喀斯特高原峽谷區(qū)土壤大/中/微量元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

喻陽(yáng)華，鐘欣平，王 穎

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

【研究意義】生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素平衡的科學(xué)，將生態(tài)學(xué)中不同層次的研究理論有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)[1]，對(duì)于理解生態(tài)系統(tǒng)各組分的相互作用和養(yǎng)分循環(huán)具有重要意義[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究主要集中在碳(C)、氮(N)和磷(P)等元素[3-4]，將生物學(xué)科不同層次的研究理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。在土壤中量和微量礦質(zhì)元素方面，曹榕彬[5]研究表明，寧德耕地土壤鈣(Ca)、鎂(Mg)比總體屬適宜偏高水平；TIPPING等[6]研究土壤有機(jī)質(zhì)中的碳、氮、磷和硫(S)元素計(jì)量比，為土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳周轉(zhuǎn)和循環(huán)提供了重要依據(jù)；鉀(K)元素與C、N、P的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征也被研究者所關(guān)注[7]，有利于全面揭示土壤全量養(yǎng)分的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征；鋁(Al)、硅(Si)是地殼中含量較為豐富的元素，其生物地球化學(xué)循環(huán)在土壤發(fā)生及其生態(tài)方面具有重要意義，鋁硅比也是判斷成土類(lèi)型的依據(jù)之一[8-9]?？傮w而言，目前研究存在的主要問(wèn)題是對(duì)結(jié)構(gòu)性元素碳和限制性元素氮、磷研究較多，對(duì)中量和微量元素等具有生理調(diào)節(jié)功能物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量特征研究較少。【本研究切入點(diǎn)】中量和微量礦質(zhì)元素也是決定土壤肥力的重要指標(biāo)[10]，在植物生長(zhǎng)、生理和生化過(guò)程中具有重要作用，與植物產(chǎn)量及品質(zhì)的形成密切相關(guān)[11]，礦質(zhì)元素的供應(yīng)失衡會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)和群落組成產(chǎn)生負(fù)面影響[12]。因此，拓展生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)范疇具有重要的理論和實(shí)踐意義，能夠指示土壤養(yǎng)分限制狀況?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以喀斯特高原峽谷區(qū)土壤為研究對(duì)象，拓展生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)，探討大量、中量、微量元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其相互關(guān)系，有利于幫助認(rèn)識(shí)系統(tǒng)物質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)和作用機(jī)制，以期為喀斯特高原峽谷區(qū)植被恢復(fù)及土壤養(yǎng)分綜合管理與高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于黔西南州貞豐縣北盤(pán)江鎮(zhèn)查耳巖村與安順市關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn)峽谷村一帶(105°38′48.48″E，25°39′35.64″N)，生境具有明顯的獨(dú)特性。主要表現(xiàn)：①干熱氣候。氣候類(lèi)型主要為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均降雨量1100 mm，季節(jié)分配不均勻，冬春溫暖干旱、夏秋濕熱，熱量資源豐富，年均溫18.4 ℃，年均極端最高溫32.4 ℃，年均極端最低溫6.6 ℃，年總積溫達(dá)6542.9 ℃。②河谷地形。區(qū)域內(nèi)河谷深切，地下水位深，海拔550～1200 m，垂直高差約650 m，具有典型的河谷氣候特征。③石漠化發(fā)育。屬北盤(pán)江流域，森林覆蓋率<30 %，基巖裸露率為50 %～80 %，碳酸鹽巖類(lèi)巖石占78.45 %，土壤以石灰?guī)r為成土母質(zhì)的石灰土為主，地表破碎、土層淺薄，水土流失和植被退化是區(qū)域內(nèi)的主要生態(tài)問(wèn)題。該區(qū)域石漠化等級(jí)曾經(jīng)處于中度和重度水平，環(huán)境較為脆弱，制約該地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的協(xié)同發(fā)展，環(huán)境敏感、生態(tài)脆弱、農(nóng)戶(hù)貧困成為典型的地區(qū)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)“九五”以來(lái)的石漠化綜合治理，培育了花椒(Zanthoxylumplanispinumvar.dintanensis)、柚木(Tectona)、柏木(Cupressusfunebris)、桉樹(shù)(Eucalyptusrobusta)和核桃(Juglansregia)等人工林，形成了較為穩(wěn)定的次生林植物群落，石漠化發(fā)育得到明顯遏制，農(nóng)戶(hù)生計(jì)呈多樣性特征。

1.2 材料

土壤樣品：52份，前期采集于關(guān)嶺花江-貞豐北盤(pán)江中度-重度石漠化治理示范區(qū)的頂壇花椒林、核桃林、柏木林、柚木林和桉樹(shù)林等人工林土壤，所有人工林恢復(fù)年限均>20年，已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的森林植物群落，植物與土壤之間具有顯著的耦合協(xié)同效應(yīng)。

1.3 方法

1.3.1 樣品采集 按照隨機(jī)取樣法采集0～20 cm的土壤，每個(gè)樣地采集5～7個(gè)土壤樣本組成1個(gè)混合樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室后剔除土樣中的動(dòng)物殘?bào)w、殘根和凋落物，置于通風(fēng)干燥處，避免陽(yáng)光直射，自然風(fēng)干后備用。

1.3.2 樣品測(cè)定 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定，全氮依據(jù)半微量開(kāi)氏法測(cè)定，全磷采用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色-紫外分光光度法測(cè)定，硼(B)按照 區(qū)域地球化學(xué)勘查規(guī)范 (DZ/T0167-2006)測(cè)定，硅(Si)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉬(Mo)和硫(S)依據(jù) 多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)(DZ/T0258-2014)測(cè)定。

1.3.3 生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)對(duì)土壤生態(tài)質(zhì)量的貢獻(xiàn) 選擇C∶N、C∶P、N∶P、Ca∶Mg、Fe∶Mn、Cu∶Zn、B∶Mo、P∶S、Ca∶S和Al∶Si共計(jì)10個(gè)生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)，采用主成分分析方法提取不同生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)特征對(duì)土壤生態(tài)質(zhì)量的貢獻(xiàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Pearson相關(guān)分析法分析土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)特征間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的特征

從表1可見(jiàn)，B∶Mo、Al∶Si的最大值和最小值分別為48.031和8.350、0.637和0.276，其在區(qū)域變化范圍較小，變異系數(shù)<50 %，說(shuō)明具有較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；P∶S、Ca∶S的最大值和最小值分別為5.906和0.032、0.038和0.001，其在區(qū)域變化范圍較大，變異系數(shù)>130 %，說(shuō)明這些元素的區(qū)域波動(dòng)較大，表明喀斯特地區(qū)土壤生境的異質(zhì)性較高，土體破碎；其余生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的變異系數(shù)為50 %～100 %，為中等變異程度?？傮w看，中量和微量元素的變化相對(duì)較小。

表1 喀斯特高原峽谷區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的特征

2.2 生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)間的相關(guān)性

從表2可知，C∶N與Fe∶Mn、Cu∶Zn間呈顯著正相關(guān)，與Al∶Si呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明不同元素間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系；C∶P與N∶P呈極顯著正相關(guān)，C∶P、N∶P與B∶Mo、P∶S呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明合適的元素配比尤為重要；Ca∶Mg與Ca∶S呈極顯著正相關(guān)，與Al∶Si呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明生態(tài)化學(xué)計(jì)量之間存在顯著的抑制或促進(jìn)作用；Fe∶Mn與B∶Mo呈顯著正相關(guān)，表明兩者間存在協(xié)同作用效應(yīng)；Cu∶Zn與Al∶Si呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明元素計(jì)量指標(biāo)特征亦存在顯著的交互作用效應(yīng)；B∶Mo與P∶S呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明B∶Mo對(duì)P∶S存在顯著增強(qiáng)作用。

2.3 土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的主成分分析

按照特征根值>1和累計(jì)貢獻(xiàn)率>80 %的原則抽取主成分。從表3可知，特征根值>1和累計(jì)貢獻(xiàn)率>80 %的主成分共有4個(gè)，前4個(gè)主成分的特征根值分別為3.071、2.355、1.547和1.294，貢獻(xiàn)率依次為28.079 %、21.584 %、18.660 %和14.156 %，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)82.479 %，即這4個(gè)主成分反映出原始數(shù)據(jù)提供的信息總量的82.479 %，表明選取前4個(gè)主成分進(jìn)行分析的信息損失較小。

從表4可知，第1主成分與C∶P和N∶P的正載荷較大，載荷系數(shù)分別達(dá)0.930和0.927；第2主成分在Cu∶Zn的負(fù)載較大，載荷系數(shù)為-0.935，與Al∶Si的正載荷較大，載荷系數(shù)為0.918；第3主成分主要受到Ca∶Mg和Ca∶S的支配，其載荷系數(shù)分別為0.936和0.942；第4主成分的主要支配指標(biāo)是Fe∶Mn，載荷系數(shù)為0.907。表明，土壤中量和微量元素同樣對(duì)土壤生態(tài)質(zhì)量起到明顯的支配作用。

表2 土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)間的相關(guān)性

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)性極顯著相關(guān)(P<0.01)。

Note: * represented extremely significant correlation inP<0.01 among index , and ** represented significant correlation inP<0.05.

表3 前4個(gè)主成分的特征根及貢獻(xiàn)率

表4 生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的載荷矩陣

3 討 論

3.1 研究土壤中量和微量元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的意義

研究土壤C∶N∶P的比例關(guān)系能夠揭示養(yǎng)分限制規(guī)律，反映土壤多種元素平衡和有效性等特征[13]，評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳固定效率；但是由于土壤養(yǎng)分具有廣泛性和全面性，因而有必要拓展計(jì)量指標(biāo)，為土壤養(yǎng)分的綜合管理與利用提供依據(jù)。生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性和變異性，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)[14-15]，對(duì)具有生理調(diào)節(jié)功能的物質(zhì)進(jìn)行生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。土壤作為養(yǎng)分供給和機(jī)械支撐的載體，制約了植物群落的組成、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力水平[16]，研究礦質(zhì)元素之間的計(jì)量平衡關(guān)系有助于闡明生物量的形成機(jī)制。

生態(tài)學(xué)具有高度的綜合性和交叉性，研究的問(wèn)題也具有復(fù)雜性和多尺度等特點(diǎn)[17]，這就使得土壤養(yǎng)分管理也應(yīng)權(quán)衡各元素的關(guān)系；闡明中量和微量元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的指示意義，有利于土壤養(yǎng)分綜合管理，研究其相對(duì)含量能夠揭示生物生長(zhǎng)和代謝過(guò)程的機(jī)制，探明作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基礎(chǔ)。礦質(zhì)元素在植物生長(zhǎng)、生理、生態(tài)過(guò)程中發(fā)揮著重要重要，諸多元素都具有不可缺少性、不可替代性和直接功能性，其含量過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)土壤微生物、植物產(chǎn)量和品質(zhì)造成影響[18]，但目前對(duì)中量和微量元素的研究報(bào)道較少[19-20]，這不利于集成維持植物品質(zhì)和提升土壤質(zhì)量的技術(shù)體系，因此，拓展生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)具有重要意義。

3.2 研究存在的不足與展望

該研究存在如下不足：第一，由于缺乏可供參考的中量和微量元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)，且相關(guān)元素在生態(tài)過(guò)程中的耦合關(guān)系研究較少，因此，對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的確定還需要優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)更加突出相關(guān)指標(biāo)的指示意義，闡明土壤養(yǎng)分平衡與肥力質(zhì)量的關(guān)系，為合理、高效利用土壤養(yǎng)分提供依據(jù)。第二，研究區(qū)域過(guò)小、尺度較為局限、收集的樣本數(shù)據(jù)數(shù)量有限，這在一定程度上可能會(huì)影響結(jié)果的精度，在未來(lái)的研究應(yīng)當(dāng)在不同區(qū)域采集土壤樣本，以植物-凋落物-土壤連續(xù)體為研究對(duì)象，跨越個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀和區(qū)域等層次，揭示生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制。第三，由于受土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、土壤全量養(yǎng)分與速效養(yǎng)分等內(nèi)容的限制，所得的生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)還不能很好地揭示土壤養(yǎng)分虧缺狀況，難以判斷土壤養(yǎng)分的豐缺，這就為土壤養(yǎng)分管理帶來(lái)了困難，未來(lái)應(yīng)當(dāng)結(jié)合生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)闡明土壤養(yǎng)分虧缺特征。第四，結(jié)合土壤速效養(yǎng)分狀況分析生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，由于元素計(jì)量比的計(jì)算采用其全量值，而植物營(yíng)養(yǎng)需要的是土壤中有效態(tài)養(yǎng)分，因此探討速效養(yǎng)分與計(jì)量比之間的關(guān)系能夠更好地指導(dǎo)土壤肥力調(diào)控，有利于植物機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。針對(duì)前述問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)跨越時(shí)間與空間、生物學(xué)層次等多個(gè)尺度，以生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)為紐帶，構(gòu)建多尺度的統(tǒng)一化理論，從元素含量大小和計(jì)量平衡兩個(gè)方面闡述土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分管理策略。

4 結(jié) 論

(1) 區(qū)域土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征以B∶Mo、Al∶Si的波動(dòng)范圍較小，變異系數(shù)<50 %；C∶N、C∶P、N∶P、Ca∶Mg、Fe∶Mn和Cu∶Zn的區(qū)域變化程度中等，其變異系數(shù)的變幅為50 %～100 %；P∶S和Ca∶S的變幅相對(duì)較大，變異系數(shù)>130 %。

(2) C∶N與Fe∶Mn、Cu∶Zn間呈顯著正相關(guān)，與Al∶Si呈極顯著負(fù)相關(guān)；C∶P與N∶P呈極顯著正相關(guān)，C∶P、N∶P與B∶Mo、P∶S呈極顯著負(fù)相關(guān)；Ca∶Mg與Ca∶S呈極顯著正相關(guān)，與Al∶Si呈顯著正相關(guān)；Fe∶Mn與B∶Mo呈顯著正相關(guān)；Cu∶Zn與Al∶Si呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明，土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)間表現(xiàn)出較強(qiáng)的互作效應(yīng)。

(3) 經(jīng)主成分分析，提取的4個(gè)主成分反映出原始數(shù)據(jù)提供信息總量的82.479 %，前4個(gè)主成分分別受C∶P、N∶P，Cu∶Zn、Al∶Si，Ca∶Mg、Ca∶S和Fe∶Mn等的主要支配。表明，中量和微量元素對(duì)土壤生態(tài)質(zhì)量亦具有決定作用。