紫色土区典型土地利用方式下土壤碳、 氮、 磷生态化学计量特征分析

梁珂， 何丙辉

西南大学 资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室， 重庆 400715

土壤碳(C)、 氮(N)、 磷(P)是植物生长所必需的营养元素， 在生态系统的演替过程中起重要作用[1]． 土地利用是影响土壤C，N，P循环最主要的因素之一[2]． 不同土地利用方式下植被类型、 养分输入、 管理措施、 侵蚀强度及理化性质等不同， 显著改变了土壤环境， 进而导致土壤C，N，P质量分数及其生态化学计量比发生改变[3-6]． 土壤C，N，P生态化学计量影响着植物初级生产力、 微生物活动、 土壤质量等， 是全球生物化学平衡与循环的关键因素[7-9]． 因此， 研究不同土地利用下土壤C，N，P的生态计量特征对揭示土壤C，N，P有效性及其平衡与循环机制具有重大意义[10]．

紫色土是四川盆地一种典型的土壤类型， 其矿质养分丰富， 肥力较高， 农业利用价值很高． 然而， 由于降雨丰富， 农业生产活动频繁， 垦殖率高， 紫色土区的水土流失较为严重[11]． 近年来， 为取得较好的水土保持效益， 紫色土部分区域实施了耕地转林地、 园地等水土流失治理措施[12-13]． 这些措施改变了土地利用方式， 导致土壤C，N，P质量分数及生态化学计量比发生变化， 但其变化程度和量级尚未量化[14-15]． 鉴于此， 本研究通过对比分析同一紫色土区坡面3种不同土地利用方式(耕地、 园地、 林地)下土壤C，N，P质量分数及其生态化学计量比差异， 揭示不同土地利用方式对土壤生态化学计量变化的影响特征， 为区域土地的合理利用及生态恢复重建提供科学指导．

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究地点位于重庆市忠县石宝寨石盘丘小流域(108°10′25″E， 30°24′53″N)， 其地势南低北高， 海拔119～780 m． 该区域气候为典型湿润季风气候， 年均降雨量1 100 mm， 年均气温为18.5 ℃． 该小流域总面积约0.44 km2， 土壤以中性紫色土和水稻土为主， 主要土地利用方式为耕地(35.46%)、 林地(28.17%)、 园地(13.78%)． 耕地主要为玉米、 油菜轮作， 每年施尿素 250～350 kg/hm2和标准复混肥300～600 kg/hm2； 园地树种为柑橘， 每年施标准复混肥500～900 kg/hm2； 林地树种主要以马尾松为主， 夹杂柏木、 栎属和杉木等， 无施肥．

1.2 样品采集与分析

2019年5月分别在3种土地利用方式的(耕地、 园地、 林地)坡顶、 坡中、 坡脚各选择3个代表性样地， 每个样地面积为10 m×10 m． 按“S”型布设7个采样点， 各点均采集0～5，5～10，10～15，15～20 cm土层样品， 并将相同土层7个采样点的土壤均匀混合后， 用四分法收集1 kg混合土样， 装入塑料袋编号后带回实验室备用． 同时， 各土层7个采样点均用铝盒和环刀采样， 密封后带回实验室测定土壤含水率(SMC)和容质量(BD)．

实验室内， 将混合土样自然风干后去除砾石、 植物等杂物， 研磨过筛(1.0 mm)， 分成2 份． 一份用于测定土壤pH值、 电导率(EC)和阳离子交换量(CEC)， 另一份进一步筛分(0.25 mm)后用于测定土壤有机碳(C)、 全氮(N)和全磷(P)质量分数． 各指标的具体测定方法为： C采用重铬酸钾外加热法， N采用半微量开氏蒸馏法， P采用钼蓝比色法． 土壤含水率(SMC)采用烘干法， 土壤容质量(BD)采用环刀法， pH值采用电位法， 土壤EC，CEC分别采用电导法、 醋酸铵法[16]．

1.3 数据处理

采用SPSS 18.0软件进行数据处理和分析． 采用单因素方差(One-way ANOVA)和Turkey法比较不同土地利用方式间及相同土地利用方式各土层间土壤C，N，P质量分数及化学计量比的差异性． 采用Pearson系数表征C，N，P质量分数及生态化学计量比与其他土壤性质(SWC，BD，pH值，EC，CEC)之间的相关性． 显著性水平为：p<0.05为差异有统计学意义，p<0.01为差异极有统计学意义． 采用Originlab 2018绘图． 本研究中土壤C，N，P的生态化学计量比均为摩尔比．

2 结果与分析

2.1 土壤C，N，P质量分数

如图1所示， 0～5 cm土层中， 园地C质量分数与林地、 耕地差异无统计学意义(p>0.05)， 而林地C质量分数显著高于耕地(p<0.05)； 5～10，10～15，15～20 cm土层中， 不同土地利用之间C质量分数差异均无统计学意义(p>0.05)． 0～5 cm土层中， 林地N质量分数与园地、 耕地差异无统计学意义(p>0.05)， 但园地N质量分数显著高于耕地(p<0.05)； 5～10，10～15，15～20 cm土层中， 各土地利用之间N质量分数差异均无统计学意义(p>0.05)． 0～5，5～10，10～15土层中， 园地P质量分数显著高于林地、 耕地(p<0.05)， 而林地与耕地差异无统计学意义(p>0.05)； 15～20 cm土层中， 各土地利用之间P质量分数差异均有统计学意义(p<0.05)， 从大到小依次为： 园地(0.83 g/kg)、 林地(0.62 g/kg)、 耕地(0.39 g/kg)．

不同小写字母表示相同土层不同土地利用方式差异有统计学意义(p<0.05)， 不同大写字母表示相同土地利用方式不同土层差异有统计学意义(p<0.05)， 下同．

林地中， 0～5 cm土层C质量分数显著高于其他土层(p<0.05)， 其他土层间C质量分数差异无统计学意义(p>0.05)； 0～5 cm 土层N质量分数显著高于其他土层， 且5～10 cm 土层N 质量分数也显著高于15～20 cm土层(p<0.05)； 各土层间P质量分数差异无统计学意义(p>0.05)． 在园地、 耕地中， 0～5 cm土层的C，N，P质量分数均显著高于其他土层(p<0.05)， 而5～10，10～15，15～20 cm土层之间差异均无统计学意义(p>0.05)．

2.2 土壤C，N，P生态化学计量比

如图2所示， 0～5 cm土层中， 耕地C∶N与林地、 园地差异无统计学意义(p>0.05)， 而林地C∶N显著高于园地(p<0.05)； 5～10，10～15，15～20 cm土层中， 不同土地利用方式之间C∶N差异无统计学意义(p>0.05)． 0～5 cm土层中， 林地C∶P显著高于园地、 耕地(p>0.05)， 而园地与耕地差异无统计学意义(p>0.05)； 5～10，10～15 cm土层中， 园地C∶P显著低于林地、 耕地(p>0.05)， 而林地与耕地差异无统计学意义(p>0.05)； 15～20 cm土层中， 耕地C∶P显著高于林地、 园地(p>0.05)， 而林地与园地差异无统计学意义(p>0.05)． 0～5 cm土层中， 林地N∶P显著高于园地、 耕地(p>0.05)， 而园地与耕地差异无统计学意义(p>0.05)； 5～10，10～15 cm土层中， 园地N∶P显著低于林地、 耕地(p>0.05)， 而林地和耕地差异无统计学意义(p>0.05)； 15～20 cm土层中， 耕地N∶P显著高于林地、 园地(p>0.05)， 而林地与园地差异无统计学意义(p>0.05)．

图2 不同土地利用方式各土层C，N，P生态化学计量比

林地中， 0～5 cm土层C∶N，C∶P，N∶P显著高于其他土层(p>0.05)， 其他土层间C∶N，C∶P，N∶P差异无统计学意义(p>0.05)． 在园地、 耕地中， 各土层之间C∶N，C∶P，N∶P差异均无统计学意义(p>0.05)．

2.3 其他土壤性质

如图3所示， 在所有土层中， 林地BD均显著大于园地、 耕地(p<0.05)， 园地与耕地差异无统计学意义(p>0.05)； 不同土地利用方式间pH值、SMC差异均无统计学意义(p>0.05)； 园地EC显著高于林地、 耕地(p<0.05)， 林地与耕地差异无统计学意义(p>0.05)； 不同土地利用方式间CEC差异有统计学意义(p<0.05)．

图3 不同土地利用方式各土层选择的其他土壤性质

同一土地利用方式中， BD， pH值随土层递增，SMC，EC随土层加深递减． 在林地、 园地、 耕地中， 15～20 cm土层BD显著大于0～5 cm土层(p<0.05)； 各土层之间pH值，SMC，EC，CEC差异均无统计学意义(p>0.05)．

2.4 土壤C，N，P生态化学计量比与土壤各因子的相关性

由表1可看出， 土壤C，N质量分数与BD，pH值呈极显著负相关(p<0.01)， 与SMC呈极显著正相关(p<0.01)， N质量分数与CEC呈显著正相关(p<0.05)； 土壤P质量分数与EC，CEC呈极显著正相关(p<0.01)， C∶N与CEC呈显著负相关(p<0.05)； C∶P，N∶P与EC，CEC均呈极显著负相关(p<0.01)．

表1 土壤C，N，P质量分数及其生态计量比与选择的其他土壤性质的相关性

3 讨论

3.1 不同土地利用方式下土壤C，N，P质量分数特征

本研究结果表明， 林地与园地C，N质量分数总体上高于耕地， 这与罗由林等[17]研究结果相似． 施肥增加了耕地和园地中土壤C，N输入量， 但耕地植被覆盖远低于园地， 农业翻耕等活动频繁， 破坏了土壤团粒体结构， 促进土壤有机质矿化和土壤侵蚀， 导致了C，N元素大量流失[4，15，18]． 此外， 与耕地相比， 林地、 园地内的植被枯枝落叶能有效增加表层土壤C，N质量分数， 加之浅层根系发达， 土壤结构良好， 有利于土壤C，N固存[19]． 在本研究中， 园地土壤P质量分数显著高于林地、 耕地． 这可能是因为一方面园地施肥增加了外源P肥输入， 另一方面， 相比耕地， 园地水土流失程度较轻， 减少了土壤P流失．

各土地利用方式下， 土壤C，N质量分数随土层深度增加而递减， 表层土壤C，N质量分数(0～5 cm)显著高于其他土层， 这与杜映妮等[20]的研究结果相似． 这可能是因为表层土壤易受外界环境因素的影响， 植物的枯枝落叶及施肥均为表层土壤提供了充足的C，N源， 呈现出表聚性[21]． 水分垂直运动可使C，N向下层迁移， 但在迁移过程中， 其扩散能力随土层深度增加而递减， 使得下层土壤C，N质量分数增加不明显[22]． 土壤P在耕地和园地中同土壤C，N一样呈表聚性， 而在林地15～20 cm土层中最高． 这可能是因为不同土地利用方式下土壤P的主要来源不同． 在耕地、 果园等土壤中， 因长期施肥导致了土壤P呈现表聚性， 而林地土壤P主要来源于土壤母质风化产物， 因此林地15～20 cm土层P质量分数最高[23-24]．

3.2 不同土地利用方式下土壤C，N，P生态化学计量比特征

本研究中， 土壤C∶N值从大到小依次为： 耕地(11.33)、 林地(10.72)、 园地(9.90)， 土壤C∶P值从大到小依次为： 林地(49.94)、 耕地(40.82)、 园地(20.02)， 土壤N∶P值从大到小依次为： 林地(4.48)、 耕地(3.54)、 园地(2.05)， 表明土地利用方式可导致C，N，P生态化学计量变化， 这与王维奇等[25]的研究结果相似． 这可能是因为各土地利用方式下土壤C，N，P的积累与流失机制不同． 一方面， 与施肥增加耕地C，N，P输入量相比， 林地通过植被反馈积累C，N，P元素， 而园地则通过施肥及植被反馈共同积累， 不同的输入方式可使土壤C，N，P质量分数呈不同比例增加， 而改变它们的生态化学计量比． 另一方面， 耕地与林地、 园地相比， 水土流失更严重[15]； 此外， 土壤C，P主要以颗粒态流失， N主要以溶解态流失[26]， 土壤C，N，P不同的流失形态使得土壤C，N，P在不同侵蚀强度下流失比率会不一样， 这也使得3种土地利用方式下土壤生态化学计量比产生差异． 因此， 导致在3种土地利用方式下耕地土壤C∶N高于林地、 园地， 林地土壤C∶P，N∶P高于耕地． 本研究中， 耕地C∶P，N∶P均大于园地， 这可能是因为园地土壤P质量分数较高， 且能够更好地固存外源输入性P肥， 使得园地C∶P，N∶P较低． 不同土地利用方式下， 各土层之间C∶N，C∶P，N∶P差异均无统计学意义， 表明各土层间C，N，P的比例变化不大， 这与Li等[27]的研究结果相似．

土壤C，N，P生态化学计量比是衡量C，N，P元素平衡与循环， 判断土壤有机物组成及矿化、 累积程度的重要指标[1]． 研究区各土地利用方式土壤平均的C∶N(10.63)，C∶P(36.08)及N∶P(3.32)均低于中国土壤平均值(分别为13.9，154.9，11.3)[28]及全球土壤平均值(分别为14.3，186.0，13.1)[29]， 表明N为该区域土壤限制元素， 这与Li等[27]结果相似． 这可能是因为相比于C和P， N更易随径流发生淋溶和横向迁移流失． 降雨径流通常优先搬运土壤中N、 极少的可溶性C和P、 较轻的植物残体和凋落物， 而泥沙开始迁移时， 土壤C，P才随泥沙开始大量流失[15，30]．

3.3 不同土地利用方式下土壤C，N，P质量分数及生态化学计量比的影响因素

土壤BD，pH值与土壤C，N质量分数皆呈极显著负相关， 这与张晗等[31]研究结果一致． 土壤BD反映土壤疏松程度，BD小， 土壤下渗及蓄水能力强， 有利于植物生长和土壤养分积累[32]． pH值显著影响土壤微生物及酶的活性进而影响土壤C，N固定和积累能力； pH值减小时， 微生物及酶分解活动减弱， 有利于土壤C，N贮存[33]． 土壤SMC与土壤C，N质量分数呈极显著正相关， 这与丁小慧等[34]的研究结果一致． 土壤SMC与土壤养分循环、 微生物活动、 植物光合生理过程密切相关[35-36]； 较高的土壤SMC厌氧细菌反硝化作用增强， 矿化速率降低， 固氮能力增强， 有利于C，N矿化积累[37]． 土壤EC，CEC与土壤P质量分数呈极显著正相关， 与土壤C∶P，N∶P呈极显著负相关， 这与宋佳龄等[38]研究结果相似． 土壤EC与含盐量呈显著相关关系， 常用来表示含盐量的高低[39]． 本研究中EC对土壤P的固定有促进作用． 酸性紫色土土壤P固定主要通过铝、 铁离子[40]，CEC一定程度上可以代表土壤的固P能力． 当CEC增大时， 紫色土中铝、 铁离子增多， 对磷酸根离子的吸附增强， 土壤固P能力变强[38，41]．

4 结论

土地利用方式显著影响土壤C，N，P质量分数及其生态计量比． 由于林地、 园地和耕地3种土地利用方式C，N，P的积累与流失机制差异， 耕地土壤C，N，P质量分数最低， 但其C∶N相对最大， 而C∶P，N∶P低于林地， 高于园地． 各土地利用方式下C，N质量分数和耕地、 园地P质量分数均为0～5 cm土层最高， 而林地P质量分数15～20 cm土层最高(p<0.05)； 各土层间C∶N，C∶P，N∶P差异也无统计学意义(p>0.05)． 土壤C，N质量分数与土壤BD，pH值及SMC相关性有统计学意义(p<0.05)， 土壤P质量分数，C∶P，N∶P则与EC，CEC相关性有统计学意义(p<0.05)． 研究区各土地利用方式下土壤的N∶P均值小于中国及世界土壤的平均值， 表明N为该区土壤限制性营养元素．