青藏高原东部山地草地土壤碳、氮、磷元素计量特征

赵云飞, 洪苗苗, 欧延升, 黄政, 张洋洋, 汪霞,2,*



青藏高原东部山地草地土壤碳、氮、磷元素计量特征

赵云飞1, 洪苗苗1, 欧延升1, 黄政1, 张洋洋1, 汪霞1,2,*

1. 兰州大学资源环境学院, 兰州 730000 2. 兰州大学西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000

以青藏高原东部山地草地作为研究对象, 分析了0—30 cm土壤层有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)化学计量特征, 并探讨其与纬度、海拔、年均气温、年降水量、干旱因子之间的关系。结果表明: (1)在土壤垂直剖面上, 土壤C、N含量变异性较大, 表层土壤含量高于底层; 土壤P含量垂直变异性较小, 各土壤层间没有显著差异; 土壤C:N变化范围为7.52—18.47、均值为11.62, 比较稳定, 各土壤层间没有显著差异; 土壤C:P变化范围为22.86—156.76, 均值为62.06, N:P变化范围 1.02—9.92, 均值为4.85, C:P和 N:P比值随土层加深显著降低。(2)土壤C含量与N含量极显著正相关(<0.01), 随海拔、年降水量、干旱指数的增大而增大, 而随年均气温的增加而降低; 土壤P与环境因子没有显著关系。(3)土壤C、N、P含量及其比值在纬度梯度上没有规律性变化。土壤C:P和 N:P比值随海拔的升高而增大, 说明在青藏高原东部沿纬度分布的山地草地中土壤磷有效性随海拔的升高而降低; C:N比值相对稳定, 受环境因子的影响较小。

青藏高原; 山地草地; 碳氮磷; 化学计量学特征; 气候因子; 地理因子

1 前言

生态化学计量学结合了化学、物理学和生物学等学科的基本原理, 包括了化学计量学和生态学的基本原理[1], 可以将生物学科不同层次、不同领域的研究理论统一起来[2], 逐渐成为研究生态系统能量及元素平衡的重要学科, 为研究生态系统物质循环提供了一种新的思路和方法[3]。生态系统碳(C)、氮(N)、磷(P)元素的循环是全球气候变化研究热点之一, 并且C、N、P在生态系统间的循环过程是相互耦合的[4–6], 某一元素的改变将影响生态系统中相关元素的周转循环过程。土壤C、N、P受气候、地理等因素的影响, 因而具有较高的变异性[7]。降水和温度的综合作用决定了陆地土壤碳分布的地理地带性[8–9]。曹宏杰等[10]的研究发现东北地区土壤有机碳、全氮与气候因素之间存在良好的相关性。纬度的变化是导致温度、降水、光照等差异的主要因素, 黄土高原地区土壤碳氮磷计量学特征与纬度存在相关性[11]。目前青藏高原东部生态计量学特征研究主要集中在不同类型土壤碳氮磷分布规律及植物碳氮磷分配格局等方面[12–15], 而关于山地草地土壤生态化学计量特征与环境因子关系的研究, 鲜有报道。

青藏高原约占我国陆地面积的26.8%[16], 具有海拔高、气温相对较低、太阳辐射较强等地理气候特征, 使其成为全球变化的脆弱区和敏感区[17], 同时也是研究生态系统对全球气候变化响应和适应的天然实验室[18]。青藏高原东部边缘是青藏高原与黄土高原过渡带, 气候与地理特征独特, 山地草地是其主要植被类型之一。本研究选择青藏高原东部山地草地, 在经度基本相同下, 并由北向南设置不同纬度梯度的采样点, 研究青藏高原东部山地草地土壤生态化学计量学特征与环境因子之间的关系, 在区域尺度上, 揭示山地草地土壤碳氮磷生态化学计量的变化规律, 并阐明土壤生态化学计量与环境因子的关系, 为青藏高原东部山地草地管理保护提供重要参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

本研究区由南向北分别涉及四川省丹巴县、小金县、金川县、马尔康县、红原县、若尔盖县及甘肃省的玛曲县、碌曲县(图1), 位于青藏高原的东部(30°51′—34°10′N, 101°52′—102°37′E), 海拔2500—4300 m; 年均降水量550—780 mm, 主要分布在7—9月; 年平均气温–1 ℃—10.0 ℃, 1月均温–10.0 ℃, 7月均温11.5 ℃ , 生长季最高气温23.6—28.9 ℃ ; 年平均霜期少于270天。植被主要包括莎草科、禾本科植物及多种其它科属双子叶植物[14]。

2.2 野外采样和分析

于2016年8月野外调查, 在青藏高原东部沿相同经度设计12个山地草地采样点, 采集土壤样品, 每个样点随机设置3个2 m×2 m的样方, 并记录样点的经纬度、海拔和样方的基本信息, 同时按对角线法, 在每个样方内, 用土钻采集3个点土壤样品, 每钻按0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm将土样分层混合均匀, 放入自封袋中, 带回实验室自然风干。

风干土壤样品, 拣出碎石、植物残体等杂物, 研磨, 用四分法取研磨样品, 过100目筛, 用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳(C), 全氮(N)采用CuSO4– K2SO4–Se(100:1:1)消化, 全磷(P)采用HClO4–H2SO4消化, 全自动化学分析仪(Smartchem 200)测定土壤全氮和全磷含量[19]。

图 1 研究样点分布图

2.3 气象数据的获取

气象数据是通过全球气候数据网站(http:// worldclim.org)获取[20], 然后通过样点的经纬度, 获得1970—2000年的30年的每月降水、气温平均值, 本文采用的是年降水量、年平均气温两个指标。干旱指数可以表示有效降水量、土壤水分有效性。

干旱指数的计算:

式中,是为年累计降水(mm),为年平均温度(℃)[21]。

2.4 数据处理

采用SPSS22.0对数据进行统计分析, 用单因素方差(One-way ANOVA)和多重比较(LSD)分析不同土层C、N、P含量及C:N:P比值的显著差异; 用Pearson相关分析, 检验土壤C、N、P含量、C:N:P比值及环境因子的之间的相关性。

3 结果与分析

3.1 不同土层C、N、P含量及化学计量特征

对整个研究区山地草地不同土层的C、N、P含量及C:N:P生态化学计量特征进行分析(表1)。土壤C、N、P含量在0—10 cm 的平均值分别为(27.38± 14.69) g·kg–1、(2.46±1.15) g·kg–1和(0.55±0.23) g·kg–1。C、N含量随着土层深度的增加而降低, 土壤C含量在0—10 cm 与20—30 cm 土层之间存在显著性差异(<0.05), 土壤P含量在不同土层间不存在显著性差异(>0.05)。不同土层的C、N、P含量变异系数介于0.3—0.6之间, 属中等变异(表1)。

C:N、C:P、N:P的比值变化范围分别为7.52—18.47、12.86—156.76和1.02—9.92, 其0—10 cm土层的均值分别为11.62±3.53、62.06±33.46和4.85±2.56。随着土层的加深, C:P和 N:P呈减少的趋势, C:P在0—10 cm 与10—20 cm 和20—30 cm 土层存在显著性差异(<0.05), N:P在0—10 cm 与20—30 cm 土层之间存在显著性差异(<0.05), C:N在不同土层间不存在显著性差异(>0.05)。C:P、N:P的变异系数随着土壤深度的加深, 呈减小趋势(表1)。

3.2 不同土层C、N、P含量及化学计量特征与气候因子的关系

如图2所示, 0—30 cm 三个土层土壤C含量与年降水量显著正相关, 而与年平均气温显著负相关(<0.05); 0—30 cm 三个土层土壤N含量与年降水量线性正相关, 0—10、10—20 cm 土层土壤N含量与年平均气温线性负相关; 0—30 cm 三个土层土壤P含量与年降水、年均气温不存在显著相关性(>0.05, 图2)。0—30 cm 土层土壤中, 只有20—30 cm 土层的C:P与年降水量线性正相关, 与年均气温线性负相关(<0.05, 图3)。

表1 不同土层深度C、N、P及C:N:P比值的统计学参数

注: 同一列数值后的不同小写字母表示不同土层测定指标在0.05水平上差异显著。

3.3 土壤C、N、P含量、化学计量特征及环境因子的相关性分析

对0—20cm土壤C、N、P含量及C:N:P比值进行相关分析(表2)。土壤C含量与N含量、C:P比值均极显著正相关(<0.01), 与N:P比值显著正相关(<0.05)与其它指标不存在显著相关性; 土壤N含量与C 含量、P含量显著正相关, 与C:N:P比值不存在显著相关性(>0.05); 土壤P含量与N含量显著正相关, 与C含量、C:N:P比值不存在显著相关性(>0.05); C:N:P比值中, 只有C:P比值与N:P比值极显著正相关, 其它指标间不存在显著相关性。

注: 图(a)、(b)、(c)分别表示0—30 cm三个土层土壤碳、氮、磷含量土层与年降水量的关系; 图(d)、(e)、(f)分别表示0—30 cm三个土层土壤碳、氮、磷含量与年平均气温的关系。

注: 图(a)、(b)、(c)分别表示0—30 cm三个土层C:N、C:P、N:P与年降水量的关系; 图(d)、(e)、(f)分别表示0—30 cm三个土层 C:N、C:P、N:P与年平均气温的关系。

对0—20 cm土壤C、N、P含量及C:N:P比值与纬度、海拔、干旱指数进行了Pearson相关分析表明(表2): 土壤C、N、P含量、C:N:P比值、年均温、年降水、海拔与纬度均不存在显著相关性。C含量、N含量、C:P比值、N:P比值、年降水与海拔显著正相关(<0.05), 年均温度与海拔极显著负相关(<0.01), P含量、C:N比与海拔不存在显著相关性。C、N含量与干旱指数极显著正相关(<0.01), P含量、C:N:P比值与干旱指数不存在显著相关性; 干旱指数与海拔极显著正相关(<0.01)。

4 讨论

4.1 不同土层C、N、P含量及化学计量特征

调查发现青藏高原东部山地草地土壤C、N、P的含量在0—10 cm土层的平均值分别为(27.38± 14.69) g·kg–1、(2.46±1.15) g·kg–1和(0.55±0.23) g·kg–1, 普遍低于青藏高原灌丛土壤表层C、N、P含量[22], 并且C、N含量随着土壤深度的加深, 呈下降趋势, 这已经被很多研究证明[11,23]; 土壤P含量在土壤剖面上垂直变异小, 分布比较稳定[24]。C、N、P来源可能是造成这种垂直分布格局的主要原因, 土壤C主要来源于植被凋落物、动物及微生物残体, 土壤N主要来源于氮沉降以及凋落物合成的有机质, 土壤磷主要来源于母岩风化[25], 即土壤C、N首先在土壤表层密集, 然后随各种介质向下迁移扩散, 形成了土壤C、N随深度增加而降低的分布格局, 而土壤P是一种沉积性元素, 岩石风化又是一个漫长的过程, 且风化程度在0—60 cm土层差异不大[11], 因此土壤P的空间变异性小。

表2 土壤(0—20 cm) C、N、P及C:N:P比值及环境因子的相关性分析

注: *<0.05; **<0.01。

土壤C、N、P比值是反映土壤碳氮磷元素循环的重要指标[1], 同时, 又是碳氮磷固持作用和矿化作用的指标[26–27], 也是C、N、P有效性预测重要指标[28]。本研究发现本研究区土壤的C:N比值与中国陆地、全球陆地土壤的C:N比值基本一致, 而C:P、N:P比值低于中国陆地土壤和全球草地土壤[29–30]。C:P和 N:P比值, 随土壤深度加深而降低, 这可能是C、N含量随土壤深度的增加而降低, 而P含量相对稳定导致的。土壤C:N在各土层不存在显著差异, 这表明土壤碳和氮的垂直分布具有一致性。

4.2 环境因子对C、N、P含量及化学计量特征的影响

Post[31]和Lee[32]等认为土壤C含量随着温度降低和年降水的增加而增加, 张鹏等[33]认为土壤Ｎ含量随着温度降低和年降水的增加而增加。本研究结果与上述结果基本相同, 即土壤C、Ｎ含量随着温度降低而线性增加、随着年降水量增加而线性增加。本研究中土壤C、N含量随着海拔的升高而增加, 这与张鹏等[33]在祁连山北麓山地得到的土壤N、P含量随海拔的升高而增加结果一致; 与李相楹等[34]在梵净山得出土壤N与海拔显著正相关, 土壤C随海拔的升高呈先增加后下降的趋势结果, 部分一致。海拔是生态环境因子的综合体现, 可以影响植被生产力、土壤水分和温度等理化性质, 进而影响进入土壤中的有机物量和微生物的分解转换速率。在本研究区, 随着海拔的增加, 年均气温降低, 降水量增加(表2), 微生物活性降低, 植物凋落物、动物和微生物残体分解速率下降, 土壤有机碳氮矿化速率减缓, 从而促进土壤碳氮累积。

土壤C、N含量与纬度没有显著关系, 这与丁小慧等[35]在呼伦贝尔草地得到的土壤C、N含量随着纬度梯度增加而降低趋势不一致, 也与李婷等[11]在黄土高原得到的土壤C、N含量随着纬度梯度增加而呈指数减小趋势的结果不一致, 这可能与本研究区气候有关, 即随着纬度梯度的变化, 降水、气温、海拔没有规律性变化。土壤C、N含量与干旱指数极显著正相关, 这与Lee[32]在东中亚得到的土壤C、N含量与干旱指数正相关结果一致。干旱指数是降水和气温的综合体现, 与降水显著正相关, 与气温显著负相关, 所以随着干旱指数的增大, 土壤C、N含量增加。

欧勇胜[36]等认为土壤P含量, 随着海拔的增高而增加; 姜沛沛[37]等认为土壤P含量随着海拔、纬度的增加和年降水、年均温度的降低而增加; 张向茹等[38]发现在黄土高原研究区, 土壤的全磷含量随纬度梯度的升高呈先增加后减小的变化趋势。本研究中土壤P含量与地理因素海拔、纬度和气候因子气温、降水都不存在相关性, 与上述研究结果不一致。这与邱扬等[39]得到的全磷在整个空间中的分布较为均匀的研究结果大致相同, 土壤母质是土壤磷的主要来源, 磷元素是一种沉积性矿物, 在土壤中磷素的迁移率低, 所以P含量在短时期内是相对稳定的, 随环境变化较小[40]。

本研究中土壤C:N比值与环境因子降水、气温、海拔、纬度、干旱指数均不存在相关性, 这与Tian和Yang等[29,41]对全国碳氮比值研究结果一致。虽然C、N含量空间变异较大, 但是土壤C:N比值较为稳定。通过C、N相关性分析, 发现C与N含量极显著正相关(表2), 这说明随着环境因子变化, C、N有相同的变化趋势, 所以碳氮比值有相对稳定的结果, 这符合生态化学计量特征。本研究中土壤C:P和N:P比值均随海拔高度的上升而增加, 这与李相楹等[34]在梵净山的研究结果大致相同。高海拔地区, 降雨较大, 温度较低, 从而促进了土壤碳氮的累积, 但是土壤磷的风化和淋溶作用较强, 不利于磷素的累积[42], 较低的C:P比值是磷有效性高的指标之一[1], 表明本研究区土壤磷有效性随海拔的升高而降低。

5 结论

对青藏高原东部山地草地土壤研究表明, 土壤C、N含量垂直变异性较大, 表层土壤含量高于底层, 土壤P含量垂直变异性较小, 各土壤层间没有显著差异。土壤C:N比较稳定, 各土壤层间没有显著差异, 土壤C:P和 N:P比值随土层加深显著降低。土壤C含量与N含量极显著正相关, 随海拔、年降水量、干旱指数的增大而增大, 而随年均气温的增加而降低。土壤C:P和 N:P比值随海拔的升高而增大, 与其它环境因子没有显著相关性, 说明在本研究区沿纬度分布的山地草地土壤磷有效性随海拔的升高而降低。

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The stoichiometric characteristics of soil C, N, P in mountain steppe of eastern Tibetan Plateau

ZHAO Yunfei1, HONG Miaomiao1, OU Yansheng1, ZHANG Yangyang1, WANG Xia1,2,*

1. College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China 2. Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems with the Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

To explore the relationship between soil stoichiometric characteristics and latitude, altitude, mean annual temperature, mean annual precipitation and aridity index in mountain steppe, the study collected soil samples from mountain steppe of eastern Tibetan Plateau. The experiments of soil organic carbon (C), total nitrogen (N) and total phosphorus (P) were carried in the laboratory. The results showed that C and N content had larger variability in vertical soil profiles, and the contents of it in the surface soil were higher than in the sub-layer. The P content had slight variability in vertical soil profiles and had no significant difference in different soil layers. The soil C: N ratio was relatively stable in the range of 7.52-18.47 and averaged 11.62. The C: P ratio ranged from 22.86 to 156.76 and averaged 62.06. N: P ratio ranged from 1.02 to 9.92 and averaged 4.85. C: P ratio and N: P ratio were shown to decrease with the soi1 depth. The soil C content was a significant correlation with N content (<0.01), and their variations were consistent. Soil C and N increased with altitude, mean annual precipitation and aridity index, and decreased with mean annual temperature while soil P content was not correlated with environmental factors. The study concluded that there was no significant correlation between C, N, P and their ratios and latitude. Soil C: N ratio was relatively stable, and was not correlated with environmental factors (>0.05). Soil C: P and N: P ratio decreased with altitude, which indicated that soil P availability decreased with altitude in this research area.

Tibetan Plateau; mountain steppe; CNP; stoichiometric characteristics; geographical factors; climate factors

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.004

S153.6

A

1008-8873(2018)05-025-08

2017-07-03;

2017-08-11

国家自然科学基金(NSFC41572332); 科技部基础资源调查专项(SQ2016FY491000803)

赵云飞(1992—), 男, 山西大同人, 硕士研究生, 主要从事土壤生态研究, E-mail: zhaoyf2016@lzu.edu.cn

通信作者:汪霞, 女, 副教授, 从事环境土壤学研究, E-mail: wangxia@lzu.edu.cn

赵云飞, 洪苗苗, 欧延升, 等. 青藏高原东部山地草地土壤碳、氮、磷元素计量特征[J]. 生态科学, 2018, 37(5): 25-32.

ZHAO Yunfei, HONG Miaomiao, OU Yansheng, et al. The stoichiometric characteristics of soil C, N, P in mountain steppe of eastern Tibetan Plateau[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 25-32.