近30年川中丘陵区不同土地利用方式土壤碳氮磷生态化学计量特征变化①

罗由林，李启权，2 *，王昌全，辛志远，王永豪，宋安军，万傲然，唐 科（ 四川农业大学资源学院，成都 60；2 四川农业大学资源与地理信息技术研究所，成都 60； 重庆大学法学院，重庆 400044）

近30年川中丘陵区不同土地利用方式土壤碳氮磷生态化学计量特征变化①

罗由林1，李启权1，2 *，王昌全1，辛志远1，王永豪1，宋安军1，万傲然1，唐 科3
（1 四川农业大学资源学院，成都 611130；2 四川农业大学资源与地理信息技术研究所，成都 611130；3 重庆大学法学院，重庆 400044）

基于1981年第二次土壤普查数据和2012年实地采样数据，分析了紫色丘陵区1981—2012年不同土地利用方式下表层土壤碳氮磷含量及生态化学计量特征变化。结果表明：研究区近 30年来土壤碳、氮含量增幅分别为109.98%、27.27%，磷含量基本稳定。1981年土壤C︰N︰P比为7.28︰1︰1，2012年C︰N︰P比为16.41︰1.37︰1。各土地利用方式土壤碳、氮含量均有不同程度提升，尤以林草地、园地提升最为明显；水田、旱地、园地土壤磷含量基本稳定而林草地下降明显；土壤C/N、C/P、N/P均有提升。30年来表层土壤碳储量明显增加，氮储量基本稳定而磷储量有所下降。

土地利用方式；碳；氮；磷；生态化学计量特征

生态化学计量学是一门研究生态系统能量平衡和多重化学元素（主要是C、N、P）平衡等对生态交互作用的科学［1-2］。作为一种新兴生态学研究领域，已成为生态学与生物化学、土壤化学研究领域的新方向，为研究土壤-植物相互作用与C、N、P循环提供了新思路［3-5］，在种群动态、养分循环、限制性元素判断、养分利用效率乃至全球C、N、P生物地球化学循环等领域得到广泛应用［6-8］，并取得许多研究成果［9-11］。其中，C与N、P等养分元素的循环过程具有相互耦合关系，强烈的影响着生态系统的C、N循环过程［12］，成为全球变化的研究热点之一。土壤作为陆地生态系统最大的有机碳库，是植物、微生物生态系统C、N、P等元素的重要来源［10］。土壤系统中的食物链正日益被当作养分循环的重要调节者，土壤C、N、P作为重要营养元素和生态环境因子，其含量变化会影响土壤中微生物数量、有机物分解速率及养分的长期积累［13-14］。因而研究土壤C、N、P的生态化学计量在养分平衡管理及C、N循环变化等方面具有重大意义。

土地利用变化和土地管理实践措施都会改变生物地球化学和生态系统C、N、P生态化学计量特征［15-16］。一方面，不同土地利用方式下进入土壤的肥料和植物残体在数量和性质上均有差异［17-19］；另一方面，耕作方式等农业管理措施差异，会通过影响土壤养分的矿化、运输、吸收利用等差异进而影响土壤C、N、P等养分循环［20-23］。随着气候变化和生态环境的恶化［24-25］，农业生产理念已发生重大改变，由高投入高产出的思想逐渐转变为更加重视农业生产与生态环境的协调，实现经济效益、社会效益与环境效益的统一［26-27］。这对农业施肥管理和土地利用方式优化提出了更高的要求。因而研究不同土地利用方式对土壤C、N、P含量及其对生态系统的长期影响对现代农业生产和生态环境保护具有迫切而重要的现实意义。

近几十年来，中国土地利用变化剧烈，生态环境状况面临严峻形势，政府对土地利用结构和方式的进行了不断调整，如在长江中上游的退耕还林工程、京津生态防护林建设、西部大开发等策略，这些势必会对土壤C、N、P及生态系统造成影响［28-30］。四川盆地属于西部大开发地区，也是中国南方典型的紫色盆地，盆地丘陵区人口密度大，土地垦殖率高，是重要的农耕区和长江水土流失重点防治区。该区已有研究多集中于土壤养分空间变异特征方面［31-32］，且多涉及为小流域或小尺度地区［33-34］，有关其土壤C、N、P长期变化及其生态化学计量特征的资料缺乏；而研究其土壤C、N、P及其生态化学计量特征变化趋势对该区土壤C、N、P调控及生态效应改善皆有重要指导作用。本研究选取川中丘陵第一大县仁寿县为案例区，通过整合该区1981年的214个第二次土壤普查数据并结合2012年实地采集的555个土样数据比较分析近30年来该区不同土地利用方式下土壤C、N、P变化及其生态化学计量特征，以期为紫色丘陵区养分动态平衡管理与生态环境的协调统一提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川盆地丘陵区（29°37′～30°20′N， 103°54′～104°29′E），面积2 606 km2，其中农业用地约占82%，人口162万，人口密度约为600人/km2，辖22个镇、38个乡，为川中丘陵区第一大县和第一人口大县。地貌以丘陵为主，海拔位于345～972 m之间，含部分低山区域（图1）。县域处于亚热带湿润性季风气候区，四季分明，雨热同期；年均气温17.4 ℃，年均降雨1 009.4 mm，年均日照时数1 196.6 h，无霜期312天。土壤母质除有少量第四系老冲洪积物外，主要为侏罗系、白垩系和三叠系出露的紫色岩层；主要发育土壤类型为紫色土、水稻土、黄壤。土地利用方式包括耕地、园地、林草地等，土地利用程度较高。20世纪 80年代全区森林覆盖率约为 4.70%，到 21世纪初恢复达到 19.96%，是长江上游人口最为密集的典型农业区和水土流失重点防治区。

图1 研究区位置、采样点分布图及土地利用现状Fig. 1 Basic geographic information of study area， spatial distribution of soil sampling sites， and map of land use types

1.2 数据来源

研究区1981年土壤数据来自于第二次全国土壤普查时采集的典型土壤剖面。这些典型土壤剖面数据资料记录在《仁寿土壤》、《四川土壤》、《区域土壤地理》等资料中，每一个剖面都较详细地记录了该土壤剖面的采样地点、成土母质、土壤类型、地形特征、土地利用方式以及土壤理化性质等信息。本研究通过收集整理这些资料，建立了该区第二次全国土壤普查的典型土壤剖面数据库，并结合行政区划、居民点空间分布数据、土壤类型图、母质图、植被类型图、30 m分辨率DEM和1︰1万地形图等辅助资料对各剖面点位置逐一进行了定位［35］，尽可能使各土壤剖面的位置接近原采样点位置，同时使定位处的环境条件符合各土壤剖面记录的环境信息；共整理获得214个具有相对准确位置信息的典型剖面（图1）。

1.3 样品采集

2012年数据在根据研究区的实际情况并考虑样点代表性与空间分布均匀性的基础上，结合研究区成土母质、土壤类型和土地利用方式等资料进行采样点布设，在全县共计采集表层（0 ～ 20 cm）土壤样点558个（图1）。每一采样点周围5 m范围内取4个点，混合后以四分法取样。采样的同时记录每个采样点的地理坐标、海拔、成土母质、土地利用方式、土壤类型、种植制度和施肥状况等地表环境信息。土壤样品在室内自然风干后，去除石砾和根系等杂物，研磨过100目筛待测。

1.4 实验方法

土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾外源加热法测定，总磷（TP）含量采用钼锑抗比色法测定［36］；总氮（TN）含量采用Foss Kjeltec8400全自动凯氏定氮仪进行测定。

1.5 数据处理

利用均值 ± 3 倍标准差的方法剔除了 2012 年的 3 个异常样点数据，用 1981 年的 214 个样点数据和 2012 年剩余的 555 个样点数据进行分析。文中图表制作在 Excel 2010 实现，基本统计特征、方差分析等均在 SPSS 20 完成。

1.6 土壤碳氮磷储量计算方法

本文土壤C、N、P储量估算方法如下：

式中：S为土壤有机碳（全氮、全磷）储量（单位：t/hm2）；C为有机碳（全氮、全磷）含量（单位：g/kg）；ρ为土壤容重（单位：g/cm2）；D为土层厚度（单位：cm）；A为面积（单位：km2）。

2 结果与分析

2.1 土壤碳氮磷含量及其相关关系

统计结果显示（表1），30年来该区C含量（即有机碳）由6.41 g/kg上升到13.46 g/kg，增幅109.98%；N含量（即全氮）由0.88 g/kg上升到1.12 g/kg，增幅27.27%；P含量（即全磷）在1981年为0.89 g/kg，到2012年为0.82 g/kg，基本稳定。C、N、P含量的不同变化特征，引起C︰N︰P三者间比例关系发生较大变化，1981年C︰N︰P比约为7.28︰1︰1，2012 年C︰N︰P比为16.41︰1.37︰1。其中土壤C/N由6.85上升到 11.93，增幅 75.96%；相关系数由 0.71降至0.68。N/P由1.15升到1.69，增幅46.96%。N/P 由8.25上升到21.67，增幅162.67%。全区土壤C/N、C/P、N/P之间的比例关系均有提升，而相关系数均有不同程度的下降（图2）。

表1 不同时期土壤C、N、P含量及比值Table1 Descriptive statistics of contents and ratios of soil carbon， nitrogen and phosphorous contents in different years

图2 1981年和2012年研究区土壤C、N、P相关关系Fig. 2 Correlations of soil carbon， nitrogen and phosphorus in 1981 and 2012

2.2 不同土地利用方式土壤碳氮磷含量变化

不同土地利用方式下的土壤C、N、P呈现出不同的变化特征（表2）。1981年各土地利用方式间C含量差异明显，表现为水田＞林草地＞园地、旱地；2012年表现为水田、林草地＞园地＞旱地；30年来，各土地利用方式土壤 C含量均大幅增加，水田与林草地之间C含量已无明显差异，园地与旱地之间C含量已有显著差异。N含量也有显著变化，1981年N含量为水田＞林草地、旱地、园地；2012年表现为水田＞林草地＞园地＞旱地，30年来林草地、园地N含量明显变化，与C呈现出类似的变化趋势。P含量变化与C、N含量变化不同，1981年仅园地与林草地之间P含量存在显著差异。2012年P含量为：园地、旱地＞水田＞林草地。2个时期P含量均以园地最高，林草地最低，30年来旱地、园地、水田P含量基本稳定，林草地显著下降。

总体来看，30年来不同土地利用方式C含量均有显著增加；水田、园地、林草地 N含量显著增加而旱地增长不明显；P含量在林草地明显下降，在水田、园地、旱地均无显著变化。

表2 不同土地利用方式土壤C、N、P含量统计特征Table2 Descriptive statistics of soil carbon， nitrogen and phosphorous contents under different land use types

2.3 土壤碳氮磷化学计量学特征

土壤C、N、P生态化学计量学能揭示生态系统中各组分养分比例调控机制，认识养分比例在生态系统过程和功能中的作用，利于揭示元素间相互作用与制约规律。近30年来，不同土地利用方式C、N、P含量的变化显著影响着土壤 C︰N︰P比值关系（表3）。1981年各土地利用方式下土壤C/N表现为：水田、林草地＞旱地、园地；水田与林草地、旱地与园地C/N接近，但水田、林草地土壤C/N显著高于旱地、园地。C/P表现为水田＞林草地、旱地、园地，N/P表现为水田＞林草地、旱地、园地；水田 C/N、C/P均显著高于林草地、旱地、园地，而旱地、园地、林草地C/P之间无显著差异。2012年不同土地利用方式C/N、C/P、N/P发生变化。其中C/N为：林草地＞水田＞园地、旱地。C/P为：林草地、水田＞园地、旱地。N/P为林草地、水田＞园地、旱地。土壤C/N、C/P、N/P在1981年均以水田最高，园地最低，在2012年以林草地最高而旱地最低。

不同土地利用方式土壤 C/N、C/P、N/P变化幅度呈现不同变化特征。30年来水田和林草地 C/N、C/P、N/P均大幅提升。旱地 C/N、C/P大幅提升，N/P基本保持稳定。园地C︰N︰P比值均有提升。各种土地利用方式下C/P均大幅增长，其中林草地、园地增长约2倍，水田、旱地增长约1倍。水田C/N、N/P增幅均较小；旱地C/N增幅均较大而N/P基本保持稳定。这与不同土地利用方式土壤C、N、P含量变化幅度的差异息息相关。

表3 不同土地利用方式下土壤C、N、P关系Table3 Correlations of soil carbon， nitrogen and phosphorous contents under different land use types

2.4 土壤碳氮磷储量的变化

据《仁寿土壤》记载，1981年该区土壤容重平均值为1.44 g/m3，根据该区土壤有机质含量与土壤容重间的对应关系，2012年土壤容重平均值为1.13 g/m3。全区农业用地面积约2 135 km2；估算得到其土壤C、N、P储量信息（表4）：1981年该区农业土壤C储量约3.94×106t，2012年约6.96×106t，30年间储量增幅64.74%。N储量在1981年约5.41×105t，2012年约为5.40×105t，储量相对稳定。P储量在1981年约为5.41×105t，2012年约为3.96×105t，降幅26.80%。 30年来，表层土壤C储量上升，N储量相对稳定，P储量下降，表层土壤C、N、P含量呈现出不平衡变化；C、N、P储量变化幅度明显低于C、N、P含量变化幅度。

表4 不同时期土壤C、N、P储量Table4 Carbon， nitrogen and phosphorous storages in different years

3 讨论

3.1 对土壤碳氮磷含量的影响

近30年来，不同土地利用方式下的土壤C、N、P呈现出不同的变化特征。各土地利用方式土壤C含量均大幅增加，并引起不同土地利用方式之间 C含量差异改变；其中林草地与水田之间 C含量已无显著差异，园地 C含量显著高于旱地，反映出林草地与园地土壤C含量明显上升，C储能力显著。这主要是自然土壤受人为翻耕影响小，C汇作用较为明显［37］。林草地、园地N含量明显变化，与C呈现出类似的变化趋势，显示出园地、林草地C、N之间有着较好相关性。这主要是随着时间推移，植被生产力的恢复和提升，大量地上凋落物归还土壤，有机碳易于累积增长，而土壤中 N素多以有机氮的形态存在于有机质中，林草地C、N之间又具有良好的相关性，进而N含量也会随C含量增加而增加［38］。

P含量变化与C、N含量变化不同，表现为旱地、园地、水田P含量基本稳定，主要是旱地、园地、水田土壤有一定P肥补充且P作为沉积性矿物，较为稳定；林草地显著下降。这主要与该区林草地多源于退耕还林有关和植物生长年限有关，有研究显示随着植被生长年限的增加表层土壤P含量会呈现出现上升后下降的趋势［34，39］。总体来看，30年来不同土地利用方式土壤C含量均有显著增加；水田、园地、林草地 N含量显著增加而旱地增长不明显；P含量在水田、园地、旱地均无显著变化，林草地 P含量明显下降。

3.2 对土壤碳氮磷化学计量的影响

土壤C、N、P三者之间存在着相互平衡与制约的关系，土壤C︰N︰P化学计量比值差异能反映并影响这种关系；土壤 C/N主要通过影响微生物活性来影响有机质分解速率，进而影响土壤C、N循环；N/P可作为N饱和的诊断指标，并被用于确定养分的阙值。在这项研究中，研究区近30年来，不同土地利用方式土壤C︰N︰P比值呈现出不同变化特征（表3）。其中，水田C/P、N/P增加，水田C/N、C/P、N/P相关系数（R2）均明显下降，表明水田在30年来N素施用量明显增加，而有机碳增长速度相对减缓，继续增施N肥对提升C储量意义甚微，其土壤N素持有水平基本已经饱和，并可能存在施N过量的现象［40］；同时长期以来虽存在着偏施N肥而相对忽视P肥投入的现象，但P素仍旧保持稳定水平，这主要与西部紫色丘陵区土壤P背景值较高有关。旱地C/N、C/P增加，N/P基本保持稳定。旱地有机碳提升明显，全N、全P含量基本处于稳定状态，30年来旱地土壤肥力状况有所改善。

园地 C/N、C/P、N/P均有不同程度的增加，C︰N︰P比例关系明显改善。这与园地C、N含量明显增加而P含量基本稳定有关。园地土壤C︰N相关系数有较大提升，反映出园地土壤C、N关系呈良性发展态势。林草地 C/N、C/P、N/P均有大幅提升，其中C/P增长高达2倍，这主要与林草地C、N含量大幅提升而P含量明显下降和植被凋落物N/P变化有关；已有长期观测研究显示，随着植物生长，新鲜凋落物和腐殖质的 N/P将增加［34］，凋落物进入土壤引起林草地土壤N/P相应上升。这反映出林草地近30年来固C能力稳步提升，植被对土壤P的消耗量高于其生产补给量，土壤P含量制约着整个林草地C︰N︰P关系。各种土地利用方式下C/P值均大幅增长，其中林草地、园地增幅约2倍，水田、旱地增幅约1倍。园地C/N增幅最大，林草地N/P增幅最高，水田 C/N、N/P增幅均较小；旱地 C/N增幅均较大而N/P基本保持稳定。这与各土地利用方式土壤C、N、P含量变化幅度密切相关，其C、N、P含量变化影响着C︰N︰P三者之间的比值关系，同时C︰N︰P三者之间的比值关系通过影响其养分有效性进而作用于土壤C、N、P含量变化。

4 结论

研究区近30年来C、N含量均有不同程度增长，P含量相对稳定。C/N、C/P、N/P也表现出不同程度的上升，尤以N/P增至1981年的3倍，但其相关系数总体均呈现出下降趋势。不同土地利用方式下土壤C、N、P含量及C︰N︰P比值关系呈现出不同的变化特征。C、N含量均以林草地、园地增幅最为明显，P含量除林草地明显下降外，水田、旱地、园地均基本稳定。各土地利用方式土壤 C/N、C/P、N/P均有不同程度上升，旱地土壤C、N、P关系变化相对稳定而园地C、N、P之间的关系显著改善；林草地土壤C、N储量明显提升。近30年来该区表层土壤C储量明显增加，N储量基本稳定，P储量有所下降。

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Last 30a Changes of C， N and P Ecological Stoichiometry of Different Land Use Types in Hilly Area of Mid-Sichuan Basin， Southwest China

LUO Youlin1， LI Qiquan1，2 *， WANG Changquan1， XIN Zhiyuan1， WANG Yonghao1，SONG Anjun1， WAN Aoran1， TANG Ke3
（1 College of Resources， Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130， China； 2 Institute of Resources and Geography Information Technology， Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130， China； 3 Law School， Chongqing University，Chongqing 400044， China）

Based on the 2ndNational Soil Survey Data in 1980s and the measured data of 555 soil samples （0-20 cm） in 2012， the changes of C， N and P ecological stoichiometry of different land use types over 30 years were analyzed in this paper. The results showed that soil carbon and nitrogen increased by 109.98% and 27.27% respectively， while phosphorus content remained stable in the last 30 years. Soil C︰N︰P ratio of 1981 was 7.28︰1︰1 and was 16.41︰1.37︰1 in 2012. The contents of soil carbon and nitrogen all increased in each land use type， especially in forest and grassland and garden； the contents of soil phosphorus retained stable in paddy field， dry land and orchard while decreased significantly in forest and grassland. Soil C/N，C/P and N/P increased in each land use type. In the last 30 years， carbon storage of topsoil increased significantly， nitrogen storage remained stable and phosphorus storage declined.

Land use type； Carbon； Nitrogen； Phosphorous； Ecological stoichiometry

S152.4；S153.6

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.016

国家自然科学基金项目（4120124）和四川省科技支撑计划项目（四川省-中科院合作项目2012JZ0003）资助。

（liqq@lreis.ac.cn）

罗由林（1990—），男，四川乐山人，博士研究生，主要研究方向为土壤资源环境。E-mail： S20132717@163.com