劉青梅，黃海霞，姚志勇，杜娟，韓俊芳

(1.甘肅農業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.環(huán)縣自然資源局，甘肅 環(huán)縣 745700；3.甘肅白水江國家級自然保護區(qū)管理局，甘肅 隴南 746400)

在生態(tài)系統(tǒng)中，土壤和植被是協調發(fā)展的統(tǒng)一體，兩者互為條件，相互制約，相互影響。土壤是植被賴以生存的物質基礎，為植物生長發(fā)育提供養(yǎng)分元素，植被群落又影響土壤結構的形成和肥力狀況。甘肅省環(huán)縣北部生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤風蝕、沙化嚴重，天然植被覆蓋度低，植被恢復是改善環(huán)縣沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境的根本措施[1]，但植被的自然恢復困難，采用人工途徑植被恢復是該區(qū)荒漠化防治的有效選擇。通過研究不同人工恢復植被類型林地土壤養(yǎng)分狀況，闡明植被類型與土壤之間的關系，對促進林地更新、植被恢復與重建以及沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境建設具有現實意義[2]。

土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)是植被生長發(fā)育的核心元素，能促進土壤養(yǎng)分的轉化循環(huán)；生態(tài)化學計量學是研究C、N、P等化學元素在生態(tài)過程中的平衡關系，促進對土壤養(yǎng)分元素的循環(huán)以及平衡機理的認識[3]。近年來有關不同植被類型對土壤養(yǎng)分的研究不斷涌現，研究表明[4-6]，土壤有機碳與氮的空間分布具有相似性，植被恢復對土壤的改善作用主要集中在上中層，不同植被對土壤養(yǎng)分的積累、貯存和轉化存在顯著差異。目前，關于環(huán)縣沙化區(qū)的研究主要涉及草地肥力[7]、資源利用[8]、風沙治理[9]等方面，而植被類型對土壤養(yǎng)分的影響少有報道。河北楊(Populushopeiensis)、檸條(Caraganakorshinskii)、爬地柏(Sabinaprocumbens)都具有耐干旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，是西北地區(qū)主要的防風固沙樹種，也是環(huán)縣沙化區(qū)人工植被恢復的常用鄉(xiāng)土樹種。因此，本研究以甘肅環(huán)縣古城堡區(qū)河北楊、檸條、爬地柏3種人工植被類型為研究對象，分析不同土層、不同植被類型間的土壤養(yǎng)分含量差異和化學計量特征變化規(guī)律，探明植被類型對土壤養(yǎng)分狀況的影響，以期為環(huán)縣沙化區(qū)人工植被恢復選擇適宜的樹種提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地為甘肅省環(huán)縣甜水鎮(zhèn)甜水街村古城堡區(qū)，位于毛烏素沙地西南緣、鄂爾多斯高原和黃土高原的交匯處(E 106°48′48″，N 37°06′21″)，為半干旱和干旱地區(qū)的過渡帶，屬中溫帶季風氣候，年均降水量341.1 mm，主要集在中7-9月。年均氣溫6.8 ℃，極端最高溫度37 ℃，極端最低溫度-25 ℃，無霜期135 d。區(qū)內受風沙侵襲嚴重，以西北風為主，年均風速2.4 m/s，林下沙地草本植物均勻分布，蓋度15%，主要有豬毛蒿(Artemisiascoparia)、冰草(Agropyroncristatum)、蒙古蟲實(Corispermummongolicum)、狼毒(Stellerachamaejasme)、無莖委陵菜(Potentillacristatum)、冷蒿(Artemisiafrigida)等[10]。

1.2 試驗方法

1.2.1 土樣采集 供試土樣于2019年8月采自甘肅省環(huán)縣甜水鎮(zhèn)古城堡區(qū)。選擇河北楊、檸條、爬地柏3種類型的林地，分別布設1個20 m×50 m的樣地(表1)，按對角線法在每個樣地選5個樣點，采集0～20、20～40和40～60 cm土層的土樣，然后仔細撿除石子、植物殘根和土壤動物等雜物，將同一類型的同層土樣混勻，采用四分法取2份樣品(每份含3個重復)，一份風干后過0.15 mm篩用于測定土壤pH值、有機碳、全氮、全磷、速效鉀、速效磷含量，另一份過2 mm篩，存放在4 ℃冰箱用于測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

表1 樣地概況

1.2.2 土壤化學性質的測定方法 pH采用土水比1∶2.5(質量比)提取，電位電極法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；硝態(tài)氮采用CaSO4浸提-還原蒸餾法測定；銨態(tài)氮采用KCl浸提-蒸餾法測定；全磷采用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH堿熔-火焰光度法測定、速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法[11]。根據測得的有機碳、全氮、全磷含量計算化學計量比C/N、C/P、N/P。

1.2.3 數據統(tǒng)計分析 試驗數據采用Microsoft Excel 2017進行整理、統(tǒng)計，完成制表和繪圖，運用SPSS 17.0 統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析，多重比較采用Duncan法，檢驗水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 植被類型對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 土壤pH值、有機碳 3種植被類型的土壤pH值在8.62～8.69(圖1-A)，各土層之間的土壤pH值無顯著差異；在同土層內不同植被間土壤pH值差異不顯著。

3種植被的土壤有機碳含量均隨著土層深度增加而下降(圖1-B)。CKF和SVF 0～20 cm土層的有機碳含量顯著高于20～40、40～60 cm土層，分別高出50.0%、84.1%和74.7%、104.8%。3種植被0～60 cm土層有機碳含量大小排序為：CKF>SVF>PHF。在0～20 cm土層，SVF、CKF土壤有機碳含量均顯著高于PHF，分別高出65.1%、58.5%；20～40 cm土層，CKF土壤有機碳含量顯著較PHF高出22.7%。

圖1 不同植被類型土壤的pH值、有機碳含量Fig.1 Changes of soil organic carbon content，pH value in different vegetation types注：大寫字母不同表示同一個植被類型不同土層之間指標差異顯著(P<0.05)；小寫字母不同表示同一土層深度不同植被類型之間指標差異顯著(P<0.05)。下同

2.1.2 土壤全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮 3種植被的土壤全氮含量變化與有機碳含量變化一致(圖2-A)。CKF和SVF林地0～20、20～40 cm土層的土壤全氮含量較40～60 cm土層分別顯著高出81.6%、21.1%和108.1%、20.0%。3種植被在0～60 cm土層全氮含量表現為：CKF>SVF>PHF。0～20 cm土層SVF、CKF土壤全氮含量較PHF分別顯著高出65.9%、56.8%；20～40 cm土層，CKF土壤的全氮含量較PHF顯著高出 24.3%。

3種植被類型土壤硝態(tài)氮含量均隨土層加深呈遞減趨勢(圖2-B)。CKF和SVF 0～20 cm土層硝態(tài)氮含量分別較20～40、40～60 cm顯著高出54.4%、152.9%和62.4%、155.7%。3種植被在0～60 cm土層硝態(tài)氮含量表現為：CKF>SVF>PHF。在0～20 cm土層，CKF、SVF硝態(tài)氮含量較PHF顯著高出29.5%、29.1%；在20～40 cm土層，CKF比PHF的硝態(tài)氮含量顯著高出17.9%，SVF硝態(tài)氮含量處于兩者之間。

圖2 不同植被類型土壤的全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量Fig.2 Changes of soil total nitrogen，nitrate nitrogen，ammonium nitrogen content in different vegetation types

3種植被類型土壤銨態(tài)氮含量均隨著土層深度增加而顯著降低(圖2-C)。隨著土層深度的增加，PHF、CKF和SVF表層(0～20 cm土層)的銨態(tài)氮含量較20～40、40～60 cm土層分別顯著高出30.8%、92.4%，49.7%、147.3%和61.8%、143.7%；3種植被0～60 cm土層銨態(tài)氮含量大小為：SVF>CKF>PHF。在0～20 cm層，SVF銨態(tài)氮含量最高，較CKF顯著高出29.7%；CKF 20～40 cm土層土壤銨態(tài)氮含量較PHF、SVF分別顯著高出9.6%，4.6%；40～60 cm土層不同植被類型土壤銨態(tài)氮含量差異不顯著。

2.1.3 土壤全磷、速效磷 在0～60 cm土壤剖面上，3種植被類型的土壤全磷含量在每個土層的全磷含量均約為0.39 g/kg，不同土層間無顯著差異；不同植被類型間的土壤全磷含量在0～20、20～40和40～60 cm 土層，均差異不顯著(圖3-A)。

3種植被類型0～20 cm土層的土壤速效磷含量最高(圖3-B)，較20～40和40～60 cm土層分別顯著高出43.9%和151.9%(PHF)、59.4%和181.7%(CKF)、71.0%和162.1%(SVF)，“表聚”規(guī)律明顯。3種植被類型0～60 cm層的土壤速效磷含量大小為：SVF>CKF> PHF。0～20 cm土層，SVF速效磷含量較PHF顯著高出26.4%，在20～40和40～60 cm土層植被類型間的速效磷含量差異不顯著。

圖3 不同植被類型土壤全磷、速效磷含量的變化Fig.3 Changes of total phosphorus，available phosphorus content in soil of different vegetation types

2.1.4 土壤全鉀、速效鉀 3種植被類型0～60 cm土層的全鉀含量在42.04～42.17 g/kg，在不同土層的全鉀含量分布無顯著差異；在0～20、20～40和40～60 cm 土層，不同植被類型間的土壤全鉀含量差異也不顯著(圖4-A)。

圖4 不同植被類型土壤全鉀、速效鉀含量Fig.4 Changes of total potassium、available potassium content in soil of different vegetation types

CKF、SVF土壤速效鉀含量隨土層加深顯著下降(圖4-B)，CKF和SVF土壤0～20 cm土層的速效鉀含量較20～40、40～60 cm土層分別顯著高出31.4%、53.0%和15.4%、36.6%。3種植被土壤0～60 cm的速效鉀含量大小為：SVF>CKF>PHF。在0～20 cm土層，SVF和CKF的土壤速效鉀含量均極顯著高于PHF，分別高出 46.4%和38.8%；在20～40 cm土層，SVF的速效鉀較CKF和PHF分別顯著高出20.1%和28.2%。

2.2 土壤C、N、P化學計量學特征

3種植被類型土壤的C/N在9.88～10.23，相對穩(wěn)定，在不同土層、不同植被類型之間均差異不顯著；C/P在3.01～6.01、N/P變化在0.29～0.60，均隨土層加深而減小，其中CKF和SVF土壤的C/P和N/P在不同土層間差異顯著；PHF土壤 0～20 cm土層的C/P顯著高于20～40 cm，但N/P在不同土層間無顯著差異。在0～20 cm土層，CKF和SVF的土壤C/P和N/P均顯著高于PHF；在土壤20～40 cm土層，CKF土壤C/P和N/P顯著高于PHF；在40～60 cm土層3種植被的C/P和N/P差異不顯著(表2)。

表2 3種植被類型的土壤化學計量特征Table 2 The soil stoichiometric characteristics in three vegetation types

2.3 不同植被類型土壤養(yǎng)分主成分分析

2.3.1 土壤養(yǎng)分主成分分析的方差貢獻率 主成分分析中，方差大小表示測定指標在主成分方向上的分散程度，方差越大，說明主成分在樣本數據分析中的作用越大[12]。對3種植被土壤養(yǎng)分指標進行主成分分析，根據主成分個數選取原則(特征值>1)，得到3個主成分(表3)，方差累計貢獻率為88.68%，能夠反映出土壤養(yǎng)分88.68%的變異信息。

表3 土壤養(yǎng)分主成分分析的方差貢獻率Table 3 Variance contribution of principal component analysis of soil nutrients

2.3.2 不同植被類型土壤養(yǎng)分的主成分得分 由表4的主成分載荷矩陣可以得出，主成分1與有機碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量的相關系數均大于0.8，能很好地代表這些指標的信息；主成分2與全鉀含量的相關性強；主成分3與全磷含量的相關性強。根據各指標在前3個主成分的得分系數(表5)，得出土壤養(yǎng)分的前3個主成分的函數表達式為：

F1=0.173X1+0.175X2+0.184X3+0.183X4-0.024X5+0.172X6+0.069X7+0.17X8-0.012X9

F2=0.01X1+0.03X2+0.002X3-0.005X4-0.079X5-0.081X6+0.672X7+0.132X8+0.503X9

F3=0.114X1+0.092X2-0.059X3-0.067X4+0.802X5-0.05X6-0.267X7-0.062X8+0.341X9

F=0.683×F1+0.178×F2+0.139×F3

式中：X表示土壤養(yǎng)分測定指標，X1～X9分別表示土壤有機碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀和pH值，F1～F3表示土壤養(yǎng)分主成分的得分值，以表3中土壤養(yǎng)分3個主成分的方差貢獻率作為權重進行加權求和，建立植被類型土壤養(yǎng)分綜合評價數學模型，即可得到綜合得分F(表5)。

結果表明，SVF林地土壤養(yǎng)分的綜合得分最高，其次為CKF林地，PHF林地得分最低，說明以爬地柏作為植被恢復樹種最有利于土壤養(yǎng)分狀況的改善。

表4 不同植被類型土壤養(yǎng)分的主成分載荷及因子得分系數矩陣

表5 不同植被類型土壤養(yǎng)分綜合評價結果

3 討論

土壤pH值與土壤養(yǎng)分積累和微生物活動息息相關，過酸或過堿都會影響土壤的結構改善、水氣狀況協調和土壤養(yǎng)分積累并阻礙植物生長發(fā)育[13]。在本研究中，隨土層深度增加，不同土層的pH值變異性很小，并在不同植被間也表現穩(wěn)定，根據土壤pH值的分級標準[6]，研究區(qū)域壤屬于強堿性(pH值>8.5)，原因一方面是由于試驗區(qū)位于毛烏素沙地邊緣，土壤本身鹽堿化程度高引起[14]，另一方面土壤pH值受氣候條件、水熱條件以及成土母質等的綜合影響，是相對穩(wěn)定的土壤指標，因而不同土層、不同植被間差異不顯著，這在楊紅等[15]的研究中也得到印證。

土壤有機碳主要來自土壤動植物殘體以及枯落物的分解，對土壤的理化性質和生物特性都具有深刻影響，是衡量土壤肥力的重要參數[16-17]。研究表明，3種植被土壤有機碳隨土層深度的增加而下降，有明顯的“表聚效應”，這與閆麗娟等[2]和安靜等[18]的研究結果相一致，可能是因為植物根系主要分布表層土壤，參與有機質分解活動的土壤動物、微生物也主要集中在表層，地表枯落物的分解物隨水或其他介質向下淋溶首先進入表層土壤，這些因素共同作用使得表層含量相對較高[19]。本研究CKF林地有機碳含量最高，顯著高于PHF林地，究其原因可能是檸條是豆科灌木，其根部的根瘤菌通過固定空氣中的游離態(tài)氮作用促進了土壤有機碳增加[20]，也可能是不同植被類型的土壤有機質的輸入和輸出方式不一樣，致使不同植被林地對有機碳的積累存在差異[21]。

全氮、全磷、全鉀是土壤中各種形態(tài)氮、磷、鉀的總和，速效氮、速效磷、速效鉀是植被直接吸收利用的主要形式[22]。研究發(fā)現3種植被的土壤全氮以及速效養(yǎng)分含量均呈現上層高于下層的規(guī)律，存在這種現象的原因可能是表層植被根系密集，土壤透氣性強，水熱條件良好，有利于土壤微生物活動，促進了土壤營養(yǎng)元素積累[3]，其中CKF林地全氮和硝態(tài)氮含量最高，SVF銨態(tài)氮較高，這是因為檸條根系的根瘤菌有很強固氮作用，不僅豐富了土壤氮素還有助于改良土壤，另外當銨態(tài)氮與硝態(tài)氮同時存在時，銨態(tài)氮會抑制微生物對硝態(tài)氮的吸收[23-24]。有研究表明[17,25]，土壤有機碳的增加會促進氮素的積累，植被恢復可顯著優(yōu)化土壤有機碳與全氮之間的線性相關性，本研究也發(fā)現，土壤全氮含量與有機碳含量呈極顯著正相關(CKF、SVF、PHF中兩者之間相關系數分別為0.994、0.997、0.983)。土壤全磷、全鉀主要源于巖石風化，而風化是個漫長過程(植被恢復僅5年)，另外研究區(qū)土壤母質和發(fā)育過程基本相同，從而導致全磷和全鉀在不同土層和植被類型間差異不顯著[26]。在0～60 cm土層，土壤速效磷、速效鉀含量表現為SVF>CKF> PHF，一可能是因為爬地柏的根系發(fā)達，萌蘗力強，對鹽堿、干旱、風蝕生境適應能力強，從而促進了土壤速效養(yǎng)分的積累；二可能是土壤速效磷含量與堿性磷酸酶活性強弱相關聯，有可能SVF林地土的壤堿性磷酸酶活性較高，促進了有機磷的水解，全磷的礦化作用提升，因而速效磷增加，另外SVF對土壤速效鉀同質作用較強，有積累優(yōu)勢[27-28]；三可能是不同植被類型的生理特性存在差異，對土壤養(yǎng)分的累積、消耗機制不同，也會引起不同，有待今后深入研究。

一般而言，C/N反映土壤有機質分解能力強弱，比值低，分解能力強；C/P用于衡量土壤有機質礦化釋放磷或吸收固持磷的能力，C/P較高時不利于養(yǎng)分有效磷的釋放；N/P是判斷土壤N和P不足的指標，<14時表示植被生長受N限制[29]。本研究的3種植被類型土壤的C/N在9.87～10.23、C/P在2.95～6.00、N/P在0.29～0.60，均低于全國土壤C/N、C/P、N/P平均水平(12.01、25.77、2.15)[2]，依據國家第二次養(yǎng)分普查標準[30]，土壤磷元素相對碳、氮元素含量偏高，反映出該區(qū)土壤碳、氮含量缺乏，主要原因是該區(qū)長期受風沙危害嚴重，植被退化嚴重、腐殖質含量低，導致林地養(yǎng)分含量低[31]，凸顯了植被恢復的重要性。研究區(qū)土壤C/N在不同土層、不同植被類型間差異不顯著，土壤C/P和N/P隨土層加深減小，0～40 cm層CKF的C/P和N/P顯著高于PHF，這與朱秋蓮等[32]的研究結果相似，這種差異可能由兩方面原因造成：一是土壤碳與氮顯著相關，受環(huán)境影響變化趨勢基本同步[33]，二是不同植被類型養(yǎng)分元素含量存在差異，進而影響C/P和N/P。

不同的土壤養(yǎng)分指標之間可能存在相關性，不同植被類型的土壤養(yǎng)分指標的變化趨勢不盡相同，這不利于評價植被類型土壤養(yǎng)分狀況的好壞。而主成分分析法可將原來多個相互關聯的變量轉化為少數幾個不相關且包含不重復信息的綜合指標，最大限度地保留了原始數據的信息[34]，因此被許多學者用于土壤質量評價[35]或土壤養(yǎng)分狀況評價[12]。本研究通過主成分分析法得出爬地柏林地土壤養(yǎng)分的綜合得分最高，其次為檸條林地，河北楊林地最低，說明同樣的立地條件下，恢復相同年限時，爬地柏林地的土壤養(yǎng)分改善作用最明顯，可作為該區(qū)植被恢復的優(yōu)選樹種。

4 結論

1)3種植被類型的土壤養(yǎng)分總體隨土層深度增加呈下降趨勢，植被類型對土壤養(yǎng)分的影響主要表現在0～40 cm土層。在0～20 cm土層檸條和爬地柏更利于土壤碳氮的累積，而爬地柏林地速效磷水平最高。在20～40 cm土層，檸條林地的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量最高，最有利于土壤氮的礦化作用，而爬地柏林地土壤鉀素供應能力最強。

2)植被類型對0～40 cm土層的C/P和N/P影響顯著，檸條和爬地柏林地的碳氮供應狀況明顯優(yōu)于河北楊林地。

3)爬地柏林地的土壤養(yǎng)分狀況最好，可作為該區(qū)植被恢復的最適宜樹種。