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中国沙漠, 2025, 45(2): 252-261 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00003

甘肃景泰白墩子盐沼国家湿地公园土壤生态化学计量特征

郭思淼,, 周晓雷,, 任菊, 王润龙, 樊玉科, 刘锐, 张晓玮

甘肃农业大学 林学院,甘肃 兰州 730070

Ecological stoichiometric characteristics of soil in Baidunzi Salt Marsh National Wetland ParkJingtaiGansu Province

Guo Simiao,, Zhou Xiaolei,, Ren Ju, Wang Runlong, Fan Yuke, Liu Rui, Zhang Xiaowei

Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China

通讯作者: 周晓雷(E-mail: zhouxl@gsau.edu.cn

收稿日期: 2024-10-16   修回日期: 2024-12-28  

基金资助: 国家专项资金甘肃景泰白墩子盐沼国家湿地公园生态监测项目.  03723169

Received: 2024-10-16   Revised: 2024-12-28  

作者简介 About authors

郭思淼(2000—),女,陕西西安人,硕士研究生,研究方向为景观生态学E-mail:511945594@qq.com , E-mail:511945594@qq.com

摘要

生态化学计量学是关于生态系统能量流动和养分循环动态的科学,是生态学的重要领域。以甘肃景泰白墩子盐沼国家湿地公园表层土壤(0~20 cm)为研究对象,依据8类典型植物群落的分布特征布设24组样点,采集土壤样品,分析土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及全钾(TK)之间的相关性及差异性,旨在揭示白墩子盐沼国家湿地公园土壤生态化学计量特征(SOC、TN、TP、TK、C/N、C/P、N/P、N/K)以及群落类型和土壤理化因子之间的关系,为白墩子盐沼国家湿地公园的科学管理和生态调控提供理论依据和数据支撑。结果表明:(1)研究区土壤SOC、TN、TP、TK的平均值分别为8.20、0.96、0.21、1.85 g·kg-1;化学计量比C/N、C/P、N/P、N/K的均值分别为10.34、52.96、7.54、0.99;(2)各植物群落土壤之间生态化学计量特征均存在显著差异(P<0.05),其中土壤SOC含量为柽柳(Tamarix chinensis)群落最大,芦苇(Phragmites australis)群落最小;土壤TN含量为盐角草(Salicornia europaea)群落最大,是碱蓬(Suaeda glauca)群落的2.03倍;土壤TP含量柽柳(Tamarix chinensis)群落最大,为盐角草(Salicornia europaea)群落的4.50倍;土壤TK含量柽柳群落最大,是小果白刺(Nitraria sibirica)群落的8.80倍;(3)研究区内土壤SOC、TN、TP含量极显著相关(P<0.01);(4)冗余分析(RDA)表明土壤有效磷、pH及地上生物量是解释土壤生态化学计量特征变异的重要因子,三者对土壤生态化学计量特征的贡献率达68.10%。综上所述,研究区内土壤SOC、TN、TP、TK含量均低于中国沼泽湿地土壤平均水平,表明研究区域土壤中SOC、TN、TP、TK含量较为匮乏;各植物群落间土壤生态化学计量均存在显著差异,土壤有效磷、pH及地上生物量是影响白墩子盐沼国家湿地公园土壤生态化学计量特征的主要土壤理化因子;土壤N/P低于14,表明土壤TN含量是限制湿地公园灌丛生长的主要因素。

关键词: 生态化学计量 ; 土壤 ; 盐沼湿地 ; 理化性质

Abstract

Ecological stoichiometry is an important means of studying the dynamics of energy flow and nutrient cycling in ecosystems, and is also one of the important fields of ecological research. This study focuses on the surface soil (0-20 cm) of Baidunzi Salt Marsh National Wetland Park in Jingtai, Gansu Province. Based on the distribution characteristics of 8 typical plant communities, 24 sample points were set up to collect soil samples and analyze the differences and correlations between the stoichiometric characteristics of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and total potassium (TK). The aim is to reveal the soil ecological stoichiometry characteristics (SOC, TN, TP, TK, C/N, C/P, N/P, N/K) of Baidunzi Salt Marsh National Wetland Park and their relationship with community types and soil physicochemical factors, in order to provide theoretical basis and data support for the scientific management and ecological regulation of Baidunzi Salt Marsh National Wetland Park. The results showed that: (1) the average values of soil SOC, TN, TP, and TK in the study area were 8.20, 0.96, 0.21, 1.85 g·kg-1, respectively; The mean values of stoichiometric ratios C/N, C/P, N/P, and N/K are 10.34, 52.96, 7.54, and 0.99, respectively; (2) There were significant differences (P<0.05) in the ecological stoichiometry of soil among different plant communities, with soil SOC content being highest in the Tamarix chinensis community and lowest in the Phragmites australis community; The soil TN content is the highest in the Salicornia europaea community, which is twice that of the Suaeda glauca community; The soil TP content in the Tamarix chinensis community is the highest, which is 4.50 times that of the Salicornia europaea community; The soil TK content in the Tamarix chinensis community is the highest, 8.8 times that of the Nitraria sibirica community; (3) There is a highly significant correlation (P<0.01) between soil SOC, TN, and TP content in the study area; (4) Redundancy analysis (RDA) shows that soil available phosphorus, pH, and aboveground biomass are important factors in explaining the variation of soil ecological stoichiometry characteristics, with a contribution rate of 68.1% to soil ecological stoichiometry characteristics. In summary, the soil SOC, TN, TP, and TK contents in the study area are lower than the average level of Chinese swamp wetland soil, indicating that the soil SOC, TN, TP, and TK contents in the study area are relatively scarce; There are significant differences in soil ecological stoichiometry among different plant communities, and soil available phosphorus, pH, and aboveground biomass are the main soil physicochemical factors affecting the soil ecological stoichiometry characteristics of Baidunzi Salt Marsh National Wetland Park; The soil N/P ratio was significantly lower than 14, indicating that soil TN content is the main factor limiting the growth of shrubs in wetland parks.

Keywords: ecological stoichiometry ; soil ; salt marsh wetlands ; physicochemical properties

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本文引用格式

郭思淼, 周晓雷, 任菊, 王润龙, 樊玉科, 刘锐, 张晓玮. 甘肃景泰白墩子盐沼国家湿地公园土壤生态化学计量特征. 中国沙漠[J], 2025, 45(2): 252-261 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00003

Guo Simiao, Zhou Xiaolei, Ren Ju, Wang Runlong, Fan Yuke, Liu Rui, Zhang Xiaowei. Ecological stoichiometric characteristics of soil in Baidunzi Salt Marsh National Wetland ParkJingtaiGansu Province. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(2): 252-261 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00003

0 引言

土壤生态化学计量学主要阐述土壤生态系统中化学元素的平衡、循环及其与生态系统功能之间的关系1。化学元素碳(C)、氮(N)、磷(P)等是植物生长发育必需的营养物质,对土壤微生物数量、枯落物分解速率、土壤有机碳及营养物质的长期累积具有重要作用2-3。土壤作为生态系统的重要组成,对植物的生长起着关键性作用,直接影响着植被群落的组成和结构4。研究土壤营养元素的生态化学计量学特性,揭示土壤营养元素间的耦合关系以及养分有效性,是理解生态系统碳、氮、磷循环和平衡机理的关键5-6。土壤C/P值用来评价土壤微生物矿化过程中有机碳的释放和从环境中吸收和固定P的潜能,C/P值越低说明土壤中P的有效性越高7-8。同时,还利用土壤N/P来预测土壤营养限制形态9。土壤化学计量比能够直接反映土壤肥力状况,目前国内对土壤生态化学计量特征的研究多在于荒漠草地、草甸草原、森林、典型草原区退耕草地10-14,对盐沼湿地与植被相互关系涉及较少。通过对盐沼湿地土壤养分含量和化学计量特征的研究,揭示土壤中C、N、P元素的平衡与限制性关系,达到调控土壤养分、结构和组成的目的,提高生态系统的稳定性,对盐沼湿地植物保护、土壤管理具有重要意义。

白墩子盐沼国家湿地公园为内陆盐沼湿地生态系统,地处腾格里沙漠与景泰绿洲的过渡地带,地表水资源主要来自天然降水汇流及景电工程灌溉回归水侧渗。此外,白墩子盐沼国家湿地公园生态系统结构较为完整,为人工盐沼湿地,在西北干旱荒漠区具有典型性和独特性。然而,当前对其生态系统的研究集中于植物群落特征,缺乏对土壤理化性质及其生态化学计量特征的系统分析。湿地内广泛分布的8类典型植物群落为芨芨草(Neotrinia splendens)、盐爪爪(Kalidium foliatum)、小果白刺(Nitraria sibirica)、芦苇(Phragmites australis)、碱蓬(Suaeda glauca)、盐角草(Salicornia europaea)、柽柳(Tamarix chinensis)、红砂(Reaumuria songarica15。通过分析土壤理化性质和生态化学计量比的差异性,探索两者之间的关系,旨在阐明盐沼湿地土壤生态化学计量特征及关键影响因素,解决盐沼湿地植物在生长中受到的养分限制状况,以期为干旱荒漠区湿地的科学经营和管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白墩子盐沼国家湿地公园坐落于甘肃省景泰县北部上沙沃镇境内,地处白墩子盆地中部,紧邻腾格里沙漠的南缘,是景泰县内面积最大的季节性咸水沼泽,其南北长约12 km,东西达6 km(图1)。地理坐标37°23′59″—37°28′13″N,104°03′28″—104°07′28″E。公园总面积为2 619.36 hm²,其中湿地面积为1 663.13 hm²,湿地占比为61.8%。研究区多年平均气温为8.5 ℃,多年平均降水量为185 mm,集中在7—9月,年蒸发量3 038 mm,为典型的大陆性气候特征。土壤以灌漠土、盐土和风沙土为主。植被类型主要有荒漠灌木、盐漠灌丛、盐沼灌丛、盐沼草本、沉水植被型。本研究选取分布面积较大的8类植物群落(小果白刺、芨芨草、盐爪爪、芦苇、盐角草、碱蓬、柽柳、红砂群落);其余分布面积较小的群落不做研究15

图1

图1   研究区位置和样点分布图

注:基于自然资源部标准地图服务网站标准地图(审图号:GS(2020)4619号)制作,底图边界无修改

Fig.1   Location of the study area and distribution of sample points


1.2 野外调查

2022年和2023年植物生长季(8—9月),在各植物群落类型内布设面积为5 m×5 m的灌木样地,在灌木样地中按“品”字形设置3个2 m×2 m草本样地,每个植物类群设置3个重复,共设置24个灌木样地和72个草本样地。

1.3 土壤样品采集与测定

1.3.1 土壤样品采集

土壤取样为表层土样,采样深度0~20 cm,在每个样方内采用5点交叉取样法采集表层土壤,将其混合均匀,每个样点采集样品1 kg左右,装入样品袋,带回实验室后经过风干、磨细、过筛、混匀、装瓶,以备相关指标的测定。

1.3.2 土壤理化性质测定

土壤有机碳(SOC)利用重铬酸钾氧化-外加热法;全氮(TN)利用半微量凯氏法-凯氏定氮仪;全磷(TP)利用碱融-钼锑抗比色法;全钾(TK)利用原子吸收分光光度法16。pH值测量使用pH计法;使用温度计测定土壤温度;速效钾、铵态氮的测定采用氯化钾溶液提取-分光光度法;有效磷利用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法5。土壤含水量、容重、孔隙度均采用环刀法测定。

土壤容重=环刀内烘干土质量/环刀体积

式中:土壤质量单位为g,土壤体积单位为cm3

孔隙度=(1-容重/密度)×100%
含水量=(土壤鲜重-干重)/干重×100%16

1.3.3 变异系数

各类型植被群落土壤生态化学计量和土壤理化因子的空间变异性使用变异系数(CV)表示,变异系数的计算公式为:

CV标准平均

式中:当CV≤0.20时表示弱变异性;当0.20<CV<0.50时表示中变异性;而当CV ≥ 0.50时则表示强变异性16

1.4 数据处理与分析

运用SPSS 22.0软件进行群落间差异性的单因素方差分析(One-way ANOVA);运用Duncan法进行差异显著性检验(P=0.05),采用Pearson相关分析法分析各元素之间的相关性,运用Origin 9.1软件进行相关图表绘制并对实验数据进行线性回归拟合分析;运用Canoco 5软件进行RDA分析,分析土壤理化因子对土壤生态化学计量特征的影响,使用ArcGIS软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 植物群落类型特征

白墩子盐沼国家湿地公园不同植物群落类型总盖度为61.37%~86.16%,其中盐角草群落总盖度最大,盐爪爪群落最小;密度为16.33~767.41株·m-2,芨芨草群落最低,约为盐角草群落的2%;生物量为69.46~1 814.38 g·m-2,其中芦苇群落最大,是盐爪爪群落的26倍(表1)。

表1   白墩子盐沼国家湿地公园不同植物群落类型特征

Table 1  Community characteristics of different plant types in Baidunzi Salt Marsh National Wetland Park

群落类型总盖度/%密度/(株·m-2)地上生物量/(g·m-2
芨芨草61.41±5.54e16.33±1.73g731.56±33.44b
小果白刺75.66±3.25b25.61±3.15f178.27±11.56e
盐爪爪61.37±5.12e137.26±19.86c69.46±6.63h
碱蓬81.72±6.91d415.65±23.51b131.28±15.20g
盐角草86.16±8.20c767.41±35.26a162.37±11.66f
芦苇70.65±4.31a156.40±12.81e1 814.38±120.56a
柽柳84.52±4.32bc209.52±19.72d261.77±28.25d
红砂79.33±3.73a22.28±2.34fg337.69±14.63c

注:不同字母表示显著性差异(P<0.05)。

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2.2 土壤理化因子

白墩子盐沼国家湿地公园内8种植物群落类型理化性质存在差异(表2P<0.05)。各群落之间土壤pH值、速效钾含量、铵态氮含量、有效磷含量、容重、含水量和孔隙度均呈显著差异(P<0.05),各植物群落类型土壤均为碱性,其pH值为7.93~8.67;各植物群落类型中土壤速效钾含量101.14~371.23 mg·kg-1,柽柳群落是盐角草群落的3.60倍;铵态氮含量为28.90~53.21 mg·kg-1,最大为芦苇群落,最小为盐角草群落;有效磷含量为6.26~52.95 mg·kg-1,最大值是最小值的8.50倍;容重为1.16~1.61 g·cm-3,盐爪爪群落约为碱蓬群落的72%;含水量是10.67%~21.67%,最大值是最小值的2倍;孔隙度为49.00%~55.67%。

表2   白墩子盐沼国家湿地公园土壤理化因子的差异

Table 2  Differences of soil physical and chemical factors in Baidunzi Salt Marsh National Wetland Park

植物群落 类型pH速效钾 /(mg·kg-1)铵态氮 /(mg·kg-1)有效磷 /(mg·kg-1)容重 /(g·cm-3)

含水量

/%

孔隙度

/%

芨芨草8.10±0.09d212.15±96.05e34.23±6.69d6.26±1.31h1.38±0.02c14.33±1.00c52.67±3.28b
小果白刺8.67±0.36a222.95±63.48d34.34±5.68c14.15±3.37e1.27±0.06e12.67±2.50f51.67±1.80c
盐爪爪7.93±0.18d268.66±24.68b32.38±2.18e52.95±5.97a1.16±0.06f13.00±1.73e55.67±1.80a
碱蓬8.13±0.05c172.40±16.76g29.50±2.33g11.97±1.39g1.61±0.02a21.67±2.18a49.67±1.32e
盐角草8.13±0.10c101.14±9.35h28.90±2.60h13.77±1.40f1.54±0.04b20.00±1.73b49.00±2.29g
芦苇8.57±0.30b263.02±126.82c53.21±8.15a20.25±3.94d1.54±0.06b11.67±0.50g50.67±1.32d
柽柳8.13±0.36c371.23±99.94a36.77±9.57b47.78±10.25b1.38±0.02c13.33±0.50d55.67±2.78a
红砂8.57±0.22b176.59±19.04f30.30±5.30f27.89±5.86c1.37±0.03d10.67±0.50h49.33±0.50f
平均值8.27223.5234.9524.381.4114.6751.79
变异系数0.040.450.270.700.100.270.06

注:不同字母表示显著性差异(P<0.05)。

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8种植物群落类型的土壤pH值、容重和孔隙度均属于弱变异性;速效钾含量、铵态氮含量和含水量均属于中变异性;有效磷含量属于强变异性。

2.3 土壤生态化学计量特征

白墩子盐沼国家湿地公园8种植物群落类型土壤的SOC和TN含量分别是3.19~20.14 g·kg-1和0.32~1.89 g·kg-1CV为0.40,均属于中等变异,均值分别为8.20、0.96 g·kg-1;TP和TK含量分别是0.04~0.87 g·kg-1和0.15~4.48 g·kg-1CV分别为0.68和0.70,均属于强变异性,均值分别为0.21、1.85 g·kg-1表3)。土壤C/N、C/P和N/P的均值分别为10.34、52.96和7.54,CV分别为0.69、0.68和1.10,均属于强变异性。土壤N/K的均值为0.99,CV为1.15,属于强变异性(表4)。

表3   白墩子盐沼湿地公园土壤CNPK含量( n=72

Table 3  Soil CNP and K contents in Baidunzi Salt Marsh Wetland Parkn=72

指标最小值 /(g·kg-1)最大值 /(g·kg-1)平均值 /(g·kg-1)变异系数CV
SOC3.1920.148.20±3.310.40
TN0.321.890.96±0.390.40
TP0.040.870.21±0.140.68
TK0.154.481.85±1.300.70

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表4   白墩子盐沼湿地公园土壤C/NC/PN/PN/K值( n=72

Table 4  Soil C/NC/PN/PN/K in Baidunzi Salt Marsh Wetland Parkn=72

指标最小值最大值平均值变异系数CV
C/N2.2646.8010.34±7.120.69
C/P11.13189.7352.96±35.990.68
N/P0.7244.117.54±8.301.10
N/K0.137.200.99±1.131.15

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2.4 不同植物群落类型土壤生态化学计量比特征

白墩子盐沼国家湿地公园各群落土壤之间生态化学计量均存在显著差异(图2P<0.05),其中土壤TN含量0.63~1.28 g·kg-1,盐角草群落最大,是碱蓬群落的2.03倍;土壤TP含量为0.08~0.36 g·kg-1,柽柳群落是盐角草群落的4.50倍;土壤SOC含量4.56~9.86 g·kg-1,芦苇群落仅为柽柳群落的46.25%;土壤TK含量0.45~3.96 g·kg-1,柽柳群落为小果白刺群落的8.80倍。各群落土壤C/N为6.24~16.61,芦苇群落仅为芨芨草群落的37.57%;土壤C/P值为27.24~117.54,盐角草群落为芦苇群落的4.31倍;土壤N/P值为2.41~17.61,盐角草群落是碱蓬群落的7.31倍;土壤N/K值为0.18~1.41,其中碱蓬群落最高,柽柳群落最低。

图2

图2   不同植物群落土壤SOC、TN、TP、TK含量及其生态化学计量比的特征

注:不同小写字母表示各类型植物群落之间元素差异性显著(P<0.05)

Fig.2   Characteristics of soil SOC, TN, TP, TK contents and their ecological stoichiometry ratios in different phytoecommunies


2.5 土壤生态化学计量特征与土壤理化性质的关系

Pearson相关性分析表明,土壤SOC含量与土壤TN、TP含量,土壤TN与TP含量极显著相关(P<0.01)。土壤理化因子和土壤生态化学计量特征之间也存在一定的相关性(表5)。其中,土壤SOC含量与有效磷含量显著正相关(P<0.05),与地上生物量显著负相关(P<0.05);土壤TN含量与有效磷含量、pH显著正相关(P<0.05),与含水量显著负相关(P<0.05);土壤TP含量与有效磷含量显著正相关(P<0.05),与速效钾含量、含水量显著负相关(P<0.05);土壤C/N与铵态氮显著正相关(P<0.05);土壤C/P与土壤含水量极显著正相关(P<0.01),与速效钾含量、孔隙度极显著负相关(P<0.01),与地上生物量、铵态氮和有效磷含量显著负相关(P<0.05);土壤N/P与pH显著正相关(P<0.05)。

表5   土壤化学计量特征与土壤理化因子的相关性分析

Table 5  Correlation analysis between soil stoichiometry characteristics and soil physicochemical factors

SOCTNTPTKC/NC/PN/PN/K
SOC10.96**0.84**0.160.72**0.56*-0.11-0.21
TN10.85**0.19-0.65**0.34**0.69**0.36**
TP10.100.28*-0.56**-0.53**-0.15
TK1-0.030.02-0.10-0.60**
地上生物量-0.21*-0.180.05-0.14-0.09-0.26*-0.13-0.17
速效钾0.02-0.11-0.26*0.38**-0.15-0.46**-0.3-0.12
铵态氮0.01-0.08-0.030.07-0.25*-0.29*-0.11-0.09
有效磷0.27*0.30*0.26*0.72**-0.10-0.25*-0.20-0.32**
pH0.220.28*-0.21-0.42**-0.160.110.25*0.37**
含水量-0.23-0.29*-0.26*-0.120.220.36**0.17-0.01
容重0.20-0.21-0.13-0.27**0.140.150.010.10
孔隙度-0.19-0.140.180.45**-0.02-0.31**-0.19-0.17

注:*表示显著相关(P<0.05);**表示极显著相关(P<0.01)。

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土壤理化因子和土壤生态化学计量的RDA排序(图3)表明土壤生态化学计量及土壤理化因子在第Ⅰ轴的解释量为65.10%,第Ⅱ轴的解释量为20.41%,两轴共解释85.51%。由此表明该分析能够较好地反映土壤化学计量与土壤理化因子之间关系,且主要决定于第Ⅰ轴。各土壤理化因子对土壤生态化学计量影响的重要性表现为:有效磷>pH>地上生物量>含水量>速效钾>容重>铵态氮>孔隙度,其中有效磷、pH、地上生物量对土壤生态化学计量具有极显著影响(P<0.01),其对土壤生态化学计量的贡献率分别为34.50%、18.60%和15.00%,分别解释了生态化学计量29.40%、15.20%和14.50%的变异。土壤含水量和速效钾对土壤生态化学计量具有显著影响(P<0.05),而其他土壤理化因子对土壤生态化学计量特征的影响均未达到显著水平(表6)。

图3

图3   土壤生态化学计量与土壤理化因子RDA排序结果

注:空心箭头表示土壤理化因子,实心箭头表示土壤生态化学计量

Fig.3   Soil ecological stoichiometry and RDA ranking results of soil physicochemical factors


表6   土壤理化因子对土壤生态化学计量重要性排序

Table 6  Ranking of the importance of soil physical and chemical factors in soil ecological stoichiometry

理化因子解释率/%贡献率/%Pseudo-FP
有效磷29.4034.507.800.01
pH15.2018.604.700.01
地上生物量14.5015.003.500.01
含水量13.6010.502.500.05
速效钾12.509.702.500.05
容重2.505.701.400.23
铵态氮0.904.101.100.37
孔隙度0.501.900.500.75

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RDA排序结果表明:土壤有效磷含量与土壤SOC、TP、TK、C/N正相关,与土壤TN、C/P、N/P、N/K负相关;土壤pH与土壤TN、C/P、N/P、N/K正相关,与土壤SOC、TP、TK、C/N负相关;地上生物量与土壤TP呈正相关,与土壤SOC、TN、TK、C/N、C/P、N/P、N/K均为负相关关系。上述分析表明,土壤有效磷、pH和地上生物量是影响白墩子盐沼湿地土壤生态化学计量特征的主要土壤理化因子(图3)。

3 讨论

土壤中SOC、TN、TP和TK含量是反映土壤质量的关键指标,对植物的生长和养分循环等具有重要作用17。不同植物群落类型、土壤类型、气候条件和人类活动对土壤化学计量特征的影响程度不同18-20。本研究发现,甘肃景泰白墩子盐沼国家湿地公园土壤SOC含量平均值为8.20 g·kg-1,约为中国沼泽湿地土壤平均水平(11.20 g·kg-1)的73.21%,与马飞等21研究结果一致,这可能是枯落物的矿化分解与转化累积不平衡所导致的。不同植物群落类型的土壤养分含量差异明显,芦苇群落、小果白刺群落土壤SOC含量较低,这与王绍强等22的研究结果一致,主要是因为上述植物叶片和枯落物的数量较少,生长的环境风沙大,植物枯落物的积聚能力较弱,从而减少了土壤中营养元素的积累。马飞等21研究表明,中国荒漠与荒漠化地区,如准噶尔盆地、塔里木盆地、阿拉善高原、河西走廊和柴达木盆地等,表层土壤的SOC含量最低,这与本研究结果一致。

土壤中N的来源包括植物一系列的氮素矿化、固定、硝化和反硝化作用22-24。本研究区内土壤TN含量的平均值为0.96 g·kg-1,为中国沼泽湿地平均水平(1.10 g·kg-1)的87.27%。本研究结果与廖金梅等25的研究结果一致,中国荒漠区的土壤TN含量较低,全国范围内自然植被覆盖下的土壤N含量也相对较低,这可能是由于研究区域植被稀疏、枯落物积累较少以及土壤中有机质匮乏26。土壤P主要来源于土壤母质和有机物质,土壤和植被分布格局的异质性可以导致P的变异性增大,同时降水量和温度也是岩石分化和P淋溶的重要影响因子27。本研究中土壤TP的平均值为0.21 g·kg-1,低于中国沼泽湿地土壤平均水平(0.43 g·kg-1),且研究区域内TP的变化范围较小,这与王凯等28的研究结果一致,这可能是由于其元素经过矿化后沉积下来,不容易迁移。土壤K主要来源于土壤母质,本研究中土壤TK的平均值为1.85 g·kg-1,远低于中国沼泽湿地土壤平均值(14.40 g·kg-1),这与李建平等29的研究结果一致,这可能是由于土壤中有机质与矿物态K之间存在“稀释效应”,即土壤有机质的增加导致土壤TK含量的相对减少,同时张子琦等9发现河西走廊地区土壤母质中K元素比较稀缺,这与本研究中K元素的变化相呼应。本研究区域土壤化学元素平均含量低于中国沼泽湿地土壤平均水平,表明研究区域SOC、TN、TP、TK含量较为匮乏。

土壤C/N、C/P以及N/P可以作为土壤养分的有效指标,当C/N较高时,有机质的矿化速度会减缓,这不利于有机氮的分解30-31。本研究表明,白墩子盐沼国家湿地公园C/N、C/P、N/P的平均值分别为10.34、52.96、7.54,其中C/N和N/P低于中国沼泽湿地平均值(18.22、13.60),土壤C/N均值低的原因可能是由于土壤SOC含量变化幅度较大,TN含量的变化较小32。白墩子盐沼国家湿地公园内8种典型植物群落的C/N比差异不显著且比较稳定,这说明C、N等结构元素在其累积和消耗中存在着相对稳定的比例,与其对环境的变化响应原理也是一致的33,这一结果验证了Chapin等34的研究结论。本研究中C/P值低于中国沼泽湿地平均值(245.22),表明研究区内土壤磷的有效性较高35。微生物分解有机质、释放养分有利于提高P的有效性。微生物分解有机质的速度受土壤C/N影响,当土壤C/N高于25时,有机质分解缓慢,需要N元素提高其生长率;而当土壤C/N低于25时,有机质分解速率较快,需要C元素提高其生长率22。本研究区C/N的比值低于25,表明研究区有机质的分解速率较快,有利于提高P的有效性。生态化学计量学中,通常将C/P作为评价P有效性的重要指标,也是检验土壤P矿化能力的重要指标36。土壤N/P比也可以作为确定养分的限制阈值和判断氮元素饱和的指标,当土壤N/P低于14时,土壤养分受N的限制;当土壤N/P高于16时,P为土壤养分的限制元素37。本研究中不同植物群落类型之间土壤N/P差异较小,土壤平均N/P为7.54,这表明研究区土壤N素含量较高,土壤主要受N限制,这与许尔文等38的研究结果一致。本研究中盐角草群落的C/P、N/P比均远高于其他群落,这表明盐角草群落土壤P含量较低,同时P的有效性也较低35

王传盈等39发现花园口黄河浮桥湿地土壤SOC、TN、TP和TK之间具有显著相关性,其中土壤SOC与TN的相关性极显著,本研究发现,土壤SOC与TN、TP极显著正相关(P<0.01),TN与TP极显著正相关(P<0.01),这与李培玺等40的研究结果一致。相关性分析发现,土壤生态化学计量除了受到土壤SOC、TN、TP的影响,还受到其他环境因子的影响。本研究中RDA结果显示,湿地公园内土壤有效磷、pH和地上生物量与土壤生态化学计量显著相关(P<0.01),且三者对土壤生态化学计量特征的贡献率达到了68.10%,这表明土壤有效磷、pH和地上生物量是影响白墩子盐沼国家湿地公园土壤养分的重要理化因子。湿地土壤理化因子与生态化学计量特征密切相关41,本研究中土壤含水量和土壤C/P呈极显著相关,是由于土壤含水量高易于凋落物的分解,进而增加表层土壤养分的累积,这与徐静静42的研究结果一致。土壤中的速效钾是植物生长不可或缺的元素,其供应状况对植物叶片的生长和发育具有重要影响。本研究中盐角草群落的速效钾含量最低,这是由于盐角草冠幅及植物根系较小43。土壤有效磷的活化是复杂而缓慢的生物化学过程,受到植被类型、人为干扰、土壤微生物活动及理化特性、气候条件等多种因素的共同作用44。本研究表明,植物群落类型对土壤有效磷含量的影响较为显著,盐爪爪群落的根系较为发达,土壤有机质含量较高从而导致有效磷含量较高,这与冼应男等45的研究结果一致。土壤容重反映了土壤结构、透气性、透水性以及持水能力,并与有机质的含量相关41。研究结果表明,碱蓬群落和盐角草群落的土壤容重显著高于其他群落,这是由于其土壤含水量高,生长茂盛,凋落物多,土壤有机质含量较高,因此土壤容重较大,这与纪文婧等46研究结果一致。本研究中土壤的pH值变化差异不显著且均大于7,属于碱性土壤。有研究表明土壤pH偏高或偏低均会抑制土壤微生物的活动,从而导致土壤有机碳含量降低47。本研究区域属于盐沼湿地且气温较高,凋落物的分解速度较快,导致土壤呈现出较高的pH值48

4 结论

研究区内土壤SOC、TN、TP、TK含量均低于中国沼泽湿地土壤平均水平,表明研究区域土壤SOC、TN、TP、TK含量较为匮乏;各群落之间生态化学计量均存在显著差异,土壤有效磷、pH、地上生物量是影响白墩子盐沼国家湿地公园土壤生态化学计量特征的主要土壤理化因子;土壤N/P显著低于14,表明土壤TN含量是限制湿地公园灌丛生长的主要影响因子。以上研究结果可为探究甘肃景泰白墩子盐沼国家湿地公园土壤养分状况、供应和限制及其循环过程对不同类型植被群落响应机制提供重要理论依据。

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