高原山地石漠化過程中土壤團聚體穩(wěn)定性及其化學(xué)計量特征

陳靜 朱大運 陳滸 陳海

摘 要： 石漠化演替過程中不同石漠化等級土壤團聚體穩(wěn)定性及其碳、氮、磷化學(xué)計量特征是評價石漠化地區(qū)土壤恢復(fù)效應(yīng)的有效途徑。該文以五個不同石漠化等級的樣地為研究對象，利用濕篩法分析0～20 cm土層土壤不同粒級團聚體分布狀況、穩(wěn)定性水平和化學(xué)計量特征。結(jié)果表明：（1）相較而言，無石漠化樣地中>2 mm和0.25～2 mm兩級水穩(wěn)性團聚體含量最高，其平均直徑（MWD、GMD）最大，而可蝕性K值最低。（2）不同石漠化環(huán)境中團聚體有機碳、全氮和全磷的變化范圍是20.78～56.28 g·kg-1、1.17～2.14 g·kg-1和0.41～0.97 g·kg-1，無石漠化樣地各級團聚體有機碳、全氮含量較高，全磷含量在五種環(huán)境中變化規(guī)律不明顯;團聚體C/N、C/P和N/P的變化范圍分別是11.50～28.60、25.19～121.75和1.65～4.69，無石漠化樣地團聚體C/N、C/P和N/P均明顯高于潛在、輕度、中度和強度，較小粒徑C/N較高，而C/P和N/P較高為>2 mm和0.25～2 mm兩粒徑。（3）團聚體中有機碳分別與其C/N、C/P呈極顯著正相關(guān)，而全磷含量則與C/P、N/P兩者呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），團聚體C/N、C/P和N/P變異水平表現(xiàn)為C/P>C/N>N/P。該地從無石漠化到強度石漠化演替過程中土壤團聚體穩(wěn)定性和各粒徑團聚體中有機碳和全氮含量均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，無石漠化土壤結(jié)構(gòu)較好，團聚體中氮元素成為影響該退化生態(tài)系統(tǒng)中土壤質(zhì)量的主要限制性元素。

關(guān)鍵詞： 團聚體穩(wěn)定性，化學(xué)計量特征，團聚體養(yǎng)分，石漠化等級， 土壤恢復(fù)

中圖分類號： Q948

文獻標(biāo)識碼： A

文章編號： 1000-3142（2021）05-0715-11

Soil aggregate stability and its stoichiometric characteristics in process of rocky desertification in plateau mountains

CHEN Jing， ZHU Dayun， CHEN Hu*， CHEN Hai

（ School of Karst Science， Guizhou Normal University/State Engineering Technology Institute for Karst Rocky Desertification Control/

Overseas Expertise Introduction Center for Discipline Innovation （“111 Center”）/The State Key Laboratory Incubation

Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province， Guiyang 550001， China ）

Abstract：? Soil aggregate stability and its stoichiometric characteristics are the effective ways to evaluate the effect of soil restoration in rocky desertification areas. Five plots with different rocky desertification grades were set up. Indicators including the content， stoichiometry， and stability of different aggregate fractions were analyzed by wetting. The results were as follows： （1） In comparsion， the contents of water stable aggregates > 2 mm and 0.25-2 mm were the highest in the nil rocky desertification plots， and their average diameters （MWD and GMD） were the largest， but the K value of erodibility was the lowest. （2） The soil organic carbon， total nitrogen， and total phosphorus contents in the five sample plots were 20.78-56.28 g·kg-1， 1.17-2.14 g·kg-1 and 0.41-0.97 g·kg-1， respectively. The composition of organic carbon and total nitrogen in aggregates of the nil rocky desertification sample plot were the highest， and the variation of total phosphorus content were not obvious in the five environments. The ranges of C/N， C/P and N/P of five environmental aggregates were 11.50-28.60， 25.19-121.75 and 1.65-4.69， respectively. The C/N， C/P and N/P of the aggregate in the nil rocky desertification sample plot were significantly highest. Averaged C/N values in the small-size aggregates were higher than in aggregates of other sizes， while the maximum values C/P and N/P were >2mm and 0.25-2 mm. （3） There was a significant positive correlation between organic carbon and C/N， C/P， and a significant negative correlation between total phosphorus and C/P， N/P（P<0.01）. The overall trend of the variation level of soil aggregate stoichiometry was C/P>C/N>N/P. The stability and the contents of organic carbon and total nitrogen in aggregates with different particle sizes decreased firstly and increased from nil rocky desertification to severe rocky desertification in the study area. The soil structure of nil rocky desertification is good; what is more， nitrogen in the aggregate is the major factor affecting the soil quality in the degraded ecosystem.

Key words：

aggregate stability， stoichiometric characteristics， aggregate nutrients， rocky desertification level， soil restoration

土壤團聚體是土壤顆粒與有機-無機膠體作用形成的多孔、類似于球體的土團，是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元（Six et al.， 2000），其數(shù)量和質(zhì)量是影響土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一（劉杰等，2019）。團聚體穩(wěn)定性水平?jīng)Q定了土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣（Blanco-Canqui & Lal， 2004）。徐紅偉等（2018）研究發(fā)現(xiàn)土壤中>0.25mm粒級團聚體含量越多及團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑越大，團聚體穩(wěn)定性水平越高，土壤結(jié)構(gòu)越好，同時也將其作為量化土壤抗蝕性水平的重要指標(biāo)（郭偉等，2007），團聚體穩(wěn)定性越高，土壤抵抗流水侵蝕的能力越強（安韶山等，2008）。團聚體作為土壤養(yǎng)分存儲和轉(zhuǎn)化的載體，由于各級團聚體的數(shù)量和組成物質(zhì)不同，導(dǎo)致它在碳、氮和磷養(yǎng)分中的保持和供應(yīng)作用不同（Udom & Ogunwole， 2015），同時不同粒徑團聚體中碳、氮、磷元素的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化能力也不同（Devine et al.， 2014），因此，土壤團聚體粒徑分布和穩(wěn)定性水平與碳氮磷養(yǎng)分含量變化密切相關(guān)。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是從元素的角度出發(fā)，研究元素平衡與生態(tài)系統(tǒng)間交互作用的理論（王紹強和于貴瑞，2008），主要分析結(jié)構(gòu)性元素（碳）和限制性元素（氮、磷）三者間的關(guān)系（李瑋等，2015）。土壤團聚體養(yǎng)分及化學(xué)計量特征受植被覆蓋、根系結(jié)構(gòu)、微生物活性等因素影響（Xu et al.， 2016），因此，不同粒級團聚體碳、氮、磷含量分配及化學(xué)比存在明顯差異（Xiao et al.， 2017）。研究土壤團聚體中碳、氮、磷含量及其化學(xué)計量比變化特征，能掌握土壤碳、氮和磷元素在微觀結(jié)構(gòu)上的分布狀況，有利于深入了解土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和保持能力。

西南喀斯特地區(qū)由于特殊的地理環(huán)境以及長期受到人為活動的干擾，導(dǎo)致地表土壤大面積退化，石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重（郭柯等，2011）。貴州是典型的喀斯特山區(qū)農(nóng)業(yè)大省，喀斯特面積超過全省總面積的70%，目前該省貧困人口集中，人地矛盾突出，石漠化已成為影響該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的重要生態(tài)問題（熊康寧等，2011）。近年來眾多學(xué)者提倡將自然恢復(fù)和人工林草植被恢復(fù)結(jié)合進行石漠化治理，而團聚體作為衡量喀斯特生態(tài)恢復(fù)的重要因子之一，現(xiàn)已開展部分研究。王佩將等（2014）將>0.25mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體作為評價土壤抗蝕性的最佳指標(biāo)之一;羅明和周運超（2010）認(rèn)為不同母巖發(fā)育的土壤團聚體穩(wěn)定性存在明顯的差異，其中穩(wěn)定性水平最高的是石灰?guī)r發(fā)育的土壤團聚體;盧怡等（2017）研究發(fā)現(xiàn)種植花椒林能有效提高土壤團聚體穩(wěn)定性，增強團聚體對有機碳的保護作用。目前團聚體研究集中于土地利用方式/植被恢復(fù)對土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳的影響（王浩等，2017;劉杰等，2019;王進等，2019），研究地點在巖溶峽谷區(qū)、峰叢洼地區(qū)以及槽谷區(qū)均有涉及（譚秋錦等，2014;俞月鳳等，2014;藍家程和沈艷，2020），但對喀斯特石漠化區(qū)土壤團聚體養(yǎng)分化學(xué)計量特征的認(rèn)識尚淺。因此，本文重點關(guān)注兩個問題：（1）喀斯特高原山地地區(qū)不同石漠化等級環(huán)境中土壤團聚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性水平;（2）不同石漠化土壤團聚結(jié)構(gòu)中碳、氮、磷元素含量變化及生態(tài)化學(xué)計量特征，旨在揭示石漠化演替過程中土壤團聚體穩(wěn)定性的變化趨勢及團聚體內(nèi)碳、氮、磷三者的分布狀態(tài)和平衡關(guān)系，以期為后續(xù)的石漠化生態(tài)治理工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇黔西北畢節(jié)撒拉溪石漠化綜合治理區(qū)為研究區(qū)域，其中心點坐標(biāo)是（105°06′37″ E、27°15′12″ N），平均海拔1 600 m，以高原山地地貌為主，地面起伏大，喀斯特地貌占區(qū)域總面積的74.26%，石漠化等級以潛在—輕度為主。區(qū)內(nèi)年均氣溫12.9 ℃，大于等于10 ℃積溫介于4 109～4 300 ℃之間，雨季為6—8月，年均降水量900 mm左右，地表出露巖石主要是石灰?guī)r和頁巖，土壤以黃壤為主。由于人為干擾和土壤侵蝕，原生常綠落葉針闊混交林植被幾乎被亮葉樺（Betula luminifera）、響葉楊（Populus adenopoda）、山楊（Populus davidiana）等次生林所替代。潛在石漠化區(qū)域為金絲桃（Hypericum monogynum）、臘瓣花（Corylopsis sinensis）、基及樹（Carmona microphylla）等為主的次生灌叢;輕度石漠化區(qū)域為紅花龍膽（Gentiana rhodantha）、刺梨（Rosa roxbunghii）、敗醬（Cinnamomum longepaniculatum）、忍冬（Lonicera japonica）等為主的次生灌草叢;中度石漠化區(qū)域由火棘（Pyracantha fortunean）、敗醬（Cinnamomum longepaniculatum）、馬桑（Coriaria nepalensis）等組成的次生灌草叢;強度石漠化區(qū)域主要有金絲桃（Hypericum monogynum）、嵩草（Artemisia argyi）、野棉花（Anemone vitifolia）、千里光（Senecio scandens）等稀疏灌草叢。研究樣地土壤環(huán)境基本信息詳見表1。

1.2 樣品采集及處理

按照熊康寧等（2002）對石漠化等級的劃分方法，選擇無石漠化（ND）次生林、潛在石漠化（PD）灌木林、輕度石漠化（LD）灌草地、中度石漠化（MD）草地和強度（SD）石漠化裸露地五種環(huán)境的土壤進行研究。2019年9月，在研究區(qū)針對五種石漠化環(huán)境分別設(shè)置3個20 m × 20 m的平行樣方，總共建立15個取樣地，每個樣地按“S”形選擇3個采樣點，采集0～20 cm表層原狀土樣共45個，用保鮮盒帶回實驗室，用于團聚體篩分實驗。稱取自然風(fēng)干后的土壤50 g，采用團聚體分析儀（XY-100）濕篩分離出>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm四級團聚體，40 ℃烘干稱重，該處理方式重復(fù)三次，最后取其均值進行相關(guān)計算。每一粒級團聚體分別過0.149 mm篩，用于有機碳、全氮和全磷測定。有機碳使用重鉻酸鉀容量法—油浴（GB7857-87）測定，全氮和全磷分別使用硫酸-硒粉（硫酸銅和硫酸鉀）催化劑和硫酸-高氯酸消解定容后，提取濾液采用連續(xù)流動分析儀（SEALAA3，德國）測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用濕篩處理的數(shù)據(jù)計算團聚體的穩(wěn)定性指標(biāo)，包括平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）（Wei et al.， 2013）和可蝕性K值（Shirazi & Boersma， 1984），計算公式如下：

MWD=∑ni=1WiX-i∑ni=1Wi（1）

GMD=exp∑ni=1WilnX-i∑ni=1Wi（2）

式中：Xi為各級團聚體的平均直徑（mm）;Wi為各級團聚體數(shù)量。

K=7.954×{0.0017+0.0494×exp[-0.5×（lgGMD+1.675/0.6986）2]}（3）

某一粒徑團聚體養(yǎng)分富集系數(shù)（張欽等，2019）（enrichment coefficient，EC）=對應(yīng)團聚體養(yǎng)分含量/全土養(yǎng)分含量。

某一粒徑團聚體養(yǎng)分貢獻率（%）（邱莉萍等，2006）=（對應(yīng)團聚體中養(yǎng)分含量×對應(yīng)團聚體含量）/全土養(yǎng)分含量×100。

各級團聚體C/N、C/P和N/P采用有機碳、全氮、全磷含量比值表示。使用Office 2010和SPSS 22對數(shù)據(jù)進行處理和分析，采用單因素方差法（one-way ANOVA）分析不同樣地的團聚體粒徑分布和化學(xué)計量特征，新復(fù)極差法（Duncan）進行顯著性檢驗（α=0.05），選用變異系數(shù)判斷元素化學(xué)計量比的變異程度，Person相關(guān)系數(shù)評價不同環(huán)境團聚體中碳、氮、磷含量及其化學(xué)計量特征的相關(guān)水平，Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1不同石漠化等級團聚體組分和穩(wěn)定性特征

不同石漠化等級樣地中各級土壤團聚體組分具有明顯的差異（圖1）。由圖1可知，無石漠化次生林地>2 mm大團聚體含量分別是中度、輕度和強度的1.09、1.12和1.14倍，潛在灌木林地0.25～2 mm團聚體含量分別是輕度、中度和強度樣地的1.51、1.87和1.65倍，并且其差異性達到顯著水平，0.053～0.25 mm粒級表現(xiàn)為無石漠化<輕度<潛在<強度<中度，變化范圍是1.17～9.67 g，五種樣地內(nèi)<0.053 mm粒級無顯著差異。此外，輕度灌草地、中度草地、強度裸露地和無石漠化次生林地四種環(huán)境中>2 mm團聚體含量顯著高于其余三種粒徑，而潛在石漠化樣地的>0.25 mm團聚體含量顯著大于0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒級。

由圖2：A可知，團聚體MWD、GMD的變化趨勢一致，無石漠化次生林MWD、GMD均顯著強度裸露地、潛在灌木林和輕度灌草地;而K則與團聚體直徑（MWD、GMD）呈反向變化趨勢（圖2：B），輕度樣地K值高，無石漠化樣地K值最低。

2.2 土壤團聚體有機碳、全氮、全磷含量變化與分布特征

2.2.1各粒級團聚體有機碳、全氮、全磷含量與分布

隨著石漠化等級的加深，土壤團聚體中的養(yǎng)分含量出現(xiàn)不同程度的變化。如表2所示，不同石漠化環(huán)境中團聚體有機碳、全氮和全磷的變化范圍是20.78～56.28 g·kg-1、1.17～2.14 g·kg-1和0.41～0.97 g·kg-1。相較而言，潛在灌木林地四個粒徑的團聚體有機碳含量最低，無石漠化次生林各粒級團聚體有機碳含量最高，且該樣地中<0.25 mm有機碳含量顯著高于>2 mm團聚體;同時，無石漠化樣地中各粒級團聚體全氮含量也高于其他環(huán)境，輕度灌草地和中度草地中0.25～2 mm團聚體含量最高，而強度和無石漠化兩種樣地的最大值出現(xiàn)在0.053～0.25 mm。此外，不同樣地在>2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm三級中全氮含量的差異達到顯著性水平;而同一樣地中，僅潛在環(huán)境的不同粒級團聚體全氮含量有顯著性差異。團聚體全磷含量除強度石漠化環(huán)境外，其他樣地內(nèi)均呈現(xiàn)隨團聚體粒徑減小其含量增加的趨勢，中度、輕度、潛在及無石漠化樣地內(nèi)均表現(xiàn)為0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒級全磷含量顯著高于>2 mm和0.25～2 mm。

2.2.2 不同粒徑團聚體的有機碳、全氮和全磷富集系數(shù)及其貢獻率 富集系數(shù)（EC）是某一元素在不同粒級團聚結(jié)構(gòu)中的富集程度，能有效反映其固持特征。當(dāng)EC>1時，表示優(yōu)先積累;而EC<1時則表明優(yōu)先分解（張欽等，2019）?？傮w而言，水穩(wěn)性團聚體中碳、氮、磷的EC值范圍分別為0.85～1.07、0.86～1.15和0.64～1.43之間（表3）。不同樣地的有機碳富集系數(shù)存在差異，但其差異性尚未達到顯著水平，五種環(huán)境的<0.53 mm級別的EC值均大于1，處于優(yōu)先積累的狀態(tài)，且隨團聚體粒徑減小EC值呈波動上升的趨勢。潛在和無石漠化樣地的氮富集系數(shù)隨著粒徑減小出現(xiàn)分解-積累的變化趨勢，潛在和強度環(huán)境團聚體在粒徑2 mm處富集系數(shù)由分解轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先積累的階段。由表3可知，五種樣地的團聚體磷富集系數(shù)變化表現(xiàn)為>0.25 mm的各樣地EC值均小于1，是分解狀態(tài);而除強度樣地之外，其余四種環(huán)境在<0.25 mm時進入優(yōu)先積累的階段。團聚體養(yǎng)分貢獻率是結(jié)合團聚體含量與各粒徑的養(yǎng)分豐度而來，能有效反映團聚結(jié)構(gòu)體對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。五種樣地的有機碳、全氮和全磷60%以上賦存于>0.25 mm的大團聚體中，其中>2 mm級別的團聚體貢獻起主要作用，貢獻范圍為34.29%～65.85%，<0.053 mm團聚體貢獻率最低（表3）。除礦質(zhì)顆粒（<0.053 mm）外，不同樣地同一粒級土壤團聚體對碳氮磷含量的貢獻水平具有顯著的差異性，其中不同環(huán)境的>2 mm團聚體中的碳氮貢獻率差異較大，最小值低于40%，而最大值接近70%。

2.3 各粒級土壤團聚體化學(xué)計量特征

表4所示為不同石漠化環(huán)境中0～20 cm土層土壤團聚體內(nèi)有機碳、全氮和全磷生態(tài)化學(xué)計量比值。由表4可知，五種環(huán)境C/N、C/P和N/P的變化范圍分別是11.50～28.60、25.19～121.75和1.65～4.69，變異系數(shù)依次是31.65%、52.20%和29.23%。無石漠化次生林四級團聚體C/N高于其余樣地，其中<0.053 mm粒級最大，除>2 mm外，其他粒徑的差異性達到顯著水平，整體上均表現(xiàn)為無石漠化>中度>輕度>強度>潛在。潛在灌木林地各團聚體C/P均顯著低于其他四種樣地，其中無石漠化團聚體各粒徑C/P分別是潛在的3.3、2.84、2.99和2.18倍。無石漠化的C/P最大值為>2 mm粒級，且同一樣地內(nèi)>0.25 mm的C/P顯著高于0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒級，而強度環(huán)境則是0.053～0.25 mm粒級最大;潛在、中度和強度樣地內(nèi)不同粒級之間的比值無顯著差異。相比團聚體C/N和C/P而言，N/P的變化范圍較小，無石漠化和中度環(huán)境下隨著粒級變小，N/P呈“增加-減少-增加”的“N”字型變化;無石漠化樣地的各團聚體N/P高于其余環(huán)境。

2.4 石漠化過程中土壤團聚體碳、氮、磷及其化學(xué)計量比的相關(guān)性

對不同環(huán)境中水穩(wěn)性團聚體有機碳、全氮和全磷以及其化學(xué)計量比進行Person相關(guān)系數(shù)評價（表5）。結(jié)果顯示，全土與水穩(wěn)性團聚體碳、氮、磷之間存在不同的相關(guān)程度，其中全土與各級團聚體有機碳含量呈極顯著正相關(guān)，變化范圍是0.941～0.987;全土與>2 mm和0.25～2 mm粒級的磷元素呈極顯著相關(guān)，相關(guān)程度隨粒級的變小逐漸降低的趨勢;而全土的氮元素僅與0.25～2 mm粒徑呈顯著正相關(guān)。團聚體中有機碳與團聚體的C/N和C/P的相關(guān)程度達到極顯著水平，各粒級團聚體中碳元素與C/N和C/P的相關(guān)系數(shù)均高于0.8，而團聚體中氮元素和C/N的相關(guān)程度與碳元素和C/N呈逆向變化特征;同時，各粒級團聚體的磷元素分別與C/P和N/P呈負相關(guān)，整體而言，前者的相關(guān)程度低于后者。

3 討論

土壤團聚體作為保持與供應(yīng)土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其分布特征及穩(wěn)定性水平與土壤質(zhì)量、生物活性和滲透率等有著密切聯(lián)系（Amezketa， 1999）。一般將>0.25 mm大團聚體含量和團聚體直徑指標(biāo)（MWD、GMD）作為評價土壤團聚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性水平的重要指標(biāo)（徐紅偉等，2018）。本研究表明，五種石漠化等級樣地內(nèi)均以>0.25 mm級團聚體為主，無石漠化次生林環(huán)境中團聚體MWD、 GMD明顯高于其余四種樣地，這主要是因為林地的凋落物含量高，能有效促進土壤中有機膠結(jié)劑的形成，利于提高團聚體穩(wěn)定性水平（Tamura， 2017），進而在一定程度上改善了無石漠化樣地的土壤結(jié)構(gòu);同時，K值呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，表明土壤抵抗侵蝕的能力未隨著石漠化程度的加深而一直下降，這一現(xiàn)象可能是由于不同石漠化環(huán)境中裸巖集聚分布所致（盛茂銀等，2012）。顯然，相較而言，無石漠化次生林地土壤結(jié)構(gòu)更好。

有機碳是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要因素，在維持土壤結(jié)構(gòu)、保持水土方面有關(guān)鍵作用（Tamura et al.， 2017）。已有研究表明，地表大約百分之九十的有機碳儲存于團聚結(jié)構(gòu)中，土粒團聚程度直接影響土壤有機碳的積累和固定（Six et al.， 2000）;土壤氮素是影響植物生長的必要元素，主要源自植物殘體分解與合成過程中形成的有機物質(zhì)（王紹強和于貴瑞，2008）。一般地，土壤碳氮變化特點具有一致性，兩者存在明顯的耦合關(guān)系（Xiao et al.， 2017）。本研究中，五種樣地各級團聚體有機碳含量變化特征表現(xiàn)為無石漠化>強度>中度>輕度>潛在，全氮含量變化顯示為無石漠化>強度>輕度>中度>潛在，其中無石漠化樣地有機碳和全氮含量明顯高于其他四種環(huán)境，可能是因為無石漠化次生林地中植物的輸入量和動植物殘體的歸還量較高（瞿晴等，2019），有效地增加了表土中有機質(zhì)含量，從而促進氮元素的積累;但是土壤團聚體碳氮養(yǎng)分并沒有隨著石漠化程度加重而下降，其中強度裸露地團聚體有機碳和全氮含量明顯高于其他三種樣地，這可能是強度石漠化樣地中分布大量根系發(fā)達的草本植物，能在維持有機碳快速周轉(zhuǎn)地同時減少消耗（吳麗芳等，2019），再加上該類樣地地表巖石裸露面積大，有利于大氣沉降中的氮元素直接被土壤吸收（宋歡歡等，2014）。此外，五種樣地中各粒級中全磷含量較低且無明顯規(guī)律，可能是由于土壤中的磷是沉積性元素，源于土壤母質(zhì)，受成土過程、風(fēng)化特征和土壤侵蝕等的影響，低緯度地區(qū)風(fēng)化淋溶作用強烈（Hou et al.， 2015），再加上本研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重所致。

土壤C/N/P作為衡量土壤碳、氮、磷礦化和固持作用的重要指標(biāo)，受區(qū)域環(huán)境、成土條件和人為活動等因素的影響，具有明顯的空間變異性（王紹強和于貴瑞，2008）。本研究中，不同石漠化等級樣地0～20 cm范圍內(nèi)，各粒級土壤團聚體C/N、C/P和N/P的變化范圍分別是11.50～28.60、25.19～121.75和1.65～4.69。五種樣地C/N都高于中國陸地土壤均值（12.3）（Tian et al.， 2010），且與無石漠化樣地C/N差值最大，團聚體中較高的C/N值，可能是因為該地土壤有機質(zhì)腐化程度低，全氮含量增加速度緩慢所致（Zhang et al.， 2013）;隨著石漠化程度加重，團聚體C/N值呈現(xiàn)下降-上升-下降的“N”字形變化，表明石漠化演替過程中，土壤碳、氮元素在積累與消耗過程中的變化不穩(wěn)定，這與Clevelan & Liptzin（2007）的研究結(jié)論不同，可能是由于不同等級石漠化環(huán)境中土壤退化使得碳、氮養(yǎng)分循環(huán)遭到破壞，導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。本研究表明，團聚體C/P變化范圍較大，中國陸地土壤C/P均值（61）（Tian et al.， 2010）高于潛在、輕度、中度和強度四種樣地，而低于無石漠化樣地;相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)團聚體C/P與C呈極顯著正相關(guān)，并且相關(guān)程度高于P，說明團聚體C對C/P值的影響更強烈，這種差異可能是由于團聚體中碳含量增加速率高于磷含量導(dǎo)致的（區(qū)曉琳等，2018），同時大粒徑團聚體C/P值大于小粒徑團聚體，表明大粒徑團聚體中P元素較低，土壤微生物對P有同化趨勢（李瑋等，2015）。土壤中的氮、磷元素是生態(tài)系統(tǒng)中重要的限制性元素，將N/P作為預(yù)測土壤養(yǎng)分限制類型的重要指標(biāo)（王紹強和于貴瑞，2008）。由于不同粒徑大小的團聚體氮、磷元素分布特征不同導(dǎo)致團聚體N/P明顯不同。本研究中，隨著石漠化程度的加重，土壤N/P呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，說明磷的限制性呈現(xiàn)先減弱后增強的情況。五種樣地N/P整體處于較低的水平，各團聚體N/P均低于中國陸地土壤N/P的平均水平（Tian et al.， 2010）;土壤團聚體N/P與氮元素呈極顯著正相關(guān)，并且相關(guān)程度高于磷元素，說明氮元素對團聚體N/P的影響更大。因此在研究區(qū)石漠化演替過程中，由于團聚體氮元素增長緩慢，導(dǎo)致團聚體中氮元素成為石漠化區(qū)土壤恢復(fù)過程的主要限制性元素。此外，團聚體N/P最高值大部分出現(xiàn)在粒徑>0.25 mm的團聚體中，表明大粒徑團聚體受磷元素的限制作用更明顯。

4 結(jié)論

（1）石漠化演變過程中，不同石漠化環(huán)境團聚體穩(wěn)定性、各級團聚體中碳、氮、磷含量及其化學(xué)計量比存在顯著性差異。其中，無石漠化環(huán)境中大團聚體（>0.25 mm）含量、團聚體直徑（MWD、GMD）高于潛在、輕度、中度和強度石漠化樣地，且可蝕性K值低于其余四種樣地。

（2）無石漠化樣地四個粒級團聚體中有機碳和全氮含量最高，各樣地全磷含量有明顯差異，五種樣地小粒徑團聚體的有機碳、全氮和全磷含量高于較大粒徑。與團聚體C/N和C/P相比，N/P變異性較小，土壤C/N在小粒徑結(jié)構(gòu)中較高，而C/P和N/P最大值均出現(xiàn)在>0.25 mm粒級內(nèi)。

參考文獻：

AMEZKETA E， 1999. Soil aggregate stability： A review [J]. J Sustain Agric， 14（2-3）： 83-151.

AN SS， ZHANG Y， ZHENG FL， 2008. Fractal characteristics of soil aggregates and their response to vegetation restoration in Loess Hilly Area [J]. Sci Soil Water Conserv， 1（2）： 66-70.? [安韶山， 張揚， 鄭粉莉， 2008. 黃土丘陵區(qū)土壤團聚體分形特征及其對植被恢復(fù)的響應(yīng) [J]. 中國水土保持科學(xué)， 1（2）： 66-70.]

BLANCO-CANQUI H， LAL R， 2004. Mechanisms of carbon sequestration in soil aggregates [J]. Critical Rev in Plant Sci， 23（6）： 481-504.

CLEVELAND CC， LIPTZIN D， 2007. C∶N∶P stoichiometry in Soil： Is There a “Redfield Ratio” for the microbial biomass？? [J]. Biogeochemistry， 85（3）： 235-252.

DEVINE S， MARKEWITZ D， HENDRIX P， et al.， 2014. Soil aggregates and associated organic matter under conventional tillage， no-tillage， and forest succession after three decades [J]. PLoS ONE， 9（1）： 1-12.

GUO K， LIU CC， DONG M， 2011. Ecological adaptability of karst plants and rocky desertification control in Southwest China? [J]. Acta Plant Ecol， 35（10）：991-999.? [郭柯， 劉長成， 董鳴， 2011.我國西南喀斯特植物生態(tài)適應(yīng)性與石漠化治理 [J]. 植物生態(tài)學(xué)報， 35（10）： 991-999.]

GUO W， SHI ZH， CHEN LD， et al.， 2007. Effect of aggregate size of red soil on slope erosion process? [J]. Acta Ecol Sin， 27（6）： 2516-2522.? [郭偉， 史志華， 陳利頂， 等， 2007. 紅壤表土團聚體粒徑對坡面侵蝕過程的影響

[J]. 生態(tài)學(xué)報， 27（6）： 2516-2522.]

HOU EQ， CHEN CG， WEN DZ， et al.， 2015. Phosphatase activity in relation to key litter and soil properties in mature subtropical forests in China [J]. Sci Total Environ， 515-516（15）： 83-91.

LAN JC， SHEN Y， 2020. Effects of vegetation restoration on soil aggregate organic carbon and carbon pool management index in Karst Valley area? [J]. Guihaia， 40（6）： 765-775.? [藍家程， 沈艷， 2020. 巖溶槽谷區(qū)植被恢復(fù)對土壤團聚體有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響 [J]. 廣西植物， 40（6）： 765-775.]

LI W， ZHENG ZC， LI TX， 2015. Ecochemical characteristics of soil aggregates with different tea planting years? [J]. Chin J Appl Ecol， 26（1）： 9-16.? [李瑋， 鄭子成， 李廷軒， 2015. 不同植茶年限土壤團聚體碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 26（1）： 9-16.]

LIU J， MA YT， WANG XL， et al.， 2019. Effects of land use patterns on soil aggregate stability and organic carbon in Weibei dryland? [J]. Environ Sci， 40 （7）： 3361-3368.? [劉杰， 馬艷婷， 王憲玲， 等， 2019. 渭北旱塬土地利用方式對土壤團聚體穩(wěn)定性及其有機碳的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)， 40（7）： 3361-3368.]

LU Y， LONG J， LIAO HK， et al.， 2017. Study on the nutrient and enzyme activities of soil aggregates under different land use patterns in Karst Area — Taking Huajiang as an example [J]. Environ Chem， 36（4）： 821-829.? [盧怡， 龍健， 廖洪凱， 等， 2017. 喀斯特地區(qū)不同土地利用方式下土壤團聚體中養(yǎng)分和酶活性的研究——以花江為例 [J]. 環(huán)境化學(xué)， 36（4）： 821-829.]

LUO M， ZHOU YC， 2010. Study on the stability of soil aggregates developed from carbonate rock in karst area [J]. Res Agric Modern， 31（4）： 496-500.? [羅明， 周運超， 2010. 喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育土壤團聚體穩(wěn)定性研究

[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 31（4）： 496-500.]

QIU LP， ZHANG XC， ZHANG JA， 2006. Distribution of nutrients and enzymes in soil aggregates for long-term fertilization on the Loess Plateau? [J]. Acta Ecol Sin， 26（2）： 59-67.? [邱莉萍， 張興昌， 張晉愛， 2006. 黃土高原長期培肥土壤團聚體中養(yǎng)分和酶的分布 [J]. 生態(tài)學(xué)報， 26（2）： 59-67.]

QU Q， XU HW， WU X， et al.， 2019. Stability and stoichiometric characteristics of soil aggregates of artificial Robinia pseudoacacia forest in different vegetation zones of the Loess Plateau [J]. Environ Sci， 40（6）： 2904-2911.? [瞿晴， 徐紅偉， 吳旋， 等， 2019. 黃土高原不同植被帶人工刺槐林土壤團聚體穩(wěn)定性及其化學(xué)計量特征 [J]. 環(huán)境科學(xué)， 40（6）： 2904-2911.]

XU X， LI DJ， CHENG XL， et al.， 2016. Carbon： nitrogen stoichiometry following afforestation： A global synthesis [J]. Sci Rep， 6（1）： 1-8.

QU XL， CHEN ZB， CHEN ZQ， et al.， 2018. Chemometric characteristics of soil aggregates during vegetation restoration in subtropical eroded red soil area [J]. Acta Pedol Sin， 55（5）： 119-130.? [區(qū)曉琳， 陳志彪， 陳志強， 等， 2018. 亞熱帶侵蝕紅壤區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤團聚體化學(xué)計量特征 [J]. 土壤學(xué)報， 55（5）： 119-130.]

SIX J， ELLIOTT ET， PAUSTIAN K， 2000. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation： A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture? [J]. Soil Biol Biochem， 32（14）： 2099-2103.

SHENG MY， LIU Y， XIONG KN， 2013. Response of soil physical and chemical properties in succession of karst rocky desertification in South China [J]. Acta Ecol Sin， 33（19）： 350-360.? [盛茂銀， 劉洋， 熊康寧， 2013. 中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤理化性質(zhì)的響應(yīng) [J]. 生態(tài)學(xué)報， 33（19）： 350-360.]

SHIRAZI MA， BOERSMA L， 1984. A unifying quantitative analysis of soil texture [J]. Soil Sci Soc Am J， 48（1）： 142-147.

SONG HH， JIANG CM， YU WT， 2014. Basic features and monitoring methodologies of atmospheric nitrogen deposition [J]. Chin J Appl Ecol， 25（2）： 599-610.? [宋歡歡， 姜春明， 宇萬太， 2014. 大氣氮沉降的基本特征與監(jiān)測方法 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 25（2）： 599-610.]

TAMURA M， SUSEELA V， SIMPSON M， et al.， 2017. Plant litter chemistry alters the content and composition of organic carbon associated with soil mineral and aggregate fractions in invaded ecosystems [J]. Glob Change Biol， 23（10）： 4002-4018.

TIAN HQ， CHEN GS， ZHANG C， et al.， 2010. Pattern and variation of C∶N∶P ratios in Chinas soils： A synthesis of observational data [J]. Biogeochemistry， 98（1-3）： 139-151.

TAN QJ， SONG TQ， PENG WX， et al.， 2014. Stability and organic carbon characteristics of soil aggregates in different ecosystems of canyon karst [J]. Chin J Appl Ecol， 25（3）： 671-678.? [譚秋錦， 宋同清， 彭晚霞， 等， 2014. 峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳特征 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 25（3）： 671-678.]

UDOM BE， OGUNWOLE JO， 2015. Soil organic carbon， nitrogen， and phosphorus distribution in stable aggregates of an Ultisol under contrasting land use and management history [J]. J Plant Nutr Soil Sci， 178（3）： 460-467.

WANG H， YAO X， YANG H， et al.， 2017. Effects of different land cover types on soil aggregate organic carbon in karst area? [J]. Ecol Environ Sci， 26（9）： 1506-1513.? [王浩， 姚昕， 楊慧， 等， 2017. 巖溶區(qū)不同土地覆被方式對土壤團聚體有機碳的影響 [J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報， 26（9）： 1506-1513.]

WANG PJ， DAI QH， DING GJ， et al.， 2014. Changes of soil anti erodibility during vegetation restoration in degraded karst [J]. Acta Pedol Sin， 51（4）： 806-815.? [王佩將， 戴全厚， 丁貴杰， 等， 2014. 退化喀斯特植被恢復(fù)過程中的土壤抗蝕性變化 [J]. 土壤學(xué)報， 51（4）： 806-815.]

WANG SQ， YU GR， 2008. Ecological chemometric characteristics of carbon， nitrogen and phosphorus in ecosystem [J]. Acta Ecol Sin， 28（8）： 457-467.? [王紹強， 于貴瑞， 2008. 生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征 [J]. 生態(tài)學(xué)報， 28（8）： 457-467.]

WANG J， LIU ZQ， BAO EY， et al.， 2019. Effects of forest and grass restoration on soil aggregates and organic carbon content in karst rocky desertification area? [J]. J Soil Water Conserv， 33（6）： 249-256.? [王進， 劉子琦， 鮑恩俁， 等， 2019. 喀斯特石漠化區(qū)林草恢復(fù)對土壤團聚體及其有機碳含量的影響 [J]. 水土保持學(xué)報， 33（6）： 249-256.]

WEI XR， LI XZ， JIA XX， et al.， 2013. Accumulation of soil organic carbon in aggregates after afforestation on abandoned farmland? [J]. Biol Fert Soils， 49（6）： 637-646.

WU LF， WANG ZQ， WANG Y， et al.， 2019. Relationship between soil C， N， P stoichiometric characteristics and enzyme activities in different rocky desertification degrees in karst plateau? [J]. Ecol Environ Sci， 28（12）： 2332-2340.? [吳麗芳， 王紫泉， 王妍， 等， 2019. 喀斯特高原不同石漠化程度土壤C、N、P化學(xué)計量特征和酶活性的關(guān)系 [J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報， 28（12）： 2332-2340.]

XIAO SS， ZHANG W， YE YY， et al.， 2017. Soil aggregate mediates the impacts of land uses on organic carbon， total nitrogen， and microbial activity in a karst ecosystem [J]. Sci Rep， 7： 41402.

XIONG KN， CHEN YB， CHEN H， 2011. Turning stone into gold： Technology and model of controlling rocky desertification in Guizhou [M]. Guiyang： Guizhou Science and Technology Press.? [熊康寧， 陳永畢， 陳滸， 2011. 點石成金——貴州石漠化治理技術(shù)與模式 [M]. 貴陽： 貴州科技出版社.]

XIONG KN， LI P， ZHOU ZF， 2002. Remote sensing of karst stony desertification — A typical research of GIS/Taking Guizhou Province as an example [M]. Beijing： Geology Publishing House.? [熊康寧， 黎平， 周忠發(fā)， 2002. 喀斯特石漠化的遙感-GIS典型研究-以貴州省為例 [M]. 北京： 地質(zhì)出版社.]

XU HW， WU Y， QIAO LL， et al.， 2018. Soil aggregates and their stability in the process of ecological restoration in different vegetation zones： A case study of the loess plateau [J]. Chin Environ Sci， 38（6）： 2223-2232.? [徐紅偉， 吳陽， 喬磊磊， 等， 2018. 不同植被帶生態(tài)恢復(fù)過程土壤團聚體及其穩(wěn)性—以黃土高原為例 [J]. 中國環(huán)境科學(xué)， 38（6）： 2223-2232.]

YU YF， PENG WX， SONG TQ， et al.， 2014. Chemometric characteristics of C， N， P in different forest types and soils in karst peak cluster depression [J]. Acta Appl Ecol， 25（4）： 947-954.? [俞月鳳， 彭晚霞， 宋同清， 等， 2014. 喀斯特峰叢洼地不同森林類型植物和土壤C、N、P化學(xué)計量特征 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 25（4）： 947-954.]

ZHANG ZS， SONG XL， LU XG， et al.， 2013. Ecological stoichiometry of carbon， nitrogen， and phosphorus in estuarine wetland soils： Influences of vegetation coverage， plant communities， geomorphology， and seawalls [J]. J Soils Sed， 13（6）： 1043-1051.

ZHANG Q， ZHANG AH， YAO DJ， et al.， 2019. Nitrogen distribution and fixation characteristics of soil aggregates in cultivated layer under continuous planting of different green manure crops [J]. Chin J Soil Sci， 50（3）： 577-584.? [張欽， 張愛華， 姚單君， 等， 2019. 連續(xù)種植不同綠肥作物的耕層土壤團聚體中氮分布及其固持特征 [J]. 土壤通報， 50（3）： 577-584.]

（責(zé)任編輯 周翠鳴）

收稿日期：? 2020-11-28

基金項目： 國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0502601）;國家自然科學(xué)基金（41907042）;貴州教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字 [2018]127）;貴州省科技支撐計劃項目（黔科合支撐 [2018]2777） [Supported by the “Thirteenth Five” Plan for the National Key Research and Development Program of China （2016YFC0502601）;? the National Natural Science Foundation of China （41907042）;? Youth Science and Technology Talent Support Program of Guizhou Education Department （KY [2018]127）;? Guizhou Science and Technology Supporting Plan（[2018]2777）]。

作者簡介： 陳靜（1996-），碩士研究生，主要從事喀斯特地貌與洞穴研究，（E-mail）wmclwzs2@126.com。

通信作者： 陳滸，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事喀斯特生態(tài)與環(huán)境研究，（E-mail）gy_chenhu@163.com。