石漠化区不同利用类型土地养分的含量及其生态化学计量特征

2018-10-19杨丹丽喻阳华秦仕忆钟欣平

西南农业学报 2018年9期

杨丹丽，喻阳华,2*，秦仕忆，钟欣平

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550025；2.贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001)

【研究意义】生态化学计量学是结合生物学、化学和物理学等基本原理，研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要为C、N和P)平衡的科学,其通过研究不同元素间的计量比，分析不同尺度、不同生物类群及不同领域的生态生物学特征[1-2]，也是研究土壤科学的重要手段之一。土壤作为生态系统的重要组成部分，是植物正常生长发育所需营养元素的主要来源，其通过控制养分的含量和分布直接影响土地的利用结构及生产力水平[3-5]。探明土壤生态化学计量特征，对揭示土壤养分分布、影响因素及科学调整土地利用结构具有重要意义。【前人研究进展】近年来，土壤肥力的急剧退化导致土壤的功能也发生了显著变化，而土壤生态化学计量学作为研究土壤元素平衡的有效工具，受到国内外学者的广泛关注[6-8]。朱秋莲等[9]研究黄土丘壑区不同植被土壤的生态化学计量特征认为，土层、植被类型和坡向对土壤养分含量及生态化学计量特征具有一定影响。江叶枫等[10]研究江西省耕地土壤N、P化学计量空间的变异特征及影响因素表明，氮肥施用量是引起江西省耕地土壤N、P生态化学计量空间变异的主要因素。李丹维等[11]分析太白山不同海拔高度土壤C、N、P含量及生态化学计量特征发现，温度、含水量、海拔和植被对土壤C、N、P化学计量特征具有重要影响。喻阳华等[12]研究赤水河上游土壤生态化学计量特征显示，丰富的水热条件可加速有机质的分解速率。陶冶等[13]研究认为，土壤生态化学计量特征对揭示土壤质量变化起着关键作用。前人的诸多研究仅探讨环境因子对生态化学计量特征的影响及各养分元素间的作用机制，而将小生境与生态化学计量特征相结合研究土壤质量变化规律及其对不同土地利用类型生态化学计量特征影响的研究较少。【本研究切入点】贵州干热河谷石漠化地区的旱季持续时间较长，降水时空分布不均，土壤侵蚀严重；而丰富的光热资源使该区域的人口分布较集中，强烈的人为活动和不合理的土地利用，导致该区域的土壤蓄水及保肥能力下降[14-15]。种植花椒、火龙果和金银花植物是干热河谷石漠化地区进行水土保持和脆弱生态环境重建的重要措施，该措施实施初期在提高土地生产力的同时也有效地缓解了其生态功能退化的速度[16]。但由于干热河谷石漠化地区严重的水土流失加剧了其土壤C、N、P和K元素丢失，导致花椒、金银花和火龙果等植物群落生长呈退化趋势，土壤养分含量下降、物种退化和土壤养分流失成为限制该地区土地资源利用的主要生态环境问题[17-18]。目前，对干热河谷石漠化地区的土壤研究多集中于植物多样性、不同植物群落恢复模式、养分分布格局及土壤理化性质等方面[19-21]，而从生态化学计量学角度对当地土壤质量变化及土地资源管理与高效利用等进行研究的文献鲜见报道。【拟解决关键问题】为此，笔者选择贵州干热河谷石漠化地区的火龙果(Hylocereusundulatus)、核桃(Juglansregia)、金银花(Lonicerajaponica)、玉米(Zeamays)、柚木(Tectonagrandis)和花椒(Zanthoxylumbugeanum)6种不同土地利用类型土壤测定其有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)含量，并应用生态化学计量学方法统计分析该地区土壤C、N、P、K的生态化学计量特征及其养分亏缺状况，旨在为干热河谷石漠化地区土地资源的科学合理及高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

样地位于贵州省关岭县与贞丰县交界处的北盘江和花江河段的干热河谷流域两岸，海拔555～856 m，东经105°37′22.08″～105°39′47.15″，北纬25°37′29.22″～25°41′45.6″，以喀斯特地貌为主，植被覆盖率50 %以上。该区域属典型的南亚热带干热河谷气候，光热资源丰富，年平均气温18.4 ℃，年极端最高气温32.4 ℃，≥10 ℃的有效积温为6542 ℃。降水时空分布不均，雨季集中于5-10月，可达全年总降雨量的83 %[16]。由于石漠化发育，使土地利用类型受限，农地作物以火龙果和玉米为主，人工林地以核桃、柚木和花椒为主，灌丛以金银花等为主。土壤以石灰岩为成土母质的石灰土为主，地表破碎、土层较薄(5～23 cm)。

1.2 土样采集

按S形取样法，以火龙果、金银花、核桃、柚木、玉米和花椒6种典型土地利用类型为样地，每类型土壤选取5～7个样点，去除土表的枯枝落叶、动物残体和石砾，采集各样点0～20 cm土层土样混合成1个土样装入自封袋，带回实验室自然风干，研磨，95 %通过2和0.15 mm筛，保存备用。

1.3 指标检测

参照鲍士旦[22]的土壤指标检测方法，各样地的有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)分别采用重铬酸钾-外加热法、半微量开氏法测定、高氯酸-硫酸消煮-钼锑抗比色-紫外分光光度法和氢氟酸-硝酸-高氯酸消解-火焰光度计法进行测定。

1.4 数据处理与分析

用Excel 2010进行数据统计，采用SPSS 20.0和Origin 8.6软件进行数据分析和制图。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小差异显著法(least significance difference，LSD)分析6种典型土地利用类型土壤中的养分含量及生态化学计量比值差异；采用Pearson相关系数法分析C、N、P和K元素的含量及其生态化学计量间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同样地土壤养分的含量

由表1可知，干热河谷石漠化地区6种典型植物样地0～20 cm土层土壤的SOC、TN、TP和TK平均含量分别为19.16～70.17、1.69～6.79、0.06～3.12和8.60～77.04 g/kg，各样点土壤养分含量的差异较大。其中，SOC和TN的平均含量均以金银花样地最高，分别为70.17和6.79 g/kg；火龙果样地和柚木样地最低，分别为19.16和1.69 g/kg。TP和TK的平均含量均以花椒样地最高，分别为3.12和77.04 g/kg；火龙果样地和核桃样地最低，分别为0.06和8.60 g/kg。不同样地土壤养分含量的变异程度也存在一定差异，核桃样地的TK含量和柚木样地的TP含量变异系数较大，分别为20.3 %和11 %；其余样地各养分含量的变异系数均较小，为0.3 %～8.5 %。

表1 不同样地土壤养分的含量

图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level图1 不同样地土壤养分的生态化学计量比值Fig.1 Ecological stoichiometric ratio of different nutrients in soil from different sample plots

2.2 不同样地土壤养分的生态化学计量比

由图1看出，各样地0～20 cm土层土壤养分的生态化学计量比存在较大差异。其中，C∶N以柚木样地最高，为21.028，显著高于其余样地；花椒样地最低，为6.316，显著低于其余样地。C∶P以玉米样地最高，为552.31，与核桃和柚木样地差异不显著，但均显著高于其余样地；花椒地最低，为11.400，显著低于其余样地。C∶K以核桃样地最高，为5.651，显著高于其余样地；花椒样地最低，为0.461，显著低于其余样地。N∶K以核桃样地最高，为0.502，与金银花样地差异不显著，但均显著高于其余样地；花椒样地最低，为0.073，显著低于核桃和金银花样地，与其余样地差异不显著。N∶P以核桃样地最高，为46.354，显著高于其余样地；花椒样地最低，为1.804，显著低于其余样地。P∶K以花椒样地最高，为0.040，显著高于其余样地；火龙果样地最低，为0.003，与柚木和玉米样地差异不显著，但均显著低于其余样地。

2.3 土壤养分生态化学计量比的相关性

2.3.1 土壤养分含量与生态化学计量比的相关性由表2看出，SOC与各生态化学计量比间均呈正相关，且SOC与C∶K和N∶K呈显著正相关。TN与C∶N和C∶P呈显著负相关，与P∶K呈显著正相关，与C∶K和N∶K的正相关、与N∶P的负相关均不显著。TP与C∶P和N∶P呈极显著负相关，与P∶K呈极显著正相关，但与C∶N、C∶K和N∶K的负相关均不显著；TK与P∶K呈极显著正相关，与C∶P和N∶P呈极显著负相关，与C∶K呈显著负相关，但与C∶N和N∶K的负相关均不显著。说明，SOC对C∶K和N∶K，TN、TP和TK对P∶K的增加具有促进作用；TN对C∶N和C∶P，TP对C∶P和N∶P，TK对C∶P、N∶P和C∶K的增加均存在抑制效应。

2.3.2 土壤养分各生态化学计量比的相关性及相关函数由图2可知，除C∶K与N∶P间呈S函数关系外，其余各生态化学计量比间均为一元二次函数关系，且函数的拟合度(R2)越高，表明两者的关系越密切。从表3看出，C∶N与C∶P、N∶P与C∶P间均呈极显著正相关，相关系数分别为0.809和0.783；N∶P与C∶K呈显著正相关，相关系数为0.610，且N∶P与C∶K的S函数拟合度(0.828)大于N∶P与C∶P的一元二次函数拟合度(0.795)。N∶K与C∶K间呈极显著正相关，相关系数为0.967；P∶K与C∶N呈显著负相关，相关系数为-0.649；P∶K与C∶P和N∶P均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.848和-0.802，但P∶K与C∶N的一元二次函数拟合度(0.647)小于与C∶P和N∶P的一元二次函数拟合度(0.895和0.900)。

表2 土壤养分含量与其生态化学计量比的相关系数

注:**和*分别表示相关系数达极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)水平。

Note:** and * indicate significance of difference atP<0.01 andP<0.05 level respectively.

图2 土壤养分各生态化学计量比的相关函数Fig.2 Correlation function between different soil nutrient ecological stoichiometric ratio

3 讨论

土壤生态化学计量比受区域水热条件和成土特征的影响较大，由于气候、地貌、植被、母岩及土壤动物等形成因子和人类活动的影响，可导致土壤C∶N∶P比的空间变异增大[23]。土壤C∶N反映了C与N间的平衡关系，低C∶N土壤中的N矿化速率较快，高C∶N土壤的微生物同化量可超过矿化作用提供的N量，造成植物缺N[24]。研究结果表明，火龙果样地与花椒样地的C∶N分别为8.64和6.32，低于全国土壤C∶N平均水平(10～12)[7]，处于较低水平；柚木和玉米样地的C∶N分别为21.02和16.43，高于全国土壤C∶N平均水平。造成C∶N在不同利用类型土地间存在差异的原因可能与其耕作程度有关。

较低C∶P有利于微生物分解与有机质养分释放，促进土壤有效P含量增加，高C∶P促使土壤微生物与植物竞争土壤无机P，不利植物生长[25]。研究区火龙果、核桃、金银花、柚木和玉米各样地土壤的C∶P为266.62～552.31，高于全球土壤C∶P的平均值(186)[26]。表明，干热河谷石漠化地区土壤总体缺P。花椒样地土壤的C∶P最低，为11.40，与黄土丘陵区土壤的C∶P(13.2)[27]较接近，但均显著低于广西喀斯特地区土壤的C∶P(61)[28]。表明，花椒样地土壤的有效P含量相对较高。不同植物类型样地土壤的C∶P不同，可能与其植物生长发育所需营养元素来源于土壤，使不同植物对土壤养分的吸收强度不同，而致土壤养分含量存在差异，进而导致其生态化学计量比存在差异。

N∶P是土壤限制性养分判断的重要指标之一，可间接预测其对植物养分的供应和限制水平[29]。研究结果显示，花椒样地土壤N∶P的平均值为1.80，低于全球(13.1)[26]和全国土壤的平均水平(9.3)[7]。造成花椒样地土壤N∶P较低的原因可能与花椒样地土壤P消耗相对较低，致使其土壤中的P含量相对较高有关。火龙果样地、核桃样地、金银花样地、柚木样地和玉米样地土壤的N∶P均显著高于全球[25]与全国土壤的平均水平[7]，可能与干热河谷石漠化地区的降雨集中且降雨量较大，土壤受淋溶冲刷作用影响而不利于P积累有关。

表3 土壤养分各生态化学计量比的相关系数

贵州干热河谷石漠化地区土壤的C∶N大于黄土丘陵和全国平均水平[7,27]，小于广西喀斯特地区和全球土壤水平[26,28]；C∶P和N∶P均显著大于广西喀斯特地区、黄土丘陵区、全国和全球水平[7,26-28]。土壤生态化学计量比是C、N和P总量的比值，而C、N元素主要来源于有机质分解， P主要来源于岩石风化[13,23]。因此，C∶N能有效反映土壤有机质的分解速率。土壤有机质分解速率与C∶N呈反比[23]，当土壤C∶N大于25时，有机质分解速率下降；当土壤C∶N小于25时，有机质分解速率升高[30]。研究结果表明，贵州干热河谷石漠化地区土壤的C∶N为6.32～21.03，小于25。表明，研究区土壤有机质的分解速率较快，易导致土壤养分无效消耗。因此，在该区土壤养分管理时，应注意氮肥施用量，控制有机质分解速率。孙超[31]研究表明，当土壤C∶N小于30时，硝酸盐的淋溶风险显著升高，易导致N损失，而长期单一施用有机肥也会导致土壤N素损失。因此，在进行土壤质量管理时，应合理掌控无机肥与有机肥配施，提高N利用率，有效控制C∶N值，调节有机质分解速率，保证植物正常生长发育。

宋秋华等[32]研究认为，土壤C∶P小于200 时，可致使土壤微生物体碳的短暂增加和有机磷净矿化，土壤C∶P大于300 时，微生物体碳将大幅增加，出现有机磷固持现象。表明，过高或过低土壤C∶P均会导致土壤微生物与植物竞争养分，不利植物生长。本研究结果显示，花椒样地土壤的C∶P为11.40，远低于300；核桃、柚木和玉米样地土壤的C∶P分别为523.74、547.78和552.31，远高于300。由此可见，P过高或缺乏均会成为限制该地区作物产量提高的重要因素。TP与C∶P呈极显著负相关，说明单独增加磷肥投入，不利控制C∶P和改良土壤质量，而绿肥生长过程中可通过养分吸收、根系分泌物和细胞脱落等方式调节土壤养分平衡，活化和富集土壤养分，增加土壤微生物活性，具有抑制土传病害和消除土壤不良成分的作用[33]。因此，种植绿肥可在减少农药施用的同时，高效提高土壤质量，增加作物产量。