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  中国水土保持科学   2020, Vol. 18 Issue (6): 81-89.  DOI: 10.16843/j.sswc.2020.06.010
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引用本文 

张雪, 王冬梅, 温文杰, 刘若莎, 李平, 张鹏. 青藏高原-黄土高原过渡带人工林土壤生态化学计量特征[J]. 中国水土保持科学, 2020, 18(6): 81-89. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.06.010.
ZHANG Xue, WANG Dongmei, WEN Wenjie, LIU Ruosha, LI Ping, ZHANG Peng. Ecological stoichiometric characteristics of plantation soil in the Tibetan Plateau-Loess Plateau transition zone[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 18(6): 81-89. DOI: 10.16843/j.sswc.2020.06.010.

项目名称

国家重点研发计划"高寒丘陵区林草植被的结构优化与功能提升技术和示范"（2017YFC0504604）

第一作者简介

张雪(1996-), 女, 硕士研究生。主要研究方向:水土保持林业生态工程。E-mail:zhangxue960928@163.com

通信作者简介

王冬梅(1963-), 女, 教授。主要研究方向:水土保持林业生态工程。E-mail:dmwang@126.com

文章历史

收稿日期：2020-07-22
修回日期：2020-08-29
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
青藏高原-黄土高原过渡带人工林土壤生态化学计量特征
张雪 , 王冬梅 , 温文杰 , 刘若莎 , 李平 , 张鹏     
北京林业大学水土保持学院, 100083, 北京
收稿日期：2020-07-22; 修回日期：2020-08-29
项目名称：国家重点研发计划"高寒丘陵区林草植被的结构优化与功能提升技术和示范"（2017YFC0504604）
第一作者简介：张雪(1996-), 女, 硕士研究生。主要研究方向:水土保持林业生态工程。E-mail:zhangxue960928@163.com
通信作者简介：王冬梅(1963-), 女, 教授。主要研究方向:水土保持林业生态工程。E-mail:dmwang@126.com
摘要：选取青藏高原-黄土高原过渡带青海云杉、祁连圆柏、油松、华北落叶轮、青杨、白桦6种人工林土壤作为研究对象，并以荒草地作为对照，探究人工林土壤碳（C）、氮（N）和磷（P）生态化学计量特征及其影响因素。结果表明：6种人工林土壤C、N和P质量分数范围分别为11.34~20.86、1.16~1.74和0.51~0.72 g/kg，人工林土壤养分质量分数均高于荒草地，表明植被对研究区土壤养分有一定改良作用。林型及土层深度对土壤化学计量比具有一定影响。6种人工林土壤C/N和C/P范围分别为9.30~11.60和16.56~41.98，阔叶林土壤C/N和C/P大于针叶林，其中青杨林显著高于其他林型（P < 0.05），表现为较强的固磷潜力。土壤C/N随土层的加深而减小，变异系数较小，C和N随土层深度的变化具有趋同性；不同林型C/P和N/P随土层深度的变化无明显规律。N/P值在1.71~3.64之间，N素是该区域土壤养分主要限制元素。土壤养分及其化学计量比与土壤饱和导水率及碱解氮有显著相关性（P < 0.05）。研究区人工林对土壤养分具有改良作用，且阔叶林优于针叶林，研究成果可为该区植被恢复建设及人工林抚育管理提供理论参考。
关键词：生态化学计量    人工林    土壤养分    青藏高原-黄土高原过渡带    
Ecological stoichiometric characteristics of plantation soil in the Tibetan Plateau-Loess Plateau transition zone
ZHANG Xue , WANG Dongmei , WEN Wenjie , LIU Ruosha , LI Ping , ZHANG Peng     
School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China
Abstract: [Background] Due to the special geographical location, the ecological environment of Tibet Plateau-Loess Plateau transition zone is fragile and its soil fertility is quite poor. Plantation is the main measure of ecological restoration in this area. Studying the soil ecological stoichiometric characteristics of plantation is conducive to understanding the effect of vegetation improvement in this area and revealing the limiting elements of vegetation growth, providing theoretical basis and technical guidance for vegetation restoration and reconstruction. [Methods] The study selected 5 standard plots (20 m×20 m) for each plantation(Picaea crassifolia, Sabina przewalskii, Pinus tabuliformis Carr., Larix principis-rupperchii, Populus cathayana Rehd, and Betula platyphylla Suk) in this area, and selected 3 standard plots (20 m×20 m) of grassland as a control. We collected 0-60 cm soil samples to determine their C, N and P contents, using one way ANOVA and Pearson correlation analysis to explore the soil ecological stoichiometric characteristics of typical plantations and their influencing factors. [Results] 1) The soil C, N and P contents of 6 plots were 11.34-20.86, 1.16-1.74 and 0.51-0.72 g/kg. The soil nutrient contents of each plantation were higher than that of grassland, while the soil nutrient of broad-leaved forest was higher than that of coniferous forest. 2) The soil C/N, C/P and N/P of 6 plantations were 9.30-11.60, 16.56-41.98 and 1.71-3.64. The soil C/P and N/P were lower than the average level of soil in China. 3) Soil C, N and P decreased with the increase of soil depth, and there were significant differences between different soil layers (P < 0.05). Soil C/N decreased with the deepening of the soil depth, and its coefficient of variation was small. Soil C/P and N/P of different plantations showed different trend of soil depth, while they had no significant difference between different soil layers. 4) The correlation analysis showed that there was a very significant positive correlation between soil C and N, indicating that the changes of their contents were consistent. C/P and N/P were more affected by P. Soil nutrients and their stoichiometric ratio were significantly correlated with soil saturated hydraulic conductivity and alkali-decomposed nitrogen (P < 0.05). [Conclusions] This study indicates that plantation has a certain improvement effect on soil nutrients, while broad-leaved forests are better than coniferous forests. N is found to be the main restricted nutrient in this area. In the process of plantation management, attention should be paid to the supplement of N to promote the healthy development of plantation ecosystem.
Keywords: ecological stoichiometry    plantation    soil nutrients    the Tibetan Plateau-Loess Plateau transition zone    

生态化学计量学旨在揭示生态系统中化学元素协同变化规律及其平衡关系，在种群动态、生态系统养分循环与限制性元素判断、植被演替恢复等方面得到了广泛应用[1]。土壤是植物生长发育所需养分的主要来源，土壤C:N:P是反映土壤内部环境中元素循环及其生态系统结构稳定性的重要指标[2]，研究人工林土壤生态化学计量比对进一步认识人工林生态系统养分利用效率及实现生态功能可持续性发展都具有重要作用[3]。人工林种植作为植被恢复的主要措施，受林型、林龄、林分结构、气候地形及人为因素影响[4-7]，林下土壤养分的分配及化学计量比产生差异[8]，不同地区不同人工林生态系统的养分循环特征存在差异，因此区域尺度上不同林型土壤C、N和P化学计量特征仍具有进一步研究的必要性。

青藏高原-黄土高原过渡带地处干旱半干旱气候区，生态环境脆弱，退耕还林(草)工程实施以来，开展了典型立地土壤水文、凋落物养分状况、植被多样性等[9-11]研究，而针对该区域人工林植被土壤C、N和P化学计量比的分布规律研究较匮乏。本研究以青藏高原-黄土高原过渡带青海云杉(Picaea crassifolia)、祁连圆柏(Sabina przewalskii)、油松(Pinus tabuliformis Carr.)、华北落叶松(Larix principis-rupperchii)、青杨(Populus cathayana Rehd)和白桦(Betula platyphylla Suk)6种典型人工林土壤为对象，探究该区域人工林类型及土层深度对土壤C、N和P质量分数及其化学计量比的影响，以了解不同林分类型对土壤养分的改良效果，并揭示该区域土壤养分限制元素，为该区植被恢复重建的造林、营林提供理论依据与技术指导。

1 研究区概况

研究区位于青海省西宁市大通县闇门滩小流域(E 100°51′~101°56′，N 36°43′~37°23′)，该区海拔2280~4622m，属高原大陆性气候，年均气温4.9℃，年内无霜期61~133d，年均降水量523mm，年均蒸发量1763mm，降水量多集中在8月。土壤主要类型为黄土母质上发育的山地棕褐土与栗钙土。2000年退耕还林后，其主要树种为人工造植的青海云杉、祁连圆柏、油松、华北落叶松、青杨、白桦、柠条(Caragana korshinskii)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides)等，主要草本植物有早熟禾(Poa annua)、鼠掌老鹳草(Geranium sibiricum)、垂穗披碱草(Elymus nutans)等。该研究选取的人工林在造林3年后未施肥抚育，根据林木生长状况定期进行疏伐或补植、病虫害防治。

2 材料与方法 2.1 样地设计

通过对研究区进行实地踏查，选择立地相近、林龄相近、林相整齐、林木分布均匀的青海云杉、祁连圆柏、油松、华北落叶松、青杨、白桦人工林的土壤作为研究对象，各林型分别设置5个20m×20m的标准样地，选取立地相近的3块20m×20m荒草地作为对照，共33个标准样地，各重复样地之间距离至少为100m，以消除场地空间异质性。取样前对样地内林木进行每木检尺，样地基本信息及理化性质见表 1和表 2。

表 1 研究区各人工林类型基本情况表 Tab. 1 General characteristics of each plantation type in the study area
表 2 各林型0~60cm层土壤理化性质 Tab. 2 Soil physical and chemical characteristics of 0-60cm soil layer in each plantation type
2.2 土壤样品采集与分析

本研究于2018年6—8月采集土壤样品，每个样方内沿对角线方向均匀选取6个取样点，用土钻分别采集0~20cm、>20~40cm和>40~60cm 3层土壤样品，相同层次土壤样品混合，共采集99个样品，风干后过0.25mm筛供土壤养分测定。在样方内按照均匀分布及随机选择原则挖取3个60cm深土壤剖面，用环刀按每20cm分层采集土样，每层3个重复，共891个样品，供土壤物理性质测定。土壤饱和导水率测定采用恒定水头法[12]。土壤密度、总孔隙度测定采用环刀法。土壤pH采用电位法(水土比为2.5:1)。土壤有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)、速效磷、碱解氮和速效钾测定方法参照《土壤农化分析》[13]。

2.3 数据处理与分析

土壤C、N和P化学计量比均采用质量比。采用Microsoft Excel对原始数据进行初步处理，SPSS19.0软件对不同人工林土壤理化特性及相关指标进行单因素方差分析(One way ANOVA)以及Pearson相关分析。

3 结果与分析 3.1 不同人工林类型土壤碳、氮和磷质量分数及其化学计量特征

各林型0~60cm层土壤C、N和P平均质量分数及其化学计量比存在显著差异(P < 0.05)(表 3)。6种人工林土壤C、N和P质量分数分别为11.34~20.86、1.16~1.74和0.51~0.72g/kg，变异系数分别为0.44、0.29和0.22。土壤C和N质量分数由大到小依次为青杨林、白桦林、青海云杉林、油松林、华北落叶松林、祁连圆柏林和荒草地，仅青杨林存在显著差异(P < 0.05)；土壤P质量分数表现为白桦林最高，青杨林最低，其他林型间无显著差异。

表 3 各植被类型0~60cm土层碳、氮和磷质量分数及化学计量比 Tab. 3 Contents of nutrient elements and stoichiometric ratio in soil layer of 0-60cm of 6 plantation types

6种人工林土壤C/N、C/P和N/P范围分别为9.30~11.60、16.56~41.98和1.71~3.64。变异系数大小表现为C/P(0.49)>N/P(0.38)>C/N(0.17)。各林型土壤C/N由大到小依次为青杨林、白桦林、祁连圆柏林、华北落叶松林、油松林、青海云杉林和荒草地，仅青杨林与青海云杉林间有显著差异(P < 0.05)。土壤C/P和N/P由大到小依次为青杨林、华北落叶松林、白桦林、青海云杉林、油松林、祁连圆柏林和荒草地，除青杨林外，林型间无显著差异。

3.2 不同人工林类型土壤碳、氮和磷质量分数及其化学计量比随土壤深度的变化

由图 1可以看出，整体上6种人工林土壤C、N和P质量分数随土层加深而减小，变化范围分别为7.90~30.00、0.80~2.08和0.40~0.82g/kg，0~20cm层显著高于其他土层(P < 0.05)。由图 2可以看出6种人工林土壤C/N随土层加深而降低，变化范围为7.53~14.27，油松、华北落叶松、白桦、荒草地土壤C/N在土层间无显著差异。不同林型土壤C/P和N/P随土层加深变化规律不同，变化范围分别为13.35~53.88和1.53~3.86，土层间无显著差异。

不同大写字母表示同一土壤层次不同林型间差异显著(P < 0.05)；不同小写字母表示同一林型不同土壤层次间差异显著(P < 0.05)，下同。 Different capital letters indicate significant difference among different plantation types in the same soil level (P < 0.05). Different lowercase letters indicate significant differences among different soil levels of the same plantation type (P < 0.05). The same below. 图 1 6种人工林类型不同土层土壤碳、氮和磷质量分数随土壤深度的变化 Fig. 1 Changes of contents of C, N and P in different soil layers under 6 plantation types with soil depths
图 2 6种人工林类型不同土层土壤碳、氮和磷化学计量比随土壤深度的变化 Fig. 2 Changes of stoichiometric ratios of C, N and P under 6 plantation types with soil depths
3.3 人工林地土壤碳、氮和磷及其化学计量比与土壤理化因子之间的相关性

相关性分析结果(表 4)表明：6种人工林土壤C、N和P及其化学计量比间，C与N、N/P呈极显著正相关(P < 0.01)，N与C/P呈极显著正相关(P < 0.01)，C/N与C/P呈极显著正相关(P < 0.01)。土壤碱解氮与土壤C、N和C/N呈极显著正相关(P < 0.01)，与C/P、N/P呈显著正相关(P < 0.05)；饱和导水率与N、C/P和N/P呈极显著正相关(P < 0.01)，与C呈显著正相关(P < 0.05)；总孔隙度与P、C/N呈显著正相关(P < 0.05)。土壤密度、pH和含水量则与土壤C、N和P质量分数及其化学计量比无显著相关性。

表 4 土壤碳、氮和磷及其化学计量比与土壤理化因子的相关性 Tab. 4 Correlation coefficients between C, N, P, C/N, C/P, N/P ratio and soil physical and chemical factors
4 讨论 4.1 不同人工林类型土壤碳、氮和磷质量分数及其化学计量比的影响

本研究表明，该区域6种人工林0~60cm土壤C、N质量分数高于荒草地，阔叶林高于针叶林，与张泰东等[7]、曾全超等[14]研究结果相似，表明林分对土壤养分有一定改良作用，且阔叶林种的改良效果优于针叶林种。这是因为人工林地枯落物层较厚，林冠对雨水的拦截作用优于草地，能够减缓土壤养分流失。不同林分其冠层光合能力不同引起凋落物数量及性质产生差异，针叶林凋落物分解速度较慢，在土壤微生物及根系活动作用下，不同林分对土壤养分的吸收和利用存在差异[6]，导致不同林型土壤C、N发生变化。林型对土壤P质量分数影响无明显规律，可能是土壤P素作为沉积性矿物，主要来源于岩石风化，受成土母质、气候、地形等影响较大[3]。

土壤C、N和P化学计量比是衡量土壤有机质组成和预测有机质分解速率的重要指标，反映土壤释放N、P矿化元素的能力[15]，低C/N预示高分解度及高稳定性[16]，低C/P促进土壤微生物对有效P释放[6]。青杨林C/N、C/P显著高于其他林型(P < 0.05)，说明其土壤表层凋落物和植物遗体分解速度较快，有机质矿化时释放P较少，具有较强固磷潜力。研究区各林型土壤C/P为16.56~41.98，低于我国C/P陆地土壤平均水平(52.70)[17]与青海原始森林土壤(117.7)[18]，表明该区域人工林土壤P有效性较高。此外，本研究区土壤C/P远高于黄土高原[5]、滨海沙地[19]人工林土壤，一是受树种差异的影响，二是该区域高寒气候抑制土壤微生物及酶活性，有利于有机物质累积。土壤N/P是判断N饱和与P缺乏的指标，研究认为，土壤C/N < 30、N/P < 14时，N素是影响土壤肥力主要因素[20]。本研究区各林型土壤C/N值在9.30~11.60之间，N/P值在1.71~3.64之间，因此可以认为该区人工林土壤限制元素为N素。在该区人工林抚育管理过程中，可适当施肥，以保证林木健康生长。

4.2 土壤碳、氮和磷质量分数及其化学计量比随土层深度的变化特征

各林型土壤C、N质量分数随土层深度的加深而减小，具有表聚性，与前人研究结果[5-6]相似。这是由于表层有机物质向深层转移扩散中经动植物及土壤微生物利用逐渐减少，导致C和N质量分数减小[3]。土壤P质量分数随土层深度变化趋势与C和N相似，但变异系数最小(0.22)，是由于P的来源区别于C和N[3]，不易被植物所吸收，在土壤中迁移效率低。各林型土壤C/N随土层加深而减小，变异性接近于弱变异(0.17)，可能是C和N作为结构性元素时其变化具有一致性，其比值在空间变异上保持相对稳定[17]。华北落叶松林、白桦林区别于其他林型土壤C/P随土层加深而减小的规律，表现为>40~60cm土层C/P大于>20~40cm土层，可能是由于2种林分>20~60cm土层土壤P较土壤C变异程度较小。相关性分析表明N/P与N呈显著正相关(P < 0.05)，而与P呈极显著负相关(P < 0.01)，表明N/P受P变化影响更大，土壤N均随土层加深而减小，而P随土层变化规律不一致，导致不同林型N/P在土壤中垂直分布产生差异。

4.3 不同人工林类型土壤碳、氮和磷及其化学计量比与土壤理化因子的相关性

通过相关性分析(表 4)可见：土壤理化因子在不同程度上与C、N和P及其化学计量比具有相关性，其中土壤饱和导水率及碱解氮具有更显著的相关性，与张一璇等[21]和王子龙等[22]研究结果类似。土壤饱和导水率可表征土壤通透性，土壤结构在一定程度上受植被类型的影响，植物通过根系活动及枯落物积累可以降低表层土壤密度、增加有机质含量，从而增大土壤孔隙度与导水能力，有利于土壤C、N积累，使土壤养分及生态化学计量比产生差异。碱解氮含量能够反映土壤供氮能力，与有机质含量呈正相关[23]。土壤C、N主要来源于表层枯落物分解产生的有机质，因此研究区碱解氮与土壤养分及其化学计量比有较强耦合关系。王玉婷等[24]、贾培龙等[25]研究还表明土壤pH值、密度、含水量等是影响土壤养分及其化学计量比的主要影响因子，本研究区可能受地域气候及环境影响，人工林土壤pH值、密度、含水量对土壤C、N和P及其化学计量比影响不显著。

5 结论

1) 青藏高原―黄土高原过渡带6种人工林对土壤养分具有一定改善作用，阔叶林改良效果优于针叶林。林型对土壤P质量分数影响无明显规律。土壤C/N和C/P均低于全国平均水平，土壤P有效性较高，青杨林C/N和C/P显著高于其他林分，有机质积累能力及固P能力较强。各林型土壤C/N范围为9.30~11.60，N/P范围为1.71~3.64，可初步判断N素为该区土壤主要养分限制元素。

2) 土壤C、N和P质量分数均随土层加深而减小，土层间差异显著，土壤P变异性最弱。土壤C/N随土层加深而减小，在空间变异上相对稳定。不同林型土壤C/P和N/P随土层深度的变化表现出不同变化趋势，主要受P素差异影响。

3) 土壤C、N和P及其化学计量比间存在显著相关性，土壤理化因子中土壤饱和导水率及碱解氮与土壤养分及其化学计量比具有更显著的相关性，而土壤pH值、密度和含水量等与土壤C、N和P及其化学计量比无显著相关性。

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