時(shí)多年生草本物種數(shù)開(kāi)始增加，物種多樣性指數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，此階段植被生物量較低。在演替15年時(shí)物種豐富，物種多樣性指數(shù)達(dá)到峰值。隨著演替進(jìn)行，物種間的競(jìng)爭(zhēng)使一些物種退出群落，優(yōu)勢(shì)種少且集中，之后各項(xiàng)多樣性指數(shù)逐漸降低并在退耕30年后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

隨著演替年限的增加，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、碳氮比、碳磷比及氮磷比均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；在垂直剖面上，土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比及碳磷比隨土壤深度的增加而減小。隨著演替的進(jìn)行，土壤表層有機(jī)碳與全氮含量變化較為明顯，這與郝文芳[7]的研究結(jié)果一致。土壤養(yǎng)分除受土壤母質(zhì)的影響外，還受枯落物的分解以及植物吸收利用的影響，導(dǎo)致養(yǎng)分首先在土壤表層密集，然后再隨水或者其他介質(zhì)向下層遷移擴(kuò)散，同時(shí)研究區(qū)域內(nèi)植被類(lèi)型為草地，深層土壤根系難以企及，因而存在著空間變異性。磷主要受土壤母質(zhì)的影響，變異性并不像土壤碳、氮明顯，但是土壤磷素變化還受植物吸收以及微生物固定等影響，同時(shí)本研究中，淺層土壤全磷隨退耕年限的增長(zhǎng)速度高于深層，這在一定程度反映了土壤磷元素表層富集的特點(diǎn)。

與土壤有機(jī)碳和全氮相比，土壤碳氮比相對(duì)穩(wěn)定，這驗(yàn)證了不同生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果，同時(shí)也符合化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本原則，即有機(jī)物質(zhì)的形成需要一定數(shù)量的氮和其他營(yíng)養(yǎng)成分與其相應(yīng)的相對(duì)固定比率的碳。在本研究中，不同土層碳氮比差異較小，這與王維奇[8]和朱秋蓮[9]等的研究結(jié)果相一致，主要是因?yàn)樘嫉貙?duì)環(huán)境變化的響應(yīng)較為同步，同時(shí)作為結(jié)構(gòu)性成分，其積累和消耗過(guò)程存在相對(duì)固定的比值。不同土層間的碳磷比和氮磷比差異顯著，這是因?yàn)橥寥乐腥缀肯鄬?duì)穩(wěn)定，碳磷比和氮磷比主要受土壤有機(jī)碳或者全氮含量的影響，因而呈現(xiàn)較大的差異性。

隨著演替進(jìn)行,植被多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分之間相關(guān)性較弱，原因可能是植被類(lèi)型仍為草地，土壤碳、氮等養(yǎng)分含量隨著植被條件的改善逐漸增加，而群落特征經(jīng)過(guò)峰值后趨于穩(wěn)定，植被演替仍緩慢進(jìn)行中，故其相關(guān)性并不明顯。這也說(shuō)明土壤養(yǎng)分條件及其化學(xué)計(jì)量比和植被恢復(fù)演替的關(guān)系較為復(fù)雜，仍需進(jìn)一步研究。