中蒙邊境不同緯度草原土壤化學計量特征

許學慧，劉 帥，張 恒

（內蒙古農業(yè)大學，內蒙古 呼和浩特 010019）

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是植物生長發(fā)育的基礎[1]，碳（C）、氮（N）、磷（P）等化學元素是植物生長的必需元素，直接影響植物的生長發(fā)育、土壤微生物的活動以及土壤的養(yǎng)分循環(huán)[2]。生態(tài)化學計量學（Ecological stoichiometry）是研究探討生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與多重化學元素（以C、N、P為主）平衡的一門科學，是分析生態(tài)系統(tǒng)與元素間質量平衡相互影響的理論[3]。土壤C、N、P含量之間存在著密切聯(lián)系，其比值可以反映出土壤內部C、N、P循環(huán)與平衡特征，是植被類型、成土因子及人類行為活動的綜合影響結果[4]。王建林等[5]對青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤C/N的分布特征進行研究發(fā)現(xiàn)，不同草地類型和不同自然地帶土壤C/N差異顯著，表土層與底土層土壤C/N差異也顯著。海拔、水分與溫度對土壤C、N、P化學計量特征影響顯著[6]。羅亞勇等[7]在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤研究中發(fā)現(xiàn)，C/N、C/P和N/P均隨草甸的退化過程呈現(xiàn)下降趨勢。土壤C、N、P化學計量學特征隨人為干擾程度的不同而發(fā)生變化[8]。中蒙邊境典型草原受氣候、地形、植被等因素影響，土壤類型多樣。研究結果顯示，中蒙邊境典型草原土壤有機質含量隨著緯度增加而增加，表層（0～20 cm）和深層（40～50 cm）土壤全氮含量與緯度之間無顯著關系，但20～30、30～40 cm土層中全氮含量隨著緯度增加而降低，土壤全磷含量空間變異性較小，隨緯度、溫度、降水量梯度分布各土層土壤全磷含量變化不顯著[9]。

土壤C、N、P化學計量可以表征土壤肥力的盈缺。C/N可以影響土壤中的C、N循環(huán)，是反映土壤質量的重要指標，而N/P指標可反映草原植被在生長過程中土壤N的供給情況[10]。迄今為止，有關草原土壤化學計量學的研究多集中于牧區(qū)草原土壤研究及不同海拔高度地區(qū)土壤研究，而對不同緯度梯度下中蒙邊境草原土壤C、N、P化學計量對比分析則鮮有報道。本研究通過對不同緯度梯度草原土壤有機碳、全氮、全磷含量及其化學計量比特征進行研究，以期為中蒙邊境天然草地的合理利用和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設置在中蒙邊境的二連浩特市（Erenhot City，EC）、東烏旗（Eastern Wu Banner，EWB）以及新巴爾虎右旗（Xin Barag Right Banner，XBRB）境內的典型草原牧區(qū)。二連浩特市氣候干旱，地面干燥，屬于中溫帶大陸性氣候，是典型的干旱草原沙化區(qū)，自然植被以荒漠草原為主。東烏旗屬北溫帶大陸性氣候，地區(qū)地帶性草地類型主要包括溫性草甸草原類和溫性典型草原類，由于自然條件及人為干擾，區(qū)內部分草原荒漠化、沙化，其土壤上覆蓋有少量芨芨草[Achnatherum splendens（Trin.）]、小二仙草[Haloragis micrantha（Thunb.）R.Br.]，并且存在小面積的裸露沙地。新巴爾虎右旗屬溫帶大陸性氣候，草地類型多樣，可分為草甸草原和干旱草原兩大草原地帶，草原植被以大針茅（Stipa grandis）和克氏針茅（Krylov Needlegrass）為典型代表，并存在有小針茅草原、多根蔥草原等荒漠草原類型[11]。3個研究區(qū)的自然地理概況如表1所示。

表1 研究區(qū)自然地理概況

1.2 樣品采集與處理

樣品采集于2018年10月，氣象觀測數(shù)據(jù)顯示，2018年二連浩特市、東烏旗和新巴爾虎右旗年均溫度分別為5.6、2.9和2.2℃，年均降水量分別為226.0、412.9和224.7 mm。分別在中蒙邊境的二連浩特市、東烏旗和新巴爾虎右旗境內的典型草原牧區(qū)內各設置6塊樣地，共18塊樣地，樣地面積為10 m×10 m。在每塊樣地內采用對角線采樣法分層采集0～10、10～20、20～30 cm的土樣，每個樣地同一土層土壤樣品混合均勻后裝入自封袋，共獲得54個土壤樣品。樣品帶回實驗室，剔除礫石、草根等雜物，放置于陰涼干燥處風干后過篩，備用。

1.3 樣品測定方法

土壤pH、有機碳、全氮、全磷含量分別采用電位法、重鉻酸鉀氧化-外加熱法、凱氏定氮法、H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定[12]。有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn含量的測定采用pH 7.3的DTPA-CaCl2-TEA浸提-原子吸收光譜法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010初步整理后，使用SPSS 21.0進行相關性分析和單因素方差分析（Oneway ANOVA），用LSD法進行顯著性檢驗，顯著性設定為P＜0.05為顯著，P＜0.01為極顯著，P＞0.05為不顯著。采用變異系數(shù)（CV）評估土壤C、N、P含量和化學計量比變異程度。之后利用Origin 2018作圖，分析比較不同地區(qū)不同土壤土層中C、N、P化學計量特征和微量元素有效態(tài)特征。

2 結果與分析

2.1 不同緯度草原土壤C、N、P含量的變化特征

不同區(qū)域草原土壤有機碳、全氮、全磷含量變化情況如表2所示。由表2可知，每層土壤的有機碳、全氮和全磷含量隨著緯度增加逐漸增大，其大小順序均為新巴爾虎右旗＞東烏旗＞二連浩特市。單因素方差分析表明，在0～10、10～20或20～30 cm土層，3個地區(qū)土壤的有機碳含量均存在顯著差異（P＜0.05）。在0～10或10～20 cm土層，3個地區(qū)土壤的全氮含量之間存在顯著差異（P＜0.05）；在20～30 cm土層，東烏旗與新巴爾虎右旗境內草原土壤全氮含量顯著高于二連浩特市（P＜0.05），而東烏旗與新巴爾虎右旗境內草原土壤的全氮含量相當，差異不顯著（P＞0.05）。在0～10或10～20 cm土層，3個地區(qū)土壤的全磷含量同樣存在顯著差異（P＜0.05）；在20～30 cm土層，二連浩特市與東烏旗或新巴爾虎右旗土壤全磷含量差異顯著（P＜0.05），東烏旗與新巴爾虎右旗土壤全磷含量則無顯著差異（P＞0.05）。

表2 不同緯度草原土壤不同土層深度的碳、氮、磷含量 （g/kg）

2.2 不同緯度草原土壤化學計量比的變化特征

圖1表明，在土層深度為0～10、10～20、20～30 cm變化范圍中，同一土層土壤C/N隨著緯度梯度增加而增大，但未表現(xiàn)出顯著的差異性，其中東烏旗土壤C/N略高于新巴爾虎右旗和二連浩特市。同一地區(qū)的不同土層之間土壤C/N差異均不顯著（P＞0.05）。但隨著土層深度的增加，二連浩特市地區(qū)土壤C/N大致呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，C/N由9.13降低到8.50；而東烏旗地區(qū)和新巴爾虎右旗地區(qū)草原土壤C/N均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，兩地C/N分別先由10.10增加到10.70后再降低到10.20，先由9.74增加到10.36后再降低到10.04。隨著緯度增加，不同地區(qū)草原土壤同一土層C/P逐漸增大，即新巴爾虎右旗＞東烏旗＞二連浩特市。其中在0～10、20～30 cm土層中新巴爾虎右旗土壤的C/P顯著高于二連浩特市和東烏旗（P＜0.05），而在10～20 cm土層中3個地區(qū)土壤C/P均無顯著性差異。同一地區(qū)不同土層之間土壤C/P變化不顯著（P＞0.05）。隨著土層深度的增加，二連浩特市和東烏旗都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，二連浩特市由21.66先增加到28.57后再降低到15.46，東烏旗由31.12先增加到31.24后再降低到22.89；新巴爾虎右旗則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，由35.13先降低到34.15后再增加到39.99。隨著緯度增加，不同地區(qū)草原土壤同一土層N/P表現(xiàn)出和C/P相似的變化規(guī)律，即N/P隨著緯度增加而增大，但同一地區(qū)不同土層之間N/P差異均不顯著（P＞0.05）。隨著土層深度的增加，二連浩特市地區(qū)土壤N/P基本表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，N/P由2.41增加到3.40后再減少到1.96，東烏旗地區(qū)土壤N/P呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，由3.14逐漸降低到2.24；而新巴爾虎右旗地區(qū)則表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢，土壤N/P由3.61減少到3.29后再增加到4.05。不同地區(qū)草原土壤同一土層C/N/P表現(xiàn)為二連浩特市＞東烏旗＞新巴爾虎右旗，即隨著緯度增加C/N/P逐漸降低。同一地區(qū)不同土層之間C/N/P在二連浩特市和東烏旗都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，新巴爾虎右旗則表現(xiàn)為表下層（20～30 cm）土壤高于表層（0～20 cm）土壤，但未達到顯著性差異。

圖1 不同緯度草原土壤不同土層土壤化學計量特征

2.3 土壤化學計量比統(tǒng)計特征

由表3可知，3個不同緯度草原土壤0～30 cm土層的C/N的變化范圍是8.50～10.67，平均值為9.73，變異系數(shù)為7.61%；C/P的變化范圍是15.46～39.99，平均值為28.90，變異系數(shù)為26.47%；N/P的變化范圍是1.96～4.05，平均值為3.01，變異系數(shù)為22.59%；C/N/P的變化范圍是16.05～47.06，平均值為25.89，變異系數(shù)為45.85%。根據(jù)變異系數(shù)可知，研究區(qū)內土壤C/N、C/P、N/P和C/N/P變異為弱變異或中等變異（CV＜15%為弱變異，15%＜CV＜75%為中等變異，75%＜CV為強變異），其中土壤C/N最穩(wěn)定，C/N/P最不穩(wěn)定。

2.4 土壤化學計量比與環(huán)境因子之間的相關性分析

對中蒙邊境不同緯度梯度草原土壤（0～30 cm）化學計量比與環(huán)境因子進行相關分析，結果（表4）顯示，C、N、P與緯度、降水量呈現(xiàn)極顯著正相關（P＜0.01），與土壤pH值、溫度呈現(xiàn)極顯著負相關（P＜0.01）；C/P、N/P與緯度呈極顯著正相關（P＜0.01），與降水量、溫度呈極顯著負相關（P＜0.01），與pH值呈顯著負相關（P＜0.05），C/N與降水量呈極顯著正相關（P＜0.01），與溫度呈顯著負相關（P＜0.05）；C/N/P與溫度呈現(xiàn)極顯著正相關（P＜0.01），與pH值呈顯著正相關（P＜0.05），與緯度呈顯著負相關（P＜0.05）。N和C、P之間呈極顯著正相關（P＜0.01），N與化學計量比之間的相關性不顯著；C與C/N、C/P之間呈顯著正相關（P＜0.05），與C/N/P呈現(xiàn)顯著負相關（P＜0.05），P與C/N/P之間呈極顯著正相關（P＜0.01），與N/P之間呈顯著負相關（P＜0.05）。說明緯度、降水量、溫度、土壤pH值是影響中蒙邊境草原土壤C、N、P平衡的主要因素。

表4 土壤化學計量特征與環(huán)境因子之間的相關性分析

3 討論

3.1 不同緯度草原土壤有機碳、全氮、全磷變化的影響因素分析

通過測定分析發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域草原土壤有機碳、全氮、全磷含量均表現(xiàn)出隨著緯度增加而逐漸增大的變化趨勢，即新巴爾虎右旗＞東烏旗＞二連浩特市。這可能主要與3個地區(qū)不同生境下土壤養(yǎng)分的周轉過程不同有關。土壤有機碳是土壤中有機質在微生物參與下礦化與腐殖化綜合作用的結果，而降水量是影響植被生產力與微生物活動的重要因素[13]，降水量的不同影響著土壤有機質含量的不同。隨緯度的增加，二連浩特市地區(qū)年均降水量顯著低于東烏旗與新巴爾虎右旗，東烏旗與新巴爾虎右旗年均降水量相差不大，因此，二連浩特市與東烏旗、新巴爾虎右旗土壤有機碳含量差異顯著。土壤中的N主要來源于土壤有機質的分解、植物的固氮及大氣氮沉降作用，也隨降雨作用進入土壤[14]，二連浩特市氮素顯著低于東烏旗與新巴爾虎右旗，可能是因為有機質含量存在顯著差異，進而分解的氮素也存在差異，再加之東烏旗和新巴爾虎右旗降水量要高于二連浩特市，大氣氮沉降作用使這兩個地區(qū)的氮素高于二連浩特市。土壤P素的來源不同于C、N，土壤P含量主要受成土母質風化階段控制，而成土母質風化階段又受到不同地區(qū)氣候，如降水量、年均溫度、風速及一系列人為活動因素的影響[15]。二連浩特市年均降水量少、年均溫度高，使得該地區(qū)成土母質風化程度相較于其他兩地區(qū)較高，進而造成3個地區(qū)土壤的磷素存在顯著差異。

3.2 不同土層土壤有機碳、全氮、全磷變化的影響因素分析

由表2可知，同一地區(qū)土壤0～ 20 cm土層中有機碳、全氮含量顯著高于20～ 30 cm土層，而全磷含量各土層之間變異性較小，差異不大。這與已有的研究結果[9]基本一致。土壤中的有機碳主要來源于生物殘體及其分泌物，其分解與轉化主要集中在表層土壤中，因此一般表層土壤的有機質含量顯著高于下層土壤。而表層土壤受溫度、降水量等氣候因子影響較大，所以表層土壤有機碳的含量與溫度呈負相關，隨著降水量的增加而增加。土壤表層的全氮含量均大于表下層土壤，研究證實，地表凋落物是土壤有機碳和全氮的主要來源[16]，大約90%的生物量集中于表層土壤，所以表層土壤有機碳和全氮含量大于表下層。此外，表層土壤對大氣氮沉降的接收可能是造成其全氮含量高于表下層的原因。土壤中的磷主要來源于母質，屬于沉積性礦物，遷移性較差，在空間上分布較均勻，隨緯度、溫度、降水量梯度分布土層間土壤全磷含量變化不顯著[9]。

3.3 不同緯度草原土壤化學計量比變化的影響因素分析

土壤生態(tài)化學計量比是衡量土壤質量的重要參數(shù)，反映了土壤釋放N、P礦化養(yǎng)分的能力[13]。受氣候、地貌、土壤生物和人為干擾等影響，土壤碳、氮、磷總量變化差異較大[17-18]。在土壤深度為0～30 cm范圍內，同一地區(qū)不同土層間表現(xiàn)為：土壤C/N、C/P、N/P、C/N/P在3個土層深度中差異均不顯著，這表明中蒙邊境地區(qū)草原土壤化學計量比是較為穩(wěn)定的。我國土壤的C/N平均值為10～12[19]，本研究區(qū)土壤C/N平均值為9.73，低于國內土壤平均值。二連浩特市地區(qū)C/N隨土層深度的增加大致呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，東烏旗、新巴爾虎右旗地區(qū)土壤C/N則大致呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，可以看出表層土壤有機碳含量低于下層，這是由于3個地區(qū)都是荒漠化草原，存在大部分裸露沙地，加之土壤風化作用，使得土壤有機碳含量相對較低，表層土壤相較于下層土壤沙化更嚴重。在土壤深度為0～30 cm內，東烏旗C/N表現(xiàn)為每一土層都高于新巴爾虎右旗和二連浩特市，而新巴爾虎右旗又呈現(xiàn)每一土層都高于二連浩特市。這是由于東烏旗土壤有機質平均含量（14.41 g/kg）大于新巴爾虎右旗土壤（12.36 g/kg）和二連浩特市土壤（4.96 g/kg），而有機碳含量與降水量呈顯著正相關，因此在荒漠草原地區(qū)降水量是限制土壤C/N的主要因子。土壤C/P是指示土壤P元素礦化能力的重要指標，可衡量有機質礦化釋放P或吸收固持P的潛力，較高的C/P不利于微生物在有機質分解過程中的養(yǎng)分釋放，使土壤中有效磷含量減少[20-21]。土壤C/P在每一土層都表現(xiàn)為新巴爾虎右旗＞東烏旗＞二連浩特市，這可能是二連浩特市與東烏旗草原土壤P素缺乏所致。本研究中，土壤C/P較高，表明典型草原土壤磷的有效性低，同時也表明3個研究地區(qū)草原土壤有機質分解較為緩慢。這說明草原中C/P主要受有機質影響較大[22]。N/P在3個典型地區(qū)的表現(xiàn)各不相同，本研究發(fā)現(xiàn)3個典型草原的土壤N素分布不均。同時，土壤P素的來源相對固定，主要來自巖石風化，過程較為緩慢，風化程度在土壤深度為0～60 cm內差異不明顯[23]。所以，土壤中N素分布不均和P素含量的相對穩(wěn)定可能是造成3個典型草原土壤N/P差異性的主要原因。研究區(qū)C/N/P的變化范圍是16.05～47.06，平均值為25.89，低于全球及中國其他地區(qū)，通過分析可知，研究區(qū)土壤C/N/P主要受土壤P含量控制，因此也較為穩(wěn)定。在土壤養(yǎng)分含量及生態(tài)化學計量比與環(huán)境因子的相關性研究中發(fā)現(xiàn)，緯度的變化會引起研究區(qū)降水量、pH值、溫度等環(huán)境條件改變，影響土壤中養(yǎng)分的周轉過程，造成3個地區(qū)的土壤養(yǎng)分化學計量存在差異性。

4 結論

在土壤深度0 ～30 cm變化范圍內，研究區(qū)內草原土壤的有機碳、全氮和全磷含量均隨著緯度增加而增大，即新巴爾虎右旗＞東烏旗＞二連浩特市。同一地區(qū)表層土壤的有機碳和全氮含量高于下層，而不同土層間全磷含量變異性不大。

同一土層土壤C/N隨著緯度增加而增大，但未表現(xiàn)出顯著的差異性，其中東烏旗土壤C/N略高于新巴爾虎右旗和二連浩特市，土壤C/P、N/P隨著緯度增加表現(xiàn)出新巴爾虎右旗＞東烏旗＞二連浩特市，而不同地區(qū)草原土壤同一土層C/N/P表現(xiàn)為二連浩特市＞東烏旗＞新巴爾虎右旗。同一地區(qū)不同土層之間C/N、C/P、N/P、C/N/P差異均不顯著（P＞0.05）。研究區(qū)內土壤C/N、C/P、N/P、C/N/P變異性不大，較為穩(wěn)定。

緯度、降水量、土壤pH值和溫度是影響土壤中C、N、P含量及其化學計量比變化的主控因子。