許學(xué)慧，劉 帥，張 恒

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)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(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)[1]，碳（C）、氮（N）、磷（P）等化學(xué)元素是植物生長(zhǎng)的必需元素，直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、土壤微生物的活動(dòng)以及土壤的養(yǎng)分循環(huán)[2]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)（Ecological stoichiometry）是研究探討生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與多重化學(xué)元素（以C、N、P為主）平衡的一門科學(xué)，是分析生態(tài)系統(tǒng)與元素間質(zhì)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(nèi)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(dòng)的綜合影響結(jié)果[4]。王建林等[5]對(duì)青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤C/N的分布特征進(jìn)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(duì)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)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(guò)程呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量學(xué)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(jié)果顯示，中蒙邊境典型草原土壤有機(jī)質(zhì)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(wú)顯著關(guān)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(xué)計(jì)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(zhì)量的重要指標(biāo)，而N/P指標(biāo)可反映草原植被在生長(zhǎng)過(guò)程中土壤N的供給情況[10]。迄今為止，有關(guān)草原土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)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(duì)不同緯度梯度下中蒙邊境草原土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量對(duì)比分析則鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)對(duì)不同緯度梯度草原土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量及其化學(xué)計(jì)量比特征進(jìn)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(gè)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(cè)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(nèi)的典型草原牧區(qū)內(nèi)各設(shè)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(nèi)采用對(duì)角線采樣法分層采集0～10、10～20、20～30 cm的土樣，每個(gè)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(gè)土壤樣品。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除礫石、草根等雜物，放置于陰涼干燥處風(fēng)干后過(guò)篩，備用。

1.3 樣品測(cè)定方法

土壤pH、有機(jī)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(cè)定[12]。有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn含量的測(cè)定采用pH 7.3的DTPA-CaCl2-TEA浸提-原子吸收光譜法測(cè)定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010初步整理后，使用SPSS 21.0進(jìn)行相關(guān)性分析和單因素方差分析（Oneway ANOVA），用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性設(shè)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(píng)估土壤C、N、P含量和化學(xué)計(jì)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(xué)計(jì)量特征和微量元素有效態(tài)特征。

2 結(jié)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(jī)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(jī)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(gè)地區(qū)土壤的有機(jī)碳含量均存在顯著差異（P＜0.05）。在0～10或10～20 cm土層，3個(gè)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(nèi)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(nèi)草原土壤的全氮含量相當(dāng)，差異不顯著（P＞0.05）。在0～10或10～20 cm土層，3個(gè)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(wú)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(xué)計(jì)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(shì)，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(shì)，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(gè)地區(qū)土壤C/P均無(wú)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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(dá)到顯著性差異。

圖1 不同緯度草原土壤不同土層土壤化學(xué)計(jì)量特征

2.3 土壤化學(xué)計(jì)量比統(tǒng)計(jì)特征

由表3可知，3個(gè)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(nèi)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(qiáng)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(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

對(duì)中蒙邊境不同緯度梯度草原土壤（0～30 cm）化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果（表4）顯示，C、N、P與緯度、降水量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤pH值、溫度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；C/P、N/P與緯度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與降水量、溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），C/N與降水量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；C/N/P與溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與pH值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與緯度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。N和C、P之間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），N與化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性不顯著；C與C/N、C/P之間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與C/N/P呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），P與C/N/P之間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與N/P之間呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。說(shuō)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(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 不同緯度草原土壤有機(jī)碳、全氮、全磷變化的影響因素分析

通過(guò)測(cè)定分析發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域草原土壤有機(jī)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(shì)，即新巴爾虎右旗＞東烏旗＞二連浩特市。這可能主要與3個(gè)地區(qū)不同生境下土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)過(guò)程不同有關(guān)。土壤有機(jī)碳是土壤中有機(jī)質(zhì)在微生物參與下礦化與腐殖化綜合作用的結(jié)果，而降水量是影響植被生產(chǎn)力與微生物活動(dòng)的重要因素[13]，降水量的不同影響著土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)碳含量差異顯著。土壤中的N主要來(lái)源于土壤有機(jī)質(zhì)的分解、植物的固氮及大氣氮沉降作用，也隨降雨作用進(jìn)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?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量存在顯著差異，進(jìn)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(gè)地區(qū)的氮素高于二連浩特市。土壤P素的來(lái)源不同于C、N，土壤P含量主要受成土母質(zhì)風(fēng)化階段控制，而成土母質(zhì)風(fēng)化階段又受到不同地區(qū)氣候，如降水量、年均溫度、風(fēng)速及一系列人為活動(dòng)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(zhì)風(fēng)化程度相較于其他兩地區(qū)較高，進(jìn)而造成3個(gè)地區(qū)土壤的磷素存在顯著差異。

3.2 不同土層土壤有機(jī)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(jī)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(jié)果[9]基本一致。土壤中的有機(jī)碳主要來(lái)源于生物殘?bào)w及其分泌物，其分解與轉(zhuǎn)化主要集中在表層土壤中，因此一般表層土壤的有機(jī)質(zhì)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(jī)碳的含量與溫度呈負(fù)相關(guān)，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(shí)，地表凋落物是土壤有機(jī)碳和全氮的主要來(lái)源[16]，大約90%的生物量集中于表層土壤，所以表層土壤有機(jī)碳和全氮含量大于表下層。此外，表層土壤對(duì)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(lái)源于母質(zhì)，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(xué)計(jì)量比變化的影響因素分析

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是衡量土壤質(zhì)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(nèi)，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(gè)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(xué)計(jì)量比是較為穩(wěn)定的。我國(guó)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(guó)內(nèi)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(shì)，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(shì)，可以看出表層土壤有機(jī)碳含量低于下層，這是由于3個(gè)地區(qū)都是荒漠化草原，存在大部分裸露沙地，加之土壤風(fēng)化作用，使得土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較低，表層土壤相較于下層土壤沙化更嚴(yán)重。在土壤深度為0～30 cm內(nèi)，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(jī)質(zhì)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(jī)碳含量與降水量呈顯著正相關(guān)，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(biāo)，可衡量有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)分解過(guò)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(shí)也表明3個(gè)研究地區(qū)草原土壤有機(jī)質(zhì)分解較為緩慢。這說(shuō)明草原中C/P主要受有機(jī)質(zhì)影響較大[22]。N/P在3個(gè)典型地區(qū)的表現(xiàn)各不相同，本研究發(fā)現(xiàn)3個(gè)典型草原的土壤N素分布不均。同時(shí)，土壤P素的來(lái)源相對(duì)固定，主要來(lái)自巖石風(fēng)化，過(guò)程較為緩慢，風(fēng)化程度在土壤深度為0～60 cm內(nèi)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(duì)穩(wěn)定可能是造成3個(gè)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(guó)其他地區(qū)，通過(guò)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(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子的相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)，緯度的變化會(huì)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(zhuǎn)過(guò)程，造成3個(gè)地區(qū)的土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量存在差異性。

4 結(jié)論

在土壤深度0 ～30 cm變化范圍內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)草原土壤的有機(jī)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(jī)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(nèi)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(xué)計(jì)量比變化的主控因子。