黃土丘陵區不同土地利用方式下土壤養分及生態化學計量特征

夏光輝， 郭青霞， 盧慶民， 杜 軼， 康 慶

(1.山西農業大學 資源環境學院, 山西 太谷 030800; 2.山西省永和縣水利局, 山西 永和 041400)

生態化學計量學是一門在結合生態學和化學計量學理論的基礎上來研究生態系統能量和多種化學元素平衡的學科[1-2]。碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)等化學元素是土壤養分的重要組成部分也是植物生長發育所必需的元素，土壤中C，N，P，K的生態化學計量特征會影響到生態系統中植物的生長發育、種群結構以及群落演替，土壤是生態系統中物質和能量的交換場所，土壤中各種養分之間存在著一定的耦合關系，單方面考慮土壤中某種元素的含量是不全面的，還需要了解元素之間的關系及比例[3-5]。土壤在全球C，N循環中扮演者重要的角色，全球土壤有機碳庫的有機碳儲量在1 200～2 500 Pg之間，約是大氣碳儲量的2倍，植被碳儲量的2～3倍。同時土壤還具有巨大的氮匯能力，土壤中的P，K元素在生態系統中具有重要作用，是限制植物生長的重要因素之一[6-7]。因此，了解土壤中養分元素的生態化學計量特征對農業生產以及生態恢復具有重要的指導意義。

黃土丘陵區是我國生態環境脆弱區，嚴重土壤侵蝕導致土壤中的C，N，P，K等營養元素大量的流失，不僅造成面源污染還會致使土壤貧瘠影響植物的生長發育，形成惡性循環[8-9]。近些年來，我國黃土丘陵地區實施了一系列的生態恢復措施來改變這一現狀，退耕還林(草)、坡改梯工程、淤地壩建設等一系列生態恢復措施可以有效地減少土壤侵蝕，從而起到固土保肥和恢復植被等生態作用[10-12]。探究黃土丘陵區不同生態恢復措施土壤養分生態化學計量特征具有重要的實踐意義。近些年來，在針對黃土丘陵區土壤養分生態化學計量特征研究日益豐富，主要聚焦于不同植被種類或密度、不同自然條件對土壤和植物組織化學計量比的影響[13-16]。在不同生態恢復措施及不同土地利用方式對土壤養分生態計量特征的影響研究方面也有較多的研究[17-18]，但很少對土壤養分做出系統全面的闡述。為此，本文以黃土丘陵區典型小流域為研究區，通過比較因生態工程實施而造成的土地利用方式改變前后土壤的全量養分以及生態化學計量特征的差異，揭示不同土地利用方式對黃土丘陵區生態恢復所起到的作用。

1 材料和方法

1.1 研究區概括

岔口小流域位于山西省永和縣、隰縣、石樓縣三縣交界處的芝河流域源頭地帶，屬于典型的黃土丘陵溝壑區第一副區的代表性流域，流域面積為131.91 km2(36°47′26″—36°57′14″N，110°38′01″—110°50′02″E)。流域屬于典型的暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫約8.6 ℃，年降雨量約為530.9 mm，且多集中在7—9月份。流域內地形地勢復雜，生態環境比較脆弱，經濟來源主要以第一產業為主。近些年來，為了改善流域內的生態環境，岔口小流域實施了一系列生態恢復措施，退耕還林、坡改梯工程，地埂核桃經濟林工程等改變了原有的土地利用方式，促進了流域生態的恢復。其中，坡改梯工程和核桃林不僅能夠起到生態恢復作用還兼顧經濟效益。

1.2 樣地設置及樣本采集

通過實地調查、走訪相關政府部門與當地居民，結合遙感影像分別選取退耕還林地(林地)、坡改梯地(梯田)，核桃林地(園地)和坡耕地各4塊樣地，每個樣地在相似坡位處設置3個20×20 m的樣方，在同一個樣方內分別采取0—20 cm，20—40 cm 2個土層的樣品，每個樣品是由“S”采樣法采取5個樣點混合而成。流域共采取土壤樣品96個。各類樣地信息詳見表1。

表1 岔口流域不同土地利用方式采樣樣地特征描述

1.3 樣品分析與數據處理

土樣的測定：土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法，全磷(TP)采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法，全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融分光光度法[19]；元素化學計量比采用質量比[12]。采用SPSS 25對數據進行描述性統計和Pearson相關系數的計算，用DPS進行多重比較(LSD),制圖軟件采用SigmaPlot 14.0。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤全量養分變化特征

表2和圖1—2的統計結果表明，研究區梯田、林地、園地0—40 cm SOC的含量的均值分別為4.07，7.23和3.24 g/kg，分別是對照坡耕地(2.96 g/kg)的1.38，2.44，1.09倍，林地和梯田0～40 cm SOC含量顯著(p<0.05)大于坡耕地，園地與坡耕地的差異不明顯。土壤N含量方面，各樣地0—40 cm土壤TN含量分別為0.72，1.09，0.69和0.41 g/kg，梯田、林地、園地TN含量分別是對照坡耕地的1.76，2.66和1.68倍，3種生態恢復措施土壤TN含量均顯著(p<0.05)的大于坡耕地。4種樣地SOC，TN含量在各層的分布都表現為上層(0—20 cm)顯著(p<0.05)的大于下層(20—40 cm)，變異系數方面，流域SOC和TN的變異系數分別分布在5.08%～42.72%，12.31%～22.65%之間，SOC和TN變異系數在各樣地之間的大小都表現為：園地>林地>梯田>坡耕地的規律。

表2 不同土地利用方式下土壤C，N，P，K及C:N描述性統計

注：數據為平均值±標準誤差，0—40 cm土壤數據為0—20 cm，20—40 cm土壤數據的算術平均值，不同字母代表同一措施不同土層間差異性顯著(p<0.05)。下同。

研究區土壤P，K元素方面，由圖1可知，梯田、林地、園地與坡耕地0—40 cm土壤TP含量差異不顯著，分別為0.61，0.60，0.60和0.59 g/kg，梯田、林地土壤TP上下層差異性不顯著，園地和坡耕地土壤TP含量表現為上層顯著(p<0.05)的大于下層，各樣地土壤TP的變異系數也都分布在6.75%～11.24%之間，變異程度較弱。

0—40 cm土壤TK含量在各個樣地之間表現為：梯田>林地>園地>坡耕地，分別為18.07，15.95，15.82和15.59 g/kg，梯田TK含量顯著大于坡耕地，林地和園地與坡耕地的差異并不顯著，同一類樣地不同土層之間，除了園地上層土壤TK含量大于下層外，其余3種樣地的土壤TK含量在上下土層之間差異不明顯。

注：不同大小寫字母分別表示同一土層不同土地利用方式在0.01，0.05水平下顯著。下同。

2.2 不同土地利用方式下土壤生態化學計量比變化特征

由圖2可知，流域各樣地0—40 cm土壤C∶N均值大小表現為：坡耕地>林地>梯田>園地，坡耕地土壤C∶N均值顯著(p<0.05)的大于梯田和園地，略高于林地但無顯著性差別，研究區樣地土壤C∶N總體分布在8.90～2.17范圍內，變異系數在8.88%～30.82%，林地0—20 cm土壤C∶N變異系數最大，坡耕地0—20 cm土壤C∶N變異系數最小。各樣地不同土層間，除了園地上下層之間土壤C∶N比差異性顯著(p<0.05)外，其余3種樣地上下層含量無顯著差別。研究區土壤C∶P，C∶K，N∶P均值在各樣地0—40 cm土壤中表現為：林地>梯田>園地>坡耕地。其中，林地0—40 cm土壤的C∶P，C∶K，N∶P均值都極顯著(p<0.01)大于坡耕地；梯田0—40 cm土壤C∶P顯著(p<0.05)的大于坡耕地，N∶P極顯著(p<0.01)的大于坡耕地，而C∶K值差異不顯著；園地0—40 cm土壤N∶P極顯著的大于坡耕地，而C∶P，C∶K值與坡耕地差異不明顯。各樣地C∶P，C∶K值在不同土層之間都表現為上層顯著(p<0.05)大于下層，梯田和園地N∶P值上下層無顯著差別，林地和坡耕地N∶P值表現出上層顯著的大于下層。研究區3種生態恢復措施土壤N∶K值都極顯著的大于坡耕地，在各個樣地的大小表現為：林地>園地>梯田>坡耕地，0—40 cm土壤P∶K值在各個樣地的含量差異性不大，不同土層之間的含量也無顯著性差別(表3)。

2.3 不同土地利用方式下土壤全量養分和化學計量比之間的關系

表4中的計算結果顯示，全量養分元素方面，C-N和N-K元素之間呈現出極顯著(p<0.01)的正相關外，其他元素兩兩之間相關性不顯著；全量養分與化學計量比之間,C，N分別與除P∶K之外的化學計量比都有極顯著的相關性，P元素與N∶P呈現出顯著(p<0.05)的負相關性，與P∶K有著極顯著的正相關性，K元素與N∶K，P∶K分別有著顯著和極顯著的負相關性；各計量比之間，除P∶K與各計量比相關性不顯著之外，其余各計量比兩兩之間都有極顯著的正相關性。由圖3可知，流域土壤C-N，N-CN，N-NP，N-NK之間呈現出極顯著的三次函數關系，土壤C-CP，C-CK，P-PK，K-PK之間有極顯著的二次函數關系，C-CN之間是極顯著的指數型函數關系，其余指標之間的函數關系不明顯。

圖2 不同土地利用方式下土壤計量比多重比較結果

3 討 論

3.1 不同土地利用方式對土壤C，N，P，K含量的影響

土壤C，N，P，K是植物生長發育所必需的的元素，也是衡量土壤質量的重要指標[20-21]。研究區梯田、林地、園地3種生態恢復措施相比于坡耕地土壤C含量提高了0.38，1.44，0.09倍，土壤N含量提高了0.76，1.66，0.68倍。杜寧寧等[22]研究發現土地利用方式轉變后會影響土壤的碳氮循環的強度，李欣雨等[23]認為土地利用方式的變化會影響到SOC的礦化速率，有機質是土壤的主要C源和N源[24]，SOC和TN含量在不同土地利用方式下存在差異，除了自身環境因素的影響外，有機質輸入的數量和質量也會對SOC和TN 的含量產生重大的影響，3種生態恢復措施中林地的植物殘體輸入量最高，其SOC和TN 增加也最為明顯，梯田除了部分秸稈還田外，土壤中還保留著大量的根系組織，為土壤提供了大量的C和N源，而坡耕地由于管理方式和自身環境條件，C源和N源相對匱乏，坡耕地耕作頻繁使土壤中的大團聚體遭到破壞，嚴重的土壤侵蝕造成土壤中的N元素大量流失。3種生態恢復措施顯著的改變了原有坡耕地的植被和坡度等因素，有利于土壤特別是表層土壤C，N元素的積累。

3種生態恢復措施0—40 cm土壤TP含量與坡耕地差別都不明顯，這與李占斌[12]、曾全超等[25]人的研究結論一致，但不同于張晗等[20]人的,這可能是因為所處的研究區不同，研究區土壤的類型、成土母質、氣候條件、管理方式、特別是成土母質不同所導致的[1,21]；不同生態恢復措施各層土壤在TK含量上呈現出：梯田>林地>園地>坡耕地，其中，梯田極顯著的大于坡耕地，林地、園地和坡耕地無顯著性差別，TK含量主要受到成土母質的影響,梯田土壤TK含量顯著大于坡耕地可能是因為施肥的原因所導致[26]。

表3 不同土地利用方式下土壤化學計量比描述性統計

表4 各指標間的相關系數

注：**表示顯著性水平為0.01，*表示顯著性水平為0.05。

從C，N，P，K在不同恢復措施土壤的垂直分布上看，梯田、林地和園地0—20 cm土壤全量養分的均值均大于20—40 cm，其中除了梯田和林地0—20 cm土壤TP和TK含量與20—40 cm的不顯著以外，其他恢復措施土壤的全量指標均在p<0.05水平下有顯著差別。表層最容易受到外界環境的影響，人為干擾和動植物殘體主要作用于表層，加上表層土壤土質疏松，土壤的水、肥、氣、熱條件和微生物活性優于深層土壤，導致表層土壤的理化性質和水肥條件優于深層土壤,這與其他文獻的研究結論基本一致[27-28]。

圖3 流域0-40 cm土壤全量養分及計量比之間的函數關系

3.2 不同土地利用方式對土壤養分元素化學計量比的影響

流域各樣樣地土壤C∶N指標在不同土層上均表現為:坡耕地>林地>梯田>園地，但4種樣地土壤C∶N值明顯的小于25，C∶N值與有機質分解釋放出的N的數量成反比，C∶N值越小，說明有有機質分解和礦化的速度較快，不利于養分的積累[1,29],3種樣地中，由于林地土壤蓄水能力強，植物殘體多使得林地土壤C源相對充足，土壤N素礦化速率低，所以導致林地的C∶N值高于梯田和園地，而坡耕地C∶N值較高的原因是由于頻繁的翻耕導致土壤中的N元素大量流失，并且坡耕地微生物活性相對較低，C的礦化速率較低，最終導致坡耕地土壤C∶N值顯著高于3種土地利用方式[20]。3種恢復措施中，林地更有助于促進土壤有機質的腐殖化過程，有利于土壤養分特別是C，N元素的富集，具有更好的生態恢復效果。

4種樣地0—40 cm土壤C∶P和N∶P指標有：林地>梯田>園地>坡耕地的規律，土壤中的P元素對植物的生長起著重要作用，C∶p值通常被認為是土壤P元素礦化的指標，也是土壤有機質礦化釋放出P素和從環境中固持P素的指標[3,24,30]，流域0—40 cm土壤C∶P均值的范圍為5.36～12.17，遠低于我國土壤C∶P的均值61，有研究表明當C∶P值<200時，土壤微生物C素含量會在短時間內增加，P素含量也會出現凈礦化，土壤中P素含量會增加[30-31]，4種樣地土壤C∶P值都遠小于200，說明流域植被的生長不會受到P元素的限制。N，P元素被認為是陸地生態系統的限制性元素，N∶P常被用來作為養分閾值的確定和土壤養分限制因子的診斷[32-33]。流域0—40 cm土壤N∶P的范圍為：0.64～1.84，同樣低于全國土壤N∶P均值5.2，說明流域土壤中N素相對缺乏。

流域土壤C∶K均值在不同土地利用方式中表現為：林地>梯田>園地>坡耕地，N∶K均值表現為：林地>園地>梯田>坡耕地，由于除了梯田土壤K元素異常突出外，其他3種樣地K元素含量差異不大，所以N∶K指標主要受到N元素含量的影響。P∶K值在4種樣地0—40 cm土壤中表現為：園地>林地>坡耕地>梯田，其中，林地的C∶K均值極顯著的大于坡耕地，主要是因為林地土壤的C含量大于坡耕地，當前大多數相關研究都集中在C，N，P的研究上，對土壤K元素以及K和其他元素計量比的研究相對缺乏[30],流域土壤TK含量處在第二次全國土壤養分分等定級中的第3等級，高于西南喀斯特地區(3.33 g/kg)[29]和湖南平江縣福壽山杉木林地(5.52 g/kg)[3]，土壤TK含量相對較高，相對來講C，N元素相對缺乏。

4 結 論

(1) 與坡耕地相比，流域因生態恢復措施導致的土地利用方式的變化能夠顯著的增加土壤中C，N的含量，P，K含量雖無顯著性變化，但含量有所增加。梯田、林地、園地SOC含量分別是坡耕地的1.38，2.44，1.09倍，土壤TN含量分別是坡耕地1.76，2.66，1.68倍，林地相比于其他生態恢復措施對C，N元素的固定更為理想。

(2) 流域土壤C∶N值相對較低，不利于有機質的積累，C∶K，C∶P主要受C元素的影響，N∶P，N∶K受N元素的影響較大，C，N為流域土壤養分的限制元素，應進一步實施生態恢復措施，增加土壤中C，N元素的含量。

(3) 流域土壤元素之間具有穩定的耦合關系，C-N之間的耦合關系在維持元素平衡方面起著主要的作用。