科尔沁沙地土壤微生物碳氮磷化学计量空间格局及影响因素

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00106

摘要/Abstract

摘要：

揭示土壤和微生物碳氮磷（C∶N∶P）化学计量的空间格局及其影响因素，对生态系统功能调控和全球气候变化应对具有重要意义。本研究通过在科尔沁沙地开展区域野外调查，应用地统计学方法，构建随机森林模型量化科尔沁沙地土壤微生物C∶N∶P化学计量空间分布的驱动因素。结果表明：土壤微生物碳氮磷（MBC、MBN、MBP）含量低值区主要位于科尔沁沙地中部，高值区主要位于科尔沁沙地北部的大兴安岭余脉。自南向北方向，MBC∶MBP和MBN∶MBP逐渐升高。科尔沁沙地MBC∶MBN为0.63~28.29（平均值为7.3）；MBC∶MBP为0.35~91.27（平均值为11.26）；MBN∶MBP为0.07~10.16（平均值为1.56），均低于全球及中国的化学计量比，整体表现出碳、氮、磷元素限制，MBC和MBN含量是影响科尔沁沙地土壤微生物量C∶N∶P空间变异的最主要因素。

关键词: 土壤碳氮磷, 土壤微生物生物量, 生态化学计量, 空间格局, 科尔沁沙地

Abstract:

Understanding the spatial pattern of soil and microbial carbon， nitrogen and phosphorus （C∶N∶P） stoichiometry and its drivers are important for regulating ecosystem function and responding to global climate change. In this study， we applied geostatistical methods and constructed a random forest model to quantify the drivers of the spatial distribution of soil and microbial C∶N∶P stoichiometry in the Horqin Sandy Land through a regional field survey. The results showed that low-value zones for soil microbial carbon （MBC）， nitrogen （MBN） and phosphorus （MBP） were primarily located in the central part of the Horqin Sandy Land. In contrast， high-value zones were mainly found in the northern part of the Horqin Sandy Land， specifically in the foothills of the Greater Khingan Mountains. The ratios of MBC∶MBP and MBN∶MBP gradually increased from south to north. In the Horqin Sandy Land， the MBC∶MBN ratio ranged from 0.63 to 28.29 （average： 7.3）， the MBC∶MBP ratio from 0.35 to 91.27 （average： 11.26）， and the MBN∶MBP ratio from 0.07 to 10.16 （average： 1.56）. These values were all lower than the global and Chinese stoichiometric ratios. Overall， the region exhibited limitations in C， N and P， with MBC and MBN content primarily influencing the spatial variation of soil microbial biomass C∶N∶P in the Horqin Sandy Land.

Key words: soil carbon， nitrogen and phosphorus, soil microbial biomass, ecological stoichiometry, spatial pattern, Horqin Sandy Land

中图分类号:

Q939.96

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图/表 9

图1 研究区位置及调查样点分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling sites

表1 土壤性质描述性统计汇总（ N=163）

Table 1 Summary statistics of soil properties （ N=163）

变量	最小值	最大值	平均值	标准误差	偏度	峰度
SOC/(g·kg^-1)	0.16	20.20	4.89	3.43	1.17	2.02
TN/(g·kg^-1)	0.04	2.21	0.46	0.38	1.34	2.23
TP/(g·kg^-1)	0.02	0.48	0.15	0.10	1.52	1.90
C∶N	1.12	94.06	14.27	13.93	3.83	16.99
C∶P	1.73	108.31	35.63	20.30	1.03	1.22
N∶P	0.78	7.79	2.91	1.29	0.92	1.12
MBC/(mg·kg^-1)	1.24	575.02	112.92	129.77	1.58	1.83
MBN/(mg·kg^-1)	0.38	88.42	16.90	19.08	1.61	2.30
MBP/(mg·kg^-1)	1.00	74.80	11.41	11.44	2.27	6.81
MBC∶MBN	0.63	21.90	7.29	4.43	0.98	0.47
MBC∶MBP	0.35	91.27	11.26	14.11	3.05	10.77
MBN∶MBP	0.07	10.16	1.56	1.47	2.69	9.80
pH	6.60	8.81	7.02	0.74	-0.06	2.10
BD/(g·cm^-3)	1.47	1.83	1.63	0.06	0.10	0.49

表2 土壤碳氮磷及化学计量预测模型准确性评价指标

Table 2 Accuracy evaluation indicators of soil carbon， nitrogen， phosphorus and stoichiometric prediction models

指标	MAE	RMSE	MSE	RMSSE
SOC	-0.060	3.002	-0.021	1.035
TN	-0.008	0.322	-0.025	1.049
TP	-0.004	0.066	-0.055	1.046
C:N	0.237	11.781	0.017	0.839
C:P	0.531	16.439	0.027	0.922
N:P	0.037	1.251	0.028	0.991

图2 土壤碳氮磷及化学计量空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.2 Spatial distribution of soil carbon， nitrogen， phosphorus and stoichiometry

表3 土壤微生物生物量碳氮磷及化学计量预测模型准确性评价指标

Table 3 Accuracy evaluation indicators of soil microbial biomass carbon， nitrogen， phosphorus and stoichiometric prediction models

指标	MAE	RMSE	MSE	RMSSE
MBC	-2.468	104.329	-0.026	1.023
MBN	-0.329	15.565	-0.024	1.036
MBP	-0.189	10.148	-0.020	1.052
MBC∶MBN	-0.006	4.080	-0.003	0.943
MBC∶MBP	-0.031	11.294	-0.012	1.074
MBN∶MBP	-0.021	1.228	-0.016	1.012

图3 土壤微生物生物量碳氮磷及化学计量空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.3 Spatial distribution of soil microbial biomass carbon， nitrogen， phosphorus and stoichiometry

图4 基于随机森林模型量化土壤碳∶氮、碳∶磷、氮∶磷比值空间分异解释因子的相对重要性

Fig.4 Quantifying the relative importance of soil C∶N， C∶P and C∶P explanatory variables based on a random forest model

图5 基于随机森林模型量化土壤微生物量碳∶氮、碳∶磷和氮∶磷比值空间分异解释变量的相对重要性

Fig. 5 Quantifying the relative importance of MBC∶MBN， MBC∶MBP and MBC∶MBP explanatory variables based on a random forest model

图6 土壤微生物元素内稳态注：C、N、P为土壤碳、氮、磷；MBC、MBN、MBP分别为土壤微生物碳、土壤微生物氮和土壤微生物磷

Fig.6 Soil microbial element homeostasis

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