川西亚高山/高山典型土壤类型有机碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征
程欢, 宫渊波*, 吴强, 李瑶, 刘颖, 朱德雯
四川农业大学林学院,成都 611130
*通信作者简介:宫渊波(1957- ),男,汉族,辽宁昌图人,教授,博士生导师,主要从事水土保持和生态恢复的教学和科研工作。E-mail: gyb@sicau.edu.cn

第一作者简介:程欢(1990- ),女,汉族,新疆昌吉人,硕士研究生,主要从事水土保持和生态修复研究。E-mail: 907936347@qq.com

摘要

论文通过研究川西亚高山/高山生态系统不同海拔分布典型土壤类型SOC、TN、TP及其生态化学计量学特征,对比《四川土壤》1985年调查成果,评价我国川西亚高山/高山典型土壤恢复状况。测定亚高山草甸土、草甸土、暗棕壤、棕壤、黄棕壤、褐土的腐殖质层、淀积层、母质层土壤SOC、TN、TP含量,计算生态化学计量值。结果表明:土壤SOC含量表现为亚高山草甸土>草甸土>暗棕壤>褐土>黄棕壤>棕壤,TN含量表现为亚高山草甸土>草甸土>暗棕壤>褐土>黄棕壤>棕壤,TP含量表现为暗棕壤>亚高山草甸土>草甸土>棕壤>褐土>黄棕壤;暗棕壤、棕壤基本表现为SOC、TN、TP含量随土层加深递减;依据第二次全国土壤普查分级标准,研究区土壤有机质呈很丰富水平,TN呈丰富水平,TP呈缺乏水平。土壤SOC、TN和TP水平分布从南向北呈先增加后减少。化学计量比特征:土壤碳氮比表现为草甸土>褐土>黄棕壤>亚高山草甸土>暗棕壤>棕壤,土壤碳磷比表现为草甸土>黄棕壤>褐土>暗棕壤>亚高山草甸土>棕壤,土壤氮磷比表现为草甸土>暗棕壤>黄棕壤>褐土>亚高山草甸土>棕壤,TP是主要限制因子。对比1985年调查结果,经过近30 a的恢复,亚高山草甸土、草甸土、黄棕壤、褐土土壤SOC含量呈增加趋势,棕壤SOC含量下降幅度最大,2015年仅为1985年的31.06%;土壤TN变化不大;TP含量呈下降趋势,变化幅度在56.41%~87.85%之间。

关键词: 典型土壤; 化学计量特征; 川西亚高山/高山
中图分类号:S714.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0161-12
Content and Ecological Stoichiometry Characteristics of Organic Carbon, Nitrogen and Phosphorus of Typical Soils in Sub-alpine/Alpine Mountain of Western Sichuan
CHENG Huan, GONG Yuan-bo*, WU Qiang, LI Yao, LIU Ying, ZHU De-wen
College of Forestry Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
Abstract

In this paper, organic carbon, total nitrogen, total phosphorus contents and ecological stoichiometry characteristics of typical soil types at different elevations of sub-alpine /alpine mountain of western Sichuan were studied and compared with the results of survey made in 1985. The content and ecological chemistry variables in humus horizon, illuvial horizon and parent materials horizon of various soil types (subalpine mountain meadow soil, meadow soil, dark brown soil, brown soil, yellow brown soil, cinnamon soil) were measured and calculated. The results show that in terms of soil organic carbon, the soils are sorted in following order: subalpine mountain meadow soil>meadow soil>dark brown soil>cinnamon soil>yellow brown soil>brown soil; in terms of total nitrogen content, the soils are sorted in following order: dark brown soil>subalpine mountain meadow soil>meadow soil>brown soil>cinnamon soil>yellow brown soil; in terms of total phosphorus contents, the soils are sorted in following order: subalpine mountain meadow soil>brown soil>meadow soil>dark brown soil>cinnamon soil>yellow brown soil; and the contents of dark brown soil, brown soil decrease with the increasing of the depth. According to the classification standard of Second National Soil Survey, the survey region is highly rich in soil organic carbon, rich in total nitrogen, and lack of total phosphorus, and such three elements firstly increase and then decrease from south to north. The ecological stoichiometry characteristics, soil carbon-nitrogen ratio: meadow soil>cinnamon soil>yellow brown soil>subalpine mountain meadow soil>dark brown soil>brown soil, carbon-phosphorus ratio: meadow soil>yellow brown soil>cinnamon soil>dark brown soil>subalpine mountain meadow soil>brown soil, nitrogen-phosphorus ratio: meadow soil>dark brown soil>yellow brown soil>cinnamon soil >subalpine mountain meadow soil >brown soil,, and total phosphorus content is the limiting factor of soil quality. Compared with the result of the survey in 1985, the organic carbon content in subalpine mountain meadow soil, meadow soil, yellow brown soil and cinnamon soil increased and the organic carbon content in brown soil decreased significantly (the content in 2015 was 31.06% of that in 1985) during the past three decades; total nitrogen content had slight change; total phosphorus content decreased with range between 56.41% - 87.85%.

Keyword: typical soil type; ecological stoichiometry characteristics; sub-alpine/alpine mountain, western Sichuan

生态化学计量学的概念于20世纪50年代最先应用于水生生态系统的研究[1]。近年, 我国学者对该学科的关注集中在陆地生态系统植物组织生态化学计量比[2, 3]、人工林生态系统[4, 5]、高寒草甸土壤化学计量特征等方面[6, 7]。森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分, 是林木生长所需养分的直接来源, 制约着植被群落的组成、林分结构、林地生产力水平以及森林生态系统的稳定性[8], 以碳、氮、磷为主的养分元素, 其生态化学计量学特征具有良好的指示作用, 可反映林木生长状况, 指示起限制性作用的营养元素, 同时也可了解土壤内部碳、氮、磷的循环特征[9]。因此, 研究森林土壤碳、氮、磷生态化学计量学特征, 可揭示土壤养分的可获得性, 阐明森林土壤养分循环机制和土壤质量变化趋势。

地处青藏高原东南缘的川西亚高山/高山森林生态系统是我国第二大林区, “ 十二五” 期间天然林保护、植被恢复、防护林工程的重点区域[10, 11], 以及川西北地区特有的草地生态系统, 是我国最重要的畜牧业基地之一[12, 13], 同时构成了西南及长江、黄河的重要水源涵养区, 具有调节区域气候、涵养水源和生物多样性保护等生态功能。川西亚高山/高山森林生态系统经过长期自然演替形成了暗针叶林为主的顶极群落, 但20世纪50至80年代川西天然林进行了大规模的采伐, 森林面积减少了35.1%。在剧烈的人为干扰下, 稳定的顶极森林生态系统失去平衡, 产生逆行演替, 原有的森林景观被大面积破坏, 现有森林以封山育林形成的人工林和天然次生林为主[14], 但由于人工林树种单一、结构不合理、经营技术落后, 加之该区地形地貌复杂以及生态位的多样性等, 导致生态环境非常脆弱[15]。近10多年来, 经过天然林保护和退耕还林工程的持续开展, 使现有天然次生林得到严格保护, 长期保育结合, 休养生息, 逐渐形成该区自然资源的有效保护与合理利用的良性循环, 加速了天然次生林恢复, 使其充分发挥生态服务功能。因此, 研究川西亚高山/高山典型土壤类型生态化学计量学特征对该区天然林保护、退化生态系统的植被恢复及重建具有重要意义。针对该区域, 以往的研究多集中在土壤动物对森林凋落叶的影响、灌丛地被物及土壤持水性能、雪被斑块对森林凋落叶的影响等方面[10, 14, 15], 本研究选择川西亚高山/高山生态系统不同海拔分布的亚高山草甸土、草甸土、暗棕壤、棕壤、黄棕壤、褐土6个典型土壤类型为研究对象, 探讨不同类型土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及其生态化学计量学特征及演变规律, 对比《四川土壤》1985年调查成果[16], 定量认识自1985年至今我国川西北亚高山/高山典型土壤资源恢复状况, 为评价和预测该区森林土壤质量演化提供理论依据。

1 研究区域与方法
1.1 研究区概况

研究区地处四川省西北部阿坝州中部红原县及东南部理县、茂县, 青藏高原东南缘, 横断山脉北端与川西北高山峡谷的结合部, 地貌以中部为山原区, 东南部为高山峡谷区。山原地带为温凉半湿润气候, 夏季温凉, 冬春寒冷, 干湿季明显, 气候呈垂直变化, 高山潮湿寒冷, 河谷干燥温凉, 年平均气温5.6~8.9 ℃。高山峡谷地带, 随着海拔高度变化, 气候从亚热带到温带、寒温带、寒带, 呈明显的垂直性差异:海拔2 500 m以下的河谷地带降水集中, 蒸发快, 成为干旱半干旱地带; 海拔2 500~4 100 m的坡谷地带是寒温带, 年平均气温1~5 ℃; 海拔4 100 m以上为寒带, 终年积雪。

研究区所处的川西高原, 我国自然地理垂直地带中两大阶梯之间的过渡地带, 是世界十大生物多样性中心之一的青藏高原的一部分, 也是我国川西-滇北植物特有现象中心的重要组成部分[17]。土壤类型较为丰富, 主要有黄壤、红壤、褐土、棕壤、暗棕壤、亚高山草甸土、高山草甸土、泥炭土、沼泽土、高山寒漠土、水稻土等19个土类, 33个亚类。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

2015年8— 9月, 选择研究区亚高山草甸土、草甸土、暗棕壤、棕壤、黄棕壤、褐土6个典型土壤类型。每个土壤类型分别根据海拔高度、植被特征、坡度坡向等差异选择10个样方, 用GPS获取地理坐标, 去除表层凋落物, 挖掘1.0 m深土壤剖面, 依据土壤发生层次划分为腐殖质层(A)、淀积层(B)、母质层(C), 每个样方根据土壤剖面采集3个土柱, 同一样方内的3个土柱取样后相同土层均匀混合, 分别装入编号密封样品袋中带回实验室, 去除杂质, 经自然风干后研磨过60目筛, 密封储存, 待测。因地形因素部分样方数未达到10个, 亚高山草甸土(S1)10个、草甸土(S2)5个、暗棕壤(S3)10个、棕壤(S4)10个、黄棕壤(S5)8个、褐土(S6)10个, 由于部分层次形成不明显或不完整, 数据处理时将AB层划分为B层, 若BC层超过1.0 m深, 无明显C层, 则将BC层划分为C层。样地基本情况见表1、图1。

图1 采样点分布Fig. 1 Locations of sample point

表1 样地基本情况 Table 1 Description of the sampling plots

1.2.2 样品测定方法

SOC采用重铬酸钾氧化法测定[18]; TN采用半微量凯氏法测定[19]; TP采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定[20], 测定3次, 取其平均。

土壤有机质(SOM)采用下式计算:

WSOM=WSOC× 1.724 (1)

式中:WSOM为有机质含量(g/kg); WSOC为土壤有机碳含量(g/kg)。

1.2.3 数据处理与分析

土壤碳氮比(C:N)、碳磷比(C:P)和氮磷比(N:P)均采用质量比。数据采用统计软件SPSS 10.0进行处理, 方差分析采用最小显著极差法(LSD, α =0.05), 使用ArcGIS 30.0软件对采样点SOC、TN、TP含量进行反距离权重插值作水平空间分布图。

2 结果与分析
2.1 研究区不同土壤类型SOC、TN和TP含量特征

不同土壤类型SOC平均值差异明显(表2), S1~S6的0~100 cm土层土壤SOC含量的变化范围分别为7.88~113.48、28.43~193.83、16.00~122.94、5.79~62.41、5.18~81.92、17.29~99.65 g/kg, 其中S1、S2、S3、S5、S6显著高于S4(P< 0.05), 但S1、S2、S3、S6间无显著差异, 不同土壤类型SOC含量的空间变异程度表现为:S4> S2> S5> S6> S3> S1。不同土壤类型TN平均值表现为:S1、S3显著高于S5、S6(P< 0.05), 但S2、S4、S5、S6之间无显著差异, 6种土壤类型TN含量空间变异程度均较SOC大, 变异系数均超过50%, 其中S2变异系数最大, 为102.40%, S6变异系数最小, 仅为51.43%。不同土壤类型TP含量的变化范围分别为:0.12~0.62、0.028~0.99、0.11~0.41、0.049~0.85、0.06~0.24、0.07~0.28 g/kg, S1、S3、S4的TP含量平均值显著高于S5(P< 0.05), S1、S2、S3、S4之间均无显著差异, 土壤TP含量空间变异程度S2最大, 变异系数为85.76%, S6最小, 仅为29.09%。

表2 不同土壤类型0 ~100 cm土层土壤SOC、TN、TP 含量平均值 Table 2 Average content of SOC, TN, TP in 0-100 cm of different soil types

总之, 6种土壤类型SOC含量空间变异程度相差不大, S2的土壤TN、TP含量的空间变异程度最大; 就土壤SOC、TN和TP含量特征来看, 变异程度为TN> TP> SOC。

2.2 不同土壤类型SOC、TN和TP垂直空间分布特征

从同一土壤类型不同土层SOC含量分布特征可知(图2), 除S2外, 其余5个土壤类型基本表现为表层土壤SOC含量高于深层, 其中S1、S3、S4差异显著(P< 0.05), S5、S6的A、B、C层间差异不显著(P> 0.05), 而S2则表现为C层(81.79 g/kg)> B层(61.52 g/kg)> A层(61.17 g/kg), 不同土层间无显著差异(P> 0.05)。从不同土壤类型同一土层SOC含量来看, A层表现为S1、S3显著高于S4、S5(P< 0.05); B层表现为S1、S2、S3、S5、S6显著高于S4(P< 0.05); C层表现为S2显著高于其他土壤类型(P< 0.05), SOC含量为81.79 g/kg, 变异系数为71.82%, 结合前文0~100 cm土层结果, S2的土壤SOC含量变异主要来源于C层。

图2 不同土壤类型SOC、TN和TP含量剖面分布特征Fig. 2 SOC, TN, TP content distributions in profiles of different soil types

从同一土壤类型不同土层TN含量分布特征可知, 6种土壤类型均表现为表层TN含量高于深层, 其中S1、S3、S4、S6差异显著, S2、S5不同土层间差异不显著(P> 0.05), S2表现为A(3.06 g/kg)> C(2.60 g/kg)> B(1.52 g/kg)。从不同土壤类型同一土层TN含量来看, A层表现为S1、S3显著高于S2、S5、S6(P< 0.05), 与SOC规律一致; B层表现为S3显著高于S2、S4、S5、S6, C层不同土壤类型间TN含量无显著差异(P> 0.05), 但S2的TN含量为1.52 g/kg, 其变异系数为151.92%, TN含量波动较大, 与上述S2的土壤SOC含量变异主要来源一致。

从同一土壤类型不同土层TP含量分布特征可知, S2、S4、S5、S6的不同土层间TP含量无显著差异, S1、S3表现为A层显著高于B、C层。不同土壤类型同一土层TP含量来看, A层S1、S3、S4显著高于S2、S5、S6, 不同土壤类型TP含量为S1(0.37 g/kg)> S4(0.34 g/kg)> S3(0.32 g/kg)> S2(0.21 g/kg)> S6(0.17 g/kg)> S5(0.14 g/kg); B层不同土壤类型TP含量与TN、SOC规律差异较大, 表现为S2> S4> S1> S3> S6> S5, S2的TP含量变异程度较大, 其均值为0.31 g/kg, 变异系数达到了122.58%, 结合前文0~100 cm土层结果, S2土壤TN含量波动较大主要来源于B层。

总之, 不同土壤类型SOC、TN和TP垂直空间分布特征, S1、S3、S4、S5、S6基本表现为随土层加深而递减, 但不同养分递减程度不同, 均呈表层聚集的特点, 但S2的土壤SOC、TN和TP随土层深度变化规律不明显。

2.3 土壤SOC、TN和TP水平空间分布特征

通过采样点土壤SOC、TN和TP含量反距离权重插值可知(图3), 该研究区土壤SOC、TN和TP水平空间分布从南向北呈先增加后减少的变化趋势, 即中部高, 南北部较低, 但北部高于南部。该区SOC含量范围为13.51~109.97 g/kg, 最大值位于红原县西北部, 最小值位于理县中部, 三县域SOC含量表现为红原县> 茂县> 理县。TN含量范围为0.75~5.59 g/kg, 最大值位于研究区中部, 最小值位于茂县中部, 3个县域的TN含量表现为红原县> 理县> 茂县。TP含量范围在0.088~0.492 g/kg, 最大值位于研究区中部, 最小值位于茂县东部, 3个县域的TP含量表现为红原县> 理县> 茂县; 总之, 研究区土壤SOC、TN和TP含量变化较复杂, 环境均质性低。

图3 土壤SOC、TN和TP水平空间分布特征Fig. 3 Spatial distributions of SOC, TN, TP content

2.4 不同土壤类型生态化学计量特征

表3所示:S1~S6土壤C:N的0~100 cm土层变化范围分别为7.22~84.20、10.01~99.11、9.61~46.37、7.49~16.07、6.13~96.82、7.34~115.49, 平均值由大到小依次为S2> S6> S5> S1> S3> S4, 其中S2、S5、S6显著高于S3、S4, 但S2、S5、S6间无显著差异, S5的空间变异程度最大, 变异系数为68.26%, S4最小, 仅为20.22%。不同土壤类型 C:P为31.85~449.35、77.97~1 795.89、108.16~497.16、28.68~201.74、35.33~760.65、83.34~759.44, 其中S2、S5、S6显著高于S1、S3、S4, S2的空间变异程度最大, 变异系数达93.26%; N:P表现为S2、S3、S5显著高于S4, S2、S3、S5、S6之间无显著差异, 其中S2的空间变异程度最大, 变异系数为113.21%。

表3 不同土壤类型0~100 cm土层C:N、C:P、N:P化学计量特征 Table 3 Ecological stoichiometry characteristics of C:N, C:P, N:P in 0-100 cm of different soil types
2.5 不同土壤类型生态化学计量垂直空间分布特征

从不同土壤类型随剖面加深C:N的变化趋势来看(图4), S1、S2、S3、S5、S6均表现为随土层加深增加, 而S5表现为先增加后减小, S4表现为逐渐减少, 其中S2的C层最大, 为63.41, S4的C层最小, 仅为10.33。从C:P来看, S2垂直变化最明显, S1、S2均表现为先增加后减少, 其余土壤类型随土层的变化不明显。S1、S3、S4、S5、S6不同土层的N:P基本呈下降趋势, S2不同土层变化最明显, 表现为先减小后增加。

图4 不同土壤类型C:N、C:P和N:P值剖面分布特征Fig. 4 Soil C:N, C:P, N:P distributions in profiles of different soil types

3 讨论
3.1 不同土壤类型SOC、TN、TP含量及其垂直分布特征

前人的研究表明, 土壤养分因受生态系统类型、植被类型、土地利用方式、土壤质地及其他环境因子的影响, 具有空间和时间异质性[21]。依据第二次全国土壤普查分级标准[22], 如表4表5所示, S1、S2、S3、S5、S6土壤SOC平均值处于很丰富水平(> 4%)。参考1985年四川省土壤调查结果[16], 自1985年, S1、S2、S5、S6土壤SOC含量平均值为增加趋势, 其中以S6的增加幅度最大, 2015年是1985年的4.1倍, 说明恢复阶段土壤SOC的积累具有积极作用; 但S3、S4土壤SOC平均值有所降低, 其中以S4的下降幅度较大, 仅为1985年的31.06%。对土壤TN而言, S1、S2、S3、S4土壤TN平均值处于很丰富水平(> 2.0 g/kg), S5、S6土壤TN平均值处于丰富水平(1.5~2.0 g/kg), 参考1985年调查结果, S1、S3、S5、S6土壤TN平均值有所增加, 但整体增加幅度不大。对土壤TP而言, S1、S3、S4土壤TP平均值处于很缺乏水平(0.2~0.4 g/kg), S5、S6则处于极缺乏水平(< 0.2 g/kg), 参考1985年调查结果, 6种土壤类型TP含量平均值均呈下降趋势, 且变化幅度较大, 变化幅度在56.41%~87.85%之间。

表4 《四川土壤》(1985)与本研究比较结果 Table 4 Comparison of study in Sichuan Soil (1985) and this study
表5 第二次全国土壤普查分级标准 Table 5 Grading standard of the Second National Soil Survey

已有研究表明, 土壤中的SOC主要来自于表层枯落物的分解, 造成表层土壤SOC富集[23]。本研究结果表明:S3、S1、S6、S5、S4土壤SOC、TN和TP垂直空间分布表层不同程度地高于深层, 但本研究中S2深层土壤SOC显著高于表层土壤, TN和TP随土层深度的变化规律不明显, 变异系数高达102.40%、85.76%, 变异来源主要来自植被类型的影响和垂直空间分布, 样地多处于河流冲积阶地的S2深层为泥炭层, 其发育于阶地的冲积母质和湖积母质, 上层以团粒结构为主, 通透性较好, 下层分布较厚的泥炭层, 泥炭化过程明显, 形成泥炭状腐殖质, 因此造成S2土壤有机质积累强度大, 潜在养分含量普遍较高, 碳“ 汇” 功能较好。土壤磷素循环与氮素及其他养分元素的循环不同, 土壤磷含量的空间变异性最小[24], 磷的主要来源是长期的岩石风化和形成的矿物质, 研究区土壤母质以砂岩、碳酸盐岩、残坡积物及第四系更新统沉积物等为主, 造成土壤磷素来源有限, 同时20世纪50至80年代川西天然林进行了大规模的采伐, 森林面积减少了35.1%, 土层变薄, 涵养水源能力降低, 水土流失加剧, 造成土壤养分流失严重, 养分来源减少, 造成该区的养分积累特征, 因此几种典型土壤均表现为TP缺乏状态[25]

3.2 不同土壤类型土壤C:N、C:P、N:P化学计量比特征及养分限制

土壤C:N影响土壤中SOC、N的循环, 是指示土壤质量的敏感指标[26]。朱秋莲等[1]的研究表明土壤C:N随着土壤深度的增加一般会降低, 与本研究中S1、S2、S3、S6的规律不同, 且本研究中C:N的平均值为37.05, 远高于中国陆地土壤平均值(中国陆地土壤平均值为10~12)[27], 主要的原因是:一方面, 4种土壤类型随土壤深度的增加SOC含量增加或变化不大, 土壤SOC含量的变化程度小于TN含量的变化程度; 另一方面, 土壤SOC均处于丰富及以上水平, 较高的土壤SOC含量减弱了分母TN含量的限制作用。本研究中, C:N的变异系数较大(20.22%~68.26%), 表明研究中土壤SOC的形成所需N的数量不稳定, 不稳定的C:N不利于该区土壤N储量和生态系统C储量的估算。

土壤C:P被认为是指示土壤P素矿化能力的重要指标, 可以衡量土壤有机质矿化释放P或吸收固持P的潜力。本研究中的土壤C:P处于92.95~479.51, 远高于中国陆地土壤的C:P平均值(52.7); 曹娟等的研究表明[28], C:P低表示微生物在有机质分解过程中的养分释放较好, 促进土壤有效磷的增加, 反之则显示该过程存在P受限, 而本研究表明:不同土壤类型土壤磷的矿化机制不同, 本研究不同土壤类型C:P表现为:S4< S1< S3< S6< S5< S2, S4表现为有机磷净矿化率较高, 微生物分解机制过程中受P的限制性较小, 较其他类型土壤P表现出较高的有效性, 受无机磷的竞争较小。

N:P可用作N饱和的诊断指标, 并被用于确定养分限制的阈值[29]。研究区土壤N:P平均值范围为8.72~14.03, 远高于中国陆地土壤(3.9), 结合较低的P含量、较高的C:P, 其微生物在有机质分解过程中的养分释放较差, 从而影响土壤有效磷的释放及N:P值, 本研究区土壤P缺乏的程度远高于N缺乏, 表明本研究中的6种土壤养分中TP是主要限制因子。

3.3 土壤养分及其化学计量比的区域尺度空间分布格局

在区域尺度上, 不同土壤类型C、N、P含量及其化学计量比受土壤母质、生态位、地形等多种因素的影响具有一定的空间异质性。研究区土壤SOC、TN和TP水平空间分布从南向北呈先增加后减少的变化趋势, 即中部高, 南北部较低。本研究与黄从德等的研究结果一致[30], 四川森林土壤SOC的空间分布表现出明显的“ 三向地带性” , 总体上均随着纬度和海拔高度的增加而增加, 研究区植被类型呈地带性分布, 中部山原区海拔较高, 聚集封山育林人工林和天然林, 以生物量较高的亚高山针叶林为主, 凋落物输入量大, 同时受低温限制, 土壤动物和微生物群落的活性相对较低, 进入土壤生态系统的有机物质矿化分解缓慢, 土壤呼吸排放量较低, 土壤SOC等储量大; 除此之外, 长期的天然林保护工程及人工林集约经营模式的实施, 以及采取保育结合、休养生息等措施, 实现了中部土壤资源的有效保护和合理利用的良性循环, 而东南部高山峡谷区, 地形复杂, 水热分布不均, 生态位多样, 对C、N、P含量及其化学计量比的影响较大。

4 结论

1)不同土壤类型SOC含量平均值表现为亚高山草甸土> 草甸土> 暗棕壤> 褐土> 黄棕壤> 棕壤, TN含量表现为亚高山草甸土> 草甸土> 暗棕壤> 褐土> 黄棕壤> 棕壤, 而土壤TP含量平均值表现为亚高山草甸土> 棕壤> 草甸土> 暗棕壤> 褐土> 黄棕壤, 亚高山草甸土显著高于草甸土SOC、TN、TP含量; 草甸土SOC、TN、TP含量的变异程度最大, 褐土的变异程度最小; 就SOC、TN和TP含量特征来看, 变异系数平均值表现为TN> TP> SOC。依据第二次全国土壤普查分级标准, 整个研究区表现为土壤SOM积累处于很丰富水平, TN处于丰富水平, TP为缺乏水平。

2)垂直空间分布特征:暗棕壤、亚高山草甸土、褐土、黄棕壤、棕壤的SOC、TN、TP均基本表现为随土层加深递减, 呈不同程度表层聚集, 但草甸土深层分布泥炭层, 0~100 cm土层变化范围内其SOC、TN和TP随土层深度变化规律不明显, 不同土层间无显著差异。

3)土壤SOC、TN和TP水平空间分布从南向北呈先增加后减少趋势, 即中部高, 南北部较低, 三县域SOC含量平均值表现为红原县> 茂县> 理县。TN、TP含量平均值表现为红原县> 理县> 茂县。

4)本研究区土壤C:N表现为草甸土> 褐土> 黄棕壤> 亚高山草甸土> 暗棕壤> 棕壤; 土壤C:P表现为草甸土> 黄棕壤> 褐土> 暗棕壤> 亚高山草甸土> 棕壤; 土壤N:P表现为草甸土> 暗棕壤> 黄棕壤> 褐土> 亚高山草甸土> 棕壤。亚高山草甸土、黄棕壤、草甸土、褐土、暗棕壤、棕壤受TP的限制作用较强, 结合整个研究区土壤SOC、TN、TP平均值特征, 6种土壤养分中TP是主要限制因子, TN次之。

通过对比《四川土壤》1985年调查结果, 经过近30 a的恢复, 本研究亚高山草甸土、草甸土、黄棕壤、褐土土壤SOC含量为增加趋势, 其中褐土2015年是1985年的4.1倍, 暗棕壤、棕壤土壤SOC含量呈降低趋势, 其中棕壤2015年仅为1985年的31.06%。对土壤TN而言, 暗棕壤、亚高山草甸土、褐土、黄棕壤TN含量平均值较1985年有所增加, 但整体增加幅度不大。6种土壤类型TP含量平均值较1985年均呈下降趋势, 且变化幅度较大, 变化幅度在56.41%~87.85%之间。

The authors have declared that no competing interests exist.

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