黔中森林不同土地利用類型土壤養分及計量特征

王登超，張蒙蒙，安 靜*，吳 燦，申 招，黃鵬程，任 燕

(1.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州貴陽 550025；2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州貴陽 550001)

森林公園是現代城市建設的重要內容，在承擔市民休憩及游玩的同時，還具有凈化空氣、涵養水源、維持生物多樣性和固土保肥等重要生態服務功能[1]。隨著城市化進程的快速發展，土地利用類型改變、人為干擾以及交通污染等都會影響森林生態服務功能的穩定[2]，而土壤作為森林生態系統的基本構筑，人為活動的干擾勢必對土壤環境造成影響，如土壤板結、微生物活性下降、礦化作用下降等問題[3-4]，因此，探討人為干擾對森林公園土壤理化性質和養分循環影響，是深入了解森林公園土壤環境的關鍵一步。生態化學計量學為研究生態環境元素比率和元素平衡提供了科學方法[5-6]。土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)是重要的生命元素，其化學計量關系不僅可以揭示土壤養分的飽和狀態，也在生態系統物質循環、元素平衡和生物生存等方面發揮了重要作用[7]。土壤C∶N∶P主要受水熱條件和成土特性控制，由于氣候、地貌、植被、母巖、成土時間和土壤生物等成土因素和人類活動影響，使土壤C∶N∶P的空間變異性較大[8]。C、N、P及其計量比之間的動態平衡首先影響土壤肥力性質和植物生長發育，進而引起生態系統的變化[9]。可見，不同土地利用類型的土壤C、N、P含量及其計量比可以反映土壤養分狀況，有助于揭示地表覆被與土壤養分的相互影響，同時土壤深度顯著影響土壤養分，隨著土壤深度加深，土壤理化性質亦會存在較大差異。因此，從生態計量學角度揭示不同土地覆被內部C、N、P元素的平衡與循環過程，對于深入認識黔中森林公園生態系統具有重要意義。

近年來，學者們對土壤生態化學計量學進行了探討。如吳昊等[10]研究發現，海拔梯度對秦嶺松櫟混交林土壤N、P、K含量及其計量比特征的影響較明顯；Hui等[11]研究表明，土壤C、N含量對經度敏感，緯度顯著影響土壤P含量、C∶P和N∶P；李培璽等[12]研究認為，pH對C、N、P及其計量比的空間異質性存在較大貢獻；李丹維等[13]研究認為，土壤溫度對土壤C、N、P化學計量比有重要影響，其次為海拔；王慧等[14]研究表明，土壤C、N、P受地表覆被的影響較大。陶曉等[4]研究城市公園土壤發現，區位、季節和土層三者共同影響土壤碳氮磷含量及其計量學特征。但對森林公園土壤養分、化學計量比及其垂直變異的研究較少。對森林公園不同覆被及其土壤深度對土壤C、N、P、K含量與計量學特征的研究有助于進一步揭示土壤養分的供給能力和不同植物覆被養分循環及垂直分布特征。該研究以黔中地區龍架山國家森林公園為例，選取6種不同土地利用類型，對其不同深度的土壤C、N、P及其化學計量特征進行探討，闡明不同土地利用類型土壤養分及其化學計量特征，揭示土壤深度對土壤養分和化學計量的影響規律，探討黔中公園土壤養分限制現狀，為該區土壤質量的維護和森林生態系統的恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況研究區位于黔中地區龍里縣龍架山國家森林公園(106°55′15″～107°10′50″E，26°26′50″～ 26°29′45″N)，地處苗嶺山脈中部，由哨上、干沖和響水3個部分組成，總面積6 101 hm2，海拔1 060～1 386 m。屬中亞熱帶季風氣候，年均氣溫14.8 ℃，極端高溫和低溫分別為34.2、-9.2 ℃，年降水量達1 000 mm以上，季節分布不均，全年平均相對濕度為79%，氣候溫暖，雨熱充沛。調查區域成土母質以石英砂巖和碳酸鹽為主，土壤類型以黃壤和石灰土為主，森林覆蓋率84.8%，區內主要包括針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌木林、灌草叢等6個植被型。

1.2 樣地設置及樣本采集基于黔中龍架山森林公園的遙感影像，并結合實地調查選取6種典型土地利用方式，分別為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木林、耕地和未利用地。各土地利用類型隨機選取3塊20 m×20 m典型樣地，每個單元坡向與坡度相近，采樣單元間至少有100 m緩沖距離。在每個采樣單元內按“S”型取樣法采樣，在去除地表枯落物后用土鉆法分別取0～10、10～20、20～40、40～60 cm的土樣，各樣點同層混合后用四分法取出足夠樣品，去除雜質帶回實驗室，經自然風干、研磨和過篩后用于土壤氮磷鉀測定。各類樣地信息見表1。

表1 樣地概況Table 1 Sample plot overview

1.3 樣品分析土壤養分的測定參考《土壤農化分析》[15]的分析方法，土壤有機碳(SOC)用K2Cr2O7外加熱法測定，pH采用酸度計法測定，全氮(TN)用半微量凱氏定氮法測定，全磷(TP)用堿溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀(TK)采用堿溶-火焰分光光度法測定；生態化學計量比采用質量比[16]。

1.4 數據處理數據經Microsoft Excel 2019整理后，采用SPSS 26.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)比較各植被類型及土層pH、SOC、TN、TP、TK及其計量比關系，利用Duncan多重比較(Duncan’s multiple range test)，用Pearson相關系數法進行相關性檢驗，利用Canoco 5軟件進行冗余分析(RDA)，采用Origin軟件完成圖形制作。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤養分特征由圖1可知，0～10 cm土層SOC含量表現為針葉林(ZY)最高(17.87 g/kg)，針闊混交林(ZK)、灌木林(GM)、耕地(GD)、未利用地(WL)依次下降，闊葉林(KY)顯著低于其余5種土地利用類型；同種土地利用類型土壤SOC含量均隨土層深度的增加而逐漸下降，但闊葉林在20～40與40～60 cm間差異不顯著；同一層次土壤SOC含量在不同土地利用類型間差異較大，屬中等變異(表2)，其中耕地和未利用地SOC含量均顯著高于同一層次的闊葉林。TN含量在6種土地利用類型中表現為表層聚集，0～10 cm耕地TN含量最高(1.71 g/kg)，闊葉林最低(0.83 g/kg)，垂直變化與SOC相近；除闊葉林外，其余5種土地利用類型在土層間差異顯著；土壤TN受土地利用類型影響顯著，其變化趨勢與SOC相近。TP含量土層間的變異較小，隨土層深度的增加呈現下降的趨勢；土壤同一層次的不同土地利用類型間TP含量變化不一致，且隨著土層深度增加而趨于穩定，總體表現為耕地>闊葉林>未利用地>針葉林>灌木林>針闊混交林。

研究區不同土地覆被下不同土層TK的平均含量為1.20～11.05 g/kg，變異系數達61.21%(表2)，屬中等變異，針葉林、針闊混交林和灌木林為表層聚集，而耕地、闊葉林和未利用地在底層更加聚集，但差異不明顯；隨土層深度增加呈現逐漸降低或先降低后增加趨勢，在0～20 cm土層中，除針葉林和灌木林外，同種覆被不同土層間存在顯著差異；耕地的TK含量在同一土層均為最高，除0～10 cm針闊混交林外，均顯著高于其他覆被類型。

2.2 不同土地利用類型土壤生態化學計量特征從圖2可以看出，6種土地利用類型土壤C/N隨土層深度增加變化規律有所差異。針葉林(ZY)、耕地(GD)、針闊混交林(ZK)、闊葉林(KY)、未利用地(WL)土層間差異顯著。除0～10 cm外，其他土層中灌木林(GM)C/N垂直變異較小且顯著高于其他類型。相同土層土壤C/N受土地利用類型的影響顯著。不同土地利用類型0～60 cm土壤C/P在1.87～41.37(表2)，不同土地利用類型對C/P均具有明顯影響；闊葉類型在同一層次C/P除高于40～60 cm針闊和針葉類型差異不顯著外，均顯著低于其他土地利用類型；同種土地利用類型表現為耕地在0～10和20～40 cm土層間、闊葉林和未利用地在20～40和40～60 cm土層間垂直影響不顯著外，其余土地利用類型土壤C/P受深度顯著影響。

6種土地利用土壤C/K隨土層深度的逐漸增加變化不同，其比值在0～60 cm為0.44～7.36(表2)。針葉林、闊葉林、灌木林和未利用地C/K在0～10 cm達到峰值，且除針葉林與灌木林差異不顯著外，其余類型之間均差異顯著；耕地在10～20 cm土層最高，與針闊混交林差異不顯著；針闊混交林在20～40 cm最高，除針闊混交林外，均顯著高于其他類型。同一土地利用類型C/K在0～10和10～20 cm土層的除闊葉林與未利用類型差異顯著外，其余類型差異均不顯著；而未利用地各土層間耕地、針闊混交林、闊葉林的20～40和40～60 cm土層間差異顯著。

6種土地利用類型土壤N/P與土層深度呈負相關。除耕地10～20和20～40 cm土層間、未利用地20～40和40～60 cm土層間差異不顯著外，其余土層間均存在顯著差異。土壤N/P受土地利用類型的影響較大，但該影響隨土層深度增加逐漸減少。

注：不同大寫字母表示同一土地利用類型不同土層深度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一土層深度不同土地利用類型間差異顯著(P<0.05)。Note：Different capital letters indicate significant difference between different soil depths of the same land use type(P<0.05)，different lowercase letters indicate significant differences between different land use types at the same soil depth(P<0.05).圖1 不同土地利用類型的各層土壤C、N、P、K含量Fig.1 Contents of soil C，N，P and K in different land use types

注：不同大寫字母表示同一土地利用類型不同土層深度間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一土層深度不同土地利用類型間差異顯著(P<0.05)。Note：Different capital letters indicate significant difference between different soil depths of the same land use type(P<0.05)，different lowercase letters indicate significant differences between different land use types at the same soil depth(P<0.05).圖2 不同土地利用方式下土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K的垂直格局Fig.2 Vertical pattern of soil C/N，C/P，C/K，N/P，N/K and P/K under different land use patterns

不同土地利用類型土壤N/K為0.05～0.46(表2)，耕地、針葉林、灌木林和未利用地土壤N/K隨土層深度增加逐漸減少，而針闊混交林為先增加后減少趨勢，但差異不顯著。同一土地利用土壤N/K總體為0～40 cm各層差異不顯著。同一層次N/K受土地利用類型影響較明顯。

隨土層深度變化，6種土地利用類型土壤P/K變化規律存在差異，總體在0.04～0.30(表2)。不同土地利用類型在10～20 cm影響最小，20～40 cm影響最大。除耕地和未利用地外，不同土地利用類型土壤P/K峰值均出現在20～60 cm，除耕地外，均顯著高于0～20 cm。

表2顯示，不同土地利用土壤C/N、C/P、C/K、N/K、N/P和P/K變異系數分別為34.40%、59.11%、63.48%、45.08%、47.98%和45.03%，表明研究區土壤生態化學計量比均屬中等變異，在不同土地利用類型間差異較大，分析可知C/N的變異相對較低，其值相對穩定，C/K和C/P對土地利用類型的響應強于C/N、N/P、N/K和P/K。

表2 土壤SOC、TN、TP、TK含量及化學計量比統計分析Table 2 Statistical analysis of soil SOC，TN，TP，TK content and stoichiometric ratio

2.3 不同土地利用類型SOC、TN、TP、TK與其化學計量比相關性分析黔中森林公園不同土地利用類型土壤養分與生態化學計量比冗余分析結果見圖3，第一、第二排序軸分別可以解釋系統方差變化的91.35%和3.46%，累計解釋量為94.81%。在第一主軸上SOC含量對土壤C/N、N/K、N/P、C/K、C/P具有正向影響，對P/K存在負向影響，TN對計量比的影響與SOC一致，土層深度對化學計量比有較大的反向作用效應。第二主軸上TP、TK和TN與化學計量比具有正相關，但相關性不強。分析發現SOC對C/P的影響大于TP，SOC較TN和TK對C/N和C/K的影響大，TN較TP和TK對N/P和N/K的影響更大，TK相對于TP對P/K的影響較大。

由表3可知，土壤SOC、TP、TN、TK兩兩之間相關性較強，表明研究區不同土地利用類型下土壤SOC、TP、TN、TK相互之間協同關系顯著。土壤養分與其化學計量比間具有較強的耦合關系。研究區不同土地利用類型中，土壤SOC和TN對其生態化學計量比耦合關系較強。土壤C/N、C/P、C/K和N/K與SOC含量相關關系密切，N/P受TN、SOC二者共同調控，而P/K主要受土壤TK含量的影響。

注：SD表示土層深度。Note：SD represents the depth of the soil.圖3 土壤SD、SOC、TN、TP、TK、pH及其計量比的RDA分析Fig.3 RDA analysis of soil SD，SOC，TN，TP，TK，pH and their stoichiometric ratio

表3 土壤SOC、TN、TP、TK含量及其生態化學計量特征間的相關系數Table 3 Correlation coefficients between soil SOC，TN，TP，TK contents and their eco-stoichiometric characteristics

3 討論

森林生態系統穩定及養分循環過程受土壤C、N、P、K含量及其分布狀況的影響[17]，森林土地覆被通過凋落物分解、根系分泌物及根際微生物的積累等過程調控森林土壤質地[18]。該研究得出6種土地利用類型土壤SOC、TN含量隨土層深度增加而遞減，這與連玉珍等[19]、王慧等[14]的研究結果一致。一方面因土壤表層具有較多枯落物分解合成產物，首先聚集在地表[20]，其次土壤表層較底層土壤結構、通氣性能更利于土壤微生物生長代謝，致使土壤表層的養分循環較快。研究區0～10 cm SOC、TN含量低于我國同層次土壤含量均值[21]，表明黔中森林土壤碳蓄積能力有所降低。這可能是城市化進程不斷發展，人為干擾加劇所引起森林土壤肥力下降、土壤生物活性受抑制、凋落物分解率降低等問題，影響了土壤碳氮含量的積累[4]。

研究發現該區表層土壤SOC含量表現為針葉林、針闊混交林、灌木林含量較高，主要原因是該區針葉、針闊和灌木覆被下土壤枯落物較多，根系分泌物及微生物新陳代謝促進枯落物分解過程；耕地由于受人類活動(施肥、翻土等)的影響，使其土壤SOC和TN相對較高。研究區闊葉林土壤SOC和TN含量均最低，主要是受人類活動長期踐踏，導致土壤結構嚴重破壞，土壤容重增大，通氣性能變劣，進而影響土壤養分循環[22]，最終導致土壤SOC和TN含量較低。

6種土地利用類型0～10 cm土壤TP含量均值低于貴州省表土TP含量均值[23]，表明該區TP含量水平較低。土壤磷和鉀含量主要受母巖、成土作用、有機質礦化過程及氣候影響[19，24]，該區特殊的地質環境和氣候條件可能是引起P素水平偏低的原因。該研究顯示，研究區TP含量隨土層深度增加而降低，降低趨勢逐漸減緩，這與寧志英等[25]的研究結果相似，原因可能是磷主要來源于母巖，母巖釋放相對穩定，加之地表有機質對其TP進行補充，致使TP垂直分布差異。針葉林、針闊混交林和灌木林TK表現為表層更富集，與前人研究相反[26]，可能與表層土壤有機質礦化作用加快和人為干擾有關，而闊葉林和未利用地TK隨土層深度增加而增大，這與鄧小軍等[26]對貓兒山3種森林類型土壤養分的研究一致。土壤TP、TK的空間變異均達到了中等變異，變異系數分別為21.33%、61.21%，磷的變異相對較低，鉀的變異較高，原因是磷鉀元素除受土壤深度影響外，受土地利用類型的影響也較大導致。該區礦質養分的變異均達中等變異，可能與淋溶作用、地貌、地表覆被、母巖、氣候和土壤動物等因子及人類活動的協同作用有關[27]。耕地因耕作施肥的影響，土壤TP、TK含量高于其他5種覆被類型。

土壤C、N、P的化學計量比對土壤內部養分循環特征具有較好的指示作用，已有研究表明，其比值在一定范圍內可反映土壤養分限制情況及養分的有效性[28]。由于土壤C、N、P含量受氣候、植被、母質、微生物等成土因子和人類活動綜合影響，致使其養分有較大的空間變異[29]。該研究發現，6種土地利用類型各層的C/N的變異系數較SOC和TN大幅降低，這與Tian等[21]的研究結果相近，其原因可能是SOC和TN具有相似變化規律。這種規律反映了土壤C、N對環境變化的協同效應。而6種土地利用類型的土壤C/P和N/P變異系數較高，其原因可能是SOC和TN的空間變異性較大。

土壤C/N通過影響與SOC分解相關的微生物活性，進而影響土壤養分的積累[21]。一定范圍內，低的土壤C/N將促進微生物對SOC的礦化；反之，則分解SOC的微生物受元素限制[30]。該研究中針闊混交林、灌木林和未利用地0～10 cm 土層C/N均高于全球森林土壤同層次的平均水平(12.40)及全國土壤同層次平均水平(12.00)[21]。土壤C/N以未利用地和灌木林較大，原因是未利用地和灌木林混作土壤0～10 cm具有較高的SOC和較低的TN，說明未利用地和灌木林的SOC礦化能力較其他4種土地利用類型差。而闊葉林C、N含量變化與其余5種土地利用類型相比有較大差異，即較低的C、N導致較低的C/N其原因可能是公園闊葉林區人類活動更頻繁，降低了土壤C、N養分含量，進而影響C/N。研究區內土壤C/N隨土層深度加深呈先增后減趨勢，與李江榮等[31]的研究結果相近，可能是植物根系的富集作用，及研究區土層較薄深層土壤接近母質層導致養分含量降低。

C/P是土壤P素的礦化能力的指示因子，也是表征微生物分解SOC釋放P或吸收P潛力的指標[32]。該研究中，6種土地利用類型0～10 cm土層C/P均值低于貴州省表土的平均水平(50.92)[23]，高于喀斯特峰叢洼地的平均水平(17.70)[32]。區域內C/P較低，表明P素的有效性較高。不同土地利用類型土壤的C/P不同，可能由于不同土地利用類型優勢種群的差異，使不同土地利用對養分需求不同，而導致土壤養分的差異，進而造成C/P的差異。C/P隨土層深度變化趨勢與SOC變化趨勢一致，這與前人的研究結果一致[31]，這主要是SOC隨土層深度增加而大幅降低造成。

N/P可作為N飽和的指示因子，被用來確定養分限制的閾值[33]。6種土地利用類型土壤的N/P隨土層深度的增加而減小，這可能是土壤TN含量隨土層深度增加而降低造成的。研究區N/P均值均低于我國陸地土壤均值(3.90)、貴州表層土壤均值(3.75)[23]。該區0～10 cm土壤N/P大小表現為針闊混交林>針葉林>耕地>未利用地>灌木林>闊葉林。說明該區土壤N素較缺乏，氮素成為該森林公園植物生長的限制因子，且未利用地、灌木林和闊葉林較其他土地類型更易受到氮脅迫。因此，適當的施加氮素對公園土壤生態計量比的維持有重要作用。

李培璽等[12]研究發現，C與N和P及N與P有極顯著正相關(P<0.01)。該研究發現，土壤C、N、P、K兩兩間均呈極顯著正相關。還發現pH與C、N為極顯著正相關，與K為顯著正相關，而與P相關性不強，與李培璽等[12]研究近似。說明土壤C、N、P、K及其生態化學計量比緊密相關。冗余分析發現，土壤SOC對C/P的影響大于TP，SOC較TN和TK對C/N和C/K的影響較大，TN較TP和TK對N/P和N/K的影響更大，TK相對于TP對P/K的影響較大，與前人的研究結果一致[14]。

4 結論

該研究顯示，研究區6種土地利用地類型C、N、P、K及其化學計量特征表明，土層深度和土地利用類型對土壤SOC、TN、TP、TK均有一定程度影響，土壤SOC、TN、TK較P更易受到土層深度和土地利用方式的影響。針闊混交林和針葉林對研究區土壤質量的改善具有積極作用。研究區6種土地利用類型土壤C/N較其他指標變異較小，且C/N低于貴州省表層土壤C/N平均水平，研究區有機質礦化作用緩慢。N/P均低于全國平均水平及貴州省表層土壤平均水平，研究區土壤表現為氮素缺乏。不同土地利用類型的土壤C、N、P、K與其計量比具有較強的耦合關系。研究區土壤C/N、C/P、C/K主要受SOC控制，N/P和N/K主要由TN控制，P/K主要受到TK含量的影響。