云南哈尼梯田系統(tǒng)土壤碳氮的時(shí)空分布特征

馬建剛，宋維峰，毛 頔，寇 恒

（西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224）

云南紅河哈尼梯田是我國(guó)勞動(dòng)人民上千年勤勞智慧的結(jié)晶，作為典型稻作農(nóng)業(yè)文明，受到國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注和研究。在空間結(jié)構(gòu)上，哈尼梯田系統(tǒng)具有特殊的森林-村莊-梯田-河流“四素同構(gòu)”特點(diǎn)[1-2]，哈尼人民將上部森林水、雨水徑流作為灌溉水和養(yǎng)分物質(zhì)傳輸交換的動(dòng)力與媒介，將村內(nèi)糞肥、森林養(yǎng)分等輸運(yùn)進(jìn)農(nóng)田，最終流入下游河道[3-5]。多年來(lái)眾多學(xué)者針對(duì)哈尼梯田的歷史、發(fā)展、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水文循環(huán)以及梯田養(yǎng)肥特征等進(jìn)行了研究[1-7]，以揭示哈尼梯田的形成歷史和維持機(jī)制，來(lái)保護(hù)我國(guó)優(yōu)秀的農(nóng)業(yè)文明并服務(wù)于現(xiàn)代山地農(nóng)業(yè)。

土壤有機(jī)碳和氮素不僅可以為農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)元素，而且對(duì)于維持土壤良好的物理結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用[7-8]，所以土壤有機(jī)碳和氮素動(dòng)態(tài)一直是近年來(lái)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。已有研究表明，哈尼梯田區(qū)域的土壤有機(jī)碳和氮素水平比較高[9-11]，在同一山坡上存在海拔空間分異性，主要表現(xiàn)為養(yǎng)分含量低海拔梯田高于高海拔梯田[9-10]，然而在縣域宏觀尺度上不同農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異不顯著[11]。已開(kāi)展的土壤養(yǎng)分研究多以縣域尺度不同海拔的梯田為分組對(duì)象，大尺度不同海拔梯田間的水分、養(yǎng)分以及土地演化的關(guān)聯(lián)性較弱，對(duì)于具有林田演化歷史和水分、養(yǎng)分聯(lián)系的片區(qū)土地碳、氮含量及分布研究很少，為此本研究以云南紅河哈尼梯田中具有密切林田空間關(guān)系和水肥輸移聯(lián)系的小寨村林草地（喬木林、灌木林、荒草地）與梯田（上部、中部、下部）土壤為對(duì)象，分析林草地和梯田土壤碳氮時(shí)空分布特征，旨在為哈尼梯田的水肥利用特征及其可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南紅河元陽(yáng)縣麻栗寨河流域上游的全福莊小流域小寨村，是哈尼梯田“四素同構(gòu)”生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，小寨村上部是森林、草地，次上部是村莊，中下部是梯田、底部是河流，面積79.9 hm2，海拔1 720～2 073 m，氣候?qū)賮啛釒降丶撅L(fēng)氣候，相對(duì)濕度為85%，年平均霧期180 d，多年平均降水量為1 397.6 mm，降水主要集中在5月—10月，占全年降雨量的78%，多年平均氣溫為20.5℃，年平均日照時(shí)數(shù)為1 820.8 h，年蒸發(fā)量為1 184.1 mm[12]。2017年全年降雨量為1 501 mm，平均氣溫為16.5℃，詳見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)2017年月降雨量及平均氣溫Table 1 Monthly rainfall and average temperature of the study area in 2017

研究區(qū)內(nèi)整體坡向?yàn)檎龞|向，主要土地利用方式為林草地、梯田和村莊，其中梯田面積33.79 hm2，林草地面積40.06 hm2（喬木林39.06 hm2、灌木0.67 hm2、荒草地0.33 hm2），村莊硬化面積 3.04 hm2。林草地主要植物有印度木荷（Schima khasiana Dyer）、旱冬瓜（Alnus nepalensis D.Don）、西南山茶（Camelliajaponica）、元江拷（Castanopsis orthacantha Franch.）、榿木（Alnus cremastogyne Burk.）、臭牡丹（Clerodendrum bungei Steud）、漿果櫟（Quercus coccifera）等。梯田種植一季水稻，品種以綠平谷為主，4月—5月插秧，10月成熟，插秧前施用部分以牲畜糞肥為主的農(nóng)家肥，每畝100～150 kg；插秧后2星期內(nèi)施用化肥，尿素和普鈣，1 hm2施用約450 kg，插秧后1個(gè)月左右（5月—6月）的村內(nèi)糞肥在人為管理下通過(guò)水分沖施依次進(jìn)入溝渠和梯田，其他時(shí)期的糞肥除集中管理的農(nóng)戶個(gè)人糞肥外，也隨著降雨徑流等持續(xù)地進(jìn)入溝渠和農(nóng)田。除收割季節(jié)外梯田不放水，常年有水。該區(qū)域水分流動(dòng)主要線路如圖1所示。

1.2 土壤采樣、測(cè)定與統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)土壤以黃棕壤為主，其他基本特征見(jiàn)表2。根據(jù)研究區(qū)土地利用空間分布和灌溉水流向，首先將其分為林草地和梯田2種主要土地利用類(lèi)型，其中林草地又分為喬木林、灌木林、荒草地3個(gè)采樣區(qū)，梯田沿主灌渠分為上部、中部、下部3個(gè)采樣區(qū)，采樣點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖1。

表2 云南哈尼梯田不同采樣點(diǎn)的基本特征Table 2 Basic characteristics of sampling points

圖1 采樣點(diǎn)位置圖Figure 1 Schematic diagram of sampling point location

樣品采集時(shí)間為2017年1月—12月，每月中旬采集1次，每個(gè)采樣區(qū)在同一海拔范圍內(nèi)選擇3個(gè)采樣點(diǎn)，喬木和灌木林地采樣點(diǎn)樣方面積為5 m×5 m，草本為1 m×1 m，林草地的采樣點(diǎn)距離大于50 m；上、中、下部位梯田分別選擇同一海拔部位內(nèi)的3塊不同田面作為采樣點(diǎn)，梯田面積260～430 m2不等，林草地采樣點(diǎn)內(nèi)沿對(duì)角線，田面內(nèi)沿長(zhǎng)軸方向使用不銹鋼土鏟分別均勻采集3處0～20 cm土層的土樣混合樣約500 g作為一個(gè)采樣點(diǎn)的樣品，采集土壤后裝入聚乙烯瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、去除根系后，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳和全氮含量等指標(biāo)。

土壤有機(jī)碳含量采用《土壤有機(jī)碳的測(cè)定重鉻酸鉀氧化-分光光度法》（HJ 615-2011）方法測(cè)定[13]；土壤全氮采用《土壤質(zhì)量全氮的測(cè)定凱氏法》（HJ 717-2014）方法測(cè)定[14]。

由于喬木林、灌木林和荒草地面積差異較大，林草地平均值采用以喬木林、灌木林和荒草地面積為基數(shù)的加權(quán)平均值。梯田平均值采用3個(gè)采樣區(qū)平均值，研究區(qū)的總體平均值為林草地加權(quán)均值與梯田均值下的加權(quán)平均值。統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS軟件進(jìn)行，使用單因素方差分析了不同采樣點(diǎn)對(duì)哈尼梯田碳氮含量的影響，使用雙因素方差分析了不同地類(lèi)不同季節(jié)對(duì)哈尼梯田碳氮含量的影響。

圖表分別采用excel和origin軟件繪制。其中變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值（%），變異系數(shù)（C.V.）≤10%為弱變異性，10%＜C.V.＜100%為中等變異性，C.V.≥100%為強(qiáng)變異性[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈尼梯田土壤碳、氮的空間分布特征

云南哈尼梯田不同土地利用類(lèi)型的土壤有機(jī)碳、全氮含量的統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表3。

不同土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量為35.67～66.40 g/kg，平均值為50.69 g/kg，總體變異系數(shù)為25.33%，為中等變異，林草地平均有機(jī)碳含量（66.06 g/kg）顯著高于梯田（37.72 g/kg）。喬、灌、草樣地間的土壤有機(jī)碳含量存在顯著差異，并且表現(xiàn)為喬木林＞灌木林＞荒草地，變異系數(shù)為15.50%，為中等變異。梯田3個(gè)部位的土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為中部（40.75g/kg）＞上部（36.74 g/kg）＞下部（35.67 g/kg），變異系數(shù)為7.09%，屬于弱變異，上部梯田與下部梯田土壤有機(jī)碳含量差異顯著 ，中間與上、部位梯田土壤有機(jī)碳差異不顯著。

不同土地利用類(lèi)型的土壤全氮含量為1.97～2.373 g/kg，平均值為2.31 g/kg，總體變異系數(shù)7.31%，為弱變異，林草地土壤全氮平均值含量（2.37 g/kg）與梯田（2.25 g/kg）差異不顯著。喬木林與灌木林、荒草地土壤全氮含量差異顯著，但灌木林地和荒草地間差異不顯著，具體表現(xiàn)為喬木林＞灌木林＞荒草地，變異系數(shù)為9.45%，為弱變異。梯田3個(gè)部位的土壤全氮含量由高到低表現(xiàn)為上部（2.37 g/kg）＞中部（2.27 g/kg）＞下部（2.11 g/kg），變異系數(shù)為5.76%，屬于弱變異。上部與下部梯田的土壤全氮含量差異顯著水平，而中部與上、下部梯田土壤全氮差異均不顯著。

2.2 哈尼梯田土壤碳、氮年內(nèi)變化特征

哈尼梯田不同土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳、全氮含量的變化見(jiàn)圖2和圖3，以季度為時(shí)段的圖表見(jiàn)圖4與圖5。

圖2 不同位置各月份土壤有機(jī)碳含量Figure 2 Soil organic carbon content in different locations and months

圖3 不同位置各月份土壤全氮含量Figure 3 Soil total nitrogen content in different locations and months

圖4 土壤有機(jī)碳的季度分布Figure 4 Seasonal distribution of soil organic carbon

圖5 土壤全氮的季度分布Figure 5 Seasonal distribution of soil total nitrogen

表3 云南哈尼梯田不同土地利用類(lèi)型的土壤有機(jī)碳、全氮含量的統(tǒng)計(jì)特征（n=36）Table 3 Statistical characteristics of soil organic carbon and total nitrogen in each month(n=36)

從圖2可以看出，隨著時(shí)間變化，不同土地利用類(lèi)型的土壤有機(jī)碳含量波動(dòng)明顯，林草地波動(dòng)大于梯田，梯田中部波動(dòng)大于上部和下部。月份間的變異系見(jiàn)表3，大部分屬于中等變異，但通過(guò)方差分析得知，研究區(qū)整體上及林草地、梯田土壤有機(jī)碳月份間差異不顯著（P＞0.05）。從季度上劃分可知（圖4），哈尼梯田系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量從高到低依次為第三季度（56.69 g/kg）＞第二季度（53.99 g/kg）＞第四季度（51.76 g/kg）＞第一季度（50.35 g/kg）；林草地土壤有機(jī)碳含量在不同季度變化與研究區(qū)在總體上一致；梯田從高到低依次為第四季度（40.01 g/kg）＞第一季度（37.51 g/kg）＞第三季度（37.20 g/kg）＞第二季度（37.10 g/kg）。林草地、梯田及整個(gè)研究區(qū)土壤有機(jī)碳在4個(gè)季度間的差異均不顯著（P＞0.05）。

從圖3可以看出，隨著時(shí)間變化不同土地利用類(lèi)型上土壤全氮含量波動(dòng)明顯，其中林草地土壤全氮含量在3月—5月份較高，8月—11月份較低；梯田則表現(xiàn)為5月—7月份高，8月—11月份低。林草地土壤全氮含量在月份間差異不顯著（P＞0.05），研究區(qū)整體及梯田在不同月份間差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。從季度上劃分（圖5），哈尼梯田土壤全氮從高到低依次為第二季度（2.53 g/kg）＞第一季度（2.33 g/kg）＞第四季度（2.20 g/kg）＞第三季度（2.19 g/kg）；林草地的土壤全氮含量在不同季節(jié)的變化與研究區(qū)一致；梯田土壤全氮含量從高到低依次為第二季度（2.56 g/kg）＞第三季度（2.20 g/kg）＞第一季度（2.19 g/kg）＞第四季度（2.05 g/kg）。林草地、梯田和整個(gè)研究區(qū)土壤全氮含量在季度間差異均不顯著（P＞0.05）。

2.3 哈尼梯田的土壤碳氮比特征

哈尼梯田系統(tǒng)不同土地利用類(lèi)型的土壤C/N的統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表4。月份間變異都是中等變異程度，最小值集中在4月—5月，最大值出現(xiàn)在10月—11月，這與氮素的月份間變化呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。哈尼梯田不同土地利用類(lèi)型的土壤C/N為15.67～28.14，平均值22.99，變異系數(shù)為11.82%；林草地平均C/N為25.33～28.14，平均為28.06，變異系數(shù)為5.3%；梯田平均C/N為15.67～18.13，平均為 16.99，變異系數(shù) 15.16%。林草地土壤C/N平均值高于梯田，二者之間C/N差異極顯著（P＜0.01）。喬木林、灌木林、荒草地三者之間，不同部位梯田之間的C/N差異均不顯著（P＞0.05）。梯田的土壤C/N在月份間和季度間存在極顯著影響，林草地內(nèi)、林草地與梯田不同位置間的C/N在月份間和季度間差異均不顯著。

表4 云南哈尼梯田不同土地利用類(lèi)型的土壤碳氮比統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Statistical value of soil C/N ratio from January to December in each location

3 討論

哈尼梯田都具有自上而下的水資源利用關(guān)系，村寨、道路等糞肥也是自上而下進(jìn)入農(nóng)田，隨水供給與分配。在此背景梯田土壤有機(jī)碳和全氮都保持了較高的水平，這與張德剛等[10-11]、李春燕等[16]、翟精武等[17]對(duì)哈尼梯田的研究結(jié)果比較一致。森林區(qū)是哈尼梯田重要的水源區(qū)，千年來(lái)都受到了精心保護(hù)，使得枯落物深厚[18]，有機(jī)質(zhì)豐富，碳氮含量都比較高；研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)森林轉(zhuǎn)化為耕地時(shí)，土壤有機(jī)碳含量會(huì)下降50%甚至更高[19]，本研究區(qū)的梯田有機(jī)碳含量比森林區(qū)平均下降為32.6%，說(shuō)明哈尼梯田的土壤有機(jī)碳維持得較好。同時(shí)梯田氮素與森林區(qū)域土壤比較接近，在閔惠琳的研究中農(nóng)田水分及村內(nèi)徑流氮素含量高于森林徑流[20]，說(shuō)明村內(nèi)徑流將糞肥氮素能都有效帶入農(nóng)田。農(nóng)田的氮肥施加等氮素管理也促使農(nóng)田氮素保持較高水平[21]。哈尼梯田大部分種植水稻且都是一年一稻種植制度，土地利用強(qiáng)度低，位置集中分布于1 200 m海拔以上的地區(qū)，氣候更為濕冷，也有利于有機(jī)碳的積累和氮素的保持[22]。哈尼梯田內(nèi)的有機(jī)物和氮素，一部分來(lái)源于梯田本身的物理化學(xué)過(guò)程的積累，一部分來(lái)源于化肥、森林和村內(nèi)糞肥，由于哈尼梯田的水長(zhǎng)流不斷，梯田土壤有機(jī)碳、全氮仍舊保持了較高的水平，梯田內(nèi)的不同部位碳氮差異也都是中等偏弱變異程度，根據(jù)前人研究數(shù)據(jù)[7，9-11]計(jì)算得到的變異程度也是中等偏弱變異程度，說(shuō)明其灌溉和施肥方式不僅獨(dú)特也維持了梯田間養(yǎng)分的分配平衡。其具體的梯田水分在流速、流量以及氮素傳遞通量等方面的量化特征及其與全憑經(jīng)驗(yàn)的管理上是如何耦合的，是值得進(jìn)一步深入研究和借鑒的。

本研究中，哈尼梯田系統(tǒng)林草地和梯田土壤有機(jī)碳和氮素含量在時(shí)間序列上表現(xiàn)出一定的變異。有機(jī)碳含量在時(shí)間上的差異不顯著，林地土壤平均有機(jī)碳最小值在1月為52.11 g/kg，而由于下部梯田土壤有機(jī)碳含量在5月份最低（24.94 g/kg），導(dǎo)致梯田3個(gè)部位的平均值5月份最低為33.15 g/kg，利用有機(jī)碳乘以1.724換算有機(jī)質(zhì)[23]，則有機(jī)質(zhì)全部屬于一二級(jí)水平，結(jié)合顧瑩等對(duì)元陽(yáng)梯田養(yǎng)分平衡的研究[24]，說(shuō)明碳元素在各個(gè)月份含量較高，對(duì)哈尼梯田肥力水平?jīng)]有構(gòu)成限制因素，哈尼梯田系統(tǒng)土壤發(fā)揮了較大的土壤碳匯作用。氮素水平則月份間波動(dòng)較大，規(guī)律性更強(qiáng)，雖沒(méi)有同地區(qū)土壤氮素的時(shí)間分布研究參考，但根據(jù)閔惠林等[20]、角媛梅等[25]對(duì)同區(qū)域水體氮素的時(shí)間規(guī)律研究來(lái)看，農(nóng)田土壤氮素與水體氮素含量的峰值都出現(xiàn)在4月—6月，這一時(shí)期是水稻生長(zhǎng)初期，化肥施用及糞肥沖施增強(qiáng)，以及農(nóng)閑期的養(yǎng)分積累使得土壤氮素水平較高。而水體全氮含量低值出現(xiàn)在11月—12月為主的冬季，本研究的土壤低值出現(xiàn)于8月—11月份，比水體氮素出現(xiàn)的早，應(yīng)該由于這一時(shí)期是當(dāng)?shù)厮局饕纳嘲l(fā)育和成熟階段，耗氮水平提高。顧穎等[24]研究發(fā)現(xiàn)這一時(shí)期元陽(yáng)梯田氮素處于虧損狀態(tài)，結(jié)合本研究，主要土壤氮素虧損期也是這一時(shí)期；8月—11月份處于雨季中后期，受水流的前期累計(jì)淋洗影響，林地土壤的氮素水平也出現(xiàn)了下降。

土壤C/N影響著微生物的活性，進(jìn)而影響有機(jī)物的積累、氮素等養(yǎng)分的有效水平，并與土壤的理化性質(zhì)、生物產(chǎn)量等有密切關(guān)系[26，27]。研究發(fā)現(xiàn)，C/N為 25∶1～30∶1，有機(jī)質(zhì)積累，但是氮素水平受限；當(dāng)C/N為15～25∶1，則有利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，還利于氮素的供應(yīng)[28]。本研究中，林草地土壤C/N為22.21～38.62，12個(gè)月中只有3個(gè)月份超過(guò)30.0，有11個(gè)月超過(guò)25.0；梯田C/N為12.67～22.23，12個(gè)月中有 3個(gè)月份低于15.0。李春燕在金平縣哈尼梯田的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)梯田的C/N均值為16.08。說(shuō)明哈尼梯田比森林區(qū)擁有更優(yōu)的C/N，有利于有機(jī)質(zhì)的積累與氮素的供應(yīng)。但哈尼梯田土壤C/N值高于浙江主要水稻土土壤（平均為 10.13，主要在 8～11）[29]，主要是哈尼梯田泡水時(shí)間更長(zhǎng)，有利于有機(jī)質(zhì)的形成與積累，使得土壤有機(jī)碳含量普遍較高?？傮w上各月份C/N的高低與氮素含量的高低呈相反的趨勢(shì)，但通過(guò)回歸分析，C/N與土壤有機(jī)碳的回歸方程R2=0.809，與土壤全氮的回歸方程R2=0.148，且C/N與有機(jī)碳和全氮均顯著相關(guān)，說(shuō)明C/N的大小受土壤有機(jī)碳的影響更大。

4 結(jié)論

哈尼梯田系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳含量均值為50.69 g/kg，林草地為 66.06 g/kg，梯田為 37.72 g/kg；全氮含量研究區(qū)均值為2.31 g/kg，林草地為2.37 g/kg，梯田為2.25 g/kg。有機(jī)碳和全氮在時(shí)間和空間上都是中等變異為主，在時(shí)間上的差異不顯著，空間上差異顯著，空間上的差異在梯田內(nèi)最為顯著。林草地的土壤有機(jī)碳和全氮均是高于梯田，農(nóng)田比林草地土壤更有利于氮素的釋放和供應(yīng)，梯田內(nèi)在8月—10月份農(nóng)田氮素含量下降，C/N升高，需要及時(shí)補(bǔ)充氮素。