秦嶺中段太白山以北不同海拔土壤碳·氮·磷生態化學計量特征

李丹 范拴喜 孫旻涵 黃意成

摘要 ［目的］探究秦嶺中段太白山以北土壤碳、氮、磷含量及其生態化學計量特征。［方法］在秦嶺中段太白山以北選取4個不同海拔梯度（1 500、1 800、2 100、2 400 m）的0～20、20～40、40～60 cm土層取樣，測定分析土壤有機碳、總氮、總磷含量及變化特征，并計算分析生態化學計量特征。［結果］土壤有機碳、總氮和總磷的平均含量分別為31.72、3.36、0.29 g/kg，隨著海拔增加，土壤整體的有機碳、總氮和總磷均呈先升后降趨勢；土壤C/N、C/P、N/P的均值分別為9.58、94.45和10.02，隨著海拔增加，土壤整體的C/N呈下降趨勢，N/P呈上升趨勢，C/P無明顯變化；0～20 cm土層的C/P、N/P均顯著高于20～40和40～60 cm土層，而海拔2 100～2 400 m處不同土層的C/N之間無顯著差異，且土壤C、N之間具有較高的耦合性；在20～40和40～60 cm土層中，海拔2 100～2 400 m處的土壤C/P、N/P均高于1 500～1 800 m，1 500～1 800 m處C/N高于其他海拔。［結論］該地區土壤養分及其化學計量特征隨海拔有明顯變異，總體表現為碳、氮含量豐富，磷缺乏，應適量增施磷肥，重視土壤保育工作。

關鍵詞 海拔；土壤有機碳；總氮；總磷；含量；生態化學計量特征；土層深度；秦嶺

中圖分類號 X144 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2023）09-0049-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.013

Abstract ［Objective］To investigate the contents of soil carbon，nitrogen and phosphorus and their ecological chemometric characteristics in soils from north of the Taibai Mountains in the middle part of the Qinling Mountains.［Method］This study selected soil samples from 0-20，20-40 and 40-60 cm at four different elevation gradients （1500，1800，2100 and 2400 m） north of the Taibai Mountains in the middle part of the Qinling Mountains，the contents of soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus and their variation characteristics were determined and analyzed，and the ecological chemometric characteristics were calculated and analyzed.［Result］The average contents of soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus were 31.72，3.36 and 0.29 g/kg，respectively，and the soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus showed an increasing first and then decreasing trend with increasing altitude.The average values of soil C/N，C/P，and N/P were 9.58，94.45，and 10.02，respectively.With the increase of altitude，the overall C/N of the soil showed a downward trend，while N/P showed an upward trend，with no significant change in C/P.The C/P and N/P in 0-20 cm soil layer were significantly higher than those of 20-40 and 40-60 cm soil layer，while there was no significant difference between the C/N of different soil layers at altitude 2100-2400 m，and there was a high coupling between soil C and N.In the soil layers of 20 - 40 and 40 -60 cm，the soil C/P and N/P at altitude 2100 - 2400 m were higher than those at 1500-1800 m，and the C/N at 1500-1800 m was higher than those at other altitudes.［Conclusion］The soil nutrients and their stoichiometric characteristics in this area have obvious variation with altitude，and the overall performance is rich in carbon and nitrogen and deficient in phosphorus，which should be appropriately increased with phosphorus fertilizer and attention to soil conservation work.

Key words Altitude; Soil carbon;Total nitrogen;Total phosphorus;Content;Ecological stoichiometry characteristic;Soil depth; Qinling Mountains

基金項目 陜西省科技廳自然科學基金項目（2020SF-438）。

作者簡介 李丹（1997—），女，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向土壤改良。*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事土壤改良研究。

生態化學計量學是研究生態系統內各組分能量以及多種化學元素之間平衡的科學，對于研究生物地球化學循環和生態系統穩定性等有重要意義［1-2］。土壤作為生態系統重要組成部分，不僅為植物及微生物提供營養，而且土壤中的碳、氮、磷等元素影響植物生長、微生物動態、凋落物分解以及土壤養分的積累與循環等［3］。目前國內土壤生態化學計量學研究主要集中在不同植被［4］、不同土地利用方式［5］、不同海拔［6］等方面的差異分析。近年來土壤隨海拔條件的變化引起大量關注，這是由于海拔變化對土壤性質、植被分布以及凋落物都有很大影響［7］ ，而這些因素又會直接或間接影響土壤養分［8］。因此，研究不同海拔土壤養分及其生態化學計量特征有重要意義。張廣帥等［9］對泥石流頻發區的研究表明，土壤碳、氮及其生態化學計量比均隨海拔升高而升高，全磷隨海拔升高而下降；李新星等［10］研究表明，馬銜山土壤碳、氮、磷含量和生態化學計量比隨海拔變化呈現出不同的特征；李丹維等［11］對太白山研究表明，土壤碳、氮、磷含量隨海拔升高變化不顯著，其生態化學計量比在不同海拔上呈現較大的空間變異。

秦嶺中段太白山以北屬于太白縣管轄范圍內，該區域是陜西省海拔最高縣城，其獨特的氣候條件和地理位置，造就了森林等各種豐富的自然資源，對西北地區生態保護有重要意義。該區域目前有關太白山生態化學計量特征的研究多集中在太白山櫟屬樹種中［12］，對不同海拔土壤碳、氮、磷生態化學計量特征的研究較少。該研究以秦嶺中段太白山以北作為研究區域， 運用生態化學計量學理論來研究不同海拔土壤碳、氮、磷分布特征，旨在分析該區域土壤碳、氮、磷含量和生態化學計量比垂直變化特征以及土壤碳、氮、磷含量與計量比之間的關系，以期深入認識該區域土壤碳、氮、磷地球化學循環，對掌握太白山以北區域不同海拔土壤養分分布狀況和推動秦嶺生態環境可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于太白縣（107°03′00″～107°46′40″E、33°38′13″～34°09′55″N），屬于暖溫帶半干旱型大陸季風氣候，帶有大陸性季風氣候與高山氣候交匯的特征，年平均氣溫7.7 ℃，無霜期158 d。該試驗中樣品采集范圍在海拔1 500～2 400 m。海拔1 500 m處為闊葉林，海拔1 800 m處為針闊葉混交林，海拔2 100和2 400 m處為針葉林。

1.2 土壤樣品采集

2020年8月，在海拔1 500～2 400 m按每300 m為 1個海拔梯度，按照“S” 型取樣法在各海拔梯度內選取8個代表性樣點，按 0～20、20～40、40～60 cm層次，用土鉆分層取土，同層土壤混勻為1個混合土樣，去除枯枝落葉和石礫等雜質后裝入自封袋，共采集96個土樣。土壤混合樣品室內風干后過100目篩。

1.3 測定方法

土壤分析參照鮑士旦《土壤農化分析》［13］中的方法。總氮（TN）的測定采用凱氏定氮法；總磷（TP）的測定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法；土壤有機碳（SOC）的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法。

1.4 數據處理

該研究中土壤C、N、P生態化學計量比均為元素質量比。利用SPSS 17.0 軟件計算不同海拔梯度土壤的SOC、TN、TP以及C/N、C/P、N/P等指標的平均值（Mean）、標準差（SD），并對不同海拔和土層的土壤養分指標進行單因素方差分析和最小顯著差數法（LSD）多重比較。采用Pearson相關系數法分析土壤中各養分元素的含量及其生態化學計量間的相關性。利用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行前期處理與作圖。

2 結果與分析

2.1 不同海拔土壤C、N、P含量特征 從圖1可以看出，土壤SOC、TN和TP含量在不同海拔和剖面上存在不同程度的差異，土壤SOC含量在0～20 cm土層為28.86～34.77 g/kg，均值為31.72 g/kg，20～40 cm土層為21.37～27.44 g/kg，均值為24.17 g/kg，40～60 cm土層為15.40～21.06 g/kg，均值為18.66 g/kg。土壤SOC含量隨海拔升高呈現先增后減的趨勢，SOC含量1 500～2 100 m明顯增加，且在2 100 m達到最大；海拔2 100～2 400 m變化不明顯。土壤TN含量在0～20 cm為2.80～3.84 g/kg，均值為3.36 g/kg，在20～40 cm為2.02～3.00 g/kg，均值為2.51 g/kg，在40～60 cm為1.28～2.52 g/kg，均值為2.06 g/kg；土壤TN含量在海拔2 100 m處與2 400 m處無顯著差異，在2 100 m處高于其余海拔。土壤TP含量隨海拔增加無明顯變化趨勢；其中0～20 cm層為0.26～0.30 g/kg，均值為0.29 g/kg；20～40 cm層為0.23～0.28 g/kg，均值為0.26 g/kg；40～60 cm層為0.23～0.25 g/kg，均值為0.23 g/kg；TP 含量在2 100 m處達到最大，在海拔1 500 m處最小，且表層土壤 TP 含量普遍高于中下層。

不同剖面上土壤SOC、TN和TP含量均隨土層深度增加呈現垂直波動減小的變化規律。不同層次土壤SOC含量差異顯著，峰值出現在0～20 cm土層，同一土層海拔2 100 m處SOC含量高于其他海拔。除海拔1 800 m處中下土層TN含量差異不顯著外，其余各海拔處不同土層土壤TN含量存在顯著差異；各海拔處TN含量峰值出現在0～20 cm土層，同一土層海拔2 100 m處TN含量高于其他海拔。海拔1 500 m處0～20 cm土層土壤TP含量與中下層差異顯著，其余各海拔TP含量0～20 cm與20～40 cm土層差異不顯著。

對不同海拔0～60 cm整體土壤的SOC、TN和TP分別進行線性回歸分析，結果顯示（圖2），SOC和TN、SOC和TP、TN和TP之間均存在顯著的正向相關關系（R2=0.856 7，P<0.01；R2=0.768 0，P<0.01；R2=0.761 6，P<0.01）。這表明研究區土壤的SOC、TN、TP的空間分布在一定程度上存在相互耦合的關系。

2.2 不同海拔土壤生態化學計量特征

從圖3可以看出，土壤C/N、C/P和N/P在不同海拔和剖面上存在不同程度的差異。土壤C/N在0～20 cm土層為9.05～10.31，均值為9.51，20～40 cm土層為8.55～11.16，均值為9.82，40～60 cm土層為8.37～12.09，均值為9.42；土壤C/N隨海拔升高呈現減小的趨勢；0～20 cm土層C/N在海拔1 500～1 800 m處無顯著差異，1 800～2 100 m呈顯著降低趨勢，2 100～2 400 m處無顯著差異。隨海拔增加，土壤C/P呈現出先升后降的變化規律；土壤C/P在0～20 cm土層為107.30～112.03，均值為110.71，在20～40 cm土層為89.88～98.55，均值為92.95，在40～60 cm土層為68.28～86.48，均值為79.70；0～20 cm處土壤C/P在各海拔處無顯著差異。土壤N/P隨海拔增加呈現先增后減的趨勢；其中0～20 cm土層為10.58～12.65，均值為11.69；20～40 cm土層為8.09～10.81，均值為9.57；40～60 cm土層為5.68～10.28，均值為8.79；N/P在2 100 m處達到最大，在海拔1 500 m處最小。

垂直剖面上，土壤C/N基本隨土層深度增加呈現先增后減的趨勢，土壤C/P和N/P均隨土層深度增加呈現垂直波動減小的變化規律（圖3）。除海拔1 800 m處C/N在0～20 cm和20～40 cm差異顯著外，其余各海拔在0～20 cm和20～40 cm差異均不顯著，C/N峰值出現在20～40 cm處，同一土層海拔1 500 m處土壤C/N高于其他海拔。除2 400 m處土壤C/P在中下層間差異不顯著外，其余各海拔不同土壤C/P土層間差異顯著，各海拔處C/P峰值均出現在0～20 cm土層。N/P在各海拔處0～20 cm土層最高，1 500 m處不同土層間N/P差異顯著，1 800～2 400 m處0～20 cm土層均顯著高于20～40、40～60 cm，但20～40 cm與40～60 cm無顯著差異。

3 討論

3.1 不同海拔土壤碳、氮、磷特征

C、N、P作為土壤營養元素，對土壤肥力、植物生長發育以及物質循環過程都有影響，其含量高低主要受到氣候、植被、生物、地形等因素的綜合作用［14］。該研究顯示，研究區域0～20 cm土壤SOC、TN、TP含量均值分別為31.72、3.36、0.29 g/kg與全國土壤C、N、P平均含量（0～10 cm土壤C、N、P平均含量分別為24.56、1.88、0.78 g/kg）［15］相比，SOC和TN含量均高于全國水平，TP含量低于全國水平，說明該地區碳、氮含量豐富，缺乏磷素。

該研究發現，土壤C、N、P隨土層深度變化而變化。各海拔土壤SOC、TN、TP的含量隨土層加深均呈減少的趨勢，其中C、N含量在表層與中下層間顯著下降，而TP含量下降趨勢不明顯，這與張廣帥等［9］的研究結果一致。土壤C、N顯著下降的原因是受土壤母質、水熱條件、枯落物分解以及植物吸收利用等因素的影響［16］，尤其是表層土壤植被凋落物分解較多，合成的有機質也較多，使得養分聚集在表層，受水分向下遷移影響，從表層到底層逐漸減小。而土壤TP空間變異性小主要是由于土壤TP主要來源于成土母質中的磷素，受其他因素（干濕沉降、動植物殘體、微生物活動）影響較小［17］，其含量一般較為穩定。

張繼平等［18］研究發現，土壤養分隨海拔的變化呈現出不同的特征。該研究發現，隨海拔的升高，表層土壤SOC含量總體呈先升高再降低的趨勢。海拔1 500～2 100 m表層土壤SOC含量隨海拔升高而升高，這與李新星等［10］的研究結果一致。在該研究區，1 500～2 100 m隨著海拔升高，溫度下降，降水增多，植被類型更加豐富，凋落物種類及數量增多，土壤微生物活性減弱，有機質礦化速率減慢，使得有機碳積累量增加； 而2 100～2 400 m土壤SOC含量減少，可能是由于氣溫過低，使得土壤微生物數量減少，土壤有機碳積累速率降低。因此，在一定海拔范圍內，土壤有機碳含量隨海拔增加而增加，當海拔達到一定高度后，土壤有機碳會由增加變為減少趨勢。土壤N素主要來源于動植物殘體的分解、植被根系的固氮作用和大氣氮沉降［19］。隨海拔升高，有機質分解速度減緩，所需的氮素減少，氮素積累增加，有機碳含量也增加。該研究區土壤TP隨海拔升高無顯著變化，這與李丹維等［11］在太白山的研究結果一致。研究表明，土壤TP含量高低大多受成土母質和成土作用影響［20］，短時期內隨環境的變化較小，因此土壤TP隨海拔變化空間變異較小。

3.2 不同海拔土壤碳、氮、磷生態化學計量特征

不同海拔土壤C、N、P生態化學計量值可以用作土壤養分限制和C、N、P飽和診斷預測性指標［21］。該研究區域不同海拔土壤C/N介于8.37～12.09，其均值為9.58，低于全國平均值（11.9）［22］；C/P介于68.28～112.03，其均值為94.45，高于全國平均值（61）［22］；N/P介于5.68～12.65，其均值為10.02，高于全國平均水平（5.2）［22］。

有研究表明，土壤C/N越低，有機質分解速度越快；相反，土壤C/N越高，有機質分解速度越慢［4］。該研究區土壤C/N低于全國平均值，說明該區域有機質礦化分解速率較高。隨海拔升高，土壤C/N整體表現出降低的趨勢，這與朱秋蓮等［4］的研究結果相同。這可能是由于隨著海拔的升高， C、N增加速率不一致，有機質礦化速度較快，釋放氮素較多，導致C/N較低。王紹強等［1］研究發現，不同土壤生態系統的C/N保持相對穩定，該研究中也呈現出此規律，土壤C/N變化范圍較小，這是由于土壤SOC與TN之間存在顯著的正相關關系， C、N作為有機質的結構性成分，二者的積累和消耗過程較為穩定。海拔1 500 m處0～40 cm土層與40～60 cm土層間C/N差異顯著，1 800 m處各土層間C/N差異顯著，2 100～2 400 m處不同土層深度C/N無顯著差異。

土壤C/P可以作為判斷土壤微生物礦化釋放P或固持吸收P的指標［23］，較高的C/P是磷有效性低的表征［1］。該研究區不同海拔土壤C/P均值高于全國平均值，說明該區域磷有效性較低，微生物分解釋放磷的能力較弱，磷素缺乏，植物生長受到磷的限制。隨海拔升高C/P呈現出先升高后下降的趨勢，但各海拔差異不大，這與趙維俊等［24］對祁連山青海云杉林土壤的研究結果一致。土壤C/P隨土層加深而下降，這主要是由于隨土層加深，微生物活性降低，有機質分解過程受到抑制，積累量減少，TP較缺乏導致的。

土壤N/P可以用來判斷土壤氮素是否飽和以及確定土壤養分限制的閾值［23］。該研究區土壤N/P均值高于全國均值，表明研究區土壤氮素飽和，可以供植物生長發育。趙維俊等［24］研究指出N/P高可能是由于研究區磷較少造成的，該研究中也發現類似的結果。隨海拔升高，土壤N/P整體表現為增加的趨勢，這與Nottingham等［25］的研究結果相同。這可能是由于研究區土壤TN隨海拔整體增加，而磷素缺乏導致的，這也恰恰說明磷為該區域土壤養分的限制性因子。土壤N/P隨土層加深而下降，這可能與土壤氮素積累在土壤表面，而磷素在垂直方向上變化不大有關。

綜上所述，不同海拔土壤碳、氮、磷及其生態化學計量特征存在差異。海拔不是直接影響土壤碳、氮、磷及其生態化學計量特征，而是通過氣候、植被、生物、地形等因素來影響其變化。研究不同海拔土壤碳、氮、磷及其生態化學計量對于分析土壤養分狀況和植物生長條件有重要意義，同時還可以為該區域生態環境保護提供理論依據。該研究僅研究了土壤碳、氮、磷及其生態化學計量特征，后續還需進一步深入研究土壤-植被-凋落物這個系統的碳、氮、磷及其生態化學計量。

4 結論

該研究對太白山以北區域不同海拔的土壤養分及其化學計量特征進行了初步分析，結果表明，不同土層土壤有機碳、總氮含量隨海拔上升總體均呈現出先升高后降低的趨勢，而總磷含量無大幅度變化；海拔升高，各土層土壤C/N逐漸減小，C/P無明顯變化，N/P整體呈升高趨勢；各海拔處土壤有機碳、總氮、總磷以及其生態化學計量比在垂直剖面上存在明顯差異，SOC、TN、TP、C/N、C/P和N/P總體均呈降低趨勢。

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