南鄭區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分及生態(tài)化學計量特征

胡 義，唐 力*，張 瑜，王 鵬，李修成，姚 珊，王 研

(1.陜西省礦產(chǎn)地質調查中心，西安 710065；2.漢中天坑群國際研究基地，陜西 漢中 723000)

陜西省漢中天坑群所處的巖溶區(qū)分布有優(yōu)良的地質遺跡資源，但經(jīng)濟發(fā)展落后，普遍存在土壤層稀薄，水資源分布不均衡，地下水污染，地質災害頻發(fā)及生態(tài)環(huán)境脆弱等問題，隨著人類活動的加強，極易導致石漠化發(fā)生[1-2]。土壤退化是石漠化的本質，土壤養(yǎng)分失衡是土壤退化最主要過程之一，巖溶區(qū)土壤養(yǎng)分有效性常受富鈣偏堿地球化學背景的制約[3]。因此，研究漢中市巖溶環(huán)境中的土壤養(yǎng)分狀況，有助于揭示巖溶生態(tài)系統(tǒng)各組分之間的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律，對維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。生態(tài)化學計量學是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學元素(主要是碳、氮和磷)平衡的科學[4]。研究土壤C、N、P含量及其平衡狀態(tài)，指示土壤養(yǎng)分的供應和限制情況[5]，反映自然過程和人為干擾對土壤生源要素的影響程度，對認識生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力及其對氣候變化的響應具有重要的生態(tài)指示作用[6]。在喀斯特石漠化地區(qū)土壤生物元素循環(huán)中，C、N、P 元素是核心,調節(jié)和驅動整個生態(tài)系統(tǒng)演替過程[7]。土壤C、N、P、K 不僅能反映土壤肥力狀況,其化學計量比，也是反映土壤養(yǎng)分供給能力的重要指標[8]。

土地利用方式是土地在人為影響下的特征表現(xiàn)，不同的利用方式勢必對土壤中動植物及微生物的生理特性產(chǎn)生各種影響，既改變了土壤的內在屬性，也影響其與外界因素的聯(lián)系，造成土壤C、N、P的含量差異，所以土地利用方式對土壤C、N、P及生態(tài)化學計量特征的分布和分異具有重要影響[9-13]。截止目前利用生態(tài)化學計量方法研究土壤養(yǎng)分平衡主要側重于森林、草原和淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)，而耕地與自然生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分比較研究較少，秦巴山區(qū)巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤生態(tài)化學計量研究還未見報道,因此，為了給漢中天坑群所處巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境保護治理和土地資源合理利用提供科學依據(jù)，我們對漢中市南鄭區(qū)小南海喀斯特地區(qū)4種主要利用方式土地的土壤養(yǎng)分狀況及其化學計量學特征進行了研究。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于漢中市南鄭區(qū)小南海鎮(zhèn)南部，地理坐標北緯32°45′～32°51′，東經(jīng)106°58′～107°05′。屬喀斯特中山地貌，地勢西高東低、南高北低。境內主要河流為冷水河，屬長江支流漢江水系；另有觀音洞地下暗河流出匯入冷水河。氣候屬北亞熱帶濕潤氣候與暖溫帶半濕潤氣候的過渡帶，尤以北亞熱帶氣候特征明顯，具有明顯的季風氣候特點，春秋略短，冬夏稍長。年均氣溫均在14 ℃以上，年均降水量1 100～1 300 mm，主要集中在夏季。地層巖性主要是二疊系陽新組、吳家坪組含條帶狀燧石生物碎屑灰?guī)r和三疊系大冶組白云質灰?guī)r，灰?guī)r質純、致密，多為中厚層狀，少量薄層狀。巖石溶蝕作用較強，地下水主要為巖溶裂隙水。土壤區(qū)劃屬北亞熱帶混生常綠闊葉樹種的落葉闊葉林黃棕壤地帶，主要由黃褐土、黃棕壤組成；采樣區(qū)土壤為多為灰?guī)r風化形成的棕紅色粘質黃棕壤，土層連續(xù)，厚度一般為0.2～1.5 m，pH值5.2～7.0，弱酸性至中性，表層pH值略高于亞層[14]。主要糧食作物有水稻、小麥、玉米，經(jīng)濟作物主要有蔬菜、茶葉、煙葉。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與加工 2020年5月在前期野外勘察基礎上，在研究區(qū)選擇了4種具有代表性的土地利用方式，即以種植農作物及蔬菜為主的農田、以種植烤煙為主的農田、草地、林地，每種利用方式選擇有代表性的樣地5～10個，在每個樣地按照DZ/T 0295—2016《土地質量地球化學評價規(guī)范》選擇樣點和采集土樣，采樣深度0～20 cm，每個樣地5個樣點，每個樣地采混合土樣。土樣自然風干后平鋪在制樣板上，用木棍碾壓，并將植物殘體、石塊等非土物質剔除干凈，采用靜電吸附清除細小植物須根，土樣研磨后過2 mm孔徑篩，裝袋封存送檢。

表1 樣地基本情況

1.2.2 土壤養(yǎng)分測定 全氮(TN)采用濃H2SO4消煮，半微量開氏法測定；全磷(TP)采用HClO4-H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測定；全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融—原子吸收法測定,土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定[15]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Microsoft Excel 2017和SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，使用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征

由表2可知, 研究區(qū)不同土地利用方式的土壤SOC含量均值為10.06～22.19 g·kg-1，其中草地(22.19 g·kg-1)>林地(20.23 g·kg-1)>耕地1型(13.02 g·kg-1)> 耕地2型(10.06 g·kg-1)；土壤TN含量均值為1.05～2.03 g·kg-1，不同利用類型之間變化趨勢與SOC一致，即草地(2.03 g·kg-1)>林地(1.89 g·kg-1)> 耕地1型(1.33 g·kg-1)> 耕地2型(1.05 g·kg-1)；土壤TP含量均值為0.62～0.78 g·kg-1,表現(xiàn)為草地(0.78 g·kg-1)> 耕地1型(0.74 g·kg-1)> 耕地2型(0.72 g·kg-1)>林地(0.68 g·kg-1)；土壤TK含量均值為18.97～21.16 g·kg-1,表現(xiàn)為耕地2型(21.16 g·kg-1)>耕地1型(20.82 g·kg-1)>草地(19.75 g·kg-1)>林地(18.97 g·kg-1)，表明農田土壤SOC、TN、TK含量狀況優(yōu)于草地和林地。從變異系數(shù)看，測定的4個指標都是農田小于林地、草地，表明農田土壤SOC、TN、TP、TK含量變化幅度較小，不同地塊之間差異不大；同一利用類型土壤TK變異系數(shù)小于SOC、TP、TN，說明不同利用條件下的土壤K元素含量較穩(wěn)定。

表2 土壤C、N、P、K化學計量特征

土地利用變化不僅直接影響土壤有機碳的含量和分布，還可以通過影響土壤有機碳形成和轉化的相關因子，而間接影響土壤有機碳的分布[16-17]。研究區(qū)不同土地利用方式SOC和TN含量林地、草地明顯高于耕地，主要是由于林地、草地與農田相比，人為干擾小，利用率低，即人們從土地獲取的植物較少，植物死亡根系和枯枝落葉絕大部分不被帶出而被微生物分解返還土壤，而農田長期處于人為干擾下,土壤有機質物理保護層遭到破壞，不利于微生物分解[18-19]，耕地1型與耕地2型TN含量差別與不同農作物對氮的分解與吸收、種植方式有關[11，20]。

土壤中TP具有表聚性[21]，草地、林地中P元素主要來源于凋落物，農田主要來源于施肥，巖溶區(qū)石灰土的富鈣偏堿性導致土壤中P含量及其有效性降低[22]，導致不同土地利用方式之間差異很小。土壤中K元素含量較穩(wěn)定，與P元素具有相似的來源，土壤中K元素在林草地中雖然有凋落物分解釋放，但由于淋濾作用，易造成養(yǎng)分損失，而在農田中來源穩(wěn)定，含量稍高。

2.2 土壤養(yǎng)分的化學計量學特征

由表2可看出，研究區(qū)不同土地利用方式土壤C∶N值為9.46～10.06，不同土地利用方式之間差異不顯著，變異系數(shù)15%～28%，屬于中等變異；土壤C∶P值為14.72～35.56，C∶K值為0.48～1.27，N∶P值為1.57～3.34，N∶K值為0.049～0.113，P∶K值為0.033～0.039，其中C∶P、C∶K、N∶P、N∶K值草地和林地顯著高于農田，變異系數(shù)也較大，屬于高度變異。不同土地利用方式的土壤C∶N、C∶P、C∶K、N∶K等表現(xiàn)為草地>林地>耕地1型>耕地2型；N∶P表現(xiàn)為林地>草地>耕地1型>耕地2型，不同土地利用方式土壤P∶K相差較小。

2.3 土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學計量比的相關性

由表3可知，研究區(qū)不同土地利用下的土壤養(yǎng)分元素之間，土壤SOC平均含量與TN呈極顯著正相關，與TP顯著正相關，與TK呈極顯著負相關；TN與TP呈顯著正相關，與TK呈極顯著負相關；TP與TK呈極顯著正相關。土壤養(yǎng)分與化學計量比之間，SOC和TN分別與化學計量比之間均呈極顯著正相關；TP分別與C∶P、N∶P呈極顯著負相關，與P∶K呈極顯著正相關，與C∶N、C∶K和N∶K相關性不顯著；TK除與P∶K呈不顯著負相關外，與其它均呈顯著或極顯著負相關?；瘜W計量比之間，除P∶K分別與C∶P和N∶P呈負相關不顯著外，其余兩兩之間均呈極顯著正相關。

表3 土壤C、N、P、K及生態(tài)化學計量Pearson相關系數(shù)(n=95)

3 結論與討論

土壤C、N、P、K是植物生長發(fā)育所必需的元素，也是衡量土壤質量的重要指標[23]。研究區(qū)土壤養(yǎng)分與南方喀斯特地區(qū)如廣西、貴州等地相比，具有一定的相似性，但也存在差異，具體表現(xiàn)為土壤SOC、TN和TP等養(yǎng)分與廣西馬山縣[24]、貴州烏當白水河[25]差別不大，但較桂林毛村[26]低，但TK含量普遍高于上述等地區(qū)。在不同土地利用方式中，SOC、TN養(yǎng)分表現(xiàn)為草地>林地>糧食作物耕地>經(jīng)濟作物耕地，由于巖溶區(qū)土壤中的胡敏酸與鈣結合生成不易分解的胡敏酸鈣，使得有機質得到積累[26]，有機質為土壤中主要的C、N來源，草地、林地豐富的凋落物被分解為有機質，而耕地和烤煙地由于管理方式和自生環(huán)境條件，頻繁耕作造成土壤中的大團聚體被破壞，養(yǎng)分流失。本研究中草地SOC、TN最高，是由于草地土層淺薄，鈣淋失程度低，致使土壤多為中性或堿性，有利于有機質積累，與潘志華的研究成果一致[25]。

研究區(qū)不同土地利用方式中TP和TK差別不大，由于元素所具有的“表聚性”，主要受人為施肥影響顯著，與前人研究成果一致[21-25]。土壤C∶N、C∶P比是認識土壤有機質來源的一個重要指標，可用于判斷土壤中有機質分解程度及其對土壤肥力的貢獻[27]。本研究的C∶N含量均值為9.46～10.06，略低于全國土壤均值水平(10～12)[28]；C∶P含量均值為14.72～35.56，遠低于我國陸地土壤均值52.64[29]，說明研究區(qū)土壤有機質具有較高的礦化速度[30]，土壤層具有較高的有效N和有效P。

研究區(qū)C∶N、C∶P、C∶K、N∶K在不同土地利用方式表現(xiàn)為：草地>林地>糧食作物耕地>經(jīng)濟作物耕地，由于K在土壤中相對穩(wěn)定，主要受SOC、TN的影響，表明草地利于養(yǎng)分的富集，烤煙地養(yǎng)分利用效率高。

土壤的N∶P是其有機質可分解性的一個決定性因素，主要用來判斷養(yǎng)分限制狀況[31]；研究區(qū)土壤N∶P含量均值為1.57～3.34，低于我國土壤N∶P均值(4.2)[29]，表明研究區(qū)土壤處于氮限制狀態(tài)，不同土地利用方式表現(xiàn)為林地>草地>糧食作物耕地>經(jīng)濟作物耕地，是由不同土地利用方式中TN含量差異造成的，TN與SOC呈極顯著的正相關，烤煙地由于頻繁耕作與人為施化肥，植物吸收養(yǎng)分較快，碳氮積累較慢，造成了含量相對較低；而耕地稍高于烤煙地可能與耕地施肥主要為農家肥有關，需要一定分解有機質過程。研究區(qū)土壤中P∶K在不同土地利用方式中差異不明顯，由于TP與TK呈極顯著的正相關，況且K較穩(wěn)定，差異主要受P含量變化影響。

本研究中土壤SOC與N呈極顯著的正相關，與P呈正相關不顯著，與張春來的研究結果一致，但對于K元素的相關性不一致[24]。目前巖溶區(qū)生態(tài)化學計量研究主要集中在C、N、P等元素上，對K元素的研究較少；研究區(qū)TK含量雖然高于西南喀斯特地區(qū)(3.33 g·kg-1)[32]，但K元素除了與P元素呈極顯著正相關外，與其它養(yǎng)分元素均呈極顯著負相關，說明該區(qū)高K土壤環(huán)境對于SOC和N養(yǎng)分具有抑制作用，或單獨施鉀肥對該區(qū)土壤質量改良不利。

綜上所述，不同土地利用方式下土壤C、N、P、K含量及生態(tài)化學計量存在差異，表現(xiàn)為草地的SOC、TN含量均值最高，經(jīng)濟作物(烤煙)耕地最低；草地的TP含量均值最高，林地最低；經(jīng)濟作物(烤煙)耕地TK含量均值最高，林地最低。草地、林地有利于提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量，可適當加以開發(fā)利用；加強改善農田有機質儲量，促進其發(fā)揮出更大的生態(tài)功效。此外加強對該區(qū)不同土地利用方式下土壤、植物、凋落物之間的生態(tài)環(huán)境效應研究及區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載力評估，為漢中市天坑群地質公園土地利用合理規(guī)劃提供科學參考。