不同土地利用方式下土壤生態化學計量特征

顏 雄，李文昭，周美姣，樊磊磊，劉 丹，劉義富，余 展

（1.遵義師范學院 a.資源與環境學院，b.生物與農業科技學院，貴州 遵義 563006；2.湖南農業大學資源學院，湖南 長沙 410128）

生態化學計量學主要被用來研究能量和元素在生態系統中的平衡，它與生態學和生物化學計量學有密切的聯系，并對生態系統的調節有指導作用[1]。土地利用方式是人類在土地上進行多種生產活動的綜合體現，水肥和栽培管理會受到土地利用方式的影響，從而影響肥料、未分解的死亡動植物組織及一些分解產物、土壤微生物的數量和性質，導致土壤中C、N、P 元素在有機物轉化為無機物、運送和吸取利用等環節上明顯不同[2-4]。水稻是我國的主要糧食作物，我國60%以上的人口以稻米為主食[5]。玉米近年來在農業中占有重要地位，近半個世紀以來的統計數據證明，玉米已成為我國重要的糧食、飼料和工業原料作物[6]。

本研究以連續五年分別種植水稻（水田）和玉米（旱地）的土壤為處理，以連續五年撂荒的荒地土壤為對照，對土壤C、N、P的生態化學計量特性進行分析，結果可為不同利用方式對土壤生態系統的影響和土地合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

采樣地為貴州省遵義市余慶縣敖溪鎮，水田采樣地理坐標（107°40'14"E，27°33'35"N）、旱地采樣地理坐標（107°43'14"E，27°36'35"N）、荒地采樣地理坐標（107°42'14"E，北緯27°38'35"N）。區內地勢東高西低，南北緩坡。地形以山地丘陵為主，少量平壩交替分布。屬于亞熱帶季風氣候，全年的平均溫度15℃，平均降雨量1200mm。年平均光照長度1100h，年積溫5000℃，年平均無霜期占全年的82.1%。

1.2 土壤樣品采集

選取遵義市余慶縣敖溪鎮水田和旱地兩種土地利用方式的土壤進行研究，并以荒地作為對照，在每個試驗點選擇三個取樣點，共收集九個土壤樣品。土壤取樣采用五點法，在每個取樣點挖取土壤樣品的深度均為0-20cm，將采得樣品徹底混合均勻。用四分法取出1kg 土樣，然后放入采樣袋里并貼上標簽帶回實驗室，風干、研磨和過篩以獲得土壤樣品，用于測定土壤肥力參數。

1.3 試驗方法

1.3.1 研究指標及測定方法

根據《土壤農化分析》[7]的測定方法，土壤中有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）的測定分析方法如表1。

表1 土壤養分測定分析方法

1.3.2 土壤肥力指標分級標準

根據第二次全國土壤普查標準[8]，對土壤肥力指標的分級標準如表2 所示。

表2 全國第二次土壤養分分級標準

1.3.3 數據處理

使用MicrosoftExcel2021、SPSS26 對土壤C、N、P 及其生態化學計量比數據進行統計與顯著性水平分析；使用Origin2022 作圖；對土壤C、N、P 含量及其比值之間進行皮爾遜(Pearson)線性相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤C、N、P 含量特征

2.1.1 不同土地利用方式下土壤有機碳(SOC)含量特征

三種不同利用方式土壤的有機碳(SOC)含量范圍為14.70～109.97g·kg-1，其中荒地土壤的SOC 含量相對最低，均值為14.70g·kg-1，處于三級（高）水平，旱地土壤SOC 的含量平均值為25.21g·kg-1，是荒地的1.72 倍，水田土壤SOC 含量最高，均值達到107.97g·kg-1，分別是旱地的4.28 倍和荒地的7.34 倍。水田和旱地土壤SOC 含量極高，處于一級水平。總體來看，三種不同土壤類型的有機碳含量均比較高。根據圖1 可知，三種荒地、旱地和水田土壤的有機碳含量存在顯著性差異。水田有機碳含量較高，是由于水稻土處于淹水環境中的時間較長，水稻土長期處于還原狀態，有利于土壤有機碳的積累，不利于分解，因此水田有機碳含量較高[9]。荒地以自然植被為主來恢復土壤肥力，但在短期內，荒地有機碳含量比水稻和旱地土壤少，因為它們接受的外部有機物較少，從而使有機碳含量較低[10]。

圖1 不同土地利用方式下土壤SOC 含量特征

2.1.2 不同土地利用方式下土壤全氮(TN)含量特征

三種土壤的全氮(TN)含量范圍是1.31～2.38g·kg-1。荒地TN 的平均值為1.39g·kg-1，比旱地土壤略高；最低的是旱地TN 的含量，其平均值為1.31g·kg-1，兩者均屬于三級（高）水平。水田TN 含量的均值是2.38g·kg-1，是三種土壤中最高的，處于二級（很高）的水平，分別是旱地的1.82 倍和荒地的1.71 倍。由圖2 可知，水田土壤TN 含量與旱地、荒地呈顯著性差異。而荒地和旱地土壤的TN 含量雖有差別，但沒有顯著性差異。總體而言，荒地、旱地和水田土壤的全氮含量均較高。水稻土全氮含量最高，這可能與水田土壤中有大量的有機碳存在有關，并且微生物分解有機質形成了氮素，化肥的大量施用使水田有較高的TN 含量。旱地與荒地土壤全氮含量差異性不顯著，這可能是因為荒地撂荒后植被逐漸恢復，植被的逐漸恢復將對增加土壤中的TN含量產生重大影響，但由于植被生長時間不長，其生產力和地表枯落物有限，因此尚未達到顯著水平。

圖2 不同土地利用方式下土壤TN 含量特征

2.1.3 不同土地利用方式下土壤全磷(TP)含量特征

這三種土壤的TP 含量在0.25～0.72g·kg-1之間。荒地土壤作為對照，其TP 含量的均值為0.65g·kg-1，比水田土壤高，是其2.60 倍。TP 含量最高的為旱地土壤，均值為0.72g·kg-1，分別是水田的2.88 倍和荒地的1.11 倍；最低的是水田土壤，均值僅為0.25g·kg-1。按照表2的分級標準，旱地和荒地土壤處于三級（高）水平，而水田處于五級（低）水平。總體來說，水田土壤比較缺乏磷，旱地和荒地土壤磷含量均較高。由圖3 可知，荒地、旱地、水田之間的土壤全磷含量差異均達到顯著水平。土壤中全磷的含量受到多種要素的影響，主要是受土壤母質的特性、土壤形成的過程以及氣候條件的影響[11]。旱地土壤全磷含量比水田高，是由于水稻土中的磷移動性更強，流失率更大。

圖3 不同土地利用方式下土壤TP 含量特征

2.2 不同土地利用方式下土壤生態化學計量比特征

2.2.1 不同土地利用方式下土壤C/N 特征

土壤C/N 值隨不同的土地利用方式而變化，其C/N在10.59～42.24 范圍內變化。由圖4 可知，荒地、旱地、水田之間的土壤C/N 均存在顯著性差異。其中土壤C/N 最低的是荒地土壤，其均值為10.59，低于我國陸地土壤C/N 平均值(12.30)。其次是旱地土壤，C/N的均值為19.31，是荒地的1.82 倍，高于我國陸地土壤C/N 平均值(12.30)[12]。最高的為水田土壤，C/N 值為42.24，高于我國陸地土壤C/N 平均值(12.30)，其C/N 分別是旱地的2.19 倍和荒地的3.99倍。土壤C/N 在人為干擾后往往會增加，而未受干擾的土壤C/N 相對較低[13]，且當C/N 大于25 時，土壤有機碳含量相對較高，有機質處于積累的過程。

圖4 不同土地利用方式下土壤C/N 特征

2.2.2 不同土地利用方式下土壤C/P 特征

不同土地利用方式下C/P 的范圍在22.56 ～402.53，荒地土壤C/P的均值最小為22.56，低于我國陸地土壤C/P 平均值(52.70)[12]。其次是旱地土壤，其C/P 的均值為34.81，是荒地土壤的1.54 倍，也低于我國陸地土壤C/P 平均值(52.70)。C/P 均值最高的為水田土壤，均值為402.53，是旱地的11.56 倍和荒地的17.84 倍，遠高于我國陸地土壤C/P 平均值(52.70)。根據圖5 可得，水田土壤的C/P 與旱地、荒地均存在顯著性差異，但旱地與荒地土壤之間沒有顯著性差異。土壤C/P 值可以作為判斷磷的有效性，土壤C/P 比值越低，表示土壤磷的有效性越高。水田土壤的C/P 很高，這表明水田土地利用方式中有機質分解速率低，磷的有機養分轉化低，磷的有效性不高，有機質被微生物分解時會容易受磷局限[14]。

圖5 不同土地利用方式下土壤C/P 特征

2.2.3 不同土地利用方式下土壤N/P 特征

不同利用方式下N/P 的范圍在1.81 ～9.52，其中荒地土壤的N/P 均值為2.13，是旱地土壤的1.73倍，低于我國陸地土壤N/P 平均值(3.90)[12]。N/P 均值最高的為水田土壤，均值為9.52，分別是旱地的5.25 倍和荒地的4.78 倍，高于我國陸地土壤N/P 平均值(3.90)。N/P 均值最小的是旱地土壤其均值為1.81，低于我國陸地土壤N/P 平均值(3.90)。根據圖6 可知，水田土壤的N/P 與旱地、荒地之間有顯著差異性，而旱地與荒地土壤二者差異性不顯著。水田土壤的N/P 高則表明水田土壤氮素比較充足，土壤磷素的礦化能力較弱。旱地土壤與荒地土壤N/P 較低則說明研究區內土壤磷礦化作用較強，呈氮限制狀態[15]。

圖6 不同土地利用方式下土壤N/P 特征

綜上所述，水稻土的有機碳（SOC）、全氮（TN）、C/N、C/P 和N/P 含量高于旱地和荒地，而TP 則相反。其中，水稻土的SOC 和TN 含量遠高于其他土地利用類型。土壤的C、N、P 含量和生態化學計量在不同土地利用途徑中存在差異。

2.3 不同土地利用方式下土壤研究指標的相關性

土壤C、N、P 及生態化學計量特征受多種因素影響，它是人為擾動與生態系統自我調節相互作用的綜合反映。通過相關性分析探討全量養分對生態化學計量比的影響因素。由表3 可得：養分全量之間SOC 和TN 之間有極顯著的正相關關系，相關系數為0.975，這是由于土壤中SOC和TN的變化趨勢基本保持一致；TP與SOC、TN之間存在極顯著的負相關關系，是因為含有大量有機質的土壤往往對磷的固定效果較差[16]。有機質較多的土壤，固磷作用較弱，土壤全磷含量偏低。養分全量和生態化學計量比之間的相關性分析可知，C/N和C/P、N/P均呈現極顯著正相關關系，N/P與C/P、C/N與N/P均呈現極顯著正相關關系；SOC 與N/P，TN 與C/P 均呈現極顯著正相關關系；TP 與C/N 呈極顯著負相關關系。

表3 不同土地利用方式下土壤C、N、P 與生態化學計量比的相關性分析

3 結論

（1）在不同的土地利用方式下，水田土壤的有機碳和全氮含量最高，全磷含量最低；旱地土壤的全氮含量最低。

（2）水田土壤的C/N、C/P、N/P均最高，且水田與荒地、旱地均存在顯著性差異。

（3）相關性分析表明，全氮隨有機碳含量的增加而增加，全磷隨著有機碳和全氮的增加而降低；C/N隨著全磷的增加而降低，N/P隨有機碳的增加而增加。