陶曉,俞元春,張云彬,何越,徐小牛*
1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院,安徽 合肥 230036;2. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210037
碳(C)、氮(N)、磷(P)是土壤重要的生源要素,其含量直接影響生態(tài)系統(tǒng)的植被生長、養(yǎng)分循環(huán)及土壤質(zhì)量,且土壤內(nèi)部 C、N、P元素存在耦合循環(huán)關(guān)系(Bai et al.,2012;Feng et al.,2017a)。因此,系統(tǒng)了解土壤各元素含量及耦合循環(huán)對深入研究生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義。
生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是一門研究多重化學(xué)元素平衡及生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的科學(xué)(Wang et al.,2014)。土壤C∶N表征土壤質(zhì)量,并可通過調(diào)節(jié)土壤微生物活性及土壤礦化速率進而影響土壤 C、N循環(huán)(Bradshaw et al.,2012)。C∶P可潛在影響土壤P的遷移及礦化,是表征凋落物質(zhì)量的重要指標(biāo)(Espinosa et al.,2017)。可見借助生態(tài)化學(xué)計量學(xué),對碳氮磷元素的比例關(guān)系及其分布和季節(jié)性變化開展研究,對深入認(rèn)識土壤元素生物地球化學(xué)循環(huán)特征及作用機制具有重要意義(Zhang et al.,2017)。
目前,陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮、磷元素含量及化學(xué)計量學(xué)的研究主要集中在自然林地、濕地、海岸,農(nóng)田、果園等領(lǐng)域。前人研究表明,土壤質(zhì)量(土壤容重、土壤pH、土壤養(yǎng)分)(Tashi et al.,2016;Sato et al.,2005;Ye et al.,2014)、海拔(李丹維等,2017)、氣候變化(Liu et al.,2017)、植被類型(Shang et al.,2013;喻林華等,2016)、土地利用方式等都是影響土壤 C、N、P含量及其化學(xué)計量比的重要因素,如,陳印平等(2017)研究發(fā)現(xiàn),黃河三角洲保護區(qū)內(nèi)人工林C∶N和C∶P比顯著高于農(nóng)耕區(qū),并認(rèn)為人為干擾、凋落物養(yǎng)分歸還量是造成差異的主要原因,趙一娉等(2017)通過對黃土丘陵溝壑區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),自然林的土壤C、N含量均高于人工林,其認(rèn)為土壤容重過大、滲透性差的土壤會影響土壤C、N的積累,而土壤P含量則主要受溫度與降水的影響。肖燁等(2014)對三江平原 4種典型濕地土壤碳氮分布差異的研究結(jié)果顯示,不同濕地類型土壤有機碳和全氮含量的存在空間異質(zhì)性,長時間淹水區(qū)會導(dǎo)致土壤物理結(jié)構(gòu)的變化,進而影響土壤有機碳的積累。
城市森林(Urban forest)是城市行政區(qū)域內(nèi)所有林木總和,是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分(吳澤民,2015),對改善城市環(huán)境具有重要意義。目前,我國城市森林建設(shè)正處于高速發(fā)展階段,原國家林業(yè)局也制定了到2050年全國70%的城市其森林覆蓋率達到45%的目標(biāo)。但城市森林的健康發(fā)展極大程度上依賴于城市森林土壤環(huán)境,近年來,快速城市化進程下的土地利用形式改變、人為干擾、交通污染等都會對城市森林生態(tài)系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分循環(huán)造成影響,但目前對其影響程度、機制等還缺乏系統(tǒng)和深入了解。
研究發(fā)現(xiàn),人為活動會導(dǎo)致土壤板結(jié)、土壤微生物活性降低、土壤礦化作用減弱、凋落物質(zhì)量下降,而城市森林氮沉降量遠高于天然林(Huang et al.,2012;Bettez et al.,2013),外源氮的輸入提高了土壤氮素有效性,利于植被生長,進而提高了土壤碳素積累,基于上述,我們提出本研究的假設(shè):(1)城市高氮沉降增加了土壤氮素有效性,提高了土壤碳素來源,削弱了城市森林土壤及凋落物質(zhì)量下降的負反饋影響,城市土壤“碳富集”;(2)城市特殊立地環(huán)境降低了土壤微生物活性,引起土壤P活化受限,導(dǎo)致土壤“磷限制”。
本研究選取合肥市典型城市森林(大蜀山、紫蓬山)為研究對象,通過對其土壤 C、N、P空間分布、季節(jié)變化及其化學(xué)計量特征的研究,探討城市森林土壤 C、N、P分布特征,揭示影響城市森林土壤 C、N、P化學(xué)計量的因子。為準(zhǔn)確評估城市森林土壤養(yǎng)分供應(yīng)及限制情況提供參考,并為城市森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營管理和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)
研究區(qū)位于安徽省合肥市(117°11′—117°22′E;31°48′—31°58′N)境內(nèi)的蜀山森林公園,占地面積1003.01 hm2,紫蓬山國家森林公園,占地面積1002.47 hm2。隸屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年降雨量約1000 mm,梅雨顯著,夏雨集中,6、7、8月降水量占全年的35.45%。年均溫15.7 ℃,極端低溫達-20.6 ℃,極端高溫達 40 ℃以上。兩研究地森林土壤為巖石風(fēng)化、氣候、生物等綜合作用下自然形成。1992年合肥市獲國家首批“園林城市”稱號,目前建成區(qū)綠地率34.5%,綠化覆蓋率39.5%。
2016年,按照離城市的遠近,建立了蜀山森林公園(近郊)、紫蓬山國家級森林公園(遠郊)長期試驗樣地(圖1),兩類樣地均設(shè)置在合肥市廣泛分布的森林類型-麻櫟(Quercus acutissima)林中。在每個樣地內(nèi)隨機選取3個15 m×15 m樣方用于土壤采集。各樣地情況見表1。
圖1 研究地區(qū)位圖Fig. 1 Location of the Research sites
鑒于研究地森林土壤土層較薄,30 cm以下土壤砂石含量較多,且土壤的養(yǎng)分含量的活躍成分主要集中在表層土層,本研究選取0—30 cm土層作為研究對象,并于2017年1月、4月、7月、10月中旬采集土壤樣品。在每個樣方內(nèi),按照“S”形布點法選取5個采樣點,每點相隔4—5 m,去除土表凋落物,在每個采樣點用土鉆分別采集 0—10 cm,10—30 cm土壤樣品,每個樣地每次取回共30份土壤樣品(每份不少于500 g),用于養(yǎng)分濃度含量的分析比較,用便攜式保溫箱低溫將樣品帶回實驗室。各樣地土壤情況見表2。
土壤樣品撿出侵入體和新生體后,一份保存在4 ℃冰箱內(nèi),用于測定微 MBC、DOC、NH4+-N、NO3--N;另一份風(fēng)干過2 mm篩,用于測定土壤碳、氮、磷含量。
土壤全氮(TN)使用元素分析儀(EA3000,Vector,Italy)測定;土壤全磷(TP)采用鉬銻抗比色法測定,土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定(鮑士旦,2000)。
土壤DOC使用Multi N/C 3100分析儀測定,土壤NH4+-N、NO3--N使用FIAstar 5000流動注射分析儀測定(Jones et al.,2006)。
微生物量碳氮(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法(Wu et al.,1990)。
MBC按照下式計算:
MBC=EC/0.45 (1)
式中:EC為熏蒸與未熏蒸測得的土壤DOC含量差值,0.45為MBC氯仿熏蒸后提取的生物量碳比例系數(shù)。
土壤含水率采用烘干法測定;土壤溶液pH按水土比2.5∶1充分混合,靜置后使用pH計測定。
元素質(zhì)量比的計算方法為:
式(2)—(4)中,SOC、TN、TC、TP分別為土壤有機碳、土壤全氮、土壤全碳、土壤全磷。
數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2013整理后,采用SPSS 20.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)比較各土層土壤 C、N、P 含量的季節(jié)性變化,利用多因素方差分析(Multi-way ANOVA)比較季節(jié)、區(qū)位、土層對SOC、TN、TP的影響。假定方差齊性下,應(yīng)用LSD法進行分析比較;未假定方差齊性下,應(yīng)用Tamhame,sT2(M)法進行比較。C、N、P化學(xué)計量比與土壤因子之間采用 Pearson相關(guān)系數(shù)法進行相關(guān)性檢驗。
從變異系數(shù)來看,0—30 cm SOC的季節(jié)性變異最大(50.46%),其次為 TN(44.52%),TP(37.30%)最小。
0—30 cm土層的SOC均值為21.82 g·kg-1,TP含量均值為0.18 g·kg-1,季節(jié)性變化規(guī)律均為秋季>春季>冬季>夏季。TN含量均值為1.69 g·kg-1,表現(xiàn)為春季>秋季>冬季>夏季。其中,TN、TP季節(jié)間差異顯著(P<0.05)(圖 2)。
季節(jié)對 0—10 cm土層 TP含量影響不顯著(P>0.05),而對 10—30 cm 土層的影響顯著(P<0.05),且此土層秋季土壤TP含量與其它3個季節(jié)差異極顯著(P<0.05)(圖 2)。說明不同土層的TP對季節(jié)變化的響應(yīng)明顯不同,表層土TP含量受季節(jié)影響不顯著。季節(jié)對0—10 cm及10—30 cm土層SOC含量影響均不顯著。春季0—10 cm土層TN顯著高于冬季(P<0.05),但10—30 cm土層季節(jié)間差異均不顯著,表層土TN含量受季節(jié)影響顯著。
表1 樣地基本概況Table 1 Survey of sample plots
圖2 各土層土壤C、N、P含量的季節(jié)性變化Fig. 2 Seasonal variation of C, N and P concentrations at different soil layers
除秋季P含量外,不同季節(jié)土壤SOC、TN、TP含量均隨土層深度的增加而顯著降低(P<0.05)。
研究表明,區(qū)位對土壤SOC、TN、TP含量影響顯著(P<0.05),季節(jié)、區(qū)位交互作用對土壤TN、TP影響顯著(P<0.001、P<0.05),季節(jié)、土層交互作用對土壤TP含量影響顯著(P<0.01)(表3)。
土壤 SOC、TN、TP之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),TP與pH、NO3--N、C∶N、MBC呈極顯著(P<0.01)或者顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表4)。
不同季節(jié)具有不同的 C、N、P化學(xué)計量特征(圖3),從變異系數(shù)來看,0—30 cm土層C∶P的季節(jié)性變異最大(46.59%),其次為N∶P(39.64%),C∶N(15.47%)最小。
0—30 cm土層C∶N均值為12.53,表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季>春季,且秋季與冬(10—30 cm土層除外)、春、夏季(0—10 cm 土層除外)差異顯著(P<0.05);夏季與春、秋季(0—10 cm土層除外)差異顯著(P<0.05),與冬季差異不顯著(P>0.05);冬季與春(0—10 cm土層除外)、秋季(10—30 cm土層除外)差異顯著。0—30 cm土層 C∶P均值為122.03,表現(xiàn)為夏季>冬季>春季>秋季,除 10—30 cm土層中秋季與冬、春、夏季差異顯著外(P<0.05),其余季節(jié)間差異不顯著(P>0.05)。0—30 cm土層N∶P均值為 9.57,季節(jié)變化為春季>夏季>冬季>秋季,春季與秋季(0—10 cm 土層除外)差異顯著(P<0.05),夏季與秋季(0—10 cm土層除外)差異顯著(P<0.05)。
表3 土壤SOC、TN、TP的多因素方差分析Table 3 Multi-Factor Analysis of Variance analysis of soil SOC, TN, TP
表4 土壤 SOC、TN、TP與土壤因子的相關(guān)性分析Table 4 Multi-Factor Analysis of Variance between soil SOC, TN, TP and soil factors
圖3 不同季節(jié)各土層C、N、P化學(xué)計量比Fig. 3 C, N, P stoichiometric ratio at the different soil depth in the different seasons
4個季節(jié)土壤C∶N、C∶P、N∶P比值均隨土壤深度的增加而下降。且春、夏、秋季土壤C∶N在不同土層間差異顯著(P<0.05),在同一季節(jié)不同土層間C∶P差異顯著(P<0.05),夏秋季節(jié)土壤N∶P在不同土層間差異顯著。
研究表明,季節(jié)、土層、區(qū)位對土壤C、N、P化學(xué)計量比影響顯著(P<0.05),對這些因子的交互作用進行多因素方差分析,結(jié)果表明(表5):季節(jié)、區(qū)位交互作用對 C∶N、C∶P影響顯著(P<0.001、P<0.05),季節(jié)、土層交互作用對 C∶P及 N∶P比影響顯著(P<0.05、P<0.01),區(qū)位、土層交互作用對C∶N 影響顯著(P<0.05)。
土壤 SOC、TN 與 C∶N、C∶P、N∶P、NH4+-N、NO3--N、MBC、DOC呈顯著(P<0.05)或極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01);土壤 C∶N、C∶P、N∶P與 SOC、TN、NH4+-N、DOC 呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)關(guān)系,土壤C∶N、C∶P、N∶P之間(除C∶N與N∶P外)亦呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),土壤N∶P與MBC呈顯著負相關(guān)(P<0.05)(表6)。
土壤C、N對維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與平衡具有重要作用。在本研究中,0—10 cm土壤 SOC、TN含量年均值為28.11、2.08 g·kg-1,略高于我國0—10 cm 含量均值(24.56、1.88 g·kg-1)(李丹維等,2017),表明城市森林土壤碳蓄積能力較強,驗證了前期假設(shè)。這主要由于氮元素是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要影響因子,城市化引起的城市森林土壤質(zhì)量下降、土壤微生物活性降低、凋落物分解速率下降等問題都會導(dǎo)致土壤碳氮含量降低,但近年來,由于人類生產(chǎn)生活的影響,全球范圍內(nèi)大氣氮沉降量普遍升高,增加了土壤氮素有效性,提高了凋落物、細根產(chǎn)量及土壤酶活性,進而增加了土壤碳氮來源(Huang et al.,2012)。
表5 土壤C、N、P化學(xué)計量比的多因素方差分析Table 5 Multi-Factor Analysis of Variance of soil C, N, P stoichiometric ratio
表6 土壤化學(xué)計量比與土壤因子間的相關(guān)性分析Table 6 Multi-Factor Analysis of Variance between its stoichiometric ratio and soil factors
已有研究表明,濕潤溫暖的氣候條件,生物化學(xué)循環(huán)過程較強,可促進土壤有機質(zhì)礦化(向慧敏等,2015),因而春秋季SOC、TN含量較高;夏季溫度較高,凋落物分解加速,但同時較多的雨水增加了淋溶作用,植物生長旺盛,對土壤養(yǎng)分的吸收也增加,一系列綜合原因促使夏季土壤C、N含量較低,這與本研究結(jié)果一致。本研究中不同土層土壤SOC、TN含量差異顯著(P<0.05),且隨土層深度的增加而降低,這主要由于植被和環(huán)境條件是影響土壤 C、N含量垂直分布的重要因素,凋落物分解合成產(chǎn)物是土壤 C、N的重要來源(Feng et al.,2017b),它們首先富集于地表,而后隨水分或其它介質(zhì)向下層擴散遷移,并且保持在相對穩(wěn)定的含量,進而形成隨土層深度的增加而降低的分布格局。
本研究中0—10 cm土壤TP含量空間變異性(37.31%)低于C、N(50.46%,44.52%),這與寧志英等(2019)的研究結(jié)果一致,其主要由于土壤P來自巖石分化,屬沉積性元素,遷移率低,含量主要受土壤母質(zhì)的影響,變異性小。土壤TP含量(0.19 g·kg-1)低于我國均值(0.78 g·kg-1) (Tian et al.,2010),與陳印平等(2017)的研究結(jié)果相反,其可能是由于不同的土地利用方式和植被生長需求決定的,宋佳齡等(2019)研究也認(rèn)為,亞熱帶季風(fēng)氣候下,自然形成的土壤P含量具有流失的風(fēng)險。TP含量季節(jié)變化表現(xiàn)為秋春季高于冬夏季,這主要由于冬季低溫降低根系分泌量及微生物活性,導(dǎo)致巖石分化及凋落物分解速率降低;夏季溫度較高,高溫多雨加快了巖石分化及P的淋溶,加快了巖石分化,增加了P的積累,但同時降雨加速了淋溶過程,引起 P的損失(李婷等,2015),綜合作用導(dǎo)致土壤TP含量冬夏季較低。
已有研究表明,土壤理化性質(zhì)影響其C、N、P含量(Feng et al.,2017b;Xiao et al.,2012)。本研究中土壤SOC、TN、TP之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),這主要由于C、N、P是土壤有機質(zhì)的基本構(gòu)成元素,且在有機質(zhì)中各占有一定的比例(Ye et al.,2014),亦進一步證實了城市森林土壤C、N、P之間的耦合性。本研究地土壤SOC、TN含量與 NH4+-N、NO3--N、MBC(與TN呈極顯著負相關(guān))、DOC呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系,這主要由于當(dāng)土壤中NH4+-N、NO3--N、DOC等可被植物直接吸收利用的土壤活性養(yǎng)分增加時,養(yǎng)分來源更充足,植被生長旺盛,進而增加了凋落物產(chǎn)量,更利于土壤有機質(zhì)的積累(Zhang et al.,2013);土壤MBC含量是表征土壤有機質(zhì)分解和氮礦化的關(guān)鍵指標(biāo),土壤有機氮礦化后產(chǎn)生的 NH4+-N和NO3--N為土壤微生物以及植被生長提供了氮素來源,進一步增加了凋落物量,提高了土壤有機質(zhì)的分解,因此,土壤MBC含量的增加,利于植被對土壤氮素的吸收,一定程度上減少了土壤N含量,增加了土壤C的積累(高珊等,2018)。Loomis et al.(2010)研究表明,土壤 C、N含量與其含水率呈極顯著正相關(guān),并認(rèn)為高的含水率利于土壤C、N積累,特別是在厭氧環(huán)境中,而本研究尚未發(fā)現(xiàn)城市森林土壤含水率與 C、N、P及其化學(xué)計量間的相關(guān)性,這與前人研究結(jié)果有所不同,這可能與立地環(huán)境的不同有關(guān)。
土壤 C、N、P化學(xué)計量比受季節(jié)、區(qū)位、土壤因子等影響,且空間差異性較大。土壤C∶N是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),研究表明,全球0—10 cm森林土壤 C∶N均值為 12.4,全球土壤 C∶N均值為13.33(李丹維等,2017)。本研究中城市森林土壤C∶N均值為13.39,接近于全球土壤平均水平,表明城市森林土壤有機質(zhì)的礦化速率較穩(wěn)定,即釋放養(yǎng)分的能力接近全球土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力,較高的土壤C∶N值預(yù)示著土壤具有較強的碳轉(zhuǎn)化潛力和較大的潛在土壤N庫(陶冶等,2017)。土壤C∶P是衡量土壤微生物礦化有機物釋放 P潛力的指標(biāo),0—10 cm土壤C∶P均值(151.59),遠高于全球森林土壤對應(yīng)土層 C∶P均值(81.9) (Cleveland et al.,2007)。高C∶P比會加劇微生物與植物對土壤無機P的競爭,影響植物生長,因此較高的C∶P是P有效性低的一個重要指標(biāo)(趙維俊等,2016;李丹維等,2017),進一步證實了城市森林生態(tài)系統(tǒng)土壤 P的缺乏。N∶P可用作N飽和的診斷指標(biāo)(Zhao et al.,2015),并被用于確定養(yǎng)分限制的閾值,土壤N:P(11.19)高于中國平均水平(3.9)(Cleveland et al.,2007),城市森林較高的氮沉降量證實了土壤 N∶P是由研究區(qū)較低的磷含量決定的。
土壤C∶N、C∶P、N∶P具有較高的變異系數(shù),且C∶N(15.47%)低于 C∶P(46.59%)、N∶P(39.64%)。這由于森林土壤C主要來源于凋落物的分解轉(zhuǎn)化積累、N主要來源于氮素礦化與固定(張廣帥等,2016)、P主要來自巖石分化,受成土母質(zhì)、微生物、氣候、土壤生物地球化學(xué)循環(huán)等因素的影響(You et al.,2018)。可見,土壤碳氮變化易受環(huán)境條件影響,且碳氮的空間分布具有一致性,兩者間存在耦合循環(huán),而P變化幅度小,含量相對穩(wěn)定。
進行相關(guān)性分析可以解釋不同組分 C、N、P化學(xué)計量比指標(biāo)之間協(xié)同關(guān)系,有助于對養(yǎng)分間耦合過程做出合理解釋(趙維俊等,2016)。Zhang et al.(2017)研究表明,土壤含水率與C∶P呈顯著正相關(guān),并認(rèn)為這主要由于土壤P基本來源于巖石分化,被植被吸收后又隨凋落物以有機質(zhì)的形式返還土壤中,高的含水率有利于土壤有機磷積累,進而引起C∶P升高;Sun et al.(2017)研究亦證實了土壤含水率與C∶N的相關(guān)性。先前研究證實了土壤質(zhì)地(如:含水率、pH、容重、土壤養(yǎng)分等)可影響土壤 C∶N、C∶P(Zhang et al.,2017;Sun et al.,2017)。本研究中,土壤C∶N、C∶P、N∶P與SOC、TN含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),且土壤 C∶N、C∶P、N∶P之間(除C∶N與N∶P外)亦呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),表明土壤SOC、TN含量是影響土壤C、N、P化學(xué)計量比的因素,C∶N、C∶P、N∶P之間存在較好的耦合性。這與前人研究結(jié)果較一致,如Yu et al.(2016)在研究濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)高的C∶N增加了土壤N的流失,并認(rèn)為這主要由于充足的有機碳在NO3--N反硝化過程中充當(dāng)了電子供體的作用。Zhang et al.(2017)研究證實了土壤P是影響C、N循環(huán)的重要調(diào)節(jié)因子。
(1)本研究中,0—10 cm土壤SOC、TN含量年均值略高于我國均值;土壤TP含量則遠低于我國均值,證實了城市森林土壤處于“碳富集、磷限制”狀態(tài)。土壤SOC、TN、TP含量秋春季較高,冬夏季較低,季節(jié)對土壤 TN、TP含量影響顯著(P<0.05)。
(2)研究地城市森林土壤 C、N、P化學(xué)計量比受研究區(qū)域季節(jié)、區(qū)位、土壤因子等影響,且土壤 C∶N、N∶P季節(jié)差異顯著。C∶P遠高于全球森林土壤均值;N∶P高于中國平均水平,進一步驗證了土壤磷的缺乏。
(3)研究地城市森林土壤C∶N、C∶P、N∶P之間(除C∶N與N∶P外)亦呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,進一步證實了 C、N、P間存在較好的耦合性。城市森林土壤NH4+-N、NO3--N、DOC含量增加,利于土壤C、N積累;土壤MBC含量的增加,利于植被對土壤氮素的吸收,一定程度上減少了土壤 N含量,增加了土壤C的積累。