川西北高寒沙地不同年限高山柳土壤生态化学计量及储量变化特征

何佳,胡玉福*,舒向阳,王琴,贾安都,严星

(四川农业大学资源学院，四川 成都 611130)

川西北高寒草地位于青藏高原东南缘高寒半湿润地区，是我国长江、黄河两大水系的重要水源涵养地，全球最大的高原泥炭沼泽湿地，也是全国五大牧区之一，其区域生态环境位置极其重要[1-2]。多年来，由于超载放牧、人类活动强度加大等诸多方面因素的影响，川西北高寒草地退化严重，成片草地沙化，严重影响区域生态安全和经济可持续发展。通过种植适生灌木对沙化土地进行生态修复是沙漠化修复治理的有效措施[3-5]。赵燕娜[6]研究发现，种植治沙灌木，能够使土壤养分状况得到改善。在生态修复过程中，治沙灌木作为先锋植物具有防风固沙，改善局部小环境作用。舒向阳等[7]研究表明，沙地灌丛生长对土壤养分有富集作用。因此开展治沙灌木对沙地土壤的影响研究对于沙化土地的修复具有重要意义[8]。

生态化学计量学(Ecological stoichiometry)是研究化学元素平衡及生态系统平衡的工具。而生源要素碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物最基本的营养元素，也是陆地生态系统的主要限制性元素，在植物生长发育过程中发挥了非常重要的作用，其储量状况反映了土壤对植被提供养分的潜在能力[9-11]。生态化学计量的出现为研究生态系统营养元素的积累和平衡动态、土壤碳、氮、磷循环方面提供了新思路[12-13]。土壤碳、氮、磷动态平衡是构成土壤肥力的重要指标[14-15]。目前对于土壤碳、氮、磷的相关研究主要集中在化学元素自身的变异特征，忽略了元素之间的耦合关系。应用生态化学计量学的原理和方法研究土壤碳、氮、磷化学计量比以及储量变化特征，能够更全面地反映土壤肥力变化趋势，有助于了解养分的生物地球化学循环过程。

研究表明，灌木在沙地的生长过程中会改变其林下微区域的养分矿化速率进而形成“肥岛”[16]。高山柳(Salixcupularis)，隶属杨柳科灌木，主要分布于中国甘肃、青海和四川等省。由于高山柳对高寒沙地具有极强的适应性，因而被作为川西北高寒沙地生态修复的主要灌木[17]。本研究通过选取不同种植年限高山柳作为对象，通过对土壤碳、氮、磷化学计量和储量变化特征研究，以期揭示川西北高寒沙地高山柳不同种植年限对土壤养分状况的影响，深入了解高寒沙地的生态修复效应，为川西北沙地治理修复工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川阿坝藏族羌族自治州红原县境内，地理坐标N 31°51′-33°19′，E 101°51′-103°23′，境域分属长江、黄河两大水系。地势由东南向西北倾斜，海拔3210～4857 m，属大陆性高原寒温带季风气候，春秋短、长冬无夏。年均降水量791.95 mm，降水主要集中在5-10月，年均气温1.1 ℃，最冷月平均气温-10.3 ℃，最热月平均气温10.9 ℃，极端最低气温-36 ℃，年均积雪期76 d，无绝对的无霜期。日照充分，太阳辐射强，年均日照时间2158.7 h，太阳辐射年总量为6194 MJ·m-2。土地利用现状以草地为主，也有较大面积的沼泽地和沙化地分布，其中沙化土地总面积约为6915.4 hm2，主要分布在邛溪镇和瓦切乡境内。

1.2 样方设置

本研究于2016年8月，通过对研究区域进行资料收集和初步调查，在四川省沙化草地治理重点示范区红原县瓦切乡进行调查采样，种植高山柳是示范区沙化土地生态修复和治理的主要措施之一。在地形基本一致的条件下，于试验区内选择固定沙地上种植了6、18和34年高山柳区域，划定50 m×50 m样方，各样方3次重复，在各样方内随机选择3株生长状况基本一致的高山柳作为研究对象，共计27株高山柳，其基本信息见表1。

表1 不同年限高山柳灌丛基本状况Table 1 The informations of different size of S. cupularis shrub

1.3 土壤样品采集与处理

考虑到灌木下存在养分异质性，每株灌木按照东、南、西、北4个方向采集，对高山柳灌丛冠幅根区(shrub center, SC)、冠幅中部(shrub middle, SM)，冠幅边缘(shrub edge, SE)进行随机采样，均匀混合，各年限灌丛分别采集0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层土壤样品。每个点的不同土层采集3个重复，混合为1个样品，去除植物根系残体后在自然环境下风干用于土壤理化指标的测定。

1.4 测定方法

土壤容重按照环刀法测定，采集土壤样品放入105 ℃的电热恒温烘箱烘烤至恒重测定；采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)；采用凯氏定氮法测定全氮(total N, TN)，称取风干土样0.05 g放入干燥的开氏瓶底部，加入少量去离子水湿润土样后，加入2 g混合加速剂和5 mL H2SO4，摇匀，将开氏瓶倾斜置于300 W变温电炉上消煮，消煮完毕后，冷却，利用凯氏定氮仪定氮，最后用0.005 mol·L-1H2SO4滴定；采用碱熔-钼锑抗比色法测定全磷(total P, TP)[18]。

1.5 数据处理

因土壤剖面无>2 mm的石砾，因此，土壤有机碳、全氮和全磷储量[SOC (N, P) storage]计算公式为：

SOC (N, P) storage=SOC (N, P)×BD×D/10

(1)

式中：SOC (N, P)为土壤有机碳、氮、磷含量 (g·kg-1)；BD为土壤容重(g·cm-3)；D为土层厚度(cm)。

采用Excel进行数据预处理与表格绘制，采用SPSS 23.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)、双因素方差分析(Two-way ANOVA)及Pearson相关系数分析指标相关性。

2 结果与分析

2.1 不同年限高山柳土壤容重变化特征

不同种植年限高山柳灌丛下土壤容重变化特征见表2。在0～20 cm土层，随着种植年限的增加，土壤容重呈降低趋势，相较于6年，18和34年土壤容重分别降低了8.03%和14.73%；在20～40 cm土层，相较于6年，种植18和34年高山柳林下土壤容重分别降低了2.67%和10.79%，不同种植年限高山柳林下40～60 cm土层土壤容重无明显变化。

2.2 不同年限高山柳土壤C、N、P含量变化特征

研究结果表明，随着年限增加，0～20 cm土层SOC、TN、TP呈上升趋势(表3)。在0～20 cm 土层，相较于6年，18和34年有机碳含量均显著升高 (P<0.05)；土壤全氮、全磷含量仅34年有显著升高(P<

表2 不同年限高山柳土壤容重变化特征Table 2 The changes of soil bulk density of S. cupularis shrub (g·cm-3)

注：不同小写字母表示相同土层不同种植年限差异显著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters at the same soil depth indicate significant differences among the plantation ages atP<0.05. The same below.

0.05)。 在20～40 cm 和40～60 cm土层，34年高山柳下有机碳含量相较于6和18年高山柳有显著升高(P<0.05)。其中相较于种植6年高山柳，在土壤20～40 cm和40～60 cm土层，随种植年限增加，土壤全氮呈显著下降趋势(P<0.05)。在20～40 cm土层，随种植年限增加，土壤全磷无明显变化；在40～60 cm土层，土壤全磷含量随着种植年限的增加逐渐降低，相较于6年，18和34年土壤全磷含量分别降低了0.007和0.019 g·kg-1(P<0.05)。

2.3 不同年限高山柳土壤C、N、P化学计量变化特征

不同年限高山柳土壤C∶N和C∶P随年限增加不断升高，随土层深度增加而降低(表3)。在0～20 cm土层，相较于6年，18和34年土壤C∶N、C∶P和N∶P均显著升高 (P<0.05)；在40～60 cm土层，相较于6年，18和34年土壤C∶N、C∶P分别升高了21.50%和109.75%、10.00% 和52.35%。在20～40 cm和40～60 cm土层，相较于6年，18和34年土壤N∶P呈逐步降低趋势。

2.4 不同年限高山柳土壤C、N、P变化特征

不同年限高山柳土壤C∶N∶P变化特征见表4，在同一土层，随着高山柳种植年限的增加，土壤C∶N∶P呈上升趋势；在同一种植年限，随着土层深度的增加，土壤C∶N∶P逐渐下降。同时，随着年限增加，SOC所占比值呈上升趋势，TN所占比值呈下降趋势。

表3 不同年限高山柳土壤碳氮磷含量及其化学计量变化特征Table 3 The changes of the C, N and P concentrations and stoichiometric characteristics and as affected by S. cupularis plantation age

2.5 不同年限高山柳土壤C、N、P储量变化特征

本研究结果表明，随种植年限增加，在0～60 cm土层碳储量呈上升趋势，氮、磷储量呈下降趋势(表5)。相较于6年，18和34年在0～20 cm 土层碳储量分别增加了1.38和3.68 g·m-2；18年土壤氮储量无显著变化，34年土壤氮储量显著升高了0.08 g·m-2(P<0.05)；18和34年土壤磷储量有所下降但不显著。在20～40 cm 和40～60 cm土层，相较于6年，18年土壤碳储量无显著变化，34年显著升高(P<0.05)；18和34年土壤氮储量相较于6年分别显著下降了0.13、0.25和0.12、0.28 g·m-2(P<0.05)；18和34年土壤磷储量相较于6年有所下降但无显著差异。

表4 不同年限高山柳土壤C∶N∶P变化特征Table 4 Stoichiometric characteristics of the soil C∶N∶P as affected by the S. cupularis plantation age

2.6 双因素方差分析土壤C、N、P生态化学计量特征相关性

本研究表明，土层深度对有机碳、全氮、全磷含量、C∶N、C∶P、N∶P和碳、氮、磷储量均有显著影响(P<0.01)(表6)；高山柳种植年限对土壤有机碳、全氮含量、C∶N、C∶P、N∶P及碳、氮、磷储量有极显著影响，对全磷含量无显著影响；土层深度×种植年限对除C∶N和磷储量以外的指标均有显著影响(P<0.01)。

3 讨论

碳是构成植物体中干物质最主要的成分，氮、磷是植物体中各种遗传物质和构成蛋白质的重要组成元素。本研究结果表明，随种植年限增加，0～20 cm土层有机碳、全氮和全磷的含量均有提高，同时土壤容重显著升高。Zhang等[19]研究我国西北绿洲沙漠地区不同种植年限固沙植物梭梭土壤理化性质特征表明，0～20 cm土层有机碳、全氮、全磷含量随年限增加而上升。Fan等[20]研究也表明，随种植年限增加，植被可提高表层土壤有机碳、全氮、全磷含量。土壤表层碳、氮、磷养分的积累是由于植被有机物投入大于土壤分解速率，随种植年限增加林下凋落物不断积累。 灌木在生长过程中减少地表径流， 拦截养分， 土壤得以螯合碳、氮、磷养分，进而使得土壤碳、氮、磷含量增加[21-22]。同时，本研究表明20～60 cm土层土壤有机碳含量随高山柳种植年限增加而不断升高，但氮、磷含量随年限增加呈降低趋势。原因可能是由于植被生长过程中对土壤氮、磷养分吸收，而后通过枯枝落叶分解的方式反馈到土壤中，进而使得土壤表层全磷含量高于底层土壤。Deng等[23]通过整合分析结果表明，造林会导致土壤全磷含量的下降，本研究结果与此相一致。

表5 不同年限高山柳土壤碳、氮、磷储量变化特征 Table 5 The changes of the C, N and P stocks as affected by S. cupularis plantation age (g·m-2)

表6 土壤碳、氮、磷生态化学计量双因素方差分析Table 6 F (P) values for the effects of the soil depth and plantation age on the soil C, N and P stoichiometry

**：P<0.01.

C, N和P作为植物体重要的生理指标，研究土壤C, N和P化学计量直接反映着土壤肥力，同时也间接表明了植物营养状况[24]。土壤C∶N在一定程度上反映着有机质的分解速率，C∶P则表示土壤中磷有效性的高低，而土壤N∶P可作为养分限制类型的预测指标[25]。近年来，诸多研究报道关于土壤化学计量及其相关外部环境影响[21,26]。Zhao等[27]研究表明，土地利用变化可对土壤养分化学计量有较大影响。同时，土壤中C, N 和P化学计量还与植被类型、土壤状况、种植年限及土层深度有着密切关系。本研究结果表明，种植年限与土层深度和土壤C, N和P化学计量有着密切关系。 同时本研究表明，川西北高寒沙地不同种植年限高山柳下土壤C∶N、C∶P和N∶P变化范围分别为4.0～14.0, 5.1～19.3和0.9～1.4。本研究结果远低于Tian等[28]报道的关于我国0～10 cm，10～50 cm和50～100 cm土层的C∶N (14.4, 12.3和11.2), C∶P (136, 74和 45) 和N∶P (9.3, 6.1和 4.2) 值。本研究土壤碳、氮、磷储量结果表明，随着种植年限增加，土壤0～60 cm土层碳储量呈上升趋势，氮、磷储量呈下降趋势。土壤碳、氮、磷化学计量及储量不均衡的主要原因是由于植被从空气中固定吸收的碳输入到土壤中，然而在此过程中植物从土壤中吸收的氮、磷少于反馈到土壤中的量，随着种植年限的增加，这种不均衡状况不断加剧[29]。

4 结论

1)随着高山柳种植年限的增加，土壤容重呈下降趋势。随种植年限增加，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层有机碳含量均呈上升趋势，全氮、全磷含量在0～20 cm土层呈上升趋势，但在20～40 cm和40～60 cm土层呈下降趋势。土壤C∶N和C∶P在各土层随种植年限增加而升高，土壤N∶P在0～20 cm土层随年限增加而升高，而在20～40 cm和40～60 cm土层呈下降趋势。

2)随种植年限增加，土壤0～60 cm有机碳储量呈上升趋势，且随土层深度增加而不断降低。土壤氮储量在0～20 cm随种植年限增加而增加，而在20～40 cm和40～60 cm土层呈下降趋势。土壤全磷储量在各土层均随种植年限增加而不断降低。双因素方差分析结果表明，土层深度显著影响着土壤有机碳、全氮和全磷含量、储量和化学计量比；种植年限显著影响着除全磷的各项指标；土层深度×种植年限显著影响除碳氮比和磷储量以外的各项指标。

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