不同土地利用方式下土壤生态化学计量特征

2024-03-01李文昭周美姣樊磊磊刘义富

遵义师范学院学报 2024年1期

颜雄，李文昭，周美姣，樊磊磊，刘丹，刘义富，余展

（1.遵义师范学院 a.资源与环境学院，b.生物与农业科技学院，贵州遵义 563006；2.湖南农业大学资源学院，湖南长沙 410128）

生态化学计量学主要被用来研究能量和元素在生态系统中的平衡，它与生态学和生物化学计量学有密切的联系，并对生态系统的调节有指导作用[1]。土地利用方式是人类在土地上进行多种生产活动的综合体现，水肥和栽培管理会受到土地利用方式的影响，从而影响肥料、未分解的死亡动植物组织及一些分解产物、土壤微生物的数量和性质，导致土壤中C、N、P 元素在有机物转化为无机物、运送和吸取利用等环节上明显不同[2-4]。水稻是我国的主要粮食作物，我国60%以上的人口以稻米为主食[5]。玉米近年来在农业中占有重要地位，近半个世纪以来的统计数据证明，玉米已成为我国重要的粮食、饲料和工业原料作物[6]。

本研究以连续五年分别种植水稻（水田）和玉米（旱地）的土壤为处理，以连续五年撂荒的荒地土壤为对照，对土壤C、N、P的生态化学计量特性进行分析，结果可为不同利用方式对土壤生态系统的影响和土地合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样地概况

采样地为贵州省遵义市余庆县敖溪镇，水田采样地理坐标（107°40'14"E，27°33'35"N）、旱地采样地理坐标（107°43'14"E，27°36'35"N）、荒地采样地理坐标（107°42'14"E，北纬27°38'35"N）。区内地势东高西低，南北缓坡。地形以山地丘陵为主，少量平坝交替分布。属于亚热带季风气候，全年的平均温度15℃，平均降雨量1200mm。年平均光照长度1100h，年积温5000℃，年平均无霜期占全年的82.1%。

1.2 土壤样品采集

选取遵义市余庆县敖溪镇水田和旱地两种土地利用方式的土壤进行研究，并以荒地作为对照，在每个试验点选择三个取样点，共收集九个土壤样品。土壤取样采用五点法，在每个取样点挖取土壤样品的深度均为0-20cm，将采得样品彻底混合均匀。用四分法取出1kg 土样，然后放入采样袋里并贴上标签带回实验室，风干、研磨和过筛以获得土壤样品，用于测定土壤肥力参数。

1.3 试验方法

1.3.1 研究指标及测定方法

根据《土壤农化分析》[7]的测定方法，土壤中有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）的测定分析方法如表1。

表1 土壤养分测定分析方法

1.3.2 土壤肥力指标分级标准

根据第二次全国土壤普查标准[8]，对土壤肥力指标的分级标准如表2 所示。

表2 全国第二次土壤养分分级标准

1.3.3 数据处理

使用MicrosoftExcel2021、SPSS26 对土壤C、N、P 及其生态化学计量比数据进行统计与显著性水平分析；使用Origin2022 作图；对土壤C、N、P 含量及其比值之间进行皮尔逊(Pearson)线性相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤C、N、P 含量特征

2.1.1 不同土地利用方式下土壤有机碳(SOC)含量特征

三种不同利用方式土壤的有机碳(SOC)含量范围为14.70～109.97g·kg-1，其中荒地土壤的SOC 含量相对最低，均值为14.70g·kg-1，处于三级（高）水平，旱地土壤SOC 的含量平均值为25.21g·kg-1，是荒地的1.72 倍，水田土壤SOC 含量最高，均值达到107.97g·kg-1，分别是旱地的4.28 倍和荒地的7.34 倍。水田和旱地土壤SOC 含量极高，处于一级水平。总体来看，三种不同土壤类型的有机碳含量均比较高。根据图1 可知，三种荒地、旱地和水田土壤的有机碳含量存在显著性差异。水田有机碳含量较高，是由于水稻土处于淹水环境中的时间较长，水稻土长期处于还原状态，有利于土壤有机碳的积累，不利于分解，因此水田有机碳含量较高[9]。荒地以自然植被为主来恢复土壤肥力，但在短期内，荒地有机碳含量比水稻和旱地土壤少，因为它们接受的外部有机物较少，从而使有机碳含量较低[10]。

图1 不同土地利用方式下土壤SOC 含量特征

2.1.2 不同土地利用方式下土壤全氮(TN)含量特征

三种土壤的全氮(TN)含量范围是1.31～2.38g·kg-1。荒地TN 的平均值为1.39g·kg-1，比旱地土壤略高；最低的是旱地TN 的含量，其平均值为1.31g·kg-1，两者均属于三级（高）水平。水田TN 含量的均值是2.38g·kg-1，是三种土壤中最高的，处于二级（很高）的水平，分别是旱地的1.82 倍和荒地的1.71 倍。由图2 可知，水田土壤TN 含量与旱地、荒地呈显著性差异。而荒地和旱地土壤的TN 含量虽有差别，但没有显著性差异。总体而言，荒地、旱地和水田土壤的全氮含量均较高。水稻土全氮含量最高，这可能与水田土壤中有大量的有机碳存在有关，并且微生物分解有机质形成了氮素，化肥的大量施用使水田有较高的TN 含量。旱地与荒地土壤全氮含量差异性不显著，这可能是因为荒地撂荒后植被逐渐恢复，植被的逐渐恢复将对增加土壤中的TN含量产生重大影响，但由于植被生长时间不长，其生产力和地表枯落物有限，因此尚未达到显著水平。

图2 不同土地利用方式下土壤TN 含量特征

2.1.3 不同土地利用方式下土壤全磷(TP)含量特征

这三种土壤的TP 含量在0.25～0.72g·kg-1之间。荒地土壤作为对照，其TP 含量的均值为0.65g·kg-1，比水田土壤高，是其2.60 倍。TP 含量最高的为旱地土壤，均值为0.72g·kg-1，分别是水田的2.88 倍和荒地的1.11 倍；最低的是水田土壤，均值仅为0.25g·kg-1。按照表2的分级标准，旱地和荒地土壤处于三级（高）水平，而水田处于五级（低）水平。总体来说，水田土壤比较缺乏磷，旱地和荒地土壤磷含量均较高。由图3 可知，荒地、旱地、水田之间的土壤全磷含量差异均达到显著水平。土壤中全磷的含量受到多种要素的影响，主要是受土壤母质的特性、土壤形成的过程以及气候条件的影响[11]。旱地土壤全磷含量比水田高，是由于水稻土中的磷移动性更强，流失率更大。

图3 不同土地利用方式下土壤TP 含量特征

2.2 不同土地利用方式下土壤生态化学计量比特征

2.2.1 不同土地利用方式下土壤C/N 特征

土壤C/N 值随不同的土地利用方式而变化，其C/N在10.59～42.24 范围内变化。由图4 可知，荒地、旱地、水田之间的土壤C/N 均存在显著性差异。其中土壤C/N 最低的是荒地土壤，其均值为10.59，低于我国陆地土壤C/N 平均值(12.30)。其次是旱地土壤，C/N的均值为19.31，是荒地的1.82 倍，高于我国陆地土壤C/N 平均值(12.30)[12]。最高的为水田土壤，C/N 值为42.24，高于我国陆地土壤C/N 平均值(12.30)，其C/N 分别是旱地的2.19 倍和荒地的3.99倍。土壤C/N 在人为干扰后往往会增加，而未受干扰的土壤C/N 相对较低[13]，且当C/N 大于25 时，土壤有机碳含量相对较高，有机质处于积累的过程。

图4 不同土地利用方式下土壤C/N 特征

2.2.2 不同土地利用方式下土壤C/P 特征

不同土地利用方式下C/P 的范围在22.56 ～402.53，荒地土壤C/P的均值最小为22.56，低于我国陆地土壤C/P 平均值(52.70)[12]。其次是旱地土壤，其C/P 的均值为34.81，是荒地土壤的1.54 倍，也低于我国陆地土壤C/P 平均值(52.70)。C/P 均值最高的为水田土壤，均值为402.53，是旱地的11.56 倍和荒地的17.84 倍，远高于我国陆地土壤C/P 平均值(52.70)。根据图5 可得，水田土壤的C/P 与旱地、荒地均存在显著性差异，但旱地与荒地土壤之间没有显著性差异。土壤C/P 值可以作为判断磷的有效性，土壤C/P 比值越低，表示土壤磷的有效性越高。水田土壤的C/P 很高，这表明水田土地利用方式中有机质分解速率低，磷的有机养分转化低，磷的有效性不高，有机质被微生物分解时会容易受磷局限[14]。

图5 不同土地利用方式下土壤C/P 特征

2.2.3 不同土地利用方式下土壤N/P 特征

不同利用方式下N/P 的范围在1.81 ～9.52，其中荒地土壤的N/P 均值为2.13，是旱地土壤的1.73倍，低于我国陆地土壤N/P 平均值(3.90)[12]。N/P 均值最高的为水田土壤，均值为9.52，分别是旱地的5.25 倍和荒地的4.78 倍，高于我国陆地土壤N/P 平均值(3.90)。N/P 均值最小的是旱地土壤其均值为1.81，低于我国陆地土壤N/P 平均值(3.90)。根据图6 可知，水田土壤的N/P 与旱地、荒地之间有显著差异性，而旱地与荒地土壤二者差异性不显著。水田土壤的N/P 高则表明水田土壤氮素比较充足，土壤磷素的矿化能力较弱。旱地土壤与荒地土壤N/P 较低则说明研究区内土壤磷矿化作用较强，呈氮限制状态[15]。

图6 不同土地利用方式下土壤N/P 特征

综上所述，水稻土的有机碳（SOC）、全氮（TN）、C/N、C/P 和N/P 含量高于旱地和荒地，而TP 则相反。其中，水稻土的SOC 和TN 含量远高于其他土地利用类型。土壤的C、N、P 含量和生态化学计量在不同土地利用途径中存在差异。

2.3 不同土地利用方式下土壤研究指标的相关性

土壤C、N、P 及生态化学计量特征受多种因素影响，它是人为扰动与生态系统自我调节相互作用的综合反映。通过相关性分析探讨全量养分对生态化学计量比的影响因素。由表3 可得：养分全量之间SOC 和TN 之间有极显著的正相关关系，相关系数为0.975，这是由于土壤中SOC和TN的变化趋势基本保持一致；TP与SOC、TN之间存在极显著的负相关关系，是因为含有大量有机质的土壤往往对磷的固定效果较差[16]。有机质较多的土壤，固磷作用较弱，土壤全磷含量偏低。养分全量和生态化学计量比之间的相关性分析可知，C/N和C/P、N/P均呈现极显著正相关关系，N/P与C/P、C/N与N/P均呈现极显著正相关关系；SOC 与N/P，TN 与C/P 均呈现极显著正相关关系；TP 与C/N 呈极显著负相关关系。