纳板河流域不同经济林地土壤生态化学计量变化特征研究

肖冬冬,尚海龙,王连晓

(1.凯里学院,贵州 凯里 556011；2.滇西应用技术大学,云南 大理 671006)

碳(C)是植物体干物质组成最主要的结构性元素,氮(N)和磷(P)是植物生长的必需矿质营养元素和生态系统常见的限制性元素,参与植物的关键生理活动过程[1]。因此,C,N,P在植物生长发育过程中具有重要作用,三者紧密联系,不仅参与地球化学元素循环过程,而且为植物的生长发育提供必需的营养元素[2]。生态化学计量学就是通过C,N,P元素之间的比值来揭示植物和土壤之间养分的调节机制[3],从而反映生物体对元素的需求,以及周围环境化学元素的平衡状况,揭示生物体之间、生物体与环境之间的相互关系[4],最终揭示土壤形成的基本规律即物质的地质大循环与生物小循环过程矛盾的统一[5]。

西双版纳纳板河流域在人为活动的急剧干扰下,土地利用/覆盖类型发生了极大变化,林地不断减少,以橡胶、茶园、甘蔗为主的经济作物增长迅速,导致土地利用方式发生不同程度的改变[6-8]。人为活动造成土地利用方式的转变势必会打破陆地生态系统原有的生态化学平衡,会显著改变土壤C—N、C—P、N—P的耦合关系[9]。土壤C,N,P作为重要营养元素和生态环境因子,其含量变化会影响土壤中有机物分解速率和养分的长期积累[10]。Guo等[11]综合分析全球数据表明:天然林转化为人工林和农田过程中土壤碳分别减少了13%和42%,而农田转变为天然次生林和人工林时,土壤碳分别增加了18%和53%；Fan等[12]研究发现,亚热带森林土壤C,P含量随树龄增大而降低,土壤与植物的C∶N,N∶P比显著相关,并且与林下生物量呈负相关关系。在对西双版纳地区的研究中表明,自然林转化为橡胶林后C,N含量和有效性降低,元素的迁移转化率变高,特别是0～20cm土层的C,N流失严重[13-15],而且林地被转化为农业或经济林用地后氮矿化速率显著降低[16]。目前,这些研究主要集中在表土层(0～20 cm),由于表土被认为是受自然和人为干扰最活跃的土壤层[2]。但是,Tesfaye等[17]指出,土地利用和土层深度是影响土壤C,N含量的两个重要因素,而且土壤养分变化与不同植被类型密切相关[14]。因此,本文结合不同林型和土壤深度来对纳板河流域土壤的养分含量和生态化学计量特征进行研究,以期为纳板河流域国家级自然保护区的土地利用管理和土壤保护提供一定的参考。

1 研究区概况

纳板河流域国家级自然保护区位于云南省西双版纳傣族自治州境内,处于景洪市与勐海县接壤处,东经100°32′～100°44′,北纬22°04′～22°17′,总面积26.6 km2。研究区自然条件复杂,地势呈西北高东南低,最高海拔2 304 m,最低海拔539 m。区内山地面积占总面积的99%,仅沿纳板河一带分布有不连续的小片台地。该流域属北热带南亚热带半湿润气候,年均温为18～22℃,年降雨量为1 100～1 600 mm,5—10月为雨季,11月至次年4月为干季[18]。植被类型多样,分布有热带雨林、热带季雨林、亚热带常绿阔叶林、落叶阔叶林、暖性针叶林、竹林、次生植被河滩灌丛和草丛等8个植被类型,13个亚型和24个群系；土壤类型丰富,海拔在800 m以下为砖红壤,800～1 500 m为红壤,1 500 m以上为山地红壤。根据国家自然保护区的划分原则和依据,纳板河自然保护区属森林和野生动物类型保护区。按照生态功能和人为活动程度的不同,将保护区划为核心、缓冲区和生产试验区[19]。

2 材料与方法

2.2 样品采集

2016年5月,在纳板河流域全面踏查的基础上,根据自然保护区土地利用现状,选取有代表性的5种经济林带,即茶树林、甘蔗地、橡胶林、火龙果地、香蕉地,以及没有开发利用的原始林地土壤作为研究对象。其中,茶树林地表除有少数枯枝落叶外,均为裸土；甘蔗地四周有次生林,地表有甘蔗枯枝焚烧的痕迹；橡胶林龄在15～20a生左右,林下有高约1 m的灌丛,枯枝落叶较多；火龙果地地表有少量杂草,人为填土明显；香蕉地林下有少量杂草；原始林上层为高大乔木,中间层为灌木丛,下层为低矮杂草丛,林间多腐枝落叶。分别在6种不同林型下按1 m间隔选择3个样方,采集0～10 cm,10～20 cm和20～40 cm的土壤样品,将每个样方的同一层土样混合。用自封袋和车载冰箱将土壤样品带回实验室后,立即去除土壤中的树根、石砾等杂质,敞开样品袋放于室内进行自然风干。样品风干后过0.25 mm筛,待用。

2.2 样品测定

2016年7—8月,在云南师范大学旅游与地理科学学院环境分析化学实验室完成了土壤C，N和P的相关测定。其中,土壤C含量采用(GB 7857-87)重铬酸钾氧化—外加热法测定；N含量采用(GB 7173-87)半微量开氏法测定；P含量采用(GB 7852-87)氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法测定。对土壤C,N和P储量的量化限定在0～40 cm土壤层,不包括地表凋落物成分。

2.2 数据处理

采用Excel 2010对数据进行统计整理,运用SPSS 22相应程序进行元素组分和生态化学计量比之间的相关性分析。

3 结果与分析

3.3 不同经济林地土壤C,N,P含量的垂直分布特征

无论是生态系统水平,还是植物个体水平,各元素都是相互影响的,研究其中一个元素在生态学过程中的作用,必须同时考虑其他元素的影响。在植物的个体水平上C,N,P等营养元素的分配及组成是相互联系的一个整体,它们之间的相互作用以及与外界环境的关系共同决定着植物的生长发育过程和营养水平[20]。对纳板河流域不同林型土壤中C,N,P含量的分析如图1所示。由图1可知,土壤中C含量变化范围为1.330～10.103 g/kg,N含量变化范围为0.051～1.324 g/kg,P含量变化范围为0.428～1.040 g/kg。

不同林型下土壤养分含量表现出明显差异,由图1(a)可知,C含量在垂直分布上除香蕉地表现出随着土层深度增加含量增加的趋势外,其余林地C含量均表现出随着土层深度增加而降低,呈现出“倒金字塔”分布趋势,降低幅度为22.464%～70.692%。由于表层土壤在耕作翻动过程中一定程度上促进了深层土壤碳释放,从而呈现出轻微碳丢失现象。各土壤层中火龙果地C含量均最低,0～10cm层甘蔗地C含量最高,达到10.103g/kg,比火龙果地C含量高出414.934%。10～20cm层和20～40cm层香蕉地C含量最高,分别是9.290g/kg和9.837g/kg,高出火龙果地相应土层C含量的391.795%和639.624%。由图1(b)可知,N含量表现出随着土层深度增加而波动降低的趋势,不同林型中原始林和多年生橡胶林N含量远低于经济林N含量。0～10cm层和10～20cm层甘蔗地N含量均最高,分别是1.324g/kg和1.043g/kg,高出原始林地相应土层的1 114.68 %和1 945.098%。由图1(c)可知,P含量表现出随着土层深度增加而降低的趋势,降低幅度不明显,仅为7.612%～33.365%。不同林型间原始林和多年生橡胶林P含量相似,且低于其他几种经济林地土壤P含量。

图1 不同经济林地土壤碳、氮、磷含量垂直分布Fig.1 Vertical distribution of carbon,nitrogen and phosphorus contents in soils of different economic forest lands

在对不同林型土壤C,N,P含量进行分析后可知,甘蔗地土壤表层中C,N,P含量均高于其他几种经济林地表层土壤,经实地调查发现甘蔗地有大量枯枝焚烧的痕迹,从而增加了表层土壤中养分含量。橡胶林土壤中C,N,P含量低于其他几种经济林地土壤,出现这种现象的原因可能是,本研究选取采集的是15～20a林龄橡胶林土壤,种植年限相对较长(橡胶树种植25年左右放弃割胶,重新翻种),从而降低了土壤中营养元素的累积。5种经济林土壤中火龙果地C含量明显低于其他几种经济林地,出现这种现象的原因是火龙果地在采样期间有人为填土的情况,且因火龙果为多年生攀援性多肉植物,林下凋落物少,腐殖质稀缺导致土壤C含量低。6种不同林型里面原始林地N,P含量远低于经济林地N,P含量,出现这种现象的原因是原始林较少受到人类活动干扰,N和P添加量远低于经济林土壤,因此土层间保留了较好的原生性,所以N,P含量远低于受人为干扰较强的经济林地土壤。

3.3 不同经济林地土壤C,N,P生态化学计量特征

以往研究表明,土壤C,N,P生态化学计量比受到地貌、气候、母质层、植被和土壤微生物以及土壤动物等成土因素以及人类经营活动的影响,空间差异性显著[21]。纳板河流域各种经济林地土壤因人类活动多元化而导致C,N,P生态化学计量比之间存在明显差异。

由图2(a)可知,0～10cm土层土壤C∶N变化范围为3.964～34.183,平均比值为14.728,不同林型间C∶N最高的是原始林土壤。10～20cm土层土壤C∶N变化范围为5.475～63.176,平均比值为20.936,不同林型间C∶N最高也是原始林土壤。20～40cm土层土壤C∶N变化范围为4.641～35.771,平均比值为16.077,不同林型间C∶N最高是香蕉地。各土壤层的C∶N平均值与我国热带、亚热带地区的红、黄壤C∶N相一致[22]。由于土壤有机质C∶N比与其分解速度成反比关系[22],所以本研究中原始林土壤表层和中间层以及香蕉地下层土壤的矿化和腐殖化较难进行,分解慢,形成的腐殖质量多,这与实际观测结果一致。总体来看,纳板河流域各种经济林地土壤中C∶N呈现出表层和下层低,中间层高的纺锤式分布类型。

图2 不同经济林地土壤碳、氮、磷生态化学计量比Fig.2 Eco-stoichiometric ratio of carbon,nitrogen and phosphorus in soils of different economic forest lands

土壤C∶P是衡量微生物矿化土壤有机物质释放磷或从环境中吸收固持磷潜力的一个指标[21]。在对纳板河流域不同林型土壤研究中发现(图2(b)),0～10cm土壤层C∶P变化范围为2.532～9.714,平均比值为6.797,变异系数为0.402%,C∶P最小是火龙果地,C∶P最大是甘蔗地。10～20cm土壤层中C∶P变化范围为2.532～13.103,平均比值为6.787,变异系数为0.543%,其中C∶P最小是火龙果地,C∶P最大是香蕉地。20～40cm土壤层中C∶P变化范围为1.858～14.174,平均比值为6.212,变异系数为0.681%,其中C∶P最小是火龙果地,C∶P最大是香蕉地。由于C∶P与土壤P有效性呈反相关关系,所以纳板河流域几种经济林土壤中,火龙果地土壤P供应量和有效性最高。而甘蔗地和香蕉地土壤中因含有较多腐殖质促使有机碳含量较高,从而获得明显较高的C∶P。

森林土壤N,P含量直接影响植物生长发育,常被作为判断植物生长是否受到限制的两种元素,在一定程度上调节着植物C∶N和C∶P比值[23-24]。如图2(c)所示,纳板河流域不同经济林地土壤中,0～10cm土壤层的N∶P变化范围为0.195～1.273,平均值为0.645,变异系数为0.643%；其中N∶P最低是原始林,N∶P最高是甘蔗地。10～20cm土壤层N∶P变化范围为0.091～1.058,平均值为0.540,变异系数为0.665%；这一土壤层中N∶P最低是原始林,最高是甘蔗地。20～40cm土壤层N∶P变化范围为0.179～1.165,平均值为0.537,变异系数为0.754%；不同林地间N∶P最低是火龙果地,最高是茶树林。植株出现高P、低N∶P的快速生长特征是因为其提高了对富含P的rRNA资源的分配[25],本研究中原始林和橡胶林在高生长速率的支配下,且原始林和即将放弃割胶的橡胶林的人为活动对土壤N添加量不明显,所以呈现出较低的N∶P比值。而经济价值高的甘蔗地因长期获得较高N添加量,所以表现出较高N∶P比值。

3.3 土壤养分含量与化学计量比之间的相关分析

从纳板河流域不同林型土壤之间C,N和P含量以及不同元素之间化学计量比进行相关性分析的结果(表1)可知,土壤中C,N,P以及N∶P之间呈现出极显著正相关关系(P<0.01),表明化学计量比N∶P与土壤中的全量元素之间关系紧密。由于土壤中存在较多动植物残体分解,是重要的碳库和氮库,因此化学计量比C∶N和N,P之间关系显著(P<0.05)。C与C∶P之间呈现出极显著正相关关系(P<0.01),与N∶P之间呈现出显著正相关关系(P<0.05),进一步说明了土壤碳汇功能的强弱与土壤元素化学计量比的变化具有一致性。

表1 土壤养分含量与化学计量比之间的相关性分析Tab.1 Correlation analysis between soil nutrient content and stoichiometric ratio

4 结论与建议

纳板河流域不同林型中原始林和多年生橡胶林因较少受到人类活动扰动,呈现出较低的C,N和P含量,而且因为原始林和橡胶林林下枯枝落叶较多,其土壤矿化和腐殖化较慢,土壤中碳的分解速率可能超过了凋落物和根茎沉积的碳输入速率,形成高腐殖质现象,导致了高C∶N和高C∶P化学计量比。经济林地中火龙果林下人为填土明显,土壤P有效性最高,致使出现低C∶P化学计量比。不同林型土壤中C,N和P含量与化学计量比之间的相关性说明,土壤碳汇功能的强弱与土壤元素化学计量比变化之间具有一致性。

综上所述,通过用原始林和不同种类经济林地土壤作对比分析来看,人类活动不同程度影响了纳板河流域的土壤C,N和P含量以及各元素之间的生态化学计量比。尽管目前未造成负向影响,但对于以小流域生物圈保护为出发点的综合型自然保护区来说,经济作物的种植势必会改变土壤理化性质,特别是土壤中碳的积累程度。这种程度的扰动会导致生物圈的间接受损,应该受到重视。另外,本文只选取了不同林型下的土壤来做研究,但是对于区域尺度生态化学计量的研究来说,应该结合土壤—凋落物—植被一起分析。