黄河北岸兰州段丘陵区土壤生态化学计量与空间变异

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00031

摘要/Abstract

摘要：

为探究黄河北岸兰州段丘陵区土壤碳、氮、磷含量及化学计量比的空间变异特征，基于12个样地数据，采集1 m剖面内不同发生层土壤进行土壤含水率（SWC）、pH、有机碳（SOC）、全氮（STN）和全磷（STP）的测定。分析了研究区土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征在植被和土层上的差异及空间变异特征。结果表明：（1）研究区SOC、STN、STP均值分别为4.53、0.74、0.13 g·kg^-1，C∶N、C∶P、N∶P均值分别为7.85、55.17、8.40；（2）研究区SOC、STN、C∶N和N∶P的块基比C₀/（C₀+C）<0.25，主要受气候、植被、地形等自然因素影响；STP、C∶P则C₀/（C₀+C）>0.75，主要受退耕还草等人为因素影响；（3）研究区土壤整体受到氮限制，与此同时有机碳更为匮乏，磷则在短期内不会成为限制因子。在黄河流域兰州段北岸丘陵区北岸的生态治理与恢复中，应重视有机肥和氮肥的配置与施加，同时需减少人为干扰，这对于植被的快速恢复与养分的固定具有重要意义。

关键词: 黄河流域兰州段, 土壤养分, 化学计量比, 空间变异

Abstract:

To understand the spatial variability of soil C， N and P contents and their stoichiometric ratios in the hilly area of Lanzhou on the north bank of the Yellow River Basin. Based on 12 sample plots， we measured soil water content （SWC）， pH， soil organic carbon （SOC）， total nitrogen （STN） and total phosphorus （STP） at a depth of 1m in 12 plots. Then， we had analyzed the difference of SOC， STN and STP contents and their eco-stoichiometry characteristics in the study area in terms of different vegetation and soil layers， as well as their spatial variability. Results show that：（1） The mean values of SOC， STN and STP in the study area were 4.53， 0.74 and 0.13 g·kg^-1， respectively. The mean values of C∶N， C∶P and N∶P were 7.85， 55.17 and 8.40， respectively. （2） The ratios of nugget to soil C₀/（C₀+C）<0.25 of SOC， STN， C∶N and N∶P are influenced by natural factors such as climate， vegetation and topography in study area. The C₀/（C₀+C）>0.75 of STP and C∶P are influenced by anthropogenic factors likely fallowing and grassland restoration. （3） The study area is the most deficient in organic carbon and is limited by nitrogen， while phosphorus will not be a limiting factor in the short term. These results suggest that people should pay attention to the allocation and application of organic and nitrogen fertilizers in the subsequent ecological management and restoration activities， at the same time， people need to reduce human disturbance. All of this will be important for the rapid recovery of vegetation and fixation of soil nutrient in the hilly area of Lanzhou on the north bank of the Yellow River Basin.

Key words: Lanzhou section of the Yellow River, soil nutrient, stoichiometry, spatial variation

中图分类号:

S153

南富森, 李宗省, 张小平, 崔乔, 李玉辰, 杨安乐, 熊雪婷. 黄河北岸兰州段丘陵区土壤生态化学计量与空间变异[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 167-176.

Fusen Nan, Zongxing Li, Xiaoping Zhang, Qiao Cui, Yuchen Li, Anle Yang, Xueting Xiong. Spatial variation of ecological stoichiometry characteristics of hilly soil in Lanzhou section of Yellow River north shore[J]. Journal of Desert Research, 2022, 42(5): 167-176.

图/表 6

图1 研究区及采样点分布

Fig.1 Source region of the study area and sampling points

表1 土壤理化特征及其生态化学计量比的描述性特征

Table 1 Descriptive characteristic of soil physicochemical characteristics and ecological stoichiometric ratios

植被类型	pH	含水率 SWC/%	有机碳SOC /（g·kg^-1）	全氮STN /（g·kg^-1）	全磷STP /（g·kg^-1）	C∶N	C∶P	N∶P
荒漠	7.63±0.33^a	3.67±0.64^a	4.90±2.76^a	0.32±0.03^a	0.15±0.08^a	16.09±10.17^a	54.34±48.01^a	2.71±1.27^a
草原化荒漠	7.88±0.55^a	5.19±1.97^a	4.90±2.66^a	0.93±0.49^b	0.14±0.06^a	5.40±1.39^a	46.58±46.43^a	7.89±5.45^ab
荒漠草原	7.87±0.31^a	7.65±2.83^b	4.44±2.81^a	0.72±0.42^b	0.13±0.10^a	7.93±6.32^a	56.98±51.01^a	8.80±7.72^b
均值	7.86±0.36	7.09±2.87	4.53±2.75	0.74±0.09	0.13±0.09	7.85±6.23	55.17±48.12	8.40±7.13

图2 不同土层和植被类型下土壤碳氮磷含量及化学计量比不同大写字母为同一植被类型不同土层间土壤碳氮磷及其生态化学计量比存在显著差异，不同小写字母为同一土层不同植被类型土壤碳氮磷及其生态化学计量比存在显著差异，P<0.05

Fig.2 SOC， STN， STP contents and its stoichiometric ratios under different soil layers and vegetation types

表2 研究区0—40 cm深度土壤碳氮磷含量和生态化学计量比的半变异函数模型和参数

Table 2 Semi-variogram model and parameters of SOC， STN， STP and ecological stoichiometry at 0-40 cm depth

指标	模型	块金值C₀	基台值C₀+C	块基比C₀/(C₀+C)	变程/km	残差（RSS）	决定系数R²
有机碳SOC	指数	1.11	14.59	0.08	19.24	22.7	0.28
全氮STN	高斯	0.02	0.16	0.10	4.49	<0.01	0.78
全磷STP	线性	0.28	0.29	>0.99	127.34	<0.01	0.68
C∶N	高斯	4.96	21.35	0.23	20.13	763	0.28
C∶P	线性	21 669.82	21 669.82	>0.99	10.27	<0.01	0.31
N∶P	高斯	0.01	61.76	<0.01	6.58	4058	0.28

图3 研究区0—40 cm深度土壤碳氮磷含量及其生态化学计量比的空间分布

Fig.3 Spatial distribution of SOC， STN， STP and its ecological stoichiometric ratio at 0-40 cm depth

图4 研究区土壤碳、氮、磷含量及其化学计量比的关系

Fig.4 Relationship between SOC， STN and STP contents and their stoichiometric ratio in the study area

参考文献 46

1	王绍强，于贵瑞.生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征［J］.生态学报，2008，28（8）：3937-3947.
2	陈广生，曾德慧.生态化学计量学：复杂生命系统奥秘的探索［J］.植物生态学报，2005，29（6）：1007-1019.
3	王传杰，王齐齐，徐虎，等.长期施肥下农田土壤-有机质-微生物的碳氮磷化学计量学特征［J］.生态学报，2018，38（11）：3848-3858.
4	张志山，杨贵森，吕星宇，等.荒漠生态系统C、N、P生态化学计量研究进展［J］.中国沙漠，2022，42（1）：48-56.
5	杨惠敏，王冬梅.草-环境系统植物碳氮磷生态化学计量学及其对环境因子的响应研究进展［J］.草业学报，2011，20（2）：244-252.
6	贺金生，韩兴国.生态化学计量学：探索从个体到生态系统的统一化理论［J］.植物生态学报，2010，34（1）：2-6.
7	黄磊，张永娥，邵芳丽，等.冀北山地天然次生林土壤生态化学计量特征及影响因素［J］.生态学报，2021，41（15）：6267-6279.
8	赵海燕，张剑，刘冬，等.不同沼泽湿地土壤碳氮磷生态化学计量学特征及其影响因素［J］.干旱区研究，2020，37（3）：618-626.
9	谷佳慧，杨奇勇，蒋忠诚，等.广南县幅岩溶区与非岩溶区土壤碳氮磷生态化学计量比空间变异分析［J］.中国岩溶，2018，37（5）：761-769.
10	王维奇，徐玲琳，曾从盛，等.河口湿地植物活体-枯落物-土壤的碳氮磷生态化学计量特征［J］.生态学报，2011，31（23）：134-139.
11	周正虎，王传宽.生态系统演替过程中土壤与微生物碳氮磷化学计量关系的变化［J］.植物生态学报，2016，40（12）：1257-1266.
12	鲁志云，宋亮，王训，等.哀牢山森林凋落物与腐殖质及土壤的生态化学计量特征［J］.山地学报，2017（3）：274-282.
13	Bai X， Wang B， An S，et al.Response of forest species to C∶N∶P in the plant-litter-soil system and stoichiometric homeostasis of plant tissues during afforestation on the Loess Plateau，China［J］.Catena，2019，183：10418.
14	Hu C， Li F， Xie Y，et al.Spatial distribution and stoichiometry of soil carbon，nitrogen and phosphorus along an elevation gradient in a wetland in China［J］.European Journal of Soil Science，2019，70（6）：28-34.
15	Guo X， Jiang Y.Spatial characteristics of ecological stoichiometry and their driving factors in farmland soils in Poyang Lake Plain，Southeast China［J］.Journal of Soil & Sediments，2019，19（1）：263-274.
16	孙骞，王兵，周怀平，等.黄土丘陵区小流域土壤碳氮磷生态化学计量特征的空间变异性［J］.生态学杂志，2020，39（3）：766-774.
17	曹祥会，龙怀玉，周脚根，等.中温-暖温带表土碳氮磷生态化学计量特征的空间变异性：以河北省为例［J］.生态学报，2017，37（18）：6053-6063.
18	鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000.
19	海旭莹，董凌勃，汪晓珍，等.黄土高原退耕还草地C，N，P生态化学计量特征对植物多样性的影响［J］.生态学报，2020，40（23）：12.
20	顾振宽，杜国祯，朱炜歆，等.青藏高原东部不同草地类型土壤养分的分布规律［J］.草业科学，2012，29（4）：507-512.
21	张昊，李建平，王誉陶，等.封育与放牧对黄土高原天然草地土壤化学计量特征的影响［J］.水土保持学报，2020，34（5）：251-258.
22	陈清霞，涂成龙，陆晓辉，等.贵州省旱地黄壤Zn和有机质的空间异质性特征［J］.环境科学学报，2021，41（10）：4179-4187.
23	刘慧霞，董乙强，崔雨萱，等.新疆阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳特征及其环境影响因素分析［J］.草业学报，2021，30（10）：41-52.
24	李忠佩，张桃林，陈碧云.可溶性有机碳的含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系［J］.土壤学报，2004（4）：544-552.
25	常海涛，赵娟，刘佳楠，等.退耕还林与还草对土壤理化性质及分形特征的影响：以宁夏荒漠草原为例［J］.草业学报，2019，28（7）：14-25.
26	刘伟.黄土高原天然草地生态系统土壤有机碳蓄积研究［D］.北京：中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心），2011.
27	俞有志，王清奎，于小军，等.施氮磷肥对杉木人工林土壤活性有机碳的影响［J］.生态学杂志，2018，37（10）：3053-3060.
28	Zhang C， Jamieson R C， Meng F R，et al.Projecting in-stream dissolved organic carbon and total mercury concentrations in small watersheds following forest growth and clearcutting［J］.Water，Air，and Soil Pollution，2016，227（9）：32301-32313.
29	Tian H， Chen G， Zhang C，et al.Pattern and variation of C∶N∶P ratios in China's soils：a synthesis of observational data［J］.Biogeochemistry，2010，98（1）：139-151.
30	娄泊远，王永东，闫晋升，等.亚寒带荒漠草原不同树种人工林土壤生态化学计量特征［J］.干旱区研究，2021，38（5）：1385-1392.
31	何家莉，宋怡珂，王金牛，等.岷江源区高山林草交错带土壤碳、氮、磷生态化学计量关系的时空变化［J］.应用与环境生物学报，2021，27（4）：869-877.
32	杨秀清，韩有志.关帝山森林土壤有机碳和氮素的空间变异特征［J］.林业科学研究，2011，24（2）：223-229.
33	Farrington V H.Nutrient limitation and soil development：experimental test of a biogeochemical theory［J］.Biogeochemistry，1997，37（1）：63-75.
34	王炜明.基于GIS的地统计学方法在土壤科学中的应用［J］.中国农学通报，2007（5）：404-408.
35	张晓娜，蒙仲举，黄昕，等.荒漠草原不同植被覆盖下土壤粒度组成与速效养分特征［J］.内蒙古林业科技，2018，44（1）：37-40，55.
36	卢同平，张文翔，牛洁，等.典型自然带土壤氮磷化学计量空间分异特征及其驱动因素研究［J］.土壤学报，2017（3）：1-11.
37	李玉强，赵哈林，赵学勇，等.科尔沁沙地沙漠化过程中土壤碳氮特征分析［J］.水土保持学报，2005（5）：75-78，184.
38	房飞，胡玉昆，公延明，等.荒漠土壤微生物碳垂直分布规律对有机碳库的表征作用［J］.中国沙漠，2013，33（3）：777-781.
39	梁振春，李静，吴靖，等.退耕还林还草对黄土高原坡地磷素的影响［J］.南方农业学报，2018，49（4）：688-694.
40	车明轩，吴强，方浩，等.海拔、坡向对川西高山灌丛草甸土壤氮、磷分布的影响［J］.应用与环境生物学报，2021，27（5）：1163-1169.
41	高君亮，罗凤敏，段娜，等.绿洲化过程中土壤碳氮磷生态化学计量特征［C］//中国治沙暨沙业学会.中国治沙暨沙业学会2018年学术年会论文集.2018：151-160.
42	姚国征，杨婷婷，高永，等.放牧强度对小针茅草原枯落物分解的影响［J］.干旱区资源与环境，2017，31（7）：167-171.
43	陈云，李玉强，王旭洋，等.中国典型生态脆弱区生态化学计量学研究进展［J］.生态学报，2021，41（10）：4213-4225.
44	张旭冉，张卫青，王海茹，等.克氏针茅草原土壤生态化学计量特征对放牧强度的响应［J］.生态学报，2021，41（13）：5309-5316.
45	全国土壤普查办公室.中国土壤［M］.北京：中国农业出版社，1998.
46	Liu R， Wang D.Soil C，N，P and K stoichiometry affected by vegetation restoration patterns in the alpine region of the Loess Plateau，Northwest China［J］.PLoS ONE，2020，15（11）：e0241859.

[1]	王蒙, 逯军峰, 付鹏, 董治宝. 巴丹吉林沙漠周边地区土壤养分和粒度特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 232-244.
[2]	李昌盛, 张志山, 张金林, 张秀风, 徐冰鑫, 石亚飞, 霍建强. 荒漠-绿洲区土壤性质过渡特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 209-218.
[3]	赵啸龙, 谢玉鸿, 马旭君, 王少昆. 科尔沁沙质草地不同恢复年限草本层群落结构及其与土壤理化性质的关系[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 134-141.
[4]	石麟, 赵雨兴, 哈斯额尔敦null, 张萍, 许映军, 王卓然. 毛乌素沙地沙障环境下的沙丘迎风坡植被及土壤养分变化[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 140-146.
[5]	于彦琳, 师桂英, 张立彭, 史贵红, 李谋强, 苏国礼, 李潇潇. 硅肥和微生物菌剂配施对连作兰州百合（Lilium davidli var. unicolor）生长及土壤生化性质的影响[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 157-165.
[6]	李亚红, 卜崇峰, 郭琦, 韦应欣. 毛乌素沙地藓、藻结皮生态功能对比[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 138-144.
[7]	高海宁, 李彩霞, 孙小妹, 张勇, 陈年来. 祁连山北麓不同海拔土壤化学计量特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 219-227.
[8]	张维军, 聂庆华, 何兴东. 宁夏哈巴湖国家级自然保护区土壤养分5年变化[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 27-32.
[9]	赵雅姣, 刘晓静, 吴勇, 童长春. 豆禾牧草间作根际土壤养分、酶活性及微生物群落特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 219-228.
[10]	王国华, 任亦君, 缑倩倩. 河西走廊荒漠绿洲过渡带封育对土壤和植被的影响[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 222-231.
[11]	王逸敏, 刘康, 屈建军. 沙障对流沙地植被和土壤养分的影响[J]. 中国沙漠, 2019, 39(3): 56-65.
[12]	王晓光, 乌云娜, 霍光伟, 宋彦涛, 张凤杰. 放牧对呼伦贝尔典型草原植物生物量分配及土壤养分含量的影响[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1230-1236.
[13]	赵鹏, 屈建军, 韩庆杰, 徐先英, 姜生秀, 付贵全. 敦煌绿洲边缘植物群落与土壤养分互馈关系[J]. 中国沙漠, 2018, 38(4): 791-799.
[14]	朱阳春, 张振华, 赵学勇, 连杰, 陈敏, 刘良旭. 河套永济灌域土壤酸碱性与养分元素的关系[J]. 中国沙漠, 2017, 37(4): 742-748.
[15]	陶冶, 吴甘霖, 刘耀斌, 张元明. 古尔班通古特沙漠典型灌木群落土壤化学计量特征及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2017, 37(2): 305-314.