苏北滩涂围垦区土壤碳氮磷含量及其生态化学计量特征

朱凤武，徐彩瑶，濮励杰，陈一铭，王小涵

（1.江苏省土地勘测规划院，江苏 南京 210024；2.国土资源部海岸带开发与保护重点实验室，江苏 南京 210023；3.南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023）

1 引言

生态化学计量学是近年来新兴的生态学研究领域，是生态学与生物化学、土壤化学研究领域的新方向。目前，碳（C）、氮（N）、磷（P）生态化学计量（C∶N∶P）特征的研究受到国内外学者的广泛关注，是研究土壤—植物相互作用与碳、氮、磷循环的新思路[1]。Redfield早在1934年关注浮游生物和海水中的有机衍生物，后于1958年刊文表明浮游生物和海水中C∶N∶P均接近106∶16∶1，这一比例被称为“Redfield 比值（Redfield ratio）”[2-3]。2002年出版的Ecological stoichiometry:The biology of elements from molecules to the biosphere，正式标志着生态化学计量学理论的建立，成为联系分子水平化学过程与生态系统水平生态过程的有效工具[4]。随后，许多学者开展了一系列碳氮磷生态化学计量特征研究，试图分析陆地生态系统中生物和土壤的C∶N∶P是否存在与海洋生态系统相似的规律[5-7]。Cleveland和Liptzin总结了全球土壤碳氮磷的化学计量特征[8]；Tian等研究发现中国整体土壤的C∶N、C∶P、N∶P的平均比值为11.9、61和5.2，C∶N∶P基本在60∶5∶1[9]；张仲胜等分析了中国湿地土壤C∶N、C∶P和N∶P的质量比为15.62、94.92和6.14，高于中国及世界土壤中C∶N、C∶P和N∶P的平均值[10]。土壤C∶N∶P研究可以揭示土壤C、N、P的循环和平衡机制，从而对揭示生态系统过程影响因素及其作用机制，加深对生态系统碳汇潜力及其对气候变化的响应的认识，具有重要的生态指示作用[11]。

沿海围垦区处于海陆交错带，经历着以自然景观为主的自然湿地生态系统演变为以人工景观为主的人工陆地生态系统的过程，是一个系统平衡被打破后逐渐再重塑的生态敏感区。滩涂湿地的围垦有助于缓解人地矛盾，促进区域经济发展，同时会严重破坏滨海湿地的生态结构和功能及其生态平衡。江苏省海岸线绵延954 km，滨海湿地面积约占中国湿地面积的1/4，面积约为9.97×103 km2[12]，是中国集中连片面积最大、生态类型最为齐全且淤长速度最快的滩涂[13]，且每年以较快的速度向外淤长[14]。2009年国务院通过的《江苏沿海地区发展规划》计划到2020年围垦江苏沿海湿地面积近1800 km2，主要围垦区域集中在射阳、大丰、东台和如东，其中东台市是围垦规模最大的区域[15]。高强度、大规模的围垦活动导致沿海滩涂地区土地利用方式发生剧烈变化，而土地利用方式的改变将打破原有的碳氮磷平衡，从而显著地影响滩涂湿地生态系统的生物地球化学循环过程。本文以江苏省东台围垦区为例，分析围垦区土壤C∶N∶P特征变化特征，以期深入理解人类围垦活动对土壤性质演变过程的影响，这不仅有助于揭示围垦对土壤性质的影响，也为今后开展围垦活动影响下土壤碳固定、养分循环等研究以及沿海土地资源的可持续开发利用管理模式的制定提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

江苏省东台滩涂围垦区（32°40′00″—32°52′00″N，120°45′00″—120°57′00″E），位于长江和黄河入海口之间，拥有丰富的泥沙沉积物来源，属于亚热带海洋性季风气候，降雨主要集中在6—8月，雨热同季，四季分明，年均降水量为1051.0 mm，年均气温14.6℃。围垦后土地主要用于农、渔业开发，以及少量林业和工业。耕地主要种植作物有水稻、小麦、大豆、油菜和玉米，采用一年两季轮作模式。

2.2 样品采集与测定

基于“时空替代法”，按照围垦时间序列选择蹲门垦区（1956年完成围垦）、长三角垦区（1971年完成围垦）、新东垦区（1980年完成围垦）、三仓片垦区（1997年完成围垦）、梁南垦区和弶东垦区（2009年完成围垦）、方南垦区（2001年完成围垦）、条子泥垦区（2013年完成围垦）7个垦区以及堤外未围垦的自然滩涂（光滩，CK）为研究对象，土地利用类型包括林地和耕地（大豆—小麦轮作）。野外采样于2016年1月进行，采样前后天气晴朗无雨，在各垦区内不同土地利用类型内选取3个样点并重复取样，各样点去除表层覆被，利用内径为50 mm的土钻采集两个0—100 cm的土柱，按照20 cm间隔进行现场分层切割，两个土柱同层混合后，分别装入编号的自封袋中，并记录土壤剖面状况及周围植被状况。所有土样经自然风干后过2 mm筛，装入自封袋保存备用。

土壤全氮（TN）的测定使用CHN-O-Rapid元素分析仪（德国Heraeus公司），精密度CN≤±0.3%。土壤有机碳（TOC）的测定采用低温外热重铬酸钾氧化—比色法，土壤全磷（TP）的测定采用浓硫酸—高氯酸消煮，钼锑抗比色法。

2.3 数据处理与分析

土壤碳氮磷生态化学计量特征包括TOC∶TN（C∶N），TOC∶TP（C∶P）和TN∶TP（N∶P）。借助SPSS 18.0统计软件对单一要素间进行单因素方差分析，然后对整体结果进行多因素方差分析，利用SNK法（或Games-Howell法，方差非齐性时采用）检验比较不同土壤深度、围垦时间和土地利用方式对土壤TOC、TN和TP及其生态化学计量特征影响的显著性。基于一般线性模型 （General Linear Models，GLM），引入偏Eta平方值（Partial Eta Squared，pη2）来分析围垦时间、土地利用方式和土壤深度及其交互作用对土壤碳氮磷及其生态化学计量特征变异的贡献率大小，当1%＜pη2＜6%表示低度影响效应，6%＜pη2＜14%表示中度影响效应，pη2＞14%表示高度影响效应；将pη2转换为百分率后即为变异贡献率[16-17]。利用R语言（R version 3.4.0，R Core Team）进行Pearson相关分析。

3 结果与分析

3.1 沿海滩涂围垦区土壤碳氮磷含量变化特征

围垦活动影响下土壤TOC和TN逐渐升高且在围垦后7—15年，土壤TOC和TN增长幅度加大，而TP含量出现下降的趋势。土壤深度、围垦年限和土地利用方式均对土壤TOC含量产生极显著的高度影响效应（P＜0.001），贡献率分别是63.03%、35.71%和34.69%（表1）。经过60年的围垦开发，0—100 cm土壤TOC含量由光滩的0.764 g/kg升至3.66 g/kg，其中0—20 cm土壤TOC含量由0.718 g/kg升至8.083 g/kg，且围垦后45年内40—100 cm土壤TOC仍维持在较低水平。不同土地利用方式下土壤TOC的总体趋势为林地＞耕地＞草地＞光滩，同一围垦年限下土壤TOC含量表现为林地高于耕地。

不同土壤深度、围垦年限和土地利用方式下土壤TN含量均呈现极显著差异（P＜0.001），三大影响因素的贡献率分别是63.69%、46.54%和9.6%；围垦年限和土地利用方式的交互作用具有极显著的高度影响效应（P＜0.001）（表1）。围垦60年后，0—100 cm土壤TN含量从光滩的0.152 g/kg增至0.534 g/kg，其中0—20 cm土壤TN含量由0.127 g/kg升至1.052 g/kg。不同土地利用方式下，0—100 cm土壤TN含量排序为林地＞耕地＞草地＞光滩。

土壤TP含量在不同土壤深度下呈现极显著差异（P＜0.001），且土壤深度对其影响的贡献率为15.3%，而土地利用方式和围垦年限对其无显著影响（P＞0.05），围垦年限和土地利用方式的交互作用具有高度影响效应（P＜0.05）（表1）。围垦活动影响下，0—100 cm土壤TP含量呈现小幅度波动变化，由光滩的0.739 g/kg先减后增至最大值（围垦后35年，0.762 g/kg）最后在围垦后60年降至最低值0.681 g/kg，其中0—20 cm土壤TP含量也经历了先增后减的变化趋势，由0.676 g/kg升至最高值（围垦45年的耕地土壤，1.044 g/kg）后于围垦后60年降至0.865 g/kg。

表1 围垦年限、土地利用方式和土壤深度对土壤碳氮磷及其生态化学计量特征的影响和贡献率Tab.1 Effects of reclamation year, land use/cover type and soil depth on soil TOC, TN, TP and C∶N∶P

3.2 沿海滩涂围垦区土壤碳氮磷生态化学计量特征变化

随着围垦年限的增加，土壤C∶N呈现波动变化（林地和草地要高于耕地和光滩），但整体相对较为稳定；土壤C∶P和N∶P的变化趋势相似，随着围垦年限的增加而升高。多因素方差分析表明，土壤C∶N受土地利用方式的极显著影响（P＜0.001），围垦年限和土壤深度对其产生显著影响（P＜0.01）；土地利用方式、围垦年限和土壤深度的贡献率分别是63.28%、12.23%和11.87%，土壤深度和土地利用方式的交互作用亦具有极显著的高度影响效应（P＜0.001）（表1）。总体看来，0—100 cm土壤C∶N先升高后降低，在围垦15年达到最大（均值为7.123），比值总体在6.67左右波动：随着围垦年限的增加，土壤C∶N由5.115变为6.225；林地与草地的C∶N值（均值在8左右）高于耕地和光滩的C∶N（均值在5左右），且林地和草地之间差异不显著（P＞0.05）。光滩和耕地土壤C∶N随着土壤深度的增加而减少，草地和林地土壤C∶N常表现为20—100 cm高于0—20 cm。0—20 cm土壤C∶N经过60年的围垦活动由5.581增至7.675。

土壤C∶P受土壤深度、围垦年限和土地利用方式的高度影响（P＜0.001），三大影响因素的贡献率分别为55.76%、41.04%和35.27%；土壤深度及围垦年限和土地利用方式的交互作用亦具有显著影响效应（P＜0.05），其中土壤深度与土地利用方式的交互效应更大（表1）。随着围垦年限的增加，土壤C∶P由1.041升至5.082。不同土地利用方式下土壤C∶P趋势为林地＞耕地＞草地＞光滩，且随着土壤深度的增加而减少。0—20 cm土壤C∶P在60年的人类围垦活动影响下由1.052增至9.440（林地为11.601）。

土壤N∶P受土壤深度、围垦年限和土地利用方式的影响（P＜0.001），三者的贡献率分别为55.19%、51.55%和10.64%（表1），围垦年限和土地利用方式的交互作用有极显著的高度影响效应（P＜0.001）。随着围垦年限的增加，土壤N∶P从0.206增至0.752，不同土地利用方式下的趋势为林地＞耕地＞草地＞光滩。0—20 cm土壤N∶P在60年的人类围垦活动影响下由0.188增至1.221。

4 讨论与结论

4.1 沿海滩涂围垦活动对土壤碳氮磷含量的影响

土壤养分元素的来源决定了其影响因素：土壤碳和氮主要来源于植物地上地下凋落物的分解，其含量受植被、气候、人为活动等影响较大；土壤磷主要来源于岩石风化，其含量大小更大程度上取决于土壤母质，受人为影响较小[18]。在60年的围垦开发活动影响下，0—100 cm滩涂土壤TOC和TN逐渐升高，这主要是由于人类耕作活动（如秸秆还田、化肥施用等）使得碳氮的输入量大于流失量。随着围垦年限的增加，滩涂表层土壤碳氮含量不断增加的情况在其他研究者的分析中得到验证，如江苏省如东围垦区耕地土壤[13]、江苏省东台围垦区耕地土壤[19]、西班牙北部的比斯开湾[20]。围垦活动下0—100 cm土壤TP含量出现轻微下降的总体趋势，这一结果与高建华等[21]的研究一致，这主要是在小尺度的研究区内，土壤母质可能相同，磷素由于人类扰动加速土壤有机磷的分解并随着地表径流而流失，甚至流向光滩，使得光滩TP含量高于围垦后土壤。同一围垦年限下林地土壤TOC和TN含量高于耕地，这主要是由于林地内凋落物丰富且人类干扰较小，而人类耕作活动对耕地土壤的扰动使得耕地土壤碳氮损失。此外，有学者针对围垦活动下土壤质量变化轨迹进行刻画得出，围垦60年来土壤质量经历急剧提高（10年）—相对稳定（10—30年）—持续提高（40—60年）的过程[22]。同时张晶等亦指出围垦10年是土壤养分变化的转折点[13]，本文中土壤TOC和TN在围垦后7—15年增长幅度加大也印证了这一点。

土地利用变化是人类活动在地球表层系统最直接的体现。围垦年限和土地利用方式是围垦活动在陆海梯度上的时空表征：随着围垦年限的增加，人类活动强度加大，土地利用方式发生着相应的变化；两者之间密切相关，是引起土壤养分变化的主要因子。土壤深度是影响土壤养分垂直分布的重要因素。本文分析了围垦年限、土地利用方式以及土壤深度对TOC、TN和TP含量变化的影响及贡献率表明，土壤深度在滩涂围垦区的影响最大。土壤深度对碳氮磷储量的影响适用于多种地貌类型或地理环境，多数养分含量随着土壤深度的增加而减少[23]，有学者对黄土丘陵区[24]和黄河三角洲区域[25]的研究亦指出，土壤TOC和TN随着土壤深度的增加而降低，而土壤TP变化较为稳定，与本文结果一致，但人类活动（围垦年限和土地利用方式）对土壤碳、氮、磷元素的储量及其循环过程也有着深刻影响。邵学新等[26]和吴明等[27]指出土地利用方式的变化是影响杭州湾湿地土壤TOC的主要原因；许鑫王豪等[28]表明盐城滨海湿地光滩的TOC为0.69 g/kg，与本文结果接近，其研究还指出，光滩TOC含量明显低于其他有植被覆盖的潮滩，且互花米草滩最大（10.34 g/kg），可以看出土地利用与覆被变化对土壤TOC含量产生较大影响。对不同土地利用方式下土壤TOC、TN和TP进行相关分析表明，TOC和TN在各土地利用方式下均表现出极显著的正相关，Yang等[29]也指出这种关系存在于其他的生态系统和不同的演替阶段中；TN与TP以及TOC和TP在耕地和林地下才表现出极显著的正相关，且相关系数较低，这一点与王维奇等[30]在闽江河口的研究一致。

4.2 沿海滩涂围垦活动对土壤碳氮磷生态化学计量特征的影响

土壤 C、N、P 三者之间相互平衡、相互制约，土壤C∶N∶P生态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繁殖和活动来影响有机质分解速率，从而影响土壤C、N循环，是评价土壤质量的重要指标[10]；土壤N∶P可作为N饱和的诊断指标，并被用于确定养分的阈值。微生物需要C∶N约为25∶1的底物来满足它们的需氮量[18]，且当C∶N在15—25时，有机质供肥状况优越，C∶N较小时，微生物分解活动能力增强而使土壤有效养分增加[31]。经过60年的围垦开发，研究区土壤C∶N总体在6.797左右，表明土壤有机质供肥状况较差，但微生物分解活动能力较强而使土壤有效养分增加。此外，多数情况下，土壤C∶N波动不大，且在不同土壤深度无显著差异，主要是因为C、N具有极显著的正相关关系，对环境变化的响应几乎同步，研究[8，22，29]指出这种关系存在于不同生态系统和演替阶段中。同时，光滩和耕地土壤C∶N随着土壤深度的增加而减少，草地和林地土壤C∶N常表现为20—100 cm高于0—20 cm。研究表明土壤C∶N与有机质分解速率成反比[32]，基于此，本文中光滩和耕地深层土壤具有较高的碳固存能力，而草地和林地表层土壤碳固存高于深层。土壤N∶P和C∶P在不同土壤深度、土地利用方式以及围垦年限下的变化趋势较为一致，且均表现为随着土壤深度的增加而减少，这主要归因于土壤TOC和TN含量之间的高度协同关系。同一围垦年限下林地土壤C∶P和N∶P要高于耕地，说明林地土壤更易受到磷素的限制，而耕地常由于人为施肥等耕作管理措施为其提供了更多的磷素来源。

土壤C∶N∶P主要受区域水热条件和成土作用特征的控制，由于气候、地貌、植被、母质、年代、土壤动物等土壤形成因子和人类活动的影响，土壤C、N、P总量变化大，使得土壤C∶N∶P的空间变异性较大[32]。本文以土地利用方式和围垦年限来表征人类活动强度，比较了土地利用方式、围垦年限和土壤深度之间对土壤C∶N∶P变异的贡献大小，其中，土地利用方式对土壤C∶N的影响最大，说明C∶N对土地利用变化的响应较敏感。周正虎等[11]对东北温带幼龄林的研究指出，N∶P作为土地利用变化的敏感指标要优于C∶N和C∶P，造成这种差异的原因可能是研究区的不同。土壤深度对土壤N∶P和C∶P的影响最大，均超过了55%，主要是因为土壤深度对TOC、TN和TP都产生了最大的影响。本文仅分析了围垦活动下土壤TOC、TN和TP含量以及C∶N∶P的变化，对影响这一变化的外在因子（如气候、植被、土壤其他物理化学性质等）均未涉及，为更加深刻揭示这一区域土壤C∶N∶P特征变化机制，后续应结合多种物理、化学和生物因素加以分析。

4.3 结论

（1）人类围垦活动促进滩涂土壤TOC和TN的积累，对TP的影响较小。在60年的围垦开发影响下，0—100 cm土壤TOC含量由0.764 g/kg升至3.66 g/kg，TN含量从0.152 g/kg增至0.534 g/kg，TP含量由0.739 g/kg降至0.681 g/kg，而0—20 cm土壤中TOC、TN和TP含量分别从0.718 g/kg、0.127 g/kg和0.676 g/kg升至8.083 g/kg、1.052 g/kg和0.865 g/kg。不同土地利用方式下土壤TOC和TN含量的总体趋势为林地＞耕地＞草地＞光滩。

（2）经过60年的围垦活动，0—100 cm滩涂土壤C∶N先升高后降低，总体在6.797左右波动，C∶P由1.041升至5.082，N∶P从0.206增至0.752，0—20 cm土壤C∶N、C∶P和N∶P经过60年的围垦活动分别由5.581增至7.675，由1.052增至9.440，由0.188增至1.221。不同土地利用方式下土壤C∶N、C∶P和N∶P的总体趋势为林地＞耕地＞草地＞光滩。

（3）围垦后60年土壤碳氮含量仍低于全国和全球的平均水平，土壤有机质供肥状况较差。土壤深度对TOC、TN和TP含量变化的影响及贡献率高于围垦年限和土地利用方式；围垦年限和土地利用方式对土壤TOC和TN含量产生极显著的高度影响效应，但对TP含量无显著影响。

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