不同土地利用方式下土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

顏 雄，李文昭，周美姣，樊磊磊，劉 丹，劉義富，余 展

（1.遵義師范學(xué)院 a.資源與環(huán)境學(xué)院，b.生物與農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，貴州 遵義 563006；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，湖南 長沙 410128）

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)主要被用來研究能量和元素在生態(tài)系統(tǒng)中的平衡，它與生態(tài)學(xué)和生物化學(xué)計量學(xué)有密切的聯(lián)系，并對生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)有指導(dǎo)作用[1]。土地利用方式是人類在土地上進(jìn)行多種生產(chǎn)活動的綜合體現(xiàn)，水肥和栽培管理會受到土地利用方式的影響，從而影響肥料、未分解的死亡動植物組織及一些分解產(chǎn)物、土壤微生物的數(shù)量和性質(zhì)，導(dǎo)致土壤中C、N、P 元素在有機物轉(zhuǎn)化為無機物、運送和吸取利用等環(huán)節(jié)上明顯不同[2-4]。水稻是我國的主要糧食作物，我國60%以上的人口以稻米為主食[5]。玉米近年來在農(nóng)業(yè)中占有重要地位，近半個世紀(jì)以來的統(tǒng)計數(shù)據(jù)證明，玉米已成為我國重要的糧食、飼料和工業(yè)原料作物[6]。

本研究以連續(xù)五年分別種植水稻（水田）和玉米（旱地）的土壤為處理，以連續(xù)五年撂荒的荒地土壤為對照，對土壤C、N、P的生態(tài)化學(xué)計量特性進(jìn)行分析，結(jié)果可為不同利用方式對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響和土地合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

采樣地為貴州省遵義市余慶縣敖溪鎮(zhèn)，水田采樣地理坐標(biāo)（107°40'14"E，27°33'35"N）、旱地采樣地理坐標(biāo)（107°43'14"E，27°36'35"N）、荒地采樣地理坐標(biāo)（107°42'14"E，北緯27°38'35"N）。區(qū)內(nèi)地勢東高西低，南北緩坡。地形以山地丘陵為主，少量平壩交替分布。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，全年的平均溫度15℃，平均降雨量1200mm。年平均光照長度1100h，年積溫5000℃，年平均無霜期占全年的82.1%。

1.2 土壤樣品采集

選取遵義市余慶縣敖溪鎮(zhèn)水田和旱地兩種土地利用方式的土壤進(jìn)行研究，并以荒地作為對照，在每個試驗點選擇三個取樣點，共收集九個土壤樣品。土壤取樣采用五點法，在每個取樣點挖取土壤樣品的深度均為0-20cm，將采得樣品徹底混合均勻。用四分法取出1kg 土樣，然后放入采樣袋里并貼上標(biāo)簽帶回實驗室，風(fēng)干、研磨和過篩以獲得土壤樣品，用于測定土壤肥力參數(shù)。

1.3 試驗方法

1.3.1 研究指標(biāo)及測定方法

根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》[7]的測定方法，土壤中有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）的測定分析方法如表1。

表1 土壤養(yǎng)分測定分析方法

1.3.2 土壤肥力指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)第二次全國土壤普查標(biāo)準(zhǔn)[8]，對土壤肥力指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 全國第二次土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

使用MicrosoftExcel2021、SPSS26 對土壤C、N、P 及其生態(tài)化學(xué)計量比數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與顯著性水平分析；使用Origin2022 作圖；對土壤C、N、P 含量及其比值之間進(jìn)行皮爾遜(Pearson)線性相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤C、N、P 含量特征

2.1.1 不同土地利用方式下土壤有機碳(SOC)含量特征

三種不同利用方式土壤的有機碳(SOC)含量范圍為14.70～109.97g·kg-1，其中荒地土壤的SOC 含量相對最低，均值為14.70g·kg-1，處于三級（高）水平，旱地土壤SOC 的含量平均值為25.21g·kg-1，是荒地的1.72 倍，水田土壤SOC 含量最高，均值達(dá)到107.97g·kg-1，分別是旱地的4.28 倍和荒地的7.34 倍。水田和旱地土壤SOC 含量極高，處于一級水平?？傮w來看，三種不同土壤類型的有機碳含量均比較高。根據(jù)圖1 可知，三種荒地、旱地和水田土壤的有機碳含量存在顯著性差異。水田有機碳含量較高，是由于水稻土處于淹水環(huán)境中的時間較長，水稻土長期處于還原狀態(tài)，有利于土壤有機碳的積累，不利于分解，因此水田有機碳含量較高[9]。荒地以自然植被為主來恢復(fù)土壤肥力，但在短期內(nèi)，荒地有機碳含量比水稻和旱地土壤少，因為它們接受的外部有機物較少，從而使有機碳含量較低[10]。

圖1 不同土地利用方式下土壤SOC 含量特征

2.1.2 不同土地利用方式下土壤全氮(TN)含量特征

三種土壤的全氮(TN)含量范圍是1.31～2.38g·kg-1?；牡豑N 的平均值為1.39g·kg-1，比旱地土壤略高；最低的是旱地TN 的含量，其平均值為1.31g·kg-1，兩者均屬于三級（高）水平。水田TN 含量的均值是2.38g·kg-1，是三種土壤中最高的，處于二級（很高）的水平，分別是旱地的1.82 倍和荒地的1.71 倍。由圖2 可知，水田土壤TN 含量與旱地、荒地呈顯著性差異。而荒地和旱地土壤的TN 含量雖有差別，但沒有顯著性差異?？傮w而言，荒地、旱地和水田土壤的全氮含量均較高。水稻土全氮含量最高，這可能與水田土壤中有大量的有機碳存在有關(guān)，并且微生物分解有機質(zhì)形成了氮素，化肥的大量施用使水田有較高的TN 含量。旱地與荒地土壤全氮含量差異性不顯著，這可能是因為荒地撂荒后植被逐漸恢復(fù)，植被的逐漸恢復(fù)將對增加土壤中的TN含量產(chǎn)生重大影響，但由于植被生長時間不長，其生產(chǎn)力和地表枯落物有限，因此尚未達(dá)到顯著水平。

圖2 不同土地利用方式下土壤TN 含量特征

2.1.3 不同土地利用方式下土壤全磷(TP)含量特征

這三種土壤的TP 含量在0.25～0.72g·kg-1之間?；牡赝寥雷鳛閷φ?，其TP 含量的均值為0.65g·kg-1，比水田土壤高，是其2.60 倍。TP 含量最高的為旱地土壤，均值為0.72g·kg-1，分別是水田的2.88 倍和荒地的1.11 倍；最低的是水田土壤，均值僅為0.25g·kg-1。按照表2的分級標(biāo)準(zhǔn)，旱地和荒地土壤處于三級（高）水平，而水田處于五級（低）水平。總體來說，水田土壤比較缺乏磷，旱地和荒地土壤磷含量均較高。由圖3 可知，荒地、旱地、水田之間的土壤全磷含量差異均達(dá)到顯著水平。土壤中全磷的含量受到多種要素的影響，主要是受土壤母質(zhì)的特性、土壤形成的過程以及氣候條件的影響[11]。旱地土壤全磷含量比水田高，是由于水稻土中的磷移動性更強，流失率更大。

圖3 不同土地利用方式下土壤TP 含量特征

2.2 不同土地利用方式下土壤生態(tài)化學(xué)計量比特征

2.2.1 不同土地利用方式下土壤C/N 特征

土壤C/N 值隨不同的土地利用方式而變化，其C/N在10.59～42.24 范圍內(nèi)變化。由圖4 可知，荒地、旱地、水田之間的土壤C/N 均存在顯著性差異。其中土壤C/N 最低的是荒地土壤，其均值為10.59，低于我國陸地土壤C/N 平均值(12.30)。其次是旱地土壤，C/N的均值為19.31，是荒地的1.82 倍，高于我國陸地土壤C/N 平均值(12.30)[12]。最高的為水田土壤，C/N 值為42.24，高于我國陸地土壤C/N 平均值(12.30)，其C/N 分別是旱地的2.19 倍和荒地的3.99倍。土壤C/N 在人為干擾后往往會增加，而未受干擾的土壤C/N 相對較低[13]，且當(dāng)C/N 大于25 時，土壤有機碳含量相對較高，有機質(zhì)處于積累的過程。

圖4 不同土地利用方式下土壤C/N 特征

2.2.2 不同土地利用方式下土壤C/P 特征

不同土地利用方式下C/P 的范圍在22.56 ～402.53，荒地土壤C/P的均值最小為22.56，低于我國陸地土壤C/P 平均值(52.70)[12]。其次是旱地土壤，其C/P 的均值為34.81，是荒地土壤的1.54 倍，也低于我國陸地土壤C/P 平均值(52.70)。C/P 均值最高的為水田土壤，均值為402.53，是旱地的11.56 倍和荒地的17.84 倍，遠(yuǎn)高于我國陸地土壤C/P 平均值(52.70)。根據(jù)圖5 可得，水田土壤的C/P 與旱地、荒地均存在顯著性差異，但旱地與荒地土壤之間沒有顯著性差異。土壤C/P 值可以作為判斷磷的有效性，土壤C/P 比值越低，表示土壤磷的有效性越高。水田土壤的C/P 很高，這表明水田土地利用方式中有機質(zhì)分解速率低，磷的有機養(yǎng)分轉(zhuǎn)化低，磷的有效性不高，有機質(zhì)被微生物分解時會容易受磷局限[14]。

圖5 不同土地利用方式下土壤C/P 特征

2.2.3 不同土地利用方式下土壤N/P 特征

不同利用方式下N/P 的范圍在1.81 ～9.52，其中荒地土壤的N/P 均值為2.13，是旱地土壤的1.73倍，低于我國陸地土壤N/P 平均值(3.90)[12]。N/P 均值最高的為水田土壤，均值為9.52，分別是旱地的5.25 倍和荒地的4.78 倍，高于我國陸地土壤N/P 平均值(3.90)。N/P 均值最小的是旱地土壤其均值為1.81，低于我國陸地土壤N/P 平均值(3.90)。根據(jù)圖6 可知，水田土壤的N/P 與旱地、荒地之間有顯著差異性，而旱地與荒地土壤二者差異性不顯著。水田土壤的N/P 高則表明水田土壤氮素比較充足，土壤磷素的礦化能力較弱。旱地土壤與荒地土壤N/P 較低則說明研究區(qū)內(nèi)土壤磷礦化作用較強，呈氮限制狀態(tài)[15]。

圖6 不同土地利用方式下土壤N/P 特征

綜上所述，水稻土的有機碳（SOC）、全氮（TN）、C/N、C/P 和N/P 含量高于旱地和荒地，而TP 則相反。其中，水稻土的SOC 和TN 含量遠(yuǎn)高于其他土地利用類型。土壤的C、N、P 含量和生態(tài)化學(xué)計量在不同土地利用途徑中存在差異。

2.3 不同土地利用方式下土壤研究指標(biāo)的相關(guān)性

土壤C、N、P 及生態(tài)化學(xué)計量特征受多種因素影響，它是人為擾動與生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)相互作用的綜合反映。通過相關(guān)性分析探討全量養(yǎng)分對生態(tài)化學(xué)計量比的影響因素。由表3 可得：養(yǎng)分全量之間SOC 和TN 之間有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.975，這是由于土壤中SOC和TN的變化趨勢基本保持一致；TP與SOC、TN之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，是因為含有大量有機質(zhì)的土壤往往對磷的固定效果較差[16]。有機質(zhì)較多的土壤，固磷作用較弱，土壤全磷含量偏低。養(yǎng)分全量和生態(tài)化學(xué)計量比之間的相關(guān)性分析可知，C/N和C/P、N/P均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，N/P與C/P、C/N與N/P均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；SOC 與N/P，TN 與C/P 均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；TP 與C/N 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 不同土地利用方式下土壤C、N、P 與生態(tài)化學(xué)計量比的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

（1）在不同的土地利用方式下，水田土壤的有機碳和全氮含量最高，全磷含量最低；旱地土壤的全氮含量最低。

（2）水田土壤的C/N、C/P、N/P均最高，且水田與荒地、旱地均存在顯著性差異。

（3）相關(guān)性分析表明，全氮隨有機碳含量的增加而增加，全磷隨著有機碳和全氮的增加而降低；C/N隨著全磷的增加而降低，N/P隨有機碳的增加而增加。