長汀縣紅壤侵蝕區(qū)土壤生態(tài)化學計量學特征

張巧穎, 陳志強, 陳志彪, 陳海濱

(福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350108)

長汀縣紅壤侵蝕區(qū)土壤生態(tài)化學計量學特征

張巧穎, 陳志強*, 陳志彪, 陳海濱

(福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350108)

土壤碳氮磷生態(tài)化學計量比可以很好地體現(xiàn)土壤肥力特征和微生物生命活動特征.福建省長汀縣朱溪小流域是我國南方紅壤侵蝕區(qū)的典型代表，通過對朱溪小流域土壤碳、氮和磷養(yǎng)分的數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)朱溪小流域侵蝕區(qū)的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)變化范圍為0.29～67.38 g/kg,平均值(±標準偏差)為(22.40±17.28) g/kg,低于全國平均水平.不同樣地之間有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)差異較大;氮的變化范圍為0.04～1.30 g/kg,平均值(±標準偏差)為(0.42±0.34) g/kg;磷的變化范圍為0.04～0.80 g/kg,平均值(±標準偏差)為(0.24±0.23) g/kg.計算土壤生態(tài)化學計量比,發(fā)現(xiàn)侵蝕區(qū)土壤C/N、C/P和N/P的變化范圍分別為3.31～91.80、1.65～248.23和0.31～6.06;平均值(±標準偏差)分別為(34.94±13.17)、(69.60±52.06)和(2.02±1.30).

生態(tài)化學計量學; 紅壤侵蝕區(qū); 長汀縣

生態(tài)化學計量學是生物學、生態(tài)學和分析化學的交叉學科,是研究生態(tài)系統(tǒng)中能量和化學元素間平衡的一門學科[1].氮和磷是生物生長的限制性養(yǎng)分,碳是結(jié)構(gòu)物質(zhì),三者密切相關(guān),因此,關(guān)于碳(C)、氮(N)、磷(P)的生態(tài)化學計量學是研究重點[2].作為研究生態(tài)學的一種新工具,生態(tài)化學計量學越來越受到相關(guān)研究者的關(guān)注.許多學者運用生態(tài)化學計量學的原理和方法,研究了海洋、草原、森林、濕地等生態(tài)系統(tǒng)及其植物個體(葉片、凋零物等)碳、氮、磷化學計量學特征[3].從生態(tài)化學計量學提出至今20多年,生態(tài)學家從分子、細胞、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)等不同尺度對生態(tài)化學計量學展開研究,結(jié)果表明,不僅群落結(jié)構(gòu)與動態(tài)、物種共生、營養(yǎng)級動態(tài)、生物的養(yǎng)分限制受生態(tài)化學計量學的影響,生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)、供求平衡和全球生物地球化學循環(huán)等關(guān)系也受生態(tài)化學計量學的制約[4].

土壤養(yǎng)分是土壤肥力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤肥力是可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),調(diào)節(jié)土壤發(fā)育過程,是可持續(xù)農(nóng)業(yè)朝著高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)發(fā)展的根本措施[5].我國南方丘陵紅壤區(qū),水熱資源豐富,生產(chǎn)潛力巨大,但是由于長期對土地資源的不合理利用,整個地區(qū)生態(tài)與環(huán)境遭到破壞,土壤退化和水土流失問題嚴重,導(dǎo)致土壤肥力與生產(chǎn)力下降[6].朱溪小流域是福建省水土流失最嚴重的地區(qū),雖然經(jīng)過數(shù)十年的治理,土壤肥力狀況有一定的改善,但土壤肥力總體上還是處于偏差的狀態(tài).本文從生態(tài)化學計量學角度,通過計算碳、氮和磷元素間的生態(tài)化學計量比,以期對該區(qū)的土壤肥力有更全面的認識,為改良該區(qū)的土壤提供有效的技術(shù)措施.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1研究區(qū)概況朱溪小流域位于25°18′40″～26°02′05″N,116°00′45″～116°39′20″E,地處福建省西南部.流域氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L性濕潤氣候,多年平均氣溫為18.3 ℃,年降水量為1 700～2 000 mm;地貌以低山丘陵為主;山地土壤主要為燕山晚期黑云母花崗巖在長期濕熱氣候條件下風化發(fā)育而成的紅壤、侵蝕紅壤,節(jié)理發(fā)育,極其松軟,抗侵蝕性差,酸性強,保水保肥能力低[7].朱溪小流域是我國南方紅壤侵蝕區(qū)的典型代表.經(jīng)過多年治理,水土流失問題有所改善,但土壤肥力恢復(fù)程度不高,肥力恢復(fù)滯后于物理性質(zhì)的恢復(fù)[8],朱溪小流域仍屬福建省水土流失最嚴重的地區(qū).由于長期人為破壞,原始植被幾乎全部為次生林所代替[9].

1.2數(shù)據(jù)源為了使采集的土壤樣品具有典型性,能夠代表研究區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況,本研究根據(jù)研究區(qū)的實際情況,根據(jù)地形圖方里網(wǎng)交叉點進行布點,并根據(jù)土地利用類型適當加密.土壤野外采樣過程中,利用手持GPS準確定位,共采集土壤樣本96個,其中,微度侵蝕區(qū)39個,輕度侵蝕區(qū)44個,中度侵蝕區(qū)13個.將采集的土壤樣品帶回室內(nèi)實驗室,進行土壤理化性質(zhì)的測定,包括有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、pH、容重、含水率等.有機質(zhì)的測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法,全氮采用開氏消煮法,全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法,容重采用環(huán)刀法,pH采用1∶2.5水浸-電位法,土壤含水率用烘干法.在此基礎(chǔ)上再計算出C/N、C/P、N/P的值,如表1和表2.統(tǒng)計分析應(yīng)用SPSS 19.0軟件進行,所有數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,統(tǒng)計檢驗的顯著水平以P≤0.05為基準.

表 1 研究區(qū)土壤碳氮磷及碳氮磷比

表 2 不同侵蝕程度土壤碳氮磷及碳氮磷比平均值

2 結(jié)果分析

2.1紅壤侵蝕區(qū)碳氮磷含量特征朱溪小流域土壤侵蝕嚴重,土壤平均有機碳質(zhì)量分數(shù)為(12.99±10.03) g/kg,有機碳中值為9.34 g/kg,說明有機碳多集中于平均值以下.微度、輕度、中度侵蝕區(qū)土壤有機碳平均質(zhì)量分數(shù)分別為(17.75±9.88)、(9.60±8.84)和(4.74±2.61) g/kg.侵蝕區(qū)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)微度(P=0.132)>輕度(P=0.124)>中度(P=0.038).

研究區(qū)土壤全氮平均值為(0.42±0.34) g/kg,全氮中值為0.34 g/kg,說明與土壤有機碳一樣,研究區(qū)土壤全氮多處于平均值以下.微度、輕度、中度侵蝕區(qū)土壤全氮平均值分別為(0.55±0.27) 、(0.27±0.23)和(0.11±0.06) g/kg.侵蝕區(qū)土壤全氮微度(P=0.049)>輕度(P=0.063)>中度(P=0.006).

研究區(qū)土壤全磷平均值為(0.24±0.23) g/kg,全磷量中值為0.15 g/kg,說明土壤全磷也多處于平均值以下.微度、輕度、中度侵蝕區(qū)土壤全磷平均值分別為(0.28±0.22)、(0.13±0.06)和(0.12±0.05) g/kg.侵蝕區(qū)土壤全磷量微度(P=0.00)>輕度(P=0.061)>中度(P=0.905).

有機碳、全氮、全磷的變異系數(shù)分別為0.77、0.80和0.93,變異程度較明顯.利用SPSS單因素方差分析,土壤碳與氮元素呈極顯著正相關(guān)(P=0.00<0.01).土壤侵蝕程度與土壤有機碳(P=0.00)、全氮(P=0.00)呈極顯著正相關(guān).根據(jù)表3,土壤容重與土壤碳、氮含量呈顯著正相關(guān),pH、含水率與土壤碳、氮、磷都呈顯著正相關(guān).

表 3 土壤容重、pH、含水率與土壤碳、氮、磷、C/N、C/P、N/P的相關(guān)性

2.2紅壤侵蝕區(qū)碳氮磷化學計量學特征研究區(qū)土壤C/N平均值為(34.94±13.17),對不同侵蝕程度的土壤C/N數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到,微度、輕度、中度侵蝕C/N值分別為(32.94±10.71)、(38.58±13.05)和(45.36±16.23).研究區(qū)土壤C/N中度(P=0.305)>輕度(P=0.00)>微度(P=0.00).

研究區(qū)土壤C/P平均值為(69.60±52.06).微度、輕度、中度侵蝕區(qū)土壤C/P值分別為(91.86±62.81)、(72.25±44.51)和(46.99±37.96).研究區(qū)土壤C/P微度(P=0.001)>輕度(P=0.020)>中度(P=0.025).

研究區(qū)土壤N/P平均值為(2.02±1.30).微度、輕度、中度侵蝕區(qū)土壤N/P值分別為(2.64±1.42)、(1.99±1.19)和(1.12±0.95).研究區(qū)土壤N/P微度(P=0.006)>輕度(P=0.012)>中度(P=0.016).

土壤C/N、C/P、N/P的變異系數(shù)分別為0.38、0.75和0.65,土壤C/N變異程度較不明顯.土壤侵蝕程度與土壤C/N、N/P都呈極顯著正相關(guān)(P=0.007,P=0.00);土壤C含量與C/N呈顯著相關(guān)(P=0.021),與N/P呈極顯著正相關(guān)(P=0.00);土壤N、P含量與C/N呈極顯著正相關(guān)(P=0.006,P=0.00);土壤N含量與N/P呈極顯著正相關(guān)(P=0.00).根據(jù)表3,土壤容重與土壤C/P、N/P呈極顯著正相關(guān),土壤pH與土壤C/N呈極顯著正相關(guān),土壤含水率與土壤C/N呈顯著正相關(guān).

3 討論

3.1土壤碳氮磷分析研究區(qū)土壤C、N、P質(zhì)量分數(shù)平均值較低.根據(jù)全國第二次土壤普查分級標準,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)屬三級水平(30～40 g/kg),全氮質(zhì)量分數(shù)屬六級極貧乏水平(小于0.5 g/kg),全磷質(zhì)量分數(shù)屬六級極貧乏水平(小于0.4 g/kg).侵蝕越嚴重,土壤碳氮磷質(zhì)量分數(shù)越低.長汀縣是福建省水土流失最嚴重的地區(qū),水土流失帶走土壤表層的C、N、P,水土流失越嚴重,養(yǎng)分流失也越嚴重.土壤C、N、P質(zhì)量分數(shù)變異程度都比較明顯,P的變異系數(shù)達到0.93,主要是因為全磷受施肥措施影響,且磷素在土壤中移動性較小,受控土壤磷素的收支狀況[5],所以P的變異系數(shù)達到0.93.

3.2土壤碳氮磷比分析

3.2.1土壤碳氮比 C/N可作為估算土壤氮儲量的一個數(shù)值.由于土壤微生物在生命活動過程中,需要碳素做能量,同時也需要氮素來構(gòu)成自己的身體,有機物C/N比值越高,分解速率也就越慢,這是因為微生物得不到足夠的氮素來構(gòu)成其軀體,從而影響其繁殖速度[10].研究區(qū)土壤C/N平均值為34.94,我國土壤C/N平均值在10～12之間[11].侵蝕區(qū)土壤C/N比明顯高于全國平均水平.P. Gundersen等[12]研究表明,當C/N值在15.3～20.6時,土壤微生物迅速增加,釋放礦化氮,當C/N值在37.1～64.4時,將難以滿足微生物自身對氮的需求.研究區(qū)土壤C/N值接近于后者,土壤有機質(zhì)分解速率較慢,形成的腐殖質(zhì)量比較少,不利于植物生長.

土壤侵蝕越嚴重,C/N比值越高,有機質(zhì)分解速率越慢.輕度、中度侵蝕區(qū)土壤將難以滿足微生物自身對氮的需求.在不同的侵蝕區(qū),土壤碳氮比的差異不明顯,變異系數(shù)為0.38,主要是因為C、N元素之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系,而且兩者對環(huán)境變化的響應(yīng)幾乎是同步的[13].

3.2.2土壤碳磷比 磷是植物生長的必需元素.如果C/P較低,則促進微生物在有機質(zhì)分解過程中的養(yǎng)分釋放,土壤中有效磷增加;反之,C/P較高,則微生物在有機質(zhì)分解過程中磷質(zhì)量分數(shù)受到限制,從而與植物競爭土壤中的無機磷,植物生長受到限制[14].高的生長速率對應(yīng)低的碳磷比,但是土壤碳磷比與微生物生長速率的這種關(guān)系,只在磷限制的情況下(C/P值很高)才成立.J. J. Elser等[15]認為在磷限制的情況下,生態(tài)化學計量比值與生長速率的關(guān)系在生物群落和個體水平上都成立,而在非磷限制情況下,細菌群落的生長對養(yǎng)分供應(yīng)的反應(yīng)不符合“生長速率理論”.低的碳磷比供應(yīng)下(93∶1),并不會帶來高的生長速率.研究區(qū)土壤C/P平均值為69.60,C/P值低,微度、輕度、中度侵蝕區(qū)土壤C/P值分別為91.86、72.25和46.99,微度>輕度>中度,所以侵蝕越嚴重,C/P比越低,但并不意味著微生物生長速率越高.

3.2.3土壤氮磷比 在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤中N/P比越大,生物固氮量越小[16].研究區(qū)土壤N/P平均值為2.02,低于我國有機土(N/P=8)及我國陸地土壤(N/P=3.9)[17],研究區(qū)土壤為氮限制.微度、輕度、中度侵蝕區(qū)土壤N/P值分別為2.64、1.99和1.12,微度>輕度>中度.侵蝕越嚴重的地區(qū),N/P值越低,因為土壤C、N除了受母質(zhì)影響外,還受表層枯落物分解等的影響,表層的氮質(zhì)量分數(shù)相對較多,推測可能是由于水土流失,使土壤表層固定的氮大量流失,而磷主要受土壤母質(zhì)和施肥措施的影響,水土流失越嚴重,氮流失量的比率越大,N/P值減小,但具體原因還需進一步探究.

3.3土壤理化性質(zhì)對碳、氮、磷比的影響從土壤理化性質(zhì)與土壤碳、氮、磷比的相關(guān)性,可以看出,容重對侵蝕土壤C/P和N/P有一定的影響,對C/N影響不大,pH對侵蝕土壤C/N、C/P和N/P均有一定的影響,含水率對侵蝕土壤C/N有一定的影響,對C/P和N/P影響不大.

4 結(jié)論

1) 長汀縣土壤侵蝕區(qū)有機質(zhì)、全氮和全磷質(zhì)量分數(shù)平均值均低于全國平均水平,全氮、全磷屬六級極貧乏水平,N/P值為2.02,低于其他研究所得的N/P比,土壤為氮限制.

2) 隨著土壤侵蝕程度的加重,土壤的C/N值越高,C/P值越低,N/P值越低.低的C/P比并不意味著高的微生物生長速率.

3) pH對土壤的碳氮磷比影響最顯著,容重和含水率均對土壤碳氮磷比有一定的影響.

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Characteristics of Soil Ecological Stoichiometry in Red Soil Erosion Area in Changting County

ZHANG Qiaoying, CHEN Zhiqiang, CHEN Zhibiao, CHEN Haibin

(InstituteofGeographyScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350108,Fujian)

The ratio of soil carbon、nitrogen and phosphorus can reflect the characteristics of soil fertility and the characteristics of microbial life activities. The small watershed of Zhuxi in Fujian Province is a typical representative of the red soil erosion area in South China. Through the analysis of soil carbon, nitrogen and phosphorus in the small watershed of Zhuxi, found soil organic matter content in the small watershed of Zhuxi erosion area varied 0.29～67.38 g/kg, average value (± standard deviation) is (22.40±17.28) g/kg, lower than the national average. The difference of organic matter content in different areas is larger; The variation of nitrogen is 0.04～1.30 g/kg and average value (± standard deviation) is 0.42 ± 0.34 g/kg. The variation of phosphorus is 0.04～0.80 g/kg, average value (± standard deviation) is 0.24 ± 0.23 g/kg. From calculation of soil ecological stoichiometry found that the soil C/N, C/P, N/P in erosion area changes in the range of 3.31～91.80, 1.65～248.23, 0.31～6.06, respectively, the average value (± standard deviation) is 34.94 ± 13.17, 69.60 ± 52.06, 2.02 ± 1.30.

ecological stoichiometry; red soil erosion area; Changting county

2015-10-25

國家自然科學基金(41371512)

*通信作者簡介：陳志強(1978—),男，教授，主要從事自然地理的研究，E-mail：87789891@qq.com

S154.1

A

1001-8395(2017)05-0699-04

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.05.023

(編輯 鄭月蓉)