黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分及生態(tài)化學(xué)計量特征

夏光輝， 郭青霞， 盧慶民， 杜 軼， 康 慶

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 山西 太谷 030800; 2.山西省永和縣水利局, 山西 永和 041400)

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是一門在結(jié)合生態(tài)學(xué)和化學(xué)計量學(xué)理論的基礎(chǔ)上來研究生態(tài)系統(tǒng)能量和多種化學(xué)元素平衡的學(xué)科[1-2]。碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)等化學(xué)元素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分也是植物生長發(fā)育所必需的元素，土壤中C，N，P，K的生態(tài)化學(xué)計量特征會影響到生態(tài)系統(tǒng)中植物的生長發(fā)育、種群結(jié)構(gòu)以及群落演替，土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的交換場所，土壤中各種養(yǎng)分之間存在著一定的耦合關(guān)系，單方面考慮土壤中某種元素的含量是不全面的，還需要了解元素之間的關(guān)系及比例[3-5]。土壤在全球C，N循環(huán)中扮演者重要的角色，全球土壤有機碳庫的有機碳儲量在1 200～2 500 Pg之間，約是大氣碳儲量的2倍，植被碳儲量的2～3倍。同時土壤還具有巨大的氮匯能力，土壤中的P，K元素在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，是限制植物生長的重要因素之一[6-7]。因此，了解土壤中養(yǎng)分元素的生態(tài)化學(xué)計量特征對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

黃土丘陵區(qū)是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，嚴(yán)重土壤侵蝕導(dǎo)致土壤中的C，N，P，K等營養(yǎng)元素大量的流失，不僅造成面源污染還會致使土壤貧瘠影響植物的生長發(fā)育，形成惡性循環(huán)[8-9]。近些年來，我國黃土丘陵地區(qū)實施了一系列的生態(tài)恢復(fù)措施來改變這一現(xiàn)狀，退耕還林(草)、坡改梯工程、淤地壩建設(shè)等一系列生態(tài)恢復(fù)措施可以有效地減少土壤侵蝕，從而起到固土保肥和恢復(fù)植被等生態(tài)作用[10-12]。探究黃土丘陵區(qū)不同生態(tài)恢復(fù)措施土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計量特征具有重要的實踐意義。近些年來，在針對黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計量特征研究日益豐富，主要聚焦于不同植被種類或密度、不同自然條件對土壤和植物組織化學(xué)計量比的影響[13-16]。在不同生態(tài)恢復(fù)措施及不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分生態(tài)計量特征的影響研究方面也有較多的研究[17-18]，但很少對土壤養(yǎng)分做出系統(tǒng)全面的闡述。為此，本文以黃土丘陵區(qū)典型小流域為研究區(qū)，通過比較因生態(tài)工程實施而造成的土地利用方式改變前后土壤的全量養(yǎng)分以及生態(tài)化學(xué)計量特征的差異，揭示不同土地利用方式對黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)所起到的作用。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概括

岔口小流域位于山西省永和縣、隰縣、石樓縣三縣交界處的芝河流域源頭地帶，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)的代表性流域，流域面積為131.91 km2(36°47′26″—36°57′14″N，110°38′01″—110°50′02″E)。流域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫約8.6 ℃，年降雨量約為530.9 mm，且多集中在7—9月份。流域內(nèi)地形地勢復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，經(jīng)濟來源主要以第一產(chǎn)業(yè)為主。近些年來，為了改善流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，岔口小流域?qū)嵤┝艘幌盗猩鷳B(tài)恢復(fù)措施，退耕還林、坡改梯工程，地埂核桃經(jīng)濟林工程等改變了原有的土地利用方式，促進(jìn)了流域生態(tài)的恢復(fù)。其中，坡改梯工程和核桃林不僅能夠起到生態(tài)恢復(fù)作用還兼顧經(jīng)濟效益。

1.2 樣地設(shè)置及樣本采集

通過實地調(diào)查、走訪相關(guān)政府部門與當(dāng)?shù)鼐用?，結(jié)合遙感影像分別選取退耕還林地(林地)、坡改梯地(梯田)，核桃林地(園地)和坡耕地各4塊樣地，每個樣地在相似坡位處設(shè)置3個20×20 m的樣方，在同一個樣方內(nèi)分別采取0—20 cm，20—40 cm 2個土層的樣品，每個樣品是由“S”采樣法采取5個樣點混合而成。流域共采取土壤樣品96個。各類樣地信息詳見表1。

表1 岔口流域不同土地利用方式采樣樣地特征描述

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

土樣的測定：土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法，全磷(TP)采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法，全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融分光光度法[19]；元素化學(xué)計量比采用質(zhì)量比[12]。采用SPSS 25對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計和Pearson相關(guān)系數(shù)的計算，用DPS進(jìn)行多重比較(LSD),制圖軟件采用SigmaPlot 14.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤全量養(yǎng)分變化特征

表2和圖1—2的統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)梯田、林地、園地0—40 cm SOC的含量的均值分別為4.07，7.23和3.24 g/kg，分別是對照坡耕地(2.96 g/kg)的1.38，2.44，1.09倍，林地和梯田0～40 cm SOC含量顯著(p<0.05)大于坡耕地，園地與坡耕地的差異不明顯。土壤N含量方面，各樣地0—40 cm土壤TN含量分別為0.72，1.09，0.69和0.41 g/kg，梯田、林地、園地TN含量分別是對照坡耕地的1.76，2.66和1.68倍，3種生態(tài)恢復(fù)措施土壤TN含量均顯著(p<0.05)的大于坡耕地。4種樣地SOC，TN含量在各層的分布都表現(xiàn)為上層(0—20 cm)顯著(p<0.05)的大于下層(20—40 cm)，變異系數(shù)方面，流域SOC和TN的變異系數(shù)分別分布在5.08%～42.72%，12.31%～22.65%之間，SOC和TN變異系數(shù)在各樣地之間的大小都表現(xiàn)為：園地>林地>梯田>坡耕地的規(guī)律。

表2 不同土地利用方式下土壤C，N，P，K及C:N描述性統(tǒng)計

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，0—40 cm土壤數(shù)據(jù)為0—20 cm，20—40 cm土壤數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，不同字母代表同一措施不同土層間差異性顯著(p<0.05)。下同。

研究區(qū)土壤P，K元素方面，由圖1可知，梯田、林地、園地與坡耕地0—40 cm土壤TP含量差異不顯著，分別為0.61，0.60，0.60和0.59 g/kg，梯田、林地土壤TP上下層差異性不顯著，園地和坡耕地土壤TP含量表現(xiàn)為上層顯著(p<0.05)的大于下層，各樣地土壤TP的變異系數(shù)也都分布在6.75%～11.24%之間，變異程度較弱。

0—40 cm土壤TK含量在各個樣地之間表現(xiàn)為：梯田>林地>園地>坡耕地，分別為18.07，15.95，15.82和15.59 g/kg，梯田TK含量顯著大于坡耕地，林地和園地與坡耕地的差異并不顯著，同一類樣地不同土層之間，除了園地上層土壤TK含量大于下層外，其余3種樣地的土壤TK含量在上下土層之間差異不明顯。

注：不同大小寫字母分別表示同一土層不同土地利用方式在0.01，0.05水平下顯著。下同。

2.2 不同土地利用方式下土壤生態(tài)化學(xué)計量比變化特征

由圖2可知，流域各樣地0—40 cm土壤C∶N均值大小表現(xiàn)為：坡耕地>林地>梯田>園地，坡耕地土壤C∶N均值顯著(p<0.05)的大于梯田和園地，略高于林地但無顯著性差別，研究區(qū)樣地土壤C∶N總體分布在8.90～2.17范圍內(nèi)，變異系數(shù)在8.88%～30.82%，林地0—20 cm土壤C∶N變異系數(shù)最大，坡耕地0—20 cm土壤C∶N變異系數(shù)最小。各樣地不同土層間，除了園地上下層之間土壤C∶N比差異性顯著(p<0.05)外，其余3種樣地上下層含量無顯著差別。研究區(qū)土壤C∶P，C∶K，N∶P均值在各樣地0—40 cm土壤中表現(xiàn)為：林地>梯田>園地>坡耕地。其中，林地0—40 cm土壤的C∶P，C∶K，N∶P均值都極顯著(p<0.01)大于坡耕地；梯田0—40 cm土壤C∶P顯著(p<0.05)的大于坡耕地，N∶P極顯著(p<0.01)的大于坡耕地，而C∶K值差異不顯著；園地0—40 cm土壤N∶P極顯著的大于坡耕地，而C∶P，C∶K值與坡耕地差異不明顯。各樣地C∶P，C∶K值在不同土層之間都表現(xiàn)為上層顯著(p<0.05)大于下層，梯田和園地N∶P值上下層無顯著差別，林地和坡耕地N∶P值表現(xiàn)出上層顯著的大于下層。研究區(qū)3種生態(tài)恢復(fù)措施土壤N∶K值都極顯著的大于坡耕地，在各個樣地的大小表現(xiàn)為：林地>園地>梯田>坡耕地，0—40 cm土壤P∶K值在各個樣地的含量差異性不大，不同土層之間的含量也無顯著性差別(表3)。

2.3 不同土地利用方式下土壤全量養(yǎng)分和化學(xué)計量比之間的關(guān)系

表4中的計算結(jié)果顯示，全量養(yǎng)分元素方面，C-N和N-K元素之間呈現(xiàn)出極顯著(p<0.01)的正相關(guān)外，其他元素兩兩之間相關(guān)性不顯著；全量養(yǎng)分與化學(xué)計量比之間,C，N分別與除P∶K之外的化學(xué)計量比都有極顯著的相關(guān)性，P元素與N∶P呈現(xiàn)出顯著(p<0.05)的負(fù)相關(guān)性，與P∶K有著極顯著的正相關(guān)性，K元素與N∶K，P∶K分別有著顯著和極顯著的負(fù)相關(guān)性；各計量比之間，除P∶K與各計量比相關(guān)性不顯著之外，其余各計量比兩兩之間都有極顯著的正相關(guān)性。由圖3可知，流域土壤C-N，N-CN，N-NP，N-NK之間呈現(xiàn)出極顯著的三次函數(shù)關(guān)系，土壤C-CP，C-CK，P-PK，K-PK之間有極顯著的二次函數(shù)關(guān)系，C-CN之間是極顯著的指數(shù)型函數(shù)關(guān)系，其余指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系不明顯。

圖2 不同土地利用方式下土壤計量比多重比較結(jié)果

3 討 論

3.1 不同土地利用方式對土壤C，N，P，K含量的影響

土壤C，N，P，K是植物生長發(fā)育所必需的的元素，也是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[20-21]。研究區(qū)梯田、林地、園地3種生態(tài)恢復(fù)措施相比于坡耕地土壤C含量提高了0.38，1.44，0.09倍，土壤N含量提高了0.76，1.66，0.68倍。杜寧寧等[22]研究發(fā)現(xiàn)土地利用方式轉(zhuǎn)變后會影響土壤的碳氮循環(huán)的強度，李欣雨等[23]認(rèn)為土地利用方式的變化會影響到SOC的礦化速率，有機質(zhì)是土壤的主要C源和N源[24]，SOC和TN含量在不同土地利用方式下存在差異，除了自身環(huán)境因素的影響外，有機質(zhì)輸入的數(shù)量和質(zhì)量也會對SOC和TN 的含量產(chǎn)生重大的影響，3種生態(tài)恢復(fù)措施中林地的植物殘體輸入量最高，其SOC和TN 增加也最為明顯，梯田除了部分秸稈還田外，土壤中還保留著大量的根系組織，為土壤提供了大量的C和N源，而坡耕地由于管理方式和自身環(huán)境條件，C源和N源相對匱乏，坡耕地耕作頻繁使土壤中的大團(tuán)聚體遭到破壞，嚴(yán)重的土壤侵蝕造成土壤中的N元素大量流失。3種生態(tài)恢復(fù)措施顯著的改變了原有坡耕地的植被和坡度等因素，有利于土壤特別是表層土壤C，N元素的積累。

3種生態(tài)恢復(fù)措施0—40 cm土壤TP含量與坡耕地差別都不明顯，這與李占斌[12]、曾全超等[25]人的研究結(jié)論一致，但不同于張晗等[20]人的,這可能是因為所處的研究區(qū)不同，研究區(qū)土壤的類型、成土母質(zhì)、氣候條件、管理方式、特別是成土母質(zhì)不同所導(dǎo)致的[1,21]；不同生態(tài)恢復(fù)措施各層土壤在TK含量上呈現(xiàn)出：梯田>林地>園地>坡耕地，其中，梯田極顯著的大于坡耕地，林地、園地和坡耕地?zé)o顯著性差別，TK含量主要受到成土母質(zhì)的影響,梯田土壤TK含量顯著大于坡耕地可能是因為施肥的原因所導(dǎo)致[26]。

表3 不同土地利用方式下土壤化學(xué)計量比描述性統(tǒng)計

表4 各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

注：**表示顯著性水平為0.01，*表示顯著性水平為0.05。

從C，N，P，K在不同恢復(fù)措施土壤的垂直分布上看，梯田、林地和園地0—20 cm土壤全量養(yǎng)分的均值均大于20—40 cm，其中除了梯田和林地0—20 cm土壤TP和TK含量與20—40 cm的不顯著以外，其他恢復(fù)措施土壤的全量指標(biāo)均在p<0.05水平下有顯著差別。表層最容易受到外界環(huán)境的影響，人為干擾和動植物殘體主要作用于表層，加上表層土壤土質(zhì)疏松，土壤的水、肥、氣、熱條件和微生物活性優(yōu)于深層土壤，導(dǎo)致表層土壤的理化性質(zhì)和水肥條件優(yōu)于深層土壤,這與其他文獻(xiàn)的研究結(jié)論基本一致[27-28]。

圖3 流域0-40 cm土壤全量養(yǎng)分及計量比之間的函數(shù)關(guān)系

3.2 不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分元素化學(xué)計量比的影響

流域各樣樣地土壤C∶N指標(biāo)在不同土層上均表現(xiàn)為:坡耕地>林地>梯田>園地，但4種樣地土壤C∶N值明顯的小于25，C∶N值與有機質(zhì)分解釋放出的N的數(shù)量成反比，C∶N值越小，說明有有機質(zhì)分解和礦化的速度較快，不利于養(yǎng)分的積累[1,29],3種樣地中，由于林地土壤蓄水能力強，植物殘體多使得林地土壤C源相對充足，土壤N素礦化速率低，所以導(dǎo)致林地的C∶N值高于梯田和園地，而坡耕地C∶N值較高的原因是由于頻繁的翻耕導(dǎo)致土壤中的N元素大量流失，并且坡耕地微生物活性相對較低，C的礦化速率較低，最終導(dǎo)致坡耕地土壤C∶N值顯著高于3種土地利用方式[20]。3種恢復(fù)措施中，林地更有助于促進(jìn)土壤有機質(zhì)的腐殖化過程，有利于土壤養(yǎng)分特別是C，N元素的富集，具有更好的生態(tài)恢復(fù)效果。

4種樣地0—40 cm土壤C∶P和N∶P指標(biāo)有：林地>梯田>園地>坡耕地的規(guī)律，土壤中的P元素對植物的生長起著重要作用，C∶p值通常被認(rèn)為是土壤P元素礦化的指標(biāo)，也是土壤有機質(zhì)礦化釋放出P素和從環(huán)境中固持P素的指標(biāo)[3,24,30]，流域0—40 cm土壤C∶P均值的范圍為5.36～12.17，遠(yuǎn)低于我國土壤C∶P的均值61，有研究表明當(dāng)C∶P值<200時，土壤微生物C素含量會在短時間內(nèi)增加，P素含量也會出現(xiàn)凈礦化，土壤中P素含量會增加[30-31]，4種樣地土壤C∶P值都遠(yuǎn)小于200，說明流域植被的生長不會受到P元素的限制。N，P元素被認(rèn)為是陸地生態(tài)系統(tǒng)的限制性元素，N∶P常被用來作為養(yǎng)分閾值的確定和土壤養(yǎng)分限制因子的診斷[32-33]。流域0—40 cm土壤N∶P的范圍為：0.64～1.84，同樣低于全國土壤N∶P均值5.2，說明流域土壤中N素相對缺乏。

流域土壤C∶K均值在不同土地利用方式中表現(xiàn)為：林地>梯田>園地>坡耕地，N∶K均值表現(xiàn)為：林地>園地>梯田>坡耕地，由于除了梯田土壤K元素異常突出外，其他3種樣地K元素含量差異不大，所以N∶K指標(biāo)主要受到N元素含量的影響。P∶K值在4種樣地0—40 cm土壤中表現(xiàn)為：園地>林地>坡耕地>梯田，其中，林地的C∶K均值極顯著的大于坡耕地，主要是因為林地土壤的C含量大于坡耕地，當(dāng)前大多數(shù)相關(guān)研究都集中在C，N，P的研究上，對土壤K元素以及K和其他元素計量比的研究相對缺乏[30],流域土壤TK含量處在第二次全國土壤養(yǎng)分分等定級中的第3等級，高于西南喀斯特地區(qū)(3.33 g/kg)[29]和湖南平江縣福壽山杉木林地(5.52 g/kg)[3]，土壤TK含量相對較高，相對來講C，N元素相對缺乏。

4 結(jié) 論

(1) 與坡耕地相比，流域因生態(tài)恢復(fù)措施導(dǎo)致的土地利用方式的變化能夠顯著的增加土壤中C，N的含量，P，K含量雖無顯著性變化，但含量有所增加。梯田、林地、園地SOC含量分別是坡耕地的1.38，2.44，1.09倍，土壤TN含量分別是坡耕地1.76，2.66，1.68倍，林地相比于其他生態(tài)恢復(fù)措施對C，N元素的固定更為理想。

(2) 流域土壤C∶N值相對較低，不利于有機質(zhì)的積累，C∶K，C∶P主要受C元素的影響，N∶P，N∶K受N元素的影響較大，C，N為流域土壤養(yǎng)分的限制元素，應(yīng)進(jìn)一步實施生態(tài)恢復(fù)措施，增加土壤中C，N元素的含量。

(3) 流域土壤元素之間具有穩(wěn)定的耦合關(guān)系，C-N之間的耦合關(guān)系在維持元素平衡方面起著主要的作用。