环境科学  2023, Vol. 44 Issue (6): 3353-3363   PDF    
河西走廊中段荒漠绿洲土壤生态化学计量特征
孙雪1, 龙永丽1, 刘乐1, 刘继亮2, 金丽琼3, 杜海峰4, 陈凌云1     
1. 西北师范大学生命科学学院, 微型生物学研究室, 兰州 730070;
2. 中国科学院西北生态环境资源研究所临泽内陆河流域研究站, 兰州 730000;
3. 甘肃省分析测试中心, 兰州 730000;
4. 甘肃省陇南生态环境监测中心, 陇南 746000
摘要: 为探究荒漠绿洲土壤C、N、P和K的含量变化及生态化学计量特征, 阐明其对环境因子的生态学响应, 选择河西走廊中段张掖临泽荒漠绿洲10块样地, 采集表层土壤样品, 测定土壤C、N、P和K含量, 揭示不同生境中土壤养分含量变化和化学计量比的分布特征以及与其他环境因子间的相关关系.结果表明: ①土壤C在各样点分布不均匀且具有明显的异质性(R=0.761, P=0.06).其中, ω(C)在绿洲平均值最高, 为12.85 g ·kg-1, 过渡带次之, 为8.65 g ·kg-1, 荒漠最低, 为4.1 g ·kg-1; ②土壤K含量除在盐碱地含量较低外, 在荒漠、过渡带和绿洲之间均无显著变化且含量较高;③土壤C ∶N平均值为12.92, C ∶P平均值为11.69, N ∶P平均值为0.9, 均低于全球土壤平均水平(13.33、72.0、5.9)和中国土壤平均水平(12、52.7、3.9); ④土壤含水量为影响荒漠绿洲土壤C、N、P、K和生态化学计量特征的最大影响因子, 贡献率为86.9%, 其次为土壤酸碱度和土壤孔隙度, 贡献率分别为9.2%和3.9%.研究结果为荒漠和绿洲生态系统的恢复和保护提供基础资料, 也为后期研究该地区生物多样性维持机制及其与环境间的相关关系提供科学依据.
关键词: 张掖临泽      荒漠绿洲      荒漠过渡带      生态化学计量      空间异质性     
Soil Stoichiometry Characterization in the Oasis-desert Transition Zone of Linze, Zhangye
SUN Xue1 , LONG Yong-li1 , LIU Le1 , LIU Ji-liang2 , JIN Li-qiong3 , DU Hai-feng4 , CHEN Ling-yun1     
1. Laboratory of Microbiota, College of Life Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China;
2. Linze Inland River Basin Research Station, Northwest Institute of Ecological and Environmental Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;
3. Gansu Provincial Analysis and Testing Center, Lanzhou 730000, China;
4. The Longnan Environmental Monitoring Station of Gansu Province, Longnan 746000, China
Abstract: To investigate the changes in C, N, P, and K contents and ecological stoichiometry of desert oasis soils and to elucidate their ecological responses to environmental factors, 10 sample plots were selected in the Zhangye Linze desert oasis in the middle part of the Hexi Corridor, and surface soil samples were collected to determine the C, N, P and K contents of soils and to reveal the distribution characteristics of soil nutrient contents and stoichiometric ratios in different habitats and the correlation with other environmental factors. The results showed that: ① the distribution of soil carbon was uneven and heterogeneous across sites (R=0.761, P=0.06). The highest mean value was 12.85 g ·kg-1 in the oasis, followed by 8.65 g ·kg-1 in the transition zone and 4.1 g ·kg-1 in the desert. ② The content of total soil potassium did not vary significantly and was high among deserts, transition zones, and oases and low in saline areas. ③ The mean soil C ∶N value was 12.92, the mean C ∶P value was 11.69, and the mean N ∶P value was 0.9, all of which were lower than the global average soil content (13.33, 72.0, and 5.9) and the Chinese soil average (12, 52.7, and 3.9). ④ Soil water content was the most influential factor affecting C, N, P, K, and ecological stoichiometry characteristics of desert oasis soils, with a contribution of 86.9%, followed by soil pH and soil porosity, with contributions of 9.2% and 3.9%, respectively. The results of this study provide basic information for the restoration and conservation of desert and oasis ecosystems and establish a basis for future study of the biodiversity maintenance mechanism in the region and its correlation with the environment.
Key words: Zhangye Linze      desert oasis      desert-oasis transition zone      ecological stoichiometry      spatial heterogeneity     

土壤是陆地生态系统中养分储存和利用的重要场所, 其时空差异性导致土壤理化性质出现巨大差异.陆地生态系统中的物质循环和能量流动受到土壤理化性质的间接影响[1, 2].土地利用方式改变、植被凋落物和土壤微生物的活动使养分在土壤生态系统中再分配, 进而间接影响土壤健康[3, 4].近年来, 有关河西走廊土壤理化性质的研究主要集中在人工栽培、植被恢复对荒漠土壤理化性质的影响等方面[5~7].我国是世界上受到沙漠化危害最严重的国家之一, 甘肃荒漠区是西北重要的生态安全屏障, 同时又是国家“北方防沙带”生态安全战略格局的重要组成部分, 对该区土壤的研究就显得尤为重要[8].

荒漠-绿洲过渡带作为重要枢纽, 连接着荒漠和绿洲两大生态系统, 对维护绿洲内安全与稳定起到重要的作用, 也是荒漠和绿洲之间人为构建的生态交错区.绿洲扩张使荒漠绿洲土地覆被急剧变化, 影响着当地土壤的营养构成.目前, 国内外学者对荒漠生态系统的研究主要聚焦在荒漠生境的物质循环、能量流动和信息传输, 免灌植被生长区土壤水分的变化状况, 荒漠灌丛内外土壤养分含量的变化, 降雨变化对荒漠草原植物群落多样性和生态化学计量特征的影响等方面[9~13].张掖临泽地处甘肃省河西走廊中部, 区域内受“干”“湿”气候条件的双重作用, 为“荒漠绿洲”间进退消长的过渡区, 保护着绿洲不受荒漠的侵蚀同时维持着绿洲的内部稳定.现阶段, 对土壤生态化学计量特征的研究主要集中在祁连山, 黄河三角洲湿地, 施肥耕种土地, 河西走廊不同戈壁, 西南喀斯特地貌和亚热带地区等, 涉及不同地域和生境[14~22].然而, 针对荒漠绿洲3种生境土壤理化性质的研究报道较少, 本研究将为当地的陆地生态系统的土地恢复与治理提供参考依据.

本文对河西走廊中段张掖临泽荒漠、荒漠过渡带和绿洲这3种生境中的土壤C、N、P和K含量进行测定, 计算其生态化学计量比, 旨在分析:①荒漠绿洲不同生境土壤养分含量分布及其生态化学计量特征; ②孔隙度、酸碱度和含水量等环境因子与土壤C、N、P、K及生态化学计量特征的相关关系; ③土壤生态化学计量特征的空间异质性.本研究结果通过揭示荒漠绿洲土壤生态化学计量特征在不同生境的变化规律, 可初步分析土壤养分生物地球化学循环特征, 并探讨干旱区人类活动驱动下的地下生态系统演变过程, 对治理荒漠和荒漠土壤具有重要意义.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于河西走廊中段张掖绿洲北部的临泽绿洲边缘, 巴丹吉林沙漠深入到河西走廊的延伸带(39°18′20″N~39°40′40″N、100°08′32″E~100°11′35″E; 平均海拔为1 384 m).该区属于大陆性干旱气候, 冬季漫长寒冷, 春季干旱少雨, 降雨主要集中在7、8和9这3个月, 夏季和秋季比较湿润.年均降水量为117 mm, 蒸发量高达2 390 mm, 干燥度指数0.05.年平均气温为7.6℃, ≥10℃年积温为3 085℃, 无霜期为165 d.

张掖绿洲是河西走廊最大的一块人工绿洲, 它自汉代屯田开始, 已经有几千年的历史[23].绿洲外围有灌溉维持的杨树等乔木组成的防风林带和雨养的柽柳、梭梭和沙拐枣等人工固沙林带, 这些天然和人工固沙植被组成的荒漠-绿洲过渡带维持绿洲的安全与稳定[24].近年来, 随着社会经济的快速发展, 张掖绿洲边缘不断向外扩张, 荒漠-绿洲过渡带逐步片段化, 植被呈斑块状分布, 过渡带外围部分荒漠转变为绿洲农田或是防护林.荒漠-绿洲过渡带植被的快速变化影响地表和地下水文过程变化, 土壤生物多样性、土壤理化性质和土壤的多功能性也随之发生变化.

1.2 样地设计、样品采集和测定方法

2021年7月12日在荒漠、荒漠过渡带和绿洲选择10块样地进行土壤样品采集(图 1).采集3种土壤生境样品, 采集土壤样品均靠近植物周边3~5 m处:①荒漠(HM)样地靠近巴丹吉林沙漠左侧, 由北向南依次设置6个样点, 均在荒漠植物周边3~5 m范围内, 其中HM03生境较为特殊(典型盐碱地); ②荒漠过渡带(GDD)样地位于荒漠与绿洲之间, 是当地典型退耕还林50 a的灌丛人工梭梭林(GDD07)和乔木樟子松林(GDD08), 其中人工梭梭林为当地的固沙造林优势种, 生境接近于荒漠, 樟子松林位于临泽县治沙实验站旁, 生境接近于绿洲; ③绿洲(LZ)样地靠近中国科学院临泽内陆河流域研究站, 为两块农田玉米种植区, 分别为居民区农田(LZ09)和黑河农田(LZ10), 其中, LZ09为新农田, 早期由沙地开垦形成, LZ10为老农田, 由草地开垦形成.

(a)甘肃张掖, (b)张掖临泽, (c)临泽县样点分布; HM01 ~ LZ10表示样地 图 1 研究区地理位置及样地示意 Fig. 1 Geographical location of the study area and sample sites

在每个样地使用随机取样法选择3个1 m×1 m的采样点, 在每个样方内设置3个重复.在样方内用直径为5 cm的钢质环刀采集原位土用于土壤含水率和容重的测定, 采用环刀法和烘干法[25].用自制直径为20 cm的钢质环刀采集表层0~5 cm土壤样品, 全部置于白瓷盘自然风干后过筛(10目和100目)用于后续土壤理化指标的测定, pH、C、N、P和K各测定方法详见文献[26].剩余土样倒入牛皮纸袋保存用作其他实验, 避免土样交叉污染.

1.3 数据处理

原始数据录入采用Microsoft Excel 2020, 相关性分析使用R语言和IBM SPSS Statistics 25统计软件, 单因素方差分析使用Origin 2021, 主成分分析和贡献率分析使用CANOCO 5, 相似性分析(ANOSIM)、聚类分析(Cluster)和非度量多维尺度分析(NMDS)由PRIMER 7(Plymouth routines in multivariate ecological research)软件完成.

以荒漠绿洲10个样点为样本, 样点的土壤理化因子为变量, 建立各样点理化性质的原始矩阵, 除pH外, 其他理化因子进行lg(x+1)转换, 建立相似性矩阵计算各样点间的相似性指数.根据各样点间的相似性指数用组平均值进行聚类分析(Cluster)和非度量多维尺度分析(NMDS)并通过非参数多元方法(ANOSIM)来检验各样点间的差异显著性.NMDS分析的二维点图的可行性用胁迫系数(2D Stress)来衡量, Stress < 0.05时, 结果具有很好的代表性; 0.05 < Stress < 0.1时, 结果基本可信; 0.1 < Stress < 0.2时, 结果具有一定的解释意义.ANOSIM检验时用R值判断组间差异性, P值判断差异显著性.R=0时表示组间没有差异, R>0时表示组间差异大于组内差异. (a)甘肃张掖, (b)张掖临泽, (c)临泽县样点分布; HM01~LZ10表示样地

2 结果与分析 2.1 不同生境土壤养分含量分布特征及其相关关系

10块样地土壤养分含量平均值的结果表明, GDD08、LZ09和LZ10的C和N含量远大于HM01~HM06和GDD07[ω(C)平均值为6.74g·kg-1, ω(N)平均值为0.53 g·kg-1, 表 1图 2], P含量在HM01~HM06之间整体变化趋势不明显, LZ10最高并远大于GDD, K含量除HM03变化显著外, 其他样点无明显变化[ω(P)平均值为0.59 g·kg-1, ω(K)平均值为18.30 g·kg-1, 表 1图 2].环境因子除GDD08的土壤含水量较高外, 其余样点均无明显变化(表 1).其中, ω(C)的变化范围为2.00~15.30 g·kg-1, 变异系数为4%; ω(N)的变化范围为0.17~1.11 g·kg-1, 变异系数为2.5%; ω(P)变化范围为0.33~1.36 g·kg-1, 变异系数为0.2%; ω(K)变化范围为14.03~20.76 g·kg-1, 变异系数为1.4%.

表 1 荒漠绿洲土壤养分含量1) Table 1 Nutrient content of desert oasis soils

荒漠、荒漠过渡带和绿洲这3种生境的土壤理化因子结果显示(图 2), 土壤C与N整体变化趋势一致, 在GDD08处急剧上升, C在LZ09处变化明显、N在GDD08、LZ09和LZ10基本保持水平, 其中, 在荒漠生境6个样点中(HM01~HM06), 土壤C变化幅度较小, 在HM01处最低, HM02处最高, N在HM03处最低, HM04处最高; 土壤P在GDD07处最低, LZ10处最高; 土壤K除在HM03处急剧下降, 变化显著外, 在HM01~LZ10之间无明显变化.

折线图与柱形图均表示变化趋势 图 2 荒漠绿洲土壤养分水平格局分布特征(n=3) Fig. 2 Distribution characteristics of soil nutrient level pattern in desert oasis (n=3)

对荒漠绿洲土壤C、N、P和K进行相关性分析可知(图 3), 土壤C与N之间呈现极显著正相关(P < 0.01), 即土壤C和N含量在水平分布上变化同步, 而与P和K相关性较差; N与P和K之间呈显著正相关(P < 0.05); P与K相关性较差.

色柱颜色越深, 相关性越大; T为温度, HSL为土壤含水量, KXD为孔隙度 图 3 荒漠绿洲土壤C、N、P、K及生态化学计量特征相关性分析 Fig. 3 Correlation analysis of C, N, P, K, and ecological chemometric characteristics of desert oasis soils

2.2 不同生境C、N、P和K的生态化学计量特征变化及相关性

对荒漠、荒漠过渡带和绿洲这3种生境土壤样本的C、N、P和K的生态化学计量特征进行比较分析(表 2图 4), 发现在水平格局的分布上, C ∶N、C ∶P、C ∶K、N ∶P、N ∶K和P ∶K变化特征较为不同.土壤C ∶N、C ∶P和C ∶K的变化范围分别为8.28~22.41、6.15~38.15和0.11~0.79, 变异系数分别为5.7%、4.8%和4.3%.C ∶N在HM04处最低, HM03处最高; C ∶P和C ∶K除LZ外, 总体变化趋势相似, 在GDD07处最低, GDD08处最高.土壤N ∶P、N ∶K的变化范围分别为0.42~2.44、0.01~0.05, 变异系数分别为2.8%和2.9%.N ∶P、N ∶K在HM01~HM06变化趋势一致, N ∶P在GDD08处急剧上升, 之后在LZ09和LZ10处呈现下降趋势, 变化明显, N ∶K在GDD08处升高并趋于稳定, 在LZ09和LZ10处未出现明显变化.土壤P ∶K的变化范围为0.02~0.07, 变异系数为1.5%.比值较小, 在HM01~HM06无明显变化, 在GDD处下降又在LZ09和LZ10出现升高现象.

表 2 荒漠绿洲土壤C、N、P和K的生态化学计量特征1) Table 2 Ecological stoichiometry characteristics of C, N, P, and K in desert oasis soils

折线图与柱形图均表示变化趋势 图 4 荒漠绿洲土壤生态化学计量比特征(n=3) Fig. 4 Characteristics of soil ecological stoichiometric ratios in desert oases (n=3)

对荒漠绿洲土壤C ∶N、C ∶P、C ∶K、N ∶P、N ∶K和P ∶K进行相关性分析(图 3), 发现土壤C ∶P和N ∶P, C ∶K和N ∶K之间呈现极显著正相关(P < 0.01); 土壤C ∶P与C ∶K, C ∶K与N ∶P之间呈现显著正相关(P < 0.05); 而C ∶N和N ∶K, C ∶P和P ∶K, N ∶P和P ∶K之间呈现负相关.

2.3 环境因子对土壤C、N、P、K及生态化学计量特征的影响

对环境因子与土壤C、N、P、K及生态化学计量特征进行主成分分析(图 5), 结果显示土壤C、N、P和K含量及生态化学计量特征在第一轴和第二轴的贡献率分别为57.49%和20.96%, 累积贡献值为78.45%, 两轴可以较好地反映样点与环境因子的相关关系, 除特殊生境HM03外, HM01、HM02和HM04~GDD07样本之间相似性很高.GDD07与HM受pH、温度和孔隙度的影响大, 而GDD08与LZ则受含水量影响更大.土壤含水量与C、N含量及C ∶N、C ∶P、C ∶K、N ∶P、N ∶K呈正相关关系, 与pH、温度、孔隙度呈负相关关系; 土壤pH与C ∶N呈正相关关系, 与C、N、K含量及C ∶P、C ∶K、N ∶P、N ∶K呈负相关关系; 土壤孔隙度与P、K含量和P ∶K呈正相关关系, 与土壤C、N含量及C ∶N、C ∶P、C ∶K、N ∶P、N ∶K呈负相关关系.

T为温度, HSL为土壤含水量, KXD为孔隙度, pH为土壤酸碱度 图 5 环境因子和土壤C、N、P、K及生态化学计量特征的主成分分析 Fig. 5 Principal component analysis of environmental factors and soil C, N, P, K, and ecological chemometric characteristics

各环境因子对土壤C、N、P、K及生态化学计量特征的贡献率大小为:土壤含水量>土壤酸碱度>土壤孔隙度(表 3), 其贡献率分别为86.9%、9.2%和3.9%.土壤含水量高度极显著影响土壤C、N、P、K及生态化学计量特征(P<0.01), 土壤酸碱度显著影响土壤C、N、P、K及生态化学计量特征(P<0.05).

表 3 环境因子对土壤C、N、P、K及生态化学计量特征贡献率及显著性检验1) Table 3 Contribution of environmental factors to soil C, N, P, K, and ecological chemometric characteristics and significance test

2.4 土壤C、N、P、K及生态化学计量多元统计分析

Cluster和SIMPROF相似性分析检验结果显示(图 6), 3种生境环境因子间差异显著(R=0.567, P=0.02).两两检验表明, 荒漠和绿洲之间差异显著(R=0.76, P=0.03), 荒漠和过渡带之间差异不显著(R=0.396, P=0.1), 过渡带与绿洲之间没有差异(R=0, P=1), 这与2.1~2.3节所得出的结论相一致.其中, HM03(盐碱地)和GDD08(樟子松林)各为一支(A组和D组); HM02和HM04~HM06聚为一支(B组), HM01和GDD07聚为一支(C组), LZ09和LZ10聚为一支(E组).NMDS排序结果显示, 土壤生态化学计量特征存在显著的时空差异, 同一生境土壤理化性质空间差异较小, 2D Stress值为0.04(Stress < 0.05), 说明二维排序结果能够较好地反映各样点的生态化学计量特征在3种生境具有明显的空间异质性.

聚类分析使用SIMPROF分析, 红色虚线表示差异不显著:P>0.05 图 6 荒漠绿洲土壤C、N、P、K及生态化学计量特征聚类分析和非度量多维尺度分析 Fig. 6 Cluster analysis and non-metric multidimensional scale analysis of C, N, P, K, and ecological chemometric characteristics of desert oasis soils

3 讨论 3.1 土壤C、N、P和K含量分布特征

土壤养分的变化发展是在母质成土过程中起主导作用的生物因素与地质大循环和生物小循环共同作用导致的[27, 28].C、N、P和K是生物有机体最重要的生源元素, 对生态系统的结构和功能起着至关重要的作用[29].有研究表明, 中国表层土壤(0~10 cm)ω(C)平均值为10.32 g·kg-1, ω(N)平均值为1.86 g·kg-1, ω(P)平均值为0.78 g·kg-1[30, 31].本研究中, 土壤ω(C)平均值为6.74 g·kg-1(表 1), 仅达到中国表层土壤平均水平的65%左右, 影响土壤C含量主要因素是凋落物的矿化分解与转化累积, 本研究中涉及到过渡带与绿洲, GDD08、LZ09和LZ10的土壤C含量相对较高, 分布特征图上显示土壤C呈现明显的偏态分布(图 2), 意味着张掖临泽荒漠区表层土壤C含量相对偏小.解宪丽等[32]在全国范围内的研究也发现, 土壤C含量在空间分布上具有明显地域性, 差异较大.中国表层土壤C含量最低的地区是荒漠与荒漠化地区, 主要有准噶尔盆地、塔里木盆地、阿拉善高原、河西走廊及柴达木盆地等, 这与本研究的结果一致.本研究中土壤ω(N)平均值为0.53 g·kg-1(表 1), N含量不足中国表层土壤平均水平的30%.土壤N的来源是氮素的矿化、固定、硝化和反硝化等一系列过程[1, 33], 本研究结果与中国土壤氮素研究结果相一致, 荒漠区土壤N含量相对较低, 亦低于全国自然植被下的土壤N含量[34].

在本研究中, GDD08、LZ09和LZ10的C和N含量骤然升高(图 2), 导致其升高的原因是樟子松林和绿洲农田的地表腐殖质较厚, 植物的枯枝落叶在寒冷或干旱的季节脱落, 进行矿化分解, 进而不断地向土壤提供肥料, 输送C和N等养分[35].本研究中土壤ω(P)平均值为0.59 g·kg-1(表 1), 低于中国表层土壤平均水平, 是由于研究区域降水量低进而使得养分元素的淋溶作用弱所导致的[36].土壤中的P和K属于沉积性元素且迁移率较低, 一般来源于土壤基岩或母质矿化分解作用[37~39].K主要以无机形态存在, 其含量远远高于氮磷, 也在本研究中进一步得到证实.此外, 土壤不同的水热条件也会影响土壤P和K的含量, 适宜的水热条件下土壤微生物和酶的活性提高, 促进分解作用[20], 本研究区土壤P含量较为缺乏(表 1), 与该地区土壤pH较高有关, 而该区域K无明显变化趋势则与该区域降水量低有关.这与已有的研究结果一致[20~22], pH高, 氧化还原电位高, 会增强土壤中金属离子对磷的吸附作用, 容重增加与含水率降低会减弱土壤的风化能力, 减少土壤母质中磷的释放量, 进而造成土壤磷含量的缺乏.

3.2 土壤C、N、P、K生态化学计量学特征

土壤作为生态系统重要的组成部分, 地表凋落物的分解速率、地下土壤微生物的数量和土壤养分含量都是影响土壤C、N、P、K生态化学计量学特征的关键因素, 进而影响陆地生态系统生物地球化学循环[40].C ∶N ∶P可用于反映土壤养分的限制情况和循环特征, 是土壤碳氮磷矿化和固持作用指标之一[1].根据土壤碳氮储量计算, 全球土壤C ∶N范围为9.9~29.8, C ∶N平均值为13.33, 中国土壤C ∶N平均值范围在10~12之间[41, 42].在本研究中, 张掖临泽荒漠绿洲的C ∶N平均值为12.92(表 2), 低于全球土壤C ∶N平均值却略高于中国土壤C ∶N平均值, 而在HM03和GDD08却远高于全球土壤C ∶N平均值.HM03为22.41, GDD08为15.66(表 2).主要原因是由于不同生境的气候和地形不同, 在HM03表现为氮素严重缺乏, 而在GDD08由于植物凋落物较多使得C较为充足.

土壤C ∶P作为判断土壤磷矿化能力、微生物矿化有机物释放磷和从环境中吸收磷潜力的重要指标[43, 44].根据土壤碳磷储量计算, 全球陆地土壤C ∶P平均值为72.0, 中国陆地C ∶P平均值为52.7, 本研究中, 土壤平均C ∶P为11.69(表 2), 远低于全球土壤平均水平和中国土壤平均水平.研究表明, 较低的C ∶P会对微生物在有机质分解过程中的养分释放有一定的促进作用[45], 说明本研究中, 土壤TP具有较高的有效性, 表现为净矿化.

土壤N ∶P常用于确定养分的限制阈值和判断氮饱和[45], 根据土壤氮磷储量计算, 全球陆地平均水平为5.9, 中国N ∶P平均水平为3.9[45], 本研究中, 土壤平均N ∶P为0.90(表 2), 同C ∶P一样, 远低于全球土壤平均水平和中国土壤平均水平.研究发现温度较低时, 土壤微生物的生长速度会变得缓慢, 但在矿化土壤有机质释放磷素方面的速率会加大[46], 故将氮素认为是温带气候地区土壤的主要限制因子[45], 与本研究结果显示的张掖临泽荒漠绿洲土壤氮素呈现明显的缺乏现象相一致.

3.3 土壤C、N、P、K与生态化学计量特征的影响因素

土壤C ∶N ∶P主要受水热条件、成土作用和土壤养分特征的控制, 但由于受土壤形成因子(气候、地貌、植被、母岩、土壤动物等)和人类活动的影响, 导致土壤C ∶N ∶P的空间变异较大.同时, 不同气候、土地利用强度、植被凋落物分解及生物演替过程等都会使土壤C、N、P含量及其比例发生改变[1].在本研究中, GDD08、LZ09和LZ10的表层土壤C、N和P含量均显著高于HM01~HM06(P<0.05, 表 1图 2).一般而言, 高温湿润的环境有利于土壤有机质的积累[35], 在荒漠区, 较为干旱的环境导致地表植被盖度率极低, 凋落物的输入量每年极为有限, 水热条件的缺失, 会导致地上生物量减少, 随之形成的凋落物也不断减少, 致使输送到土壤中凋落物分解合成的有机质含量降低[35], 这是造成荒漠区土壤C、N和P含量低的主要原因.而在绿洲农田人类耕作过程中, 施肥使部分肥料遗留在土壤中, 在一定程度上会增加农田土壤有机质和氮元素的输入量, 造成荒漠区和绿洲农田表层土壤C、N和P含量的差异.

荒漠绿洲土壤C、N、P、K及生态化学计量特征综合不同环境因子的影响, 本研究结果表明土壤含水量和土壤酸碱度高度极显著影响土壤生态化学计量特征, 其中土壤含水量和土壤酸碱度贡献率达86.9%和9.2%(表 3).土壤含水量作为土壤生态系统中各类元素迁移和循环的重要载体, 直接或间接地影响土壤的生理生化特性和地表植物的生长发育[47].本研究中樟子松林过渡带和绿洲土壤C和N含量远高于荒漠和梭梭林过渡带, 是由于在土壤含水量较高的条件下, 嫌气性微生物的固氮能力较强, 有助于土壤C和N的积累导致的[48].李红林等[47]研究发现, 土壤含水量是影响塔里木盆地北缘绿洲土壤C、N、P生态化学计量特征的最主要的驱动因子, 并且得到了土壤含水量与土壤C、N元素含量和N ∶P、C ∶P呈现极显著正相关关系的结论, 此结论在本研究中也得到了进一步证实.

4 结论

(1) 由于本研究涉及到的过渡带与绿洲土壤C相对较高, 土壤C呈现明显的偏态分布.不同土壤类型下的ω(C)存在显著差异, 绿洲平均值最高, 为12.85 g·kg-1, 过渡带次之, 为8.65 g·kg-1, 荒漠最低, 为4.1 g·kg-1.

(2) 土壤K除在盐碱地含量较低外, 在荒漠、过渡带和绿洲之间均无显著变化且含量较高, 变化范围为14.03~20.76 g·kg-1.

(3) 土壤C ∶N平均值为12.92、C ∶P平均值为11.69、N ∶P平均值为0.90. C ∶N、C ∶P和N ∶P均低于全球土壤平均含量(13.33、72.0、5.9)和中国土壤平均水平(12、52.7、3.9).

(4) 荒漠绿洲各环境因子对土壤C、N、P、K及生态化学计量特征影响最大的为土壤含水量, 贡献率为86.9%, 其次为土壤酸碱度和土壤孔隙度, 贡献率为9.2%和3.9%.

(5) 本文仅对荒漠绿洲表层土壤养分变化及生态化学计量特征进行了初步研究, 为荒漠生态系统和绿洲生态系统的保护和恢复等提供科学依据, 将生物地球化学循环联系在一起, 为后期深入探索该生境的土壤生态化学计量特征与生物多样性维持机制的相互关系和空间变异奠定研究基础.

致谢: 中国海洋大学龙红岸教授对于写作的指导, 特此感谢!

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