霧靈山不同海拔土壤養分及其生態化學計量特征

陳珍珠,楊苗,王華玲,3,樊曉亮,崔華蕾,李會平,3

(1河北農業大學 林學院, 河北 保定 071000; 2河北霧靈山國家級自然保護區管理中心,河北 承德 067300; 3河北省城市森林健康技術創新中心, 河北 保定 071000)

土壤是生態系統的重要組成之一,是植物賴以生存的基礎。土壤養分是指土壤中貯存的碳、氮、磷、鉀等營養元素,是養分循環的重要的物質和能量來源[1]。土壤生態化學計量比可以直觀反映碳氮磷等元素在土壤中動態變化情況,通過對土壤中碳、氮、磷元素化學計量特征的研究,可以明確土壤養分與植物間的相互關系及整體循環過程[2]。其中,碳氮比(C∶N)反映土壤有機質的積累或分解狀況,是衡量碳氮營養情況的重要指標[3]。碳磷比(C∶P)是反映植物生長速度和衡量磷素礦化能力的重要指標[4]。氮磷比(N∶P)則反映了土壤養分的供給情況[5]。在山地條件下,海拔梯度是影響土壤養分含量及分布的主要因子[6]。不同海拔梯度導致土層質地、植被類型和環境因子(溫度、降雨量)等條件不同,進而影響土壤養分含量和各養分之間的平衡關系,土壤C∶N∶P的比值也有類似的變化[5]。例如：Muller等研究發現,高寒地區的土壤C∶N、N∶P隨海拔的升高顯著增加,表明土壤養分受氮、磷元素的限制,可能是由于矮灌木植被的凋落物較少,有機質少量積累[5]。姜哲浩等研究表明,三江源區土壤C∶N,C∶P,N∶P均隨海拔的增加先升后降,N∶P受海拔因子顯著影響[7]。張莎莎等對不同海拔杉木人工林土壤研究表明,土壤有機碳、全氮、全磷、其化學計量比的垂直分布受海拔高度顯著影響[8]。因此,探究土壤養分及化學計量海拔變化特征,可以提高對養分有效性及其潛在生長限制的認識,有助于了解土壤養分的循環過程。

霧靈山地理位置獨特,森林植被覆蓋率高,動植物資源豐富,是研究土壤養分循環的天然實驗室[9]。近年來,有關霧靈山土壤養分的研究主要集中于不同林分、低海拔土地利用類型等方面,關于霧靈山不同海拔土壤生態化學計量特征的研究還未見報道[10-11]。因此,本研究以霧靈山保護區不同海拔梯度的土壤為研究對象,分析土壤養分含量和化學計量特征沿海拔梯度和土層的分布規律;通過土壤養分含量與生態化學計量比之間的相關性分析揭示其變化規律,為霧靈山森林生態系統可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

霧靈山國家級自然保護區(E 117°17′～117°35′,N 40°29′～40°36′)位于河北省興隆縣(暖溫帶濕潤季風氣候),總面積共14 246.9 hm2,其中有林面積達10 522 hm2,試驗區面積達8 047.9 hm2。霧靈山年均氣溫7.6 ℃,年均降水量可達763 mm,海拔高度為450 ～2 118.2 m。土壤以褐土和棕壤為主[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與采樣 2020年9月于研究區海拔800～2 000 m范圍內,共設置7個梯度,各海拔梯度間隔200 m選擇3個樣地,并對樣地的地形地貌、坡向、巖石類型、植被類型、海拔高度等條件進行記錄。在每個樣地內,選擇適當的土壤剖面點去除土層上的枯落物,挖掘土壤剖面并對土壤剖面O(枯枝落葉層)、A(腐殖層)、B(淀積層)、C(母質層)4層進行形態描述。樣地的基本情況見表1。采用五點取樣法對A、B、C層土壤進行取土,各土層留取1 kg土樣帶回實驗室。

表1 霧靈山自然保護區樣地基本概況Table 1 Basic characteristics of sample plot in Wuling Mountain National Nature Reserve

1.2.2 樣品處理與測定 將土樣自然風干后,去除雜物磨碎過1 mm和0.149 mm篩,將過篩后的土樣用封口袋暫存。霧靈山土壤養分均參考《土壤調查實驗室分析方法》中的描述進行有機碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AK)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)含量及pH值的測定[13]。

1.3 數據處理與分析

采用IBM SPSS 24.0對霧靈山不同海拔和土層間的土壤養分含量變化及其化學計量特征進行雙因素分析,同時計算Pearson相關性。采用Canoco 5.0軟件對各指標進行主成分分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 霧靈山不同土層土壤養分及其化學計量特征的差異

霧靈山不同土層土壤養分含量變化見表2,不同土層土壤化學計量特征見表3。

表2 霧靈山自然保護區不同土層土壤養分含量變化Table 2 Changes of soil nutrient content in different soil layers in Wuling Mountain National Nature Reserve

表3 霧靈山自然保護區不同土層化學計量特征Table 3 Stoichiometric characteristics in different soil layer in Wuling Mountain National Nature Reserve

由表2可知,霧靈山土壤pH值、OC、TN、TK、AN、AP和AK均受土層影響顯著(P<0.05)。土壤pH值隨土層的加深呈現上升趨勢,A層最低,C層最高。土壤OC、TN、TK、AN、AP和AK含量均隨土層加深而呈現下降的趨勢,且A層的含量均顯著高于其他土層,呈明顯的表聚集現象。另外,除P∶K外,其余化學計量比均受土層影響顯著?？傮w上來看,C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K隨土層加深呈現逐漸下降的趨勢,且A層比值顯著高于C層(表3)。

2.2 霧靈山不同海拔土壤養分及其化學計量特征的差異

霧靈山不同海拔土壤養分含量變化見表4,不同海拔土壤化學計量特征見表5。

表4 霧靈山自然保護區不同海拔土壤養分含量Table 4 Soil nutrient contents at different elevations in Wuling Mountain National Nature Reserve

表5 霧靈山自然保護區不同海拔化學計量特征Table 5 Stoichiometric characteristics at different elevations in Wuling Mountain National Nature Reserve

由表4可知,霧靈山土壤pH值、OC、TP、TK、AN和AP含量受海拔顯著影響(P<0.05)。隨海拔的升高,土壤OC含量呈“V”型變化趨勢;土壤TP、TK含量主要呈現“M”型變化趨勢;AN含量呈現“N”型變化趨勢;pH值與AP含量呈波形變化趨勢;TN和AK則無顯著變化趨勢。另外,海拔梯度變化也顯著影響了土壤C∶P、N∶P和P∶K比(P<0.05)。隨著海拔的升高,C∶P,N∶P呈現“W”型變化趨勢,在海拔1 400 m處最高;P∶K呈現“M”形變化趨勢,在海拔1 200 m處最高;C∶N、C∶K和N∶K則無顯著變化趨勢(表5)。

2.3 霧靈山土壤養分與化學計量比的相關性

對霧靈山土壤養分與生態化學計量特征進行主成分分析見圖1,相關性分析見表6。

圖1 霧靈山自然保護區土壤養分及化學計量特征的主成分分析Figure 1 Principal component analysis of soil nutrients and stoichiometric characteristics of Wuling Mountain National Nature Reserve注：A代表腐殖層;B代表淀積層;C代表母質層;1～7依次代表800～2 000 m的7個海拔梯度。

由圖1可知,土壤養分和化學計量比累計貢獻率為70.13%,可以基本反映土壤情況。其中,第一主成分貢獻率分別為50.12%,第二主成分貢獻率為20.01%。第一主成分主要與除pH值呈負相關外,與OC、TN、TK、AN、AP、AK、C∶N、C∶K、N∶K均呈正相關;第二主成分主要與P∶K、TP呈負相關,但與N∶P呈正相關。

通過皮爾遜相關系數進行分析可知(表6),pH值與AK呈極顯著中度負相關(0.5<|r|<0.8,P<0.01),OC與TN、TK、AK呈極顯著中度正相關(0.5<|r|<0.8,P<0.01);TN與TK、AK呈極顯著中度正相關;C∶N與OC、C∶P呈極顯著中度正相關;C∶P與OC、AK、N∶P呈極顯著中度正相關;C∶K與OC、N∶K呈極顯著中度正相關;N∶P與TP、P∶K呈極顯著中度負相關;N∶K與TN呈極顯著中度正相關;P∶K與TP呈極顯著中度正相關。

表6 霧靈山自然保護區土壤養分和化學計量特征的相關性分析Table 6 Correlation analyses of soil nutrients and stoichiometric characteristics of Wuling Mountain National Nature Reserve

3 討論

霧靈山自然保護區土壤pH值變化范圍為5.90～6.32,呈弱酸性。這是因為霧靈山地區降水充沛,淋溶作用強烈造成土壤pH值降低,形成弱酸性土壤[14]。土壤pH值隨土層加深而增加,和劉月華等在甘南高寒草甸草原的研究結果一致,原因是由于土壤表面枯落物中的有機質在分解時產生了一些酸性的中間產物,如單寧、有機酸等,導致土壤表面酸性大于深層[15]。隨海拔增高,霧靈山土壤OC和TN含量整體呈上升趨勢。其原因可能是,海拔升高而氣溫逐漸下降,有機質分解和氮礦化速率減慢,導致OC和TN含量不斷積累[16-17]。此外,在同一土壤剖面中,除TP外,其余土壤養分含量均隨土層的增加而降低,且呈現明顯的表聚集現象,這與王慧元等對霧靈山的5種人工純林土壤養分研究結果一致[10]?？赡苁侵脖坏蚵湮锏姆e累和分解都聚集在土壤表面,表層的透氣性和溫濕條件都比深層土壤好,有助于土壤養分的快速分解,導致土壤養分含量明顯高于深層土壤[18]。

碳、氮、磷等化學計量比的平衡關系可以反映土壤養分間的狀況,對養分循環具有重要的意義[19]。C∶N反映土壤有機質的積累或分解狀況,是衡量碳氮營養情況的重要指標[3]。當C∶N<25時,氮素快速礦化和釋放;當C∶N=25時,氮素礦化與固定達到平衡狀態;C∶N>25時,可促進微生物的同化[20]。本研究中,不同海拔土壤C∶N介于7.76～13.40(顯著低于25),說明霧靈山土壤有機質的礦化和氮素的釋放速率快,有助于植物吸收營養。C∶N在海拔2 000 m處最高,且不同海拔間土壤C∶N變化趨勢不顯著,表明碳、氮二者的積累和分解過程穩定,這與趙雯等在高寒地區的研究結果一致[21]。C∶P是反映植物生長速度和衡量磷素礦化能力的重要指標,當C∶P<200時,土壤有機質分解過程中傾向于釋放磷[4]。霧靈山地區各海拔梯度C∶P的范圍為19.06～52.01,顯著低于200,體現了該研究區土壤較好的養分釋放性能和相對豐富的磷含量。N∶P是氮素飽和的養分限制閾值標準,也可指示土壤營養成分對植物生長的供給情況[8]。當N∶P<14時,土壤養分受氮素限制;當N∶P>16時,土壤養分受磷素限制;當14

本研究區的土壤養分與化學計量比之間主成分分析和相關性分析表明,土壤OC與TN、TK、AK、C∶N、C∶P和C∶K之間呈中度正相關關系。研究結果與張莎莎等在天馬國家自然保護區不同海拔杉木人工林研究結果類似,該結果的出現原因在于OC為土壤養分的主要組成,不僅在養分循環過程中起到關鍵作用,還反映了養分間的平衡關系[8]。C∶N與OC的相關性大于TN,C∶P與OC的相關性大于TP,C∶K與OC的相關性大于TK,這表明C∶N、C∶P、C∶K主要受OC的影響,與董廷發在不同海拔云南松林的研究結果一致[24]。N：K主要受土壤TN含量的影響,呈顯著正相關關系;P∶K主要受TP含量的影響,呈顯著正相關。由此可知,霧靈山保護區內土壤養分間具有一定的相關性,每種養分含量的增減,都能對土壤中其他養分的提供帶來不同的影響。

4 結論

本研究通過比較霧靈山不同海拔梯度的土壤養分及其生態化學計量特征,發現霧靈山土壤pH值呈弱酸性,土壤養分含量達到了中等偏上水平,這與其植物覆蓋度高是密切相關的。土壤OC受土層、海拔的顯著影響,且OC與TN、TK、AK、C∶N、C∶P和C∶K之間呈中度正相關關系,說明OC是霧靈山土壤養分的關鍵因子,其含量的增減會影響土壤中其他養分供應,從而影響其他養分含量的變化。