新疆伊犁不同林龄野苹果林土壤碳、氮、磷生态化学计量特性

达清珍, 崔东, 张雨露, 赵阳, 尼加提·卡斯木, 刘淑琪

新疆伊犁不同林龄野苹果林土壤碳、氮、磷生态化学计量特性

达清珍1,2, 崔东1,2,*, 张雨露1,2, 赵阳1,2, 尼加提·卡斯木1,2, 刘淑琪1,2

1. 伊犁师范大学生物与地理科学学院, 资源与生态研究所, 伊宁 835000 2. 伊犁师范大学化学与环境科学学院, 伊宁 835000

研究新疆伊犁不同林龄野苹果林下的土壤碳、氮、磷含量变化特征及生态化学计量学特征变化规律, 阐述不同林龄、不同土层野苹果林地土壤生态化学计量特征, 为伊犁野果林资源保护提供理论依据。在伊犁巩留野苹果林内选取土母岩、海拔、立地条件较为一致的野苹果幼龄林(10 a)、中龄林(23 a)、成熟林(33 a), 每个林龄林中分别设置三个20 m × 20 m采样点样方, 按0—15 cm, 15—30 cm, 30—45 cm, 45—60 cm土层深度取样, 测定土壤SOC、TN和TP含量, 选用单因素方差分析Duncan来进行显著性检验。分析表明, 土壤SOC、TN含量随土层深度的增加趋于下降, 而TP含量在土层间无显著变化; SOC、TN含量随林龄先上升后下降, TP含量逐渐上升。3个林龄野苹果林0—60 cm土层土壤C: N为5.24—13.11、C: P为15.03—98.44、N: P为2.69—9.96。由冗余分析(RDA)可知, 伊犁河谷不同林龄野苹果林下土壤有机碳对化学计量比的影响最大, 全氮对化学计量比的影响最小。

野苹果林; 林龄; 生态化学计量

生态系统元素平衡是当今全球变化生态学和生物地球化学循环研究的热点和核心[1]。生态化学计量学的基本理论层面包含有化学、物理学和生物学理论, 研究环境生态系统中各物质能量间的平衡关系及各组分的组成元素, 主要是碳、氮、磷元素的平衡关系[2]。目前, 化学计量学的研究对象大多是水生生态系统, 然而对繁杂的陆地生态系统的研究还一知半解。与水生生态系统相比较, 陆地生态系统更为复杂, 开展研究更为困难。森林生态系统是陆地生态系统中非常重要组成部分, 研究森林生态系统的土壤化学计量特征对森林生态系统保护与可持续发展具有重大意义[3]。近年来, 国内外学者对陆地生态系统展开大量研究, 其研究主要集中于森林生态系统等, 其中对森林生态系统元素的平衡关系和预测养分速率的探讨, 一般根据对各植物、凋落物及土壤中C、N、P元素组成比的研究[3]。现阶段, 国内对生态化学计量学方面的研究较为广泛, 在植物、种群、群落、元素、生态系统等方面均取得了有效成果[4]。但目前生态化学计量学方面的野果林下土壤营养物质生态化学计量学的研究较少[3], 然而在陆地生态系统中土壤是必不可少的单元, 对植物的生长过程有着重要作用, 在植物的群落组成、结构等方面有着直接的影响[4]。

伊犁地区的野果林树种中包括有蔷薇科核果类植物、胡桃科植物。现今, 野果林在全球范围内较稀缺, 野生蔷薇科核果类植物、胡桃科植物更为全国罕见, 因此新疆地区野果林极为珍视[5]。而今, 针对野果林群落, 对群落生态、保育生物及病虫害等问题进行研究, 阐明了野果林林地土壤形成的一系列前提条件及过程, 阐述了土壤的分类体系[6–7], 但对土壤营养物质的生态化学计量特征的研究较为缺乏, 然而土壤C、N、P及其化学计量比对植物群落有着较大影响, 不同土层C、N、P含量及化学计量比有所不同, 由于枯枝落叶、动物残体及粪便分解及土壤母质分化等在不同土层中存在差异[8–11]。此外, 大量实验发现, 不同年际间生长阶段的植物化学计量特征会随时间变化而变化[12], 从而影响土壤养分化学计量特征。任璐璐等[13]陕北黄土高原刺槐人工林的研究结果表明, 随着林龄的增加, 土壤化学计量比C:N、C:P、N:P和C:N:P呈现出先减后增的趋势。这与张继辉等[14]人研究柚木人工林发现, 林龄对土壤理化性质和C:N均有显著的影响, C:N、C:P随林龄的增加而增加。近几十年, 由于人类活动、经济发展等因素对野果林及其土壤的影响, 加之多数人类缺乏生态环境资源保护意识, 致使野果林林地面积减少、种群群落退化严重[15]。本文选择新疆伊犁不同林龄野苹果林为研究对象, 研究不同林龄、不同土层的野苹果林土壤碳、氮、磷及其比例的变化情况, 揭示新疆森林生态系统下不同林龄下的生态化学计量特征, 为保护野果林资源提供科学依据。

1.1 研究区概况

研究区属于中亚天山野果林的重要组成部分, 位于新疆西北部伊犁州巩留县和新源县, 介于东经82°42′—87°40′、北纬43°09′—43°48′之间, 属北温带大陆性半干旱气候。年日照时间2500 h, 年均气温8.4 ℃, 年均最低气温–7.4 ℃, >10 ℃的年积温层3000 ℃, 一年中无霜期约为130 d, 积雪期约为150 d, 海拔800—1600 m间存有“逆温层”[13–14]。该地区年降雨量220—280 mm, 年空气相对湿度约45%。有山地、平原两种地貌, 海拔为1300— 1500 m。土壤类型黑棕色野果林土类, 腐殖质层非常发达, 其中, 野苹果林土壤、野核桃林土壤多为黄土或黄土木质, 土地肥沃; 天山樱桃林、野杏林的土壤多为冲击母质, 土层较薄, 肥力较低[15]。

1.2 样地设置

2019年7月, 采用野外样地实验法对伊犁河谷巩留县、新源县的野苹果林群落(82°42′—87°40′E、43°09′—43°48′N, 海拔1300—1500 m)进行调查研究。野果林群落的林龄是林分的年龄, 根据树种的生长速度和寿命划分为幼龄林、中龄林、成熟林。本研究选取海拔、立地条件较为一致的野苹果幼龄林(10 a)、中龄林(23 a)、成熟林(33 a)三个不同龄林下的土壤,每个林龄分别设置三个面积为20 m × 20 m的典型样地。3种林龄野苹果林样地的基本特征见表1。

1.3 样品采集与处理

分别在每个样地四角及对角线交叉处设置1 m × 1 m的小样方。按0—15 cm, 15—30 cm, 30—45 cm, 45—60 cm土层进行采样,将各样地相同土层的土样先去除杂质然后混合, 土壤样本根据四分法各取0.5 kg。带至实验室烘干,选用对角线法取土样(150—200 g), 然后研磨, 接着过筛(0.1 mm)备用。采用重铬酸钾容量法—外加热法测定SOC、采用凯氏定氮法测定TN、采用钼锑抗比色法测定TP[16-19]。

1.4 数据处理

选用SPSS 20.0软件和CANODO 5.0软件, 利用单因素方差分析One-way ANOVA、双因素方差分析Two-way ANOVA分析比较不同林龄、不同土层野苹果林地土壤生态化学计量特征, 利用RDA排序进行相关性分析; 利用Microsoft Excel 2010进行数据统计分析和作图。

2.1 不同林龄野苹果林土壤C、N、P含量变化

由表2可知, 幼龄林、中龄林、成熟林林分中各土层土壤SOC含量随土层深度的增加趋于下降。同一林龄不同土层, 10 a生的幼龄林林分土壤有机碳含量表现为0—15 cm土层显著高于15—30 cm土层, 15—30 cm土层显著高于30—45 cm土层, 30—45 cm土层显著高于45—60 cm土层; 23 a生的中龄林和33 a生的成熟林林分土壤有机碳含量均表现为 0—15cm土层显著高于15—30 cm、30—45 cm土层, 45—60 cm土层显著低于15—30 cm、30—45 cm土层。23 a生的中龄林林分土壤在各个土层中SOC的含量较10 a生的幼龄林和33 a生的成熟林林分土壤在各个土层中SOC的含量高, 在各个土层中的含量依次为166.03 g·kg-1、108.24 g·kg-1、97.53 g·kg-1、45.13 g·kg-1。0—60 cm不同林龄土层土壤SOC含量由高到低依次为为: 中龄林(23 a)、成熟龄(33 a)、幼龄林(10 a)。同一土层不同林龄, 0—60 cm土层土壤有机碳含量均表现为23 a生的中龄林林分显著高于33 a生的成熟林林分, 10 a生的幼龄林林分显著低于33 a生的成熟林林分。

表1 不同林龄野苹果林基本特征

由表2可知, 幼龄林、中龄林、成熟林林分各土层土壤TN含量随土层深度的增加趋于下降。同一林龄不同土层中, TN含量存在显著差异, 其中0—15 cm土层中TN含量最高; 33 a生的成熟林林分土壤TN含量0—45 cm中各土层差异不显著。23 a生的中龄林林分土壤在各个土层中TN含量较10 a生的幼龄林和33 a生的成熟林林分土壤在各个土层中TN的含量高。0—60 cm不同林龄土层土壤TN含量由高到低依次为: 中龄林(23 a)、成熟林(33 a)、幼龄林(10 a)。同一土层不同林龄, 0—15 cm、15—30 cm土层土壤全氮含量均表现为23 a生的中龄林林分显著高于10 a生的幼龄林和33 a生的成熟林林分; 30—45 cm、45—60 cm土层土壤全氮含量均表现为23 a生的中龄林林分显著高于33 a生的成熟林林分, 10 a生的幼龄林林分显著低于33 a生的成熟林林分。

由表2可知, 幼龄林、中龄林、成熟林林分各土层土壤TP含量随土层深度的增加逐渐上升后又趋于下降, 其中, 同一林龄30—45 cm土层土壤TP含量最高, 但同一林龄0—60 cm不同土层土壤TP含量差异均不显著。33 a生的成熟林林分土壤在各个土层中TP含量较23 a生的中龄林和10 a生的幼龄林林分土壤在各个土层中TP的含量高。0—60 cm不同林龄土层土壤TP含量由高到低依次为: 成熟林(33 a)、中龄林(23 a)、幼龄林(10 a)。同一土层不同林龄, 0—60 cm土层土壤全磷含量均表现为33 a生的成熟林林分显著高于23 a生的中龄林林分, 23 a生的中龄林林分显著高于10 a生的幼龄林林分。

表2 3个林龄野苹果林各土层土壤有机碳、全氮和全磷含量 (g·kg-1)

注: 相同元素同一行中不同小写字母代表该元素在不同土层中差异显著(<0.05), 相同元素同一列中不同大写字母代表该元素在不同林龄间差异显著(<0.05)。

2.2 不同林龄野苹果林土壤C、N、P的化学计量特征

由图1可知, 3个林龄野苹果林0—60 cm土层土壤C: N为5.24—13.11, 10 a生的幼龄林林分土壤碳氮比随土层深度增加先下降后上升, 23 a生的中龄林和33 a生的成熟林林分土壤碳氮比随土层增加而逐渐下降。由单因素方差分析可得, 幼龄林在0—15 cm土层的土壤C: N显著高于15—30 cm、45—60 cm土层, 中龄林和成熟林均表现为在0—60 cm各个土层中土壤C: N存在显著性差异。0—45 cm各个土层中均表现为33 a生的成熟林土层土壤C: N高于23 a生的中龄林, 高于10 a生的幼龄林; 45—60 cm土层中表现为10 a生的幼龄林最高, 33 a生的成熟林次之, 23 a生的中龄林最低。0—45 cm各个土层中成熟林林分土壤C: N显著高于中龄林, 中龄林林分土壤C: N显著高于幼龄林; 45—60 cm幼龄林土层土壤C: N显著高于中龄林和成熟林, 后两者C: N无显著性差异。

由图1可知, 3个林龄野苹果林0—60 cm土层土壤碳磷比(C: P)为15.03—98.44, C: P随土层深度增加而下降。经单因素方差分析得出, 相同林龄下的土层土壤C: P在不同土层均存在显著性差异, 表现为0—15 cm土层土壤C: P最高, 45—60 cm土层土壤C: P最低。在同一土层, 0—15 cm、45—60 cm土层中23 a生的中龄林林分土壤C: P显著高于10 a生的幼龄林林分土壤, 10 a生的幼龄林林分土壤C: P显著高于33 a生的成熟林林分土壤; 15—30 cm表现为23 a生的中龄林土层土壤C: P显著高于10 a生的幼龄林和33 a生的成熟林林分土层土壤, 后两者无显著性差异; 30—45 cm土层土壤C: P表现为23 a生中龄林显著高于33 a生成熟林, 成熟林显著高于10 a生幼龄林。

由图1可知, 3个林龄野苹果林0—60 cm土层土壤N: P为2.69—9.96, 氮磷比随土层深度增加而下降。经单因素方差分析得出, 相同林龄下的土层土壤N: P在不同土层均存在显著性差异, 0—60 cm土层土壤N: P表现为0—15 cm最高, 45—60 cm最低。0—45 cm同一土层中不同林龄林分土壤N: P表现为中龄林林分土壤显著高于幼龄林, 幼龄林林分土壤显著高于成熟林; 45—60 cm表现为中龄林林分土壤N: P显著高于成熟林和幼龄林林分土壤, 后两者无显著性差异。

2.3 不同林龄野苹果林土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性

采用冗余分析(RDA)研究不同林龄野苹果林土壤C、N、P含量及化学计量比的相关关系(图2)。其中, 第一排序轴(RDA 1)解释变化的比例达83.79%, 第二排序轴(RDA 2)解释变化的比例达10.00%, 两轴可以反映土壤碳、氮、磷含量与化学计量比关系。土壤SOC、TP、TN与化学计量比显著相关(<0.05), SOC、TP对化学计量比有极显著影响(<0.01), 全磷对C: P、N: P呈现负相关性, 有机碳和全氮分别对C: P、C: N和C: N、N: P呈现正相关性。其中, 有机碳对化学计量比的影响最大, 解释比例达75.3%(=30.4,<0.01); 全氮对化学计量比的影响最小, 解释变化的比例仅占8.2%(=10.6,<0.01)。

注: 同一图组大写字母不同代表该土层元素计量比在不同林龄间差异显著(P<0.05), 同一图例小写字母不同代表该林龄不同土层间元素计量比差异显著(P<0.05)。

Figure 1 Change characteristics of soil C: N, C: P and N: P in three aged wild apple forests

3.1 土层、林龄对野苹果林土壤C、N、P含量的影响

土壤养分中的碳、氮、磷等元素对土壤质量有着重要影响, 其含量和分布对本地植物的生长发育起着相当重要的作用[20–21]。本文通过对伊犁地区巩留县与新源县野果林群落三个不同林龄土壤碳、氮、磷含量的分析显示, 不同林龄野苹果林土壤SOC、TN含量均随土层深度的增加而降低, 土壤有机碳下降幅度由大到小依次为: 幼龄林(76.38%)、成熟林(74.36%)、中龄林(72.82%); 土壤总氮下降幅度由大到小依次为: 幼龄林(64.44%)、中龄林(41.43%)、成熟林(36.63%)。而TP含量随土层深度的增加差别不明显, 与大多数研究结论相同[22]。土壤中碳元素和氮元素的输入, 是由于地表的枯枝落叶、动物残体及粪便分解, 主要存在于地表0—15 cm土层[8–11], 然后由于淋溶作用逐渐向下迁移, 致使土壤表层SOC、TN含量较高, 且随土层深度增加而渐趋降低。而磷元素主要受土壤母质分化的影响[23], 因而变化较小。可能是因为该地区气候湿润, 降水较多, 土壤中的P元素受雨水淋溶的原因, 不利于其积累, 因此研究区域土壤P含量较低[15]。

龄增加, 林分植株个体生物量随之增加, 因此, 导致土壤养分的格局随之变化[10]。本研究结果显示, 不同林龄野苹果林在中幼龄时期, 土壤SOC、TN和TP含量随林龄的增长而上升[24], 对杉木人工林的中龄林到成熟林阶段, 有机碳和全氮含量随林龄的增长而下降, 全磷含量上升。这与吴明[25]对杉木人工林的研究结果相一致。由于林木的生长发育, 在此过程中需吸收大量的营养物质, 新形成有机质的输入小于原来有机质的分解, 所以使幼龄林土壤SOC和TN含量较低[22]; 当林木由幼龄林生长至中龄林林木时, 林木对营养物质的吸收随之降低, 并且植物的各新陈代谢产物、根系等会分解产生有机碳、全氮, 使土壤有机碳和全氮含量较高[22], 中龄林至成熟林, 野果林林木密度加大, 对土壤养分需求大, 以致土壤中SOC、TN含量减少[8]。随着林龄增长, 凋落物随之增加, 分解产生磷素归还于土壤养分之中, 因此TP含量随之增加[8]。

注: 图中箭头代表环境因子, 其所在的象限表示各因子与排序轴之间的正负相关性, 箭头连线的长度表示环境因子与排序轴间相关程度的大小, 连线越长, 则相关性越大, 图中右上角是对应变量解释比例。

Figure 2 Redundancy analysis

林3.2 野苹果林土壤C、N、P化学计量特征的指示意义

土壤SOC、TN、TP等元素的循环过程是相互耦合、相互影响的, 已有研究发现土壤C: N、C: P等存在一定的比例关系[26–27]。C: N作为土壤质量的敏感性指标[28], 是土壤氮素矿化能力的标志, 与土壤有机质的分解速率成反比[29], 可用以度量土壤C、N营养均衡状况[28]。本研究表明, 3个林龄野苹果林土壤C: N除33 a生的成熟林在15—30 cm土层外, 均低于我国陆地土壤C: N的平均值(11.9)[30], 说明土壤有机质具有较快的矿化作用。0—45 cm各土层中C: N随林龄逐趋增加, 而在45—60 cm土层中则是先降低而后上升, 是由于土层水分和温度不同, 水分多则导致土壤养分流失[30], 适宜温度可提高土壤微生物活性、养分循环及养分积累。

土壤C: P是衡量土壤中微生物通过对有机物质的矿化作用释放出磷元素、在土壤环境中吸收并固持磷元素潜力的指标, 较低的C: P表明微生物在矿化土壤有机质中释放磷的潜力较大[22]。本研究表明, 10 a生的幼龄林和33 a生的成熟林30—60 cm土层土壤的C: P低于中国陆地土壤C: P(52.7), 0—60 cm各土层土壤C: P随林龄有先上升后下降的变化趋势, 是由于土壤中腐殖质层对植物营养物质的供应与林木在生长过程中对营养物质的吸收和利用不同[4]。

土壤中N: P可作为N元素养分限制和饱和的标准, 在植物生长过程中判断土壤营养物质的供给情况[31]。本研究表明, 23 a生的中龄林林分土层土壤N: P高于我国土壤N: P的均值(5.2)[32]。33 a生的成熟林林分土壤N: P低于我国土壤N: P的均值, P素的偏低, 会导致N、P失衡, 制约林木正常的生长发育、新陈代谢以及在生态系统中的循环特征, 因此, 对于成熟林应施放适当的P肥弥补P素的偏低[31]。

本研究表明, 伊犁野苹果林土壤有机碳、总氮含量随土层深度的增加趋于降低, 随林龄先上升后下降, 而总磷含量随土层增加无明显变化, 随林龄的增长逐渐上升; 通过分析伊犁不同林龄野苹果林土壤SOC、TN、TP、C:N、C:P、N:P之间的相关性分析, 有机碳对化学计量比的影响最大, 全氮对化学计量比的影响最小。

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Ecostoichiometric characteristics of soil carbon, nitrogen and phosphorus in wild apple trees of different ages in Yili, Xinjiang

DA Qingzhen1,2, CUI Dong1,2*, ZHANG Yulu1,2, ZHAO Yang1,2, Nijatkasim1,2, LIU Shuqi1,2

1. College of Biology and Geography Sciences, Institute of Resources and Ecology, Yili Normal University, Yining, Xinjiang 835000, China 2. College of Chemistry and Environmental Sciences, Yili Normal University, Yining 835000, China

This paper studied the change characteristics of soil carbon, nitrogen and phosphorus contents and the change rules of ecological stoichiometric characteristics of wide apple forest under different forest ages in Yili, Xinjiang, and expounded the soil ecological stoichiometric characteristics of wild apple forest under different forest ages and different soil layers, so as to provide theoretical basis for the protection of wild apple forest resources. In Yili Gongliu wild apple forest (10 a), mid-maturation forest wild apple sapling forest (23 a), mature forest (33 a), we set three 20 m × 20 m quadrat sampling points, according to 0 to 15 cm, 15 to 30 cm, 30 to 45 cm, 45 to 60 cm depth of soil sampling, measured soil SOC, TN and TP content, and used the One-Way ANOVA of variance for significance test. The analysis showed that the contents of SOC and TN tended to decrease with the increase of soil depth, while the contents of TP did not change significantly between soil layers. The contents of SOC and TN increased first and then decreased with forest age, while the contents of TP increased gradually. Soil C: N was 5.24-13.11, C: P was 15.03-98.44, and N: P was 2.69-9.96 in the 0 to 60 cm soil layer of the three aged wild apple forests. Redundancy analysis (RDA) showed that soil organic carbon had the greatest effect on stoichiometry, and total nitrogen had the least effect on stoichiometry.

wild apple forest;forest age; ecological stoichiometry

达清珍, 崔东, 张雨露, 等. 新疆伊犁不同林龄野苹果林土壤碳、氮、磷生态化学计量特性[J]. 生态科学, 2022, 41(5): 98–104.

DA Qingzhen, CUI Dong, ZHANG Yulu, et al. Ecostoichiometric characteristics of soil carbon, nitrogen and phosphorus in wild apple trees of different ages in Yili, Xinjiang[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 98–104.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.012

S154.1

A

1008-8873(2022)05-098-07

2020-08-22;

2020-11-04

伊犁师范大学博士科研启动基金项目(NO:2019YSBS009)

达清珍(1997—), 女, 甘肃兰州人, 硕士研究生, 主要从事土壤生态学等方面的研究工作, E-mail: 2996929983@qq.com

崔东, 男, 博士, 副教授, 主要从事土壤地理学、土壤生态等方面的教学与科研工作, E-mail: cuidongw@126.com

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