不同植被土壤有機碳與磷氮含量及化學計量特征變化規律

臧 艷

（寬甸滿族自治縣水利事務服務中心，遼寧 寬甸 118200）

生態化學計量學是研究多重化學元素平衡和生物系統能量平衡的一門科學，為研究多種生態系統過程中碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的比例變化規律及耦合關系提供一種重要的綜合方法[1]。土壤作為構成陸地生態系統的關鍵部分，改善土壤質量有利于維持生態系統平衡及植被的快速恢復[2]。C、N、P 是組成土壤養分的重要元素，其含量變化直接決定了各系統的養分循環和生產力，并且其化學計量比發揮著重要的生態指示作用，可體現C、N、P 元素在土壤內部的循環規律。所以，對土壤C、N、P 化學計量特征進行研究分析，對揭示土壤養分平衡機制、可獲得性、相互制約關系以及土壤C、N、P 元素循環調控等意義重大。

遼東地區地處我國東北部溫帶季風氣候區，土壤侵蝕嚴重，生態環境脆弱。近年來，為實現生態系統良性循環及自然環境修復，有效防治土壤侵蝕，該區實施了一系列水土保持、退耕還林草等工程，擾動土壤逐漸恢復。在生態系統能量流動與物質循環時，植被作為重要組成部分發揮著不可替代的作用，同時外界水熱條件對不同植被的影響具有較大差異，使得生長季階段間不同植被的土壤養分變化規律差異顯著[3-5]。研究表明，不同植被類型的群落結構特征、植物多樣性、地表植被分布狀況及其組成具有較大差異，這對進入土壤的微生物量、動植物殘體、土壤物理性質和水文結構等影響較大，并致使其生態修復能力和土壤養分特征具有顯著差異[6-10]；有學者提出，植被類型間土壤儲水量因生長季階段不同而具有明顯差異，受降雨、溫度等因素影響不同生長季階段下，高山灌叢植被的光合性能、養分供應狀況等差異較大[11-12]。

近年來，有許多學者研究了植被生態化學計量特征，主要側重于土壤系統-凋落物-植被及植被土壤上，何高迅等提出植被類型與土壤C、N、P化學計量比特征關系密切，但因土壤初始養分、氣候特征和地表植被類型不同，致使植被類型變化對土壤化學計量比的響應規律具有較大差異，地表植物群落組成也會受土壤中C、N、P儲量及其化學計量比的影響。高德新等研究認為N：P能夠較好地將土壤與植物緊密聯系起來，土壤C、N元素的累積速率受植株葉片P元素的影響顯著，并且土壤N元素又會影響到植物器官；溫晨等研究了土壤生態化學計量特征與不同植被類型之間的關系，N、P元素共同決定著植被生長狀況，在增長趨勢上土壤C、N元素含量基本一致[3-5]。然而，研究不同植被類型下土壤有機碳與磷氮含量及化學計量特征變化規律的較少，仍需進一步深入研究。因此，文章以遼東各生長季下遼東櫟林地、山里紅林地、紫穗槐灌木地、星星草地和荒草地為例，研究分析各生長季階段下不同植被類型化學計量特征及TP、TN、SOC含量變化規律，旨在為加快恢復遼東地區土壤肥力，全面掌握土壤養分循環狀況，有效防治水土流失及優化選擇植被修復類型等提供一定參考。

1 研究方法

1.1 區域概況

研究區位于丹東市東北部E125°6′28.26″～125°12′32.98″、N40°59′55.41″～41°6′18.49″水土保持試驗監測區，該區屬石棉河小流域，總面積40.09km2。該流域地處長白山余脈的低山丘陵區，總體地勢北高南低，地貌類型和地形條件簡單，四周為植被覆蓋度較高的山地，山地坡腳與谷底呈緩度接觸，多為狹長的坡耕地。石棉河小流域屬于暖溫帶亞濕潤型氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均降水量1110mm，多集中于6～8月份，年均氣溫6.3℃，日照時數2473h，無霜期145d。土壤類型以棕壤和棕壤性土為主，土層厚度0.3～1.0m之間，土質疏松，表層腐殖質較多，有機質含量充足，土壤屬于弱酸性土，土壤條件適宜植物生長。流域內植被屬于長白植物區系，主要為溫帶針闊混交林，林種以天然次生林和人工林為主，天然次生林主要有遼東櫟、椴樹、紅松、山里紅、山核桃、榛子、獼猴桃，人工林主要有柞樹、板栗、油松、落葉松、刺槐等，林草覆蓋率90.45%。

1.2 樣品采集

2020 年6 月，經野外實地調查最終選擇遼東櫟林地、山里紅林地、紫穗槐灌木地、星星草地和荒草地5 種樣地為試驗區，研究分析不同植被類型下土壤物理性質。隨機在各試驗區選取3 個樣地，其中紫穗槐灌木地、星星草地和荒草地的樣地大小為4m×6m，遼東櫟林地及山里紅林地的樣地大小為10m×10m，相鄰樣地間隔不少于5m，樣地土壤狀況如表1 所示。在2021 年4 月末、7 月末和10 月末(即生長季初期、旺期、末期)，對各樣地按“S”形取樣法選擇5 個典型樣點，并用土鉆按0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm 深度分層取土。將土樣中的根系、石塊等雜物去除后，把同層土壤均勻混合成1 個土樣并裝入無菌保鮮袋中，然后標記放入密封容器內帶回實驗室冷藏，保存溫度為5℃。

表1 樣地物理性質

1.3 測定方法

采用土水比1 : 2.5 的電位法測定土壤pH 值，土壤總孔隙度、最大持水量和容重利用環刀法進行測定，利用外加熱重鉻酸鉀高溫法測定土壤有機碳；采用高溫消煮管將土壤樣品與H2O2-H2SO4消煮至乳白色，土壤全氮、全磷利用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法進行測定。

1.4 數據處理

針對不同生長季及植被類型下TP、TN、SOC土壤養分及化學計量比之間的差異擬利用單因素方差進行檢驗分析，并利用SPSS 軟件和LSD 法進行數據處理及多重比較；采用雙因素方差分析驗證生長季、植被類型因素及交互作用下對化學計量比及TP、TN、SOC 土壤養分的影響；化學計量比及TP、TN、SOC 土壤養分間的相關關系利用Pearson相關性進行分析，繪圖軟件為Excel 2012。研究分析0～60cm 深度范圍的土層數據，各指標數值為0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm 各土層植被類型下的加權平均，以土層厚度占比作為權重值。

2 結果分析

2.1 土壤TP、TN、SOC 含量

雙因素方差分析不同生長季階段和植被類型下土壤TP、TN、SOC 含量，如表2 所示。結果表明，在生長季及植被類型單一因素作用下土壤TP、TN、SOC 均表現出顯著性差異(P ＜0.001)，在生長季和植被類型的雙因素交互作用下土壤TP(P＜0.001)、TN(P ＜0.01)存在不同水平的顯著差異。

表2 雙因素方差分析

各生長季下不同植被類型0～60cm土壤養分含量如圖1所示，結果顯示在全生長季下5種植被類型土壤TP、TN、SOC含量均表現出荒草地、星星草地、紫穗槐灌木地顯著低于喬木林地(遼東櫟林地、山里紅林地)，從低到高土壤SOC含量排序為紫穗槐灌木地(1.538g/kg)＜星星草地(1.748g/kg)＜荒草地(2.169g/kg)＜遼東櫟林地(2.174g/kg)＜山里紅林地(2.464g/kg)，土壤TN、TP含量排序為荒草地(0.073g/kg、0.023g/kg)＜星星草地(0.085g/kg、0.024g/kg)＜紫穗槐灌木地(0.112g/kg、0.028g/kg)＜遼東櫟林地(0.116g/kg、0.033g/kg)＜山里紅林地(0.121g/kg、0.042g/kg)。各植被類型下土壤TN、SOC含量均隨著生長季的推移表現出逐漸下降的變化趨勢，而TP含量則呈“V”形變化趨勢，即TP含量最低值發生在生長季旺期[16-18]。具體而言，各植被類型土壤SOC含量在生長季初期明顯高出末期33.0%～44.1%；在生長季階段間星星草地、荒草地土壤TP含量無明顯差異，生長季初期山里紅林地、遼東櫟林地、紫穗槐灌木地土壤TN含量明顯高出末期33.1%～50.3%；各植被類型土壤TP含量在生長季旺期均明顯小于初期及末期48.6%～81.3%。

圖1 土壤養分含量分布

2.2 土壤養分化學計量特征

由表2 可知，由于主導土壤TP、TN、SOC 含量的因素不同，在生長季及植被類型單一因素作用下N：P、C：P、C：N 的顯著差異水平不同，N：P(P ＜0.001)、C：P(P ＜0.01)在生長季和植被類型雙因素交互作用下呈顯著差異，C：P 未表現出顯著差異。0～60cm 土壤化學計量特征，如表3 所示。

表3 0～60cm 土壤化學計量特征

從表3 可以看出，荒草地全生長季下土壤C：N 明顯高出其它植被46%～72%，并且紫穗槐灌木地土壤N：P、C：P 與荒草地差異顯著，而星星草地、荒草地間土壤N：P、C：P 間及遼東櫟林地、山里紅林地間土壤化學計量比(N：P、C：P、C：N)均無顯著差異。各植被類型下土壤N：P、C：P、C：N 均隨著生長季的推移表現出先增大后減小的變化趨勢，即N：P、C：P、C：N 均值在各生長季階段表現為末期＜初期＜旺期，在生長季階段間各植被類型下C：N 無顯著性差異，除荒草地外其它植被類型下N：P、C：P 表現為生長季初期及末期顯著低于旺期。

2.3 相關關系分析

相關分析結果，如表4 所示。

表4 相關分析結果

由表4 可知，各生長季階段下不同植被類型TP、TN、SOC間均表現出極顯著正相關性(P＜0.01)。土壤化學計量比值與對應TP、TN、SOC 之間具有一定相關關系，但顯著水平存在明顯差異，其中C：P、C：N 與SOC 關系不顯著，而C：P 與TP 及N：P、C：N 與TN 間表現出極顯著線性相關，表明化學計量比值受土壤N、P 元素影響顯著。

3 結 論

不同植被類型下遼東低山丘陵區土壤P 速有效性較低，有機質分解速度緩慢，并且土壤N 元素對植被生長過程的限制作用高于P 元素。土壤化學計量比特征及其C、N、P 含量會受生長季階段及植被類型的影響，在土壤養分存留方面喬木林地具有明顯優勢，隨植被生長發育不同植被下土壤C、N元素均會發生損耗，生長季末期土壤P 元素會發生儲集，并且荒草地土壤C：N 明顯高于喬灌植被；該區土壤養分化學計量特征主要受N、P 元素的影響，在時間上土壤C：P 比較穩定，各化學比值為生長季初期及末期低于旺期。因此，在植被修復過程中應考慮各生長季階段下不同植被土壤養分狀況，通過合理施加氮磷肥確保植被的快速修復，有控制土壤養分流失，逐步實現流域生態系統修復。