貴州省表土生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

侯堂春，喻陽(yáng)華，鐘欣平

(1.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；2.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴州 貴陽(yáng) 550001)

【研究意義】生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)已成為生態(tài)學(xué)中研究的熱點(diǎn)，其綜合了多門(mén)學(xué)科的基本原理，是研究生態(tài)系統(tǒng)能量與化學(xué)元素[主要是碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素]平衡的一門(mén)科學(xué)[1-2]。土壤C、N、P比是土壤養(yǎng)分的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了土壤內(nèi)部的碳氮磷循環(huán)，是確定土壤C、N、P平衡的一個(gè)重要參數(shù)[1]，可以用于判斷土壤養(yǎng)分及其土壤肥力的潛在價(jià)值[3]。利用生態(tài)化學(xué)計(jì)量對(duì)土壤元素進(jìn)行分析，可為土壤元素與生態(tài)系統(tǒng)能量的平衡關(guān)系提供理論支撐，有助于揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤元素循環(huán)、平衡以及植被養(yǎng)分限制性[4-5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從全球與區(qū)域尺度、生態(tài)系統(tǒng)尺度及個(gè)體水平方面闡述生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[6]。CLEVELAND 等[7]對(duì)全球的186個(gè)表層土壤數(shù)據(jù)的分析表明，土壤C∶N∶P在不同的植被間存在差異。BUI 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，澳大利亞主要植被類(lèi)型下的土壤N、P、C∶P具有較大的變異性。氣候因素對(duì)C、N、P的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征有重要影響，TIAN 等[9]通過(guò)研究中國(guó)不同氣候帶土壤C∶N、C∶P、N∶P發(fā)現(xiàn)，C∶N∶P比值為60∶5∶1，隨著不同氣候帶的變化，C∶N變異較小，而C∶P和N∶P比值具有較高的變異。地形因素對(duì)土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量也有重要影響，李丹維等[10]對(duì)不同海拔梯度土壤C、N、P含量分析表明，隨著海拔梯度的增加，土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)呈先增后降趨勢(shì)，全磷(TP)則無(wú)明顯變化。朱秋蓮等[11]對(duì)不同坡向的土壤SOC、TN、TP含量及其化學(xué)計(jì)量特征研究表明，不同坡向的土壤養(yǎng)分含量和計(jì)量特征存在明顯差異，在不同的坡位間有機(jī)碳、全N變異大而全P變異小。人為因素對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征也有著重要的影響，ZHAO[12]對(duì)人工林下的土壤SOC、TN、TP的研究表明，造林土壤與廢棄土地相比，造林對(duì)土壤TN、TP含量影響顯著。王維奇等[13]通過(guò)對(duì)閩江河口濕地土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的研究表明，隨著干擾程度的變化C∶N的變化小，而C∶P、N∶P的變異性相對(duì)較大。但是關(guān)于貴州省表土生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究未見(jiàn)報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤養(yǎng)分是土壤肥力的核心，探討土壤C、N、P含量，分析土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征具有重要意義。前人主要從不同尺度、植被類(lèi)型、環(huán)境因素及人為活動(dòng)等方面研究C、N和P的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的變異規(guī)律，而對(duì)土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行的研究較少[14-16]?！緮M解決關(guān)鍵問(wèn)題】以貴州省為例，通過(guò)整合收集貴州省內(nèi)有關(guān)土壤養(yǎng)分的研究文獻(xiàn)，探討土壤C、N、P含量，分析土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，揭示土壤營(yíng)養(yǎng)元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，為改善貴州省土壤養(yǎng)分含量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N(xiāo)，東與湖南交界、南與廣西毗鄰、西與云南接壤、北與四川和重慶相連，土地總面積18.88萬(wàn)km2。全省地貌以山地和丘陵為主，平均海拔1100 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，受山地地形影響，氣候多變，年平均氣溫10～18 ℃，年降水量1000～1500 mm。貴州省土壤類(lèi)型主要有黃壤、紅壤、黃棕壤、石灰土、紫色土、水稻土等，以黃壤的面積最大，占46.4 %；其次是石灰土和水稻土，分別占17.5 %和9.7 %。貴州省北部土壤分布以黃壤為主，南部和東部以紅壤為主，西部以黃棕壤為主，中部以黃壤分布最為廣泛。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究基于中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI)，收集整理截止2018年8月目前貴州省內(nèi)有關(guān)表土土壤養(yǎng)分研究的相關(guān)文獻(xiàn)，從中篩選至少含有土壤SOC、TN、TP 3種元素及在貴州省范圍內(nèi)均勻分布的文獻(xiàn)近50篇，共收集土壤養(yǎng)分SOC、TN、TP數(shù)據(jù)99個(gè)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤C、N、P及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行初步整理，使用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)；采用單因素方差分析(ANOVA)對(duì)土壤C、N、P及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，對(duì)貴州省土壤C、N、P含量及其比值兩兩之間的關(guān)系進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，利用Origin進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 表土C、N、P含量及變異性

由表1可知，土壤SOC、TN、TP均值分別為27.34、2.11、0.74 g·kg-1，從變異系數(shù)看，變異最大的為T(mén)P含量，其次是SOC含量，最小的是TN含量，表明TP含量在水平空間上的變異性較大。根據(jù)變異系數(shù)的劃分等級(jí)(c.v.>100 %為強(qiáng)變異性，c.v.=10 %～100 %為中變異性，c.v.<10 %為弱變異性[16])，土壤C、N、P在空間上存在中等程度的變異性。

表1 貴州省表土C、N、P含量的統(tǒng)計(jì)值

2.2 表土C、N、P化學(xué)計(jì)量特征的統(tǒng)計(jì)描述

由表2可知，土壤C∶N均值為14.27，變異系數(shù)為75.54 %；C∶P均值為50.92，變異系數(shù)為90.67%；N∶P均值為3.75，變異系數(shù)為78.93 %，C∶N、C∶P、N∶P均達(dá)到了中等變異水平。由此可見(jiàn)，C∶N、C∶P和N∶P各指標(biāo)之間表現(xiàn)出較大的空間變化，整體趨勢(shì)為C∶P>N∶P>C∶N。

表2 貴州省表土生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的統(tǒng)計(jì)值

2.3 表土C、N、P化學(xué)計(jì)量學(xué)與計(jì)量比之間的相關(guān)性

由圖1看出，土壤SOC與TN、C∶N、C∶P、N∶P存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與TP的差異不顯著(P>0.05)；其中土壤TN與C∶N存在極顯著負(fù)相關(guān)，與TP存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其他參數(shù)存在極顯著正相關(guān)；土壤TP與C∶N、C∶P、N∶P存在極顯著負(fù)相關(guān)；土壤C∶N與C∶P存在極顯著正相關(guān)，與N∶P差異不顯著。由此可見(jiàn)，SOC是影響TN、C∶N、C∶P 的主要因素。

3 討 論

3.1 貴州省表層土壤C、N、P含量特征

貴州省土壤SOC含量為27.34 g·kg-1，均高于全球陸地土壤SOC含量(25.71 g·kg-1)[17]，中國(guó)陸地土壤SOC含量(17.12 g·kg-1)[17]，陜北黃土高原地區(qū)土壤SOC含量(6.255 g·kg-1)[18]，廣西喀斯特地區(qū)土壤SOC含量(24.23 g·kg-1)[19]。土壤SOC主要來(lái)源于動(dòng)植物排泄物和分泌物、動(dòng)植物殘?bào)w、人為施加的有機(jī)肥等[20]。其含量易受溫度、降水、土壤理化性質(zhì)、植被類(lèi)型、人類(lèi)活動(dòng)等的綜合影響，使得不同研究區(qū)SOC的含量差異較大[21-22]。貴州省地屬亞熱帶，水熱條件良好，處于低緯度高海拔的溫潤(rùn)地區(qū)，提高了土壤SOC的礦化能力，使得具有較高的C儲(chǔ)量能力；陜北黃土高原地區(qū)屬大陸性氣候，降水時(shí)空分布不均，土壤呈弱堿性，土壤類(lèi)型以黃土為主，地面破碎等環(huán)境條件導(dǎo)致C儲(chǔ)量不高；廣西喀斯特地區(qū)土層淺薄，巖石裸露情況嚴(yán)重但屬亞熱帶季風(fēng)氣候，光照充足，水熱條件良好，C儲(chǔ)量能力高。表明不同區(qū)域環(huán)境，土壤SOC含量存在差異。已有研究表明，不同土地利用類(lèi)型會(huì)影響植被類(lèi)型、土壤理化性質(zhì)、土壤中的物質(zhì)循環(huán)等，從而影響土壤C的來(lái)源、SOC含量及其分布情況[20,22]。隨著海拔升高，SOC的礦化能力降低[23]，而溫度隨著海拔升高而降低，導(dǎo)致土壤微生物群落活性受到抑制，從而減緩?fù)寥繱OC的礦化分解[24-25]。隨著人為干擾程度的增加土壤C含量減少，其C儲(chǔ)量也不斷降低[13]。因此，貴州省土壤SOC的含量及分布可能受到土壤理化性質(zhì)、植被類(lèi)型、人為活動(dòng)等因素的影響。在貴州省內(nèi)，對(duì)于土壤SOC含量較低的區(qū)域，可采取減少對(duì)土壤的翻耕，降低土壤SOC的轉(zhuǎn)化[27]或增施有機(jī)肥料、秸稈還田、綠肥翻壓[26]，從而增加土壤SOC含量，提高土壤肥力；對(duì)于較高的區(qū)域，應(yīng)控制有機(jī)肥料的施加，采用無(wú)機(jī)有機(jī)肥相結(jié)合使用。

貴州省TN含量為2.11 g·kg-1，高于全球陸地土壤TN含量(2.10 g·kg-1)[28]，陜北黃土高原地區(qū)土壤TN含量(0.63 g·kg-1)[18]；低于中國(guó)陸地土壤TN含量(2.30 g·kg-1)[9]，廣西喀斯特地區(qū)土壤TN含量(5.17 g·kg-1)[19]等。相對(duì)中國(guó)陸地土壤TN含量，貴州省土壤TN含量處于低水平。土壤N元素主要來(lái)自生物固氮作用、動(dòng)植物殘?bào)w、化肥等途徑[29]。土壤TN含量易受到大氣氮沉降、人為活動(dòng)、生物固氮等的影響使得不同區(qū)域TN含量存在差異[30-31]。貴州省土層薄且不連續(xù)，森林覆蓋率低，但水熱條件好，溫潤(rùn)氣候?yàn)樯锕痰峁┝嘶A(chǔ)，從而提高TN含量；陜北黃土高原地區(qū)以黃土為主，黃土疏松多孔，抗水蝕性能差且降水不均從而降低了TN的含量；廣西喀斯特地區(qū)溫濕條件極利于生物生長(zhǎng)和繁衍，從而提高生物固氮作用，增加TN含量。表明TN含量差異受到環(huán)境條件的影響。研究表明，人為活動(dòng)(化肥、農(nóng)家肥、秸稈還田等措施)會(huì)使土壤TN含量增加[20]，而農(nóng)業(yè)用地除草等措施會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，使得土壤通氣通水，適宜大量的土壤微生物生長(zhǎng)繁殖，從而加速土壤N的分解消耗[32]。因此，貴州省土壤TN含量可能受施肥、土地利用類(lèi)型等因素的影響。在貴州省內(nèi)，對(duì)于土壤TN含量較低的區(qū)域，可采取施加氮肥、秸稈還田或減少農(nóng)業(yè)用地的翻耕等措施來(lái)增加土壤TN含量；對(duì)于土壤TN含量較高的區(qū)域，應(yīng)嚴(yán)格控制氮肥的用量。

貴州省土壤TP含量為0.74 g·kg-1，高于中國(guó)陸地土壤TP含量(0.56 g·kg-1)[33]，陜北黃土高原地區(qū)土壤SOC含量(0.39 g·kg-1)[18]，廣西喀斯特地區(qū)土壤SOC含量(0.28g·kg-1)[19]；低于全球陸地土壤TP含量(2.80 g·kg-1)[34]。相對(duì)中國(guó)陸地土壤TP含量，貴州省土壤TP含量處于較高的水平。貴州省地處緯度低的溫潤(rùn)地帶，土壤侵蝕強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤P風(fēng)化作用強(qiáng)，同時(shí)人為活動(dòng)干擾增強(qiáng)，增加了P含量；陜北黃土高原地區(qū)與廣西喀斯特地區(qū)，地表起伏大，降水豐富，不利于P的積累。表明環(huán)境條件不同導(dǎo)致TP含量存在差異。土壤P含量主要來(lái)源于巖石分化和施肥，相對(duì)于土壤C、N元素，P元素遷移率較低[35]。土壤TP含量變化受到土壤類(lèi)型、人為活動(dòng)及施肥等因素的影響[36]。研究表明，海拔梯度低土壤溫度高，加快了土壤的分化速率，P的累計(jì)增加，與此同時(shí)降雨加速了P的淋溶過(guò)程，不利于P的累積[10]。有機(jī)肥及磷肥的施加，可增加TP的含量，減少土壤P的固定[20]。因此，貴州省土壤TP含量可能受到施肥、土壤母質(zhì)等因素的影響。在貴州省內(nèi)，對(duì)于土壤TP含量較低的區(qū)域，可采取施加磷肥、秸稈還田或減少農(nóng)用地翻耕等措施來(lái)增加TP含量；對(duì)于土壤TP含量較高的區(qū)域，應(yīng)充分考慮P肥的效率并控制施加。

P≤0.05為差異顯著，P≤0.01為差異極顯著P≤0.05 and P≤0.01 mean a significant and a very significant difference,respectively

綜上所述，貴州省土壤SOC、TP含量明顯高于全國(guó)水平，TN含量低于全國(guó)水平，說(shuō)明貴州土壤C、P元素豐富，而N元素相對(duì)匱乏。整體來(lái)看，提高貴州省土壤肥力應(yīng)采取有機(jī)肥的施加、秸稈還田等措施；結(jié)合有機(jī)無(wú)機(jī)肥料的施加有利于控制土壤養(yǎng)分較高地區(qū)的土壤肥力。研究表明，貴州省土壤SOC、TN、TP具有中等程度的變異性，這與前人研究結(jié)果基本一致[23,37]，表明土壤C、N、P含量的分布差異均受到土壤類(lèi)型、人為活動(dòng)、氣候、地形等因素的影響。

3.2 貴州省表層土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征

由于土壤C、N、P受土壤動(dòng)物、植被、地貌、氣候、母巖、年代等土壤形成因子和人類(lèi)活動(dòng)的多重影響，土壤C、N、P總量很大，使其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比變異大[11-12,36]。C∶N是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，而土壤C、N元素的循環(huán)受其影響[38]。研究顯示，土壤C∶N與土壤氮素礦化速率和土壤有機(jī)碳分解速率成負(fù)相關(guān)[39-40]，當(dāng)土壤C∶N較低時(shí)，加快了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，使有機(jī)碳含量下降，不利于有機(jī)質(zhì)的積累[41]，因此土壤質(zhì)量相對(duì)較低。本研究中，貴州省土壤C∶N(14.27)均高于中國(guó)陸地土壤(12.30)[9]、全球陸地土壤(12.30)[42]、陜北黃土高原地區(qū)土壤(9.83)[18]及廣西喀斯特地區(qū)土壤(8.50)[19]。相對(duì)中國(guó)陸地土壤C∶N值，貴州省土壤C∶N值處于較高的水平，表明研究區(qū)土壤有機(jī)碳分解速率和土壤氮素礦化速率較低，有利于C的固存，土壤質(zhì)量相對(duì)較高。已有研究表明，土壤C∶N值受到人為活動(dòng)、氣候、海拔等的影響[13,33]。隨著人為干擾程度的增加而導(dǎo)致碳損失速率高于氮，人為施肥導(dǎo)致土壤中 N含量增加而使C∶N降低[37]，隨著海拔升高溫度降低，土壤有機(jī)碳分解減緩從而導(dǎo)致土壤C∶N增加[24]。因此，貴州省土壤C∶N的高低可能受到人為活動(dòng)、氣候、溫度等的影響。相關(guān)性分析得出，土壤C∶P與SOC的相關(guān)性大，因此土壤C∶N主要受SOC的控制，可根據(jù)調(diào)控SOC的高低增加C∶N值從而提高土壤質(zhì)量。

C∶P是衡量土壤磷素礦化能力的重要指標(biāo)，其高低會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[32-33]。若C∶P較高，不利于有機(jī)質(zhì)的分解且存在P受限，不利于植物的生長(zhǎng)，反之較低，有利于有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)土壤有效P的增加，利于植物生長(zhǎng)[43]。本研究中土壤C∶P值為50.92，低于中國(guó)陸地土壤(52.70)[9]、全球陸地土壤(72.00)[42]、廣西喀斯特地區(qū)土壤(209.2)[19]，高于陜北黃土高原地區(qū)土壤(14.66)[18]。相對(duì)中國(guó)陸地土壤C∶P值，貴州省土壤C∶P值處于低水平，表明土壤P凈礦化率較高，P有效性較高，有利于有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中養(yǎng)分的釋放以及植物生長(zhǎng)。已有研究表明，土壤C∶P受到地形、海拔、人為活動(dòng)等的影響[10,20]。土壤中的P大多以不溶態(tài)的土壤結(jié)合物形式存在，坡度較大的地區(qū)易發(fā)生P的流失[37]。隨著海拔的升高，溫度降低，降雨量減少，土壤P的可利用含量降低從而使得C∶P增加[44]。隨著人為干擾程度的增加，人為施肥可能導(dǎo)致土壤中P含量增加而使C∶P降低[37]。因此，貴州省土壤C∶P的高低可能受到地形、海拔、人為活動(dòng)的影響。相關(guān)性分析得出，與土壤C∶P相關(guān)性較大的為SOC，因此土壤C∶P主要也受SOC的控制。若提高農(nóng)作物等的生長(zhǎng)，可調(diào)控SOC的高低來(lái)控制C∶P值從而促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

N∶P被用于判斷限制性養(yǎng)分的閾值，可作為N飽和的診斷指標(biāo)。貴州土壤N∶P平均值為3.75，低于中國(guó)陸地土壤(3.90)[9]、全球陸地土壤(5.90)[42]、廣西喀斯特地區(qū)土壤(23.8)[19]；高于陜北黃土高原土壤(1.45)[18]。相對(duì)中國(guó)陸地土壤N∶P值，貴州省土壤N∶P值較低。表明該研究區(qū)土壤的限制因子為N，其土壤養(yǎng)分有效性低。已有研究表明，N∶P受到緯度、海拔、地形等的影響[18,37]。隨著緯度的增加伴隨著水熱條件的變化，土壤N∶P值顯著減小[18]。隨著海拔的變化使得植被生產(chǎn)力不同，進(jìn)而導(dǎo)致N的輸入不同，同時(shí)土壤性質(zhì)和氣候要素的不同導(dǎo)致土壤N淋溶、礦化和分解等過(guò)程不同，從而使土壤N∶P值不同[37]。相關(guān)性分析得出，土壤N∶P與TN的相關(guān)性較大，因此土壤N∶P主要受TN的控制，可通過(guò)調(diào)控TN含量控制N∶P值，增加土壤養(yǎng)分的有效性。

綜上分析，貴州省土壤與其他區(qū)域土壤的對(duì)比，土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比具有一定的空間變異性；SOC、TN是影響C∶N、C∶P、N∶P的主要因素。若控制C∶N、C∶P、N∶P值則可通過(guò)對(duì)SOC、TN、TP含量進(jìn)行調(diào)控。研究區(qū)域內(nèi)C∶N、C∶P、N∶P的變異系數(shù)為75.54 %、90.67 %、78.93 %，C∶N相對(duì)穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

貴州土壤SOC、TP、C∶N均高于全國(guó)平均水平，而TN、C∶P、N∶P均低于全國(guó)平均水平。土壤SOC、TN、TP及其化學(xué)計(jì)量比的變異系數(shù)均介于0.1～1，分別為SOC(71.22 %)、TN(61.61 %)、TP(79.73 %)、C∶N(75.54 %)、C∶P(90.67 %)、N∶P(78.93 %)。表明其存在中等程度的空間變異性，其中TN與C∶N的變異系數(shù)最小。SOC是影響TN、C∶N、C∶P 的主要因素。