黄土丘陵区不同土地利用方式土壤碳氮磷及其生态化学计量特征

白一茹，张 兴，包维斌，王幼奇，赵云鹏

(1.宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川 750021；2. 旱区特色资源与环境治理教育部国际合作联合实验室，宁夏 银川 750021)

土壤C、N、P是土壤养分的核心，其含量的多少会影响土壤中微生物数量、凋落物再分配过程及土壤养分的长期积累[1]。C、N、P循环过程相互耦合，在生物地球化学循环过程中C、N、P的变化会影响土壤C平衡，其决定着陆地生态系统C源和C汇功能，与此同时N和P是植物生长的主要限制因子，因此研究土壤C、N、P的平衡关系对于探索陆地生态系统养分限制和养分循环规律具有重要意义[2-4]。土壤C、N、P化学计量比可揭示C、N、P元素间的交互作用及平衡制约关系，是生态化学计量学的重要内容，也是研究植被—土壤相互作用与养分循环的新思路[5-7]。

土地利用方式是人类利用土地各种活动的综合反映，不同土地利用方式下耕作措施和水肥管理的不同会影响进入土壤的肥料、动植物残体和土壤微生物数量及性质，造成土壤C、N、P元素的矿化、运输和吸收利用等差异[1，8-9]。在黄土高原丘陵区，Chen等[10]发现农地转为林草地，土壤C会增加，并且转为灌木林地或野生草地比转化为人工林更有利于C的固存。在亚热带丘陵区，杨文等[11]发现C/N、C/P、N/P高值区主要分布在人为干扰少和肥料使用少的林地区，而低值区主要分布在人类活动频繁以及化肥施用量大的农田区。在闽江河口湿地，王维奇等[12]研究得出土壤养分比值随干扰程度的增大而减少，其中弃耕地的C/N、C/P、N/P高于有翻耕和施肥影响的耕地，芦苇沼泽C/N、C/P、N/P高于池塘养殖地。在川中丘陵区，罗由林等[13]发现随着时间推移，水田、旱地、园地和林草地土壤C/N、C/P、N/P均有不同程度上升，其中旱地土壤C、N、P关系变化相对稳定而园地C、N、P比例关系显著改善，呈良性发展。可以看出土地利用方式的改变会影响陆地生态系统原有的C、N、P循环，不合理的土地利用方式会造成土壤C、N、P元素的损失，且损失程度取决于干扰强度。

黄土丘陵区自然条件恶劣，植被覆盖度低，土壤侵蚀严重，生态环境脆弱，合理有效的植被恢复是治理该区水土流失和改善生态环境的根本措施[11,14]。研究土壤生态化学计量特征有助于了解植被建设过程中养分的循环和再分布规律，进而对植被恢复的合理调控提供科学建议。虽然已有较多研究关注黄土高原地区不同土地利用方式土壤C、N、P状况[1,5,9]，但关于土壤生态化学计量特征的研究较为缺乏。本文以黄土丘陵区谷子、苜蓿、柠条和枣树4种典型土地利用方式为研究对象，通过测定0～100 cm土层土壤C、N、P含量，比较分析不同土地利用方式下土壤C、N、P垂直分布特征，探讨土地利用方式对土壤生态化学计量特征的影响，为促进生态化学计量学理论的发展和完善提供数据参考，对生态环境保护具有积极参考价值和指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

采样区位于陕西省米脂县(109.47°E，37.18°N)，平均海拔1 049 m，为典型的黄土高原丘陵沟壑区，属于中温带半干旱性气候。全年年平均降雨量400 mm左右，主要集中在7—9月份，昼夜温差大，温度变化范围为-25℃～38℃，多年平均气温8.5℃。日照时间8.35 h，平均风速1.19 m·s-1，平均相对湿度为60%。土壤以黄土母质上发育的黄绵土为主，质地为粉壤土。地形条件复杂，水土流失严重，沟壑密度3～6 km·km-2，土壤侵蚀模数1.8 万t·km-2·a-1。植被属森林草原植被带，天然草类主要有白草(Ennisetumcentrasiaticum)、地椒(ThymusmongolicusRonn.)、狗尾草(SetariaviridisL. Beauv.)等，天然乔灌木零星分布，人工植被有柠条(CaraganaKorshinskiiKom.)、沙柳(Salixcheilophila)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)等，常见的经果林主要有枣(ZiziphusjujubeMill.)、杏(ArmeniacavulgarisLam.)、桃(AmygdaluspersicaL.)、梨(Pyrusspp)等。

1.2 样品采集与指标测定

在研究区内，根据植被调查状况，选取4种典型土地利用方式的坡面：谷子、苜蓿、柠条和枣树，其中苜蓿生长年限为8 a，柠条为20 a，枣树为12 a，坡向均为南偏东，地形概况见表1。在每个坡面的上坡、中坡和下坡三个不同位置，分别布设4个采样点，每种土地利用方式12个采样点，每个采样点深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm处用土钻采集土壤样品4个，混合均匀后利用四分法保留约1 kg土样，样品总数为288个。土样经风干、剔除杂质后研磨过100目筛备用。土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化法；全氮(TN)采用半微量开氏法；全磷(TP)采用酸溶钼锑抗比色法测定[15]。

1.3 数据分析

利用SPSS 18.0软件进行数据处理，利用Sigmaplot 10.0软件进行制图，利用Canoco 4.5软件进行典型相关分析，采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和多重比较检验中的最小显著性差异法(LSD)比较不同土地利用方式间的差异，采用Pearson相关系数评价不同指标间的相关性。C/N、C/P和N/P均采用质量比。

表1 样地植被和地形概况

2 结果与分析

2.1 土壤C、N、P及其化学计量特征统计分析

表2是288个样品的土壤性质统计特征值，可以看出黄土丘陵区土壤C、N、P含量均比较低，其平均值分别为2.12、0.21、0.43 g·kg-1，说明采样区土壤养分贫瘠。C/N、C/P和N/P的均值分别为10.83、5.0和0.48，变化范围分别为5.07～26.33、1.77～12.22和0.15～1.47。变异系数可以反映出土壤性质在不同空间位置分布的离散程度，在表2中，土壤C、N、P、C/N、C/P和N/P的变异系数均大于10%且小于100%，属于中等程度变异，受土地利用类型、灌溉、施肥等因素影响明显。

2.2 不同土地利用方式下土壤C、N、P垂直分布特征

通过图1可以得出，10～20 cm和20～40 cm土层深度下，谷子地土壤C含量最高，其均值分别比苜蓿地高23.0%，比柠条地高33.1%，比枣树林高28.0%。谷子地0～20 cm土层土壤C含量与柠条地和枣树林差异显著(P<0.05)，谷子地20～40 cm土层土壤C含量与苜蓿地差异显著(P<0.05)，0～20 cm和20～40 cm土层土壤C含量在其它3种土地利用方式之间差异不显著(P>0.05)。40～60、60～80 cm和80～100 cm深度下，4种土地利用方式土壤C含量虽有不同，但差异均不显著(P>0.05)。土壤C含量随土层增加有降低趋势，其中不同土层间苜蓿地(F4,10=12.198，P<0.001)和谷子地(F4,10=4.007，P<0.05)C含量差异显著，柠条地(F4,10=0.644，P>0.05)和枣树林(F4,10=0.651，P>0.05)无显著性差异。

0～20、20～40 cm和60～80 cm土层深度下，土壤N含量谷子地最高，柠条地最低。谷子地各深度N含量均值分别比苜蓿地高36.78%，比柠条地高90.82%(P<0.05)，比枣树林高39.26%。40～60 cm和80～100 cm土层土壤N含量在4种土地利用方式之间差异不显著(P>0.05)。与C含量一致，土壤N含量随土层增加有降低趋势，不同土层之间N含量同样也是苜蓿地(F4,10=10.800，P<0.001)和谷子地(F4,10=5.28，P<0.05)差异显著，柠条地(F4,10=0.311，P>0.05)和枣树林(F4,10=1.009，P>0.05)无显著性差异。

各土层的P含量在不同土地利用类型之间差异性较小，谷子地和苜蓿地较高，柠条地和枣树林较低，其中苜蓿地和柠条地在0～20、60～80 cm和80～100 cm土层存在显著差异(P<0.05)。随着土层加深，除了谷子地(F4,10=5.408，P<0.05)外，其他3种土地利用方式的土壤P含量在不同土层之间差异不显著(P>0.05)。

表2 采样点土壤性质统计特征值及其化学计量特征

注：误差线为标准误(n=3)；误差线上的不同字母表示同一土壤深度不同土地利用方式间差异显著性(α=0.05)。下同。 Note: The error line is the standard error (n=3). Different letters in the same column mean significantly different at 0.05 level among different land uses. The same below.图1 不同土地利用方式下土壤C、N、P含量的垂直分布Fig.1 Vertical distribution of soil C, N, and P contents in different land use types

2.3 不同土地利用方式对土壤生态化学计量特征的影响

不同土地利用方式造成土壤C、N、P含量的差异，进而影响土壤生态化学计量特征。C/N是土壤质量的敏感指标，而且会影响土壤中C、N循环[16]。土壤C/P是指示P有效性的重要指标[6]，而N/P是当前限制性养分判断的重要指标之一。图2中各土层C/N在不同土地利用方式之间具有显著差异(P<0.05)，其中柠条地最高，谷子地最低，柠条地0～100 cm土层C/N均值比谷子地高44.82%，比苜蓿地高27.12%，比枣树林高26.70%。4种土地利用方式土壤C/N在不同土层之间差异均不显著(P>0.05)，平均值为10.72，变化范围为7.23～19.02。

除80～100 cm土层土壤C/P在柠条地和苜蓿地之间具有显著差异(P<0.05)外，其它各土层C/P在4种土地利用方式之间差异均不显著(P>0.05)，其中谷子地和柠条地的C/P较高。苜蓿地C/P随土壤深度的增加而显著降低(F4,10=8.455，P=0.003)，其它3种土地利用方式的C/P在不同土层之间无显著差异(P>0.05)。

0～20 cm和20～40 cm土层深度下，土壤N/P在不同土地利用方式之间具有显著差异(P<0.05)，谷子地最高，柠条地最低，谷子地N/P 0～40 cm土层均值比柠条地高71.0%，比苜蓿地高35.1%，比枣树林高30.7%。40～60、60～80 cm和80～100 cm深度下，4种土地利用方式的土壤N/P差异均不显著(P>0.05)。与C/P类似，苜蓿地N/P随土壤深度的增加而显著降低(F4,10=8.221，P=0.003)，其它3种土地利用方式的N/P在不同土层之间无显著差异(P>0.05)。

2.4 土壤有机C、全N、全P及其生态化学计量比与环境因子的相关性

从表3可以看出，土壤C与N、C/P和N/P具有极显著正相关性(P<0.01)，与P和C/N相关性不显著(P>0.05)。土壤N与P、C/P和N/P具有极显著正相关性(P<0.01)，与C/N具有极显著负相关性(P<0.01)。土壤P与C/N呈现极显著负相关关系(P<0.01)，与C/P和N/P相关性不显著(P>0.05)。C/N和N/P呈现极显著负相关关系(P<0.01)，与C/P相关性不显著(P>0.05)。C/P和N/P呈现极显著正相关关系(P<0.01)。

设环境因子为变量x，其中土壤深度为x1、土地利用方式为x2、粘粒含量为x3，土壤pH值为x4；土壤生态化学计量学特征为变量y，其中C为y1，N为y2，P为y3，C/N为y4、C/P为y5，N/P为y6，应用典型相关分析法对二者之间的关系进行分析，如图3所示，得到4组典型变量，其中第一组相关系数λ1=0.884*，第二组相关系数λ2=0.702，第三组相关系数λ3=0.638，第四组相关系数λ4=0.178，只有第一组相关系数达到显著水平，提取其典型变量数据进行分析，其中U表示环境因子综合指数，V表示土壤C、N、P的综合含量。由于数据单位不统一，通过换算的标准变量的典型相关系数分析土壤生态化学计量学特征与环境因子之间的相关关系，第一组典型变量的标准化线性组合为：U1=-0.472x1+0.031x2-0.417x3-0.454x4；V1=24.789y1-38.730y2+0.726y3+4.036y4-25.850y5+37.733y6。在U1各系数中起决定性作用的环境因子是土壤深度、粘粒含量和土壤pH值，在V1各系数中起决定性作用的是C、N、C/P和N/P，说明土壤C、N、C/P和N/P与环境因子中的深度、粘粒含量和土壤pH值的累积关系较大。

图2 不同土地利用方式下土壤C/N、C/P 和N/P的垂直格局Fig.2 Vertical patterns of C/N, C/P, and N/P for different land use types

表3 土壤C、N、P及其化学计量特征相关性分析

注：**在0.01水平上显著相关。

Note: ** means significant correlation at 0.01 level.

图3 土壤C、N、P及其生态化学计量学特征与环境因素 之间的典型相关关系Fig.3 Canonical correlations of soil carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and its characteristics of stoichiometry and environmental factors

3 讨 论

3.1 研究区土壤C、N、P含量及其化学计量特征

研究区属于典型黄土高原丘陵沟壑区，根据全国第二次养分普查分级标准[17]，研究区土壤C和N属于六级，土壤P属于四级，说明研究区土壤肥力水平偏低。分析原因主要由于气候、地形地貌和人类活动影响导致土壤沙化严重，土壤颗粒组成中细颗粒逐渐减少，粗颗粒逐渐占据优势，而有机质随着细粒物质的侵蚀而损失，同时沙化过程会导致地表植被盖度降低，有机物来源减少，矿化分解作用强烈，土壤养分难以累积[18-19]。Tian等[20]研究发现，我国土壤C/N、C/P、N/P的原子数比值分别为11.9、61、5.2。而研究区土壤C/N、C/P、N/P换算后的原子数比值分别为11.78、12.74、1.08，C/N接近我国平均水平，而C/P和N/P均比我国平均水平低了4.8倍。研究区较低的C/P和N/P，也说明研究区土壤呈现出C和N的缺乏，严重制约植被的生长。朱秋莲等[21]研究黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量特征，也得出相似的结论。

3.2 土地利用方式对土壤C、N、P的影响

土地利用方式对土壤C、N、P含量有显著影响。研究区谷子地的土壤C、N含量显著高于其它3种土地利用方式(P<0.05)，P含量在不同土地利用方式之间差异不显著(P>0.05)。但也有研究者提出农田养分含量低于林草地，如张帅等[22]和周正虎等[23]。研究结果的差异一方面是由于研究区农田长期施肥(以氮肥为主)增加了土壤N的积累和C的固存，另一方面黄土丘陵区养分循环受土地利用类型和利用年限等因素影响较大，林灌草的C固存是长期过程，要在退耕35 a后才会表现出显著的C增汇效应[24]，而研究区苜蓿、枣树和柠条退耕年限大约10～15 a，此年限的林草地养分状况差于农地。

土壤C、N、P含量的垂直分布格局在不同土地利用方式之间也有明显差异。苜蓿地的C、N含量随土层深度的加深降低幅度最大，这与苜蓿的根系分布特征有关。郭正刚等[25]研究发现苜蓿在0～50 cm土层深度具有发达的侧根系，93%以上的根系生物量都分布在50 cm以上的土层，而且苜蓿具有豆科植物的固氮能力，长期种植可以避免土壤扰动，促进土壤C和N在土壤表层的累积[26]。柠条土壤C、N含量随土层深度变化不显著，这与其他几种土地利用方式下土壤C、N含量的表聚性分布不同。原因在于人工柠条林是黄土丘陵区植被恢复的深根系植被，根系生物量在100～400 cm土层高于其他人工植被，发达的根系会提高土壤深层C储量，且随恢复年限的增加，深层土壤C储量增加更明显[27]。因此，不同植被群落的根系活动和分布特征影响土壤C、N的吸收强度和深度，从而导致土壤C、N的垂直分布特征在不同土地利用方式间存在显著差异[28]。土壤P含量的垂直变化格局与土壤C、N不同，其随深度增加变化不显著，在黄河三角洲不同湿地，张森等[29]也得出相似结论。这是因为土壤P主要来源于岩石风化，是沉积型矿物，迁移性差，其含量大小主要取决于立地的地质特征，而受土地利用影响较小[23]。

3.3 土地利用方式对土壤C/N、C/P、N/P的影响

土地利用方式的差异不仅会影响土壤养分状况，同时会明显影响土壤C、N、P的生态化学计量特征。研究区C/N的变异系数为27.98，而C/P和N/P变异系数分别为40.98%和45.12%，说明研究区C/P和N/P有更高的变异性。这是因为C/P和N/P受土地利用方式、地形、气候、土壤等因素影响较大，呈现出较高的变异性[1，10，30]。

研究区土地利用方式对土壤C/N、C/P、N/P有明显影响，其中柠条地的土壤C/N显著高于其它土地利用方式(P<0.05)。杨文等[11]在亚热带丘陵小流域也得出土壤C/N、C/P、N/P高值区主要分布在人为干扰少和肥料使用少的林地区，而低值区主要分布在人类活动频繁以及化肥施用量大的农田区。王维奇等[12]在河口湿地、朱秋莲等[21]在黄土丘陵沟壑区和曾全超等[31]在黄土高原延河流域，均发现随干扰程度的增大，土壤C、N、P的生态化学计量比减小。研究区谷子地受人为干扰强度大，经常翻耕、施肥和季末收获且无枯落物返还，苜蓿地地上部分收割，枣树林的除草和收获，这两者人为干扰强度也较大，而柠条地基本不受人为干扰，因此研究区土壤C/N表现为柠条地最大，谷子地最小。土壤C/N与土壤有机质分解速率成反比，其高值指示良好的碳固存潜力，研究区人工柠条林高C/N表明其具有良好的生态效益和固碳能力。

土地利用方式对土壤C/N、C/P、N/P的垂直变化也有不同程度影响。本研究中土壤C/N随土层加深呈现增加的趋势，且柠条地的增加趋势最显著，说明研究区深层土壤具有较高的碳固存潜力。Hamer等[32]和周正虎等[23]也研究发现了C/N随土层加深而增加的垂直分布格局。谷子地、苜蓿地和枣树林土壤C/P和N/P随土层加深呈现降低的趋势，这是由于土壤C、N有明显的表层聚集现象，而P素随土层变化较小导致的，说明土壤C/P和N/P随深度的变化分别取决于C和N含量的分布。Tian等[20]分析我国各区域土壤C/P和N/P的垂直变化特征也得出相似结论。

总之，人类活动对全球C、N、P循环的干扰不断改变其相对有效性，利用土壤C、N、P的生态化学计量比这样易获取的生态参数可以预测生态系统C、N、P的平衡趋势，有助于探索陆地生态系统养分限制和养分循环规律[33-34]。

4 结 论

1)研究区土壤C、N、P含量均值分别为2.12、0.21 g·kg-1和0.43 g·kg-1，属于低肥区。谷子地的土壤C、N含量显著高于其它3种土地利用方式(P<0.05)，P含量在不同土地利用方式之间差异不显著(P<0.05)。谷子地0～20 cm土层土壤C含量显著高于柠条地和枣树林(P<0.05)，谷子地20～40 cm土层土壤C含量显著高于苜蓿地(P<0.05)。0～20、20～40 cm和60～80 cm土层谷子地的N含量显著高于柠条地(P<0.05)。各土层的P含量在不同土地利用方式之间差异较小。

2)C/N、C/P和N/P的均值分别为10.83、5.0和0.48，其中C/N接近全国均值，而C/P和N/P明显较低。各土层C/N在不同土地利用方式之间具有显著差异(P<0.05)，C/N均值为柠条地(13.12)>枣树林(10.36)>苜蓿地(10.32)>谷子地(9.06)，说明研究区C/N随干扰程度的增大而降低。而土壤C/P和N/P在不同土地利用方式之间差异较小，仅在个别土层呈现出显著差异。

3)Pearson相关系数表明土壤C与N、C/P和N/P具有极显著正相关性(P<0.01)；N与P、C/P和N/P具有极显著正相关性(P<0.01)，与C/N具有极显著负相关性(P<0.01)；P与C/N呈现极显著负相关性(P<0.01)。C/N和N/P呈现极显著负相关性(P<0.01)，C/P和N/P呈现极显著正相关性(P<0.01)。典型相关系数表明土壤C、N、C/P和N/P与环境因子中的土层深度、粘粒含量和土壤pH值的累积关系较大。