太白山不同海拔土壤碳、氮、磷含量及生态化学计量特征

　　摘要为探究太白山土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）含量垂直分布特征，阐明土壤C、N、P生态化学计量学特征对海拔梯度的响应规律，在秦岭太白山1700～3500m区域以100m海拔间隔进行研究。结果表明：（1）不同海拔高度下土壤有机碳、全氮、全磷变化范围分别是23.56～83.59gkg-1、2.00～5.77gkg-1、0.32～0.47gkg-1。土壤有机碳与全氮含量随海拔梯度升高先增后降，土壤全磷含量空间变异较小；（2）土壤C∶N、C∶P、N∶P范围分别为7.17～18.41、60.61～190.4、5.81～12.26。随海拔增加，土壤C∶N在阔叶林带呈降低趋势，针叶林带时转变为增加趋势。土壤C∶P随海拔梯度的变化趋势与土壤C∶N类似，N∶P随海拔梯度增加先升后降，至3200m有所升高；（3）两个阔叶林带（辽东栎林带和桦木林带）与高山草甸的土壤C、N含量及生态化学计量比高。冷杉林带C、N含量及其生态化学计量比最小；（4）温度、含水量、海拔和植被对土壤C、N、P化学计量特征具有重要影响，通过冗余分析揭示每个因素分别可解释系统变异信息的25.0%、24.3%、11.1%和6.9%，合计为67.3%。可见这些环境因素直接决定了土壤养分及生态化学计量特征。结果可为探明森林土壤养分供应状况和限制因素及太白山生态系统的保护、森林土壤质量评价等提供基础。

　　关键词海拔高度；太白山；土壤养分；化学计量特征；植被类型

　　生态化学计量学是一门研究生态系统中能量平衡和多重化学元素平衡的科学，在生态系统生产力制约因素以及物质（特别是碳（C）、氮（N）和磷（P））循环等方面得到广泛应用。借助于生态化学计量学这一研究工具开展生态系统C、N、P养分分布［1］、循环［2］及养分限制指示［3］等研究，对于揭示生态系统过程影响因素及其作用机制具有重要意义。目前有关森林生态系统化学计量特征的文献主要针对区域乃至全球范围内植物器官（叶片、细根和凋落物等）和植被C、N、P化学计量空间分布格局的研究［4］。此外，也有学者对土壤化学计量特征进行了大量的研究［5-6］。这些研究对丰富生态系统化学计量特征起到了关键作用［7］。然而，这些研究一般针对不同纬度森林生态系统土壤生态计量学特征，已有结果表明土壤C∶N在不同纬度梯度上无明显变化，受气候变化影响较小，而土壤C∶P、N∶P随纬度的升高显著下降且变异性较大［8-10］。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　太白山为秦岭主峰，海拔3767m。其北坡年降水量为694.2mm，年均温13°C［15］。研究区内植被类型丰富，垂直地带性明显，具有不同典型植被林带（锐齿栎、辽东栎、桦木林、冷杉林、落叶松和高山草甸）。

　　1.2土壤样品采集

　　2014年8月以100m海拔间隔，采集太白山北坡1700～3500m海拔梯度的土样。在研究区内选取地形、地貌、坡度和坡向等基本一致的标准样地，按照“S”型方法选择5个点进行采样。采样时先去除枯枝落叶，然后用土钻采集0～10cm土样，将5点土样混合均匀后装入自封袋。每个样地内2个重复，共采集38个土壤样品。

　　2结果

　　2.1土壤C、N、P含量与垂直分布特征及其相关性

　　对不同海拔梯度土壤有机碳、全氮、全磷含量进行分析（表1）。可看出，随海拔梯度增加，有机碳、全氮、全磷含量表现为不同的变化规律。其中，不同海拔土壤有机碳含量变化范围为23.56～83.59gkg-1，均值为40.58gkg-1，变异系数为39.37%。土壤有机碳含量随海拔增加呈先增后降的趋势。土壤有机碳含量在中海拔（2200～2300m）明显高于其他海拔（1700～2100m、2400m～3300m）。海拔1700～2100m与2600～3300m的土壤有机碳含量变化并不明显，至3400m处有机碳含量小幅度增加。

　　2.2不同海拔土壤C、N、P生态化学计量特征

　　对不同海拔梯度土壤C、N、P生态化学计量比C∶N、C∶P、N∶P进行分析（图2），其中，土壤C∶N变化范围为7.17～18.41，均值为12.99，变异系数为22.54%。C∶N在海拔2712m最低（7.17），在2284m最高（18.41），增加2.57倍。随海拔升高，土壤C∶N在阔叶林带呈降低趋势，林带转变为针叶林带时呈增加趋势。除海拔2097m、2600～3000m外，其他海拔高度土壤C∶N均高于全球森林0～10cm土壤C∶N均值12.4［17］。

　　3讨论

　　3.1土壤有机碳、全氮、全磷垂直变异特征

　　土壤养分是森林生态系统中植物营养的主要来源，森林物种组成、群落结构及生产力均受土壤养分的影响。土壤养分的空间分布呈现一定的海拔梯度特征［18］。森林土壤碳主要取决于凋落物的矿化分解与转化累积，氮含量来源于氮素矿化与固定、硝化与反硝化等过程［13］，与有机质的空间分布具一致性。本研究中土壤有机碳和全氮含量分别为40.58gkg-1、3.11gkg-1，高于我国0～10cm土壤有机碳、全氮含量均值24.56gkg-1、1.88gkg-1［5］，这与赵维俊等［19］在祁连山云杉林土壤的研究一致。气候条件与植被类型综合影响有机质的累积与分布特征，已有研究表明：低温可促进森林土壤碳的累积，地下细根生物量增加以及树种不同带来较大的生物量输入均可增加碳库累积［12］。在本研究区，随海拔增加，土壤温度降低，植被类型由阔叶过渡为针叶，植被茂盛程度减弱，使得不同林带凋落量与凋落物的性质截然不同。低海拔地区阔叶林带凋落量大，进入土壤的有机质较多，但低海拔地区降雨量高，湿润地区具有较强的生物化学循环过程，促进土壤有机质矿化。一系列综合原因致使输入至不同海拔梯度土壤中的有机质含量差异并不显著，因此本研究中土壤有机碳和全氮含量空间变异较小，这与Zhang等［11］在长白山的研究一致。

　　3.2C、N、P化学计量特征的影响因素

　　土壤生态化学计量特征受研究区域水热条件及土壤母质的风化作用等自然环境的调控，不同海拔梯度下的森林类型表土土壤养分变化很大，使得土壤C、N、P比存在较大的空间变异。研究表明：我国湿润温带土壤的C∶N稳定在10～12之间，热带与亚热带土壤C∶N高达20∶1；根据土壤碳氮储量计算，全球土壤C∶N平均为13.33［20］，而全球森林0～10cm土壤均值为12.4［17］。本研究区域不同海拔梯度几种森林类型的土壤C∶N介于9.80～15.49之间，均值为13.34，接近于全球土壤C∶N，与前人研究结果一致。土壤C∶P均值（102.2）高于全球森林0～10cm土壤C∶P均值（81.9）［17］，较高的C∶P是磷有效性低的一个指标，这从另一个方面验证了森林生态系统土壤磷的缺乏，这与赵维俊等［19］研究结果一致，他还指出N∶P高主要是研究区磷含量低决定的，在本研究区域也出现类似结果。

　　4结论

　　研究区土壤有机碳、全氮含量整体较高，全磷含量整体较低。不同海拔梯度几种森林类型的土壤C∶N接近于全球土壤C∶N，土壤C∶P与N∶P均值高于全球森林0～10cm土壤C∶P与N∶P均值。土壤温度和水分是影响土壤C、N、P生态化学计量比的主要因素，其次海拔也显著影响土壤C、N、P化学计量特征。

　　参考文献

　　［１］LiA，GuoDL，WangZQ，etal.Nitrogenandphosphorusallocationinleaves，twigs，andfinerootsacross49temperate，subtropicalandtropicaltreespecies：Ahierarchicalpattern.FunctionalEcology，2010，24（1）：224—232

　　［２］ManzoniS，TrofymowJA，JacksonRB，etal.Stoichiometriccontrolsoncarbon，nitrogen，andphosphorusdynamicsindecomposinglitter.EcologicalMonographs，2010，80（1）：89—106

　　［３］WangM，MooreTR.Carbon，nitrogen，phosphorus，andpotassiumstoichiometryinanombrotrophicpeatlandreflectsplantfunctionaltype.Ecosystems，2014，17（4）：673—684

　　*李丹维1王紫泉1田海霞1和文祥1，2耿增超1

　　

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