不同土地利用方式下土壤碳氮磷化学计量特征

王 慧，郭月峰*，姚云峰，祁 伟，秦富仓，王佳坤

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010010；2.内蒙古水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

【研究意义】土壤是生态系统重要的组成部分，也是人类赖以生存与发展的物质基础[1]，土壤中的C(碳)、N(氮)、P(磷)元素不仅参与土壤养分循化和转化，影响植物生理代谢与生长发育的重要要素[2-3]，甚至影响生态系统的健康[4]。C、N、P三者及其生态化学计量之间的动态平衡不仅影响着植被的生长速度及其恢复程度，也影响着土壤肥力和植物的生长发育，进而影响整个生态系统的演替过程[5-6]。土地问题会对土壤产生直接的影响，造成其表层C、N、P等营养元素大量流失[7]，地表植被对土壤变化发生不同程度的响应，使其化学计量特征受到间接影响。不同土地利用方式下土壤C、N、P及其化学计量的变化可以反映土壤的养分损失程度，有助于反映不同植被覆盖与土壤养分损失间的相互关系。同时土壤深度也是影响土壤养分的一个关键因子[8],随着深度的改变，土壤的理化性质和结构特征会呈现出差异性。【前人研究进展】目前关于不同植被覆盖下的深层土壤化学计量特征的研究较少，对相同生长环境条件下不同土地利用方式下不同土壤深度的土壤C、N、P 3种元素之间的关系及其化学计量特征的变化规律研究,有助于揭示养分在植物土壤间的循环特点以及不同植被覆盖下土壤养分的供给能力有重要的意义。【本研究切入点】本文以达拉特旗中南部为研究区，通过对5种不同植被类型下C、N、P及其化学计量比的垂直分布进行研究。【拟解决的关键问题】揭示该区土地利用方式的调整对土壤理化性质的影响，为该区合理高效利用土地资源提供理论依据。

1 研究区概况

达拉特旗东经109°00'～110°45'，北纬40°00'～40°30'，地处内蒙古自治区西南部，海拔高度由南向北从1500 m降至1000 m，地形呈南高北低。典型的温带大陆性气候，气候干燥降，年均降水量240～360 mm，雨量少且多集中于7-9月，冬季寒冷夏季炎热，昼夜温差大，年均气温6～7 ℃。南部属丘陵土石山区，地势起伏较大；中部为库布其沙带，宜林宜牧；北部为冲积平原，地势平坦，南中北部分别占总面积的24 %、49 %和27 %。研究区采样点设置在达拉特旗南部丘陵区，土壤主要以栗钙土为主，水土流失情况较为严重。

2 研究内容与方法

选取不同土地利用方式进行研究：乔木林地、耕地、草地、灌木林地、撂荒地，通过野外采样、室内试验与数据分析相结合，对研究区不同土地利用方式下土壤碳氮磷及其化学计量比特征进行研究。在采样过程中考虑到样地的代表性以及结果的准确性，每种土地利用方式分别随机选取3个典型样方，在样方内设置1 m×1 m的草本调查样方和5 m×5 m灌木调查样方用S型取样法布设5个取样点，在移除地表枯落物后利用土钻分别取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm不同深度的土样，将3个样方土样同层混合，去除植物根系和较大石块,充分混匀并用四分法取混合土样，装入样品做好标记带回实验室，研磨过筛用于测定土壤碳氮磷含量。

养分含量分析采用常规方法进行测定，土壤有机碳(SOC)测定用外加热—重铬酸钾容量法；全氮(TN)含量测定用Kjedahl消煮法；全磷(TP)含量采用钼锑抗比色法测定。

数据处理采用Excel、Origin2018和 Canoco软件，对数据进行差异显著性检相关性分析和冗余分析，采用质量比表示土壤碳氮磷的化学计量比。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用方式下土壤 SOC、TN、TP特征

如图1所示，SOC含量总体表现为乔木最高，灌木、草地、农田依次下降，撂荒地SOC含量最低。随着土层深度增加而不断下降，同种植被类型在0～10、10～20、20～40 cm土层间均差异显著(P<0.05)，而在40～60与60～80 cm土层间差异不显著(P>0.05)，不同植被类型下在0～10、10～20和20～40 cm土层间土壤SOC含量的差异也呈现出相同趋势，在40～60和60～80 cm土层灌木与草地、农田与撂荒地差异不显著，但灌木和草地分别与农田和撂荒地有显著性差异(P<0.05)。

研究区不同土地利用方式总体表现均为表层土壤含氮量最高，随土层深度增加含氮量逐渐减少(图2)。乔木和灌木在0～10，10～20，20～40 cm土层间均表现为差异性显著。农田与草地均表现为在0～10和10～20 cm土层间差异不显著，但在10～20与20～40 cm土层间差异性显著。撂荒地不同土层间无显著差异。其余四种利用方式在40～60、60～80 cm土层均表现为差异不显著。另外，不同植被类型下土壤TN 含量的差异总体表现为乔木>灌木>草地>农田>撂荒地。在0～10和10～20 cm土层，5种利用方式之间差异均显著；在20～40 cm土层，乔木与灌木、草地差异不显著；在40～60 cm土层灌木与草地、农田与撂荒地间无显著差异。60～80 cm土层，乔灌草3种植被类型彼此之间均无显著差异，农田与撂荒地间差异不显著。 研究区不同植被类型下0～80 cm土层TP平均含量为0.5～0.53 g/kg，除撂荒地外其余4种利用方式在0～10 cm土层中TP含量均相对最高，不同土层间土壤TP含量没有特别大的变化，总体表现出越往底层含量越小的趋势，但减小趋势比较缓慢(图3)。

图1 不同土地利用方式下土壤 SOC含量特征Fig.1 Characteristics of soil SOC content under different land use patterns

3.2 不同土地利用方式下土壤 SOC、TN、TP生态化学计量比特征

研究区不同植被类型下土壤SOC、TN、TP含量不同，其土壤的C、N、P的生态化学计量比特征也不同。如图4所示，首先，不同土地利用方式下0～80 cm土壤C/N范围在8.12～17.01 g/kg(表1)，并以乔木最高，草地和灌木次之，农田和撂荒地最低，且在0～10 cm土层，乔木和农田分别与其他植被差异显著(P<0.05)，灌木、草地和撂荒地三者之间差异不显著。在10～60 cm土层间，灌木和草地的C/N差异不显著，农田和摞荒地的差异也不显著。在60～80 cm之间，乔木、灌木和草地之间差异不显著，但是与农田、摞荒地之间差异显著(P<0.05)。对于同一土层的不同植被，乔木在0～40与40～80 cm两土层间间差异显著(P<0.05)。其余植被类型在不同土层之间土壤 C/N差异均未达到显著水平。

图3 不同土地利用方式下土壤TP含量特征Fig.3 Characteristics of soil TP content under different land use patterns

图4 不同土地利用方式下土壤 C/N生态化学计量比特征Fig.4 Characteristics of soil C/N stoichiometry under different land use patterns

其次，不同植被类型下0～80 cm土壤碳磷的比值在1.91～12.19之间(表1)，并以乔木最高，不同植被类型对土壤C/P的影响均达到了显著水平(P<0.05)。不同灌木类型同一土层C/P比值除灌木和草地间无显著差异外，与其他不同植被类型在同一土层均有显著差异(P<0.05)。同种植被不同土层表现为乔木在0～10和10～20 cm土层间、草地在0～40 cm土层间无显著差异，乔木在10～20 cm和20～40 cm土层间、草地在20～40与40～60 cm间有显著差异(图5)。

不同土地利用方式下0～80 cm土壤N/P的值在0.19～0.92 g/kg(表1)，并以乔木最高，不同植被类型对土壤N/P的影响均达到了显著水平(P<0.05)。不同灌木类型同一土层N/P比值除乔木与草地在0～10 cm间差异不显著，灌木和草地在10～80 cm间同一土层其N/P比差异不显著间外，与其他不同植被类型在同一土层的N/P均有显著差异(P<0.05)。撂荒地在不同土层间均无显著差异。同种植被不同土层表现为乔木灌木农地在0～10、10～20、20～40 cm土层间均有显著差异，在40～60、60～80 cm土层间无显著差异。

图5 不同土地利用方式下土壤 N/P生态化学计量比特征Fig.5 Characteristics of soil N/P ecological stoichiometry under different land use patterns

图6 不同土地利用方式下土壤 C/P生态化学计量比特征Fig.6 Characteristics of soil C/P ecological stoichiometry under different land use patterns

可见，研究区不同植被类型土壤除C/N无明显差异外，C/P和N/P化学计量比值均随土壤深度增加而有不同程度下降，不同灌木类型之间的差异也随土壤深度增加而减弱，各化学计量比值的平均值表现为乔木、灌木、草地显著大于农地撂荒地。

表1显示，不同植被类型下土壤C/N、C/P 和 N/P范围分别介于8.12～17.01、1.91～12.19、0.19～0.92 g/kg，均值分别为10.82、6.32、0.57 g/kg，变异系数分别为15.53 %、41.77 %、33.69 %，表明研究区不同土地利用类型土壤C/N 属弱变异其值差异不大比较稳定。土壤C/P和 N/P属中等变异在几种土地利用方式间变化较大，分析可知不同土层土壤C/P和N/P对不同土地利用方式的响应要强于C/N。

表1 土壤SOC、TN、TP及化学计量比的统计分析

图7 土壤SOC、TN、TP及其计量比的RDA分析Fig.7 RDA analysis of soil SOC, TN, TP and its measurement ratio

3.3 不同植被类型下土壤 SOC、N、P与其生态化学计量比相关性分析

图7中RDA结果显示：P-Value=0.002<0.05具有统计学意义。第一排序轴可以解释总体的88.84 %，两者共解释了92.98 %的方差变化。在第一主轴上C、N的含量(相关系数分别为: 0.9725和0.9512)与土壤化学计量比具有显著正相关关系。在第二主轴上P(相关系数为0.4080)与土壤化学计量比具有正相关关系，但相关性不强。分析发现，SOC相对于TP对C/P的影响较大，SOC相对于TN对C/N的影响较大，TN相对于TP对N/P的影响较大。

由表2可知，土壤SOC、TN、TP两两之间均呈正相关关系，表明研究区不同土地利用类型下土壤SOC、TN、TP相互之间的耦合关系显著。如表2所示:土壤C/N与SOC相关性系数为0.846，C/N与SOC具有极显著正相关关系，与TN的相关系数为0.77，C/N与TN具有极显著正相关关系;土壤C/P与SOC具有极显著正相关关系，其相关性系数为0.996;与TP同样具有极显著正相关关系且相关性系数为0.973；与TN具有显著正相关关系，相关系数为0.446，C/P与SOC 含量的相关性大于与TP含量的相关性。土壤N/P与TP、SOC、TN 均具有极显著正相关关系，N/P与土壤SOC、TN含量相关性高于与TP含量的相关性，相关系数分别为0.524、0.986、0.994；综上所述，研究区不同土地利用方式下SOC和TN与其土壤化学计量比具有较强的相关性。土壤C/N、C/P比值主要受土壤SOC含量的影响，N/P主要受到土壤SOC、TN含量的影响。

表2 土壤SOC、TN、TP及化学计量比的相关分析

注：** 在 0.01 水平(双侧)上极显著相关，* 在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

4 讨 论

土壤养分是生态系统中植物营养的主要来源，不同的土地利用方式对土壤养分有显著的影响。本研究中，研究区不同土地利用方式下土壤表层有机碳之间的差异极其显著，表层有机质含量远远高于其它各层，且几种土地利用方式下土壤SOC含量在0～80 cm土层间垂直分布均呈“倒金字塔”状，即随土层深度增加呈逐渐下降的趋势，这与已有研究结果一致[9]。一方面是因为养分在向下层输移之前会先集聚于土壤表层[10]，另一方面土壤表层相对于底层来说，土壤中的微生物更多以及土壤结构、通气性更好，养分循环更快，这都有利于有机碳的积累，因而土壤有机碳含量表层显著高于底层。

研究区土壤全氮含量的垂直分布在几种土地利用方式之间的变化趋势与有机碳相似，这与许多研究者的研究结果一致[11-12]。主要是因为土壤表层作为土壤、植被、大气间物质能量交换的界面，生物小循环过程旺盛，枯落物也集中在表层，在腐烂分解的过程中土壤养分发生变化，有机碳和全氮含量增加，使得表层全氮含量远高处底层[13]。

研究发现研究区土壤SOC和TN变现为从乔木、灌木、草地、农田到撂荒地含量逐渐降低，主要原因是研究区乔木覆盖下的土壤植物残体及枯枝落叶比较多，而且在根系分泌物发生分解的过程中，会释放养分到土壤中，使乔木下土壤中SOC和TN含量增高[14]。研究区农田土壤SOC和TN含量较低，一方面在常年频繁且不合理的耕作下，土壤矿化作用增强，消耗大量有机质过程中释放的氮素大部分直接被农作物吸收，另一方面研究区农田地表无残茬积累使得氮素淋失严重，最终导致土壤表层SOC和TN含量低[15]。

已有研究结果表明撂荒地在一定程度上可以恢复土壤肥力[16]。但是本研究中研究区撂荒地土壤SOC和TN含量显著低于其他土地利用类型，主要是由于研究区的撂荒地退耕年限短地表暂无植被覆盖土壤呈裸露状态，水和风等一些气象因素直接作用于土壤，因而SOC和TN含量低与其他土地利用方式。

土壤磷含量的高低，主要受土壤母质、成土作用和气候的影响[17]。在研究区小尺度区域范围内土壤均发育于相同母质，气候变化也较为接近，且磷具有沉积性，迁移的可能性小。所以土壤TP含量变异相对较小，农田土壤因耕作施肥的影响，土壤TP含量高于乔木林、灌木林和草地。

本研究结果表明，在研究区不同植被类型下除去全磷含量变化不明显，土壤SOC和TN含量均随着土层深度的增加而减小。这说明在研究区不同土地利用方式下不同植被类型的凋落物蓄积量和根系分泌物有所差别，对土壤养分含量的影响不同，导致不同土地利用方式对土壤的改良作用也有所不同。

土壤C、N、P化学计量总质量的比值，不仅可以作为衡量土壤养分供给的判断指标也可以反映土壤质量及组分构成。其中，C/N值的大小可以影响土壤碳氮循环所以常被用作敏感性指标来判断土壤质量的变化[18]。有研究指出有机质的分解过程中需要氮素的参与，但氮素消耗量与分解速率不成正比，消耗大而速率低，此时的C/N偏高。而当C/N较低时，说明土壤的有机质含量高且分解快矿化强，在一定程度上可以增加土壤 TN含量[19]。

本研究结果表明不同土层之间土壤C/N波动较小，差异不是十分明显，其值基本稳定在一定范围内，与其他研究结果一致[20-21]。这主要是因为在研究区土壤中TN的分布与SOC具有相似的变化规律，当环境发生改变时土壤SOC和TN几乎可以在同一时间做出响应。本研究中，土壤C/N低于中国陆地土壤均值，说明研究区的有机质分解速率处于较低水平。土壤C/P的值可以用来判断土壤TN的有效性[22]。本研究中土壤C/P的值比较低，且低于中国土壤C/P含量的平均水平[23]。N/P可以用于确定N饱和，判断养分限制重要指标之一[24]。本研究中，不同利用方式下N/P的范围在0.19～0.92，明显低于其他研究结果[25]，表现为乔木>灌木≈草地>农田>撂荒地，说明研究区土壤的氮素较为缺乏，植被生长会因此受到不同程度的限制，且研究区内农田、草地以及灌木较乔木更易受到氮素影响。

5 结 论

(1)研究区不同土地利用方式下0～80 cm土层SOC、TN、TP平均含量分别在1.58～4.94、0.39～0.16、0.54～0.5 g/kg之间变化。不同利用方式下土壤全磷含量变化不是很明显，但随土壤深度増加SOC、TN含量表现逐渐减少，但递减的趋势会随着深度增加逐渐减弱。土壤SOC、TN较TP更为明显受到利用方式的影响。 且不同利用方式下各元素含量在土壤表层呈现出不同程度的差异性，表现为乔木>灌木>草地>农地>撂荒地，乔木灌木对改善土壤质量及养分有积极作用。研究区的气候和土壤条件相近，除某些环境因素可能对土壤中的碳氮磷产生影响外，不同利用方式下植物的凋落物蓄积量和根系分泌物的差异导致植被与土壤间养分吸收与归还量出现差异，是土壤各元素含量差异的主要原因。

(2)研究区不同土地利用方式下土壤C/N较为稳定，变异系数最小，低于中国C/N平均水平，研究区有机质分解速率较低。C/P、N/P属于中等变异，受土地利用方式的影响较大，在磷素含量与他人研究结果相差不大的情况下，N/P值低于全国平均水平，研究区不同植被的生长主要受氮素的营养限制。

(3)研究区不同土地利用方式下SOC和TN与其土壤化学计量比具有较强的相关性相互之间的耦合关系显著。SOC相对于TP对C/P的影响较大，SOC相对于TN对C/N的影响较大，TN相对于TP对N/P的影响较大。所以，研究区土壤C/N、C/P比值主要受土壤SOC含量的影响，N/P主要受到土壤SOC、TN含量的影响。