陶湾流域草本植物土壤及土壤微生物量碳氮磷生态化学计量特征

田耀武， 和武宇恒， 翟淑涵， 王 聪

(河南科技大学林学院， 河南 洛阳 471003)

土壤碳(Carbon，C)、氮(Nitrogen，N)元素源于光合作用、固氮作用和降雨，土壤磷(Phosphorus，P)元素主要源于土壤矿物，C，N，P元素含量是土壤质量和肥力的重要指标。由于气候和地理条件的差异和人类活动影响，土壤C，N和P元素含量在空间上表现出较大的异质性[1-2]，其化学计量比率反映着土壤养分矿化和固持间的平衡关系，是群落生态学动态过程的重要特征[3]。土壤微生物生物量(Soil microbial biomass，SMB)占土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)量的1.5%[4]，调控着土壤有机质分解、腐殖质形成过程中的能量平衡；土壤和SMB C，N和P元素等的生态化学计量关系决定着土壤营养状况[5]，影响生态系统地球化学过程。

内稳性是生物体在环境资源变化时维持自身化学元素组成比率恒定的能力[1-2]。生物体自身化学元素计量关系不随环境资源的变化而变化，即其具备严格的稳态机制；若随环境资源的变化而变化，即其具弱稳态[7]。Redfield比率[8]是指海洋生态系统中的浮游生物与海水具有基本一致的C∶N∶P原子数量比率关系(106∶16∶1)。陆地生态系统SMB与土壤是否具有相似的C∶N∶P比率关系，是否具有类似的反馈机制，相关研究[9-10]并没有得出一致性结论。Cleveland等[9]整合全球陆地生态系统数据，得出全球土壤C∶N∶P比率为186∶13∶1，SMB C∶N∶P比率为60∶7∶1，C，N，P元素比类似于“Redfield比率”，SMB具有内稳性。Ehlers等[11]认为中国亚热带地区SMB C，N，P元素与土壤C，N，P呈正相关关系，微生物量具弱稳态。Li等[4]认为外源N，P对SMB元素化学计量没有影响，SMB元素化学计量比与土壤环境无关，具有内稳态机制。Xu等[5]认为森林等自然生态系统SMB内稳性较弱。

有关草本植物生态化学计量关系的研究较少，本文目的是揭示草本植物土壤和SMB C∶N，N∶P，C∶P比率关系、草本植物SMB内稳性，丰富生态化学计量学理论。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陶湾流域位于河南省西部的伏牛山区、伊河源头，最高海拔1 840 m，东经111°20′0″～111°35′55″，北纬33°43′0″～33°55′0″，面积329.92 km2。该流域属暖温带大陆性季风气候，年均气温12.4℃，年日照2 103 h，无霜期198 d，年均降水量872.6 mm。流域内分布有褐土性土、棕壤性土、棕壤和淋溶褐土等土壤类型。地表植被以次生落叶阔叶混交林为主，间有草灌等。草本植物主要有紫花苜蓿(Medicagosativa)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)、狗牙根(Cynodondactylon)、芒草(Miscanthussinensis)、莎草(Rhizomacyperi)、唐松草(Thalictrumpetaloideum)、狗尾草(Setariaviridis)、黄刺玫(Rosaxanthina)、车前(Plantagoasiatica)、披针苔草(Carexlanceolata)、麻叶绣线菊(Spiraeacantoniensis)等，植被覆盖率83.5%。人为活动影响较弱(表1)。

表1 陶湾流域5种草本植物SOC，TN，TP元素含量分布Table 1 Statistical distribution of SOC,TN and TP contents in five herb types of Taowan watershed

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters indicated significant differences at the 0.05 level,the same as below

1.2 土壤取样

2018年8月，按随机性与典型性相结合的原则[4]，在上述5种主要草本植物中设置155个样点。2018年9月，每个样点处设置1平方大小的小样方，清除表层凋落物，用内径5 cm根钻在0～20 cm土壤层内取样。每个样点取土600 g左右，由6～10个土芯均匀混合组成，风干3天，过2 mm筛。

1.3 化学分析

C/N自动分析仪(vario MAX,Elementar,Germany)燃烧法测定SOC含量[4]；C/N自动分析仪(vario MAX,Elementar,Germany)测定土壤TN含量；碱性氧化消解和比色法[12]测定土壤TP含量。SOC，TN含量用mol·kg-1表示，TP含量用mmol·kg-1表示。氯仿(CHCl3)熏蒸浸提法(FE)方法测量SMB C，N含量[13-14]。SMB P采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提-钼蓝比色法，UV-2450型紫外分光光度计(700 nm)波长测定[14]。SMB C，N，P元素含量用mmol·kg-1表示。

1.4 统计分析

采用SPSS19.5统计软件和Excel 2016进行数据分析和绘图。采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05)，用Spearman法对土壤及SMB C，N，P含量及其生态化学计量比进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 土壤及SMB C，N，P含量

陶湾流域土壤C，N，P含量变化较大(表1)。SOC含量为0.71～3.53 mol·kg-1，平均2.06 mol·kg-1，变异系数为31.5%；土壤TN含量为0.062～0.29 mol·kg-1，平均0.17 mol·kg-1，变异系数为29.3%。土壤TP含量为2.6～29.4 mmol·kg-1，平均15.2 mol·kg-1，变异系数为36.5%。

莎草和芒草SOC含量最高，其次是狗牙根，蒙古蒿和紫花苜蓿最低，SOC含量差异均显著(P<0.05)；与SOC含量相类似，莎草和芒草土壤TN含量也最高，其次芒草和紫花苜蓿，蒙古蒿TN含量最低。莎草与蒙古蒿TN含量差异显著(P<0.05)；莎草和芒草土壤TP含量也较高，与蒙古蒿、紫花苜蓿差异显著(P<0.05)。

陶湾流域SMB C，N，P含量变幅更大，变异系数更高(表2)。SMB C含量为7.46～438.1 mmol·kg-1，平均值为89.7 mmol·kg-1，变异系数为53.3%，SMB C含量平均为SOC的4.4%；SMB N为0.98～25.9 mmol·kg-1，平均值为7.9 mmol·kg-1，变异系数为57.3%，SMB N平均为TN的4.6%；SMB P为0.14～3.46 mmol·kg-1，平均值为1.19 mmol·kg-1，变异系数高达54.6%，SMB P含量平均为土壤TP的7.8%。莎草SMB C，N，P含量均为最高，蒙古蒿和紫花苜蓿SMB C，N，P含量较低。

2.2 土壤及土壤SMB C，N，P含量间的相关性

陶湾流域SOC含量与土壤TN含量正相关性(P<0.001)显著(图1)。SOC与TP之间的正相关性显著(P<0.001)，TN与TP之间的正相关性显著(P<0.001)，SOC与TN之间的相关系数比后二者的要高。

表2 陶湾流域5种草本植物SMB C，N，P元素含量Table 2 Statistical distribution of SMB C,N,P contents in five herb types of Taowan watershed

图1 陶湾流域草本植物土壤CNP含量的相关性Fig.1 Correlation of soil carbon,nitrogen and phosphorus contents of grassland in Taowan watershed

陶湾流域SMB C含量与SMB N含量呈显著的正相关关系(P<0.001)(图2)。SMB C与SMB P之间的正相关性显著(P<0.001)，SMB N与SMB P之间的正相关性显著(P<0.001)，SMB C与SMB N之间的相关系数比后二者高。与土壤C，N和P之间的相关性相比，SMB C，N和P之间的相关性均要明显高于土壤C，N和P之间对应的相关系数。

图2 陶湾流域草本植物SMB C，N，P含量相关性Fig.2 Correlation between soil microbial biomass carbon,nitrogen and phosphorus of grassland in Taowan watershed

2.3 土壤与土壤SMB C∶N，C∶P，N∶P比率

陶湾流域土壤C∶N比率范围为8.0～18.9，平均为11.7，变异系数为14.8%。土壤C∶N变异系数均远小于SOC(31.5%)及TN(29.3%)的变异系数，C∶N变化幅度受到明显限制(表1，3)；土壤C∶P比率范围为28.1～308.6，平均为128.6，变异系数为30.2%。土壤N∶P比率范围为3.2～48.5，平均值为11.0，变异系数为28.4%。土壤C∶P和N∶P的变异系数要比C∶N高的多。土壤C∶P和N∶P变异系数均小于土壤C，N，P的变异系数，C∶P和N∶P变幅同样受到限制；莎草、狗牙根和芒草土壤C∶N值差异不显著，紫花苜蓿和蒙古蒿草本植物C∶N值差异也不显著。C∶P和N∶P也有相似的规律性。

陶湾流域土壤C∶N∶P为128.6∶11∶1(质量比为49.8∶5∶1)。草本植被C∶N∶P比率排序为莎草>狗牙根>芒草>紫花苜蓿>蒙古蒿。土壤C∶N∶P原子比率值表征着不同的草本植物类型。如表3所示，芒草和莎草有着相近且较高的C∶N∶P比率，紫花苜蓿和蒙古蒿有着相似且较低的C∶N∶P比率，两类草本植物土壤C∶N∶P比率差异显著(P<0.05)。

表3 陶湾流域土壤C∶N，C∶P和N∶P原子比率Table 3 C∶N,C∶P and N∶P atomic ratios of soil in Taowan watershed

陶湾流域SMB C∶N比率范围为2.8～39.4(表4)，平均值为11.6，变异系数为24.1%；SMB C∶P比率范围为4.7～794.1，平均为75.4，变异系数为46.8%；SMB N∶P比率从0.7到60.0，平均值为6.6，变异系数为44.2%。SMB C∶P比率比C∶N比率更为分散。陶湾流域SMB C∶N∶P比率为75.4∶6.6∶1 (质量比为29.2∶3∶1)。与土壤相似，SMB C∶N，C∶P，N∶P比值的分布受到限制，SMB C∶N，C∶P，N∶P变异系数均小于SMB C，N，P值。

5类草本植物SMB C∶N比率差异均不显著，SMB C∶P，N∶P差异显著(P<0.05)。SMB C∶N∶P比率排序为莎草>芒草>狗牙根>蒙古蒿>紫花苜蓿。芒草和莎草有着相近的C∶N∶P比率，紫花苜蓿和蒙古蒿有着相似的C∶N∶P比率，二类C∶N∶P比率差异显著(P<0.05)。

表4 陶湾流域SMB C∶N，C∶P和N∶P比率Table 4 SMB C∶N,C∶P and N∶P ratios in Taowan watershed

2.4 土壤和SMB C∶N，C∶P，N∶P比率之间的相关性

由表5知，陶湾流域土壤和SMB C∶N，N∶P比率之间的相关性均不显著，C∶P相关性极为显著(P<0.001)；紫花苜蓿、蒙古蒿、狗牙根C∶N相关性显著，而芒草和莎草相关性不显著；紫花苜蓿N∶P相关性显著，其他草本植物相关性均不显著；所有草本植物C∶P相关性均显著(P<0.05)。

表5 陶湾流域土壤和SMB C∶N,C∶P和N∶P比率之间的Spearman相关性Table 5 Spearman correlation between C∶N,C∶P and N∶P ratios between soil and soil microbes in Taowan watershed

注：**在0.01水平上显著相关；*在0.05水平上显著相关

Note:**indicates significant correlation at the 0.01 level,and *indicates significant correlation at the 0.05 level

3 讨论

3.1 陶湾流域土壤及SMB生态化学计量

土壤是陆地生态系统供应和调节养分的基础。C，N，P元素含量及其比率关系是土壤元素循环的重要指标，能够体现生态系统功能的变异性，有助于确定相关生态过程对全球变化的响应。但有关土壤C∶N∶P元素比率关系的研究结果差异较大[15-16]。Tian等[17]使用中国土壤数据库，得出全国土壤C∶N∶P原子比平均为60∶5∶1(质量比为23.2∶23∶1)，但变化幅度比较大，没有良好的限制性。同时Tian等[17]认为全国热带和亚热带土壤C∶N∶P比值平均为78∶6.4∶1，0～10cm土壤C∶N∶P比值为136∶9.3∶1，二者均具有良好限制性。Li等[4]认为中国亚热带地区土壤C∶N∶P原子比率为80∶7.9∶1(质量比为31∶3.6∶1)，具有良好的限制性。陶湾流域草本植物土壤C∶N∶P比值平均为128.6∶11∶1(质量比为49.8∶5∶1)，具有很好的限制性。陶湾流域C∶N∶P比率远高于Tian等[17]对全国土壤CNP元素比的估算值，也高于Li等[4]的估算值，但低于Cleveland等[9]估算全球土壤比值186∶13∶1。中国土壤的C，N含量变化较大，总P含量偏低，土壤C∶P，N∶P比值较高[17-18]。本研究区域虽然在地理位置上接近于Li等[4]、Chen等[19]，但三个区域土壤原子C∶N∶P比值的研究结果并不一致，这说明土壤原子C∶N∶P异质性较大，地理位置、土地管理方式、土壤质地、植被类型等深刻影响着土壤C，N，P的含量，也可能是样点确定方法、指标测定方法等存在一定的差异。

SMB C∶N∶P比率差异较小。本研究中陶湾流域SMB C∶N∶P比率为75.4∶6.6∶1 (质量比29.2∶3∶1)，这与Li等[4]南亚热带SMB C∶N∶P比率70.2∶6∶1(质量比27.2∶2.7∶1)接近，也与全球SMB C∶N∶P比率60∶7∶1的比率[9]接近。土壤微生物主要由土壤中的细菌和真菌组成，微生物在土壤中分布并不均匀。微生物中的细菌具有严格的稳态平衡，微生物真菌并不具有稳态平衡的特性[20]。因此，随着土壤中细菌，真菌组成的变化，SMB C∶N∶P比率也发生了变化。Cleveland等[9]、Li等[4]和本研究中的SMB C∶N∶P化学计量数据来源于不同的区域，SMB受元素有效性、植被类型、水文特征、气候和人为干扰等不同生境的影响。SMB具有限制性特征的化学计量关系，证明存在类似于海洋Redfield比率关系。陶湾流域SMB C∶N，C∶P，N∶P具有较高的变异系数(24.1%，46.8%和44.2%)，不同草本植物SMB C∶N，C∶P，N∶P比率变化较大，这说明在特定区域内土壤SMB元素生态化学计量存在弱稳态性[21-25]。

陶湾流域土壤和SMB C∶N和N∶P之间的相关性均不显著，C∶P比率之间存在极显著的正相关，这表明陶湾流域SMB C∶P比率随着土壤环境中C∶P比率的变化而发生正向变化。只要土壤中有充足可利用的C，在SMB累积的P可能对土壤环境中的生物有效P产生积极的响应。这再次说明SMB可能不是一个稳态系统[4]，P元素是陶湾流域土壤微生物生产力的限制因子。陶湾流域土壤高度风化，P被土壤钙、铁和铝复合化合物强烈吸附或结合，土壤P元素可利用性很低[26]，SMB C∶P比率变幅较高。Cross等[21]研究认为细菌C∶P比率范围为5～370，真菌为300～1 190；Manzoni等[22]认为SMB C∶P比率范围为60～860；Li等[4]报道了中国亚热带地区SMB C∶P比率范围为7.3～249.3；陶湾流域SMB C∶P比率范围为4.7～794.1，更说明SMB C∶P比率不但变化程度高，且依赖于土壤资源环境的变化。陶湾流域土壤和SMB C∶N，N∶P之间相关性不显著，与Cleveland等[9]和Li等[4]的结果一致。同时，SMB C∶N比率范围大于土壤C∶N比率，这进一步说明微生物群落不是均衡系统。

3.2 草本植物对土壤及SMB生态化学计量的影响

陶湾流域草本植物土壤C∶N∶P比率也表现出明显的变化趋势。C∶N∶P比值顺序为莎草>狗牙根>芒草>紫花苜蓿>蒙古蒿。海拔、坡度、坡向、气候、植被类型和土地管理措施等的差异是造成土壤C∶N∶P比例差异的重要原因[4,9]。本研究中莎草土壤C∶N∶P比值(149.1∶12.3∶1)最高，与芒草和狗牙根接近。而紫花苜蓿(115∶10.8∶1)和蒙古蒿(94.5∶10.1∶1)最低。这可能是由于莎草、芒草和狗牙根根系发达，凋落物向土壤C的迁移、软化率较高，SOC含量较高。

草本植物SMB C∶N∶P与土壤中C∶N∶P并不相同，表现为莎草>芒草>狗牙根>蒙古蒿>紫花苜蓿。莎草和芒草SMB C∶N∶P接近，比值较高，而紫花苜蓿和蒙古蒿SMB C∶N∶P比值较低，两组C∶P差异显著，C∶N，N∶P差异不显著。与土壤C∶N∶P比值相比，SMB C∶N∶P在环境因子和植物种类的影响下，变化趋势并不明显。这说明SMB化学计量不但受植物的影响，也可能与其自身非常复杂的化学组成有关。陶湾流域草本植物表现出不同的SMB C∶N∶P比率，与土壤C∶N∶P比值变化规律完全不同，决定土壤C∶N∶P比例的影响因素，并不能用来解释SMB C∶N∶P比变化。

陶湾流域草本植物SMB C∶N∶P与Cleveland等[9]报道的全球森林SMB C∶N∶P (74∶9∶1)比值存在显著差异，也与Aponte等[27]报道的西班牙人工林(75∶9∶1)和天然林(85∶11∶1)差异明显。不同植物、气候、地理等条件的差异可能的土壤微生物群落结构和生物量差异和原因。

3.3 土壤及土壤微生物量生态化学计量的相关关系

陶湾流域草本植物土壤和SMB C∶P相关性极显著，C∶N和N∶P不显著的相关性说明SMB元素化学计量的弱稳态机制。不同草本植物类型中土壤和SMB C∶N，C∶P和N∶P复杂的相关关系进一步说明SMB C，N，P化学组分元素对土壤环境的不同程度的依赖性。

陶湾流域草本植物施用N，P肥行为极少。不同草本植物土壤与SMB C∶N，C∶P和N∶P间相关性仍不相同。紫花苜蓿C∶N，C∶P和N∶P比率相关性均显著，紫花苜蓿SMB C∶N，C∶P和N∶P比率均随土壤环境的变化而变化，受环境资源变化的影响和控制最强，即稳态性最弱[4]；蒙古蒿和狗牙根C∶N，C∶P相关性显著，而N∶P比相关性不显著，其稳态性可能稍强于紫花苜蓿；芒草和莎草仅有C∶P比率相关性显著，C∶N和N∶P相关性不显著，其内稳性可能高于蒙古蒿和狗牙根。紫花苜蓿的弱稳态机制可能是由于其枯落物量低，发生营养不良，凋落物对土壤腐殖质C的贡献量很小[28]，SMB就通过降低外源C利用效率[22]，来适应不良环境。研究区内土壤TN含量较高，可能是由于空气污染或N排放量的增加，N沉降增加[29-30]。不同草本植物土壤与SMB C∶N反馈机制仍不清楚。

4 结论

陶湾流域土壤C∶N∶P (128.6∶11∶1)和SMB C∶N∶P (75.4∶6.6∶1)生态化学计量比率均受限制，土壤C∶N∶P (128.6∶11∶1)低于全球土壤的186∶13∶1比值[9]，但高于中国亚热带土壤的80∶7.9∶1比值[4]；陶湾流域SMB C∶N∶P (74.7∶6.3∶1)接近于全球土壤的60∶7∶1比值[9]，也接近于中国亚热带SMB C∶N∶P(70.2∶6∶1)比值[4]。

受多种因素的影响，陶湾流域土壤与SMB C∶N，C∶P和N∶P存在有复杂的相关性，SMB C，N，P等元素化学计量存在弱的内稳态机制，不同草本植物土壤微生物内稳态强弱关系并不相同，紫花苜蓿内稳性最弱，莎草内稳性稍弱。我们的研究仅限于温带特定的草本植物，只有统计分析世界范围内不同的气候带、不同植被类型中的大样本数据，才能科学揭示土壤与SMB C∶N∶P比率间的关系模式和SMB元素化学计量的调节机制。