不同土地利用方式下土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征

王 慧，郭月峰*，姚云峰，祁 偉，秦富倉，王佳坤

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

【研究意義】土壤是生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，也是人類賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，土壤中的C(碳)、N(氮)、P(磷)元素不僅參與土壤養(yǎng)分循化和轉(zhuǎn)化，影響植物生理代謝與生長發(fā)育的重要要素[2-3]，甚至影響生態(tài)系統(tǒng)的健康[4]。C、N、P三者及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量之間的動態(tài)平衡不僅影響著植被的生長速度及其恢復(fù)程度，也影響著土壤肥力和植物的生長發(fā)育，進(jìn)而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的演替過程[5-6]。土地問題會對土壤產(chǎn)生直接的影響，造成其表層C、N、P等營養(yǎng)元素大量流失[7]，地表植被對土壤變化發(fā)生不同程度的響應(yīng)，使其化學(xué)計(jì)量特征受到間接影響。不同土地利用方式下土壤C、N、P及其化學(xué)計(jì)量的變化可以反映土壤的養(yǎng)分損失程度，有助于反映不同植被覆蓋與土壤養(yǎng)分損失間的相互關(guān)系。同時土壤深度也是影響土壤養(yǎng)分的一個關(guān)鍵因子[8],隨著深度的改變，土壤的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征會呈現(xiàn)出差異性。【前人研究進(jìn)展】目前關(guān)于不同植被覆蓋下的深層土壤化學(xué)計(jì)量特征的研究較少，對相同生長環(huán)境條件下不同土地利用方式下不同土壤深度的土壤C、N、P 3種元素之間的關(guān)系及其化學(xué)計(jì)量特征的變化規(guī)律研究,有助于揭示養(yǎng)分在植物土壤間的循環(huán)特點(diǎn)以及不同植被覆蓋下土壤養(yǎng)分的供給能力有重要的意義。【本研究切入點(diǎn)】本文以達(dá)拉特旗中南部為研究區(qū)，通過對5種不同植被類型下C、N、P及其化學(xué)計(jì)量比的垂直分布進(jìn)行研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】揭示該區(qū)土地利用方式的調(diào)整對土壤理化性質(zhì)的影響，為該區(qū)合理高效利用土地資源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

達(dá)拉特旗東經(jīng)109°00'～110°45'，北緯40°00'～40°30'，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，海拔高度由南向北從1500 m降至1000 m，地形呈南高北低。典型的溫帶大陸性氣候，氣候干燥降，年均降水量240～360 mm，雨量少且多集中于7-9月，冬季寒冷夏季炎熱，晝夜溫差大，年均氣溫6～7 ℃。南部屬丘陵土石山區(qū)，地勢起伏較大；中部為庫布其沙帶，宜林宜牧；北部為沖積平原，地勢平坦，南中北部分別占總面積的24 %、49 %和27 %。研究區(qū)采樣點(diǎn)設(shè)置在達(dá)拉特旗南部丘陵區(qū)，土壤主要以栗鈣土為主，水土流失情況較為嚴(yán)重。

2 研究內(nèi)容與方法

選取不同土地利用方式進(jìn)行研究：喬木林地、耕地、草地、灌木林地、撂荒地，通過野外采樣、室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，對研究區(qū)不同土地利用方式下土壤碳氮磷及其化學(xué)計(jì)量比特征進(jìn)行研究。在采樣過程中考慮到樣地的代表性以及結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種土地利用方式分別隨機(jī)選取3個典型樣方，在樣方內(nèi)設(shè)置1 m×1 m的草本調(diào)查樣方和5 m×5 m灌木調(diào)查樣方用S型取樣法布設(shè)5個取樣點(diǎn)，在移除地表枯落物后利用土鉆分別取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm不同深度的土樣，將3個樣方土樣同層混合，去除植物根系和較大石塊,充分混勻并用四分法取混合土樣，裝入樣品做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室，研磨過篩用于測定土壤碳氮磷含量。

養(yǎng)分含量分析采用常規(guī)方法進(jìn)行測定，土壤有機(jī)碳(SOC)測定用外加熱—重鉻酸鉀容量法；全氮(TN)含量測定用Kjedahl消煮法；全磷(TP)含量采用鉬銻抗比色法測定。

數(shù)據(jù)處理采用Excel、Origin2018和 Canoco軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢相關(guān)性分析和冗余分析，采用質(zhì)量比表示土壤碳氮磷的化學(xué)計(jì)量比。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用方式下土壤 SOC、TN、TP特征

如圖1所示，SOC含量總體表現(xiàn)為喬木最高，灌木、草地、農(nóng)田依次下降，撂荒地SOC含量最低。隨著土層深度增加而不斷下降，同種植被類型在0～10、10～20、20～40 cm土層間均差異顯著(P<0.05)，而在40～60與60～80 cm土層間差異不顯著(P>0.05)，不同植被類型下在0～10、10～20和20～40 cm土層間土壤SOC含量的差異也呈現(xiàn)出相同趨勢，在40～60和60～80 cm土層灌木與草地、農(nóng)田與撂荒地差異不顯著，但灌木和草地分別與農(nóng)田和撂荒地有顯著性差異(P<0.05)。

研究區(qū)不同土地利用方式總體表現(xiàn)均為表層土壤含氮量最高，隨土層深度增加含氮量逐漸減少(圖2)。喬木和灌木在0～10，10～20，20～40 cm土層間均表現(xiàn)為差異性顯著。農(nóng)田與草地均表現(xiàn)為在0～10和10～20 cm土層間差異不顯著，但在10～20與20～40 cm土層間差異性顯著。撂荒地不同土層間無顯著差異。其余四種利用方式在40～60、60～80 cm土層均表現(xiàn)為差異不顯著。另外，不同植被類型下土壤TN 含量的差異總體表現(xiàn)為喬木>灌木>草地>農(nóng)田>撂荒地。在0～10和10～20 cm土層，5種利用方式之間差異均顯著；在20～40 cm土層，喬木與灌木、草地差異不顯著；在40～60 cm土層灌木與草地、農(nóng)田與撂荒地間無顯著差異。60～80 cm土層，喬灌草3種植被類型彼此之間均無顯著差異，農(nóng)田與撂荒地間差異不顯著。 研究區(qū)不同植被類型下0～80 cm土層TP平均含量為0.5～0.53 g/kg，除撂荒地外其余4種利用方式在0～10 cm土層中TP含量均相對最高，不同土層間土壤TP含量沒有特別大的變化，總體表現(xiàn)出越往底層含量越小的趨勢，但減小趨勢比較緩慢(圖3)。

圖1 不同土地利用方式下土壤 SOC含量特征Fig.1 Characteristics of soil SOC content under different land use patterns

3.2 不同土地利用方式下土壤 SOC、TN、TP生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征

研究區(qū)不同植被類型下土壤SOC、TN、TP含量不同，其土壤的C、N、P的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征也不同。如圖4所示，首先，不同土地利用方式下0～80 cm土壤C/N范圍在8.12～17.01 g/kg(表1)，并以喬木最高，草地和灌木次之，農(nóng)田和撂荒地最低，且在0～10 cm土層，喬木和農(nóng)田分別與其他植被差異顯著(P<0.05)，灌木、草地和撂荒地三者之間差異不顯著。在10～60 cm土層間，灌木和草地的C/N差異不顯著，農(nóng)田和摞荒地的差異也不顯著。在60～80 cm之間，喬木、灌木和草地之間差異不顯著，但是與農(nóng)田、摞荒地之間差異顯著(P<0.05)。對于同一土層的不同植被，喬木在0～40與40～80 cm兩土層間間差異顯著(P<0.05)。其余植被類型在不同土層之間土壤 C/N差異均未達(dá)到顯著水平。

圖3 不同土地利用方式下土壤TP含量特征Fig.3 Characteristics of soil TP content under different land use patterns

圖4 不同土地利用方式下土壤 C/N生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征Fig.4 Characteristics of soil C/N stoichiometry under different land use patterns

其次，不同植被類型下0～80 cm土壤碳磷的比值在1.91～12.19之間(表1)，并以喬木最高，不同植被類型對土壤C/P的影響均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。不同灌木類型同一土層C/P比值除灌木和草地間無顯著差異外，與其他不同植被類型在同一土層均有顯著差異(P<0.05)。同種植被不同土層表現(xiàn)為喬木在0～10和10～20 cm土層間、草地在0～40 cm土層間無顯著差異，喬木在10～20 cm和20～40 cm土層間、草地在20～40與40～60 cm間有顯著差異(圖5)。

不同土地利用方式下0～80 cm土壤N/P的值在0.19～0.92 g/kg(表1)，并以喬木最高，不同植被類型對土壤N/P的影響均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。不同灌木類型同一土層N/P比值除喬木與草地在0～10 cm間差異不顯著，灌木和草地在10～80 cm間同一土層其N/P比差異不顯著間外，與其他不同植被類型在同一土層的N/P均有顯著差異(P<0.05)。撂荒地在不同土層間均無顯著差異。同種植被不同土層表現(xiàn)為喬木灌木農(nóng)地在0～10、10～20、20～40 cm土層間均有顯著差異，在40～60、60～80 cm土層間無顯著差異。

圖5 不同土地利用方式下土壤 N/P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征Fig.5 Characteristics of soil N/P ecological stoichiometry under different land use patterns

圖6 不同土地利用方式下土壤 C/P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征Fig.6 Characteristics of soil C/P ecological stoichiometry under different land use patterns

可見，研究區(qū)不同植被類型土壤除C/N無明顯差異外，C/P和N/P化學(xué)計(jì)量比值均隨土壤深度增加而有不同程度下降，不同灌木類型之間的差異也隨土壤深度增加而減弱，各化學(xué)計(jì)量比值的平均值表現(xiàn)為喬木、灌木、草地顯著大于農(nóng)地撂荒地。

表1顯示，不同植被類型下土壤C/N、C/P 和 N/P范圍分別介于8.12～17.01、1.91～12.19、0.19～0.92 g/kg，均值分別為10.82、6.32、0.57 g/kg，變異系數(shù)分別為15.53 %、41.77 %、33.69 %，表明研究區(qū)不同土地利用類型土壤C/N 屬弱變異其值差異不大比較穩(wěn)定。土壤C/P和 N/P屬中等變異在幾種土地利用方式間變化較大，分析可知不同土層土壤C/P和N/P對不同土地利用方式的響應(yīng)要強(qiáng)于C/N。

表1 土壤SOC、TN、TP及化學(xué)計(jì)量比的統(tǒng)計(jì)分析

圖7 土壤SOC、TN、TP及其計(jì)量比的RDA分析Fig.7 RDA analysis of soil SOC, TN, TP and its measurement ratio

3.3 不同植被類型下土壤 SOC、N、P與其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性分析

圖7中RDA結(jié)果顯示：P-Value=0.002<0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。第一排序軸可以解釋總體的88.84 %，兩者共解釋了92.98 %的方差變化。在第一主軸上C、N的含量(相關(guān)系數(shù)分別為: 0.9725和0.9512)與土壤化學(xué)計(jì)量比具有顯著正相關(guān)關(guān)系。在第二主軸上P(相關(guān)系數(shù)為0.4080)與土壤化學(xué)計(jì)量比具有正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不強(qiáng)。分析發(fā)現(xiàn)，SOC相對于TP對C/P的影響較大，SOC相對于TN對C/N的影響較大，TN相對于TP對N/P的影響較大。

由表2可知，土壤SOC、TN、TP兩兩之間均呈正相關(guān)關(guān)系，表明研究區(qū)不同土地利用類型下土壤SOC、TN、TP相互之間的耦合關(guān)系顯著。如表2所示:土壤C/N與SOC相關(guān)性系數(shù)為0.846，C/N與SOC具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，與TN的相關(guān)系數(shù)為0.77，C/N與TN具有極顯著正相關(guān)關(guān)系;土壤C/P與SOC具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)性系數(shù)為0.996;與TP同樣具有極顯著正相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性系數(shù)為0.973；與TN具有顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.446，C/P與SOC 含量的相關(guān)性大于與TP含量的相關(guān)性。土壤N/P與TP、SOC、TN 均具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，N/P與土壤SOC、TN含量相關(guān)性高于與TP含量的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.524、0.986、0.994；綜上所述，研究區(qū)不同土地利用方式下SOC和TN與其土壤化學(xué)計(jì)量比具有較強(qiáng)的相關(guān)性。土壤C/N、C/P比值主要受土壤SOC含量的影響，N/P主要受到土壤SOC、TN含量的影響。

表2 土壤SOC、TN、TP及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)分析

注：** 在 0.01 水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)，* 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4 討 論

土壤養(yǎng)分是生態(tài)系統(tǒng)中植物營養(yǎng)的主要來源，不同的土地利用方式對土壤養(yǎng)分有顯著的影響。本研究中，研究區(qū)不同土地利用方式下土壤表層有機(jī)碳之間的差異極其顯著，表層有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它各層，且?guī)追N土地利用方式下土壤SOC含量在0～80 cm土層間垂直分布均呈“倒金字塔”狀，即隨土層深度增加呈逐漸下降的趨勢，這與已有研究結(jié)果一致[9]。一方面是因?yàn)轲B(yǎng)分在向下層輸移之前會先集聚于土壤表層[10]，另一方面土壤表層相對于底層來說，土壤中的微生物更多以及土壤結(jié)構(gòu)、通氣性更好，養(yǎng)分循環(huán)更快，這都有利于有機(jī)碳的積累，因而土壤有機(jī)碳含量表層顯著高于底層。

研究區(qū)土壤全氮含量的垂直分布在幾種土地利用方式之間的變化趨勢與有機(jī)碳相似，這與許多研究者的研究結(jié)果一致[11-12]。主要是因?yàn)橥寥辣韺幼鳛橥寥?、植被、大氣間物質(zhì)能量交換的界面，生物小循環(huán)過程旺盛，枯落物也集中在表層，在腐爛分解的過程中土壤養(yǎng)分發(fā)生變化，有機(jī)碳和全氮含量增加，使得表層全氮含量遠(yuǎn)高處底層[13]。

研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤SOC和TN變現(xiàn)為從喬木、灌木、草地、農(nóng)田到撂荒地含量逐漸降低，主要原因是研究區(qū)喬木覆蓋下的土壤植物殘?bào)w及枯枝落葉比較多，而且在根系分泌物發(fā)生分解的過程中，會釋放養(yǎng)分到土壤中，使喬木下土壤中SOC和TN含量增高[14]。研究區(qū)農(nóng)田土壤SOC和TN含量較低，一方面在常年頻繁且不合理的耕作下，土壤礦化作用增強(qiáng)，消耗大量有機(jī)質(zhì)過程中釋放的氮素大部分直接被農(nóng)作物吸收，另一方面研究區(qū)農(nóng)田地表無殘茬積累使得氮素淋失嚴(yán)重，最終導(dǎo)致土壤表層SOC和TN含量低[15]。

已有研究結(jié)果表明撂荒地在一定程度上可以恢復(fù)土壤肥力[16]。但是本研究中研究區(qū)撂荒地土壤SOC和TN含量顯著低于其他土地利用類型，主要是由于研究區(qū)的撂荒地退耕年限短地表暫無植被覆蓋土壤呈裸露狀態(tài)，水和風(fēng)等一些氣象因素直接作用于土壤，因而SOC和TN含量低與其他土地利用方式。

土壤磷含量的高低，主要受土壤母質(zhì)、成土作用和氣候的影響[17]。在研究區(qū)小尺度區(qū)域范圍內(nèi)土壤均發(fā)育于相同母質(zhì)，氣候變化也較為接近，且磷具有沉積性，遷移的可能性小。所以土壤TP含量變異相對較小，農(nóng)田土壤因耕作施肥的影響，土壤TP含量高于喬木林、灌木林和草地。

本研究結(jié)果表明，在研究區(qū)不同植被類型下除去全磷含量變化不明顯，土壤SOC和TN含量均隨著土層深度的增加而減小。這說明在研究區(qū)不同土地利用方式下不同植被類型的凋落物蓄積量和根系分泌物有所差別，對土壤養(yǎng)分含量的影響不同，導(dǎo)致不同土地利用方式對土壤的改良作用也有所不同。

土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量總質(zhì)量的比值，不僅可以作為衡量土壤養(yǎng)分供給的判斷指標(biāo)也可以反映土壤質(zhì)量及組分構(gòu)成。其中，C/N值的大小可以影響土壤碳氮循環(huán)所以常被用作敏感性指標(biāo)來判斷土壤質(zhì)量的變化[18]。有研究指出有機(jī)質(zhì)的分解過程中需要氮素的參與，但氮素消耗量與分解速率不成正比，消耗大而速率低，此時的C/N偏高。而當(dāng)C/N較低時，說明土壤的有機(jī)質(zhì)含量高且分解快礦化強(qiáng)，在一定程度上可以增加土壤 TN含量[19]。

本研究結(jié)果表明不同土層之間土壤C/N波動較小，差異不是十分明顯，其值基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，與其他研究結(jié)果一致[20-21]。這主要是因?yàn)樵谘芯繀^(qū)土壤中TN的分布與SOC具有相似的變化規(guī)律，當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時土壤SOC和TN幾乎可以在同一時間做出響應(yīng)。本研究中，土壤C/N低于中國陸地土壤均值，說明研究區(qū)的有機(jī)質(zhì)分解速率處于較低水平。土壤C/P的值可以用來判斷土壤TN的有效性[22]。本研究中土壤C/P的值比較低，且低于中國土壤C/P含量的平均水平[23]。N/P可以用于確定N飽和，判斷養(yǎng)分限制重要指標(biāo)之一[24]。本研究中，不同利用方式下N/P的范圍在0.19～0.92，明顯低于其他研究結(jié)果[25]，表現(xiàn)為喬木>灌木≈草地>農(nóng)田>撂荒地，說明研究區(qū)土壤的氮素較為缺乏，植被生長會因此受到不同程度的限制，且研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田、草地以及灌木較喬木更易受到氮素影響。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)不同土地利用方式下0～80 cm土層SOC、TN、TP平均含量分別在1.58～4.94、0.39～0.16、0.54～0.5 g/kg之間變化。不同利用方式下土壤全磷含量變化不是很明顯，但隨土壤深度増加SOC、TN含量表現(xiàn)逐漸減少，但遞減的趨勢會隨著深度增加逐漸減弱。土壤SOC、TN較TP更為明顯受到利用方式的影響。 且不同利用方式下各元素含量在土壤表層呈現(xiàn)出不同程度的差異性，表現(xiàn)為喬木>灌木>草地>農(nóng)地>撂荒地，喬木灌木對改善土壤質(zhì)量及養(yǎng)分有積極作用。研究區(qū)的氣候和土壤條件相近，除某些環(huán)境因素可能對土壤中的碳氮磷產(chǎn)生影響外，不同利用方式下植物的凋落物蓄積量和根系分泌物的差異導(dǎo)致植被與土壤間養(yǎng)分吸收與歸還量出現(xiàn)差異，是土壤各元素含量差異的主要原因。

(2)研究區(qū)不同土地利用方式下土壤C/N較為穩(wěn)定，變異系數(shù)最小，低于中國C/N平均水平，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)分解速率較低。C/P、N/P屬于中等變異，受土地利用方式的影響較大，在磷素含量與他人研究結(jié)果相差不大的情況下，N/P值低于全國平均水平，研究區(qū)不同植被的生長主要受氮素的營養(yǎng)限制。

(3)研究區(qū)不同土地利用方式下SOC和TN與其土壤化學(xué)計(jì)量比具有較強(qiáng)的相關(guān)性相互之間的耦合關(guān)系顯著。SOC相對于TP對C/P的影響較大，SOC相對于TN對C/N的影響較大，TN相對于TP對N/P的影響較大。所以，研究區(qū)土壤C/N、C/P比值主要受土壤SOC含量的影響，N/P主要受到土壤SOC、TN含量的影響。