雾灵山不同海拔土壤养分及其生态化学计量特征

陈珍珠,杨苗,王华玲,3,樊晓亮,崔华蕾,李会平,3

(1河北农业大学 林学院, 河北 保定 071000; 2河北雾灵山国家级自然保护区管理中心,河北 承德 067300; 3河北省城市森林健康技术创新中心, 河北 保定 071000)

土壤是生态系统的重要组成之一,是植物赖以生存的基础。土壤养分是指土壤中贮存的碳、氮、磷、钾等营养元素,是养分循环的重要的物质和能量来源[1]。土壤生态化学计量比可以直观反映碳氮磷等元素在土壤中动态变化情况,通过对土壤中碳、氮、磷元素化学计量特征的研究,可以明确土壤养分与植物间的相互关系及整体循环过程[2]。其中,碳氮比(C∶N)反映土壤有机质的积累或分解状况,是衡量碳氮营养情况的重要指标[3]。碳磷比(C∶P)是反映植物生长速度和衡量磷素矿化能力的重要指标[4]。氮磷比(N∶P)则反映了土壤养分的供给情况[5]。在山地条件下,海拔梯度是影响土壤养分含量及分布的主要因子[6]。不同海拔梯度导致土层质地、植被类型和环境因子(温度、降雨量)等条件不同,进而影响土壤养分含量和各养分之间的平衡关系,土壤C∶N∶P的比值也有类似的变化[5]。例如：Muller等研究发现,高寒地区的土壤C∶N、N∶P随海拔的升高显著增加,表明土壤养分受氮、磷元素的限制,可能是由于矮灌木植被的凋落物较少,有机质少量积累[5]。姜哲浩等研究表明,三江源区土壤C∶N,C∶P,N∶P均随海拔的增加先升后降,N∶P受海拔因子显著影响[7]。张莎莎等对不同海拔杉木人工林土壤研究表明,土壤有机碳、全氮、全磷、其化学计量比的垂直分布受海拔高度显著影响[8]。因此,探究土壤养分及化学计量海拔变化特征,可以提高对养分有效性及其潜在生长限制的认识,有助于了解土壤养分的循环过程。

雾灵山地理位置独特,森林植被覆盖率高,动植物资源丰富,是研究土壤养分循环的天然实验室[9]。近年来,有关雾灵山土壤养分的研究主要集中于不同林分、低海拔土地利用类型等方面,关于雾灵山不同海拔土壤生态化学计量特征的研究还未见报道[10-11]。因此,本研究以雾灵山保护区不同海拔梯度的土壤为研究对象,分析土壤养分含量和化学计量特征沿海拔梯度和土层的分布规律;通过土壤养分含量与生态化学计量比之间的相关性分析揭示其变化规律,为雾灵山森林生态系统可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

雾灵山国家级自然保护区(E 117°17′～117°35′,N 40°29′～40°36′)位于河北省兴隆县(暖温带湿润季风气候),总面积共14 246.9 hm2,其中有林面积达10 522 hm2,试验区面积达8 047.9 hm2。雾灵山年均气温7.6 ℃,年均降水量可达763 mm,海拔高度为450 ～2 118.2 m。土壤以褐土和棕壤为主[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与采样 2020年9月于研究区海拔800～2 000 m范围内,共设置7个梯度,各海拔梯度间隔200 m选择3个样地,并对样地的地形地貌、坡向、岩石类型、植被类型、海拔高度等条件进行记录。在每个样地内,选择适当的土壤剖面点去除土层上的枯落物,挖掘土壤剖面并对土壤剖面O(枯枝落叶层)、A(腐殖层)、B(淀积层)、C(母质层)4层进行形态描述。样地的基本情况见表1。采用五点取样法对A、B、C层土壤进行取土,各土层留取1 kg土样带回实验室。

表1 雾灵山自然保护区样地基本概况Table 1 Basic characteristics of sample plot in Wuling Mountain National Nature Reserve

1.2.2 样品处理与测定 将土样自然风干后,去除杂物磨碎过1 mm和0.149 mm筛,将过筛后的土样用封口袋暂存。雾灵山土壤养分均参考《土壤调查实验室分析方法》中的描述进行有机碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AK)、速效磷(AP)、速效钾(AK)含量及pH值的测定[13]。

1.3 数据处理与分析

采用IBM SPSS 24.0对雾灵山不同海拔和土层间的土壤养分含量变化及其化学计量特征进行双因素分析,同时计算Pearson相关性。采用Canoco 5.0软件对各指标进行主成分分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 雾灵山不同土层土壤养分及其化学计量特征的差异

雾灵山不同土层土壤养分含量变化见表2,不同土层土壤化学计量特征见表3。

表2 雾灵山自然保护区不同土层土壤养分含量变化Table 2 Changes of soil nutrient content in different soil layers in Wuling Mountain National Nature Reserve

表3 雾灵山自然保护区不同土层化学计量特征Table 3 Stoichiometric characteristics in different soil layer in Wuling Mountain National Nature Reserve

由表2可知,雾灵山土壤pH值、OC、TN、TK、AN、AP和AK均受土层影响显著(P<0.05)。土壤pH值随土层的加深呈现上升趋势,A层最低,C层最高。土壤OC、TN、TK、AN、AP和AK含量均随土层加深而呈现下降的趋势,且A层的含量均显著高于其他土层,呈明显的表聚集现象。另外,除P∶K外,其余化学计量比均受土层影响显著。总体上来看,C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K随土层加深呈现逐渐下降的趋势,且A层比值显著高于C层(表3)。

2.2 雾灵山不同海拔土壤养分及其化学计量特征的差异

雾灵山不同海拔土壤养分含量变化见表4,不同海拔土壤化学计量特征见表5。

表4 雾灵山自然保护区不同海拔土壤养分含量Table 4 Soil nutrient contents at different elevations in Wuling Mountain National Nature Reserve

表5 雾灵山自然保护区不同海拔化学计量特征Table 5 Stoichiometric characteristics at different elevations in Wuling Mountain National Nature Reserve

由表4可知,雾灵山土壤pH值、OC、TP、TK、AN和AP含量受海拔显著影响(P<0.05)。随海拔的升高,土壤OC含量呈“V”型变化趋势;土壤TP、TK含量主要呈现“M”型变化趋势;AN含量呈现“N”型变化趋势;pH值与AP含量呈波形变化趋势;TN和AK则无显著变化趋势。另外,海拔梯度变化也显著影响了土壤C∶P、N∶P和P∶K比(P<0.05)。随着海拔的升高,C∶P,N∶P呈现“W”型变化趋势,在海拔1 400 m处最高;P∶K呈现“M”形变化趋势,在海拔1 200 m处最高;C∶N、C∶K和N∶K则无显著变化趋势(表5)。

2.3 雾灵山土壤养分与化学计量比的相关性

对雾灵山土壤养分与生态化学计量特征进行主成分分析见图1,相关性分析见表6。

图1 雾灵山自然保护区土壤养分及化学计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代表腐殖层;B代表淀积层;C代表母质层;1～7依次代表800～2 000 m的7个海拔梯度。

由图1可知,土壤养分和化学计量比累计贡献率为70.13%,可以基本反映土壤情况。其中,第一主成分贡献率分别为50.12%,第二主成分贡献率为20.01%。第一主成分主要与除pH值呈负相关外,与OC、TN、TK、AN、AP、AK、C∶N、C∶K、N∶K均呈正相关;第二主成分主要与P∶K、TP呈负相关,但与N∶P呈正相关。

通过皮尔逊相关系数进行分析可知(表6),pH值与AK呈极显著中度负相关(0.5<|r|<0.8,P<0.01),OC与TN、TK、AK呈极显著中度正相关(0.5<|r|<0.8,P<0.01);TN与TK、AK呈极显著中度正相关;C∶N与OC、C∶P呈极显著中度正相关;C∶P与OC、AK、N∶P呈极显著中度正相关;C∶K与OC、N∶K呈极显著中度正相关;N∶P与TP、P∶K呈极显著中度负相关;N∶K与TN呈极显著中度正相关;P∶K与TP呈极显著中度正相关。

表6 雾灵山自然保护区土壤养分和化学计量特征的相关性分析Table 6 Correlation analyses of soil nutrients and stoichiometric characteristics of Wuling Mountain National Nature Reserve

3 讨论

雾灵山自然保护区土壤pH值变化范围为5.90～6.32,呈弱酸性。这是因为雾灵山地区降水充沛,淋溶作用强烈造成土壤pH值降低,形成弱酸性土壤[14]。土壤pH值随土层加深而增加,和刘月华等在甘南高寒草甸草原的研究结果一致,原因是由于土壤表面枯落物中的有机质在分解时产生了一些酸性的中间产物,如单宁、有机酸等,导致土壤表面酸性大于深层[15]。随海拔增高,雾灵山土壤OC和TN含量整体呈上升趋势。其原因可能是,海拔升高而气温逐渐下降,有机质分解和氮矿化速率减慢,导致OC和TN含量不断积累[16-17]。此外,在同一土壤剖面中,除TP外,其余土壤养分含量均随土层的增加而降低,且呈现明显的表聚集现象,这与王慧元等对雾灵山的5种人工纯林土壤养分研究结果一致[10]。可能是植被凋落物的积累和分解都聚集在土壤表面,表层的透气性和温湿条件都比深层土壤好,有助于土壤养分的快速分解,导致土壤养分含量明显高于深层土壤[18]。

碳、氮、磷等化学计量比的平衡关系可以反映土壤养分间的状况,对养分循环具有重要的意义[19]。C∶N反映土壤有机质的积累或分解状况,是衡量碳氮营养情况的重要指标[3]。当C∶N<25时,氮素快速矿化和释放;当C∶N=25时,氮素矿化与固定达到平衡状态;C∶N>25时,可促进微生物的同化[20]。本研究中,不同海拔土壤C∶N介于7.76～13.40(显著低于25),说明雾灵山土壤有机质的矿化和氮素的释放速率快,有助于植物吸收营养。C∶N在海拔2 000 m处最高,且不同海拔间土壤C∶N变化趋势不显著,表明碳、氮二者的积累和分解过程稳定,这与赵雯等在高寒地区的研究结果一致[21]。C∶P是反映植物生长速度和衡量磷素矿化能力的重要指标,当C∶P<200时,土壤有机质分解过程中倾向于释放磷[4]。雾灵山地区各海拔梯度C∶P的范围为19.06～52.01,显著低于200,体现了该研究区土壤较好的养分释放性能和相对丰富的磷含量。N∶P是氮素饱和的养分限制阈值标准,也可指示土壤营养成分对植物生长的供给情况[8]。当N∶P<14时,土壤养分受氮素限制;当N∶P>16时,土壤养分受磷素限制;当14

本研究区的土壤养分与化学计量比之间主成分分析和相关性分析表明,土壤OC与TN、TK、AK、C∶N、C∶P和C∶K之间呈中度正相关关系。研究结果与张莎莎等在天马国家自然保护区不同海拔杉木人工林研究结果类似,该结果的出现原因在于OC为土壤养分的主要组成,不仅在养分循环过程中起到关键作用,还反映了养分间的平衡关系[8]。C∶N与OC的相关性大于TN,C∶P与OC的相关性大于TP,C∶K与OC的相关性大于TK,这表明C∶N、C∶P、C∶K主要受OC的影响,与董廷发在不同海拔云南松林的研究结果一致[24]。N：K主要受土壤TN含量的影响,呈显著正相关关系;P∶K主要受TP含量的影响,呈显著正相关。由此可知,雾灵山保护区内土壤养分间具有一定的相关性,每种养分含量的增减,都能对土壤中其他养分的提供带来不同的影响。

4 结论

本研究通过比较雾灵山不同海拔梯度的土壤养分及其生态化学计量特征,发现雾灵山土壤pH值呈弱酸性,土壤养分含量达到了中等偏上水平,这与其植物覆盖度高是密切相关的。土壤OC受土层、海拔的显著影响,且OC与TN、TK、AK、C∶N、C∶P和C∶K之间呈中度正相关关系,说明OC是雾灵山土壤养分的关键因子,其含量的增减会影响土壤中其他养分供应,从而影响其他养分含量的变化。