河岸帶農田不同恢復年限對土壤碳氮磷生態化學計量特征的影響
——以溫榆河為例

郭二輝,方 曉,馬 麗,楊小燕,楊喜田

河南農業大學林學院,鄭州 450002

碳(C)、氮(N)、磷(P)等養分元素在促進生態系統的物質循環、能量流動和群落演替,對維持整個生態系統穩定性和可持續性方面具有極其重要的作用[1- 3]。土壤生態化學計量特征對于養分的可獲取性以及C、N、P等元素的生態地球化學循環平衡方面具有重要意義和指示作用[4]。土壤的C、N、P比值對于揭示生態系統結構、過程和功能的影響因素及作用機制至關重要,已經成為當前修復生態學研究的熱點和焦點之一[5]。C、N、P作為土壤養分循環與轉化的關鍵元素,調控和驅動著整個生態系統的演替過程,在植物生長進程中發揮非常重要的作用。因此,研究土壤C、N、P生態化學計量特征對于揭示土壤養分的有效性、限制性、可獲得性和養分循環等具有重要指示作用,也是反映土壤質量的靈敏指標[5- 7]。土壤的C、N、P比值受土地利用、地形地貌和管理措施等因素的影響,目前對于農田退耕的生態化學計量研究主要集中在低山丘陵區、黃土丘陵區等,而對于河岸帶區域研究則相對較少[4,8-9]。河岸帶是水陸生態過渡帶與交錯區,也是河流的重要組成部分與保護河流的自然生態屏障。河岸帶所占的景觀面積較小,但卻提供了極其重要的供應、調節、文化和支持等生態系統服務功能[2,10- 12]。河岸帶生態系統也是一個脆弱的、易受水文、人類活動等干擾而退化的生態區域,具有明顯的邊緣效應和獨特的生態過程,也被公認為全球生物地球化學循環和生態恢復的熱點區域[1,13- 15]。由于人口數量的增加和對糧食的需要,許多河岸區域都被開墾種植為農田,造成了河岸生物棲息地的喪失、水土流失的加劇、河岸生境的均一化,以及河流水體的污染等生態環境問題[16-18]。

近年來,隨著人們對生態環境保護的日益重視以及對河岸帶生態服務功能和生態價值認知能力的提升,河岸區域的許多農田逐漸被棄耕撂荒。退耕后的土壤是植被恢復和群落演替賴以生存和發展的基礎,也是維持河岸帶生態健康與可持續的重要資源。河岸帶生態系統具有不可替代的生態服務功能,深入了解河岸帶區域的土壤C、N、P生物地球化學循環過程,對認識河岸帶生態系統空間格局變化規律和C、N、P元素的循環與平衡機制,揭示養分的可獲得性、預測群落的演替趨勢和生態修復都具有重要意義,同時對于提升河岸帶生態系統在氣候變化背景下的適應能力也越來越重要。本研究以農田為對照、分別選取了撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的樣地作為研究對象,對比分析了不同撂荒年限河岸帶土壤C、N、P分布規律及生態化學計量學特征,以及河岸帶土壤C、N、P含量之間的相互關系,以期闡明河岸帶土壤生態化學計量學特征對不同撂荒年限的響應,為受損河岸帶生態系統的植被恢復和群落重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區樣品采集

溫榆河屬于海河流域的北運河水系,位于北京市北部,流經昌平、海淀、順義、朝陽和通州,全長約47.5 km,流域面積2478 km2。本試驗分別在溫榆河河岸帶,以農田為對照(control check,CK),同時選擇了撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的樣地作為研究對象,樣帶以垂直于河道設置, 每條樣帶河道到河漫灘長約 60—100 m 左右,采樣間距為10 m,每個樣地設置3個重復樣帶用于植被調查與土壤采樣。在每個樣方內用土鉆按照0—5 cm、5—10 cm 、10—20 cm、20—30 cm 進行分層采樣。試驗樣地基本情況見表1所示。

表1 試驗樣地基本情況

1.2 測定方法

圖1 河岸帶農田撂荒年限對土壤容重的影響 Fig.1 Effects of different abandoned year of farmland on the soil bulk density in riparian buffer CK：對照 Control check；不同小寫字母表示同一土層,不同撂荒年限間具有顯著性差異(P<0.05)

土樣帶回實驗室風干,以四分法取樣并過2 mm篩,移出礫石和根系,之后再過0.15 mm篩。土壤容重采用環刀法,土壤全氮(Total Nitrogen,TN)用元素分析儀測定(Vario EL III Element Analyzer),土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定,土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定。

1.3 數據處理

采用Excel 2013 和SPSS 19.0 軟件進行數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 河岸帶不同撂荒年限對土壤容重的影響

土壤容重也是反映土壤質量和植被生產力水平的重要指標。圖1表明,農田撂荒可以降低土壤的容重,改善土壤的物理結構。在0—10 m土壤,農田撂荒2年,土壤的容重沒有顯著的變化；而撂荒8年和10年后,土壤容重均有顯著的降低,分別減少了8.97%和10.90%。在10—20 cm和20—30 cm的土壤,農田撂荒2和8年,土壤的容重均有所降低,但沒有顯著的差異；而撂荒10年,土壤的容重都有顯著性的降低。在10—20 cm的土壤,農田撂荒10年后,容重降低了8.18%。在20—30 cm的土壤,農田撂荒10年后,容重降低了8.70%。

2.2 不同撂荒年限對河岸帶土壤碳、氮、磷分布特征的影響

河岸帶農田的撂荒年限顯著影響著土壤碳含量的變化。圖2表明在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm和20—30 cm各類型土壤碳含量之間均存在差異。各層土壤碳含量均呈現撂荒10年最高,撂荒10年后各土壤層次碳含量平均比撂荒8年高26.26%,比撂荒2年高99.61%,比農田高35.27%。農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤碳含量隨著土壤深度增加而顯著降低。

圖2 河岸帶不同撂荒年限的土壤碳、氮、磷含量分布特征Fig.2 The distribution of soil carbon, nitrogen and phosphorus contents in different abandoned year of farmland in the riparian buffer 不同小寫字母表示同一土層,不同撂荒年限間具有顯著性差異(P<0.05)

結果表明,隨著退耕年限的增加,河岸土壤的全氮含量整體呈現增高的趨勢,但主要表現在0—5 cm和5—10 cm土層。在0—5 cm的表層土壤, 撂荒2年后,土壤的全氮有所提高,但沒有顯著的差異；農田撂荒8和10年,土壤的全氮含量都有顯著性的增加,分別增加了67.09%和55.70%。在5—10 cm的土層,撂荒2年和8年的土壤全氮含量均沒有顯著的變化；撂荒10年的土壤全氮提高了28.21%,具有顯著的差異。撂荒10年后,各土壤層氮含量平均比撂荒8年高11.56%,比撂荒2年高33.21%,比農田高24.39%。結果也表明,農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤氮含量隨著土壤深度增加而顯著降低。

農田撂荒的初期階段如2和8年,土壤的0—5 cm和5—10 cm的土壤全磷含量有較為明顯的增加,而10—20 cm和20—30 cm土層,增加不明顯。農田撂荒10年后,土壤的全磷含量在4個土層均有較為顯著的增加,土壤磷含量最高。如0—5 cm土壤,農田撂荒2、8、10年,土壤的全磷含量分別增加了18.95%、15.79%和25.26%。在5—10 cm土壤,農田撂荒2年,土壤的全磷含量分別增加了6.52%,沒有顯著性的差異；撂荒8和10年后,土壤的全磷含量均有顯著性的增加,分布增加了13.04%和27.17%。在10—20 cm土層,撂荒10年后,土壤的全磷含量增加了17.71%。在20—30 cm土層,撂荒10年后,土壤的全磷含量增加了16.09%。農田土壤磷含量隨土壤深度加深而逐漸降低,但差異不顯著,但撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤磷含量隨著土壤深度增加而降低較為明顯。

2.3 不同恢復年限對土壤C∶N∶P的影響

河岸帶的撂荒年限顯著影響土壤C/N,C/P和N/P。圖3表明,在0—5 cm和5—10 cm,不同撂荒恢復年限的土壤C/N之間有顯著差異。在10—20 cm和20—30 cm各類型土壤C/N之間差異不明顯。其中撂荒8年的土壤C/N各土壤層次間差異較大且存在顯著差異。農田在不同土層之間的C/N基本保持恒定且各層之間差異較小,平均值為10.01；而撂荒2年和撂荒10年的C/N隨著土壤深度的增加而減小,但差異程度不明顯,變化范圍分別為5.27—8.72和9.82—12.12。

農田C/P的平均值為7.77,撂荒2年、8年和10年后,各土壤層次之間C/P差異顯著,隨著土壤深度的增加C/P逐漸降低。在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土層,土壤的C/P均有明顯的差異。土壤N/P比自農田棄耕后先降低,后隨撂荒年限的增加逐漸增加,撂荒2年<撂荒8年<撂荒10年。0—5 cm、10—20 cm和20—30 cm土壤層次,各種類型土壤N/P均存在較為顯著差異。農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤N/P隨著土壤深度的增加而降低。

圖3 河岸帶不同撂荒年限土壤對C/N、C/P、N/P的影響Fig.3 Effects of different abandoned year of farmland on t soil C/N, C/P and N/P in riparian buffer 不同小寫字母表示同一土層,不同撂荒年限間具有顯著性差異(P<0.05)

2.4 不同恢復年限對土壤的C、N、P的相關關系

由圖4可知,農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年土壤中碳、氮含量均呈現顯著的線性回歸關系。碳、磷的含量在農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年中呈現的不顯著的線性回歸關系,農田撂荒后,隨著撂荒年限的增加,線性趨勢越明顯。農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年在土壤的氮、磷含量之間存在不顯著的線性回歸關系,隨著撂荒年限的增加,線性趨勢越明顯。

圖4 河岸帶不同撂荒年限下土壤碳、氮、磷相互關系Fig.4 Relationship between soil carbon, nitrogen and phosphorus in different abandoned year of riparian farmland

3 討論

3.1 河岸帶不同撂荒年限對土壤C、N、P含量的影響

河岸帶水文環境和地形地貌復雜多變,是土壤碳、氮、磷生物地球化學循環非?；钴S的區域,也是土壤氮磷遷移循環過程中的重要源和匯景觀[18]。河岸帶農田撂荒后,群落就開始了次生演替過程,植被的恢復及其與土壤的相互作用使土壤質量得到逐步改良[19]。在撂荒演替的過程中土壤有機碳反映比較靈敏,影響著植物群落的潛在生產力,同時在調節土壤養分流向和土壤性質方面有重要作用。研究結果也發現隨著撂荒年限的增加土壤中有機碳和全氮的平均含量呈現增加趨勢：撂荒10年>撂荒8年>農田>撂荒2年。在撂荒演替的初期階段,植被的種類和蓋度也較小,土壤的同化作用較強,土壤中的有機質和氮含量被大量的消耗或流失,造成撂荒初期的碳氮含量小于農田的碳氮含量[20-21]。但到撂荒8年和10年,土壤中的碳氮含量均高于農田水平,其原因可能是隨著恢復年限的延長,植被的種類和數量提高,植物枯落物和根系也逐漸增加。河岸帶農田及不同撂荒年限的土壤有機碳和全氮隨著土壤深度的增加含量逐漸減小,呈現出表層富集現象,這可能與土壤表層枯落物、根系和土壤微生物活性較高有關,促進了土壤碳、氮的積累。趙娜等[22]在華北低丘山地的研究也表明,隨著退耕年限的增加,退耕刺槐人工林土壤養分的表層富集作用顯著,且0—5 cm土層土壤改良效果增強。李永強等[16]在內蒙古草原的研究發現,隨撂荒年限的增加,土壤全氮、全磷、堿解氮等均呈現出先降低后增加的趨勢,土壤養分相對于植被變化具有遲滯性,本研究也證明了溫榆河河岸帶農田撂荒后土壤碳氮含量具有遲滯效應。當由次生裸地到植物迅速生長發育時養分是從土壤到植物體內的轉移,土壤養分庫為流失狀態,后期隨植物種類和數量的增多,隨著根系和枯枝落葉回歸土壤,而直接參與土壤物質循環量增加,植物殘體能夠補充土壤養分的損失,土壤養分含量得到提高。張超等[23]在黃土丘陵區的研究表明,撂荒后陰坡的有機碳、全氮含量在演替前期變化較小,而后期隨撂荒年限的延長而顯著增加。

河岸帶土壤中磷含量對于撂荒年限的響應和碳和氮并不相同,撂荒10年>撂荒8年>撂荒2年>農田,自撂荒開始,土壤中磷的含量就在逐漸恢復。土壤中的P元素除了受成土母質的影響,主要來自于地上生物量的歸還,隨著退化河岸恢復時間的延長,其物種豐富度和群落結構復雜度也逐漸提高,有利于P元素的累積。在農田撂荒的初期階段如2和8年,土壤的0—5 cm和5—10 cm的土壤全磷含量有較為明顯的增加,而10—20 cm和20—30 cm土層,增加不顯著。農田撂荒10年后,土壤的全磷在4個土層均有較為顯著的增加。在陜北黃土丘陵區農田撂荒次生演替過程中,土壤的有機質、全氮、全磷都呈現先減少后增加的趨勢,但本研究的結果表明,在河岸帶農田撂荒恢復過程中,土壤的有機質、全氮有先減少后增加的趨勢,而土壤磷一直呈現增加的趨勢,這可能與土壤磷素循環與碳、氮養分元素的循環不同有關[1]。磷是一種沉積性物質,在土壤中的遷移率相對比較低,同時隨著河岸農田恢復年限的增加,大量枯枝落葉的降解對土壤全磷具有重要的影響,造成土壤磷含量的逐步提升。

3.2 河岸帶不同撂荒年限對土壤容重的影響

本研究表明,河岸農田撂荒能有效地改善土壤的結構,降低土壤的容重。隨著撂荒年限的增加,地表分布有大量的草本植物根系,土壤具有良好的通透性,土壤的結構變得疏松。土壤容重可以反應土壤孔隙率狀況,影響土壤養分的有效化和植物的生長[5]。在0—10 cm土壤,農田撂荒2年,土壤的容重沒有顯著的變化；而撂荒8年和10年后,土壤容重均有顯著的降低,分別減少了8.97%和10.90%。在10—20 cm和20—30 cm的土壤,農田撂荒2和8年,土壤的容重均有所降低,但沒有顯著的差異；而撂荒10年,土壤的容重都有顯著性的降低。在10—20 cm的土壤,農田撂荒10年后,容重降低了8.18%。在20—30 cm的土壤,農田撂荒10年后,容重降低了8.70%。這也表明,河岸農田撂荒恢復后能改善土壤容重和孔隙度狀況,從而形成團粒結構等良好土壤結構。

3.3 河岸帶不同撂荒年限的土壤C、N、P含量比值

土壤的C、N、P比受區域氣候、植被、地貌、母巖、土壤動物等成土因子及人類活動等綜合因素的影響,其空間異質性較強,是反映土壤內部碳氮磷循環及養分的限制性的重要指標[6]。C/N是土壤氮素礦化能力的標志,與土壤有機質分解速率成反比關系,C/N值越大,釋放出有效 N 量就越少[3]。河岸帶撂荒土壤中C/N的均值呈現：撂荒10年(10.69)>農田(10.01)>撂荒8年(9.59)>撂荒2年(7.02)。撂荒2年的土壤C/N均值較低,這可能與撂荒初期土壤中有機質生物礦化分解有關,河岸農田撂荒初期植被郁閉度小,植被的固碳能力還較弱,因而導致C/N的均值最低。土壤 C/P可以表征土壤有機質礦化釋放P或吸收固定P的潛力。C/P的均值呈現：撂荒10年(8.53)>農田(7.77)>撂荒8年(7.45)>撂荒2年(4.82)。土壤磷的來源主要是含磷礦石的風化及以植被凋落物的降解,其中土壤母質是影響其含量的主要因素。研究區土壤 C/P 隨恢復年限的延長呈現先降低而后增加的趨勢。

N和P是河岸帶植物生長必須的礦物質營養元素和限制性養分,其含量的高低影響植物的生長與群落的演替過程,對濕地生態系統的生產力和生態凈化功能等有重要影響,因而N/P是限制性養分判斷的重要指標之一。N/P的均值呈現：撂荒10年(0.78)>農田(0.77)>撂荒8年(0.77)>撂荒2年(0.67)。研究的結果與敦煌陽關濕地 N/P均值為0.83[24]、黃河三角洲新生濕地N/P均值為 0.77[25]等地的結果較為一致,遠低于全國 N/P的平均值8,因此N元素也是本研究區植物生長繁育的限制性營養元素。河岸帶農田棄耕后,由于河岸帶地理位置的特殊性,土壤水土流失嚴重,造成土壤中碳和氮的流失,在經過長期的自然恢復下,河岸帶土壤才逐漸具有固碳和固氮的能力。氮和磷通常是生態系統中的主要限制性元素[26-27]。河岸帶撂荒土壤C/N、C/P在垂直結構上均隨著土壤深度的增加,而顯著降低,這主要是因為土壤碳和氮主要來源于植物凋落物的降解,表層土壤碳和氮含量均明顯高于深層土壤。

3.4 不同撂荒年限對土壤C、N、P比值的相關關系

本研究結果表明,河岸帶農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤中碳、氮含量存在極顯著的耦合線性關系,與Tian等[28]在全國尺度的研究結論一致。進一步表明撂荒并沒有顯著改變土壤碳氮之間的關系,只是影響了碳氮線性的斜率和截距,這與有關研究結論相符[29-31]。由于磷元素的遷移循環機制與碳氮的不一致,碳、氮是氣體型循環,其受植物的吸收固定和枯落物養分歸還和分解的影響；而磷元素是沉積性循環,其主要受土壤母質風化的影響,其含量大小更大程度上取決于立地的地質特征,這也造成了碳磷、氮磷的相互關系在撂荒過程中也出現了較大的不確定性。

4 結論

(1)隨著河岸農田撂荒年限的增加,土壤碳和氮的含量均呈現撂荒10年>撂荒8年>農田>撂荒2年,土壤中磷含量呈現撂荒10年>撂荒8年>撂荒2年>農田。農田和各撂荒年限的土壤碳、氮、磷含量,均存在表層富集規律,但土壤碳和氮的表層富集效應比磷明顯。

(2)河岸帶土壤中C/N和C/P均呈現：撂荒10年>農田>撂荒8年>撂荒2年趨勢。河岸帶土壤中 C和N 的空間變異最大,P 空間變異較小。農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤C/N、C/P和N/P隨著土壤深度的增加而呈現降低趨勢。N/P的均值表明N是本研究區的限制性營養元素,次生演替和植被恢復過程易受到土壤N含量的限制。

(3)河岸帶農田、撂荒2年、撂荒8年和撂荒10年的土壤中碳、氮含量存在極顯著的耦合線性關系,而碳與磷、氮與磷之間的線性擬合程度相對較低。在農田撂荒演替的初期階段(2年),土壤的容重沒有顯著的變化,而隨著撂荒時間的增加(8年和10年),土壤容重均有顯著的降低。