新疆伊犁不同林齡野蘋果林土壤碳、氮、磷生態化學計量特性

達清珍, 崔東, 張雨露, 趙陽, 尼加提·卡斯木, 劉淑琪

新疆伊犁不同林齡野蘋果林土壤碳、氮、磷生態化學計量特性

達清珍1,2, 崔東1,2,*, 張雨露1,2, 趙陽1,2, 尼加提·卡斯木1,2, 劉淑琪1,2

1. 伊犁師范大學生物與地理科學學院, 資源與生態研究所, 伊寧 835000 2. 伊犁師范大學化學與環境科學學院, 伊寧 835000

研究新疆伊犁不同林齡野蘋果林下的土壤碳、氮、磷含量變化特征及生態化學計量學特征變化規律, 闡述不同林齡、不同土層野蘋果林地土壤生態化學計量特征, 為伊犁野果林資源保護提供理論依據。在伊犁鞏留野蘋果林內選取土母巖、海拔、立地條件較為一致的野蘋果幼齡林(10 a)、中齡林(23 a)、成熟林(33 a), 每個林齡林中分別設置三個20 m × 20 m采樣點樣方, 按0—15 cm, 15—30 cm, 30—45 cm, 45—60 cm土層深度取樣, 測定土壤SOC、TN和TP含量, 選用單因素方差分析Duncan來進行顯著性檢驗。分析表明, 土壤SOC、TN含量隨土層深度的增加趨于下降, 而TP含量在土層間無顯著變化; SOC、TN含量隨林齡先上升后下降, TP含量逐漸上升。3個林齡野蘋果林0—60 cm土層土壤C: N為5.24—13.11、C: P為15.03—98.44、N: P為2.69—9.96。由冗余分析(RDA)可知, 伊犁河谷不同林齡野蘋果林下土壤有機碳對化學計量比的影響最大, 全氮對化學計量比的影響最小。

野蘋果林; 林齡; 生態化學計量

0 前言

生態系統元素平衡是當今全球變化生態學和生物地球化學循環研究的熱點和核心[1]。生態化學計量學的基本理論層面包含有化學、物理學和生物學理論, 研究環境生態系統中各物質能量間的平衡關系及各組分的組成元素, 主要是碳、氮、磷元素的平衡關系[2]。目前, 化學計量學的研究對象大多是水生生態系統, 然而對繁雜的陸地生態系統的研究還一知半解。與水生生態系統相比較, 陸地生態系統更為復雜, 開展研究更為困難。森林生態系統是陸地生態系統中非常重要組成部分, 研究森林生態系統的土壤化學計量特征對森林生態系統保護與可持續發展具有重大意義[3]。近年來, 國內外學者對陸地生態系統展開大量研究, 其研究主要集中于森林生態系統等, 其中對森林生態系統元素的平衡關系和預測養分速率的探討, 一般根據對各植物、凋落物及土壤中C、N、P元素組成比的研究[3]。現階段, 國內對生態化學計量學方面的研究較為廣泛, 在植物、種群、群落、元素、生態系統等方面均取得了有效成果[4]。但目前生態化學計量學方面的野果林下土壤營養物質生態化學計量學的研究較少[3], 然而在陸地生態系統中土壤是必不可少的單元, 對植物的生長過程有著重要作用, 在植物的群落組成、結構等方面有著直接的影響[4]。

伊犁地區的野果林樹種中包括有薔薇科核果類植物、胡桃科植物。現今, 野果林在全球范圍內較稀缺, 野生薔薇科核果類植物、胡桃科植物更為全國罕見, 因此新疆地區野果林極為珍視[5]。而今, 針對野果林群落, 對群落生態、保育生物及病蟲害等問題進行研究, 闡明了野果林林地土壤形成的一系列前提條件及過程, 闡述了土壤的分類體系[6–7], 但對土壤營養物質的生態化學計量特征的研究較為缺乏, 然而土壤C、N、P及其化學計量比對植物群落有著較大影響, 不同土層C、N、P含量及化學計量比有所不同, 由于枯枝落葉、動物殘體及糞便分解及土壤母質分化等在不同土層中存在差異[8–11]。此外, 大量實驗發現, 不同年際間生長階段的植物化學計量特征會隨時間變化而變化[12], 從而影響土壤養分化學計量特征。任璐璐等[13]陜北黃土高原刺槐人工林的研究結果表明, 隨著林齡的增加, 土壤化學計量比C:N、C:P、N:P和C:N:P呈現出先減后增的趨勢。這與張繼輝等[14]人研究柚木人工林發現, 林齡對土壤理化性質和C:N均有顯著的影響, C:N、C:P隨林齡的增加而增加。近幾十年, 由于人類活動、經濟發展等因素對野果林及其土壤的影響, 加之多數人類缺乏生態環境資源保護意識, 致使野果林林地面積減少、種群群落退化嚴重[15]。本文選擇新疆伊犁不同林齡野蘋果林為研究對象, 研究不同林齡、不同土層的野蘋果林土壤碳、氮、磷及其比例的變化情況, 揭示新疆森林生態系統下不同林齡下的生態化學計量特征, 為保護野果林資源提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區屬于中亞天山野果林的重要組成部分, 位于新疆西北部伊犁州鞏留縣和新源縣, 介于東經82°42′—87°40′、北緯43°09′—43°48′之間, 屬北溫帶大陸性半干旱氣候。年日照時間2500 h, 年均氣溫8.4 ℃, 年均最低氣溫–7.4 ℃, >10 ℃的年積溫層3000 ℃, 一年中無霜期約為130 d, 積雪期約為150 d, 海拔800—1600 m間存有“逆溫層”[13–14]。該地區年降雨量220—280 mm, 年空氣相對濕度約45%。有山地、平原兩種地貌, 海拔為1300— 1500 m。土壤類型黑棕色野果林土類, 腐殖質層非常發達, 其中, 野蘋果林土壤、野核桃林土壤多為黃土或黃土木質, 土地肥沃; 天山櫻桃林、野杏林的土壤多為沖擊母質, 土層較薄, 肥力較低[15]。

1.2 樣地設置

2019年7月, 采用野外樣地實驗法對伊犁河谷鞏留縣、新源縣的野蘋果林群落(82°42′—87°40′E、43°09′—43°48′N, 海拔1300—1500 m)進行調查研究。野果林群落的林齡是林分的年齡, 根據樹種的生長速度和壽命劃分為幼齡林、中齡林、成熟林。本研究選取海拔、立地條件較為一致的野蘋果幼齡林(10 a)、中齡林(23 a)、成熟林(33 a)三個不同齡林下的土壤,每個林齡分別設置三個面積為20 m × 20 m的典型樣地。3種林齡野蘋果林樣地的基本特征見表1。

1.3 樣品采集與處理

分別在每個樣地四角及對角線交叉處設置1 m × 1 m的小樣方。按0—15 cm, 15—30 cm, 30—45 cm, 45—60 cm土層進行采樣,將各樣地相同土層的土樣先去除雜質然后混合, 土壤樣本根據四分法各取0.5 kg。帶至實驗室烘干,選用對角線法取土樣(150—200 g), 然后研磨, 接著過篩(0.1 mm)備用。采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定SOC、采用凱氏定氮法測定TN、采用鉬銻抗比色法測定TP[16-19]。

1.4 數據處理

選用SPSS 20.0軟件和CANODO 5.0軟件, 利用單因素方差分析One-way ANOVA、雙因素方差分析Two-way ANOVA分析比較不同林齡、不同土層野蘋果林地土壤生態化學計量特征, 利用RDA排序進行相關性分析; 利用Microsoft Excel 2010進行數據統計分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同林齡野蘋果林土壤C、N、P含量變化

由表2可知, 幼齡林、中齡林、成熟林林分中各土層土壤SOC含量隨土層深度的增加趨于下降。同一林齡不同土層, 10 a生的幼齡林林分土壤有機碳含量表現為0—15 cm土層顯著高于15—30 cm土層, 15—30 cm土層顯著高于30—45 cm土層, 30—45 cm土層顯著高于45—60 cm土層; 23 a生的中齡林和33 a生的成熟林林分土壤有機碳含量均表現為 0—15cm土層顯著高于15—30 cm、30—45 cm土層, 45—60 cm土層顯著低于15—30 cm、30—45 cm土層。23 a生的中齡林林分土壤在各個土層中SOC的含量較10 a生的幼齡林和33 a生的成熟林林分土壤在各個土層中SOC的含量高, 在各個土層中的含量依次為166.03 g·kg-1、108.24 g·kg-1、97.53 g·kg-1、45.13 g·kg-1。0—60 cm不同林齡土層土壤SOC含量由高到低依次為為: 中齡林(23 a)、成熟齡(33 a)、幼齡林(10 a)。同一土層不同林齡, 0—60 cm土層土壤有機碳含量均表現為23 a生的中齡林林分顯著高于33 a生的成熟林林分, 10 a生的幼齡林林分顯著低于33 a生的成熟林林分。

表1 不同林齡野蘋果林基本特征

由表2可知, 幼齡林、中齡林、成熟林林分各土層土壤TN含量隨土層深度的增加趨于下降。同一林齡不同土層中, TN含量存在顯著差異, 其中0—15 cm土層中TN含量最高; 33 a生的成熟林林分土壤TN含量0—45 cm中各土層差異不顯著。23 a生的中齡林林分土壤在各個土層中TN含量較10 a生的幼齡林和33 a生的成熟林林分土壤在各個土層中TN的含量高。0—60 cm不同林齡土層土壤TN含量由高到低依次為: 中齡林(23 a)、成熟林(33 a)、幼齡林(10 a)。同一土層不同林齡, 0—15 cm、15—30 cm土層土壤全氮含量均表現為23 a生的中齡林林分顯著高于10 a生的幼齡林和33 a生的成熟林林分; 30—45 cm、45—60 cm土層土壤全氮含量均表現為23 a生的中齡林林分顯著高于33 a生的成熟林林分, 10 a生的幼齡林林分顯著低于33 a生的成熟林林分。

由表2可知, 幼齡林、中齡林、成熟林林分各土層土壤TP含量隨土層深度的增加逐漸上升后又趨于下降, 其中, 同一林齡30—45 cm土層土壤TP含量最高, 但同一林齡0—60 cm不同土層土壤TP含量差異均不顯著。33 a生的成熟林林分土壤在各個土層中TP含量較23 a生的中齡林和10 a生的幼齡林林分土壤在各個土層中TP的含量高。0—60 cm不同林齡土層土壤TP含量由高到低依次為: 成熟林(33 a)、中齡林(23 a)、幼齡林(10 a)。同一土層不同林齡, 0—60 cm土層土壤全磷含量均表現為33 a生的成熟林林分顯著高于23 a生的中齡林林分, 23 a生的中齡林林分顯著高于10 a生的幼齡林林分。

表2 3個林齡野蘋果林各土層土壤有機碳、全氮和全磷含量 (g·kg-1)

注: 相同元素同一行中不同小寫字母代表該元素在不同土層中差異顯著(<0.05), 相同元素同一列中不同大寫字母代表該元素在不同林齡間差異顯著(<0.05)。

2.2 不同林齡野蘋果林土壤C、N、P的化學計量特征

由圖1可知, 3個林齡野蘋果林0—60 cm土層土壤C: N為5.24—13.11, 10 a生的幼齡林林分土壤碳氮比隨土層深度增加先下降后上升, 23 a生的中齡林和33 a生的成熟林林分土壤碳氮比隨土層增加而逐漸下降。由單因素方差分析可得, 幼齡林在0—15 cm土層的土壤C: N顯著高于15—30 cm、45—60 cm土層, 中齡林和成熟林均表現為在0—60 cm各個土層中土壤C: N存在顯著性差異。0—45 cm各個土層中均表現為33 a生的成熟林土層土壤C: N高于23 a生的中齡林, 高于10 a生的幼齡林; 45—60 cm土層中表現為10 a生的幼齡林最高, 33 a生的成熟林次之, 23 a生的中齡林最低。0—45 cm各個土層中成熟林林分土壤C: N顯著高于中齡林, 中齡林林分土壤C: N顯著高于幼齡林; 45—60 cm幼齡林土層土壤C: N顯著高于中齡林和成熟林, 后兩者C: N無顯著性差異。

由圖1可知, 3個林齡野蘋果林0—60 cm土層土壤碳磷比(C: P)為15.03—98.44, C: P隨土層深度增加而下降。經單因素方差分析得出, 相同林齡下的土層土壤C: P在不同土層均存在顯著性差異, 表現為0—15 cm土層土壤C: P最高, 45—60 cm土層土壤C: P最低。在同一土層, 0—15 cm、45—60 cm土層中23 a生的中齡林林分土壤C: P顯著高于10 a生的幼齡林林分土壤, 10 a生的幼齡林林分土壤C: P顯著高于33 a生的成熟林林分土壤; 15—30 cm表現為23 a生的中齡林土層土壤C: P顯著高于10 a生的幼齡林和33 a生的成熟林林分土層土壤, 后兩者無顯著性差異; 30—45 cm土層土壤C: P表現為23 a生中齡林顯著高于33 a生成熟林, 成熟林顯著高于10 a生幼齡林。

由圖1可知, 3個林齡野蘋果林0—60 cm土層土壤N: P為2.69—9.96, 氮磷比隨土層深度增加而下降。經單因素方差分析得出, 相同林齡下的土層土壤N: P在不同土層均存在顯著性差異, 0—60 cm土層土壤N: P表現為0—15 cm最高, 45—60 cm最低。0—45 cm同一土層中不同林齡林分土壤N: P表現為中齡林林分土壤顯著高于幼齡林, 幼齡林林分土壤顯著高于成熟林; 45—60 cm表現為中齡林林分土壤N: P顯著高于成熟林和幼齡林林分土壤, 后兩者無顯著性差異。

2.3 不同林齡野蘋果林土壤C、N、P含量及化學計量比的相關性

采用冗余分析(RDA)研究不同林齡野蘋果林土壤C、N、P含量及化學計量比的相關關系(圖2)。其中, 第一排序軸(RDA 1)解釋變化的比例達83.79%, 第二排序軸(RDA 2)解釋變化的比例達10.00%, 兩軸可以反映土壤碳、氮、磷含量與化學計量比關系。土壤SOC、TP、TN與化學計量比顯著相關(<0.05), SOC、TP對化學計量比有極顯著影響(<0.01), 全磷對C: P、N: P呈現負相關性, 有機碳和全氮分別對C: P、C: N和C: N、N: P呈現正相關性。其中, 有機碳對化學計量比的影響最大, 解釋比例達75.3%(=30.4,<0.01); 全氮對化學計量比的影響最小, 解釋變化的比例僅占8.2%(=10.6,<0.01)。

注: 同一圖組大寫字母不同代表該土層元素計量比在不同林齡間差異顯著(P<0.05), 同一圖例小寫字母不同代表該林齡不同土層間元素計量比差異顯著(P<0.05)。

Figure 1 Change characteristics of soil C: N, C: P and N: P in three aged wild apple forests

3 討論

3.1 土層、林齡對野蘋果林土壤C、N、P含量的影響

土壤養分中的碳、氮、磷等元素對土壤質量有著重要影響, 其含量和分布對本地植物的生長發育起著相當重要的作用[20–21]。本文通過對伊犁地區鞏留縣與新源縣野果林群落三個不同林齡土壤碳、氮、磷含量的分析顯示, 不同林齡野蘋果林土壤SOC、TN含量均隨土層深度的增加而降低, 土壤有機碳下降幅度由大到小依次為: 幼齡林(76.38%)、成熟林(74.36%)、中齡林(72.82%); 土壤總氮下降幅度由大到小依次為: 幼齡林(64.44%)、中齡林(41.43%)、成熟林(36.63%)。而TP含量隨土層深度的增加差別不明顯, 與大多數研究結論相同[22]。土壤中碳元素和氮元素的輸入, 是由于地表的枯枝落葉、動物殘體及糞便分解, 主要存在于地表0—15 cm土層[8–11], 然后由于淋溶作用逐漸向下遷移, 致使土壤表層SOC、TN含量較高, 且隨土層深度增加而漸趨降低。而磷元素主要受土壤母質分化的影響[23], 因而變化較小。可能是因為該地區氣候濕潤, 降水較多, 土壤中的P元素受雨水淋溶的原因, 不利于其積累, 因此研究區域土壤P含量較低[15]。

齡增加, 林分植株個體生物量隨之增加, 因此, 導致土壤養分的格局隨之變化[10]。本研究結果顯示, 不同林齡野蘋果林在中幼齡時期, 土壤SOC、TN和TP含量隨林齡的增長而上升[24], 對杉木人工林的中齡林到成熟林階段, 有機碳和全氮含量隨林齡的增長而下降, 全磷含量上升。這與吳明[25]對杉木人工林的研究結果相一致。由于林木的生長發育, 在此過程中需吸收大量的營養物質, 新形成有機質的輸入小于原來有機質的分解, 所以使幼齡林土壤SOC和TN含量較低[22]; 當林木由幼齡林生長至中齡林林木時, 林木對營養物質的吸收隨之降低, 并且植物的各新陳代謝產物、根系等會分解產生有機碳、全氮, 使土壤有機碳和全氮含量較高[22], 中齡林至成熟林, 野果林林木密度加大, 對土壤養分需求大, 以致土壤中SOC、TN含量減少[8]。隨著林齡增長, 凋落物隨之增加, 分解產生磷素歸還于土壤養分之中, 因此TP含量隨之增加[8]。

注: 圖中箭頭代表環境因子, 其所在的象限表示各因子與排序軸之間的正負相關性, 箭頭連線的長度表示環境因子與排序軸間相關程度的大小, 連線越長, 則相關性越大, 圖中右上角是對應變量解釋比例。

Figure 2 Redundancy analysis

林3.2 野蘋果林土壤C、N、P化學計量特征的指示意義

土壤SOC、TN、TP等元素的循環過程是相互耦合、相互影響的, 已有研究發現土壤C: N、C: P等存在一定的比例關系[26–27]。C: N作為土壤質量的敏感性指標[28], 是土壤氮素礦化能力的標志, 與土壤有機質的分解速率成反比[29], 可用以度量土壤C、N營養均衡狀況[28]。本研究表明, 3個林齡野蘋果林土壤C: N除33 a生的成熟林在15—30 cm土層外, 均低于我國陸地土壤C: N的平均值(11.9)[30], 說明土壤有機質具有較快的礦化作用。0—45 cm各土層中C: N隨林齡逐趨增加, 而在45—60 cm土層中則是先降低而后上升, 是由于土層水分和溫度不同, 水分多則導致土壤養分流失[30], 適宜溫度可提高土壤微生物活性、養分循環及養分積累。

土壤C: P是衡量土壤中微生物通過對有機物質的礦化作用釋放出磷元素、在土壤環境中吸收并固持磷元素潛力的指標, 較低的C: P表明微生物在礦化土壤有機質中釋放磷的潛力較大[22]。本研究表明, 10 a生的幼齡林和33 a生的成熟林30—60 cm土層土壤的C: P低于中國陸地土壤C: P(52.7), 0—60 cm各土層土壤C: P隨林齡有先上升后下降的變化趨勢, 是由于土壤中腐殖質層對植物營養物質的供應與林木在生長過程中對營養物質的吸收和利用不同[4]。

土壤中N: P可作為N元素養分限制和飽和的標準, 在植物生長過程中判斷土壤營養物質的供給情況[31]。本研究表明, 23 a生的中齡林林分土層土壤N: P高于我國土壤N: P的均值(5.2)[32]。33 a生的成熟林林分土壤N: P低于我國土壤N: P的均值, P素的偏低, 會導致N、P失衡, 制約林木正常的生長發育、新陳代謝以及在生態系統中的循環特征, 因此, 對于成熟林應施放適當的P肥彌補P素的偏低[31]。

4 結論

本研究表明, 伊犁野蘋果林土壤有機碳、總氮含量隨土層深度的增加趨于降低, 隨林齡先上升后下降, 而總磷含量隨土層增加無明顯變化, 隨林齡的增長逐漸上升; 通過分析伊犁不同林齡野蘋果林土壤SOC、TN、TP、C:N、C:P、N:P之間的相關性分析, 有機碳對化學計量比的影響最大, 全氮對化學計量比的影響最小。

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Ecostoichiometric characteristics of soil carbon, nitrogen and phosphorus in wild apple trees of different ages in Yili, Xinjiang

DA Qingzhen1,2, CUI Dong1,2*, ZHANG Yulu1,2, ZHAO Yang1,2, Nijatkasim1,2, LIU Shuqi1,2

1. College of Biology and Geography Sciences, Institute of Resources and Ecology, Yili Normal University, Yining, Xinjiang 835000, China 2. College of Chemistry and Environmental Sciences, Yili Normal University, Yining 835000, China

This paper studied the change characteristics of soil carbon, nitrogen and phosphorus contents and the change rules of ecological stoichiometric characteristics of wide apple forest under different forest ages in Yili, Xinjiang, and expounded the soil ecological stoichiometric characteristics of wild apple forest under different forest ages and different soil layers, so as to provide theoretical basis for the protection of wild apple forest resources. In Yili Gongliu wild apple forest (10 a), mid-maturation forest wild apple sapling forest (23 a), mature forest (33 a), we set three 20 m × 20 m quadrat sampling points, according to 0 to 15 cm, 15 to 30 cm, 30 to 45 cm, 45 to 60 cm depth of soil sampling, measured soil SOC, TN and TP content, and used the One-Way ANOVA of variance for significance test. The analysis showed that the contents of SOC and TN tended to decrease with the increase of soil depth, while the contents of TP did not change significantly between soil layers. The contents of SOC and TN increased first and then decreased with forest age, while the contents of TP increased gradually. Soil C: N was 5.24-13.11, C: P was 15.03-98.44, and N: P was 2.69-9.96 in the 0 to 60 cm soil layer of the three aged wild apple forests. Redundancy analysis (RDA) showed that soil organic carbon had the greatest effect on stoichiometry, and total nitrogen had the least effect on stoichiometry.

wild apple forest;forest age; ecological stoichiometry

達清珍, 崔東, 張雨露, 等. 新疆伊犁不同林齡野蘋果林土壤碳、氮、磷生態化學計量特性[J]. 生態科學, 2022, 41(5): 98–104.

DA Qingzhen, CUI Dong, ZHANG Yulu, et al. Ecostoichiometric characteristics of soil carbon, nitrogen and phosphorus in wild apple trees of different ages in Yili, Xinjiang[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 98–104.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.012

S154.1

A

1008-8873(2022)05-098-07

2020-08-22;

2020-11-04

伊犁師范大學博士科研啟動基金項目(NO:2019YSBS009)

達清珍(1997—), 女, 甘肅蘭州人, 碩士研究生, 主要從事土壤生態學等方面的研究工作, E-mail: 2996929983@qq.com

崔東, 男, 博士, 副教授, 主要從事土壤地理學、土壤生態等方面的教學與科研工作, E-mail: cuidongw@126.com