伊犁河流域荒漠草原土壤C:N:P化学计量比的驱动机制与空间变化

《Agriculture》：Driving Mechanisms and Spatial Variations of Soil C:N:P Stoichiometry in Desert Steppe of the Ili River Basin, Northwest China

　　

土壤化学计量特征，作为土壤养分供应能力和生态系统稳定性的敏感指标，已成为生物地球化学循环和生态学研究的焦点。然而，荒漠草原中土壤化学计量特征的空间变异及驱动因素仍不清楚。因此，研究人员调查了中国伊犁河流域荒漠草原的土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量及其比值（C:N、C:P和N:P）。结果表明：（1）在伊犁河流域，SOC、TN和TP含量分别为30.27、0.77和0.79 g·kg^?1，而土壤化学计量比C:N、C:P和N:P分别为47.33、35.48和1.13。所有指标均表现出中等变异性，而土壤C:P表现出强变异性。（2）SOC、TN、TP及化学计量比存在显著季节变化（p < 0.05），且土壤化学计量特征与海拔呈正相关。（3）根据贝叶斯线性回归模型和偏最小二乘路径模型（PLS-PM），气候是土壤C、N及其化学计量比的主要驱动因子，其中年均温（MAT）和最低温（T_min）是最有影响力的决定因素。这些发现为伊犁河流域荒漠草原生态系统土壤化学特征的时空变化模式提供了初步见解。该研究有助于深入理解荒漠草原生态系统内的养分循环过程，并提供了一定程度的科学支持。

论文解读

研究背景：土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）是驱动养分循环、维持生态系统结构与功能的三大基础养分。土壤C:N:P化学计量比作为揭示生态过程的核心指标，能反映土壤养分供给能力与生态系统稳定性。尽管森林、草甸、草原和荒漠区域已有较多研究，但作为过渡类型的荒漠草原，其土壤C:N:P化学计量特征的空间异质性及驱动因素仍不清楚。现有研究多基于特定时间点采样，缺乏对季节性波动的连续观测，且对不同草原类型中土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）及其比值的时空格局尚未得出一致结论。因此，本研究以中国西北伊犁河流域荒漠草原为对象，旨在：（1）阐明SOC、TN、TP及其化学计量比的季节动态；（2）揭示其空间分布格局及海拔梯度影响；（3）识别关键环境因子及其作用路径。论文发表于《Agriculture》。

研究人员开展了以下研究：在伊犁河流域荒漠草原设置40个采样点（100 m × 100 m），于2024年5月至9月采集0–10 cm土壤样品，测定SOC（重铬酸钾氧化法）、TN（凯氏定氮法）、TP（高氯酸消化-钼锑抗比色法）及土壤容重等理化指标；同步调查植物群落（五点取样法）并测定植物C、N、P；获取35个基准气象站1957–2024年数据，采用地理加权回归与反距离加权插值得到高精度气候栅格；运用单因素方差分析（LSD事后检验）、Pearson相关分析、线性回归、贝叶斯线性回归模型及偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进行统计分析。样本来源为伊犁河流域荒漠草原，采样点海拔范围600–1500 m。

研究结果：

**3.1 SOC、TN、TP化学计量比的基本特征**
通过测定土壤样品发现，SOC、TN、TP平均含量分别为30.27、0.77、1.13 g·kg^?1，变异系数（CV）在32.69%–35.60%之间，属于中等变异；C:N、C:P、N:P平均值分别为47.33、35.48、0.79，其中C:P的CV高达113.45%，呈强变异。

**3.2 季节变化对SOC、TN、TP及土壤化学计量比的影响**
单因素方差分析显示，SOC、TN、TP及其比值存在显著季节差异（p < 0.05）。7月SOC和TP显著高于5月和9月（p < 0.05）；TN含量顺序为5月 > 7月 > 9月，差异显著（p < 0.05）；C:N在7月显著高于5月和9月（p < 0.05）；C:P无显著月际变化；N:P在5月显著高于7月和9月（p < 0.05）。SOCD与SOC变化一致，SOND与TN变化一致。

**3.3 SOC、TN、TP及土壤化学计量比的空间分布格局**
通过空间插值分析，SOC和TN高值区主要分布于尼勒克和新源，低值区集中于伊宁县和察布查尔；TP呈“西高东低”格局，高值区集中于中西部；C:N高值区位于尼勒克和新源，低值区在西部；C:P高值区围绕伊宁县和尼勒克，低值区连片；N:P高值区在西部及尼勒克、新源部分区域，低值区在东部；SOCD高值区在巩留和新源附近；SOND高值区在中西部，低值区在东部。

**3.4 SOC、TN、TP化学计量比沿海拔梯度的变化趋势**
线性回归模型表明，SOC随海拔升高显著增加（R² = 0.1525，p < 0.05）；TN、C:N、C:P、N:P、SOCD和SOND均呈上升趋势但不显著（p > 0.05）；TP呈不显著下降趋势。

**3.5 SOC、TN、TP及土壤化学计量比的驱动因素分析**
双变量Pearson相关分析显示，SOC和TN与降水（Pre）显著正相关，与年均温（MAT）、最高温（T_max）、最低温（T_min）和日照时数（SD）显著负相关；C:N与Pre正相关，与温度指标负相关；经度与SOC、TN、C:N正相关，纬度负相关；海拔与SOC、C:N、SOCD正相关；粉粒和黏粒与SOC、C:N正相关，与C:P负相关；砂粒相反；植物C与SOC、C:N负相关，与TN、C:P、SOND正相关；植物N与TN、SOND正相关；植被指数（LnS、Pie、SWH）与TN正相关；TP和N:P仅与风速（WS）和容重（BD）显著负相关。

贝叶斯线性回归模型量化了各因子相对贡献：SOC模型中最重要的变量为T_min（0.661）、MAT（0.640）和年降水（MAP，0.562）；TN模型中为EC（0.863）、Sal（0.861）和MAT（0.598）；TP模型中为SD（0.890）、Sal（0.645）和MAT（0.609）；C:N模型中为MAT（0.602）、Sal（0.594）和EC（0.568）；C:P模型中为砂粒（0.890）、SD（0.585）和MAT；SOCD模型中为粉粒（0.614）、经度（0.614）和MAT（0.596）；SOND模型中为Sal（0.949）、MAT（0.641）和EC（0.619）。

PLS-PM模型进一步揭示路径关系：地形对气候影响最显著（路径系数 = ?0.89，p < 0.001），对土壤物理性质有正效应（0.30，p < 0.05），对植被有负效应（?0.40，p < 0.01）；地形对土壤C:N:P有显著正直接效应（0.33，p < 0.01）；气候对植被（?0.11）和土壤C:N:P（?0.27，p < 0.05）呈负效应；植被对土壤C:N:P有弱负效应（?0.09）；土壤物理性质无显著直接效应（?0.001）。

**讨论总结**：
研究讨论了土壤C:N:P化学计量比差异的原因，指出全球平均C:N:P约为111:7.69:1，中国土壤平均C:N、N:P、C:P分别为11.9、5.2、61。本研究中C:P和N:P低于全国均值，N:P低于全球均值。5–9月水热条件变化是土壤C、N、P含量及比值季节波动的主要因素：7月SOC和TP升高与夏季植被生长和降水脉冲有关，TN峰值在5月而7月最低反映了植被强氮吸收与微生物矿化间的时序错配。C:N在7月和9月显著高于5月，与碳氮库的非同步调控相关。C:P无显著月际变化但空间变异性强，归因于植被覆盖斑块引起的有机碳输入差异叠加相对稳定的磷背景。N:P高季节CV源于氮对干湿交替和降水脉冲的敏感性，微地形导致不同斑块有效降水脉冲大小不同，引发植物与微生物竞争可利用氮的动力学差异。

沿海拔梯度，SOC显著增加，TN等呈上升趋势但不显著，TP略降，这得益于海拔升高导致的温度降低（减缓微生物分解）和地形抬升降水增加（促进植被和凋落物输入）。空间分布上，SOC和TN高值区集中于尼勒克和新源，TP呈“西高东低”，C:N和C:P呈现相应格局，反映了碳氮耦合及磷基岩控制的特征。

环境因子分析表明，SOC和TN对气候和地理梯度高度敏感，而TP对多数环境变化具惰性，源于碳氮受生物气候过程主导、磷受母质风化控制。贝叶斯模型突出气候（尤其MAT）是核心预测变量，盐度相关指标（EC、Sal）在TN和化学计量比中重要性突显，土壤质地（砂粒、粉粒）对C:P和SOCD有强解释力。PLS-PM证实地形通过调节水热再分配（路径系数?0.89），间接影响植被和土壤物理性质，进而塑造C:N:P空间格局。

**研究结论**：
本研究阐明了伊犁河流域荒漠草原土壤C:N:P化学计量比的显著时空异质性。在时间维度上，土壤养分呈现明显季节波动；在垂直梯度上，SOC随海拔升高显著增加，TN及所有化学计量比呈一致但不显著的上升趋势，仅TP呈下降趋势。空间格局上，SOC和TN高值区主要集中于尼勒克和新源，TP则呈“西高东低”的独特分布。机制分析表明，温度是SOC和TN库及其化学计量比变化的主要关联因子，地形和土壤质地作为重要调节因子——前者通过再分配地表水热条件并改变土壤容重，后者通过独特孔隙结构影响水分和养分保持能力——协同作用于养分储存与分布。研究进一步证明，土壤化学计量特征的高变异性可能由植被斑块分布、微地形水热脉冲和土壤物理性质差异等多因子耦合塑造。这些发现在一定程度上增进了对伊犁河流域荒漠草原土壤化学特征时空动态的理解，可为该地区荒漠生态系统功能评估与科学管理提供参考。然而，鉴于数据集的高变异性及有限的采样时段，未来研究应聚焦于长期监测，并深入探究荒漠草原生态系统中土壤C:N:P化学计量比的潜在形成机制。