白云岩喀斯特地区土壤养分及生态化学计量特征

肖时珍，何江湖，曾 成，肖 华，石绍妮

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院,贵州 贵阳 550001;2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001;3.中国科学院 地球化学研究所，贵州 贵阳 550081)

0 引言

贵州省地处中国西南部，境内喀斯特地区是中国乃至世界热带、亚热带喀斯特地貌分布面积最大、发育最强烈的高原山区，也是世界上发育最完全的喀斯特连续地带[1]。喀斯特地区的生态环境极其脆弱，叠加不合理的人类活动，极易导致石漠化的发生。土壤质量变劣是石漠化的本质，重点表现在土壤物质流失，土壤的物理、化学和生物性质退化，以及土壤发生层次的变化[2]。文献[3]研究表明：在贵州省喀斯特石漠化发生的区域中，连续性灰岩地区是最易发生石漠化的，其次是连续性白云岩地区。在喀斯特石漠化地区土壤的生物元素循环中，C、N、P元素是养分元素循环与转化的核心，调节和驱动着整个喀斯特生态系统的演替过程[4]。土壤C、N、P、K不仅能反映土壤肥力状况，其化学计量比也是反映土壤养分供给能力的重要指标[5]。通过生态化学计量比的方法研究石漠化生态系统，对于揭示石漠化过程影响因素及其作用机制具有重要意义[6]。但目前对白云岩喀斯特生态系统土壤生态化学计量缺乏深入研究，其土壤养分及生态化学计量对不同生态系统的影响仍不清楚。

本研究选取贵州省施秉县白垛乡白云岩喀斯特地区5种不同生态系统样地为研究对象，采样分析土壤养分状况，探讨土壤养分的化学计量学特征，以及土壤养分含量与生态化学计量比的相关性，揭示土壤养分生态化学计量特征对不同生态系统的影响，以期为白云岩喀斯特地区石漠化防治与土地资源合理利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

以贵州省施秉县东北部的白垛乡(108°09′00″E，27°08′55″N)为研究区域。研究区域内大部分属于喀斯特地貌，海拔600～1 250 m。研究区域属中亚热带季风湿润气候区，年均温16 ℃，年均降水量1 220 mm[7]。地层岩性主要是寒武系高台组灰色、质纯、致密的薄层细粒白云岩，岩石整体破碎，地下水主要为岩溶裂隙水[8]。土壤类型主要为白云岩风化的薄层石灰土，土体较连续,土层分布均匀，土壤石砾含量高,土壤孔隙度高,水分容易下渗[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

通过查阅文献和野外勘察，根据土地利用方式，在研究区域选择了水田、草坡、旱地、灌木林、有林地等5类用地作为研究样地。样地基本情况见表1。每种土地利用方式取6个平行样，共采集30个样品。剔除土壤里的砂砾、根系和动物残体等杂物，自然风干，研磨后通过2.00 mm和0.15 mm筛，保存备用。

表1 样地基本情况

1.2.2 土壤养分测定

土壤分析参照文献[10]的方法。全氮(total nitrogen，TN)的测定采用半微量开氏法，全磷(total phosphorus，TP)的测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法，全钾(total potassium，TK)的测定采用氢氧化钠熔融-原子吸收法，土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法。

1.2.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据前期处理。使用Origin 8.0软件作图。使用SPSS 22.0软件进行统计分析：运用描述性统计分析获得各土壤养分的最大值、最小值、平均值和标准差；采用单因素方差分析方法，置信度为95%，检验不同生态系统土壤养分及质量比间的差异显著性；采用Pearson相关系数法分析土壤中各养分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 土壤养分特征

不同生态系统土壤养分特征见图1，图1中，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。不同生态系统SOC含量均值为9.27～51.23 g/kg，具体表现为：SOC有林地(51.23 g/kg)>SOC灌木林(43.95 g/kg)>SOC草坡(40.66 g/kg)>SOC水田(35.69 g/kg)>SOC旱地(9.27 g/kg)，其显著性差异如图1a所示。5种生态系统SOC平均含量变异系数为1.18%～45.86%，变化较大。SOC平均含量受植被、海拔、耕种方式等多种因素的影响[11]，研究区不同生态系统SOC平均含量差异表现为林草地以及水田显著高于旱地，林草地丰富的植被根系和枯落物是其表层土壤重要的碳源物质，被微生物分解后导致林草地的SOC含量高。水田由于较长时间处于淹水条件，SOC矿化速率慢，有利于SOC的积累[12]。而耕作使旱地土壤团聚体破碎，导致土壤有机质的物理保护层遭到破坏，在微生物的作用下，促进了土壤有机质的分解，使表层SOC平均含量下降[13]。

(a) 有机碳特征 (b) 全氮特征

(c) 全磷特征 (d) 全钾特征

图1 不同生态系统土壤养分特征

不同生态系统土壤的TN平均含量差异较大，表现为TN灌木林(6.00 g/kg)>TN有林地(5.15 g/kg)>TN草坡(4.09 g/kg)>TN水田(3.82 g/kg)>TN旱地(1.40 g/kg)，其显著性差异如图1b所示。TN含量均值为1.40～6.00 g/kg，其中，灌木林的TN含量均值最高，旱地的最低，变异系数变化较大，为0.39%～26.47%。灌木林、有林地、草坡的TN平均含量显著高于旱地，原因是受人类活动影响较小，枯枝落叶回归土壤，土壤中有机质残留量较多。由于旱地没有凋落层积累，加上农耕活动的影响，使有机质分解迅速，释放出来的大部分N都被农作物吸收，导致旱地土壤中TN平均含量低[14]。

不同生态系统土壤的TP平均含量差异表现为TP草坡(0.78 g/kg)>TP水田(0.51 g/kg)>TP旱地(0.43 g/kg)>TP有林地(0.34 g/kg)>TP灌木林(0.13 g/kg)，其显著性差异如图1c所示。TP含量均值为0.13～0.78 g/kg，其中，草坡的TP含量均值最高，灌木林的最低，变异系数为4.45%～36.51%。草坡土壤中TP平均含量最高，由于草坡草本植物覆盖度高，有丰富凋落物，植物的生物归还量高于其余生态系统，累积于土壤表层。灌木林和有林地土壤中的TP主要来源于凋落物，有机质随着凋落物归还土壤，进而影响土壤中有机质的构成和含量[15-16]。同时，有机质中的P转化为土壤中的P，水田和旱地土壤TP可能大部分来源于施肥。

不同生态系统土壤的TK平均含量差异表现为TK水田(31.73 g/kg)>TK灌木林(24.38 g/kg)>TK旱地(22.87 g/kg)>TK草坡(18.59 g/kg)>TK有林地(15.64 g/kg)，其显著性差异如图1d所示。TK含量均值为15.64～31.73 g/kg，其中，水田的TK含量均值最高，有林地的最低，变异系数为4.36%～40.43%。水田、旱地土壤TK含量相对较高，与人为施肥增加土壤肥力有关，通过施肥能够在一定程度上补充土壤养分，从而有较高的TK平均含量。灌木林一方面由于植被覆盖率高，由淋溶而造成的养分损失较少[17]；另一方面，由于表层湿度大，能够加速土壤表层凋落物的分解，促进养分的释放，从而使TK含量均值较高。

2.2 土壤养分的化学计量学特征

不同生态系统中土壤养分化学计量比如图2所示，图2中，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。研究区不同生态系统中土壤m(C)∶m(N)如图2a所示。不同生态系统中土壤m(C)∶m(N)以草坡最高，为10.01，处于中国平均水平(10～12)[18]，与水田和有林地差异不显著，以旱地最低，为6.36。草坡、水田、旱地、有林地、灌木林的土壤m(C)∶m(N)均低于全球平均水平(14.3)[19]，表明有机质分解和矿化速率均较快，易导致土壤养分无效消耗。

研究区不同生态系统中土壤m(C)∶m(P)如图2b所示。由图2b可知：不同生态系统中土壤m(C)∶m(P)为21.68～337.83，其中，灌木林的碳磷质量比最高，且显著高于其他生态系统，高于中国平均水平(136)和全球平均水平(186)[20]，表明灌木林生态系统土壤缺P，可能是由于植被覆盖度虽高但残体有机质转换为P相对较少。其余生态系统中，土壤m(C)∶m(P)均低于中国平均水平和全球平均水平，表明土壤P表现为净矿化，土壤P有效性较高，有利于植物的生长。

研究区不同生态系统中土壤m(C)∶m(K)如图2c所示。由图2c可知:不同生态系统中土壤m(C)∶m(K)为0.41～3.28。由于SOC对外界环境较为敏感，而土壤K相对稳定，导致研究区m(C)∶m(K)的差异与SOC的大致相似，表现为有林地、草坡、灌木林的土壤m(C)∶m(K)显著高于水田和旱地的。

研究区不同生态系统中土壤m(N)∶m(P)如图2d所示。由图2d可知：灌木林和有林地的土壤m(N)∶m(P)分别为46.13和15.38，高于全球平均水平(13.1)[20]和中国平均水平(9.3)[21]，这可能与研究区降雨量大、土壤由于淋溶作用导致P积累量小有关。其余生态系统中，土壤m(N)∶m(P)以旱地为最低，仅为3.42，但高于黄土丘陵区土壤(0.86)[22]，表明本研究区土壤缺N可能性较小，土壤P表现出相对缺乏的状态。

研究区不同生态系统中土壤m(N)∶m(K)如图2e所示。由图2e可知：不同生态系统中土壤m(N)∶m(K)为0.06～0.33。有林地、草坡、灌木林的土壤m(N)∶m(K)显著高于水田和旱地的，与m(C)∶m(K)、SOC含量表现相似，因为土壤K较稳定，m(N)∶m(K)主要受N控制，而N主要来源于SOC的分解。

研究区不同生态系统中土壤m(P)∶m(K)如图2f所示。由图2f可知：草坡的m(P)∶m(K)最高为0.05，且显著高于其他生态系统，而灌木林最低，仅为0.01。同时，由于草坡、有林地和灌木林土壤中的K较稳定，m(P)∶m(K)主要受P控制，导致这3种生态系统的m(P)∶m(K)差异变化与TP含量的差异变化相似。

(a) 碳氮质量比特征 (b) 碳磷质量比特征 >(c) 碳钾质量比特征

(d) 氮磷质量比特征 (e) 氮钾质量比特征 (f) 磷钾质量比特征

图2 不同生态系统中土壤养分化学计量比

2.3 土壤养分与生态化学计量比的相关性

土壤养分与其生态化学计量比的相关性如表2所示。SOC平均含量与各生态化学计量比间均呈正相关，且SOC平均含量与m(C)∶m(N)、m(C)∶m(P)、m(C)∶m(K)、m(N)∶m(K)呈极显著正相关，与m(N)∶m(P)呈显著正相关，说明SOC对m(C)∶m(N)、m(C)∶m(P)、m(C)∶m(K)、m(N)∶m(K)、m(N)∶m(P)的增加具有促进作用，SOC在分解过程中会释放N、P等元素，同时有机质中的腐殖物质主要带负电荷，能吸附土壤中的K+，分解后土壤中的K平均含量也会相对增加[18]。TN平均含量与m(P)∶m(K)呈不显著负相关，与m(C)∶m(N)呈显著正相关，与其他生态化学计量比呈极显著正相关，说明TN对m(P)∶m(K)的增加影响不大，对其余生态化学计量比的增加有促进作用。TP平均含量与m(C)∶m(N)、m(C)∶m(K)均呈不显著正相关关系，与m(P)∶m(K)呈极显著正相关关系，与m(C)∶m(P)、m(N)∶m(P)呈极显著负相关关系，与m(N)∶m(K)呈不显著负相关关系，说明P对C、N、K的影响不大，单独增加P肥投入，不利于控制m(C)∶m(P)、m(N)∶m(P)和改良土壤质量。TK平均含量与m(C)∶m(N)呈正相关，与其他生态化学计量比呈负相关，说明单独施加K肥不利于土壤质量的改良。从总体上看，C、N两种元素分别对除自身外的其他元素含量的增加与抑制具有重要影响，而P、K两种元素含量的单独增加对其他元素的质量比影响较大，不利于土壤质量的改良。

表2 土壤养分与其生态化学计量比的相关性

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。

3 结论与展望

(1)白云岩喀斯特地区水田、旱地、灌木林、草坡、有林地等5种生态系统中土壤的TN平均含量、TP平均含量、TK平均含量和SOC平均含量差异表现为：有林地、灌木林、草坡和水田的SOC含量和TN平均含量显著高于旱地，草坡的TP含量最高，水田的TK含量最高。

(2)研究区有机质分解和矿化速率均较快，易导致土壤养分无效消耗，土壤P相对缺乏。C、N两种元素分别对除自身外的其他元素含量的增加与抑制具有重要影响，而P、K两种元素含量的单独增加对其他元素的质量比影响较大，不利于土壤质量的改良。单独施加K肥和P肥对于土壤质量的改良效果不佳，需注意无机肥与有机肥配施，以调节土壤养分的动态平衡。

(3)本文仅对白云岩喀斯特地区不同生态系统中表层土壤养分和化学计量特征进行了初步研究，对于全面评价不同生态系统土壤养分状况，还需要结合当地气温、坡度、土壤含水量、植物器官及枯落物中的生态化学计量比开展进一步研究，以揭示白云岩喀斯特地区植被-枯落物-土壤间的养分循环规律、化学计量特征及其相互关系。