秦岭中段太白山以北不同海拔土壤碳·氮·磷生态化学计量特征

摘要 ［目的］探究秦岭中段太白山以北土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征。［方法］在秦岭中段太白山以北选取4个不同海拔梯度（1 500、1 800、2 100、2 400 m）的0～20、20～40、40～60 cm土层取样，测定分析土壤有机碳、总氮、总磷含量及变化特征，并计算分析生态化学计量特征。［结果］土壤有机碳、总氮和总磷的平均含量分别为31.72、3.36、0.29 g/kg，随着海拔增加，土壤整体的有机碳、总氮和总磷均呈先升后降趋势；土壤C/N、C/P、N/P的均值分别为9.58、94.45和10.02，随着海拔增加，土壤整体的C/N呈下降趋势，N/P呈上升趋势，C/P无明显变化；0～20 cm土层的C/P、N/P均显著高于20～40和40～60 cm土层，而海拔2 100～2 400 m处不同土层的C/N之间无显著差异，且土壤C、N之间具有较高的耦合性；在20～40和40～60 cm土层中，海拔2 100～2 400 m处的土壤C/P、N/P均高于1 500～1 800 m，1 500～1 800 m处C/N高于其他海拔。［结论］该地区土壤养分及其化学计量特征随海拔有明显变异，总体表现为碳、氮含量丰富，磷缺乏，应适量增施磷肥，重视土壤保育工作。

关键词 海拔；土壤有机碳；总氮；总磷；含量；生态化学计量特征；土层深度；秦岭

中图分类号 X144 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）09-0049-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.013

Abstract ［Objective］To investigate the contents of soil carbon，nitrogen and phosphorus and their ecological chemometric characteristics in soils from north of the Taibai Mountains in the middle part of the Qinling Mountains.［Method］This study selected soil samples from 0-20，20-40 and 40-60 cm at four different elevation gradients （1500，1800，2100 and 2400 m） north of the Taibai Mountains in the middle part of the Qinling Mountains，the contents of soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus and their variation characteristics were determined and analyzed，and the ecological chemometric characteristics were calculated and analyzed.［Result］The average contents of soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus were 31.72，3.36 and 0.29 g/kg，respectively，and the soil organic carbon，total nitrogen and total phosphorus showed an increasing first and then decreasing trend with increasing altitude.The average values of soil C/N，C/P，and N/P were 9.58，94.45，and 10.02，respectively.With the increase of altitude，the overall C/N of the soil showed a downward trend，while N/P showed an upward trend，with no significant change in C/P.The C/P and N/P in 0-20 cm soil layer were significantly higher than those of 20-40 and 40-60 cm soil layer，while there was no significant difference between the C/N of different soil layers at altitude 2100-2400 m，and there was a high coupling between soil C and N.In the soil layers of 20 - 40 and 40 -60 cm，the soil C/P and N/P at altitude 2100 - 2400 m were higher than those at 1500-1800 m，and the C/N at 1500-1800 m was higher than those at other altitudes.［Conclusion］The soil nutrients and their stoichiometric characteristics in this area have obvious variation with altitude，and the overall performance is rich in carbon and nitrogen and deficient in phosphorus，which should be appropriately increased with phosphorus fertilizer and attention to soil conservation work.

Key words Altitude; Soil carbon;Total nitrogen;Total phosphorus;Content;Ecological stoichiometry characteristic;Soil depth; Qinling Mountains

基金项目 陕西省科技厅自然科学基金项目（2020SF-438）。

作者简介 李丹（1997—），女，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向土壤改良。*通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事土壤改良研究。

生态化学计量学是研究生态系统内各组分能量以及多种化学元素之间平衡的科学，对于研究生物地球化学循环和生态系统稳定性等有重要意义［1-2］。土壤作为生态系统重要组成部分，不仅为植物及微生物提供营养，而且土壤中的碳、氮、磷等元素影响植物生长、微生物动态、凋落物分解以及土壤养分的积累与循环等［3］。目前国内土壤生态化学计量学研究主要集中在不同植被［4］、不同土地利用方式［5］、不同海拔［6］等方面的差异分析。近年来土壤随海拔条件的变化引起大量关注，这是由于海拔变化对土壤性质、植被分布以及凋落物都有很大影响［7］ ，而这些因素又会直接或间接影响土壤养分［8］。因此，研究不同海拔土壤养分及其生态化学计量特征有重要意义。张广帅等［9］对泥石流频发区的研究表明，土壤碳、氮及其生态化学计量比均随海拔升高而升高，全磷随海拔升高而下降；李新星等［10］研究表明，马衔山土壤碳、氮、磷含量和生态化学计量比随海拔变化呈现出不同的特征；李丹维等［11］对太白山研究表明，土壤碳、氮、磷含量随海拔升高变化不显著，其生态化学计量比在不同海拔上呈现较大的空间变异。

秦岭中段太白山以北属于太白县管辖范围内，该区域是陕西省海拔最高县城，其独特的气候条件和地理位置，造就了森林等各种丰富的自然资源，对西北地区生态保护有重要意义。该区域目前有关太白山生态化学计量特征的研究多集中在太白山栎属树种中［12］，对不同海拔土壤碳、氮、磷生态化学计量特征的研究较少。该研究以秦岭中段太白山以北作为研究区域， 运用生态化学计量学理论来研究不同海拔土壤碳、氮、磷分布特征，旨在分析该区域土壤碳、氮、磷含量和生态化学计量比垂直变化特征以及土壤碳、氮、磷含量与计量比之间的关系，以期深入认识该区域土壤碳、氮、磷地球化学循环，对掌握太白山以北区域不同海拔土壤养分分布状况和推动秦岭生态环境可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于太白县（107°03′00″～107°46′40″E、33°38′13″～34°09′55″N），属于暖温带半干旱型大陆季风气候，带有大陆性季风气候与高山气候交汇的特征，年平均气温7.7 ℃，无霜期158 d。该试验中样品采集范围在海拔1 500～2 400 m。海拔1 500 m处为阔叶林，海拔1 800 m处为针阔叶混交林，海拔2 100和2 400 m处为针叶林。

1.2 土壤样品采集

2020年8月，在海拔1 500～2 400 m按每300 m为 1个海拔梯度，按照“S” 型取样法在各海拔梯度内选取8个代表性样点，按 0～20、20～40、40～60 cm层次，用土钻分层取土，同层土壤混匀为1个混合土样，去除枯枝落叶和石砾等杂质后装入自封袋，共采集96个土样。土壤混合样品室内风干后过100目筛。

1.3 测定方法

土壤分析参照鲍士旦《土壤农化分析》［13］中的方法。总氮（TN）的测定采用凯氏定氮法；总磷（TP）的测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法；土壤有机碳（SOC）的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法。

1.4 数据处理

该研究中土壤C、N、P生态化学计量比均为元素质量比。利用SPSS 17.0 软件计算不同海拔梯度土壤的SOC、TN、TP以及C/N、C/P、N/P等指标的平均值（Mean）、标准差（SD），并对不同海拔和土层的土壤养分指标进行单因素方差分析和最小显著差数法（LSD）多重比较。采用Pearson相关系数法分析土壤中各养分元素的含量及其生态化学计量间的相关性。利用Microsoft Excel 2010软件对数据进行前期处理与作图。

2 结果与分析

2.1 不同海拔土壤C、N、P含量特征 从图1可以看出，土壤SOC、TN和TP含量在不同海拔和剖面上存在不同程度的差异，土壤SOC含量在0～20 cm土层为28.86～34.77 g/kg，均值为31.72 g/kg，20～40 cm土层为21.37～27.44 g/kg，均值为24.17 g/kg，40～60 cm土层为15.40～21.06 g/kg，均值为18.66 g/kg。土壤SOC含量随海拔升高呈现先增后减的趋势，SOC含量1 500～2 100 m明显增加，且在2 100 m达到最大；海拔2 100～2 400 m变化不明显。土壤TN含量在0～20 cm为2.80～3.84 g/kg，均值为3.36 g/kg，在20～40 cm为2.02～3.00 g/kg，均值为2.51 g/kg，在40～60 cm为1.28～2.52 g/kg，均值为2.06 g/kg；土壤TN含量在海拔2 100 m处与2 400 m处无显著差异，在2 100 m处高于其余海拔。土壤TP含量随海拔增加无明显变化趋势；其中0～20 cm层为0.26～0.30 g/kg，均值为0.29 g/kg；20～40 cm层为0.23～0.28 g/kg，均值为0.26 g/kg；40～60 cm层为0.23～0.25 g/kg，均值为0.23 g/kg；TP 含量在2 100 m处达到最大，在海拔1 500 m处最小，且表层土壤 TP 含量普遍高于中下层。