三峡库区不同植被对土壤碳氮磷生态化学计量学特征的影响

摘要：土壤碳氮磷生态化学计量特征是陆地生态系统生物地球化学循环偶联的关键指标之一。以湖北宜昌点军区3种植被类型（柏树地、橘树地、菜地）的土壤作为研究对象，对土壤碳氮磷及其生态化学计量学进行了研究，探讨不同植被覆盖对土壤碳氮磷之间的关系与影响。结果表明，不同植被覆盖显著改变土壤碳氮磷含量，柏树地的土壤有机碳和全氮的含量显著大于柑橘地和菜地，而菜地和柑橘地土壤有机碳和全氮含量之间无显著差异，菜地的全磷含量最大，其次是橘树地，柏树地最小。3种植被覆盖的土壤碳氮比之间无显著差异，但是柏树地的土壤碳磷比最大，其次是橘树地，菜地的最小；土壤氮磷比是柏树地显著大于橘树地和菜地，而菜地和橘树地之间无显著差异。表明三峡库区土壤碳氮偶联反应，而氮磷之间以及碳磷之间并未发生偶联反应。相关性分析的结果表明，土壤碳磷比是柏树地>橘树地>菜地。碳磷比、氮磷比与有机碳之间的相关性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到碳的影响。

关键词：不同植被；碳氮比；碳磷比；氮磷比；生态化学计量学特征

中图分类号：S153.6+1；Q948 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）14-3566-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.009

Abstract： Soil carbon （C），nitrogen （N） and phosphorus （P） stoichiometry is a critical indicator of biogeochemical coupling in terrestrial ecosystem. Taking 3 vegetation types（cypress，tangerine trees and vegetable） soil in Dianjun Yichang command of Hubei province as the research object，soil carbon，nitrogen and phosphorus and its ecological chemometrics were studied，and the relationship and influence of different vegetation on soil carbon，nitrogen and phosphorus were discussed. The results showed that although the contents soil organic C（OC） and total nitrogen（TN） of cypress site was significantly higher than those of vegetable site and citrus tree site，which were not significant difference，total phosphorus（TP） followed the order：Vegetable site>citrus tree site> cypress site. Although soil C/N had no significant diffence among three veg⌚etation cover，C/P followed as cypress site>ชcitrus tree site>vegetable site，the trend of N/P was similar to OC and TN. It was suggested that soil C and N remained coupled whereas C and P，N and P become decoupled. The correlation analysis showed the relationship between soil C/P，N/P and OC was higher than those between soil C/P，N/P and TN，TP，indicating that C/P and N/P were mainly affected by soil organic carbon.

Key words： different vegetation； C/N； C/P； N/P； stoichiometry

土壤碳氮磷是地球化学养分循环的核心，驱动着土壤内其他养分元素的循环和转化，在元素平衡中发挥着重要的作用[1，2]。同时土壤碳氮磷又是目前全球变化中碳循环和生物地球化学循环的研究热点[3]。有研究表明土壤碳氮磷相互之间紧密联系[4]，土壤碳氮磷的生态化学计量学能够反映土壤内部碳氮磷循环，因而在生物地球化学循环偶联中具有重要的生态指示作用[5-7]。目前，虽然有大量的研究报道了黄土高原不同植被区土壤[8]、桂西北不同森林类型土壤[9]、祁连山北坡亚高山草地退耕还林草混合植被对土壤碳氮磷的影响[2]等的生态化学计量学特征，但是很少有研究报道三峡库区不同植被对土壤碳氮磷生态化学计量学特征的影响。

三峡库区由于复杂的地形条件和自然地质条件，加之人类不合理的土地利用，水土侵蚀严重，导致土壤退化，土壤碳氮磷含量及其土壤碳氮磷生态化学计量学特征发生变化。而植被的存在能够截获和储藏水分[10]，通过凋落物归还土壤营养物质，所以植被覆盖是决定水土流失和改善土壤质量最为重要的因素。然而不同的植被覆盖对土壤质量影响不同。这是由于不同植被的凋落物的质和量、根的分泌物以及营养吸收不同，影响土壤微生物群落的活性，进而影响土壤碳氮磷的循环[11]。本研究选择三峡库区的3种植被类型（柏树地、橘树地和菜地）作为研究对象，研究其土壤全量养分和生态化学计量学特征，为三峡库区的植被恢复提供一定的理论依据。 1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于三峡库区宜昌市点军区退耕还林区内。采集点为同一座山，山顶为次生柏树林，山麓为橘树林，山下平地为菜地。该区位于东经110°15′-112°04′、北纬29°56′-31°34′之间，年平均降水量992.1～1 404.1 mm。雨水充沛，雨季多发生在6～7月，雨热同季，全年积温较高，无霜期较长，年平均气温13.1～18.0 ℃。

1.2 方法

选择柏树地、橘树地和菜地的土壤作为研究对象。分别在每个样地选取3个样方，柏树地和橘树地的样方为10 m×10 m，菜地的样方为1 m×1 m。在每个样地的样方内用土钻随机取0～10 cm土层的土样，按“S”形布设取样点5个，混合为一个样，捡去枯枝落叶，自然风干，用于土壤有机碳、全氮和全磷的测定。

土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-稀释热法测定，土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，土壤全磷采用HClO4-H2SO4法测定。

试验数据的处理比较用Turkey’s-b单因素方差分析，相关性分析用SPSS11.5软件进行Pearson分析。

2 结果与分析

2.1 土壤碳氮磷含量特征

不同植被覆盖的土壤碳氮磷含量如图1所示。柏树地的土壤有机碳和全氮含量均显著高于橘树地和菜地，菜地与橘树地无显著差异。菜地的土壤全磷含量最高，其次是橘树地，柏树地最低。这是因为柏树地从无耕犁过，物种多样性和丰富度较高，大量的凋落物进入土壤中，而在菜地和橘树地，有机残体的减少如地上植物或者菜地的地下根系每年都被收获等，导致有机碳和全氮含量相对较低[12]。柏树地位于坡顶，土壤中的磷随着雨水径流冲刷到坡地，且柏树地从未施用磷肥，所以全磷含量最低；橘树地虽然也施用磷肥，但是橘树地位于坡中，雨水✫的径流也会冲刷磷，降低其全磷含量；菜地在平地，农民为了提高其产量，长期以来施用磷肥，所以磷肥含量最高。全磷含量的大小顺序为：菜地>橘树地>柏树地，磷成为柏树生长发育和重要生态过程的限制因子。

2.2 土壤碳氮磷生态化学计量特征

土壤碳氮磷的生态化学计量比是评价土壤养分状况和质量的一个重要指标[9]。Cleveland等[13]综述了全世界48篇文献的186个表土的观测数据。结果表明，不同植被间土壤碳氮磷比存在差异，但是在大多数情况下，其相似性比差异性更显著，土壤碳氮磷比值有显著的稳定性，三者的比值为186∶13∶1。本研究中，土壤碳氮比（C/N）为6.45～7.18（图2），表明三峡库区不同植被的土壤碳氮比低于中国土壤碳氮比的平均值范围（10～12）[14]，土壤矿化作用较强。虽然土壤碳氮含量在不同植被覆盖下有差异，但是土壤碳氮比却无显著差异，这意味着三峡库区土壤碳氮比存在相对的一致性，不受植被变化的影响。此研究结果与Tian等[5]、Cleveland等[13]和王维奇等[15]的研究结果一致，不同生态系统土壤碳氮比具有内稳态特征，这主要是由于碳氮元素之间具有极显著的正相关性（表1），而且对环境变化的响应几乎是同步的[13]。同时由于碳氮是细胞的结构性成分，积累和消耗过程存在相对固定的比值[16]。

土壤氮磷比（N/P）为2.09～4.82（图2），小于Tian等[5]的氮磷比5和Cleveland等[13]的碳磷比13.1。这说明三峡库区土壤仍然受到氮素的限制。且本研究中，柏树地土壤氮磷比显著高于菜地和橘树地，橘树地与菜地无显著差异。此结果一方面说明橘树地和菜地比柏树地土壤更易受到氮的限制，另一方面说明土壤氮磷比的空间异质性，这与Tian等[5]的研究结果一致。

土壤碳磷比（C/P）为13.49～33.19（图2），小于Tian等[5]的中国土壤碳磷比的平均值105和Cleveland等[13]全球的碳磷比186，表明三峡库区土壤微生物有机磷存在净矿化现象。本研究中柏树地土壤碳磷比（C/P）最高，其次是橘树地，菜地最低。碳氮磷比是土壤有机质或其他成分中碳氮磷总质量的比值，是衡量土壤有机质组成和营养平衡的重要指标[17]。本研究结果表明，C/P可能比C/N和N/P与不同植被覆盖具有更高的同步性。C/P比C/N和N/P对植被变化可能具有更优的生态指示功能。

2.3 土壤养分与生态化学计量比的相关性分析

由表1可知，土壤有机碳与全氮有极显著的正相关，表现出一致的变化规律；土壤有机碳、全氮与全磷无显著的相关性，意味着全磷并未与有机碳及其全氮有一致的变化规律。土壤有机碳、全氮含量与碳磷比及其氮磷比有极显著的正相关；全磷含量与碳磷比及氮磷比有显著或极显著的负相关。土壤碳磷比、氮磷比与有机碳的相关性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到有机碳的影响。

3 小结与讨论

柏树地由于受外界扰动少，凋落物归还量大于橘树地和菜地，导致其土壤有机碳、全氮含量大于橘树地和菜地，但全磷含量显著小于橘树地和菜地，这是由于柏树地从未施肥，又处于坡顶，雨水的径流冲刷降低了土壤全磷的含量。橘树地与菜地的土壤有机碳和全氮含量无显著™性差异，但菜地土壤全磷含量显著大于橘树地。3种植被的土壤碳氮比之间无显著差异，这可能意味着土壤碳氮比不受植被变化的影响，具有内稳态特征；氮磷比的变化趋势与有机碳和全氮含量一致，而土壤碳磷♒比是柏树地>橘树地>菜地。碳磷比、氮磷比与有机碳的相关性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受碳的影响。

参考文献：

[1] ELSER J J，STERNER R W，GOROKHO V A，et al. Biological stoichiometry from genes to ecosystems[J].Ecology Letters，2000， 3（6）：540-550.