黃土丘陵區(qū)不同土地類型下土壤養(yǎng)分特征—基于生態(tài)化學(xué)計量學(xué)

劉帥楠 ，李廣 *，吳江琪 ，馬維偉 ，楊傳杰 ，張世康 ，姚瑤 ，陸燕花 ，魏星星 ，張娟

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅蘭州730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州730070；3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070）

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是一種研究碳（C）、氮（N）、磷（P）元素在多種生態(tài)系統(tǒng)過程中其比例隨外界影響因子產(chǎn)生變化規(guī)律的重要工具［1-2］，C、N、P 化學(xué)計量比是土壤質(zhì)量與有機質(zhì)組成的重要指標(biāo)［3］，可以反映土壤內(nèi)部碳氮磷循環(huán)，具有重要的生態(tài)指示作用［4］。而土壤作為組成生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，通過改善土壤質(zhì)量，能夠有效地促進(jìn)植被恢復(fù)，穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)平衡［5］。C、N、P 元素是組成土壤養(yǎng)分的重要部分［6］，其養(yǎng)分含量及化學(xué)計量比，是影響土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)，增強土壤肥力的重要因素［7］。通過對土壤C、N、P 化學(xué)計量比值的掌握，能夠有效地為土壤養(yǎng)分存留、元素循環(huán)及土地管理提供理論依據(jù)［8］。

黃土高原作為我國生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)之一，近年來，該區(qū)因生態(tài)修復(fù)及作物生產(chǎn)等目的的不同，產(chǎn)生了不同的土地類型。不同土地類型，其地表植被組成、群落結(jié)構(gòu)、人為干擾程度等均存在一定的差異，進(jìn)而影響到土壤結(jié)構(gòu)及進(jìn)入土壤的動植物殘體和土壤微生物量，導(dǎo)致不同土地類型間及土層間土壤養(yǎng)分含量存在差異［9］，進(jìn)一步影響到該區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)。有研究發(fā)現(xiàn)，不同土地類型對土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計量比有不同程度的影響［3，10］。有學(xué)者［4，11］認(rèn)為，林草地較農(nóng)耕地更有利于土壤養(yǎng)分的存留；但馬琨等［12］的研究結(jié)果與之存在差異。這一方面是由于不同地區(qū)受土地類型及利用年限［10］的影響存在差異，另一方面可能是由于選擇土地類型時地表植被處于不同生長期，地表植被與土壤養(yǎng)分交互速率存在差異。

目前該區(qū)關(guān)于生態(tài)化學(xué)計量特征研究主要集中在流域系統(tǒng)［13］、植被類型［14］及植被-凋落物-土壤系統(tǒng)［15］上，而基于生態(tài)化學(xué)計量學(xué)對土地類型間的土壤養(yǎng)分研究仍相對較少，需進(jìn)一步分析探討。黃土丘陵區(qū)降水集中在7-9 月，此時林木植被正向生長末期演變，小麥（Triticum aestivum）、苜蓿（Medicago sativa）等作物處于成熟收獲期，各土地類型下植被與土壤養(yǎng)分交互速率相對穩(wěn)定［16］，此時更有助于探討丘陵區(qū)土地類型間土壤化學(xué)計量特征。因此，本研究以黃土丘陵區(qū)7-9 月小麥地（農(nóng)地）、云杉（Picea asperata）林地（林地）、苜蓿地（牧草地）為對象，研究分析黃土丘陵區(qū)不同土地類型間及各土層土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）含量及其土壤化學(xué)計量比，為黃土丘陵區(qū)恢復(fù)土壤肥力，有效利用土壤養(yǎng)分及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗設(shè)計

通過文獻(xiàn)資料查閱以及野外區(qū)域調(diào)查，選擇定西市李家堡鄉(xiāng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗區(qū)。該區(qū)位于中國甘肅省定西市安定區(qū)（103°52′-105°13′E，34°26′-35°35′N），屬黃河流域祖厲河水系關(guān)川河的支流——安家溝流域。該流域面積為8.56 km2，海拔1900～2250 m，水土保持區(qū)劃屬黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅳ副區(qū)［17］；該流域?qū)俚湫蜏貛Ц珊?、半干旱氣候，年溫差大；年平均降水?90.99 mm，主要集中在7-9 月；年均太陽輻射141.6×1.48 kJ·cm-2，日照時間2476.6 h。該流域土壤類型以典型黃綿土為主，土地利用方式主要為農(nóng)耕地，林地面積較少，多為人工疏林地，有少量灌木分布。在試驗區(qū)選擇小麥地、云杉林地及苜蓿地3 種不同土地類型（農(nóng)、林、牧草）典型實驗區(qū)，各實驗區(qū)隨機選擇3 個小樣地，大小隨土地類型而定：農(nóng)和牧草均為4 m×6 m，林為10 m×10 m。

1.2 樣品采集與分析

2019 年7-9 月，按照S 型取樣法在各小樣地中選取5 個代表性樣點，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 層次，用土鉆分層取土，同層土壤混勻為1 個混合土樣。土壤混合樣品風(fēng)干后過2 mm 篩，去除土樣雜物。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀高溫-外加熱法測定；土壤樣品于消煮管中經(jīng)H2SO4-H2O2高溫消煮到乳白色，采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量，通過紫外分光光度計，采用鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量［18］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，主要采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）及Pearson 相關(guān)性分析；使用Excel 2007 作圖并繪制三線表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地類型下土壤SOC、TN、TP 含量的變化

研究區(qū)內(nèi)不同土地類型0～100 cm 土層深度土壤SOC、TN 和TP 含量特征如表1 所示：3 種土地類型0～100 cm 土壤SOC、TN 和TP 含量的變異系數(shù)范圍為31.35%～49.68%，說明了研究區(qū)內(nèi)土壤SOC、TN 和TP 表現(xiàn)出中等程度變異。而在0～100 cm 土層，云杉林地土壤SOC、TN 含量與苜蓿地差異性顯著，而小麥地土壤TP 含量與云杉林地、苜蓿地存在顯著性差異。土壤SOC 及TN 含量表現(xiàn)為云杉林地（14.19 g·kg-1、0.37 g·kg-1）＞小麥地（12.00 g·kg-1、0.32 g·kg-1）＞苜蓿地（10.39 g·kg-1、0.30 g·kg-1），而 TP 表現(xiàn)為云杉林地（0.52 g·kg-1）＞苜蓿地（0.51 g·kg-1）＞小麥地（0.41 g·kg-1）。

表1 不同土地類型0～100 cm 土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計量比特征Table 1 The content of C，N，P and stoichiometric characteristics of 0-100 cm soil in different land types

從圖1 可知，3 種不同土地類型土壤SOC、TN 及TP 含量均具有“表聚”特征，具體表現(xiàn)為0～10 cm 表層土壤SOC、TN 及TP 含量最高，且土壤SOC、TN、TP 含量均隨土層深度增加而降低。其中，SOC 和TN 含量在不同土地類型間均無顯著性差異，TP 含量在10～20 cm 土層，小麥地與云杉林地間存在顯著性差異（P＜0.05），且云杉林地土壤TP 含量顯著高出小麥地34.8%。

2.2 不同土地類型下土壤養(yǎng)分化學(xué)計量特征

圖1 不同土地類型土壤不同土層養(yǎng)分含量Fig.1 Nutrient content in different soil layers of different land types

如表1 所示，3 種土地類型土壤C/N、C/P 和N/P 表現(xiàn)出不同程度的中等變異水平，變異水平大小為C/P（67.93%）＞N/P（59.31%）＞C/N（53.46%）。而在0～100 cm 土層，小麥地土壤C/P 與苜蓿地存在顯著性差異，小麥地N/P 與云杉林地及苜蓿地均差異性顯著，而云杉林地土壤C/N 顯著高于苜蓿地。從表2 可知，3 種土地類型土壤C/N、C/P 及N/P 在土地類型及不同土層間均無顯著性差異。

2.3 不同土地類型下土壤養(yǎng)分與化學(xué)計量比的相關(guān)分析

如表3 所示，土壤SOC 與土壤TN 存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.766），與TP 存在顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.552），土壤TN 與TP 間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.883），但SOC、TN 與土壤化學(xué)計量比無顯著性關(guān)系；TP 與C/P 存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為-0.733），C/P 與C/N 間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.493），C/P 與N/P 間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.813）。

3 討論

3.1 不同土地類型下土壤SOC、TN 和TP 含量的差異

不同土地類型對土壤養(yǎng)分有著不同程度的影響［3］，而C、N、P 元素作為土壤養(yǎng)分的重要組成部分［6］，其含量可以表征土地類型對土壤質(zhì)量的影響。本研究中，不同土地類型土壤養(yǎng)分含量集中在0～10 cm 表層土壤，且土壤SOC、TN、TP 含量均隨土層深度增加而逐漸降低，表明土壤養(yǎng)分具有“表聚性”特征，這與前人的研究結(jié)果表現(xiàn)一致［19］。這是因為地表植被通過植物根系分泌物及表層植物殘體向土壤輸送 C、N、P 元素［20］，表層土壤通氣狀況良好，養(yǎng)分充足，利于土壤微生物活動［21］，而隨著土層深度的增加，枯落物及腐殖質(zhì)對土壤元素的積累影響逐漸降低［22］。該區(qū)云杉林地土壤SOC、TN、TP 含量均明顯高于其余土地類型，說明林地較農(nóng)草地具有更積極的養(yǎng)分累積作用，這與張帥等［23］的研究結(jié)果相似。這是因為不同的地表植被，對土壤碳氮元素累積速率的影響有著明顯差異［24］，而云杉林地地下根系豐富，地表覆蓋有大量枯枝落葉層，同時，作物成熟收獲致使大量有機質(zhì)流失，進(jìn)而導(dǎo)致林地土壤SOC、TN 含量明顯高于農(nóng)草地。

表2 不同土地類型不同土層土壤養(yǎng)分化學(xué)計量比Table 2 Stoichiometric ratio of soil nutrients in different soil layers of different land types

表3 不同土地類型土壤C、N、P 含量與化學(xué)計量比的相關(guān)性分析Table 3 Correlations between C，N，P content and stoichio?metric ratio of different land types

在本研究區(qū)，土地類型間土壤TP 含量表現(xiàn)為云杉林地＞苜蓿地＞小麥地，與張帥等［23］認(rèn)為農(nóng)地養(yǎng)分含量低于林草地的結(jié)論相似。農(nóng)地土壤TP 含量顯著低于林、牧草地，且3 種土地類型土壤層間存在較為明顯的差異性，這與潘軍等［25］的研究結(jié)果相似。土壤P 元素含量對土地類型的響應(yīng)機制與SOC、TN 不同，P 元素含量主要受到立地地質(zhì)特征的影響［11］，這是因為土壤P 元素主要源于巖石風(fēng)化釋放及土壤表層動植物殘體的元素歸還［26］。該區(qū)流水侵蝕嚴(yán)重，土壤P 元素易受地表徑流沖刷及降水淋溶作用影響而從土壤流失［27］，農(nóng)地受人為影響較大，土質(zhì)疏松，地表植被無法為土壤提高有效的防護(hù)，P 元素流失嚴(yán)重，導(dǎo)致農(nóng)地P 含量低于林草地。

3.2 不同土地類型下土壤養(yǎng)分化學(xué)計量特征差異

土地類型的差異也會影響到養(yǎng)分化學(xué)計量比，而養(yǎng)分化學(xué)計量比是用作表征C、N、P 礦化和固持作用的重要指標(biāo)之一［28］。研究表明，3 種土地類型土壤在0～100 cm C/N 表現(xiàn)為云杉林地＞小麥地＞苜蓿地，均較全國平均值（12.3）［29］偏大。朱秋蓮［15］認(rèn)為黃土丘陵區(qū)土壤N 元素相對匱乏，這可能是導(dǎo)致C/N 偏高的重要原因。較高的C/N 表明該區(qū)土壤限制微生物活動，導(dǎo)致有機質(zhì)分解速率及礦化速率緩慢，不利于地表植物吸收養(yǎng)分［30］。同時，C/N 在不同土層間未表現(xiàn)出明顯差異，這是因為土壤C、N 之間緊密聯(lián)系，在元素儲存及消耗過程中存在一個較為穩(wěn)定的比值［31］。本研究中，不同土地類型土壤SOC、TN 含量在土層空間分布上具有一致性（圖1），且3 種土地類型C/N 變異水平相對C/P、N/P 較低（表1），SOC 與TN 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（表3），兩種元素間表現(xiàn)出對同一環(huán)境因子的同步響應(yīng)以及較好的耦合關(guān)系［15］，表明黃土丘陵區(qū)土壤C/N 在空間上較穩(wěn)定，印證了生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的動態(tài)平衡理論［3］。

本研究區(qū)，3 種土地類型0～100 cm 土壤的C/P、N/P 表現(xiàn)為小麥地＞云杉林地＞苜蓿地，均較全國平均值［29］（61.0、5.2）偏低。根據(jù)全國第二次養(yǎng)分普查分級標(biāo)準(zhǔn)［32］，黃土丘陵溝壑區(qū)土壤C、N 元素屬六級，而P 元素屬四級，P 元素含量較C、N 含量偏高，同時地表植被在生長期吸收土壤C、N 元素，成熟時脫落的枯枝落葉未及時分解為土壤輸送C、N 元素，進(jìn)而導(dǎo)致C/P 及N/P 偏低。C/P 可以用以表征土壤磷礦化水平的高低，同時也是反映土壤微生物對土壤有效磷吸收和儲存的能力指標(biāo)［3］，而N/P 作為N 飽和的診斷指標(biāo)，同時也是預(yù)測土壤養(yǎng)分限制類型的重要指標(biāo)之一［33］，較低的C/P 說明了該區(qū)土壤P 分解較快，有效性較高；N/P 較低，進(jìn)一步表明了該區(qū)土壤的N 匱乏，印證了朱秋蓮［15］對黃土丘陵區(qū)土壤的研究結(jié)果。

4 結(jié)論

該區(qū)土壤具有較為穩(wěn)定的C/N，土壤有機質(zhì)分解速率緩慢，氮素匱乏，磷有效性較高。云杉林地作為黃土丘陵區(qū)重要土地類型，在土壤養(yǎng)分存留方面占有一定優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為云杉林地土壤各層次養(yǎng)分（SOC、TN、TP）含量均明顯高出農(nóng)、牧草地土壤養(yǎng)分含量；3 種土地類型下土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計量比存在不同程度的中等變異，其含量垂直分布上表現(xiàn)出明顯的“表聚性”特征，且土壤養(yǎng)分含量間均呈顯著相關(guān)關(guān)系。因此，在實際土地利用中，應(yīng)根據(jù)不同土地類型養(yǎng)分狀況，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到減少土壤養(yǎng)分流失，加速該區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程的目的。