西南喀斯特區(qū)土壤養(yǎng)分含量及生態(tài)化學計量特征

鮑麗然 李瑜 董金秀 羅愷

摘要 利用土地質(zhì)量地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)，研究我國西南黔江—酉陽一帶喀斯特區(qū)土壤養(yǎng)分含量及生態(tài)化學計量特征，為揭示巖溶生態(tài)系統(tǒng)各組分之間的養(yǎng)分循環(huán)提供科學參考。結(jié)果表明，土壤SOC、TN、TP和TK平均值分別為27.15、1.66 、0.693 和21.62 g/kg，化學計量比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K平均值分別為16.24、42.42、1.45、2.60、0.087、0.037；C∶N、C∶K、N∶K兩兩之間呈極顯著正相關，P∶K與C∶P、N∶P呈極顯著負相關。不同土地利用方式下，SOC、TN、TK均為水田中含量最高，TP在旱地和園地含量較高，C∶N在水田、園地較高，C∶P、N∶P、N∶K在水田、有林地較高，C∶K在灌木林地、有林地較高，P∶K在各用地方式間均無顯著差異。

關鍵詞 黔江—酉陽;土壤養(yǎng)分;生態(tài)化學計量比;土地利用方式

中圖分類號 P596 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0139-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.031

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Nutrient Content and Ecological Stoichiometry Characteristics of Soil in Southwest Karst area

BAO? Li-ran，LI Yu，DONG? Jin-xiu et al

（Southeast Sichuan Geological Group，Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration，Chongqing?? 400030）

Abstract Based on the geochemical survey data of land quality，the soil nutrient content and ecochemical stoichiometry characteristics of karst area in Qianjiang-Youyang of southwest China were studied，providing scientific reference for revealing nutrient cycle among components of karst ecosystem.The results showed that the average content of SOC，TN，TP and TK were 27.15，1.66，0.693，21.62 g/kg，and the average ratios of C∶N，C∶P，C∶K，N∶P，N∶K and P∶K were 16.24，42.42，1.45，2.60，0.087 and 0.037.C∶N，C∶K，N∶K were significantly positively correlated，P∶K was significantly negatively correlated with C∶P，N∶P.For different land use modes，the contents of SOC，TN and TK were the highest in paddy fields，the content of TP was higher in dry lands and garden fields，C∶N was higher in paddy fields and gardens，C∶P，N∶P and N∶K were higher in paddy fields and woodlands，C∶K was higher in shrubby woodlands and woodlands，and P∶K had no significant difference between different land use modes.

Key words Qianjiang-Youyang;Soil nutrient;Ecological stoichiometry;Land use modes

基金項目 地質(zhì)礦產(chǎn)勘查類項目（渝規(guī)資〔2020〕188號）。

作者簡介 鮑麗然（1983—），女，河北石家莊人，正高級工程師，從事環(huán)境地球化學研究。

收稿日期 2022-12-09

我國西南地區(qū)連片分布大面積的喀斯特巖溶地貌，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。該區(qū)域自然土層薄，在雨水沖刷下易發(fā)生水土流失，加上越來越多不合理的人類活動，導致石漠化現(xiàn)象普遍存在。石漠化地區(qū)土壤流失嚴重，土壤質(zhì)量退化，土地生產(chǎn)力極低，且易發(fā)生旱澇災害，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件極為惡劣，嚴重影響了當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。石漠化治理已成為我國當前加強生態(tài)建設、維護生態(tài)安全最為迫切的任務之一。

生態(tài)化學計量學是綜合多門學科基本原理，研究生態(tài)系統(tǒng)各組分主要組成元素平衡關系和耦合關系的重要方法，在生物地球化學循環(huán)研究領域發(fā)揮了極其重要的作用，成為當前生態(tài)學研究熱點之一。土壤養(yǎng)分（C、N、P等）生態(tài)化學計量比作為體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)變化過程的重要依據(jù)，對揭示喀斯特石漠化地區(qū)土壤元素的循環(huán)和平衡機制具有重要意義。王霖嬌等研究了貴州3個不同程度石漠化區(qū)土壤C、N、P養(yǎng)分元素生態(tài)化學計量特征，認為降水、溫度、巖石裸露率和土地覆被是西南喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分及其化學計量比的主要影響因素。張春來等研究了廣西馬山縣西部巖溶區(qū)不同土地利用方式土壤碳、氮、磷生態(tài)化學計量特征，發(fā)現(xiàn)土壤C、N、P化學計量在空間分布和土地利用方式具有一致性。胡義等研究了漢中市巖溶區(qū)糧食作物耕地、經(jīng)濟作物耕地、草地和林地土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征，發(fā)現(xiàn)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。代林玉等研究了貴州施秉白云巖喀斯特區(qū)植煙地表層土壤生態(tài)化學計量特征，發(fā)現(xiàn)土壤C、N含量適宜，P含量極豐富，C∶P、N∶P遠小于全國水平。張麗敏等研究了貴州喀斯特地區(qū)西番蓮、獼猴桃、八月瓜、冷飯團等不同果園土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征，發(fā)現(xiàn)4種不同土地利用類型的土壤均存在養(yǎng)分分配不均衡的現(xiàn)象。

重慶是全國巖溶地區(qū)石漠化綜合治理的重點地區(qū)，依據(jù)《重慶市巖溶地區(qū)石漠化綜合治理工程規(guī)劃》（2006—2020年），重慶石漠化地區(qū)達9 256 km，占全市國土面積的11.23%，主要分布于渝東北、渝東南低山丘陵地區(qū)。筆者基于土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，研究了渝東南黔江-酉陽喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分及生態(tài)化學計量特征，以期為巖溶區(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)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于重慶市東南部喀斯特石漠化區(qū)，行政區(qū)劃上包括黔江區(qū)南部和酉陽縣中西部，地理坐標為108°18′21″～109°7′33″E，28°19′48″～29°39′36″N，北與彭水縣相接，東與湖北省咸豐縣、來鳳縣相鄰，南與秀山縣相連，西與貴州省沿河縣、道真縣相鄰。處于巫山、七曜山強巖溶化峽谷中山區(qū)，地貌類型以喀斯特丘陵、喀斯特中山和褶皺抬升低山為主，海拔為465～1 708 m。氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候，受夏季暖濕氣流和山地地形的影響，全年雨量充沛，冬暖夏涼、四季怡人。地層巖性主要為三疊系、二疊系、志留系、奧陶系、寒武系的灰?guī)r、白云巖，少量砂巖、泥頁巖，巖石溶蝕作用較強。土壤類型以黃壤、黃棕壤、石灰土為主，成土母質(zhì)為三疊系及以下灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、砂頁巖風化的坡殘積物。土地利用方式多樣，主要包括有林地、灌木林地、旱地、水田、草地等。主要糧食作物有玉米、水稻、甘薯，經(jīng)濟作物有茶葉、中藥材、油茶等。

1.2 樣品采集 土壤樣點布設采用“網(wǎng)格兼顧土地利用現(xiàn)狀圖斑”的方式，樣點分布在網(wǎng)格內(nèi)主要土地利用方式地塊內(nèi)。耕地和園地密度為4～6點/km，林地等其他土地密度適當調(diào)低，采樣深度為0～20 cm。以GPS定位點為中心，向四周輻射30～50 m確定4～6個分樣點，等份組合成一個混合樣。采樣地塊為長方形時，采用“S”形布設分樣點；采樣地塊近似正方形時，采用“X”形或棋盤形布設分樣點。樣品采集主要選擇在農(nóng)田、林地、果園及草地等土層較厚地區(qū)，每個分樣點的采土部位、深度及重量基本一致。采集的各分樣點土壤掰碎，挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物，充分混合后，四分法留取1.0～1.5 kg 裝入樣品袋。土壤樣品風干、敲碎，過20目尼龍篩后送樣測試。

1.3 樣品分析 土壤樣品分析由國土資源部重慶礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。有機碳（SOC）采樣重鉻酸鉀氧化-還原容量法測定，全氮（TN）采用凱氏定氮容量法測定，全磷（TP）和全鉀（TK）采用電感耦合等離子體光譜法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 全區(qū)土壤SOC、TN、TP、TK含量及生態(tài)化學計量特征 由表1可知，研究區(qū)土壤SOC含量為0.192～199.500 g/kg，平均值為27.150? g/kg；TN含量為0.040～13.180 g/kg，平均值為1.660? g/kg；TP含量為0.102～3.590 g/kg，平均值為0.693? g/kg；TK含量為2.75～60.57 g/kg，平均值為21.62 g/kg。從變異系數(shù)看，4種元素均屬中等程度的變異，SOC變異程度最大，TP元素次之，TK元素變異程度最小。

化學計量比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K平均值分別為16.24、42.420、1.450、2.600、0.087、0.037，變異系數(shù)分別為0.27、0.52、0.65、0.43、0.52、0.57，均表現(xiàn)為中等程度的變異，C∶K變異程度最大，C∶N變異程度最小。

2.2 土壤養(yǎng)分含量與生態(tài)化學計量比相關性 土壤SOC、TN、TP、TK及其生態(tài)化學計量相關分析結(jié)果顯示（表2），土壤養(yǎng)分SOC、TN、TP兩兩之間呈極顯著正相關，TK與TN呈極顯著正相關，TK與SOC、TP呈極顯著負相關。土壤養(yǎng)分與化學計量比之間，SOC、TN與各生態(tài)化學計量比間均呈極顯著正相關；TP與C∶N、C∶K、N∶K、P∶K呈極顯著正相關，與C∶P、N∶P呈極顯著負相關；TK與N∶P呈極顯著正相關，與其他化學計量比呈極顯著負相關。

生態(tài)化學計量比C∶N、C∶K、N∶K兩兩之間呈極顯著正相關；P∶K與C∶P、N∶P呈極顯著負相關，與其他化學計量比呈極顯著正相關。從圖1可以看出，N∶K與C∶P、C∶K、P∶K之間存在冪函數(shù)關系，擬合度分別為0.242、0.866和0.512；C∶N與C∶P、C∶K也是冪函數(shù)關系，擬合度分別為0.269和0.436；N∶P與P∶K的冪函數(shù)擬合度為0.260；C∶P與N∶P、C∶K之間存在二次函數(shù)關系，擬合度分別為0.710和0.247；C∶K與P∶K之間為三次函數(shù)關系，擬合度為0.470。

2.3 不同用地方式土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學計量比特征

2.3.1 不同用地方式土壤養(yǎng)分含量特征。從不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量特征（表3）可以看出，SOC、TN、TP和TK平均含量變化規(guī)律略有不同。SOC為水田>有林地>灌木林地>草地>園地>旱地，TN為水田>有林地>灌木林地>草地>旱地>園地，TP為園地>旱地>水田>有林地>灌木林地>草地，TK為水田>有林地>旱地>草地>園地>灌木林地。SOC、TN、TK均為水田中最高，與其他土地利用方式差異顯著（P<0.05）。其中SOC灌木林地、有林地與旱地、園地、草地差異顯著，TN草地、灌木林地、有林地與旱地、園地差異顯著，TK在其他用地方式下均無顯著差異。TP旱地和園地較高，其他土地利用方式間均無顯著差異。

2.3.2 不同用地方式生態(tài)化學計量比特征。

從不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量比特征（表4）可以看出，有機C、全N、全P和全K平均含量變化規(guī)律略有不同。C∶N在水田、園地顯著高于其他用地方式，分別為16.65和16.64；C∶P在水田、有林地顯著高于其他用地方式，分別為47.36和46.26；C∶K在灌木林地、有林地、水田較高，顯著高于其他用地方式，分別為1.55、1.54和1.51；N∶P在水田、有林地、草地、灌木林地顯著高于旱地和園地，分別為2.82、2.81、2.77和2.76；N∶K同樣在水田、有林地、草地、灌木林地顯著高于旱地和園地，分別為0.088、0.092、0.089和0.094；P∶K在各用地方式間均無顯著差異。

3 討論

作為植物生長發(fā)育必需的元素，C、N、P、K是土壤重要的營養(yǎng)元素，也是衡量土壤質(zhì)量的重要指標。研究區(qū)土壤養(yǎng)分與典型喀斯特地區(qū)廣西、貴州等地相比，SOC和貴州地區(qū)（27.34? g/kg）相差不大，明顯高于廣西馬山縣（13.83? g/kg）；TN和TP低于貴州地區(qū)（2.11? g/kg，0.74? g/kg）和廣西馬山縣（1.75? g/kg，0.92? g/kg）；TK含量顯著高于西南喀斯特地區(qū)（3.33? g/kg），但K元素與N元素呈極顯著正相關外，與其他養(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SOC和P養(yǎng)分具有抑制作用。在不同土地利用方式中，水田SOC、TN、TK均顯著高于其他土地利用方式，這是由于一方面與當?shù)馗N時將稻茬翻耕還田，增加了有機質(zhì)的供給有關；另一方面，厭氧環(huán)境延緩了有機質(zhì)分解，土壤有機質(zhì)中的胡敏酸分子量大，可與Ca結(jié)合成難溶于水的Ca鹽，有助于巖溶區(qū)土壤有機質(zhì)積累；與張春來等研究結(jié)果一致。TK和TP在多種土地利用方式中差別不大，是由于元素具有的“表聚性”，主要受人為施肥影響顯著。

目前土壤生態(tài)化學計量研究主要關注C、N、P這3種元素，對K元素研究較少。C∶N值是預測有機質(zhì)分解速率和土壤氮素礦化速率的重要指標，C∶N值越低，有機質(zhì)分解速率越快，不利于有機質(zhì)的積累，因此土壤質(zhì)量相對較低。研究區(qū)C∶N平均值為16.24，高于全國陸地土壤12.30、廣西喀斯特地區(qū)土壤8.50以及貴州地區(qū)土壤14.27，表明研究區(qū)土壤有機碳分解速率和土壤氮素礦化速率仍處于較低水平，有利于C的固存，土壤質(zhì)量相對較好。C∶P值是表征土壤中磷素礦化能力的重要指標，可以衡量土壤有機質(zhì)礦化釋放 P 或吸收固持 P 的潛力，較高的C∶P 不利于微生物在有機質(zhì)分解過程中的養(yǎng)分釋放，使土壤中有效磷的含量減少。研究區(qū)C∶P平均值為42.42，低于全國平均水平52.7，因此該區(qū)C∶P 值處于低水平，土壤P 有效性較高，有利于有機質(zhì)分解過程中養(yǎng)分的釋放以及植物生長。N∶P可以反映有機質(zhì)的可分解性，判定土壤中養(yǎng)分限制狀況，一般將 N∶P 小于10 或大于 20 作為評價植被生產(chǎn)力受N或者P限制的指標。研究區(qū)N∶P為0.151～9.83，表明植物的生產(chǎn)力主要受 N 的影響。從不同土地利用方式看，水田土壤的C∶N、C∶P和N∶P均高于其他土地利用方式，說明其有機質(zhì)礦化速率低，P的有效性較高。

4 結(jié)論

研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量特征主要表現(xiàn)為高K，低N、P?；瘜W計量比C∶N高于全國水平，該區(qū)土壤有機碳分解速率處于較低水平，有利于C的固存，土壤質(zhì)量相對較好；C∶P 值低于全國水平，該區(qū)土壤P 有效性較高，有利于植物生長。N∶P小于10，植物的生產(chǎn)力主要受 N 元素影響。因此，在土地資源管理過程中應注意增施外源N素。

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