云南哈尼梯田系统土壤碳氮的时空分布特征

马建刚，宋维峰，毛 頔，寇 恒

（西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224）

云南红河哈尼梯田是我国劳动人民上千年勤劳智慧的结晶，作为典型稻作农业文明，受到国内外很多专家学者的关注和研究。在空间结构上，哈尼梯田系统具有特殊的森林-村庄-梯田-河流“四素同构”特点[1-2]，哈尼人民将上部森林水、雨水径流作为灌溉水和养分物质传输交换的动力与媒介，将村内粪肥、森林养分等输运进农田，最终流入下游河道[3-5]。多年来众多学者针对哈尼梯田的历史、发展、系统结构、水文循环以及梯田养肥特征等进行了研究[1-7]，以揭示哈尼梯田的形成历史和维持机制，来保护我国优秀的农业文明并服务于现代山地农业。

土壤有机碳和氮素不仅可以为农作物生长发育提供营养元素，而且对于维持土壤良好的物理结构起着至关重要的作用[7-8]，所以土壤有机碳和氮素动态一直是近年来陆地生态系统碳、氮循环研究的热点和重点。已有研究表明，哈尼梯田区域的土壤有机碳和氮素水平比较高[9-11]，在同一山坡上存在海拔空间分异性，主要表现为养分含量低海拔梯田高于高海拔梯田[9-10]，然而在县域宏观尺度上不同农田土壤养分差异不显著[11]。已开展的土壤养分研究多以县域尺度不同海拔的梯田为分组对象，大尺度不同海拔梯田间的水分、养分以及土地演化的关联性较弱，对于具有林田演化历史和水分、养分联系的片区土地碳、氮含量及分布研究很少，为此本研究以云南红河哈尼梯田中具有密切林田空间关系和水肥输移联系的小寨村林草地（乔木林、灌木林、荒草地）与梯田（上部、中部、下部）土壤为对象，分析林草地和梯田土壤碳氮时空分布特征，旨在为哈尼梯田的水肥利用特征及其可持续发展提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南红河元阳县麻栗寨河流域上游的全福庄小流域小寨村，是哈尼梯田“四素同构”生态系统的典型代表，小寨村上部是森林、草地，次上部是村庄，中下部是梯田、底部是河流，面积79.9 hm2，海拔1 720～2 073 m，气候属亚热带山地季风气候，相对湿度为85%，年平均雾期180 d，多年平均降水量为1 397.6 mm，降水主要集中在5月—10月，占全年降雨量的78%，多年平均气温为20.5℃，年平均日照时数为1 820.8 h，年蒸发量为1 184.1 mm[12]。2017年全年降雨量为1 501 mm，平均气温为16.5℃，详见表1。

表1 研究区2017年月降雨量及平均气温Table 1 Monthly rainfall and average temperature of the study area in 2017

研究区内整体坡向为正东向，主要土地利用方式为林草地、梯田和村庄，其中梯田面积33.79 hm2，林草地面积40.06 hm2（乔木林39.06 hm2、灌木0.67 hm2、荒草地0.33 hm2），村庄硬化面积 3.04 hm2。林草地主要植物有印度木荷（Schima khasiana Dyer）、旱冬瓜（Alnus nepalensis D.Don）、西南山茶（Camelliajaponica）、元江拷（Castanopsis orthacantha Franch.）、桤木（Alnus cremastogyne Burk.）、臭牡丹（Clerodendrum bungei Steud）、浆果栎（Quercus coccifera）等。梯田种植一季水稻，品种以绿平谷为主，4月—5月插秧，10月成熟，插秧前施用部分以牲畜粪肥为主的农家肥，每亩100～150 kg；插秧后2星期内施用化肥，尿素和普钙，1 hm2施用约450 kg，插秧后1个月左右（5月—6月）的村内粪肥在人为管理下通过水分冲施依次进入沟渠和梯田，其他时期的粪肥除集中管理的农户个人粪肥外，也随着降雨径流等持续地进入沟渠和农田。除收割季节外梯田不放水，常年有水。该区域水分流动主要线路如图1所示。

1.2 土壤采样、测定与统计分析

研究区土壤以黄棕壤为主，其他基本特征见表2。根据研究区土地利用空间分布和灌溉水流向，首先将其分为林草地和梯田2种主要土地利用类型，其中林草地又分为乔木林、灌木林、荒草地3个采样区，梯田沿主灌渠分为上部、中部、下部3个采样区，采样点布设见图1。

表2 云南哈尼梯田不同采样点的基本特征Table 2 Basic characteristics of sampling points

图1 采样点位置图Figure 1 Schematic diagram of sampling point location

样品采集时间为2017年1月—12月，每月中旬采集1次，每个采样区在同一海拔范围内选择3个采样点，乔木和灌木林地采样点样方面积为5 m×5 m，草本为1 m×1 m，林草地的采样点距离大于50 m；上、中、下部位梯田分别选择同一海拔部位内的3块不同田面作为采样点，梯田面积260～430 m2不等，林草地采样点内沿对角线，田面内沿长轴方向使用不锈钢土铲分别均匀采集3处0～20 cm土层的土样混合样约500 g作为一个采样点的样品，采集土壤后装入聚乙烯瓶中，带回实验室风干、去除根系后，用于测定土壤有机碳和全氮含量等指标。

土壤有机碳含量采用《土壤有机碳的测定重铬酸钾氧化-分光光度法》（HJ 615-2011）方法测定[13]；土壤全氮采用《土壤质量全氮的测定凯氏法》（HJ 717-2014）方法测定[14]。

由于乔木林、灌木林和荒草地面积差异较大，林草地平均值采用以乔木林、灌木林和荒草地面积为基数的加权平均值。梯田平均值采用3个采样区平均值，研究区的总体平均值为林草地加权均值与梯田均值下的加权平均值。统计分析采用SPSS软件进行，使用单因素方差分析了不同采样点对哈尼梯田碳氮含量的影响，使用双因素方差分析了不同地类不同季节对哈尼梯田碳氮含量的影响。

图表分别采用excel和origin软件绘制。其中变异系数为标准差与平均值的比值（%），变异系数（C.V.）≤10%为弱变异性，10%＜C.V.＜100%为中等变异性，C.V.≥100%为强变异性[15]。

2 结果与分析

2.1 哈尼梯田土壤碳、氮的空间分布特征

云南哈尼梯田不同土地利用类型的土壤有机碳、全氮含量的统计特征见表3。

不同土地利用类型土壤有机碳含量为35.67～66.40 g/kg，平均值为50.69 g/kg，总体变异系数为25.33%，为中等变异，林草地平均有机碳含量（66.06 g/kg）显著高于梯田（37.72 g/kg）。乔、灌、草样地间的土壤有机碳含量存在显著差异，并且表现为乔木林＞灌木林＞荒草地，变异系数为15.50%，为中等变异。梯田3个部位的土壤有机碳含量表现为中部（40.75g/kg）＞上部（36.74 g/kg）＞下部（35.67 g/kg），变异系数为7.09%，属于弱变异，上部梯田与下部梯田土壤有机碳含量差异显著 ，中间与上、部位梯田土壤有机碳差异不显著。

不同土地利用类型的土壤全氮含量为1.97～2.373 g/kg，平均值为2.31 g/kg，总体变异系数7.31%，为弱变异，林草地土壤全氮平均值含量（2.37 g/kg）与梯田（2.25 g/kg）差异不显著。乔木林与灌木林、荒草地土壤全氮含量差异显著，但灌木林地和荒草地间差异不显著，具体表现为乔木林＞灌木林＞荒草地，变异系数为9.45%，为弱变异。梯田3个部位的土壤全氮含量由高到低表现为上部（2.37 g/kg）＞中部（2.27 g/kg）＞下部（2.11 g/kg），变异系数为5.76%，属于弱变异。上部与下部梯田的土壤全氮含量差异显著水平，而中部与上、下部梯田土壤全氮差异均不显著。

2.2 哈尼梯田土壤碳、氮年内变化特征

哈尼梯田不同土地利用类型土壤有机碳、全氮含量的变化见图2和图3，以季度为时段的图表见图4与图5。

图2 不同位置各月份土壤有机碳含量Figure 2 Soil organic carbon content in different locations and months

图3 不同位置各月份土壤全氮含量Figure 3 Soil total nitrogen content in different locations and months

图4 土壤有机碳的季度分布Figure 4 Seasonal distribution of soil organic carbon

图5 土壤全氮的季度分布Figure 5 Seasonal distribution of soil total nitrogen

表3 云南哈尼梯田不同土地利用类型的土壤有机碳、全氮含量的统计特征（n=36）Table 3 Statistical characteristics of soil organic carbon and total nitrogen in each month(n=36)

从图2可以看出，随着时间变化，不同土地利用类型的土壤有机碳含量波动明显，林草地波动大于梯田，梯田中部波动大于上部和下部。月份间的变异系见表3，大部分属于中等变异，但通过方差分析得知，研究区整体上及林草地、梯田土壤有机碳月份间差异不显著（P＞0.05）。从季度上划分可知（图4），哈尼梯田系统土壤有机碳含量从高到低依次为第三季度（56.69 g/kg）＞第二季度（53.99 g/kg）＞第四季度（51.76 g/kg）＞第一季度（50.35 g/kg）；林草地土壤有机碳含量在不同季度变化与研究区在总体上一致；梯田从高到低依次为第四季度（40.01 g/kg）＞第一季度（37.51 g/kg）＞第三季度（37.20 g/kg）＞第二季度（37.10 g/kg）。林草地、梯田及整个研究区土壤有机碳在4个季度间的差异均不显著（P＞0.05）。

从图3可以看出，随着时间变化不同土地利用类型上土壤全氮含量波动明显，其中林草地土壤全氮含量在3月—5月份较高，8月—11月份较低；梯田则表现为5月—7月份高，8月—11月份低。林草地土壤全氮含量在月份间差异不显著（P＞0.05），研究区整体及梯田在不同月份间差异达极显著水平（P＜0.01）。从季度上划分（图5），哈尼梯田土壤全氮从高到低依次为第二季度（2.53 g/kg）＞第一季度（2.33 g/kg）＞第四季度（2.20 g/kg）＞第三季度（2.19 g/kg）；林草地的土壤全氮含量在不同季节的变化与研究区一致；梯田土壤全氮含量从高到低依次为第二季度（2.56 g/kg）＞第三季度（2.20 g/kg）＞第一季度（2.19 g/kg）＞第四季度（2.05 g/kg）。林草地、梯田和整个研究区土壤全氮含量在季度间差异均不显著（P＞0.05）。

2.3 哈尼梯田的土壤碳氮比特征

哈尼梯田系统不同土地利用类型的土壤C/N的统计特征见表4。月份间变异都是中等变异程度，最小值集中在4月—5月，最大值出现在10月—11月，这与氮素的月份间变化呈现相反的趋势。哈尼梯田不同土地利用类型的土壤C/N为15.67～28.14，平均值22.99，变异系数为11.82%；林草地平均C/N为25.33～28.14，平均为28.06，变异系数为5.3%；梯田平均C/N为15.67～18.13，平均为 16.99，变异系数 15.16%。林草地土壤C/N平均值高于梯田，二者之间C/N差异极显著（P＜0.01）。乔木林、灌木林、荒草地三者之间，不同部位梯田之间的C/N差异均不显著（P＞0.05）。梯田的土壤C/N在月份间和季度间存在极显著影响，林草地内、林草地与梯田不同位置间的C/N在月份间和季度间差异均不显著。

表4 云南哈尼梯田不同土地利用类型的土壤碳氮比统计特征Table 4 Statistical value of soil C/N ratio from January to December in each location

3 讨论

哈尼梯田都具有自上而下的水资源利用关系，村寨、道路等粪肥也是自上而下进入农田，随水供给与分配。在此背景梯田土壤有机碳和全氮都保持了较高的水平，这与张德刚等[10-11]、李春燕等[16]、翟精武等[17]对哈尼梯田的研究结果比较一致。森林区是哈尼梯田重要的水源区，千年来都受到了精心保护，使得枯落物深厚[18]，有机质丰富，碳氮含量都比较高；研究发现当森林转化为耕地时，土壤有机碳含量会下降50%甚至更高[19]，本研究区的梯田有机碳含量比森林区平均下降为32.6%，说明哈尼梯田的土壤有机碳维持得较好。同时梯田氮素与森林区域土壤比较接近，在闵惠琳的研究中农田水分及村内径流氮素含量高于森林径流[20]，说明村内径流将粪肥氮素能都有效带入农田。农田的氮肥施加等氮素管理也促使农田氮素保持较高水平[21]。哈尼梯田大部分种植水稻且都是一年一稻种植制度，土地利用强度低，位置集中分布于1 200 m海拔以上的地区，气候更为湿冷，也有利于有机碳的积累和氮素的保持[22]。哈尼梯田内的有机物和氮素，一部分来源于梯田本身的物理化学过程的积累，一部分来源于化肥、森林和村内粪肥，由于哈尼梯田的水长流不断，梯田土壤有机碳、全氮仍旧保持了较高的水平，梯田内的不同部位碳氮差异也都是中等偏弱变异程度，根据前人研究数据[7，9-11]计算得到的变异程度也是中等偏弱变异程度，说明其灌溉和施肥方式不仅独特也维持了梯田间养分的分配平衡。其具体的梯田水分在流速、流量以及氮素传递通量等方面的量化特征及其与全凭经验的管理上是如何耦合的，是值得进一步深入研究和借鉴的。

本研究中，哈尼梯田系统林草地和梯田土壤有机碳和氮素含量在时间序列上表现出一定的变异。有机碳含量在时间上的差异不显著，林地土壤平均有机碳最小值在1月为52.11 g/kg，而由于下部梯田土壤有机碳含量在5月份最低（24.94 g/kg），导致梯田3个部位的平均值5月份最低为33.15 g/kg，利用有机碳乘以1.724换算有机质[23]，则有机质全部属于一二级水平，结合顾莹等对元阳梯田养分平衡的研究[24]，说明碳元素在各个月份含量较高，对哈尼梯田肥力水平没有构成限制因素，哈尼梯田系统土壤发挥了较大的土壤碳汇作用。氮素水平则月份间波动较大，规律性更强，虽没有同地区土壤氮素的时间分布研究参考，但根据闵惠林等[20]、角媛梅等[25]对同区域水体氮素的时间规律研究来看，农田土壤氮素与水体氮素含量的峰值都出现在4月—6月，这一时期是水稻生长初期，化肥施用及粪肥冲施增强，以及农闲期的养分积累使得土壤氮素水平较高。而水体全氮含量低值出现在11月—12月为主的冬季，本研究的土壤低值出现于8月—11月份，比水体氮素出现的早，应该由于这一时期是当地水稻主要的生殖发育和成熟阶段，耗氮水平提高。顾颖等[24]研究发现这一时期元阳梯田氮素处于亏损状态，结合本研究，主要土壤氮素亏损期也是这一时期；8月—11月份处于雨季中后期，受水流的前期累计淋洗影响，林地土壤的氮素水平也出现了下降。

土壤C/N影响着微生物的活性，进而影响有机物的积累、氮素等养分的有效水平，并与土壤的理化性质、生物产量等有密切关系[26，27]。研究发现，C/N为 25∶1～30∶1，有机质积累，但是氮素水平受限；当C/N为15～25∶1，则有利于有机质的转化，还利于氮素的供应[28]。本研究中，林草地土壤C/N为22.21～38.62，12个月中只有3个月份超过30.0，有11个月超过25.0；梯田C/N为12.67～22.23，12个月中有 3个月份低于15.0。李春燕在金平县哈尼梯田的研究结果发现梯田的C/N均值为16.08。说明哈尼梯田比森林区拥有更优的C/N，有利于有机质的积累与氮素的供应。但哈尼梯田土壤C/N值高于浙江主要水稻土土壤（平均为 10.13，主要在 8～11）[29]，主要是哈尼梯田泡水时间更长，有利于有机质的形成与积累，使得土壤有机碳含量普遍较高。总体上各月份C/N的高低与氮素含量的高低呈相反的趋势，但通过回归分析，C/N与土壤有机碳的回归方程R2=0.809，与土壤全氮的回归方程R2=0.148，且C/N与有机碳和全氮均显著相关，说明C/N的大小受土壤有机碳的影响更大。

4 结论

哈尼梯田系统的土壤有机碳含量均值为50.69 g/kg，林草地为 66.06 g/kg，梯田为 37.72 g/kg；全氮含量研究区均值为2.31 g/kg，林草地为2.37 g/kg，梯田为2.25 g/kg。有机碳和全氮在时间和空间上都是中等变异为主，在时间上的差异不显著，空间上差异显著，空间上的差异在梯田内最为显著。林草地的土壤有机碳和全氮均是高于梯田，农田比林草地土壤更有利于氮素的释放和供应，梯田内在8月—10月份农田氮素含量下降，C/N升高，需要及时补充氮素。