不同土地利用方式下土壤碳氮磷化學計量特征

王 慧，郭月峰*，姚云峰，祁 偉，秦富倉，王佳坤

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古水利水電勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

【研究意義】土壤是生態系統重要的組成部分，也是人類賴以生存與發展的物質基礎[1]，土壤中的C(碳)、N(氮)、P(磷)元素不僅參與土壤養分循化和轉化，影響植物生理代謝與生長發育的重要要素[2-3]，甚至影響生態系統的健康[4]。C、N、P三者及其生態化學計量之間的動態平衡不僅影響著植被的生長速度及其恢復程度，也影響著土壤肥力和植物的生長發育，進而影響整個生態系統的演替過程[5-6]。土地問題會對土壤產生直接的影響，造成其表層C、N、P等營養元素大量流失[7]，地表植被對土壤變化發生不同程度的響應，使其化學計量特征受到間接影響。不同土地利用方式下土壤C、N、P及其化學計量的變化可以反映土壤的養分損失程度，有助于反映不同植被覆蓋與土壤養分損失間的相互關系。同時土壤深度也是影響土壤養分的一個關鍵因子[8],隨著深度的改變，土壤的理化性質和結構特征會呈現出差異性。【前人研究進展】目前關于不同植被覆蓋下的深層土壤化學計量特征的研究較少，對相同生長環境條件下不同土地利用方式下不同土壤深度的土壤C、N、P 3種元素之間的關系及其化學計量特征的變化規律研究,有助于揭示養分在植物土壤間的循環特點以及不同植被覆蓋下土壤養分的供給能力有重要的意義。【本研究切入點】本文以達拉特旗中南部為研究區，通過對5種不同植被類型下C、N、P及其化學計量比的垂直分布進行研究。【擬解決的關鍵問題】揭示該區土地利用方式的調整對土壤理化性質的影響，為該區合理高效利用土地資源提供理論依據。

1 研究區概況

達拉特旗東經109°00'～110°45'，北緯40°00'～40°30'，地處內蒙古自治區西南部，海拔高度由南向北從1500 m降至1000 m，地形呈南高北低。典型的溫帶大陸性氣候，氣候干燥降，年均降水量240～360 mm，雨量少且多集中于7-9月，冬季寒冷夏季炎熱，晝夜溫差大，年均氣溫6～7 ℃。南部屬丘陵土石山區，地勢起伏較大；中部為庫布其沙帶，宜林宜牧；北部為沖積平原，地勢平坦，南中北部分別占總面積的24 %、49 %和27 %。研究區采樣點設置在達拉特旗南部丘陵區，土壤主要以栗鈣土為主，水土流失情況較為嚴重。

2 研究內容與方法

選取不同土地利用方式進行研究：喬木林地、耕地、草地、灌木林地、撂荒地，通過野外采樣、室內試驗與數據分析相結合，對研究區不同土地利用方式下土壤碳氮磷及其化學計量比特征進行研究。在采樣過程中考慮到樣地的代表性以及結果的準確性，每種土地利用方式分別隨機選取3個典型樣方，在樣方內設置1 m×1 m的草本調查樣方和5 m×5 m灌木調查樣方用S型取樣法布設5個取樣點，在移除地表枯落物后利用土鉆分別取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm不同深度的土樣，將3個樣方土樣同層混合，去除植物根系和較大石塊,充分混勻并用四分法取混合土樣，裝入樣品做好標記帶回實驗室，研磨過篩用于測定土壤碳氮磷含量。

養分含量分析采用常規方法進行測定，土壤有機碳(SOC)測定用外加熱—重鉻酸鉀容量法；全氮(TN)含量測定用Kjedahl消煮法；全磷(TP)含量采用鉬銻抗比色法測定。

數據處理采用Excel、Origin2018和 Canoco軟件，對數據進行差異顯著性檢相關性分析和冗余分析，采用質量比表示土壤碳氮磷的化學計量比。

3 結果與分析

3.1 不同土地利用方式下土壤 SOC、TN、TP特征

如圖1所示，SOC含量總體表現為喬木最高，灌木、草地、農田依次下降，撂荒地SOC含量最低。隨著土層深度增加而不斷下降，同種植被類型在0～10、10～20、20～40 cm土層間均差異顯著(P<0.05)，而在40～60與60～80 cm土層間差異不顯著(P>0.05)，不同植被類型下在0～10、10～20和20～40 cm土層間土壤SOC含量的差異也呈現出相同趨勢，在40～60和60～80 cm土層灌木與草地、農田與撂荒地差異不顯著，但灌木和草地分別與農田和撂荒地有顯著性差異(P<0.05)。

研究區不同土地利用方式總體表現均為表層土壤含氮量最高，隨土層深度增加含氮量逐漸減少(圖2)。喬木和灌木在0～10，10～20，20～40 cm土層間均表現為差異性顯著。農田與草地均表現為在0～10和10～20 cm土層間差異不顯著，但在10～20與20～40 cm土層間差異性顯著。撂荒地不同土層間無顯著差異。其余四種利用方式在40～60、60～80 cm土層均表現為差異不顯著。另外，不同植被類型下土壤TN 含量的差異總體表現為喬木>灌木>草地>農田>撂荒地。在0～10和10～20 cm土層，5種利用方式之間差異均顯著；在20～40 cm土層，喬木與灌木、草地差異不顯著；在40～60 cm土層灌木與草地、農田與撂荒地間無顯著差異。60～80 cm土層，喬灌草3種植被類型彼此之間均無顯著差異，農田與撂荒地間差異不顯著。 研究區不同植被類型下0～80 cm土層TP平均含量為0.5～0.53 g/kg，除撂荒地外其余4種利用方式在0～10 cm土層中TP含量均相對最高，不同土層間土壤TP含量沒有特別大的變化，總體表現出越往底層含量越小的趨勢，但減小趨勢比較緩慢(圖3)。

圖1 不同土地利用方式下土壤 SOC含量特征Fig.1 Characteristics of soil SOC content under different land use patterns

3.2 不同土地利用方式下土壤 SOC、TN、TP生態化學計量比特征

研究區不同植被類型下土壤SOC、TN、TP含量不同，其土壤的C、N、P的生態化學計量比特征也不同。如圖4所示，首先，不同土地利用方式下0～80 cm土壤C/N范圍在8.12～17.01 g/kg(表1)，并以喬木最高，草地和灌木次之，農田和撂荒地最低，且在0～10 cm土層，喬木和農田分別與其他植被差異顯著(P<0.05)，灌木、草地和撂荒地三者之間差異不顯著。在10～60 cm土層間，灌木和草地的C/N差異不顯著，農田和摞荒地的差異也不顯著。在60～80 cm之間，喬木、灌木和草地之間差異不顯著，但是與農田、摞荒地之間差異顯著(P<0.05)。對于同一土層的不同植被，喬木在0～40與40～80 cm兩土層間間差異顯著(P<0.05)。其余植被類型在不同土層之間土壤 C/N差異均未達到顯著水平。

圖3 不同土地利用方式下土壤TP含量特征Fig.3 Characteristics of soil TP content under different land use patterns

圖4 不同土地利用方式下土壤 C/N生態化學計量比特征Fig.4 Characteristics of soil C/N stoichiometry under different land use patterns

其次，不同植被類型下0～80 cm土壤碳磷的比值在1.91～12.19之間(表1)，并以喬木最高，不同植被類型對土壤C/P的影響均達到了顯著水平(P<0.05)。不同灌木類型同一土層C/P比值除灌木和草地間無顯著差異外，與其他不同植被類型在同一土層均有顯著差異(P<0.05)。同種植被不同土層表現為喬木在0～10和10～20 cm土層間、草地在0～40 cm土層間無顯著差異，喬木在10～20 cm和20～40 cm土層間、草地在20～40與40～60 cm間有顯著差異(圖5)。

不同土地利用方式下0～80 cm土壤N/P的值在0.19～0.92 g/kg(表1)，并以喬木最高，不同植被類型對土壤N/P的影響均達到了顯著水平(P<0.05)。不同灌木類型同一土層N/P比值除喬木與草地在0～10 cm間差異不顯著，灌木和草地在10～80 cm間同一土層其N/P比差異不顯著間外，與其他不同植被類型在同一土層的N/P均有顯著差異(P<0.05)。撂荒地在不同土層間均無顯著差異。同種植被不同土層表現為喬木灌木農地在0～10、10～20、20～40 cm土層間均有顯著差異，在40～60、60～80 cm土層間無顯著差異。

圖5 不同土地利用方式下土壤 N/P生態化學計量比特征Fig.5 Characteristics of soil N/P ecological stoichiometry under different land use patterns

圖6 不同土地利用方式下土壤 C/P生態化學計量比特征Fig.6 Characteristics of soil C/P ecological stoichiometry under different land use patterns

可見，研究區不同植被類型土壤除C/N無明顯差異外，C/P和N/P化學計量比值均隨土壤深度增加而有不同程度下降，不同灌木類型之間的差異也隨土壤深度增加而減弱，各化學計量比值的平均值表現為喬木、灌木、草地顯著大于農地撂荒地。

表1顯示，不同植被類型下土壤C/N、C/P 和 N/P范圍分別介于8.12～17.01、1.91～12.19、0.19～0.92 g/kg，均值分別為10.82、6.32、0.57 g/kg，變異系數分別為15.53 %、41.77 %、33.69 %，表明研究區不同土地利用類型土壤C/N 屬弱變異其值差異不大比較穩定。土壤C/P和 N/P屬中等變異在幾種土地利用方式間變化較大，分析可知不同土層土壤C/P和N/P對不同土地利用方式的響應要強于C/N。

表1 土壤SOC、TN、TP及化學計量比的統計分析

圖7 土壤SOC、TN、TP及其計量比的RDA分析Fig.7 RDA analysis of soil SOC, TN, TP and its measurement ratio

3.3 不同植被類型下土壤 SOC、N、P與其生態化學計量比相關性分析

圖7中RDA結果顯示：P-Value=0.002<0.05具有統計學意義。第一排序軸可以解釋總體的88.84 %，兩者共解釋了92.98 %的方差變化。在第一主軸上C、N的含量(相關系數分別為: 0.9725和0.9512)與土壤化學計量比具有顯著正相關關系。在第二主軸上P(相關系數為0.4080)與土壤化學計量比具有正相關關系，但相關性不強。分析發現，SOC相對于TP對C/P的影響較大，SOC相對于TN對C/N的影響較大，TN相對于TP對N/P的影響較大。

由表2可知，土壤SOC、TN、TP兩兩之間均呈正相關關系，表明研究區不同土地利用類型下土壤SOC、TN、TP相互之間的耦合關系顯著。如表2所示:土壤C/N與SOC相關性系數為0.846，C/N與SOC具有極顯著正相關關系，與TN的相關系數為0.77，C/N與TN具有極顯著正相關關系;土壤C/P與SOC具有極顯著正相關關系，其相關性系數為0.996;與TP同樣具有極顯著正相關關系且相關性系數為0.973；與TN具有顯著正相關關系，相關系數為0.446，C/P與SOC 含量的相關性大于與TP含量的相關性。土壤N/P與TP、SOC、TN 均具有極顯著正相關關系，N/P與土壤SOC、TN含量相關性高于與TP含量的相關性，相關系數分別為0.524、0.986、0.994；綜上所述，研究區不同土地利用方式下SOC和TN與其土壤化學計量比具有較強的相關性。土壤C/N、C/P比值主要受土壤SOC含量的影響，N/P主要受到土壤SOC、TN含量的影響。

表2 土壤SOC、TN、TP及化學計量比的相關分析

注：** 在 0.01 水平(雙側)上極顯著相關，* 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

4 討 論

土壤養分是生態系統中植物營養的主要來源，不同的土地利用方式對土壤養分有顯著的影響。本研究中，研究區不同土地利用方式下土壤表層有機碳之間的差異極其顯著，表層有機質含量遠遠高于其它各層，且幾種土地利用方式下土壤SOC含量在0～80 cm土層間垂直分布均呈“倒金字塔”狀，即隨土層深度增加呈逐漸下降的趨勢，這與已有研究結果一致[9]。一方面是因為養分在向下層輸移之前會先集聚于土壤表層[10]，另一方面土壤表層相對于底層來說，土壤中的微生物更多以及土壤結構、通氣性更好，養分循環更快，這都有利于有機碳的積累，因而土壤有機碳含量表層顯著高于底層。

研究區土壤全氮含量的垂直分布在幾種土地利用方式之間的變化趨勢與有機碳相似，這與許多研究者的研究結果一致[11-12]。主要是因為土壤表層作為土壤、植被、大氣間物質能量交換的界面，生物小循環過程旺盛，枯落物也集中在表層，在腐爛分解的過程中土壤養分發生變化，有機碳和全氮含量增加，使得表層全氮含量遠高處底層[13]。

研究發現研究區土壤SOC和TN變現為從喬木、灌木、草地、農田到撂荒地含量逐漸降低，主要原因是研究區喬木覆蓋下的土壤植物殘體及枯枝落葉比較多，而且在根系分泌物發生分解的過程中，會釋放養分到土壤中，使喬木下土壤中SOC和TN含量增高[14]。研究區農田土壤SOC和TN含量較低，一方面在常年頻繁且不合理的耕作下，土壤礦化作用增強，消耗大量有機質過程中釋放的氮素大部分直接被農作物吸收，另一方面研究區農田地表無殘茬積累使得氮素淋失嚴重，最終導致土壤表層SOC和TN含量低[15]。

已有研究結果表明撂荒地在一定程度上可以恢復土壤肥力[16]。但是本研究中研究區撂荒地土壤SOC和TN含量顯著低于其他土地利用類型，主要是由于研究區的撂荒地退耕年限短地表暫無植被覆蓋土壤呈裸露狀態，水和風等一些氣象因素直接作用于土壤，因而SOC和TN含量低與其他土地利用方式。

土壤磷含量的高低，主要受土壤母質、成土作用和氣候的影響[17]。在研究區小尺度區域范圍內土壤均發育于相同母質，氣候變化也較為接近，且磷具有沉積性，遷移的可能性小。所以土壤TP含量變異相對較小，農田土壤因耕作施肥的影響，土壤TP含量高于喬木林、灌木林和草地。

本研究結果表明，在研究區不同植被類型下除去全磷含量變化不明顯，土壤SOC和TN含量均隨著土層深度的增加而減小。這說明在研究區不同土地利用方式下不同植被類型的凋落物蓄積量和根系分泌物有所差別，對土壤養分含量的影響不同，導致不同土地利用方式對土壤的改良作用也有所不同。

土壤C、N、P化學計量總質量的比值，不僅可以作為衡量土壤養分供給的判斷指標也可以反映土壤質量及組分構成。其中，C/N值的大小可以影響土壤碳氮循環所以常被用作敏感性指標來判斷土壤質量的變化[18]。有研究指出有機質的分解過程中需要氮素的參與，但氮素消耗量與分解速率不成正比，消耗大而速率低，此時的C/N偏高。而當C/N較低時，說明土壤的有機質含量高且分解快礦化強，在一定程度上可以增加土壤 TN含量[19]。

本研究結果表明不同土層之間土壤C/N波動較小，差異不是十分明顯，其值基本穩定在一定范圍內，與其他研究結果一致[20-21]。這主要是因為在研究區土壤中TN的分布與SOC具有相似的變化規律，當環境發生改變時土壤SOC和TN幾乎可以在同一時間做出響應。本研究中，土壤C/N低于中國陸地土壤均值，說明研究區的有機質分解速率處于較低水平。土壤C/P的值可以用來判斷土壤TN的有效性[22]。本研究中土壤C/P的值比較低，且低于中國土壤C/P含量的平均水平[23]。N/P可以用于確定N飽和，判斷養分限制重要指標之一[24]。本研究中，不同利用方式下N/P的范圍在0.19～0.92，明顯低于其他研究結果[25]，表現為喬木>灌木≈草地>農田>撂荒地，說明研究區土壤的氮素較為缺乏，植被生長會因此受到不同程度的限制，且研究區內農田、草地以及灌木較喬木更易受到氮素影響。

5 結 論

(1)研究區不同土地利用方式下0～80 cm土層SOC、TN、TP平均含量分別在1.58～4.94、0.39～0.16、0.54～0.5 g/kg之間變化。不同利用方式下土壤全磷含量變化不是很明顯，但隨土壤深度増加SOC、TN含量表現逐漸減少，但遞減的趨勢會隨著深度增加逐漸減弱。土壤SOC、TN較TP更為明顯受到利用方式的影響。 且不同利用方式下各元素含量在土壤表層呈現出不同程度的差異性，表現為喬木>灌木>草地>農地>撂荒地，喬木灌木對改善土壤質量及養分有積極作用。研究區的氣候和土壤條件相近，除某些環境因素可能對土壤中的碳氮磷產生影響外，不同利用方式下植物的凋落物蓄積量和根系分泌物的差異導致植被與土壤間養分吸收與歸還量出現差異，是土壤各元素含量差異的主要原因。

(2)研究區不同土地利用方式下土壤C/N較為穩定，變異系數最小，低于中國C/N平均水平，研究區有機質分解速率較低。C/P、N/P屬于中等變異，受土地利用方式的影響較大，在磷素含量與他人研究結果相差不大的情況下，N/P值低于全國平均水平，研究區不同植被的生長主要受氮素的營養限制。

(3)研究區不同土地利用方式下SOC和TN與其土壤化學計量比具有較強的相關性相互之間的耦合關系顯著。SOC相對于TP對C/P的影響較大，SOC相對于TN對C/N的影響較大，TN相對于TP對N/P的影響較大。所以，研究區土壤C/N、C/P比值主要受土壤SOC含量的影響，N/P主要受到土壤SOC、TN含量的影響。