海拔对马衔山生态系统土壤-微生物碳氮磷计量特征的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00089

摘要/Abstract

摘要：

为探究山地生态系统土壤-微生物碳氮磷生态化学计量特征沿海拔梯度的变化规律及其影响因素，选择马衔山沿海拔梯度的高山草原、亚高山灌丛、高山灌丛、高山草甸作为研究对象，通过测定0~20、20~40 cm层次土壤碳氮磷、微生物生物量碳氮磷和其他理化指标，分析马衔山不同海拔区域景观土壤碳氮磷、微生物生物量碳氮磷及其生态化学计量变化特征和影响因素。结果表明：（1）土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量均沿海拔升高呈显著增加趋势，且随土壤深度增加显著降低，表层土壤（0~20 cm）微生物生物量碳（MBC）含量沿海拔显著增加，微生物生物量磷（MBP）含量沿海拔呈先降低后增加的趋势，深层土壤（20~40 cm）MBC含量沿海拔呈现先降低后升高的变化趋势，在亚高山灌丛达到最小值，MBP含量随海拔升高呈先上升后下降的变化趋势，并在亚高山灌丛达到最大值；（2）土壤C∶P、C∶N均沿海拔呈现先增加后减小的趋势，且最大值均出现在高山灌丛（36.16和11.88），表层土壤MBN∶MBP随海拔升高呈先增加后减小的变化趋势，在亚高山灌丛出现最大值（9.16），MBC∶MBN整体沿海拔显著增加，深层土壤MBC∶MBP随海拔升高呈先减小后增加的变化趋势，在亚高山灌丛出现最小值（8.40）；（3）土壤pH、电导率、地下生物量等与土壤-微生物碳氮磷及生态化学计量显著相关，pH是土壤微生物生物量碳氮磷及其化学计量海拔分布格局的关键驱动因素。

关键词: 海拔梯度, 马衔山, 土壤微生物生物量, 生态化学计量

Abstract:

In order to investigate the changing patterns of soilmicrobial carbon， nitrogen and phosphorus ecological stoichiometry in mountain ecosystems along the altitude gradient and the factors affecting them， we selected alpine grassland （AG）， subalpine scrub （SS）， alpine scrub （AS） and alpine meadow （AM） along the altitude gradient of the Maxian Mountains as the research objects， and analyzed the changes in the characteristics and factors affecting the ecological stoichiometry of the soil carbon， nitrogen and phosphorus， microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus and other physicochemical indicators at different altitudes in the landscape of Maxian Mountains. By measuring soil carbon， nitrogen and phosphorus， microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus and other physicochemical indicators at 0-20 cm and 20-40 cm levels， we analyzed the characteristics and influencing factors of soil carbon， nitrogen and phosphorus， microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus and their ecological stoichiometry in the landscape of Maxian Mountain at different altitudes. The results showed that：（1） soil organic carbon （SOC）， total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） contents showed a significant increase along the altitude and decreased significantly with the increase of soil depth， the microbial biomass carbon （MBC） content of the surface soil （0-20 cm） increased significantly along the altitude， and microbial biomass phosphorus （MBP） content showed a decreasing and then increasing trend along altitude， and the content of MBC in deep soil （20-40 cm） decreased first and then increased along the altitude， and reached the minimum value in the subalpine shrub， and the MBP content increased first and then decreased with the elevation， and reached the maximum value in the subalpine shrub. （2） Soil C∶P and C∶N showed a trend of increasing and then decreasing along the elevation， and the maximum values appeared in the alpine scrub （36.16 and 11.88）， and the maximum value appeared in the alpine scrub. Surface soil MBN∶MBP showed an increasing and then decreasing trend with elevation， and the maximum value appeared in the subalpine scrub （9.16）， MBC：MBN increased significantly along the elevation as a whole， and deep soil MBC∶MBP showed a decreasing and then increasing trend with elevation， and the minimum value appeared in the subalpine scrub （8.40）. （3） Soil pH， electrical conductivity and underground biomass were significantly correlated with soil-microbial carbon， nitrogen and phosphorus and ecological stoichiometry， and pH was a key driver of the elevation distribution pattern of soil microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus and their stoichiometry. In conclusion， the changes of soil microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus and its ecological stoichiometry along the altitude gradient are the result of the comprehensive effects of soil nutrients and environmental factors. This study is of great significance to reveal the response mechanism of soil nutrient cycling to environmental change in mountain ecosystems.

Key words: altitude gradient, Maxian Mountains, soil microbial biomass, ecological stoichiometry

中图分类号:

S154

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图/表 6

表1 各样地基本情况

Table 1 The basic information of different sites

样地名称	海拔/m	植被类型	优势植物
AM	3 500~3 670	高山草甸	高原嵩草(Carex coninux)，矮嵩草(Kobresia humilis)
AS	3 100~3 500	高山灌丛	金露梅(Potentilla fruticose)，多裂委陵菜(Potentilla multifida)，马先蒿(Pedicularis ikomai)
SS	2 900~3 100	亚高山灌丛	沙棘(Hippophae rhamnoides)，杜鹃(Rhododendron simsii)，坡柳(Salix myrtillacea)
AG	2 600~2 900	高山草原	野蒿(Erigeron annuus)，西北针茅(Stipa sareptana)，冰草(Agropyron cristatum)

表2 不同海拔植被条件下土壤基本理化性质

Table 2 Basic physical and chemical properties of soil at different elevations

因子		高山草原（AG）	亚高山灌丛（SS）	高山灌丛（AS）	高山草甸（AM）
温度/℃	0~20 cm	29.37±6.30^a	22.88±1.09^b	20.07±2.44^b	18.30±4.90^b
温度/℃	20~40 cm	29.25±6.30^a	22.67±1.01^b	19.78±2.51^b	17.75±4.53^b
地下生物量/g	0~20 cm	18.15±7.62^a	12.46±5.88^a	20.86±6.89^a	44.13±56.48^a
地下生物量/g	20~40 cm	4.33±2.24^a	4.55±4.53^a	7.02±7.24^a	7.83±16.89^a
容重/（g·cm^-3）	0~20 cm	2.19±0.33^a	1.49±0.57^bc	1.16±0.16^c	1.83±0.36^ab
容重/（g·cm^-3）	20~40 cm	2.71±0.46^a	1.98±0.66^b	1.61±0.31^b	2.03±0.19^b
含水率/%	0~20 cm	9.37±4.48^b	36.12±24.91^a	48.76±13.92^a	51.54±6.74^a
含水率/%	20~40 cm	6.86±1.11^c	26.54±16.10^b	40.39±9.38^ab	43.17±14.71^a
pH	0~20 cm	8.12±0.06^a	7.11±0.21^b	6.78±0.11^c	6.08±0.15^d
pH	20~40 cm	8.30±0.05^a	7.34±0.29^b	6.88±0.09^c	6.29±0.07^d
电导率/（S·m^-1）	0~20 cm	115.42±5.22^a	83.42±17.53^b	93.80±14.27^b	114.92±17.88^a
电导率/（S·m^-1）	20~40 cm	126.98±12.65^a	73.82±13.58^b	72.18±14.25^b	63.87±12.18^b
砂粒(w/w)/%	0~20 cm	14.78±4.08^ab	8.10±1.92^b	8.62±3.81^b	18.22±10.50^a
砂粒(w/w)/%	20~40 cm	14.32±4.86^a	6.53±2.28^b	8.73±4.88^b	8.20±4.92^b
黏粉粒(w/w)/%	0~20 cm	85.22±4.08^ab	91.90±1.92^a	91.38±3.81^a	81.78±10.50^b
黏粉粒(w/w)/%	20~40 cm	85.68±4.86^b	93.47±2.28^a	91.27±4.88^ab	91.80±4.92^a

图1 不同海拔下土壤碳、氮、磷含量及其比值注：平均值±标准差，n=6。不同大小写字母表示同一土层深度，不同海拔间差异显著（P<0.05）。AG-高山草原（2 600~2 900 m）；SS-亚高山灌丛（2 900~3 100 m）；AS-高山灌丛（3 100~3 500 m）；AM-高山草甸（3 500~3 670 m）

Fig.1 Soil carbon， nitrogen and phosphorus contents and their ratios at different altitudes

图2 不同海拔下土壤微生物生物量碳、氮、磷含量及其比值注：平均值±标准差，n=6。不同大小写字母表示同一土层深度，不同海拔间差异显著（P<0.05）。AG-高山草原（2 600~2 900 m）、SS-亚高山灌丛（2 900~3 100 m）、AS-高山灌丛（3 100~3 500 m）、AM-高山草甸（3 500~3 670 m）

Fig.2 Contents and ratios of carbon， nitrogen and phosphorus in soil microbial biomass at different altitudes

图3 微生物生物量碳、氮、磷及其化学计量比与土壤和非生物因素的相关性注： *：在0.05水平差异显著；**：在0.01水平差异显著；***：在0.001水平差异显著；ST、UB、SBD、SMC、pH、EC、SOC、TN、C∶P、N∶P、C∶N、MBC、MBN、MBP、MBC∶MBN、MBC∶MBP、MBN∶MBP分别代表土壤质地、地下生物量、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值、电导率、有机碳、总氮、碳磷比、氮磷比、碳氮比、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷、微生物量碳氮比、微生物量碳磷比、微生物量氮磷比

Fig.3 Correlation analysis of microbial biomass carbon， nitrogen， phosphorus and their stoichiometric ratios with soil and abiotic factors

图4 微生物生物量碳、氮、磷及其化学计量比与土壤和非生物因素的冗余分析注：图中蓝线箭头为响应变量（微生物生物量碳、氮、磷及其生态化学计量特征），红线箭头为解释变量（环境因子）。UB、SBD、SMC、pH、EC、SOC、TN、C∶P、N∶P、C∶N、MBC、MBN、MBP、MBC∶MBN、MBC∶MBP、MBN∶MBP分别代表地下生物量、土壤容重、土壤含水率、土壤pH值、电导率、有机碳、总氮、碳磷比、氮磷比、碳氮比、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷、微生物量碳氮比、微生物量碳磷比、微生物量氮磷比。AG-高山草原（2 600~2 900 m）；SS-亚高山灌丛（2 900~3 100 m）；AS-高山灌丛（3 100~3 500 m）；AM-高山草甸（3 500~3 670 m）

Fig.4 Redundancy analysis of microbial biomass C， N， P and their stoichiometric ratios with soil and abiotic factors

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