黃土丘陵區不同土地類型下土壤養分特征—基于生態化學計量學

劉帥楠 ，李廣 *，吳江琪 ，馬維偉 ，楊傳杰 ，張世康 ，姚瑤 ，陸燕花 ，魏星星 ，張娟

（1. 甘肅農業大學林學院，甘肅蘭州730070；2. 甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州730070；3. 甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅蘭州730070）

生態化學計量學是一種研究碳（C）、氮（N）、磷（P）元素在多種生態系統過程中其比例隨外界影響因子產生變化規律的重要工具［1-2］，C、N、P 化學計量比是土壤質量與有機質組成的重要指標［3］，可以反映土壤內部碳氮磷循環，具有重要的生態指示作用［4］。而土壤作為組成生態系統的重要部分，通過改善土壤質量，能夠有效地促進植被恢復，穩定生態系統平衡［5］。C、N、P 元素是組成土壤養分的重要部分［6］，其養分含量及化學計量比，是影響土壤生態系統恢復，調控土壤養分循環，增強土壤肥力的重要因素［7］。通過對土壤C、N、P 化學計量比值的掌握，能夠有效地為土壤養分存留、元素循環及土地管理提供理論依據［8］。

黃土高原作為我國生態環境脆弱地區之一，近年來，該區因生態修復及作物生產等目的的不同，產生了不同的土地類型。不同土地類型，其地表植被組成、群落結構、人為干擾程度等均存在一定的差異，進而影響到土壤結構及進入土壤的動植物殘體和土壤微生物量，導致不同土地類型間及土層間土壤養分含量存在差異［9］，進一步影響到該區土壤生態恢復。有研究發現，不同土地類型對土壤養分及其化學計量比有不同程度的影響［3，10］。有學者［4，11］認為，林草地較農耕地更有利于土壤養分的存留；但馬琨等［12］的研究結果與之存在差異。這一方面是由于不同地區受土地類型及利用年限［10］的影響存在差異，另一方面可能是由于選擇土地類型時地表植被處于不同生長期，地表植被與土壤養分交互速率存在差異。

目前該區關于生態化學計量特征研究主要集中在流域系統［13］、植被類型［14］及植被-凋落物-土壤系統［15］上，而基于生態化學計量學對土地類型間的土壤養分研究仍相對較少，需進一步分析探討。黃土丘陵區降水集中在7-9 月，此時林木植被正向生長末期演變，小麥（Triticum aestivum）、苜蓿（Medicago sativa）等作物處于成熟收獲期，各土地類型下植被與土壤養分交互速率相對穩定［16］，此時更有助于探討丘陵區土地類型間土壤化學計量特征。因此，本研究以黃土丘陵區7-9 月小麥地（農地）、云杉（Picea asperata）林地（林地）、苜蓿地（牧草地）為對象，研究分析黃土丘陵區不同土地類型間及各土層土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）含量及其土壤化學計量比，為黃土丘陵區恢復土壤肥力，有效利用土壤養分及生態恢復提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與試驗設計

通過文獻資料查閱以及野外區域調查，選擇定西市李家堡鄉甘肅農業大學試驗區。該區位于中國甘肅省定西市安定區（103°52′-105°13′E，34°26′-35°35′N），屬黃河流域祖厲河水系關川河的支流——安家溝流域。該流域面積為8.56 km2，海拔1900～2250 m，水土保持區劃屬黃土丘陵溝壑區第Ⅳ副區［17］；該流域屬典型溫帶干旱、半干旱氣候，年溫差大；年平均降水量390.99 mm，主要集中在7-9 月；年均太陽輻射141.6×1.48 kJ·cm-2，日照時間2476.6 h。該流域土壤類型以典型黃綿土為主，土地利用方式主要為農耕地，林地面積較少，多為人工疏林地，有少量灌木分布。在試驗區選擇小麥地、云杉林地及苜蓿地3 種不同土地類型（農、林、牧草）典型實驗區，各實驗區隨機選擇3 個小樣地，大小隨土地類型而定：農和牧草均為4 m×6 m，林為10 m×10 m。

1.2 樣品采集與分析

2019 年7-9 月，按照S 型取樣法在各小樣地中選取5 個代表性樣點，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 層次，用土鉆分層取土，同層土壤混勻為1 個混合土樣。土壤混合樣品風干后過2 mm 篩，去除土樣雜物。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀高溫-外加熱法測定；土壤樣品于消煮管中經H2SO4-H2O2高溫消煮到乳白色，采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量，通過紫外分光光度計，采用鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量［18］。

1.3 數據處理

使用SPSS 24.0 軟件進行數據統計分析，主要采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）及Pearson 相關性分析；使用Excel 2007 作圖并繪制三線表。

2 結果與分析

2.1 不同土地類型下土壤SOC、TN、TP 含量的變化

研究區內不同土地類型0～100 cm 土層深度土壤SOC、TN 和TP 含量特征如表1 所示：3 種土地類型0～100 cm 土壤SOC、TN 和TP 含量的變異系數范圍為31.35%～49.68%，說明了研究區內土壤SOC、TN 和TP 表現出中等程度變異。而在0～100 cm 土層，云杉林地土壤SOC、TN 含量與苜蓿地差異性顯著，而小麥地土壤TP 含量與云杉林地、苜蓿地存在顯著性差異。土壤SOC 及TN 含量表現為云杉林地（14.19 g·kg-1、0.37 g·kg-1）＞小麥地（12.00 g·kg-1、0.32 g·kg-1）＞苜蓿地（10.39 g·kg-1、0.30 g·kg-1），而 TP 表現為云杉林地（0.52 g·kg-1）＞苜蓿地（0.51 g·kg-1）＞小麥地（0.41 g·kg-1）。

表1 不同土地類型0～100 cm 土壤C、N、P 含量及其化學計量比特征Table 1 The content of C，N，P and stoichiometric characteristics of 0-100 cm soil in different land types

從圖1 可知，3 種不同土地類型土壤SOC、TN 及TP 含量均具有“表聚”特征，具體表現為0～10 cm 表層土壤SOC、TN 及TP 含量最高，且土壤SOC、TN、TP 含量均隨土層深度增加而降低。其中，SOC 和TN 含量在不同土地類型間均無顯著性差異，TP 含量在10～20 cm 土層，小麥地與云杉林地間存在顯著性差異（P＜0.05），且云杉林地土壤TP 含量顯著高出小麥地34.8%。

2.2 不同土地類型下土壤養分化學計量特征

圖1 不同土地類型土壤不同土層養分含量Fig.1 Nutrient content in different soil layers of different land types

如表1 所示，3 種土地類型土壤C/N、C/P 和N/P 表現出不同程度的中等變異水平，變異水平大小為C/P（67.93%）＞N/P（59.31%）＞C/N（53.46%）。而在0～100 cm 土層，小麥地土壤C/P 與苜蓿地存在顯著性差異，小麥地N/P 與云杉林地及苜蓿地均差異性顯著，而云杉林地土壤C/N 顯著高于苜蓿地。從表2 可知，3 種土地類型土壤C/N、C/P 及N/P 在土地類型及不同土層間均無顯著性差異。

2.3 不同土地類型下土壤養分與化學計量比的相關分析

如表3 所示，土壤SOC 與土壤TN 存在極顯著正相關關系（相關系數為0.766），與TP 存在顯著正相關關系（相關系數為0.552），土壤TN 與TP 間具有極顯著正相關關系（相關系數為0.883），但SOC、TN 與土壤化學計量比無顯著性關系；TP 與C/P 存在極顯著負相關關系（相關系數為-0.733），C/P 與C/N 間存在顯著正相關關系（相關系數為0.493），C/P 與N/P 間存在極顯著正相關關系（相關系數為0.813）。

3 討論

3.1 不同土地類型下土壤SOC、TN 和TP 含量的差異

不同土地類型對土壤養分有著不同程度的影響［3］，而C、N、P 元素作為土壤養分的重要組成部分［6］，其含量可以表征土地類型對土壤質量的影響。本研究中，不同土地類型土壤養分含量集中在0～10 cm 表層土壤，且土壤SOC、TN、TP 含量均隨土層深度增加而逐漸降低，表明土壤養分具有“表聚性”特征，這與前人的研究結果表現一致［19］。這是因為地表植被通過植物根系分泌物及表層植物殘體向土壤輸送 C、N、P 元素［20］，表層土壤通氣狀況良好，養分充足，利于土壤微生物活動［21］，而隨著土層深度的增加，枯落物及腐殖質對土壤元素的積累影響逐漸降低［22］。該區云杉林地土壤SOC、TN、TP 含量均明顯高于其余土地類型，說明林地較農草地具有更積極的養分累積作用，這與張帥等［23］的研究結果相似。這是因為不同的地表植被，對土壤碳氮元素累積速率的影響有著明顯差異［24］，而云杉林地地下根系豐富，地表覆蓋有大量枯枝落葉層，同時，作物成熟收獲致使大量有機質流失，進而導致林地土壤SOC、TN 含量明顯高于農草地。

表2 不同土地類型不同土層土壤養分化學計量比Table 2 Stoichiometric ratio of soil nutrients in different soil layers of different land types

表3 不同土地類型土壤C、N、P 含量與化學計量比的相關性分析Table 3 Correlations between C，N，P content and stoichio?metric ratio of different land types

在本研究區，土地類型間土壤TP 含量表現為云杉林地＞苜蓿地＞小麥地，與張帥等［23］認為農地養分含量低于林草地的結論相似。農地土壤TP 含量顯著低于林、牧草地，且3 種土地類型土壤層間存在較為明顯的差異性，這與潘軍等［25］的研究結果相似。土壤P 元素含量對土地類型的響應機制與SOC、TN 不同，P 元素含量主要受到立地地質特征的影響［11］，這是因為土壤P 元素主要源于巖石風化釋放及土壤表層動植物殘體的元素歸還［26］。該區流水侵蝕嚴重，土壤P 元素易受地表徑流沖刷及降水淋溶作用影響而從土壤流失［27］，農地受人為影響較大，土質疏松，地表植被無法為土壤提高有效的防護，P 元素流失嚴重，導致農地P 含量低于林草地。

3.2 不同土地類型下土壤養分化學計量特征差異

土地類型的差異也會影響到養分化學計量比，而養分化學計量比是用作表征C、N、P 礦化和固持作用的重要指標之一［28］。研究表明，3 種土地類型土壤在0～100 cm C/N 表現為云杉林地＞小麥地＞苜蓿地，均較全國平均值（12.3）［29］偏大。朱秋蓮［15］認為黃土丘陵區土壤N 元素相對匱乏，這可能是導致C/N 偏高的重要原因。較高的C/N 表明該區土壤限制微生物活動，導致有機質分解速率及礦化速率緩慢，不利于地表植物吸收養分［30］。同時，C/N 在不同土層間未表現出明顯差異，這是因為土壤C、N 之間緊密聯系，在元素儲存及消耗過程中存在一個較為穩定的比值［31］。本研究中，不同土地類型土壤SOC、TN 含量在土層空間分布上具有一致性（圖1），且3 種土地類型C/N 變異水平相對C/P、N/P 較低（表1），SOC 與TN 呈極顯著正相關關系（表3），兩種元素間表現出對同一環境因子的同步響應以及較好的耦合關系［15］，表明黃土丘陵區土壤C/N 在空間上較穩定，印證了生態化學計量學的動態平衡理論［3］。

本研究區，3 種土地類型0～100 cm 土壤的C/P、N/P 表現為小麥地＞云杉林地＞苜蓿地，均較全國平均值［29］（61.0、5.2）偏低。根據全國第二次養分普查分級標準［32］，黃土丘陵溝壑區土壤C、N 元素屬六級，而P 元素屬四級，P 元素含量較C、N 含量偏高，同時地表植被在生長期吸收土壤C、N 元素，成熟時脫落的枯枝落葉未及時分解為土壤輸送C、N 元素，進而導致C/P 及N/P 偏低。C/P 可以用以表征土壤磷礦化水平的高低，同時也是反映土壤微生物對土壤有效磷吸收和儲存的能力指標［3］，而N/P 作為N 飽和的診斷指標，同時也是預測土壤養分限制類型的重要指標之一［33］，較低的C/P 說明了該區土壤P 分解較快，有效性較高；N/P 較低，進一步表明了該區土壤的N 匱乏，印證了朱秋蓮［15］對黃土丘陵區土壤的研究結果。

4 結論

該區土壤具有較為穩定的C/N，土壤有機質分解速率緩慢，氮素匱乏，磷有效性較高。云杉林地作為黃土丘陵區重要土地類型，在土壤養分存留方面占有一定優勢，主要表現為云杉林地土壤各層次養分（SOC、TN、TP）含量均明顯高出農、牧草地土壤養分含量；3 種土地類型下土壤養分及其化學計量比存在不同程度的中等變異，其含量垂直分布上表現出明顯的“表聚性”特征，且土壤養分含量間均呈顯著相關關系。因此，在實際土地利用中，應根據不同土地類型養分狀況，合理調整土地利用結構，進而達到減少土壤養分流失，加速該區土壤生態恢復進程的目的。