黄土丘陵区不同土地类型下土壤养分特征—基于生态化学计量学

刘帅楠 ，李广 *，吴江琪 ，马维伟 ，杨传杰 ，张世康 ，姚瑶 ，陆燕花 ，魏星星 ，张娟

（1. 甘肃农业大学林学院，甘肃兰州730070；2. 甘肃农业大学农学院，甘肃兰州730070；3. 甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州730070）

生态化学计量学是一种研究碳（C）、氮（N）、磷（P）元素在多种生态系统过程中其比例随外界影响因子产生变化规律的重要工具［1-2］，C、N、P 化学计量比是土壤质量与有机质组成的重要指标［3］，可以反映土壤内部碳氮磷循环，具有重要的生态指示作用［4］。而土壤作为组成生态系统的重要部分，通过改善土壤质量，能够有效地促进植被恢复，稳定生态系统平衡［5］。C、N、P 元素是组成土壤养分的重要部分［6］，其养分含量及化学计量比，是影响土壤生态系统恢复，调控土壤养分循环，增强土壤肥力的重要因素［7］。通过对土壤C、N、P 化学计量比值的掌握，能够有效地为土壤养分存留、元素循环及土地管理提供理论依据［8］。

黄土高原作为我国生态环境脆弱地区之一，近年来，该区因生态修复及作物生产等目的的不同，产生了不同的土地类型。不同土地类型，其地表植被组成、群落结构、人为干扰程度等均存在一定的差异，进而影响到土壤结构及进入土壤的动植物残体和土壤微生物量，导致不同土地类型间及土层间土壤养分含量存在差异［9］，进一步影响到该区土壤生态恢复。有研究发现，不同土地类型对土壤养分及其化学计量比有不同程度的影响［3，10］。有学者［4，11］认为，林草地较农耕地更有利于土壤养分的存留；但马琨等［12］的研究结果与之存在差异。这一方面是由于不同地区受土地类型及利用年限［10］的影响存在差异，另一方面可能是由于选择土地类型时地表植被处于不同生长期，地表植被与土壤养分交互速率存在差异。

目前该区关于生态化学计量特征研究主要集中在流域系统［13］、植被类型［14］及植被-凋落物-土壤系统［15］上，而基于生态化学计量学对土地类型间的土壤养分研究仍相对较少，需进一步分析探讨。黄土丘陵区降水集中在7-9 月，此时林木植被正向生长末期演变，小麦（Triticum aestivum）、苜蓿（Medicago sativa）等作物处于成熟收获期，各土地类型下植被与土壤养分交互速率相对稳定［16］，此时更有助于探讨丘陵区土地类型间土壤化学计量特征。因此，本研究以黄土丘陵区7-9 月小麦地（农地）、云杉（Picea asperata）林地（林地）、苜蓿地（牧草地）为对象，研究分析黄土丘陵区不同土地类型间及各土层土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）含量及其土壤化学计量比，为黄土丘陵区恢复土壤肥力，有效利用土壤养分及生态恢复提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与试验设计

通过文献资料查阅以及野外区域调查，选择定西市李家堡乡甘肃农业大学试验区。该区位于中国甘肃省定西市安定区（103°52′-105°13′E，34°26′-35°35′N），属黄河流域祖厉河水系关川河的支流——安家沟流域。该流域面积为8.56 km2，海拔1900～2250 m，水土保持区划属黄土丘陵沟壑区第Ⅳ副区［17］；该流域属典型温带干旱、半干旱气候，年温差大；年平均降水量390.99 mm，主要集中在7-9 月；年均太阳辐射141.6×1.48 kJ·cm-2，日照时间2476.6 h。该流域土壤类型以典型黄绵土为主，土地利用方式主要为农耕地，林地面积较少，多为人工疏林地，有少量灌木分布。在试验区选择小麦地、云杉林地及苜蓿地3 种不同土地类型（农、林、牧草）典型实验区，各实验区随机选择3 个小样地，大小随土地类型而定：农和牧草均为4 m×6 m，林为10 m×10 m。

1.2 样品采集与分析

2019 年7-9 月，按照S 型取样法在各小样地中选取5 个代表性样点，按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 层次，用土钻分层取土，同层土壤混匀为1 个混合土样。土壤混合样品风干后过2 mm 筛，去除土样杂物。土壤有机碳含量采用重铬酸钾高温-外加热法测定；土壤样品于消煮管中经H2SO4-H2O2高温消煮到乳白色，采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，通过紫外分光光度计，采用钼锑抗比色法测定土壤全磷含量［18］。

1.3 数据处理

使用SPSS 24.0 软件进行数据统计分析，主要采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）及Pearson 相关性分析；使用Excel 2007 作图并绘制三线表。

2 结果与分析

2.1 不同土地类型下土壤SOC、TN、TP 含量的变化

研究区内不同土地类型0～100 cm 土层深度土壤SOC、TN 和TP 含量特征如表1 所示：3 种土地类型0～100 cm 土壤SOC、TN 和TP 含量的变异系数范围为31.35%～49.68%，说明了研究区内土壤SOC、TN 和TP 表现出中等程度变异。而在0～100 cm 土层，云杉林地土壤SOC、TN 含量与苜蓿地差异性显著，而小麦地土壤TP 含量与云杉林地、苜蓿地存在显著性差异。土壤SOC 及TN 含量表现为云杉林地（14.19 g·kg-1、0.37 g·kg-1）＞小麦地（12.00 g·kg-1、0.32 g·kg-1）＞苜蓿地（10.39 g·kg-1、0.30 g·kg-1），而 TP 表现为云杉林地（0.52 g·kg-1）＞苜蓿地（0.51 g·kg-1）＞小麦地（0.41 g·kg-1）。

表1 不同土地类型0～100 cm 土壤C、N、P 含量及其化学计量比特征Table 1 The content of C，N，P and stoichiometric characteristics of 0-100 cm soil in different land types

从图1 可知，3 种不同土地类型土壤SOC、TN 及TP 含量均具有“表聚”特征，具体表现为0～10 cm 表层土壤SOC、TN 及TP 含量最高，且土壤SOC、TN、TP 含量均随土层深度增加而降低。其中，SOC 和TN 含量在不同土地类型间均无显著性差异，TP 含量在10～20 cm 土层，小麦地与云杉林地间存在显著性差异（P＜0.05），且云杉林地土壤TP 含量显著高出小麦地34.8%。

2.2 不同土地类型下土壤养分化学计量特征

图1 不同土地类型土壤不同土层养分含量Fig.1 Nutrient content in different soil layers of different land types

如表1 所示，3 种土地类型土壤C/N、C/P 和N/P 表现出不同程度的中等变异水平，变异水平大小为C/P（67.93%）＞N/P（59.31%）＞C/N（53.46%）。而在0～100 cm 土层，小麦地土壤C/P 与苜蓿地存在显著性差异，小麦地N/P 与云杉林地及苜蓿地均差异性显著，而云杉林地土壤C/N 显著高于苜蓿地。从表2 可知，3 种土地类型土壤C/N、C/P 及N/P 在土地类型及不同土层间均无显著性差异。

2.3 不同土地类型下土壤养分与化学计量比的相关分析

如表3 所示，土壤SOC 与土壤TN 存在极显著正相关关系（相关系数为0.766），与TP 存在显著正相关关系（相关系数为0.552），土壤TN 与TP 间具有极显著正相关关系（相关系数为0.883），但SOC、TN 与土壤化学计量比无显著性关系；TP 与C/P 存在极显著负相关关系（相关系数为-0.733），C/P 与C/N 间存在显著正相关关系（相关系数为0.493），C/P 与N/P 间存在极显著正相关关系（相关系数为0.813）。

3 讨论

3.1 不同土地类型下土壤SOC、TN 和TP 含量的差异

不同土地类型对土壤养分有着不同程度的影响［3］，而C、N、P 元素作为土壤养分的重要组成部分［6］，其含量可以表征土地类型对土壤质量的影响。本研究中，不同土地类型土壤养分含量集中在0～10 cm 表层土壤，且土壤SOC、TN、TP 含量均随土层深度增加而逐渐降低，表明土壤养分具有“表聚性”特征，这与前人的研究结果表现一致［19］。这是因为地表植被通过植物根系分泌物及表层植物残体向土壤输送 C、N、P 元素［20］，表层土壤通气状况良好，养分充足，利于土壤微生物活动［21］，而随着土层深度的增加，枯落物及腐殖质对土壤元素的积累影响逐渐降低［22］。该区云杉林地土壤SOC、TN、TP 含量均明显高于其余土地类型，说明林地较农草地具有更积极的养分累积作用，这与张帅等［23］的研究结果相似。这是因为不同的地表植被，对土壤碳氮元素累积速率的影响有着明显差异［24］，而云杉林地地下根系丰富，地表覆盖有大量枯枝落叶层，同时，作物成熟收获致使大量有机质流失，进而导致林地土壤SOC、TN 含量明显高于农草地。

表2 不同土地类型不同土层土壤养分化学计量比Table 2 Stoichiometric ratio of soil nutrients in different soil layers of different land types

表3 不同土地类型土壤C、N、P 含量与化学计量比的相关性分析Table 3 Correlations between C，N，P content and stoichio⁃metric ratio of different land types

在本研究区，土地类型间土壤TP 含量表现为云杉林地＞苜蓿地＞小麦地，与张帅等［23］认为农地养分含量低于林草地的结论相似。农地土壤TP 含量显著低于林、牧草地，且3 种土地类型土壤层间存在较为明显的差异性，这与潘军等［25］的研究结果相似。土壤P 元素含量对土地类型的响应机制与SOC、TN 不同，P 元素含量主要受到立地地质特征的影响［11］，这是因为土壤P 元素主要源于岩石风化释放及土壤表层动植物残体的元素归还［26］。该区流水侵蚀严重，土壤P 元素易受地表径流冲刷及降水淋溶作用影响而从土壤流失［27］，农地受人为影响较大，土质疏松，地表植被无法为土壤提高有效的防护，P 元素流失严重，导致农地P 含量低于林草地。

3.2 不同土地类型下土壤养分化学计量特征差异

土地类型的差异也会影响到养分化学计量比，而养分化学计量比是用作表征C、N、P 矿化和固持作用的重要指标之一［28］。研究表明，3 种土地类型土壤在0～100 cm C/N 表现为云杉林地＞小麦地＞苜蓿地，均较全国平均值（12.3）［29］偏大。朱秋莲［15］认为黄土丘陵区土壤N 元素相对匮乏，这可能是导致C/N 偏高的重要原因。较高的C/N 表明该区土壤限制微生物活动，导致有机质分解速率及矿化速率缓慢，不利于地表植物吸收养分［30］。同时，C/N 在不同土层间未表现出明显差异，这是因为土壤C、N 之间紧密联系，在元素储存及消耗过程中存在一个较为稳定的比值［31］。本研究中，不同土地类型土壤SOC、TN 含量在土层空间分布上具有一致性（图1），且3 种土地类型C/N 变异水平相对C/P、N/P 较低（表1），SOC 与TN 呈极显著正相关关系（表3），两种元素间表现出对同一环境因子的同步响应以及较好的耦合关系［15］，表明黄土丘陵区土壤C/N 在空间上较稳定，印证了生态化学计量学的动态平衡理论［3］。

本研究区，3 种土地类型0～100 cm 土壤的C/P、N/P 表现为小麦地＞云杉林地＞苜蓿地，均较全国平均值［29］（61.0、5.2）偏低。根据全国第二次养分普查分级标准［32］，黄土丘陵沟壑区土壤C、N 元素属六级，而P 元素属四级，P 元素含量较C、N 含量偏高，同时地表植被在生长期吸收土壤C、N 元素，成熟时脱落的枯枝落叶未及时分解为土壤输送C、N 元素，进而导致C/P 及N/P 偏低。C/P 可以用以表征土壤磷矿化水平的高低，同时也是反映土壤微生物对土壤有效磷吸收和储存的能力指标［3］，而N/P 作为N 饱和的诊断指标，同时也是预测土壤养分限制类型的重要指标之一［33］，较低的C/P 说明了该区土壤P 分解较快，有效性较高；N/P 较低，进一步表明了该区土壤的N 匮乏，印证了朱秋莲［15］对黄土丘陵区土壤的研究结果。

4 结论

该区土壤具有较为稳定的C/N，土壤有机质分解速率缓慢，氮素匮乏，磷有效性较高。云杉林地作为黄土丘陵区重要土地类型，在土壤养分存留方面占有一定优势，主要表现为云杉林地土壤各层次养分（SOC、TN、TP）含量均明显高出农、牧草地土壤养分含量；3 种土地类型下土壤养分及其化学计量比存在不同程度的中等变异，其含量垂直分布上表现出明显的“表聚性”特征，且土壤养分含量间均呈显著相关关系。因此，在实际土地利用中，应根据不同土地类型养分状况，合理调整土地利用结构，进而达到减少土壤养分流失，加速该区土壤生态恢复进程的目的。