贵州省表土生态化学计量特征

侯堂春，喻阳华，钟欣平

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州师范大学 喀斯特研究院/贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 550001)

【研究意义】生态化学计量学已成为生态学中研究的热点，其综合了多门学科的基本原理，是研究生态系统能量与化学元素[主要是碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素]平衡的一门科学[1-2]。土壤C、N、P比是土壤养分的一个重要指标，反映了土壤内部的碳氮磷循环，是确定土壤C、N、P平衡的一个重要参数[1]，可以用于判断土壤养分及其土壤肥力的潜在价值[3]。利用生态化学计量对土壤元素进行分析，可为土壤元素与生态系统能量的平衡关系提供理论支撑，有助于揭示陆地生态系统土壤元素循环、平衡以及植被养分限制性[4-5]。【前人研究进展】国内外学者已从全球与区域尺度、生态系统尺度及个体水平方面阐述生态化学计量特征[6]。CLEVELAND 等[7]对全球的186个表层土壤数据的分析表明，土壤C∶N∶P在不同的植被间存在差异。BUI 等[8]研究发现，澳大利亚主要植被类型下的土壤N、P、C∶P具有较大的变异性。气候因素对C、N、P的生态化学计量学特征有重要影响，TIAN 等[9]通过研究中国不同气候带土壤C∶N、C∶P、N∶P发现，C∶N∶P比值为60∶5∶1，随着不同气候带的变化，C∶N变异较小，而C∶P和N∶P比值具有较高的变异。地形因素对土壤碳氮磷生态化学计量也有重要影响，李丹维等[10]对不同海拔梯度土壤C、N、P含量分析表明，随着海拔梯度的增加，土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)呈先增后降趋势，全磷(TP)则无明显变化。朱秋莲等[11]对不同坡向的土壤SOC、TN、TP含量及其化学计量特征研究表明，不同坡向的土壤养分含量和计量特征存在明显差异，在不同的坡位间有机碳、全N变异大而全P变异小。人为因素对生态化学计量特征也有着重要的影响，ZHAO[12]对人工林下的土壤SOC、TN、TP的研究表明，造林土壤与废弃土地相比，造林对土壤TN、TP含量影响显著。王维奇等[13]通过对闽江河口湿地土壤C、N、P生态化学计量学特征的研究表明，随着干扰程度的变化C∶N的变化小，而C∶P、N∶P的变异性相对较大。但是关于贵州省表土生态化学计量特征的研究未见报道。【本研究切入点】土壤养分是土壤肥力的核心，探讨土壤C、N、P含量，分析土壤C、N、P生态化学计量特征具有重要意义。前人主要从不同尺度、植被类型、环境因素及人为活动等方面研究C、N和P的生态化学计量特征的变异规律，而对土壤C、N、P生态化学计量特征进行的研究较少[14-16]。【拟解决关键问题】以贵州省为例，通过整合收集贵州省内有关土壤养分的研究文献，探讨土壤C、N、P含量，分析土壤C、N、P生态化学计量特征，揭示土壤营养元素的生态化学计量特征，为改善贵州省土壤养分含量提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

贵州省地处103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N，东与湖南交界、南与广西毗邻、西与云南接壤、北与四川和重庆相连，土地总面积18.88万km2。全省地貌以山地和丘陵为主，平均海拔1100 m，属于亚热带季风气候，受山地地形影响，气候多变，年平均气温10～18 ℃，年降水量1000～1500 mm。贵州省土壤类型主要有黄壤、红壤、黄棕壤、石灰土、紫色土、水稻土等，以黄壤的面积最大，占46.4 %；其次是石灰土和水稻土，分别占17.5 %和9.7 %。贵州省北部土壤分布以黄壤为主，南部和东部以红壤为主，西部以黄棕壤为主，中部以黄壤分布最为广泛。

1.2 数据来源

研究基于中国知网数据库(CNKI)，收集整理截止2018年8月目前贵州省内有关表土土壤养分研究的相关文献，从中筛选至少含有土壤SOC、TN、TP 3种元素及在贵州省范围内均匀分布的文献近50篇，共收集土壤养分SOC、TN、TP数据99个。

1.3 数据处理

土壤C、N、P及其生态化学计量比数据用Microsoft Office Excel 2016进行初步整理，使用SPSS 22.0统计分析软件进行描述统计；采用单因素方差分析(ANOVA)对土壤C、N、P及其生态化学计量比进行差异性检验，对贵州省土壤C、N、P含量及其比值两两之间的关系进行Pearson相关分析，利用Origin进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 表土C、N、P含量及变异性

由表1可知，土壤SOC、TN、TP均值分别为27.34、2.11、0.74 g·kg-1，从变异系数看，变异最大的为TP含量，其次是SOC含量，最小的是TN含量，表明TP含量在水平空间上的变异性较大。根据变异系数的划分等级(c.v.>100 %为强变异性，c.v.=10 %～100 %为中变异性，c.v.<10 %为弱变异性[16])，土壤C、N、P在空间上存在中等程度的变异性。

表1 贵州省表土C、N、P含量的统计值

2.2 表土C、N、P化学计量特征的统计描述

由表2可知，土壤C∶N均值为14.27，变异系数为75.54 %；C∶P均值为50.92，变异系数为90.67%；N∶P均值为3.75，变异系数为78.93 %，C∶N、C∶P、N∶P均达到了中等变异水平。由此可见，C∶N、C∶P和N∶P各指标之间表现出较大的空间变化，整体趋势为C∶P>N∶P>C∶N。

表2 贵州省表土生态化学计量特征的统计值

2.3 表土C、N、P化学计量学与计量比之间的相关性

由图1看出，土壤SOC与TN、C∶N、C∶P、N∶P存在极显著正相关(P<0.01)，而与TP的差异不显著(P>0.05)；其中土壤TN与C∶N存在极显著负相关，与TP存在显著正相关(P<0.05)，与其他参数存在极显著正相关；土壤TP与C∶N、C∶P、N∶P存在极显著负相关；土壤C∶N与C∶P存在极显著正相关，与N∶P差异不显著。由此可见，SOC是影响TN、C∶N、C∶P 的主要因素。

3 讨 论

3.1 贵州省表层土壤C、N、P含量特征

贵州省土壤SOC含量为27.34 g·kg-1，均高于全球陆地土壤SOC含量(25.71 g·kg-1)[17]，中国陆地土壤SOC含量(17.12 g·kg-1)[17]，陕北黄土高原地区土壤SOC含量(6.255 g·kg-1)[18]，广西喀斯特地区土壤SOC含量(24.23 g·kg-1)[19]。土壤SOC主要来源于动植物排泄物和分泌物、动植物残体、人为施加的有机肥等[20]。其含量易受温度、降水、土壤理化性质、植被类型、人类活动等的综合影响，使得不同研究区SOC的含量差异较大[21-22]。贵州省地属亚热带，水热条件良好，处于低纬度高海拔的温润地区，提高了土壤SOC的矿化能力，使得具有较高的C储量能力；陕北黄土高原地区属大陆性气候，降水时空分布不均，土壤呈弱碱性，土壤类型以黄土为主，地面破碎等环境条件导致C储量不高；广西喀斯特地区土层浅薄，岩石裸露情况严重但属亚热带季风气候，光照充足，水热条件良好，C储量能力高。表明不同区域环境，土壤SOC含量存在差异。已有研究表明，不同土地利用类型会影响植被类型、土壤理化性质、土壤中的物质循环等，从而影响土壤C的来源、SOC含量及其分布情况[20,22]。随着海拔升高，SOC的矿化能力降低[23]，而温度随着海拔升高而降低，导致土壤微生物群落活性受到抑制，从而减缓土壤SOC的矿化分解[24-25]。随着人为干扰程度的增加土壤C含量减少，其C储量也不断降低[13]。因此，贵州省土壤SOC的含量及分布可能受到土壤理化性质、植被类型、人为活动等因素的影响。在贵州省内，对于土壤SOC含量较低的区域，可采取减少对土壤的翻耕，降低土壤SOC的转化[27]或增施有机肥料、秸秆还田、绿肥翻压[26]，从而增加土壤SOC含量，提高土壤肥力；对于较高的区域，应控制有机肥料的施加，采用无机有机肥相结合使用。

贵州省TN含量为2.11 g·kg-1，高于全球陆地土壤TN含量(2.10 g·kg-1)[28]，陕北黄土高原地区土壤TN含量(0.63 g·kg-1)[18]；低于中国陆地土壤TN含量(2.30 g·kg-1)[9]，广西喀斯特地区土壤TN含量(5.17 g·kg-1)[19]等。相对中国陆地土壤TN含量，贵州省土壤TN含量处于低水平。土壤N元素主要来自生物固氮作用、动植物残体、化肥等途径[29]。土壤TN含量易受到大气氮沉降、人为活动、生物固氮等的影响使得不同区域TN含量存在差异[30-31]。贵州省土层薄且不连续，森林覆盖率低，但水热条件好，温润气候为生物固氮提供了基础，从而提高TN含量；陕北黄土高原地区以黄土为主，黄土疏松多孔，抗水蚀性能差且降水不均从而降低了TN的含量；广西喀斯特地区温湿条件极利于生物生长和繁衍，从而提高生物固氮作用，增加TN含量。表明TN含量差异受到环境条件的影响。研究表明，人为活动(化肥、农家肥、秸秆还田等措施)会使土壤TN含量增加[20]，而农业用地除草等措施会改变土壤的理化性质，使得土壤通气通水，适宜大量的土壤微生物生长繁殖，从而加速土壤N的分解消耗[32]。因此，贵州省土壤TN含量可能受施肥、土地利用类型等因素的影响。在贵州省内，对于土壤TN含量较低的区域，可采取施加氮肥、秸秆还田或减少农业用地的翻耕等措施来增加土壤TN含量；对于土壤TN含量较高的区域，应严格控制氮肥的用量。

贵州省土壤TP含量为0.74 g·kg-1，高于中国陆地土壤TP含量(0.56 g·kg-1)[33]，陕北黄土高原地区土壤SOC含量(0.39 g·kg-1)[18]，广西喀斯特地区土壤SOC含量(0.28g·kg-1)[19]；低于全球陆地土壤TP含量(2.80 g·kg-1)[34]。相对中国陆地土壤TP含量，贵州省土壤TP含量处于较高的水平。贵州省地处纬度低的温润地带，土壤侵蚀强烈，导致土壤P风化作用强，同时人为活动干扰增强，增加了P含量；陕北黄土高原地区与广西喀斯特地区，地表起伏大，降水丰富，不利于P的积累。表明环境条件不同导致TP含量存在差异。土壤P含量主要来源于岩石分化和施肥，相对于土壤C、N元素，P元素迁移率较低[35]。土壤TP含量变化受到土壤类型、人为活动及施肥等因素的影响[36]。研究表明，海拔梯度低土壤温度高，加快了土壤的分化速率，P的累计增加，与此同时降雨加速了P的淋溶过程，不利于P的累积[10]。有机肥及磷肥的施加，可增加TP的含量，减少土壤P的固定[20]。因此，贵州省土壤TP含量可能受到施肥、土壤母质等因素的影响。在贵州省内，对于土壤TP含量较低的区域，可采取施加磷肥、秸秆还田或减少农用地翻耕等措施来增加TP含量；对于土壤TP含量较高的区域，应充分考虑P肥的效率并控制施加。

P≤0.05为差异显著，P≤0.01为差异极显著P≤0.05 and P≤0.01 mean a significant and a very significant difference,respectively

综上所述，贵州省土壤SOC、TP含量明显高于全国水平，TN含量低于全国水平，说明贵州土壤C、P元素丰富，而N元素相对匮乏。整体来看，提高贵州省土壤肥力应采取有机肥的施加、秸秆还田等措施；结合有机无机肥料的施加有利于控制土壤养分较高地区的土壤肥力。研究表明，贵州省土壤SOC、TN、TP具有中等程度的变异性，这与前人研究结果基本一致[23,37]，表明土壤C、N、P含量的分布差异均受到土壤类型、人为活动、气候、地形等因素的影响。

3.2 贵州省表层土壤C、N、P化学计量特征

由于土壤C、N、P受土壤动物、植被、地貌、气候、母岩、年代等土壤形成因子和人类活动的多重影响，土壤C、N、P总量很大，使其生态化学计量比变异大[11-12,36]。C∶N是土壤质量的敏感指标，而土壤C、N元素的循环受其影响[38]。研究显示，土壤C∶N与土壤氮素矿化速率和土壤有机碳分解速率成负相关[39-40]，当土壤C∶N较低时，加快了土壤中有机质的分解，使有机碳含量下降，不利于有机质的积累[41]，因此土壤质量相对较低。本研究中，贵州省土壤C∶N(14.27)均高于中国陆地土壤(12.30)[9]、全球陆地土壤(12.30)[42]、陕北黄土高原地区土壤(9.83)[18]及广西喀斯特地区土壤(8.50)[19]。相对中国陆地土壤C∶N值，贵州省土壤C∶N值处于较高的水平，表明研究区土壤有机碳分解速率和土壤氮素矿化速率较低，有利于C的固存，土壤质量相对较高。已有研究表明，土壤C∶N值受到人为活动、气候、海拔等的影响[13,33]。随着人为干扰程度的增加而导致碳损失速率高于氮，人为施肥导致土壤中 N含量增加而使C∶N降低[37]，随着海拔升高温度降低，土壤有机碳分解减缓从而导致土壤C∶N增加[24]。因此，贵州省土壤C∶N的高低可能受到人为活动、气候、温度等的影响。相关性分析得出，土壤C∶P与SOC的相关性大，因此土壤C∶N主要受SOC的控制，可根据调控SOC的高低增加C∶N值从而提高土壤质量。

C∶P是衡量土壤磷素矿化能力的重要指标，其高低会影响植物的生长发育[32-33]。若C∶P较高，不利于有机质的分解且存在P受限，不利于植物的生长，反之较低，有利于有机质分解，促进土壤有效P的增加，利于植物生长[43]。本研究中土壤C∶P值为50.92，低于中国陆地土壤(52.70)[9]、全球陆地土壤(72.00)[42]、广西喀斯特地区土壤(209.2)[19]，高于陕北黄土高原地区土壤(14.66)[18]。相对中国陆地土壤C∶P值，贵州省土壤C∶P值处于低水平，表明土壤P净矿化率较高，P有效性较高，有利于有机质分解过程中养分的释放以及植物生长。已有研究表明，土壤C∶P受到地形、海拔、人为活动等的影响[10,20]。土壤中的P大多以不溶态的土壤结合物形式存在，坡度较大的地区易发生P的流失[37]。随着海拔的升高，温度降低，降雨量减少，土壤P的可利用含量降低从而使得C∶P增加[44]。随着人为干扰程度的增加，人为施肥可能导致土壤中P含量增加而使C∶P降低[37]。因此，贵州省土壤C∶P的高低可能受到地形、海拔、人为活动的影响。相关性分析得出，与土壤C∶P相关性较大的为SOC，因此土壤C∶P主要也受SOC的控制。若提高农作物等的生长，可调控SOC的高低来控制C∶P值从而促进农作物的生长。

N∶P被用于判断限制性养分的阈值，可作为N饱和的诊断指标。贵州土壤N∶P平均值为3.75，低于中国陆地土壤(3.90)[9]、全球陆地土壤(5.90)[42]、广西喀斯特地区土壤(23.8)[19]；高于陕北黄土高原土壤(1.45)[18]。相对中国陆地土壤N∶P值，贵州省土壤N∶P值较低。表明该研究区土壤的限制因子为N，其土壤养分有效性低。已有研究表明，N∶P受到纬度、海拔、地形等的影响[18,37]。随着纬度的增加伴随着水热条件的变化，土壤N∶P值显著减小[18]。随着海拔的变化使得植被生产力不同，进而导致N的输入不同，同时土壤性质和气候要素的不同导致土壤N淋溶、矿化和分解等过程不同，从而使土壤N∶P值不同[37]。相关性分析得出，土壤N∶P与TN的相关性较大，因此土壤N∶P主要受TN的控制，可通过调控TN含量控制N∶P值，增加土壤养分的有效性。

综上分析，贵州省土壤与其他区域土壤的对比，土壤C、N、P化学计量比具有一定的空间变异性；SOC、TN是影响C∶N、C∶P、N∶P的主要因素。若控制C∶N、C∶P、N∶P值则可通过对SOC、TN、TP含量进行调控。研究区域内C∶N、C∶P、N∶P的变异系数为75.54 %、90.67 %、78.93 %，C∶N相对稳定。

4 结 论

贵州土壤SOC、TP、C∶N均高于全国平均水平，而TN、C∶P、N∶P均低于全国平均水平。土壤SOC、TN、TP及其化学计量比的变异系数均介于0.1～1，分别为SOC(71.22 %)、TN(61.61 %)、TP(79.73 %)、C∶N(75.54 %)、C∶P(90.67 %)、N∶P(78.93 %)。表明其存在中等程度的空间变异性，其中TN与C∶N的变异系数最小。SOC是影响TN、C∶N、C∶P 的主要因素。