长汀县红壤侵蚀区土壤生态化学计量学特征

张巧颖, 陈志强, 陈志彪, 陈海滨

(福建师范大学 地理科学学院, 福建 福州 350108)

长汀县红壤侵蚀区土壤生态化学计量学特征

张巧颖, 陈志强*, 陈志彪, 陈海滨

(福建师范大学 地理科学学院, 福建 福州 350108)

土壤碳氮磷生态化学计量比可以很好地体现土壤肥力特征和微生物生命活动特征.福建省长汀县朱溪小流域是我国南方红壤侵蚀区的典型代表，通过对朱溪小流域土壤碳、氮和磷养分的数据分析,发现朱溪小流域侵蚀区的土壤有机质质量分数变化范围为0.29～67.38 g/kg,平均值(±标准偏差)为(22.40±17.28) g/kg,低于全国平均水平.不同样地之间有机质质量分数差异较大;氮的变化范围为0.04～1.30 g/kg,平均值(±标准偏差)为(0.42±0.34) g/kg;磷的变化范围为0.04～0.80 g/kg,平均值(±标准偏差)为(0.24±0.23) g/kg.计算土壤生态化学计量比,发现侵蚀区土壤C/N、C/P和N/P的变化范围分别为3.31～91.80、1.65～248.23和0.31～6.06;平均值(±标准偏差)分别为(34.94±13.17)、(69.60±52.06)和(2.02±1.30).

生态化学计量学; 红壤侵蚀区; 长汀县

生态化学计量学是生物学、生态学和分析化学的交叉学科,是研究生态系统中能量和化学元素间平衡的一门学科[1].氮和磷是生物生长的限制性养分,碳是结构物质,三者密切相关,因此,关于碳(C)、氮(N)、磷(P)的生态化学计量学是研究重点[2].作为研究生态学的一种新工具,生态化学计量学越来越受到相关研究者的关注.许多学者运用生态化学计量学的原理和方法,研究了海洋、草原、森林、湿地等生态系统及其植物个体(叶片、凋零物等)碳、氮、磷化学计量学特征[3].从生态化学计量学提出至今20多年,生态学家从分子、细胞、种群、群落和生态系统等不同尺度对生态化学计量学展开研究,结果表明,不仅群落结构与动态、物种共生、营养级动态、生物的养分限制受生态化学计量学的影响,生态系统的养分循环、供求平衡和全球生物地球化学循环等关系也受生态化学计量学的制约[4].

土壤养分是土壤肥力最重要的物质基础,土壤肥力是可持续农业的重要物质基础,调节土壤发育过程,是可持续农业朝着高产优质发展的根本措施[5].我国南方丘陵红壤区,水热资源丰富,生产潜力巨大,但是由于长期对土地资源的不合理利用,整个地区生态与环境遭到破坏,土壤退化和水土流失问题严重,导致土壤肥力与生产力下降[6].朱溪小流域是福建省水土流失最严重的地区,虽然经过数十年的治理,土壤肥力状况有一定的改善,但土壤肥力总体上还是处于偏差的状态.本文从生态化学计量学角度,通过计算碳、氮和磷元素间的生态化学计量比,以期对该区的土壤肥力有更全面的认识,为改良该区的土壤提供有效的技术措施.

1 研究区概况与数据源

1.1研究区概况朱溪小流域位于25°18′40″～26°02′05″N,116°00′45″～116°39′20″E,地处福建省西南部.流域气候属中亚热带季风性湿润气候,多年平均气温为18.3 ℃,年降水量为1 700～2 000 mm;地貌以低山丘陵为主;山地土壤主要为燕山晚期黑云母花岗岩在长期湿热气候条件下风化发育而成的红壤、侵蚀红壤,节理发育,极其松软,抗侵蚀性差,酸性强,保水保肥能力低[7].朱溪小流域是我国南方红壤侵蚀区的典型代表.经过多年治理,水土流失问题有所改善,但土壤肥力恢复程度不高,肥力恢复滞后于物理性质的恢复[8],朱溪小流域仍属福建省水土流失最严重的地区.由于长期人为破坏,原始植被几乎全部为次生林所代替[9].

1.2数据源为了使采集的土壤样品具有典型性,能够代表研究区的土壤养分状况,本研究根据研究区的实际情况,根据地形图方里网交叉点进行布点,并根据土地利用类型适当加密.土壤野外采样过程中,利用手持GPS准确定位,共采集土壤样本96个,其中,微度侵蚀区39个,轻度侵蚀区44个,中度侵蚀区13个.将采集的土壤样品带回室内实验室,进行土壤理化性质的测定,包括有机质、全氮、全磷、全钾、pH、容重、含水率等.有机质的测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法,全氮采用开氏消煮法,全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法,容重采用环刀法,pH采用1∶2.5水浸-电位法,土壤含水率用烘干法.在此基础上再计算出C/N、C/P、N/P的值,如表1和表2.统计分析应用SPSS 19.0软件进行,所有数据进行单因素方差分析,统计检验的显著水平以P≤0.05为基准.

表 1 研究区土壤碳氮磷及碳氮磷比

表 2 不同侵蚀程度土壤碳氮磷及碳氮磷比平均值

2 结果分析

2.1红壤侵蚀区碳氮磷含量特征朱溪小流域土壤侵蚀严重,土壤平均有机碳质量分数为(12.99±10.03) g/kg,有机碳中值为9.34 g/kg,说明有机碳多集中于平均值以下.微度、轻度、中度侵蚀区土壤有机碳平均质量分数分别为(17.75±9.88)、(9.60±8.84)和(4.74±2.61) g/kg.侵蚀区土壤有机碳质量分数微度(P=0.132)>轻度(P=0.124)>中度(P=0.038).

研究区土壤全氮平均值为(0.42±0.34) g/kg,全氮中值为0.34 g/kg,说明与土壤有机碳一样,研究区土壤全氮多处于平均值以下.微度、轻度、中度侵蚀区土壤全氮平均值分别为(0.55±0.27) 、(0.27±0.23)和(0.11±0.06) g/kg.侵蚀区土壤全氮微度(P=0.049)>轻度(P=0.063)>中度(P=0.006).

研究区土壤全磷平均值为(0.24±0.23) g/kg,全磷量中值为0.15 g/kg,说明土壤全磷也多处于平均值以下.微度、轻度、中度侵蚀区土壤全磷平均值分别为(0.28±0.22)、(0.13±0.06)和(0.12±0.05) g/kg.侵蚀区土壤全磷量微度(P=0.00)>轻度(P=0.061)>中度(P=0.905).

有机碳、全氮、全磷的变异系数分别为0.77、0.80和0.93,变异程度较明显.利用SPSS单因素方差分析,土壤碳与氮元素呈极显著正相关(P=0.00<0.01).土壤侵蚀程度与土壤有机碳(P=0.00)、全氮(P=0.00)呈极显著正相关.根据表3,土壤容重与土壤碳、氮含量呈显著正相关,pH、含水率与土壤碳、氮、磷都呈显著正相关.

表 3 土壤容重、pH、含水率与土壤碳、氮、磷、C/N、C/P、N/P的相关性

2.2红壤侵蚀区碳氮磷化学计量学特征研究区土壤C/N平均值为(34.94±13.17),对不同侵蚀程度的土壤C/N数据统计得到,微度、轻度、中度侵蚀C/N值分别为(32.94±10.71)、(38.58±13.05)和(45.36±16.23).研究区土壤C/N中度(P=0.305)>轻度(P=0.00)>微度(P=0.00).

研究区土壤C/P平均值为(69.60±52.06).微度、轻度、中度侵蚀区土壤C/P值分别为(91.86±62.81)、(72.25±44.51)和(46.99±37.96).研究区土壤C/P微度(P=0.001)>轻度(P=0.020)>中度(P=0.025).

研究区土壤N/P平均值为(2.02±1.30).微度、轻度、中度侵蚀区土壤N/P值分别为(2.64±1.42)、(1.99±1.19)和(1.12±0.95).研究区土壤N/P微度(P=0.006)>轻度(P=0.012)>中度(P=0.016).

土壤C/N、C/P、N/P的变异系数分别为0.38、0.75和0.65,土壤C/N变异程度较不明显.土壤侵蚀程度与土壤C/N、N/P都呈极显著正相关(P=0.007,P=0.00);土壤C含量与C/N呈显著相关(P=0.021),与N/P呈极显著正相关(P=0.00);土壤N、P含量与C/N呈极显著正相关(P=0.006,P=0.00);土壤N含量与N/P呈极显著正相关(P=0.00).根据表3,土壤容重与土壤C/P、N/P呈极显著正相关,土壤pH与土壤C/N呈极显著正相关,土壤含水率与土壤C/N呈显著正相关.

3 讨论

3.1土壤碳氮磷分析研究区土壤C、N、P质量分数平均值较低.根据全国第二次土壤普查分级标准,有机质质量分数属三级水平(30～40 g/kg),全氮质量分数属六级极贫乏水平(小于0.5 g/kg),全磷质量分数属六级极贫乏水平(小于0.4 g/kg).侵蚀越严重,土壤碳氮磷质量分数越低.长汀县是福建省水土流失最严重的地区,水土流失带走土壤表层的C、N、P,水土流失越严重,养分流失也越严重.土壤C、N、P质量分数变异程度都比较明显,P的变异系数达到0.93,主要是因为全磷受施肥措施影响,且磷素在土壤中移动性较小,受控土壤磷素的收支状况[5],所以P的变异系数达到0.93.

3.2土壤碳氮磷比分析

3.2.1土壤碳氮比 C/N可作为估算土壤氮储量的一个数值.由于土壤微生物在生命活动过程中,需要碳素做能量,同时也需要氮素来构成自己的身体,有机物C/N比值越高,分解速率也就越慢,这是因为微生物得不到足够的氮素来构成其躯体,从而影响其繁殖速度[10].研究区土壤C/N平均值为34.94,我国土壤C/N平均值在10～12之间[11].侵蚀区土壤C/N比明显高于全国平均水平.P. Gundersen等[12]研究表明,当C/N值在15.3～20.6时,土壤微生物迅速增加,释放矿化氮,当C/N值在37.1～64.4时,将难以满足微生物自身对氮的需求.研究区土壤C/N值接近于后者,土壤有机质分解速率较慢,形成的腐殖质量比较少,不利于植物生长.

土壤侵蚀越严重,C/N比值越高,有机质分解速率越慢.轻度、中度侵蚀区土壤将难以满足微生物自身对氮的需求.在不同的侵蚀区,土壤碳氮比的差异不明显,变异系数为0.38,主要是因为C、N元素之间具有极显著的相关关系,而且两者对环境变化的响应几乎是同步的[13].

3.2.2土壤碳磷比 磷是植物生长的必需元素.如果C/P较低,则促进微生物在有机质分解过程中的养分释放,土壤中有效磷增加;反之,C/P较高,则微生物在有机质分解过程中磷质量分数受到限制,从而与植物竞争土壤中的无机磷,植物生长受到限制[14].高的生长速率对应低的碳磷比,但是土壤碳磷比与微生物生长速率的这种关系,只在磷限制的情况下(C/P值很高)才成立.J. J. Elser等[15]认为在磷限制的情况下,生态化学计量比值与生长速率的关系在生物群落和个体水平上都成立,而在非磷限制情况下,细菌群落的生长对养分供应的反应不符合“生长速率理论”.低的碳磷比供应下(93∶1),并不会带来高的生长速率.研究区土壤C/P平均值为69.60,C/P值低,微度、轻度、中度侵蚀区土壤C/P值分别为91.86、72.25和46.99,微度>轻度>中度,所以侵蚀越严重,C/P比越低,但并不意味着微生物生长速率越高.

3.2.3土壤氮磷比 在陆地生态系统中,土壤中N/P比越大,生物固氮量越小[16].研究区土壤N/P平均值为2.02,低于我国有机土(N/P=8)及我国陆地土壤(N/P=3.9)[17],研究区土壤为氮限制.微度、轻度、中度侵蚀区土壤N/P值分别为2.64、1.99和1.12,微度>轻度>中度.侵蚀越严重的地区,N/P值越低,因为土壤C、N除了受母质影响外,还受表层枯落物分解等的影响,表层的氮质量分数相对较多,推测可能是由于水土流失,使土壤表层固定的氮大量流失,而磷主要受土壤母质和施肥措施的影响,水土流失越严重,氮流失量的比率越大,N/P值减小,但具体原因还需进一步探究.

3.3土壤理化性质对碳、氮、磷比的影响从土壤理化性质与土壤碳、氮、磷比的相关性,可以看出,容重对侵蚀土壤C/P和N/P有一定的影响,对C/N影响不大,pH对侵蚀土壤C/N、C/P和N/P均有一定的影响,含水率对侵蚀土壤C/N有一定的影响,对C/P和N/P影响不大.

4 结论

1) 长汀县土壤侵蚀区有机质、全氮和全磷质量分数平均值均低于全国平均水平,全氮、全磷属六级极贫乏水平,N/P值为2.02,低于其他研究所得的N/P比,土壤为氮限制.

2) 随着土壤侵蚀程度的加重,土壤的C/N值越高,C/P值越低,N/P值越低.低的C/P比并不意味着高的微生物生长速率.

3) pH对土壤的碳氮磷比影响最显著,容重和含水率均对土壤碳氮磷比有一定的影响.

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Characteristics of Soil Ecological Stoichiometry in Red Soil Erosion Area in Changting County

ZHANG Qiaoying, CHEN Zhiqiang, CHEN Zhibiao, CHEN Haibin

(InstituteofGeographyScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350108,Fujian)

The ratio of soil carbon、nitrogen and phosphorus can reflect the characteristics of soil fertility and the characteristics of microbial life activities. The small watershed of Zhuxi in Fujian Province is a typical representative of the red soil erosion area in South China. Through the analysis of soil carbon, nitrogen and phosphorus in the small watershed of Zhuxi, found soil organic matter content in the small watershed of Zhuxi erosion area varied 0.29～67.38 g/kg, average value (± standard deviation) is (22.40±17.28) g/kg, lower than the national average. The difference of organic matter content in different areas is larger; The variation of nitrogen is 0.04～1.30 g/kg and average value (± standard deviation) is 0.42 ± 0.34 g/kg. The variation of phosphorus is 0.04～0.80 g/kg, average value (± standard deviation) is 0.24 ± 0.23 g/kg. From calculation of soil ecological stoichiometry found that the soil C/N, C/P, N/P in erosion area changes in the range of 3.31～91.80, 1.65～248.23, 0.31～6.06, respectively, the average value (± standard deviation) is 34.94 ± 13.17, 69.60 ± 52.06, 2.02 ± 1.30.

ecological stoichiometry; red soil erosion area; Changting county

2015-10-25

国家自然科学基金(41371512)

*通信作者简介：陈志强(1978—),男，教授，主要从事自然地理的研究，E-mail：87789891@qq.com

S154.1

A

1001-8395(2017)05-0699-04

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.05.023

(编辑 郑月蓉)