石漠化区退耕植桑地土壤养分与生态化学计量特征

邢 丹，肖玖军，王晓红，张 芳，韩世玉*，罗朝斌

(1.贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业科学院 蚕业研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001)

【研究意义】生态化学计量学是研究生态系统多重化学元素平衡的科学，对研究退化生态系统稳定性以及植被恢复过程中土壤-植物相互作用提供新思路[1-2]。土壤C、N、P是土壤养分的主要组成部分，是衡量土壤肥力的重要指标，研究其生态化学计量特征对植物功能、指示土壤养分循环与平衡等具有重要意义[3]。C/N和C/P反映植物生长速度[4-5]，并分别反映土壤有机质分解速度和磷有效性高低[6]，N/P可表征养分对生产力的限制性作用[7]。【前人研究进展】近年来，针对不同类型土壤化学计量比研究较多[2,8]。在不同区域与生境下，由于气候、植被、母岩、年代、人类活动等因子影响，土壤C、N、P含量变化很大，使得生态化学计量比存在时间与空间的变异性[9-10]。有研究显示，喀斯特石漠化地区土壤C、N、P元素是养分循环与转化的核心，调节和驱动整个生态系统演替过程[11]。因此，研究土壤生态化学计量特征，为探讨石漠化演变驱动机制及生态系统恢复重建提供科学支撑[12]。石漠化地区地表干旱缺水、土被不连续、水土流失严重、土壤富钙偏碱缺磷，选择具有旱生、石生、保水土、喜钙特点的植被进行退耕还林，是该地区生态环境治理的关键[13]。实施退耕还林，能够明显改善土壤养分及有机质含量，并有效遏制水土流失等问题[14]。吴东等[15-16]研究发现，通过退耕还林等措施，三峡库区土壤养分流失得到有效控制，对小流域的水土流失控制和土壤改良作用明显。而不同种类植物因生物特性的差异，对养分的吸收利用有所不同，导致不同退耕还林模式对土壤养分改善存在显著差异[17]。桑树(MorusalbaL.)作为一种速生树种，根系发达，具有石生、耐瘠、喜钙、耐碱及抗旱等特性，在绿化荒山、治理水土流失等生态治理方面作用显著，成为脆弱生态区退耕还林重要的先锋植物之一，现已被作为一种生态经济效益显著的重要树种广泛种植于石漠化地区[18-19]。高福军等[20]研究发现，山地桑园具有改善土壤性状及固土保土效益显著。谢雪东等[21]研究发现，桑树作为植物篱，在一定程度上能够控制土壤养分流失，提升土壤养分含量。【本研究的切入点】然而，土壤养分是植物营养的主要来源，探讨时间尺度上土壤养分元素及其化学计量比格局对群落恢复与经营管理有重要意义[11,22]。因此，本研究提出如下假设：桑树作为石漠化区退耕还林的先锋植物，在退耕数年后，土壤性质明显得到改善并呈现稳定状态，而且土壤养分元素间分配较为均衡。根据课题组前期调研实际情况，笔者等采用以“空间代替时间”的方法[23]，将退耕还林1年桑园作为对照，研究还林10年桑园土壤养分元素C、N、P、K、Ca及其计量化学特征在不同季节、不同剖面层变化情况。【拟解决的问题】揭示退耕还林过程中土壤的恢复特征，旨在为进一步优化石漠化地区桑园管理提供的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省毕节市七星关区清水铺镇研究区位于27°41′12″N，105°33′49″E，属亚热带季风性湿润气候区，年均气温14 ℃，年均降雨量900 mm，海拔470 m。黔南州荔波县洞塘乡研究区位于25°15′ 12″ N, 108° 03′ 06″ E，属亚热带季风性湿润气候区，年均气温19.7 ℃，年均降雨量1263 mm。

1.2 研究方法

利用“空间代替时间”方法，比较不同退耕还林时间的桑园其土壤养分元素及其计量化学特征在不同季节、不同剖面层变化情况。以黔南州荔波县洞塘乡研究区的退耕还林1年桑园为对照，毕节市七星关区清水铺镇研究区的退耕10年的桑园为研究对象。退耕10年的桑园所种桑树于2006年引进桑苗移栽，当地农民为了养蚕分别于立春前后和7月初对桑树进行春伐和夏伐，直至2013年开始停止对桑树伐枝，桑树处于自然生长状态[24]。

1.3 样品采集

分别于2015年1、4、7和10月在研究区(毕节，退耕10年桑园)和对照区(荔波，退耕1年桑园)两地桑园进行土壤样品采集。每个样地分别采集0～10、10～20和20～30 cm的剖面土壤样品，挑出植物根系等杂物，风干、研磨、过筛后装入密封袋，供室内分析使用。

1.4 测定指标

土壤pH值采用水土比1∶2.5玻璃电极法测定，土壤有机碳用 K2Cr2O7外加热法测定[25]，全氮用凯氏定氮法测定[26]，全磷采用钼锑抗比色法测定[27]，全钾采用火焰原子吸收法[28]，全钙用原子吸收分光光度法[29]。土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、碳钾比(C/K)、碳钙比(C/Ca)、氮磷比(N/P)、氮钾比(N/K)均采用元素质量比。

1.5 数据处理

采用Excel 2013处理试验数据，利用SPSS 16.0对数据进行相关分析，用SigmaPlot 10.0 绘图。

2 结果与分析

2.1 退耕还林桑园土壤的养分特征

从表1看出，荔波(退耕还林1年桑园，对照)和毕节(退耕还林10年桑园)2个不同还林年份桑园土壤有机碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)和全钙(TCa)含量变化范围分别为6.02～17.80、1.71～3.95、0.08～0.96、3.97～11.10和1.08～14.34 g/kg。与对照相比，退耕还林近10年的毕节桑园土壤养分变化略有不同。在不同季节，还林近10年的桑园土壤有机碳、全氮均随土层深度递增而呈递减变化，而全磷、全钾、全钙变化各不同。1月份，0～10、10～20和20～30 cm土层有机碳、全氮、全钾、全钙含量均为还林10年桑园>还林1年桑园；4月份，各土层全磷含量为还林1年桑园>还林10年桑园，全钾为还林10年桑园>还林1年桑园；7月份，各土层全氮、全磷含量大小排序为还林1年桑园>毕节，全钾为还林10年桑园>还林1年桑园；10月份，有机碳、全氮、全钙在各土层中含量大小排序为还林1年桑园>还林10年桑园，全钾为还林10年桑园>还林1年桑园。由此得知，退耕还林植桑10年与退耕还林植桑1年比较，不同季节土壤全钾均提高，而全磷在4月时明显偏低。

2.2 石漠化不同还林时间桑园土壤养分的生态化学计量

从表2看出，季节变化过程中，退耕还林1年的荔波桑园在0～30 cm土层碳磷比(C/P)和氮磷比(N/P)基本呈升高趋势，C/P和N/P分别为17.0～103.2和3.47～23.6；碳钙比(C/Ca)呈降低趋势，碳氮比(C/N)、碳钾比(C/K)、氮钾比(N/K)呈起伏变化。10月较1月C/P和N/P分别升高5.59和5.53倍，而C/Ca降低4.23倍。退耕还林10年的毕节桑园0～30 cm土壤，1-10月，C/P、N/P呈升高趋势，10月较1月分别升高2.66和2.90倍，而C/K、N/K呈降低趋势，分别降低1.70和1.46倍。并且，桑树在全年生长过程中，还林10年土壤C/N、C/P、N/P均大于还林1年，但C/K、N/K(除10月)均小于还林1年。

2.3 石漠化还林桑园土壤养分生态化学计量变化特征

2.3.1 季节变化特征 由图1看出，季节变化过程中，还林桑园土壤养分的生态化学计量变化趋势不同。①C/N。0～10 cm土层，还林1年桑园土壤C/N随季节变化呈降-升-降趋势，还林10年桑园土壤呈升-降-升趋势；10～20 cm土层，还林1年桑园土壤C/N随季节变化呈升-降-升趋势，而还林10年桑园土壤在1、4和7月变化不明显，10月明显下降；20～30 cm土层，还林1和10年桑园C/N均随季节呈先升后降的变化趋势。②C/P和N/P。还林1和10年桑园0～10 cm土层C/P、N/P随季节变化呈升高趋势；在还林1年桑园10～20和20～30 cm土层中，C/P、N/P随季节变化先略有减少后大幅增加，在还林10年桑园C/P、N/P先增加后减少但总体呈增加趋势。③C/K。还林1年桑园0～10和20～30 cm土层C/K随季节呈相反变化，前者表现为先升后降，后者表现为先降后升，而20～30 cm土层中变化不明显。还林10年桑园0～10 cm土层C/K随季节变化不明显，但10～20和20～30 cm土层C/K随季节变化呈降低趋势。整体上，不同季节土壤C/K均表现为还林1年>还林10年。④C/Ca。在桑树全年生长过程中，还林1年桑园不同土层土壤C/Ca从1月到4月后呈下降趋势，而还林10年桑园不同土层土壤C/Ca随季节变化均呈升-降-升变化趋势。⑤N/K。还林1和10年桑园土壤N/K在不同季节均表现为还林1年>还林10年，但随季节变化不明显。

表1 退耕还林1年(荔波)和退耕还林10年(毕节)桑园的土壤养分(g/kg)

表2 退耕还林1年(荔波)和退耕还林10年(毕节)桑园土壤的生态化学计量

2.3.2 剖面变化特征 相同季节还林1和10年不同深度土壤养分生态化学计量进行比较，还林桑园土壤养分生态化学计量随土壤剖面变化其变化趋势不同(图2)。①1月份。在不同土层深度，还林10年桑园土壤C/P、N/P均大于荔波，而C/K、C/Ca小于还林1年桑园土壤。还林1年桑园土壤C/N、C/P、C/Ca随土层深度均呈升-降变化，而C/K持续降低，N/P却持续增加；还林10年桑园土壤中C/N随土层深度均呈升-降变化，C/P、N/P呈降低变化，而C/K、C/Ca变化不明显。②4月份。还林1和10年桑园土壤C/N随土层深度均呈升-降变化。土壤C/P、N/P大小排序均表现为还林10年>还林1年，并在还林10年桑园随土层深度呈升-降变化，而在还林1年桑园随土层深度中略有增加。土壤C/K随土层深度变化却不明显，但大小排序表现为还林1年>还林10年。土壤C/Ca在2种桑园呈不同变化，在还林1年桑园土壤随土层深度增加而降低，在还林10年呈升-降变化。③7月份。土壤C/N、C/P、N/P大小排序为还林10年>还林1年，并且C/P和N/P在2种桑园土壤随深度变化较为一致，均呈下降趋势，而C/N在还林1年桑园土壤呈降-升变化，在还林10年桑园土壤持续增加。还林1年桑园土壤C/K和还林10年桑园土壤C/K、C/Ca随土层深度增加均降低，而还林1年桑园土壤C/Ca呈升-降变化。④10月份。土壤C/N在还林1年桑园不同土层为20～30>20～30>0～10 cm，而在还林10年桑园为0～10>20～30>20～30 cm。2种桑园土壤C/P、C/Ca、N/P随土层深度均呈先减少后增加变化趋势，但均以0～10 cm土层的最高，C/K亦是在0～10 cm土层最高。

图1 退耕还林1年(荔波)和退耕还林10年(毕节)桑园土壤生态化学计量的季节变化Fig.1 Soil ecological stoichiometry of mulberry fields in Libo(from returning farmland to forestry for one year) and Bijie county(from returning farmland to forestry for ten years) in different seasons

图2 退耕还林1年(荔波)和退耕还林10年(毕节)桑园土壤生态化学计量剖面变化Fig.2 Soil ecological stoichiometry of mulberry fields in Libo(from returning farmland to forestry for one year) and Bijie County(from returning farmland to forestry for ten years) at different soil profiles

2.4 还林桑园土壤生态化学计量与养分的相关性

由表3看出，不同还林时间桑园土壤生态化学计量与养分的相关性变化。

2.4.1 还林1年桑园 还林1年桑园土壤C/N与养分相关性不显著；C/P与N/P、TN呈显著正相关(P<0.05)，与TP呈显著负相关；C/K与N/K、OC、TN均呈极显著正相关(P<0.01)，C/Ca与TK、TCa均呈极显著负相关；N/P与TN呈显著正相关，而与TP呈显著负相关；N/K与OC、TN呈极显著正相关；同时，OC与TN呈极显著正相关。

2.4.2 还林10年桑园 还林10年桑园土壤C/N与C/K、OC呈显著正相关；C/P与N/P呈极显著正相关，而与TP呈显著负相关；C/K与N/K、OC、TN均呈极显著正相关，与TCa呈显著正相关；C/Ca与TCa呈显著负相关；N/P与TP呈显著负相关；N/K与OC、TN均呈极显著正相关，与TCa呈显著正相关；OC与TN、TCa呈显著正相关，并且TN与TCa呈显著正相关。

整体看，不同还林时间桑园土壤养分对其土壤生态化学计量的贡献表现出一定差异性，OC、TN对土壤C/P、C/K、N/P、N/K贡献为正，TP对土壤C/P、N/P贡献为负，TK、TCa对C/Ca贡献为负，而TCa对土壤C/K、N/K贡献为正。

3 讨 论

3.1 退耕还林对土壤养分的影响

土壤是植物生存的基础，土壤养分是供应和协调植物生长的营养元素与环境条件。在喀斯特地区，土壤养分的空间和时间变化特征直接影响该区土壤生产力的高低、生态恢复途径和方向[30-31]。在退耕模式营造初期受到人为干扰较大，土壤养分始终处于不稳定的状态[32]。随着退耕还林地植被恢复过程递进，土壤质量明显改善，并促进植被生长繁衍[33]。研究结果表明，退耕还林植桑数年后，土壤性质已得到改善但随桑树生长呈现波动变化，与原假设相悖。还林10年的毕节桑园土壤0～30 cm土层OC、TN、TP、TK、TCa含量平均值分别为12.60、2.56、0.32、10.22和7.51 g/kg，与还林初期受人为施肥管理的荔波桑园土壤养分相比，OC、TN、TP变化不大，但TK、TCa明显偏高。说明还林后期，桑林自然生长过程中，土壤养分靠自身桑叶凋落物等补充已得到改善，且流失较小。在不同土层，还林桑园土壤OC、TN随土层深度递增而逐渐减少，这可能与喀斯特山地土壤养分具有“表聚性”现象有关，即表层养分含量较高[31]。还林近10年桑园土壤P向深层迁移，而还林初期P可能易于参与径流流失，极少向深层迁移。随着季节的变化，土壤养分呈现出不同的季节变化趋势，这主要与植物所产生的枯枝落叶、根系腐解物及残体腐解过程中所产生酸类物质等有关[31]。还林近10年后，桑园土壤OC、TCa随季节变化呈降-升-降变化，TN和TP持续下降，TK呈先降后升的变化趋势。

表3 退耕还林1年(荔波)和退耕还林10年(毕节)桑园土壤生态化学计量与养分间的相关系数

注：**、* 分布表示在0.01、0.05 水平(双侧)上显著相关。

Note: ** and * indicate significance of difference atP< 0.01 andP< 0.05 level,respectively.

3.2 退耕还林对土壤生态化学计量的影响

由于成土因素和人类活动的干扰，土壤OC、TN、TP和TK变化差异较大，使得土壤养分生态化学计量特征变化亦大[34]。林龄变化差异大的人工林，其土壤化学计量特征随林龄增加呈增大、减少或相对稳定变化[35-38]。研究结果表明，石漠化地区退耕还林种植桑树后，还林10年的桑园土壤C/N、C/P、N/P增大，而C/K、C/Ca和N/K减少，这与刘万德等[39]的研究结果一致。退耕还林后土壤C/N较高表明有机质具有较慢的矿化作用，从而有利于土壤肥力的维持[6]。Vitousek等[40]研究认为，土壤C/N小于30、N/P小于14时，氮素是影响土壤肥力的主要因素[40]。本研究结果表明，还林10年的桑园土壤C/N小于30、N/P小于14(除10月N/P>14)，由此初步判断影响还林10年桑园土壤肥力的主要因素是氮素。Li 等[9]研究认为，土壤N/P和C/P随剖面深度增加呈急剧减小趋势。研究结果表明，还林1和10年桑园土壤0～10 cm土层C/P年均值分别为78.7和77.07，高于曾昭霞等[41]的研究结果(桂西北喀斯特地区0～10 cm土层C/P为61.00)；其他土层C/P年均值变化范围为29.14～40.02，明显低于表层C/P值。这反映了桑园表层土壤大都没有进行磷的矿化，而深层土壤经过了较大程度的分解。本研究中还林桑园0～10 cm土壤N/P平均值明显高于亚热带土壤平均值[2]，但随土壤深度增加N/P降低，这可能是7和10月两地桑园土壤表层TN偏高、TP偏低，同时随土层加深，桑园土壤N与P下降快慢不同，土壤P的缺乏程度高于N。在季节变化过程中，还林桑园土壤C/P和N/P呈升高的趋势，这可能是因为随着桑树生长，桑叶蛋白质的大量合成需要大量P供给，加之温度升高，一些土壤微生物活性被激发，促进桑树吸收P，从而导致土壤P降低。因此，桑树生长过程中土壤养分分配并不均衡，尚需注意养分间分配变化。

3.3 退耕还林土壤养分对生态化学计量的影响

土壤养分生态化学计量是评价土壤养分状况和质量的重要指标，若某元素含量变化将引起比值变化[42]。通过相关性分析表明，研究土壤OC与TN关系紧密(相关系数达0.9以上，极显著相关)，说明土壤中碳氮对桑树及环境变化响应是一致的，因此不同季节和不同土壤剖面深度C/N变化较小。另外，相关性结果也表明，土壤C/P与N/P之间和土壤OC与TN之间一样，都呈极显著相关关系，这与其他学者研究结果一致[43]。而土壤C/P、N/P与OC、TN之间亦存在显著正相关，却与TP显著负相关，因此C/P和N/P随季节变化呈升高趋势，而随剖面深度变化呈降低趋势，与土壤全磷的季节性降低、剖面性升高有关。土壤C/K、N/K与OC、TN显著正相关，而与TK关系不明显。这可能由于土壤钾受母质制约较大、迁移能力不大[30]，所以季节性、剖面性变化不大。相关分析表明，TCa与C/Ca呈显著负相关，结合土壤TCa含量高，而桑树能够良好生长，说明桑树可能对钙胁迫已形成较好的基本适应对策。

4 结 论

以贵州石漠化地区种植的桑树为对象，研究退耕植桑地土壤养分C、N、P、K、Ca及其生态化学计量变化特征，探索了C/N、C/P、C/K、C/Ca、N/P、N/K与养分之间关系，揭示了桑树生长过程中限制因子，为科学指导桑林生产经营提供科学依据。获得的主要结论如下：①石漠化地区退耕植桑利于土壤养分改善，但桑树在全年生长过程中养分呈波动性变化。在不同土层，还林桑园土壤C、N、P具有“表聚性”现象，随土层深度递增而逐渐减少。还林10年桑园土壤有机碳、全钙随季节变化呈降-升-降变化，全氮和全磷持续下降，全钾呈先降后升的变化趋势。②石漠化地区退耕还林种植桑树后，还林10年的桑园土壤C/N、C/P、N/P增大，而C/K、C/Ca和N/K减小。C/P、N/P随季节变化呈升高趋势，但随剖面深度呈急剧减小趋势。桑园土壤主要受磷的限制，其次是氮。在经营管理桑园时，除了补充所需养分，还需注重土壤元素间的变化。③退耕还林桑园土壤生态化学计量比与养分显著相关。整体来说，OC、TN对土壤C/P、C/K、N/P、N/K贡献为正，TCa对土壤C/K、N/K贡献为正，而TP对土壤C/P、N/P贡献为负，TK、TCa对C/Ca贡献为负。