黄土高原坝控小流域土壤C,N,P计量特征解析

周玮莹, 杨明义

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

用于探究生物系统能量和多种元素间平衡的科学称为生态化学计量学，随着其理论的发展和完善，该理论体系得到广泛应用[1]。土壤作为陆地生态系统的重要组成部分，研究土壤C，N，P的化学计量特征对探究生态系统的物质循环和多元素平衡具有重要意义[2]。Wardle等[3]指出，土壤C，N，P物质循环过程因直接或间接受到土壤的母质、发育条件以及地理分布等环境因素的影响，而呈现出C，N，P化学计量特征比水生生态系统中更高的空间变异性。黄土高原作为我国土壤侵蚀较为剧烈的生态脆弱区，黄土高原地貌类型丰富，植被类型地带性变化明显，地形破碎，加上受人类活动扰动较大，土壤侵蚀严重，不同区域、不同土地利用类型对小流域土壤碳氮磷分布影响较大。近年来，国内学者对该区域土壤C，N，P化学计量特征开展的一系列研究[4-9]，研究结果表明温度、海拔、土地利用类型、人类活动及土壤物理性质变化对土壤C，N，P化学计量特征均有明显的影响。但目前，对遭受侵蚀较为严重的流域中，侵蚀源地的土壤与被搬运沉积的侵蚀物的泥沙二者间的C，N，P化学计量特征变化的研究还较少。

淤地坝是长期治理黄土高原小流域土壤侵蚀过程中创造出的一种工程措施[10]，是在水土流失地区沟道中为了拦泥淤地而修建的坝工筑物，拦泥淤成的地称为坝地。以沟道小流域为单元修建多个不同规模的淤地坝是中国黄土高原水土流失严重区重要而独特的治沟工程体系。作为小流域的“沉沙池”，淤地坝坝地内的沉积泥沙往往赋存着较多的小流域侵蚀产沙的信息，是研究小流域侵蚀环境演化过程的良好载体。目前，基于淤地坝泥沙的研究主要集中在空间和时间上对小流域侵蚀速率及泥沙来源上[11-13]。Zhang等[14]基于孢粉及137Cs定年等技术解析了小流域侵蚀速率时间尺度的变化特征；部分学者利用坝地泥沙的养分元素、金属元素和稳定同位素研究了流域内不同源地在次降雨泥沙中的贡献率[15]；薛凯等[16]用137Cs定年、结合降雨资料建立了淤地坝沉积泥沙旋回时间序列，利用指纹识别技术反演了小流域侵蚀历史与泥沙来源变化。那么，黄土高原的小流域单元内，作为侵蚀产物汇集的坝地中泥沙的C，N，P化学计量特征是否对侵蚀源地的土地利用类型变化有良好的响应？结合泥沙量与降雨资料，是否能够反映出小流域不同阶段产沙中自然与人为两大因素的作用？

因此，本研究主要以黄土丘陵区小流域王茂庄的典型淤地坝为研究对象，采集坝控流域内沟壁裸露地、荒草地及坡耕地3种土地利用类型土壤的表层样共72个及坝地沉积泥沙剖面的76个样品，对土样进行C，N，P共3种元素的化学计量特征分析，并结合降雨侵蚀力与泥沙量解释流域内自然因素及人为因素对小流域不同阶段侵蚀产沙变化特征的影响。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

如图1所示，研究区位于陕西省绥德县韭园沟乡王茂沟小流域。王茂沟是黄土丘陵区具有典型代表性的流域(110°20′26″—110°22′46″E，37°34′13″—37°36′03″N)，流域面积5.967 km2，形状近似半圆形，平均宽1.456 km，海拔940～1 188 m，主沟长3.75 km，沟底比降为2.7%，沟壑密度5.63 km/km2，沟壑面积占流域面积的40.6%。王茂沟流域气候类型为大陆性季风气候，多年平均降雨量为513 mm，该区的汛期(6—9月)占年降雨量的70%以上，多以暴雨的形式出现。该流域上部为马兰黄土，厚5～20 m，抗蚀能力差，下部为离石黄土，再下为基岩。野外采样点为王茂沟的支沟埝焉沟4#坝。该坝建成于1960年，1991年淤平。坝控流域面积0.181 km2，坝内现有淤地面积约6 000 m2，流域内主要分布有荒草地、耕地及沟壁。

图1研究区地理位置

1.2　研究方法

1.2.1土样采集及处理坝控流域不同利用类型土壤的采样深度为5 cm，沟壁比较陡直，分别在上部、中部和下部取样，小流域内共采集72个样品；坝地沉积旋回泥沙样品的采集是在距坝体30 m的坝地处挖一个垂直深度为11.325 m的剖面。剖面土壤样品按沉积旋回由下而上逐层采集，每个沉积旋回均用木铲取样。取样过程中保证每个沉积旋回厚度范围内的土都能取到，较厚土层根据实际厚度适当分层。沉积旋回样共采集76个样品。采回后，于室内自然风干，磨细后过0.15 mm筛，装入塑封袋中备用。土壤有机碳用重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮用半微量开氏法测定，土壤全磷用HClO4-H2SO4法进行测定。

1.2.2降雨侵蚀力计算用次降雨指标EI30表征降雨侵蚀力的方法以次降雨过程资料为基础，但由于一般很难获得很长时间序列的降雨过程资料，且资料的摘录整理十分繁琐，因此一般建立降雨侵蚀力的简易算法，即利用气象站常规降雨统计资料来估算降雨侵蚀力。由于收集到研究区域附近气象站的日降雨过程资料比较全面，因此本文采用章文波等[17]的模型方法以日降雨量计算降雨侵蚀力：

(1)

式中：M表示半月时段的降雨侵蚀力精确值(MJ·mm/hm2·h)；Pd表示日雨量(mm)，要求大于等于12 mm，否则以0计算；I10 d表示日10 min最大雨强(mm/h)；k为半月时段的日数；j表示日的序号。

1.2.3沉积泥沙旋回厚度及断代分析依据薛凯等的研究结果[16]，根据1963年的137Cs核尘埃的沉降高峰期，大的降雨事件以及不同沉积旋回中泥沙颗粒分布特征，来建立各个沉积旋回层的时间序列。

1.2.4贡献率计算为了消除量纲对数据分析结果的影响，先对数据进行标准化处理。本研究采用“最小—最大标准化”，即对原始数据进行线性变换，将标准化对象的原始值通过转化后映射为在区间(0,1]中的变换值，其具体计算方法为：

标准化数据=(原始数据-极小值)/(极大值-极小值)

(2)

将标准化后的数据进行多元非线性回归分析，根据霍洛特公式[18]计算各因子对因变量的贡献率，计算公式如下：

(3)

式中：Pi为第i个因素的贡献率；R2为复回归平方；

1.3　数据处理

采用Excel 2010，Origin 7.5软件中进行整理和作图；采用SPSS 21.0(IBM)对数据进行正态分布检验和Pearson相关分析、单因素方差分析和多重比较分析。

2　结果与分析

2.1　土壤C，N，P化学计量特征

流域0—5 cm土壤C，N，P化学计量特征进行描述性统计及差异性分析结果见表1，表2。土壤中的C，N，P含量均值分别为3.36 g/kg，0.35 g/kg，0.68 g/kg；C∶N，C∶P，N∶P的均值分别为9.30，5.75及0.60；C∶N∶P的均值为9.58∶1∶1.67；其中，P元素含量以及C∶N分布呈负偏态，其余元素含量及计量值分布均为正偏态；P元素分布低阔，其余元素及其计量值分布高狭。变异系数是描述样本观测值空间变异程度的主要指标，在该小流域内的土壤C，N元素含量及其化学计量比的变异系数均处于0.1～1.0范围内，属中等变异程度；而P元素含量的变异系数为0.07，小于0.1，变异程度较弱。

坝控流域内分布有荒草地、耕地及沟壁裸露地3种利用类型，各利用类型土壤间的C，N，P化学计量特征见表2。3种利用类型土壤的C，N，C∶P，N∶P有显著差异(p<0.05)，均表现为荒草地>耕地>沟壁，沟壁的C∶N，C∶N∶P显著低于荒草地与耕地，耕地的P元素含量显著(p<0.05)高于荒草地与沟壁。

表1　土壤C，N，P含量及化学计量特征的描述性统计特征

表2　不同利用类型土壤C、N、P 化学计量特征差异性

注：不同小写字母表示在0.05水平上有显著差异。

土壤C，N，P化学计量特征不仅能够反映土壤系统功能的变异性，且元素间的计量比是反映土壤有机质构成、土壤质量状况以及养分供给能力的一个重要指标。总的来说，研究区表层土壤的C，N，P元素的含量、C∶N，C∶P以及N∶P远远低于全国水平(C：24.56 g/kg，N：1.88 g/kg，P：0.78 g/kg，C∶N为14.4，C∶P为136，N∶P为9.3)。不同利用类型土地造成土壤C，N含量在流域内分布呈中等变异程度，这是因为土壤C，N主要都来源于有机质，而土壤有机质主要来源于外源的输入，如：动、植物残体经过微生物的分解，因此耕地与荒草地比沟壁有更高的有机质输入。但耕地由于长期人为耕作扰动以及作物长期的养分消耗，因此耕地较荒草地土壤C，N含量略低。土壤全磷主要受到成土母质和施肥等农田措施管理的影响，研究区土壤的成土母质均为黄土母质，其中的农耕地几乎不施用磷肥，因此土壤P含量的空间变异程度很弱。C∶N是一项能够反映土壤质量的指标，当C∶N>25时，表示土壤有机碳的累积速率高于分解的速率，而较低的C∶N值表征着土壤的矿化作用较快[2]，N∶P往往能够表征P的有效性[19]，C∶P小于200表明土壤中的营养元素得到矿化。对比表2可知，在研究区内，总体C∶N的范围是4.66～12.6；C∶P的值在1.46～12.87之间，小于200；N∶P变化范围为0.18～1.27，小于表征土壤氮素缺乏的最小值14，且远低于全国的9.3水平[2,20]。研究区土壤C，N，P化学计量比特征反映出土壤的营养元素得到矿化且处于较快水平，土壤N供应不足。

2.2　坝地泥沙C，N，P化学计量特征

表3给出了沉积泥沙C，N，P含量及化学计量特征的描述性统计特征。坝地沉积泥沙的C，N，P含量均值分别为1.76 g/kg，0.20 g/kg及0.55 g/kg，C∶N，C∶P，N∶P均值分别为8.90，3.20，0.37，C∶N∶P为8.90∶1∶2.70；C含量在0.92～3.83 g/kg范围内变化，变异系数为0.27，N含量范围为0.12～0.43 g/kg，变异系数与C一致，P最小值为0.46 g/kg，最大值为0.61 g/kg，变异系数为0.04。在空间变异程度上，除了P处于弱变异程度外，其他变量均处于中等变异程度。其中，C与N，C∶P与N∶P的变异系数几乎相等。

表3　沉积泥沙C，N，P含量及化学计量特征的描述性统计特征

图2为各利用类型土壤与泥沙的C，N，P化学计量特征差异分布图。

由图2可看出，由于坝地沉积泥沙是坝控流域土壤遭受侵蚀的产物，经过搬运与堆积后的泥沙与各利用类型土壤中的C，N，P化学计量特征存在一定程度的差异。泥沙中的C，N含量显著(p<0.05)低于流域耕地及荒草地土壤，而与沟壁的C，N含量无显著差异；各利用类型土壤的C∶P与泥沙的均有显著(p<0.05)差异，值得注意的是，泥沙的C∶N，N∶P与各利用类型土壤的差异性明显不显著。

图2　各利用类型土壤与泥沙的C、N、P化学计量特征差异

结合表2和图2对比可得出，C∶P这一指标对于土地利用方式变化有着明显的响应，泥沙中的C∶P与各侵蚀源地土壤的C∶P有着显著差异。国外基于沼泽、湖泊沉积物的研究[21-23]结果表明在每个大于2 cm的沉积旋回层中，泥沙的有机质、全磷等含量的变化非常微小，并且不受埋藏时长的显著影响，因此泥沙中C∶P的变化主要受到不同土地利用类型的来源地的影响，故而C∶P这一指标可以作为土地利用方式的变化较为敏感的反映指标。

2.3　坝地沉积泥沙C，N，P对降雨侵蚀力的响应

不同沉积旋回厚度对应的降雨侵蚀力及泥沙量、不同旋回层中泥沙的C∶P分布见图3。从图中可以看出，C∶P随着深度的变化，在总体上呈现出规律的锯齿型变化特征，变化较平缓，在1 095.5～1 112.5 cm处有突变，达到最大值6.28。降雨侵蚀力、泥沙量和沉积旋回层厚度三者有着紧密的同步变化关系，降雨侵蚀力大，泥沙量大，相应的沉积旋回层厚。在189.5～321.5 cm范围内降雨侵蚀力处于中等水平、C∶P较低，而对应的泥沙量较高。

为了更加直观地表现降雨侵蚀力、泥沙量及泥沙中C∶P的变化关系，我们给出了三者的累积距平百分比随着沉积旋回层变化的趋势曲线，见图4。沉积旋回层的数字越大说明沉积发生的时间越早，因此，横坐标上76表示第1个旋回层。泥沙量累积距平在第13，49，57旋回层(对应横坐标64，28，20)出现了明显拐点，在第1～13旋回层(对应横坐标76～64)，泥沙累积距平百分比呈上升趋势，在第14～49旋回层(横坐标63～28)总体上呈现下降的趋势，第50～57旋回层(横坐标27～20)有短暂的回升后在第58～76(横坐标19～1)旋回层下降。降雨侵蚀力累积距平百分比曲线的变化趋势与泥沙量的大致相同。而C∶P累积距平百分比的曲线在不同沉积层中大致划为两个阶段，即在第1～49旋回层内递减而在第50～76旋回层内递增。累积曲线呈现规律的线性增长或降低说明该指标在这一阶段内较为稳定地维持高于或低于均值的水平。

图3　沉积泥沙旋回层对应的C∶P、降雨侵蚀力与泥沙量

图4　C∶P降雨侵蚀力与泥沙量累积距平百分比变化趋势

根据泥沙量累积距平百分比曲线明显的拐点，结合薛凯等[16]对该坝地沉积旋回层的断代结果将流域的侵蚀变化特征划分成了4个阶段，将各阶段的泥沙量、降雨侵蚀力以及C∶P标准化后进行拟合，并根据霍罗特的公式计算降雨侵蚀力及C∶P对泥沙量的贡献率，结果见表4。

由表4可知，小流域的侵蚀模数在1960—1964年及1984—1987年间显著较大，反映这两个阶段小流域遭受的侵蚀剧烈；在1966—1983年的侵蚀模数在4个阶段中最小。从贡献率来看自然与人为两大因素对小流域侵蚀产沙的影响：以1960—1964年间，降雨对于泥沙量的贡献率为98.86，土地利用类型的变化对泥沙量的贡献率较小，表明该阶段小流域内土壤侵蚀主要由降雨造成；在1965—1983年间，土地利用的变化对整个小流域的侵蚀产沙过程表现出了减沙的作用，降雨侵蚀力对泥沙量的贡献率依旧高达82.75%，自然因素依旧是造成小流域水土流失的主要原因。经过对当地记载材料的查验，在该阶段小流域内出现了许多水土保持措施，人为因素减少了侵蚀产沙。自1984年起至1990年，总体上，土地利用类型发生变化极大程度上促进了小流域的侵蚀产沙，1984—1986年间土地利用变化对泥沙量的贡献率高达52.63%，1987—1990年则为40.08%。1984年起，虽有上一阶段的水土保持措施的减沙效益，但该阶段内随着土地包产到户政策的实施，农民在流域内进行的大面积开荒、陡坡开垦等生产活动极大程度促进了侵蚀的发生。

表4　各阶段自然因素与人为因素在泥沙中的贡献率

注：Y为泥沙量(t)；X1，X2分别为降雨侵蚀力及C∶P值；土地利用贡献率(+)为减沙，(-)为增沙。

结合图4中C∶P累积距平百分比曲线变化趋势分析：在第一、二阶段内，坝地泥沙C∶P总体上持续低于均值，可大致判断该阶段内的泥沙大部分来源于养分贫瘠的沟壁处土壤。从1984年起，泥沙中的C∶P含量持续高于均值，说明了该流域内人们的活动对小流域内的土地利用类型造成了较大影响，增大了对流域内土壤有机质等养分的输入，从而提高了该阶段内泥沙中的C∶P。根据泥沙中的C∶P累积变化可反映出小流域在1984年起人们开荒开展生产活动过程中，施肥等田间管理方法影响着小流域土壤养分的总体分布情况。

3　结 论

通过对研究区的土壤与坝地沉积泥沙的研究发现：土壤养分含量水平整体偏低，坝控流域土壤C∶N的均值为9.30，低于25；N∶P均值为0.60，小于表征土壤氮素缺乏的最小值14，说明该区土壤处于较快的矿化作用中，流域内土壤氮素缺乏，限制植物的生长。在各项化学计量特征指标中，仅C∶P在坡面上不同土地利用类型土壤间差异显著，且泥沙中的C∶P与坡面上不同利用方式的土壤也有显著差异，说明C∶P对于土地利用类型的变化相应敏感，因此它可作为对于人类活动造成土地利用方式变化的响应指标。结合泥沙量与降雨侵蚀力，该淤地坝泥沙在1960—1983年期间，主要来源于重力侵蚀造成的沟壁坍塌及沟道扩张。在此期间，1965—1983年小流域内出现的水土保持措施总体起到了很好的减沙作用。在1984—1986年间，人们大面积的开荒造田极大程度上促进了小流域内产沙。1987—1990年，坡面耕地面积的增加、田间管理措施影响着坡面表层土壤肥力，但坝地中的泥沙养分未表现出显著的富集效应。

参考文献：

[1]曾德慧,陈广生.生态化学计量学:复杂生命系统奥秘的探索[J].植物生态学报,2005,29(6):141-153.

[2]王绍强,于贵瑞.生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征[J].生态学报,2008,28(8):3937-3947.

[3]Wardle D A, Walker L R, Bardgett R D. Ecosystem properties and forest decline in contrasting long-term chronosequences. [J]. Science, 2004,305(5683):509-513.

[4]朱秋莲,邢肖毅,张宏,等.黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量特征[J].生态学报,2013,33(15):4674-4682.

[5]张向茹,马露莎,陈亚南,等.黄土高原不同纬度下刺槐林土壤生态化学计量学特征研究[J].土壤学报,2013,50(4):818-825.

[6]李婷,邓强,袁志友,等.黄土高原纬度梯度上的植物与土壤碳、氮、磷化学计量学特征[J].环境科学,2015,36(8):2988-2996.

[7]曾全超,李鑫,董扬红,等.陕北黄土高原土壤性质及其生态化学计量的纬度变化特征[J].自然资源学报,2015,30(5):870-879.

[8]徐明,张健,刘国彬,等.黄土丘陵区不同植被恢复模式对沟谷地土壤碳氮磷元素的影响[J].草地学报,2015,23(1):62-68.

[9]李丹维,王紫泉,田海霞,等.太白山不同海拔土壤碳、氮、磷含量及生态化学计量特征[J].土壤学报,2017,54(1):160-170.

[10]李勉,姚文艺,史学建.淤地坝拦沙减蚀作用与泥沙沉积特征研究[J].水土保持研究,2005,12(5):111-115.

[11]李勉,杨剑锋,侯建才,等.黄土丘陵区小流域淤地坝记录的泥沙沉积过程研究[J].农业工程学报,2008,24(2):64-69.

[12]文安邦,张信宝,沃林de.黄土丘陵区小流域泥沙来源及其动态变化的137Cs法研究[J].地理学报,1998,53(S1):124-133.

[13]Zhao G, Klik A, Mu X, et al. Sediment yield estimation in a small watershed on the northern Loess Plateau, China[J]. Geomorphology, 2015,241:343-352.

[14]Zhang X, Walling D E, He X, et al. Use of landslide-dammed l0061ke deposits and pollen tracing techniques to investigate the erosional response of a small drainage basin in the Loess Plateau, China, to land use change during the late 16th century[J]. Catena, 2009,79(3):205-213.

[15]杨明义,徐龙江.黄土高原小流域泥沙来源的复合指纹识别法分析[J].水土保持学报,2010,24(2):30-34.

[16]薛凯,杨明义,张风宝,等.利用淤地坝泥沙沉积旋回反演小流域侵蚀历史[J].核农学报,2011,25(1):115-120.

[17]章文波,谢云,刘宝元.用雨量和雨强计算次降雨侵蚀力[J].地理研究,2002,21(3):384-390.

[18]霍洛特,谭锦维.农业生产效果预测[M].北京:农业出版社,1983.

[19]邬畏,何兴东,周启星.生态系统氮磷比化学计量特征研究进展[J].中国沙漠,2010,30(2):296-302.

[20]Tian H, Chen G, Zhang C, et al. Pattern and variation of C∶N∶P ratios in China′s soils: a synthesis of observational data[J]. Biogeochemistry, 2010,98(1/3):139-151.

[21]Kaushal S, Binford M W. Relationship between C∶N ratios of lake sediments, organic matter sources, and historical deforestation in Lake Pleasant, Massachusetts, USA[J]. Journal of Paleolimnology, 1999,22(4):439-442.

[22]Brenner M, Binford M W. A sedimentary record of human disturbance from Lake Miragoane, Haiti[J]. Journal of Paleolimnology, 1988,1(2):85-97.

[23]Melenevskii V N, Leonova G A, Konyshev A S. The organic matter of the recent sediments of Lake Beloe, West Siberia(from data of pyrolytic studies)[J]. Russian Geology & Geophysics, 2011,52(6):583-592.