黔中森林不同土地利用類型土壤養(yǎng)分及計量特征

王登超，張蒙蒙，安 靜*，吳 燦，申 招，黃鵬程，任 燕

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550025；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴州貴陽 550001)

森林公園是現(xiàn)代城市建設(shè)的重要內(nèi)容，在承擔(dān)市民休憩及游玩的同時，還具有凈化空氣、涵養(yǎng)水源、維持生物多樣性和固土保肥等重要生態(tài)服務(wù)功能[1]。隨著城市化進程的快速發(fā)展，土地利用類型改變、人為干擾以及交通污染等都會影響森林生態(tài)服務(wù)功能的穩(wěn)定[2]，而土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的基本構(gòu)筑，人為活動的干擾勢必對土壤環(huán)境造成影響，如土壤板結(jié)、微生物活性下降、礦化作用下降等問題[3-4]，因此，探討人為干擾對森林公園土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)影響，是深入了解森林公園土壤環(huán)境的關(guān)鍵一步。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)為研究生態(tài)環(huán)境元素比率和元素平衡提供了科學(xué)方法[5-6]。土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)是重要的生命元素，其化學(xué)計量關(guān)系不僅可以揭示土壤養(yǎng)分的飽和狀態(tài)，也在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、元素平衡和生物生存等方面發(fā)揮了重要作用[7]。土壤C∶N∶P主要受水熱條件和成土特性控制，由于氣候、地貌、植被、母巖、成土?xí)r間和土壤生物等成土因素和人類活動影響，使土壤C∶N∶P的空間變異性較大[8]。C、N、P及其計量比之間的動態(tài)平衡首先影響土壤肥力性質(zhì)和植物生長發(fā)育，進而引起生態(tài)系統(tǒng)的變化[9]?？梢姡煌恋乩妙愋偷耐寥繡、N、P含量及其計量比可以反映土壤養(yǎng)分狀況，有助于揭示地表覆被與土壤養(yǎng)分的相互影響，同時土壤深度顯著影響土壤養(yǎng)分，隨著土壤深度加深，土壤理化性質(zhì)亦會存在較大差異。因此，從生態(tài)計量學(xué)角度揭示不同土地覆被內(nèi)部C、N、P元素的平衡與循環(huán)過程，對于深入認識黔中森林公園生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

近年來，學(xué)者們對土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)進行了探討。如吳昊等[10]研究發(fā)現(xiàn)，海拔梯度對秦嶺松櫟混交林土壤N、P、K含量及其計量比特征的影響較明顯；Hui等[11]研究表明，土壤C、N含量對經(jīng)度敏感，緯度顯著影響土壤P含量、C∶P和N∶P；李培璽等[12]研究認為，pH對C、N、P及其計量比的空間異質(zhì)性存在較大貢獻；李丹維等[13]研究認為，土壤溫度對土壤C、N、P化學(xué)計量比有重要影響，其次為海拔；王慧等[14]研究表明，土壤C、N、P受地表覆被的影響較大。陶曉等[4]研究城市公園土壤發(fā)現(xiàn)，區(qū)位、季節(jié)和土層三者共同影響土壤碳氮磷含量及其計量學(xué)特征。但對森林公園土壤養(yǎng)分、化學(xué)計量比及其垂直變異的研究較少。對森林公園不同覆被及其土壤深度對土壤C、N、P、K含量與計量學(xué)特征的研究有助于進一步揭示土壤養(yǎng)分的供給能力和不同植物覆被養(yǎng)分循環(huán)及垂直分布特征。該研究以黔中地區(qū)龍架山國家森林公園為例，選取6種不同土地利用類型，對其不同深度的土壤C、N、P及其化學(xué)計量特征進行探討，闡明不同土地利用類型土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計量特征，揭示土壤深度對土壤養(yǎng)分和化學(xué)計量的影響規(guī)律，探討黔中公園土壤養(yǎng)分限制現(xiàn)狀，為該區(qū)土壤質(zhì)量的維護和森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于黔中地區(qū)龍里縣龍架山國家森林公園(106°55′15″～107°10′50″E，26°26′50″～ 26°29′45″N)，地處苗嶺山脈中部，由哨上、干沖和響水3個部分組成，總面積6 101 hm2，海拔1 060～1 386 m。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫14.8 ℃，極端高溫和低溫分別為34.2、-9.2 ℃，年降水量達1 000 mm以上，季節(jié)分布不均，全年平均相對濕度為79%，氣候溫暖，雨熱充沛。調(diào)查區(qū)域成土母質(zhì)以石英砂巖和碳酸鹽為主，土壤類型以黃壤和石灰土為主，森林覆蓋率84.8%，區(qū)內(nèi)主要包括針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌木林、灌草叢等6個植被型。

1.2 樣地設(shè)置及樣本采集基于黔中龍架山森林公園的遙感影像，并結(jié)合實地調(diào)查選取6種典型土地利用方式，分別為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木林、耕地和未利用地。各土地利用類型隨機選取3塊20 m×20 m典型樣地，每個單元坡向與坡度相近，采樣單元間至少有100 m緩沖距離。在每個采樣單元內(nèi)按“S”型取樣法采樣，在去除地表枯落物后用土鉆法分別取0～10、10～20、20～40、40～60 cm的土樣，各樣點同層混合后用四分法取出足夠樣品，去除雜質(zhì)帶回實驗室，經(jīng)自然風(fēng)干、研磨和過篩后用于土壤氮磷鉀測定。各類樣地信息見表1。

表1 樣地概況Table 1 Sample plot overview

1.3 樣品分析土壤養(yǎng)分的測定參考《土壤農(nóng)化分析》[15]的分析方法，土壤有機碳(SOC)用K2Cr2O7外加熱法測定，pH采用酸度計法測定，全氮(TN)用半微量凱氏定氮法測定，全磷(TP)用堿溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀(TK)采用堿溶-火焰分光光度法測定；生態(tài)化學(xué)計量比采用質(zhì)量比[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2019整理后，采用SPSS 26.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)比較各植被類型及土層pH、SOC、TN、TP、TK及其計量比關(guān)系，利用Duncan多重比較(Duncan’s multiple range test)，用Pearson相關(guān)系數(shù)法進行相關(guān)性檢驗，利用Canoco 5軟件進行冗余分析(RDA)，采用Origin軟件完成圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分特征由圖1可知，0～10 cm土層SOC含量表現(xiàn)為針葉林(ZY)最高(17.87 g/kg)，針闊混交林(ZK)、灌木林(GM)、耕地(GD)、未利用地(WL)依次下降，闊葉林(KY)顯著低于其余5種土地利用類型；同種土地利用類型土壤SOC含量均隨土層深度的增加而逐漸下降，但闊葉林在20～40與40～60 cm間差異不顯著；同一層次土壤SOC含量在不同土地利用類型間差異較大，屬中等變異(表2)，其中耕地和未利用地SOC含量均顯著高于同一層次的闊葉林。TN含量在6種土地利用類型中表現(xiàn)為表層聚集，0～10 cm耕地TN含量最高(1.71 g/kg)，闊葉林最低(0.83 g/kg)，垂直變化與SOC相近；除闊葉林外，其余5種土地利用類型在土層間差異顯著；土壤TN受土地利用類型影響顯著，其變化趨勢與SOC相近。TP含量土層間的變異較小，隨土層深度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢；土壤同一層次的不同土地利用類型間TP含量變化不一致，且隨著土層深度增加而趨于穩(wěn)定，總體表現(xiàn)為耕地>闊葉林>未利用地>針葉林>灌木林>針闊混交林。

研究區(qū)不同土地覆被下不同土層TK的平均含量為1.20～11.05 g/kg，變異系數(shù)達61.21%(表2)，屬中等變異，針葉林、針闊混交林和灌木林為表層聚集，而耕地、闊葉林和未利用地在底層更加聚集，但差異不明顯；隨土層深度增加呈現(xiàn)逐漸降低或先降低后增加趨勢，在0～20 cm土層中，除針葉林和灌木林外，同種覆被不同土層間存在顯著差異；耕地的TK含量在同一土層均為最高，除0～10 cm針闊混交林外，均顯著高于其他覆被類型。

2.2 不同土地利用類型土壤生態(tài)化學(xué)計量特征從圖2可以看出，6種土地利用類型土壤C/N隨土層深度增加變化規(guī)律有所差異。針葉林(ZY)、耕地(GD)、針闊混交林(ZK)、闊葉林(KY)、未利用地(WL)土層間差異顯著。除0～10 cm外，其他土層中灌木林(GM)C/N垂直變異較小且顯著高于其他類型。相同土層土壤C/N受土地利用類型的影響顯著。不同土地利用類型0～60 cm土壤C/P在1.87～41.37(表2)，不同土地利用類型對C/P均具有明顯影響；闊葉類型在同一層次C/P除高于40～60 cm針闊和針葉類型差異不顯著外，均顯著低于其他土地利用類型；同種土地利用類型表現(xiàn)為耕地在0～10和20～40 cm土層間、闊葉林和未利用地在20～40和40～60 cm土層間垂直影響不顯著外，其余土地利用類型土壤C/P受深度顯著影響。

6種土地利用土壤C/K隨土層深度的逐漸增加變化不同，其比值在0～60 cm為0.44～7.36(表2)。針葉林、闊葉林、灌木林和未利用地C/K在0～10 cm達到峰值，且除針葉林與灌木林差異不顯著外，其余類型之間均差異顯著；耕地在10～20 cm土層最高，與針闊混交林差異不顯著；針闊混交林在20～40 cm最高，除針闊混交林外，均顯著高于其他類型。同一土地利用類型C/K在0～10和10～20 cm土層的除闊葉林與未利用類型差異顯著外，其余類型差異均不顯著；而未利用地各土層間耕地、針闊混交林、闊葉林的20～40和40～60 cm土層間差異顯著。

6種土地利用類型土壤N/P與土層深度呈負相關(guān)。除耕地10～20和20～40 cm土層間、未利用地20～40和40～60 cm土層間差異不顯著外，其余土層間均存在顯著差異。土壤N/P受土地利用類型的影響較大，但該影響隨土層深度增加逐漸減少。

注：不同大寫字母表示同一土地利用類型不同土層深度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一土層深度不同土地利用類型間差異顯著(P<0.05)。Note：Different capital letters indicate significant difference between different soil depths of the same land use type(P<0.05)，different lowercase letters indicate significant differences between different land use types at the same soil depth(P<0.05).圖1 不同土地利用類型的各層土壤C、N、P、K含量Fig.1 Contents of soil C，N，P and K in different land use types

注：不同大寫字母表示同一土地利用類型不同土層深度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一土層深度不同土地利用類型間差異顯著(P<0.05)。Note：Different capital letters indicate significant difference between different soil depths of the same land use type(P<0.05)，different lowercase letters indicate significant differences between different land use types at the same soil depth(P<0.05).圖2 不同土地利用方式下土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K的垂直格局Fig.2 Vertical pattern of soil C/N，C/P，C/K，N/P，N/K and P/K under different land use patterns

不同土地利用類型土壤N/K為0.05～0.46(表2)，耕地、針葉林、灌木林和未利用地土壤N/K隨土層深度增加逐漸減少，而針闊混交林為先增加后減少趨勢，但差異不顯著。同一土地利用土壤N/K總體為0～40 cm各層差異不顯著。同一層次N/K受土地利用類型影響較明顯。

隨土層深度變化，6種土地利用類型土壤P/K變化規(guī)律存在差異，總體在0.04～0.30(表2)。不同土地利用類型在10～20 cm影響最小，20～40 cm影響最大。除耕地和未利用地外，不同土地利用類型土壤P/K峰值均出現(xiàn)在20～60 cm，除耕地外，均顯著高于0～20 cm。

表2顯示，不同土地利用土壤C/N、C/P、C/K、N/K、N/P和P/K變異系數(shù)分別為34.40%、59.11%、63.48%、45.08%、47.98%和45.03%，表明研究區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量比均屬中等變異，在不同土地利用類型間差異較大，分析可知C/N的變異相對較低，其值相對穩(wěn)定，C/K和C/P對土地利用類型的響應(yīng)強于C/N、N/P、N/K和P/K。

表2 土壤SOC、TN、TP、TK含量及化學(xué)計量比統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of soil SOC，TN，TP，TK content and stoichiometric ratio

2.3 不同土地利用類型SOC、TN、TP、TK與其化學(xué)計量比相關(guān)性分析黔中森林公園不同土地利用類型土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學(xué)計量比冗余分析結(jié)果見圖3，第一、第二排序軸分別可以解釋系統(tǒng)方差變化的91.35%和3.46%，累計解釋量為94.81%。在第一主軸上SOC含量對土壤C/N、N/K、N/P、C/K、C/P具有正向影響，對P/K存在負向影響，TN對計量比的影響與SOC一致，土層深度對化學(xué)計量比有較大的反向作用效應(yīng)。第二主軸上TP、TK和TN與化學(xué)計量比具有正相關(guān)，但相關(guān)性不強。分析發(fā)現(xiàn)SOC對C/P的影響大于TP，SOC較TN和TK對C/N和C/K的影響大，TN較TP和TK對N/P和N/K的影響更大，TK相對于TP對P/K的影響較大。

由表3可知，土壤SOC、TP、TN、TK兩兩之間相關(guān)性較強，表明研究區(qū)不同土地利用類型下土壤SOC、TP、TN、TK相互之間協(xié)同關(guān)系顯著。土壤養(yǎng)分與其化學(xué)計量比間具有較強的耦合關(guān)系。研究區(qū)不同土地利用類型中，土壤SOC和TN對其生態(tài)化學(xué)計量比耦合關(guān)系較強。土壤C/N、C/P、C/K和N/K與SOC含量相關(guān)關(guān)系密切，N/P受TN、SOC二者共同調(diào)控，而P/K主要受土壤TK含量的影響。

注：SD表示土層深度。Note：SD represents the depth of the soil.圖3 土壤SD、SOC、TN、TP、TK、pH及其計量比的RDA分析Fig.3 RDA analysis of soil SD，SOC，TN，TP，TK，pH and their stoichiometric ratio

表3 土壤SOC、TN、TP、TK含量及其生態(tài)化學(xué)計量特征間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between soil SOC，TN，TP，TK contents and their eco-stoichiometric characteristics

3 討論

森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及養(yǎng)分循環(huán)過程受土壤C、N、P、K含量及其分布狀況的影響[17]，森林土地覆被通過凋落物分解、根系分泌物及根際微生物的積累等過程調(diào)控森林土壤質(zhì)地[18]。該研究得出6種土地利用類型土壤SOC、TN含量隨土層深度增加而遞減，這與連玉珍等[19]、王慧等[14]的研究結(jié)果一致。一方面因土壤表層具有較多枯落物分解合成產(chǎn)物，首先聚集在地表[20]，其次土壤表層較底層土壤結(jié)構(gòu)、通氣性能更利于土壤微生物生長代謝，致使土壤表層的養(yǎng)分循環(huán)較快。研究區(qū)0～10 cm SOC、TN含量低于我國同層次土壤含量均值[21]，表明黔中森林土壤碳蓄積能力有所降低。這可能是城市化進程不斷發(fā)展，人為干擾加劇所引起森林土壤肥力下降、土壤生物活性受抑制、凋落物分解率降低等問題，影響了土壤碳氮含量的積累[4]。

研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)表層土壤SOC含量表現(xiàn)為針葉林、針闊混交林、灌木林含量較高，主要原因是該區(qū)針葉、針闊和灌木覆被下土壤枯落物較多，根系分泌物及微生物新陳代謝促進枯落物分解過程；耕地由于受人類活動(施肥、翻土等)的影響，使其土壤SOC和TN相對較高。研究區(qū)闊葉林土壤SOC和TN含量均最低，主要是受人類活動長期踐踏，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，土壤容重增大，通氣性能變劣，進而影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[22]，最終導(dǎo)致土壤SOC和TN含量較低。

6種土地利用類型0～10 cm土壤TP含量均值低于貴州省表土TP含量均值[23]，表明該區(qū)TP含量水平較低。土壤磷和鉀含量主要受母巖、成土作用、有機質(zhì)礦化過程及氣候影響[19，24]，該區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境和氣候條件可能是引起P素水平偏低的原因。該研究顯示，研究區(qū)TP含量隨土層深度增加而降低，降低趨勢逐漸減緩，這與寧志英等[25]的研究結(jié)果相似，原因可能是磷主要來源于母巖，母巖釋放相對穩(wěn)定，加之地表有機質(zhì)對其TP進行補充，致使TP垂直分布差異。針葉林、針闊混交林和灌木林TK表現(xiàn)為表層更富集，與前人研究相反[26]，可能與表層土壤有機質(zhì)礦化作用加快和人為干擾有關(guān)，而闊葉林和未利用地TK隨土層深度增加而增大，這與鄧小軍等[26]對貓兒山3種森林類型土壤養(yǎng)分的研究一致。土壤TP、TK的空間變異均達到了中等變異，變異系數(shù)分別為21.33%、61.21%，磷的變異相對較低，鉀的變異較高，原因是磷鉀元素除受土壤深度影響外，受土地利用類型的影響也較大導(dǎo)致。該區(qū)礦質(zhì)養(yǎng)分的變異均達中等變異，可能與淋溶作用、地貌、地表覆被、母巖、氣候和土壤動物等因子及人類活動的協(xié)同作用有關(guān)[27]。耕地因耕作施肥的影響，土壤TP、TK含量高于其他5種覆被類型。

土壤C、N、P的化學(xué)計量比對土壤內(nèi)部養(yǎng)分循環(huán)特征具有較好的指示作用，已有研究表明，其比值在一定范圍內(nèi)可反映土壤養(yǎng)分限制情況及養(yǎng)分的有效性[28]。由于土壤C、N、P含量受氣候、植被、母質(zhì)、微生物等成土因子和人類活動綜合影響，致使其養(yǎng)分有較大的空間變異[29]。該研究發(fā)現(xiàn)，6種土地利用類型各層的C/N的變異系數(shù)較SOC和TN大幅降低，這與Tian等[21]的研究結(jié)果相近，其原因可能是SOC和TN具有相似變化規(guī)律。這種規(guī)律反映了土壤C、N對環(huán)境變化的協(xié)同效應(yīng)。而6種土地利用類型的土壤C/P和N/P變異系數(shù)較高，其原因可能是SOC和TN的空間變異性較大。

土壤C/N通過影響與SOC分解相關(guān)的微生物活性，進而影響土壤養(yǎng)分的積累[21]。一定范圍內(nèi)，低的土壤C/N將促進微生物對SOC的礦化；反之，則分解SOC的微生物受元素限制[30]。該研究中針闊混交林、灌木林和未利用地0～10 cm 土層C/N均高于全球森林土壤同層次的平均水平(12.40)及全國土壤同層次平均水平(12.00)[21]。土壤C/N以未利用地和灌木林較大，原因是未利用地和灌木林混作土壤0～10 cm具有較高的SOC和較低的TN，說明未利用地和灌木林的SOC礦化能力較其他4種土地利用類型差。而闊葉林C、N含量變化與其余5種土地利用類型相比有較大差異，即較低的C、N導(dǎo)致較低的C/N其原因可能是公園闊葉林區(qū)人類活動更頻繁，降低了土壤C、N養(yǎng)分含量，進而影響C/N。研究區(qū)內(nèi)土壤C/N隨土層深度加深呈先增后減趨勢，與李江榮等[31]的研究結(jié)果相近，可能是植物根系的富集作用，及研究區(qū)土層較薄深層土壤接近母質(zhì)層導(dǎo)致養(yǎng)分含量降低。

C/P是土壤P素的礦化能力的指示因子，也是表征微生物分解SOC釋放P或吸收P潛力的指標(biāo)[32]。該研究中，6種土地利用類型0～10 cm土層C/P均值低于貴州省表土的平均水平(50.92)[23]，高于喀斯特峰叢洼地的平均水平(17.70)[32]。區(qū)域內(nèi)C/P較低，表明P素的有效性較高。不同土地利用類型土壤的C/P不同，可能由于不同土地利用類型優(yōu)勢種群的差異，使不同土地利用對養(yǎng)分需求不同，而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的差異，進而造成C/P的差異。C/P隨土層深度變化趨勢與SOC變化趨勢一致，這與前人的研究結(jié)果一致[31]，這主要是SOC隨土層深度增加而大幅降低造成。

N/P可作為N飽和的指示因子，被用來確定養(yǎng)分限制的閾值[33]。6種土地利用類型土壤的N/P隨土層深度的增加而減小，這可能是土壤TN含量隨土層深度增加而降低造成的。研究區(qū)N/P均值均低于我國陸地土壤均值(3.90)、貴州表層土壤均值(3.75)[23]。該區(qū)0～10 cm土壤N/P大小表現(xiàn)為針闊混交林>針葉林>耕地>未利用地>灌木林>闊葉林。說明該區(qū)土壤N素較缺乏，氮素成為該森林公園植物生長的限制因子，且未利用地、灌木林和闊葉林較其他土地類型更易受到氮脅迫。因此，適當(dāng)?shù)氖┘拥貙珗@土壤生態(tài)計量比的維持有重要作用。

李培璽等[12]研究發(fā)現(xiàn)，C與N和P及N與P有極顯著正相關(guān)(P<0.01)。該研究發(fā)現(xiàn)，土壤C、N、P、K兩兩間均呈極顯著正相關(guān)。還發(fā)現(xiàn)pH與C、N為極顯著正相關(guān)，與K為顯著正相關(guān)，而與P相關(guān)性不強，與李培璽等[12]研究近似。說明土壤C、N、P、K及其生態(tài)化學(xué)計量比緊密相關(guān)。冗余分析發(fā)現(xiàn)，土壤SOC對C/P的影響大于TP，SOC較TN和TK對C/N和C/K的影響較大，TN較TP和TK對N/P和N/K的影響更大，TK相對于TP對P/K的影響較大，與前人的研究結(jié)果一致[14]。

4 結(jié)論

該研究顯示，研究區(qū)6種土地利用地類型C、N、P、K及其化學(xué)計量特征表明，土層深度和土地利用類型對土壤SOC、TN、TP、TK均有一定程度影響，土壤SOC、TN、TK較P更易受到土層深度和土地利用方式的影響。針闊混交林和針葉林對研究區(qū)土壤質(zhì)量的改善具有積極作用。研究區(qū)6種土地利用類型土壤C/N較其他指標(biāo)變異較小，且C/N低于貴州省表層土壤C/N平均水平，研究區(qū)有機質(zhì)礦化作用緩慢。N/P均低于全國平均水平及貴州省表層土壤平均水平，研究區(qū)土壤表現(xiàn)為氮素缺乏。不同土地利用類型的土壤C、N、P、K與其計量比具有較強的耦合關(guān)系。研究區(qū)土壤C/N、C/P、C/K主要受SOC控制，N/P和N/K主要由TN控制，P/K主要受到TK含量的影響。