邢 丹,肖玖軍,王曉紅,張 芳,韓世玉*,羅朝斌
(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蠶業(yè)研究所,貴州 貴陽 550006;3.貴州省山地資源研究所,貴州 貴陽 550001)
【研究意義】生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)多重化學(xué)元素平衡的科學(xué),對研究退化生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及植被恢復(fù)過程中土壤-植物相互作用提供新思路[1-2]。土壤C、N、P是土壤養(yǎng)分的主要組成部分,是衡量土壤肥力的重要指標(biāo),研究其生態(tài)化學(xué)計量特征對植物功能、指示土壤養(yǎng)分循環(huán)與平衡等具有重要意義[3]。C/N和C/P反映植物生長速度[4-5],并分別反映土壤有機質(zhì)分解速度和磷有效性高低[6],N/P可表征養(yǎng)分對生產(chǎn)力的限制性作用[7]?!厩叭搜芯窟M展】近年來,針對不同類型土壤化學(xué)計量比研究較多[2,8]。在不同區(qū)域與生境下,由于氣候、植被、母巖、年代、人類活動等因子影響,土壤C、N、P含量變化很大,使得生態(tài)化學(xué)計量比存在時間與空間的變異性[9-10]。有研究顯示,喀斯特石漠化地區(qū)土壤C、N、P元素是養(yǎng)分循環(huán)與轉(zhuǎn)化的核心,調(diào)節(jié)和驅(qū)動整個生態(tài)系統(tǒng)演替過程[11]。因此,研究土壤生態(tài)化學(xué)計量特征,為探討石漠化演變驅(qū)動機制及生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建提供科學(xué)支撐[12]。石漠化地區(qū)地表干旱缺水、土被不連續(xù)、水土流失嚴(yán)重、土壤富鈣偏堿缺磷,選擇具有旱生、石生、保水土、喜鈣特點的植被進行退耕還林,是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的關(guān)鍵[13]。實施退耕還林,能夠明顯改善土壤養(yǎng)分及有機質(zhì)含量,并有效遏制水土流失等問題[14]。吳東等[15-16]研究發(fā)現(xiàn),通過退耕還林等措施,三峽庫區(qū)土壤養(yǎng)分流失得到有效控制,對小流域的水土流失控制和土壤改良作用明顯。而不同種類植物因生物特性的差異,對養(yǎng)分的吸收利用有所不同,導(dǎo)致不同退耕還林模式對土壤養(yǎng)分改善存在顯著差異[17]。桑樹(MorusalbaL.)作為一種速生樹種,根系發(fā)達,具有石生、耐瘠、喜鈣、耐堿及抗旱等特性,在綠化荒山、治理水土流失等生態(tài)治理方面作用顯著,成為脆弱生態(tài)區(qū)退耕還林重要的先鋒植物之一,現(xiàn)已被作為一種生態(tài)經(jīng)濟效益顯著的重要樹種廣泛種植于石漠化地區(qū)[18-19]。高福軍等[20]研究發(fā)現(xiàn),山地桑園具有改善土壤性狀及固土保土效益顯著。謝雪東等[21]研究發(fā)現(xiàn),桑樹作為植物籬,在一定程度上能夠控制土壤養(yǎng)分流失,提升土壤養(yǎng)分含量?!颈狙芯康那腥朦c】然而,土壤養(yǎng)分是植物營養(yǎng)的主要來源,探討時間尺度上土壤養(yǎng)分元素及其化學(xué)計量比格局對群落恢復(fù)與經(jīng)營管理有重要意義[11,22]。因此,本研究提出如下假設(shè):桑樹作為石漠化區(qū)退耕還林的先鋒植物,在退耕數(shù)年后,土壤性質(zhì)明顯得到改善并呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),而且土壤養(yǎng)分元素間分配較為均衡。根據(jù)課題組前期調(diào)研實際情況,筆者等采用以“空間代替時間”的方法[23],將退耕還林1年桑園作為對照,研究還林10年桑園土壤養(yǎng)分元素C、N、P、K、Ca及其計量化學(xué)特征在不同季節(jié)、不同剖面層變化情況?!緮M解決的問題】揭示退耕還林過程中土壤的恢復(fù)特征,旨在為進一步優(yōu)化石漠化地區(qū)桑園管理提供的理論依據(jù)。
貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)清水鋪鎮(zhèn)研究區(qū)位于27°41′12″N,105°33′49″E,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū),年均氣溫14 ℃,年均降雨量900 mm,海拔470 m。黔南州荔波縣洞塘鄉(xiāng)研究區(qū)位于25°15′ 12″ N, 108° 03′ 06″ E,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū),年均氣溫19.7 ℃,年均降雨量1263 mm。
利用“空間代替時間”方法,比較不同退耕還林時間的桑園其土壤養(yǎng)分元素及其計量化學(xué)特征在不同季節(jié)、不同剖面層變化情況。以黔南州荔波縣洞塘鄉(xiāng)研究區(qū)的退耕還林1年桑園為對照,畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)清水鋪鎮(zhèn)研究區(qū)的退耕10年的桑園為研究對象。退耕10年的桑園所種桑樹于2006年引進桑苗移栽,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民為了養(yǎng)蠶分別于立春前后和7月初對桑樹進行春伐和夏伐,直至2013年開始停止對桑樹伐枝,桑樹處于自然生長狀態(tài)[24]。
分別于2015年1、4、7和10月在研究區(qū)(畢節(jié),退耕10年桑園)和對照區(qū)(荔波,退耕1年桑園)兩地桑園進行土壤樣品采集。每個樣地分別采集0~10、10~20和20~30 cm的剖面土壤樣品,挑出植物根系等雜物,風(fēng)干、研磨、過篩后裝入密封袋,供室內(nèi)分析使用。
土壤pH值采用水土比1∶2.5玻璃電極法測定,土壤有機碳用 K2Cr2O7外加熱法測定[25],全氮用凱氏定氮法測定[26],全磷采用鉬銻抗比色法測定[27],全鉀采用火焰原子吸收法[28],全鈣用原子吸收分光光度法[29]。土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、碳鉀比(C/K)、碳鈣比(C/Ca)、氮磷比(N/P)、氮鉀比(N/K)均采用元素質(zhì)量比。
采用Excel 2013處理試驗數(shù)據(jù),利用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析,用SigmaPlot 10.0 繪圖。
從表1看出,荔波(退耕還林1年桑園,對照)和畢節(jié)(退耕還林10年桑園)2個不同還林年份桑園土壤有機碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)和全鈣(TCa)含量變化范圍分別為6.02~17.80、1.71~3.95、0.08~0.96、3.97~11.10和1.08~14.34 g/kg。與對照相比,退耕還林近10年的畢節(jié)桑園土壤養(yǎng)分變化略有不同。在不同季節(jié),還林近10年的桑園土壤有機碳、全氮均隨土層深度遞增而呈遞減變化,而全磷、全鉀、全鈣變化各不同。1月份,0~10、10~20和20~30 cm土層有機碳、全氮、全鉀、全鈣含量均為還林10年桑園>還林1年桑園;4月份,各土層全磷含量為還林1年桑園>還林10年桑園,全鉀為還林10年桑園>還林1年桑園;7月份,各土層全氮、全磷含量大小排序為還林1年桑園>畢節(jié),全鉀為還林10年桑園>還林1年桑園;10月份,有機碳、全氮、全鈣在各土層中含量大小排序為還林1年桑園>還林10年桑園,全鉀為還林10年桑園>還林1年桑園。由此得知,退耕還林植桑10年與退耕還林植桑1年比較,不同季節(jié)土壤全鉀均提高,而全磷在4月時明顯偏低。
從表2看出,季節(jié)變化過程中,退耕還林1年的荔波桑園在0~30 cm土層碳磷比(C/P)和氮磷比(N/P)基本呈升高趨勢,C/P和N/P分別為17.0~103.2和3.47~23.6;碳鈣比(C/Ca)呈降低趨勢,碳氮比(C/N)、碳鉀比(C/K)、氮鉀比(N/K)呈起伏變化。10月較1月C/P和N/P分別升高5.59和5.53倍,而C/Ca降低4.23倍。退耕還林10年的畢節(jié)桑園0~30 cm土壤,1-10月,C/P、N/P呈升高趨勢,10月較1月分別升高2.66和2.90倍,而C/K、N/K呈降低趨勢,分別降低1.70和1.46倍。并且,桑樹在全年生長過程中,還林10年土壤C/N、C/P、N/P均大于還林1年,但C/K、N/K(除10月)均小于還林1年。
2.3.1 季節(jié)變化特征 由圖1看出,季節(jié)變化過程中,還林桑園土壤養(yǎng)分的生態(tài)化學(xué)計量變化趨勢不同。①C/N。0~10 cm土層,還林1年桑園土壤C/N隨季節(jié)變化呈降-升-降趨勢,還林10年桑園土壤呈升-降-升趨勢;10~20 cm土層,還林1年桑園土壤C/N隨季節(jié)變化呈升-降-升趨勢,而還林10年桑園土壤在1、4和7月變化不明顯,10月明顯下降;20~30 cm土層,還林1和10年桑園C/N均隨季節(jié)呈先升后降的變化趨勢。②C/P和N/P。還林1和10年桑園0~10 cm土層C/P、N/P隨季節(jié)變化呈升高趨勢;在還林1年桑園10~20和20~30 cm土層中,C/P、N/P隨季節(jié)變化先略有減少后大幅增加,在還林10年桑園C/P、N/P先增加后減少但總體呈增加趨勢。③C/K。還林1年桑園0~10和20~30 cm土層C/K隨季節(jié)呈相反變化,前者表現(xiàn)為先升后降,后者表現(xiàn)為先降后升,而20~30 cm土層中變化不明顯。還林10年桑園0~10 cm土層C/K隨季節(jié)變化不明顯,但10~20和20~30 cm土層C/K隨季節(jié)變化呈降低趨勢。整體上,不同季節(jié)土壤C/K均表現(xiàn)為還林1年>還林10年。④C/Ca。在桑樹全年生長過程中,還林1年桑園不同土層土壤C/Ca從1月到4月后呈下降趨勢,而還林10年桑園不同土層土壤C/Ca隨季節(jié)變化均呈升-降-升變化趨勢。⑤N/K。還林1和10年桑園土壤N/K在不同季節(jié)均表現(xiàn)為還林1年>還林10年,但隨季節(jié)變化不明顯。
表1 退耕還林1年(荔波)和退耕還林10年(畢節(jié))桑園的土壤養(yǎng)分(g/kg)
表2 退耕還林1年(荔波)和退耕還林10年(畢節(jié))桑園土壤的生態(tài)化學(xué)計量
2.3.2 剖面變化特征 相同季節(jié)還林1和10年不同深度土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計量進行比較,還林桑園土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計量隨土壤剖面變化其變化趨勢不同(圖2)。①1月份。在不同土層深度,還林10年桑園土壤C/P、N/P均大于荔波,而C/K、C/Ca小于還林1年桑園土壤。還林1年桑園土壤C/N、C/P、C/Ca隨土層深度均呈升-降變化,而C/K持續(xù)降低,N/P卻持續(xù)增加;還林10年桑園土壤中C/N隨土層深度均呈升-降變化,C/P、N/P呈降低變化,而C/K、C/Ca變化不明顯。②4月份。還林1和10年桑園土壤C/N隨土層深度均呈升-降變化。土壤C/P、N/P大小排序均表現(xiàn)為還林10年>還林1年,并在還林10年桑園隨土層深度呈升-降變化,而在還林1年桑園隨土層深度中略有增加。土壤C/K隨土層深度變化卻不明顯,但大小排序表現(xiàn)為還林1年>還林10年。土壤C/Ca在2種桑園呈不同變化,在還林1年桑園土壤隨土層深度增加而降低,在還林10年呈升-降變化。③7月份。土壤C/N、C/P、N/P大小排序為還林10年>還林1年,并且C/P和N/P在2種桑園土壤隨深度變化較為一致,均呈下降趨勢,而C/N在還林1年桑園土壤呈降-升變化,在還林10年桑園土壤持續(xù)增加。還林1年桑園土壤C/K和還林10年桑園土壤C/K、C/Ca隨土層深度增加均降低,而還林1年桑園土壤C/Ca呈升-降變化。④10月份。土壤C/N在還林1年桑園不同土層為20~30>20~30>0~10 cm,而在還林10年桑園為0~10>20~30>20~30 cm。2種桑園土壤C/P、C/Ca、N/P隨土層深度均呈先減少后增加變化趨勢,但均以0~10 cm土層的最高,C/K亦是在0~10 cm土層最高。
圖1 退耕還林1年(荔波)和退耕還林10年(畢節(jié))桑園土壤生態(tài)化學(xué)計量的季節(jié)變化Fig.1 Soil ecological stoichiometry of mulberry fields in Libo(from returning farmland to forestry for one year) and Bijie county(from returning farmland to forestry for ten years) in different seasons
圖2 退耕還林1年(荔波)和退耕還林10年(畢節(jié))桑園土壤生態(tài)化學(xué)計量剖面變化Fig.2 Soil ecological stoichiometry of mulberry fields in Libo(from returning farmland to forestry for one year) and Bijie County(from returning farmland to forestry for ten years) at different soil profiles
由表3看出,不同還林時間桑園土壤生態(tài)化學(xué)計量與養(yǎng)分的相關(guān)性變化。
2.4.1 還林1年桑園 還林1年桑園土壤C/N與養(yǎng)分相關(guān)性不顯著;C/P與N/P、TN呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與TP呈顯著負(fù)相關(guān);C/K與N/K、OC、TN均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),C/Ca與TK、TCa均呈極顯著負(fù)相關(guān);N/P與TN呈顯著正相關(guān),而與TP呈顯著負(fù)相關(guān);N/K與OC、TN呈極顯著正相關(guān);同時,OC與TN呈極顯著正相關(guān)。
2.4.2 還林10年桑園 還林10年桑園土壤C/N與C/K、OC呈顯著正相關(guān);C/P與N/P呈極顯著正相關(guān),而與TP呈顯著負(fù)相關(guān);C/K與N/K、OC、TN均呈極顯著正相關(guān),與TCa呈顯著正相關(guān);C/Ca與TCa呈顯著負(fù)相關(guān);N/P與TP呈顯著負(fù)相關(guān);N/K與OC、TN均呈極顯著正相關(guān),與TCa呈顯著正相關(guān);OC與TN、TCa呈顯著正相關(guān),并且TN與TCa呈顯著正相關(guān)。
整體看,不同還林時間桑園土壤養(yǎng)分對其土壤生態(tài)化學(xué)計量的貢獻表現(xiàn)出一定差異性,OC、TN對土壤C/P、C/K、N/P、N/K貢獻為正,TP對土壤C/P、N/P貢獻為負(fù),TK、TCa對C/Ca貢獻為負(fù),而TCa對土壤C/K、N/K貢獻為正。
土壤是植物生存的基礎(chǔ),土壤養(yǎng)分是供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的營養(yǎng)元素與環(huán)境條件。在喀斯特地區(qū),土壤養(yǎng)分的空間和時間變化特征直接影響該區(qū)土壤生產(chǎn)力的高低、生態(tài)恢復(fù)途徑和方向[30-31]。在退耕模式營造初期受到人為干擾較大,土壤養(yǎng)分始終處于不穩(wěn)定的狀態(tài)[32]。隨著退耕還林地植被恢復(fù)過程遞進,土壤質(zhì)量明顯改善,并促進植被生長繁衍[33]。研究結(jié)果表明,退耕還林植桑數(shù)年后,土壤性質(zhì)已得到改善但隨桑樹生長呈現(xiàn)波動變化,與原假設(shè)相悖。還林10年的畢節(jié)桑園土壤0~30 cm土層OC、TN、TP、TK、TCa含量平均值分別為12.60、2.56、0.32、10.22和7.51 g/kg,與還林初期受人為施肥管理的荔波桑園土壤養(yǎng)分相比,OC、TN、TP變化不大,但TK、TCa明顯偏高。說明還林后期,桑林自然生長過程中,土壤養(yǎng)分靠自身桑葉凋落物等補充已得到改善,且流失較小。在不同土層,還林桑園土壤OC、TN隨土層深度遞增而逐漸減少,這可能與喀斯特山地土壤養(yǎng)分具有“表聚性”現(xiàn)象有關(guān),即表層養(yǎng)分含量較高[31]。還林近10年桑園土壤P向深層遷移,而還林初期P可能易于參與徑流流失,極少向深層遷移。隨著季節(jié)的變化,土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出不同的季節(jié)變化趨勢,這主要與植物所產(chǎn)生的枯枝落葉、根系腐解物及殘體腐解過程中所產(chǎn)生酸類物質(zhì)等有關(guān)[31]。還林近10年后,桑園土壤OC、TCa隨季節(jié)變化呈降-升-降變化,TN和TP持續(xù)下降,TK呈先降后升的變化趨勢。
表3 退耕還林1年(荔波)和退耕還林10年(畢節(jié))桑園土壤生態(tài)化學(xué)計量與養(yǎng)分間的相關(guān)系數(shù)
注:**、* 分布表示在0.01、0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。
Note: ** and * indicate significance of difference atP< 0.01 andP< 0.05 level,respectively.
由于成土因素和人類活動的干擾,土壤OC、TN、TP和TK變化差異較大,使得土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計量特征變化亦大[34]。林齡變化差異大的人工林,其土壤化學(xué)計量特征隨林齡增加呈增大、減少或相對穩(wěn)定變化[35-38]。研究結(jié)果表明,石漠化地區(qū)退耕還林種植桑樹后,還林10年的桑園土壤C/N、C/P、N/P增大,而C/K、C/Ca和N/K減少,這與劉萬德等[39]的研究結(jié)果一致。退耕還林后土壤C/N較高表明有機質(zhì)具有較慢的礦化作用,從而有利于土壤肥力的維持[6]。Vitousek等[40]研究認(rèn)為,土壤C/N小于30、N/P小于14時,氮素是影響土壤肥力的主要因素[40]。本研究結(jié)果表明,還林10年的桑園土壤C/N小于30、N/P小于14(除10月N/P>14),由此初步判斷影響還林10年桑園土壤肥力的主要因素是氮素。Li 等[9]研究認(rèn)為,土壤N/P和C/P隨剖面深度增加呈急劇減小趨勢。研究結(jié)果表明,還林1和10年桑園土壤0~10 cm土層C/P年均值分別為78.7和77.07,高于曾昭霞等[41]的研究結(jié)果(桂西北喀斯特地區(qū)0~10 cm土層C/P為61.00);其他土層C/P年均值變化范圍為29.14~40.02,明顯低于表層C/P值。這反映了桑園表層土壤大都沒有進行磷的礦化,而深層土壤經(jīng)過了較大程度的分解。本研究中還林桑園0~10 cm土壤N/P平均值明顯高于亞熱帶土壤平均值[2],但隨土壤深度增加N/P降低,這可能是7和10月兩地桑園土壤表層TN偏高、TP偏低,同時隨土層加深,桑園土壤N與P下降快慢不同,土壤P的缺乏程度高于N。在季節(jié)變化過程中,還林桑園土壤C/P和N/P呈升高的趨勢,這可能是因為隨著桑樹生長,桑葉蛋白質(zhì)的大量合成需要大量P供給,加之溫度升高,一些土壤微生物活性被激發(fā),促進桑樹吸收P,從而導(dǎo)致土壤P降低。因此,桑樹生長過程中土壤養(yǎng)分分配并不均衡,尚需注意養(yǎng)分間分配變化。
土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計量是評價土壤養(yǎng)分狀況和質(zhì)量的重要指標(biāo),若某元素含量變化將引起比值變化[42]。通過相關(guān)性分析表明,研究土壤OC與TN關(guān)系緊密(相關(guān)系數(shù)達0.9以上,極顯著相關(guān)),說明土壤中碳氮對桑樹及環(huán)境變化響應(yīng)是一致的,因此不同季節(jié)和不同土壤剖面深度C/N變化較小。另外,相關(guān)性結(jié)果也表明,土壤C/P與N/P之間和土壤OC與TN之間一樣,都呈極顯著相關(guān)關(guān)系,這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致[43]。而土壤C/P、N/P與OC、TN之間亦存在顯著正相關(guān),卻與TP顯著負(fù)相關(guān),因此C/P和N/P隨季節(jié)變化呈升高趨勢,而隨剖面深度變化呈降低趨勢,與土壤全磷的季節(jié)性降低、剖面性升高有關(guān)。土壤C/K、N/K與OC、TN顯著正相關(guān),而與TK關(guān)系不明顯。這可能由于土壤鉀受母質(zhì)制約較大、遷移能力不大[30],所以季節(jié)性、剖面性變化不大。相關(guān)分析表明,TCa與C/Ca呈顯著負(fù)相關(guān),結(jié)合土壤TCa含量高,而桑樹能夠良好生長,說明桑樹可能對鈣脅迫已形成較好的基本適應(yīng)對策。
以貴州石漠化地區(qū)種植的桑樹為對象,研究退耕植桑地土壤養(yǎng)分C、N、P、K、Ca及其生態(tài)化學(xué)計量變化特征,探索了C/N、C/P、C/K、C/Ca、N/P、N/K與養(yǎng)分之間關(guān)系,揭示了桑樹生長過程中限制因子,為科學(xué)指導(dǎo)桑林生產(chǎn)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。獲得的主要結(jié)論如下:①石漠化地區(qū)退耕植桑利于土壤養(yǎng)分改善,但桑樹在全年生長過程中養(yǎng)分呈波動性變化。在不同土層,還林桑園土壤C、N、P具有“表聚性”現(xiàn)象,隨土層深度遞增而逐漸減少。還林10年桑園土壤有機碳、全鈣隨季節(jié)變化呈降-升-降變化,全氮和全磷持續(xù)下降,全鉀呈先降后升的變化趨勢。②石漠化地區(qū)退耕還林種植桑樹后,還林10年的桑園土壤C/N、C/P、N/P增大,而C/K、C/Ca和N/K減小。C/P、N/P隨季節(jié)變化呈升高趨勢,但隨剖面深度呈急劇減小趨勢。桑園土壤主要受磷的限制,其次是氮。在經(jīng)營管理桑園時,除了補充所需養(yǎng)分,還需注重土壤元素間的變化。③退耕還林桑園土壤生態(tài)化學(xué)計量比與養(yǎng)分顯著相關(guān)。整體來說,OC、TN對土壤C/P、C/K、N/P、N/K貢獻為正,TCa對土壤C/K、N/K貢獻為正,而TP對土壤C/P、N/P貢獻為負(fù),TK、TCa對C/Ca貢獻為負(fù)。