秦岭中段太白山以北不同海拔土壤碳·氮·磷生态化学计量特征

李丹 范拴喜 孙旻涵 黄意成

摘要 ［目的］探究秦嶺中段太白山以北土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征。［方法］在秦岭中段太白山以北选取4个不同海拔梯度（1 500、1 800、2 100、2 400 m）的0～20、20～40、40～60 cm土层取样，测定分析土壤有机碳、总氮、总磷含量及变化特征，并计算分析生态化学计量特征。［结果］土壤有机碳、总氮和总磷的平均含量分别为31.72、3.36、0.29 g/kg，随着海拔增加，土壤整体的有机碳、总氮和总磷均呈先升后降趋势；土壤C/N、C/P、N/P的均值分别为9.58、94.45和10.02，随着海拔增加，土壤整体的C/N呈下降趋势，N/P呈上升趋势，C/P无明显变化；0～20 cm土层的C/P、N/P均显著高于20～40和40～60 cm土层，而海拔2 100～2 400 m处不同土层的C/N之间无显著差异，且土壤C、N之间具有较高的耦合性；在20～40和40～60 cm土层中，海拔2 100～2 400 m处的土壤C/P、N/P均高于1 500～1 800 m，1 500～1 800 m处C/N高于其他海拔。［结论］该地区土壤养分及其化学计量特征随海拔有明显变异，总体表现为碳、氮含量丰富，磷缺乏，应适量增施磷肥，重视土壤保育工作。

关键词 海拔；土壤有机碳；总氮；总磷；含量；生态化学计量特征；土层深度；秦岭

中图分类号 X144 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）09-0049-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.013

Abstract ［Objective］To investigate the contents of soil carbon，nitrogen and phosphorus and their ecological chemometric characteristics in soils from north of the Taibai Mountains in the middle part of the Qinling Mountains.［Method］This study selected soil samples from 0-20，20-40 and 40-60 cm at four different elevation gradients （1500，1800，2100 and 2400 m） north of the Taibai Mountains in the middle part of the Qinling Mountains，the contents of soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus and their variation characteristics were determined and analyzed，and the ecological chemometric characteristics were calculated and analyzed.［Result］The average contents of soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus were 31.72，3.36 and 0.29 g/kg，respectively，and the soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus showed an increasing first and then decreasing trend with increasing altitude.The average values of soil C/N，C/P，and N/P were 9.58，94.45，and 10.02，respectively.With the increase of altitude，the overall C/N of the soil showed a downward trend，while N/P showed an upward trend，with no significant change in C/P.The C/P and N/P in 0-20 cm soil layer were significantly higher than those of 20-40 and 40-60 cm soil layer，while there was no significant difference between the C/N of different soil layers at altitude 2100-2400 m，and there was a high coupling between soil C and N.In the soil layers of 20 - 40 and 40 -60 cm，the soil C/P and N/P at altitude 2100 - 2400 m were higher than those at 1500-1800 m，and the C/N at 1500-1800 m was higher than those at other altitudes.［Conclusion］The soil nutrients and their stoichiometric characteristics in this area have obvious variation with altitude，and the overall performance is rich in carbon and nitrogen and deficient in phosphorus，which should be appropriately increased with phosphorus fertilizer and attention to soil conservation work.

Key words Altitude; Soil carbon;Total nitrogen;Total phosphorus;Content;Ecological stoichiometry characteristic;Soil depth; Qinling Mountains

基金项目 陕西省科技厅自然科学基金项目（2020SF-438）。

作者简介 李丹（1997—），女，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向土壤改良。*通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事土壤改良研究。

生态化学计量学是研究生态系统内各组分能量以及多种化学元素之间平衡的科学，对于研究生物地球化学循环和生态系统稳定性等有重要意义［1-2］。土壤作为生态系统重要组成部分，不仅为植物及微生物提供营养，而且土壤中的碳、氮、磷等元素影響植物生长、微生物动态、凋落物分解以及土壤养分的积累与循环等［3］。目前国内土壤生态化学计量学研究主要集中在不同植被［4］、不同土地利用方式［5］、不同海拔［6］等方面的差异分析。近年来土壤随海拔条件的变化引起大量关注，这是由于海拔变化对土壤性质、植被分布以及凋落物都有很大影响［7］ ，而这些因素又会直接或间接影响土壤养分［8］。因此，研究不同海拔土壤养分及其生态化学计量特征有重要意义。张广帅等［9］对泥石流频发区的研究表明，土壤碳、氮及其生态化学计量比均随海拔升高而升高，全磷随海拔升高而下降；李新星等［10］研究表明，马衔山土壤碳、氮、磷含量和生态化学计量比随海拔变化呈现出不同的特征；李丹维等［11］对太白山研究表明，土壤碳、氮、磷含量随海拔升高变化不显著，其生态化学计量比在不同海拔上呈现较大的空间变异。

秦岭中段太白山以北属于太白县管辖范围内，该区域是陕西省海拔最高县城，其独特的气候条件和地理位置，造就了森林等各种丰富的自然资源，对西北地区生态保护有重要意义。该区域目前有关太白山生态化学计量特征的研究多集中在太白山栎属树种中［12］，对不同海拔土壤碳、氮、磷生态化学计量特征的研究较少。该研究以秦岭中段太白山以北作为研究区域， 运用生态化学计量学理论来研究不同海拔土壤碳、氮、磷分布特征，旨在分析该区域土壤碳、氮、磷含量和生态化学计量比垂直变化特征以及土壤碳、氮、磷含量与计量比之间的关系，以期深入认识该区域土壤碳、氮、磷地球化学循环，对掌握太白山以北区域不同海拔土壤养分分布状况和推动秦岭生态环境可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于太白县（107°03′00″～107°46′40″E、33°38′13″～34°09′55″N），属于暖温带半干旱型大陆季风气候，带有大陆性季风气候与高山气候交汇的特征，年平均气温7.7 ℃，无霜期158 d。该试验中样品采集范围在海拔1 500～2 400 m。海拔1 500 m处为阔叶林，海拔1 800 m处为针阔叶混交林，海拔2 100和2 400 m处为针叶林。

1.2 土壤样品采集

2020年8月，在海拔1 500～2 400 m按每300 m为 1个海拔梯度，按照“S” 型取样法在各海拔梯度内选取8个代表性样点，按 0～20、20～40、40～60 cm层次，用土钻分层取土，同层土壤混匀为1个混合土样，去除枯枝落叶和石砾等杂质后装入自封袋，共采集96个土样。土壤混合样品室内风干后过100目筛。

1.3 测定方法

土壤分析参照鲍士旦《土壤农化分析》［13］中的方法。总氮（TN）的测定采用凯氏定氮法；总磷（TP）的测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法；土壤有机碳（SOC）的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法。

1.4 数据处理

该研究中土壤C、N、P生态化学计量比均为元素质量比。利用SPSS 17.0 软件计算不同海拔梯度土壤的SOC、TN、TP以及C/N、C/P、N/P等指标的平均值（Mean）、标准差（SD），并对不同海拔和土层的土壤养分指标进行单因素方差分析和最小显著差数法（LSD）多重比较。采用Pearson相关系数法分析土壤中各养分元素的含量及其生态化学计量间的相关性。利用Microsoft Excel 2010软件对数据进行前期处理与作图。

2 结果与分析

2.1 不同海拔土壤C、N、P含量特征 从图1可以看出，土壤SOC、TN和TP含量在不同海拔和剖面上存在不同程度的差异，土壤SOC含量在0～20 cm土层为28.86～34.77 g/kg，均值为31.72 g/kg，20～40 cm土层为21.37～27.44 g/kg，均值为24.17 g/kg，40～60 cm土层为15.40～21.06 g/kg，均值为18.66 g/kg。土壤SOC含量随海拔升高呈现先增后减的趋势，SOC含量1 500～2 100 m明显增加，且在2 100 m达到最大；海拔2 100～2 400 m变化不明显。土壤TN含量在0～20 cm为2.80～3.84 g/kg，均值为3.36 g/kg，在20～40 cm为2.02～3.00 g/kg，均值为2.51 g/kg，在40～60 cm为1.28～2.52 g/kg，均值为2.06 g/kg；土壤TN含量在海拔2 100 m处与2 400 m处无显著差异，在2 100 m处高于其余海拔。土壤TP含量随海拔增加无明显变化趋势；其中0～20 cm层为0.26～0.30 g/kg，均值为0.29 g/kg；20～40 cm层为0.23～0.28 g/kg，均值为0.26 g/kg；40～60 cm层为0.23～0.25 g/kg，均值为0.23 g/kg；TP 含量在2 100 m处达到最大，在海拔1 500 m处最小，且表层土壤 TP 含量普遍高于中下层。

不同剖面上土壤SOC、TN和TP含量均随土层深度增加呈现垂直波动减小的变化规律。不同层次土壤SOC含量差异显著，峰值出现在0～20 cm土层，同一土层海拔2 100 m处SOC含量高于其他海拔。除海拔1 800 m处中下土层TN含量差异不显著外，其余各海拔处不同土层土壤TN含量存在显著差异；各海拔处TN含量峰值出现在0～20 cm土层，同一土层海拔2 100 m处TN含量高于其他海拔。海拔1 500 m处0～20 cm土层土壤TP含量与中下层差异显著，其余各海拔TP含量0～20 cm与20～40 cm土层差异不显著。

对不同海拔0～60 cm整体土壤的SOC、TN和TP分别进行线性回归分析，结果显示（图2），SOC和TN、SOC和TP、TN和TP之间均存在显著的正向相关关系（R2=0.856 7，P<0.01；R2=0.768 0，P<0.01；R2=0.761 6，P<0.01）。這表明研究区土壤的SOC、TN、TP的空间分布在一定程度上存在相互耦合的关系。

2.2 不同海拔土壤生态化学计量特征

从图3可以看出，土壤C/N、C/P和N/P在不同海拔和剖面上存在不同程度的差异。土壤C/N在0～20 cm土层为9.05～10.31，均值为9.51，20～40 cm土层为8.55～11.16，均值为9.82，40～60 cm土层为8.37～12.09，均值为9.42；土壤C/N随海拔升高呈现减小的趋势；0～20 cm土层C/N在海拔1 500～1 800 m处无显著差异，1 800～2 100 m呈显著降低趋势，2 100～2 400 m处无显著差异。随海拔增加，土壤C/P呈现出先升后降的变化规律；土壤C/P在0～20 cm土层为107.30～112.03，均值为110.71，在20～40 cm土层为89.88～98.55，均值为92.95，在40～60 cm土层为68.28～86.48，均值为79.70；0～20 cm处土壤C/P在各海拔处无显著差异。土壤N/P随海拔增加呈现先增后减的趋势；其中0～20 cm土层为10.58～12.65，均值为11.69；20～40 cm土层为8.09～10.81，均值为9.57；40～60 cm土层为5.68～10.28，均值为8.79；N/P在2 100 m处达到最大，在海拔1 500 m处最小。

垂直剖面上，土壤C/N基本随土层深度增加呈现先增后减的趋势，土壤C/P和N/P均随土层深度增加呈现垂直波动减小的变化规律（图3）。除海拔1 800 m处C/N在0～20 cm和20～40 cm差异显著外，其余各海拔在0～20 cm和20～40 cm差异均不显著，C/N峰值出现在20～40 cm处，同一土层海拔1 500 m处土壤C/N高于其他海拔。除2 400 m处土壤C/P在中下层间差异不显著外，其余各海拔不同土壤C/P土层间差异显著，各海拔处C/P峰值均出现在0～20 cm土层。N/P在各海拔处0～20 cm土层最高，1 500 m处不同土层间N/P差异显著，1 800～2 400 m处0～20 cm土层均显著高于20～40、40～60 cm，但20～40 cm与40～60 cm无显著差异。

3 讨论

3.1 不同海拔土壤碳、氮、磷特征

C、N、P作为土壤营养元素，对土壤肥力、植物生长发育以及物质循环过程都有影响，其含量高低主要受到气候、植被、生物、地形等因素的综合作用［14］。该研究显示，研究区域0～20 cm土壤SOC、TN、TP含量均值分别为31.72、3.36、0.29 g/kg与全国土壤C、N、P平均含量（0～10 cm土壤C、N、P平均含量分别为24.56、1.88、0.78 g/kg）［15］相比，SOC和TN含量均高于全国水平，TP含量低于全国水平，说明该地区碳、氮含量丰富，缺乏磷素。

该研究发现，土壤C、N、P随土层深度变化而变化。各海拔土壤SOC、TN、TP的含量随土层加深均呈减少的趋势，其中C、N含量在表层与中下层间显著下降，而TP含量下降趋势不明显，这与张广帅等［9］的研究结果一致。土壤C、N显著下降的原因是受土壤母质、水热条件、枯落物分解以及植物吸收利用等因素的影响［16］，尤其是表层土壤植被凋落物分解较多，合成的有机质也较多，使得养分聚集在表层，受水分向下迁移影响，从表层到底层逐渐减小。而土壤TP空间变异性小主要是由于土壤TP主要来源于成土母质中的磷素，受其他因素（干湿沉降、动植物残体、微生物活动）影响较小［17］，其含量一般较为稳定。

张继平等［18］研究发现，土壤养分随海拔的变化呈现出不同的特征。该研究发现，随海拔的升高，表层土壤SOC含量总体呈先升高再降低的趋势。海拔1 500～2 100 m表层土壤SOC含量随海拔升高而升高，这与李新星等［10］的研究结果一致。在该研究区，1 500～2 100 m随着海拔升高，温度下降，降水增多，植被类型更加丰富，凋落物种类及数量增多，土壤微生物活性减弱，有机质矿化速率减慢，使得有机碳积累量增加； 而2 100～2 400 m土壤SOC含量减少，可能是由于气温过低，使得土壤微生物数量减少，土壤有机碳积累速率降低。因此，在一定海拔范围内，土壤有机碳含量随海拔增加而增加，当海拔达到一定高度后，土壤有机碳会由增加变为减少趋势。土壤N素主要来源于动植物残体的分解、植被根系的固氮作用和大气氮沉降［19］。随海拔升高，有机质分解速度减缓，所需的氮素减少，氮素积累增加，有机碳含量也增加。该研究区土壤TP随海拔升高无显著变化，这与李丹维等［11］在太白山的研究结果一致。研究表明，土壤TP含量高低大多受成土母质和成土作用影响［20］，短时期内随环境的变化较小，因此土壤TP随海拔变化空间变异较小。

3.2 不同海拔土壤碳、氮、磷生态化学计量特征

不同海拔土壤C、N、P生态化学计量值可以用作土壤养分限制和C、N、P饱和诊断预测性指标［21］。该研究区域不同海拔土壤C/N介于8.37～12.09，其均值为9.58，低于全国平均值（11.9）［22］；C/P介于68.28～112.03，其均值为94.45，高于全国平均值（61）［22］；N/P介于5.68～12.65，其均值为10.02，高于全国平均水平（5.2）［22］。

有研究表明，土壤C/N越低，有机质分解速度越快；相反，土壤C/N越高，有机质分解速度越慢［4］。该研究区土壤C/N低于全国平均值，说明该区域有机质矿化分解速率较高。随海拔升高，土壤C/N整体表现出降低的趋势，这与朱秋莲等［4］的研究结果相同。这可能是由于随着海拔的升高， C、N增加速率不一致，有机质矿化速度较快，释放氮素较多，导致C/N较低。王绍强等［1］研究发现，不同土壤生态系统的C/N保持相对稳定，该研究中也呈现出此规律，土壤C/N变化范围较小，这是由于土壤SOC与TN之间存在显著的正相关关系， C、N作为有机质的结构性成分，二者的积累和消耗过程较为稳定。海拔1 500 m处0～40 cm土层与40～60 cm土层间C/N差异显著，1 800 m处各土层间C/N差异显著，2 100～2 400 m处不同土层深度C/N无显著差异。

土壤C/P可以作为判断土壤微生物矿化释放P或固持吸收P的指标［23］，较高的C/P是磷有效性低的表征［1］。该研究区不同海拔土壤C/P均值高于全国平均值，说明该区域磷有效性较低，微生物分解释放磷的能力较弱，磷素缺乏，植物生长受到磷的限制。随海拔升高C/P呈现出先升高后下降的趋势，但各海拔差异不大，这与赵维俊等［24］对祁连山青海云杉林土壤的研究结果一致。土壤C/P随土层加深而下降，这主要是由于随土层加深，微生物活性降低，有机质分解过程受到抑制，积累量减少，TP较缺乏导致的。

土壤N/P可以用来判断土壤氮素是否饱和以及确定土壤养分限制的阈值［23］。该研究区土壤N/P均值高于全国均值，表明研究区土壤氮素饱和，可以供植物生长发育。赵维俊等［24］研究指出N/P高可能是由于研究区磷较少造成的，该研究中也发现类似的结果。随海拔升高，土壤N/P整体表现为增加的趋势，这与Nottingham等［25］的研究结果相同。这可能是由于研究区土壤TN随海拔整体增加，而磷素缺乏导致的，这也恰恰说明磷为该区域土壤养分的限制性因子。土壤N/P随土层加深而下降，这可能与土壤氮素积累在土壤表面，而磷素在垂直方向上变化不大有关。

综上所述，不同海拔土壤碳、氮、磷及其生态化学计量特征存在差异。海拔不是直接影响土壤碳、氮、磷及其生态化学计量特征，而是通过气候、植被、生物、地形等因素来影响其变化。研究不同海拔土壤碳、氮、磷及其生态化学计量对于分析土壤养分状况和植物生长条件有重要意义，同时还可以为该区域生态环境保护提供理论依据。该研究仅研究了土壤碳、氮、磷及其生态化学计量特征，后续还需进一步深入研究土壤-植被-凋落物这个系统的碳、氮、磷及其生态化学计量。

4 结论

该研究对太白山以北区域不同海拔的土壤养分及其化学计量特征进行了初步分析，结果表明，不同土层土壤有机碳、总氮含量随海拔上升总体均呈现出先升高后降低的趋势，而总磷含量无大幅度变化；海拔升高，各土层土壤C/N逐渐减小，C/P无明显变化，N/P整体呈升高趋势；各海拔处土壤有机碳、总氮、总磷以及其生态化学计量比在垂直剖面上存在明显差异，SOC、TN、TP、C/N、C/P和N/P总体均呈降低趋势。

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