洱海羅時(shí)江小流域林地—農(nóng)田—河岸帶土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征

梁?jiǎn)⒈螅钊鹆眨罴谚?，?磊，王艷霞

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

【研究意義】土壤中的碳(C)、氮(N)、磷(P)是影響植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，其豐缺程度控制生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的高低。掌握土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量特征是保護(hù)土壤資源的基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義[1]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是以生態(tài)學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)為基本原理，分析生態(tài)系統(tǒng)中C、N、P組成及比例關(guān)系，揭示土壤養(yǎng)分生物地球化學(xué)循環(huán)特征，以平衡植物-土壤養(yǎng)分供求關(guān)系[2-3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前關(guān)于土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量特征的研究多以單一的行政區(qū)劃單元為研究區(qū)[4-5]，行政區(qū)劃分割了流域的系統(tǒng)性和整體性，不能完整反映流域各自然要素的演變過(guò)程[6]，具有一定的局限性。小流域是生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)子系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)，也是自然資源規(guī)劃中最主要的規(guī)劃單元，在小流域開(kāi)展土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量特征分析，可以進(jìn)一步揭示空間尺度上土壤養(yǎng)分的供需平衡。目前，對(duì)小流域土壤C、N、P的研究多集中于東北平原[6-7]，長(zhǎng)江中下游平原[8-9]，內(nèi)蒙古高原[10-11]，黃土高原[12-13]等，而對(duì)云南高原區(qū)小流域土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量特征分析鮮有報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】洱海是大理州重要飲用水源保護(hù)地，是云南省第二大高原湖泊[14]，具有封閉半封閉特性，其四面環(huán)山、中部為較低海拔的天然匯水區(qū)，其入湖水量有限、換水周期長(zhǎng)、污染物通過(guò)入湖河流匯集，極易引起湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化[15]。目前洱海水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類(lèi)，已處于富營(yíng)養(yǎng)化初級(jí)階段[16]。位于洱海的北部羅時(shí)江、彌苴河和永安江流域地勢(shì)平坦，村落聚集，人口基數(shù)大，輸入的氮磷污染物約占入洱海總量的50%左右，面源污染突出[17]。為保護(hù)洱海生態(tài)環(huán)境，先后建設(shè)了羅時(shí)江濕地和江尾濕地等生態(tài)修復(fù)工程，能有效削減N、P污染物的入湖通量[18]，隨后在羅時(shí)江兩岸修建了寬50～100 m的河岸緩沖帶(河岸帶)削減入湖污染物。為進(jìn)一步開(kāi)展洱海流域生態(tài)文明建設(shè)，按“修山育林、凈田治河、修復(fù)宜居、增容保水”的思路系統(tǒng)開(kāi)展“山水林田湖草”治理與保護(hù)[19]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以羅時(shí)江小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，對(duì)林地-農(nóng)田-河岸帶土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究，為后續(xù)開(kāi)展小流域土地的合理利用，土壤C、N、P流失特征及生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為該小流域“山水林田湖”整體性保護(hù)工作提供參考，對(duì)洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染防控及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域位于金沙江、瀾滄江和元江三大水系分水嶺地帶，流域?qū)俚湫偷膩啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫15.3 ℃，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，流域面積2565 km2[20]。羅時(shí)江為洱海北部重要的入湖河流，發(fā)源于大理洱源縣右所鎮(zhèn)下山口附近，流經(jīng)右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)，全長(zhǎng)18.29 km，平均流量約為1.67 m3/s，年均徑流量約為0.53億m3，占洱海總來(lái)水量的5.90%[18]。羅時(shí)江小流域(25°55′30″～26°04′25″N，99°58′28″～100°06′48″E，圖1)總面積135.01 km2，其中林地、耕地、草地和河岸帶的面積分別為58.71、46.58、20.88和1.99 km2，分別占小流域面積的43.49%、34.50%、15.46%和1.47%。為削減沿岸面源污染入河，2018年在羅時(shí)江兩岸修建了河岸帶，西湖上游的河岸帶長(zhǎng)3.24 km、寬50 m，下游河岸帶長(zhǎng)8.31 km、寬100 m。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 于2020年10月采集研究區(qū)土壤樣品，根據(jù)羅時(shí)江小流域內(nèi)主要土地利用類(lèi)型、樣地均勻性及可達(dá)性選擇了林地(記為F1～F7)、農(nóng)田(記為A1～A6)、河岸帶(記為R1～R3)3種地類(lèi)，共計(jì)16個(gè)樣點(diǎn)(圖1)，并記錄樣點(diǎn)的坐標(biāo)及優(yōu)勢(shì)植被等基本信息。每個(gè)樣點(diǎn)用S形布點(diǎn)法間隔1 m采集5個(gè)表層土壤(0～20 cm)，混勻后用四分法取0.5 kg土樣，帶回試驗(yàn)室測(cè)定容重(BD)、pH、含水率(W)及C、N、P含量等理化指標(biāo)。

圖1 羅時(shí)江小流域地理位置及不同地類(lèi)土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Geographical location of the Luoshijiang small watershed and distribution of soil sampling sites in different land use patterns

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 變異系數(shù)采用公式(1)計(jì)算[22]，有機(jī)碳(SOC)含量參照文獻(xiàn)利用有機(jī)質(zhì)換算[21]，土壤SOC、TN和TP儲(chǔ)量采用公式(2)～(4)計(jì)算[3]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：CV為變異系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為均值；CS為有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；ω(SOC)為有機(jī)碳平均含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm3)；NS為全氮儲(chǔ)量(t/hm2)；ω(TN)為全氮平均含量(g/kg)；PS為全磷儲(chǔ)量(t/hm2)；ω(TP)為全磷平均含量(g/kg)；H為土層厚度(20 cm)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010匯總，利用Origin 2018軟件繪制柱狀圖，用Canoco 5.0 軟件對(duì)土壤理化性質(zhì)與土壤C、N、P變化關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA)并結(jié)合SPSS 19.0開(kāi)展Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

由表1可知，不同土地利用方式土壤pH表現(xiàn)為河岸帶(8.11±0.37)>農(nóng)田(7.63±0.41)>林地(6.29±0.14)，BD表現(xiàn)為河岸帶(1.43 g/cm3)>林地(1.16 g/cm3)>農(nóng)田(1.05 g/cm3)，含水率表現(xiàn)為河岸帶(20.92%)>林地(34.25%)>農(nóng)田(19.62%)。林地土壤主要成分為砂粒(Sa，粒徑為0.02～2 mm)，而農(nóng)田和河岸帶土壤主要成分均為粉粒(Si，粒徑為0.002～0.02 mm)和砂粒。土壤中所含黏粒(Cl，粒徑<0.002 mm)成分最高的是農(nóng)田，為16.22%。

土壤pH影響土壤養(yǎng)分及微量元素的有效性，羅時(shí)江小流域土壤pH變化幅度為6.25～8.38，不同用地類(lèi)型的土壤pH存在顯著差異(P<0.01)。農(nóng)田土壤pH高于林地，主要受研究區(qū)土地施肥和管理方式的影響[23]。由表2可知，農(nóng)田土壤質(zhì)地較為疏松[24]，說(shuō)明農(nóng)田蓄水能力強(qiáng)，含水率較高。河岸帶和林地土壤質(zhì)地較為適宜，其含水率低于農(nóng)田。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

表2 土壤容重與土壤松緊程度的關(guān)系

2.2 不同土地利用方式下土壤C、N、P含量

圖2 不同土地利用方式下土壤C、N和P含量Fig.2 Soil C, N and P contents under different land use patterns

2.3 不同土地利用方式下土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征

小流域土壤C/N、C/P、N/P范圍值分別為13.78～85.34、5.30～35.97、0.25～1.45，平均值分別為(25.17±3.56)、(14.20±0.57)、(0.69±0.01)。林地土壤C/N、C/P、N/P平均值分別為31.05、15.84、0.64，變異系數(shù)為74.46%、57.92%、45.89%。農(nóng)田土壤C/N、C/P、N/P平均值分別為17.55、14.06、0.89，變異系數(shù)為22.92%、71.90%、57.36%。河岸帶平均值分別為26.66、10.67、0.40，變異系數(shù)為16.13%、13.22%、13.53%(表3)，均為中等變異程度。

2.4 不同土地利用方式下土壤C、N、P儲(chǔ)量

羅時(shí)江小流域土壤Cs、Ns、Ps范圍分別為85.34～196.27、2.95～13.87、5.47～16.96 t/hm2，平均值分別為(124.56±0.78)、(6.46±0.03)、(9.50±0.38) t/hm2。

不同土地利用類(lèi)型土壤Cs、Ns、Ps表現(xiàn)出顯著差異(圖3)，從C的積累能力看，土壤Cs變化趨勢(shì)表現(xiàn)為林地(135.51 t/hm2)>農(nóng)田(120.44 t/hm2)>河岸帶(107.26 t/hm2)，林地Cs最高，說(shuō)明其固碳能力最強(qiáng)，是該流域重要的土壤“碳匯”。從N的固定效果看，Ns變化趨勢(shì)為農(nóng)田>林地>河岸帶，因此，農(nóng)田是羅時(shí)江小流域土壤氮養(yǎng)分高水平狀態(tài)的利用類(lèi)型，是該流域土壤“氮匯”。從P的固定效果看，Ps變化趨勢(shì)表現(xiàn)為河岸帶(10.35 t/hm2)>農(nóng)田(10.00 t/hm2)>林地(9.76 t/hm2)，河岸帶是該流域土壤“磷匯”。小流域土壤的Cs、Ns略高于云南松土壤，分別是云南松Cs、Ns的1.46和1.37倍[27]，林地Ps(10.05 t/hm2)顯著高于滇中退化山地土壤的Ps(2.57 t/hm2)。

表3 土壤C、N、P含量與化學(xué)計(jì)量比的變異系數(shù)

圖3 不同土地利用方式下土壤C、N、P儲(chǔ)量Fig.3 Soil C, N and P stocks under different land use types

表4 土壤C、N、P含量和儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子的相關(guān)性

2.5 土壤基本理化性質(zhì)對(duì)土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及化學(xué)計(jì)量特征的影響

紅線(xiàn)表示環(huán)境因子，藍(lán)線(xiàn)表示土壤碳氮磷含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量比The red line represents the environmental factors, and the blue line represents the soil carbon, nitrogen and phosphorus content, storage and its stoichiometric ratio圖4 土壤理化性質(zhì)與土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及化學(xué)計(jì)量比的冗余分析Fig.4 Analysis of soil physical and chemical properties and soil C, N, P content, reserves and stoichiometric ratio

為進(jìn)一步驗(yàn)證影響羅時(shí)江小流域土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量比的環(huán)境因子，參考已有土壤養(yǎng)分分布及影響因子的相關(guān)分析，對(duì)小流域土壤C、N、P含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量比與環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表4)。土壤Cs、Ns、Ps受C、N、P含量和土壤BD的影響，與土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等物理性質(zhì)密切相關(guān)[28]。

Cs與ω(SOC)、C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與ω(TN)、N/P呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；Ns與ω(TN)，Ps與ω(TP)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；ω(SOC)與ω(TN)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，劉騫等[29]對(duì)松嫩平原不同土地利用方式對(duì)土壤C、N影響的研究也有相似結(jié)果。有研究表明土壤SOC和TN的關(guān)系能夠衡量土壤的質(zhì)量，ω(SOC)的高低直接影響土壤氮素供應(yīng)水平[30]。ω(SOC)與C/P呈極顯著正相關(guān)，而與BD呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。ω(SOC)與W呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，這與大興安嶺凍土區(qū)土壤碳氮含量研究結(jié)果一致[31]；ω(TN)與W呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。C/N、C/P與N/P三者互呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。以上結(jié)論與冗余分析結(jié)果一致。

3 討 論

3.1 不同土地利用方式對(duì)土壤C、N、P含量的影響

3.2 不同土地利用方式對(duì)土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的影響

3.3 不同土地利用方式對(duì)土壤環(huán)境因子的影響及其與C、N、P含量的關(guān)系

不同土地利用方式導(dǎo)致小流域土壤C、N、P儲(chǔ)量存在一定差異，微生物分解速率不同，從而造成土壤理化性質(zhì)的差異[39]。已有研究表明，土壤容量、含水率不僅與研究區(qū)氣候、土壤類(lèi)型和成土母質(zhì)密切相關(guān)，也與不同土地利用類(lèi)型有關(guān)。李森等對(duì)川西北不同生態(tài)治理模式下土壤C、N、P儲(chǔ)量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量的研究表明隨著土壤ω(SOC)增加，孔隙度隨之增大，從而導(dǎo)致土壤容重降低[40]。本研究中土壤含水率與ω(SOC)、ω(TN)呈顯著正相關(guān)，與何家莉等[5]的研究結(jié)果相似，這是因?yàn)橹脖桓祻耐寥乐形兆銐虻乃謪⑴c植物的生命活動(dòng)，導(dǎo)致生物量不斷增加，同時(shí)根系在水分充足的條件下對(duì)枯枝落葉分解速率加快，致使C、N元素不斷向土壤輸入，形成C、N累積，而P則易隨地表徑流和滲漏損失。土壤容量、含水率是影響林地、農(nóng)田、河岸帶土壤C、N含量的重要因子。

4 結(jié) 論

(2)羅時(shí)江小流域土壤Ns變化趨勢(shì)為農(nóng)田>林地>河岸帶，Cs表現(xiàn)為林地>農(nóng)田>河岸帶，Ps表現(xiàn)為河岸帶>農(nóng)田>林地。林地是該流域重要的土壤“碳匯”，農(nóng)田是該流域土壤“氮匯”，河岸帶是該流域土壤“磷匯”。

(3)小流域土壤C/N、C/P、N/P范圍值分別為13.78～85.34、5.30～35.97、0.25～1.45。在不同土地利用方式影響下，土壤C/N表現(xiàn)為林地>河岸帶>農(nóng)田，C/P、N/P值均表現(xiàn)為農(nóng)田>林地>河岸帶。不同土地類(lèi)型下土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比存在不同程度的中等變異。

(4)小流域土壤容量(BD)、含水率(W)顯著影響土壤 C、N含量。Cs與ω(SOC)、C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與ω(TN)、N/P呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；Ns與ω(TN)，Ps與ω(TP)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；ω(SOC)與ω(TN)、C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與BD呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與W顯著正相關(guān)(P<0.05)；ω(TN)與W呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。C/N、C/P與N/P三者互呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。