高原山地石漠化过程中土壤团聚体稳定性及其化学计量特征

陈静 朱大运 陈浒 陈海

摘 要：  石漠化演替過程中不同石漠化等级土壤团聚体稳定性及其碳、氮、磷化学计量特征是评价石漠化地区土壤恢复效应的有效途径。该文以五个不同石漠化等级的样地为研究对象，利用湿筛法分析0～20 cm土层土壤不同粒级团聚体分布状况、稳定性水平和化学计量特征。结果表明：（1）相较而言，无石漠化样地中>2 mm和0.25～2 mm两级水稳性团聚体含量最高，其平均直径（MWD、GMD）最大，而可蚀性K值最低。（2）不同石漠化环境中团聚体有机碳、全氮和全磷的变化范围是20.78～56.28 g·kg-1、1.17～2.14 g·kg-1和0.41～0.97 g·kg-1，无石漠化样地各级团聚体有机碳、全氮含量较高，全磷含量在五种环境中变化规律不明显;团聚体C/N、C/P和N/P的变化范围分别是11.50～28.60、25.19～121.75和1.65～4.69，无石漠化样地团聚体C/N、C/P和N/P均明显高于潜在、轻度、中度和强度，较小粒径C/N较高，而C/P和N/P较高为>2 mm和0.25～2 mm两粒径。（3）团聚体中有机碳分别与其C/N、C/P呈极显著正相关，而全磷含量则与C/P、N/P两者呈极显著负相关（P<0.01），团聚体C/N、C/P和N/P变异水平表现为C/P>C/N>N/P。该地从无石漠化到强度石漠化演替过程中土壤团聚体稳定性和各粒径团聚体中有机碳和全氮含量均呈现先下降后上升的趋势，无石漠化土壤结构较好，团聚体中氮元素成为影响该退化生态系统中土壤质量的主要限制性元素。

关键词： 团聚体稳定性，化学计量特征，团聚体养分，石漠化等级， 土壤恢复

中图分类号：  Q948

文献标识码：  A

文章编号：  1000-3142（2021）05-0715-11

Abstract：  Soil aggregate stability and its stoichiometric characteristics are the effective ways to evaluate the effect of soil restoration in rocky desertification areas. Five plots with different rocky desertification grades were set up. Indicators including the content， stoichiometry， and stability of different aggregate fractions were analyzed by wetting. The results were as follows： （1） In comparsion， the contents of water stable aggregates > 2 mm and 0.25-2 mm were the highest in the nil rocky desertification plots， and their average diameters （MWD and GMD） were the largest， but the K value of erodibility was the lowest. （2） The soil organic carbon， total nitrogen， and total phosphorus contents in the five sample plots were 20.78-56.28 g·kg-1， 1.17-2.14 g·kg-1 and 0.41-0.97 g·kg-1， respectively. The composition of organic carbon and total nitrogen in aggregates of the nil rocky desertification sample plot were the highest， and the variation of total phosphorus content were not obvious in the five environments. The ranges of C/N， C/P and N/P of five environmental aggregates were 11.50-28.60， 25.19-121.75 and 1.65-4.69， respectively. The C/N， C/P and N/P of the aggregate in the nil rocky desertification sample plot were significantly highest. Averaged C/N values in the small-size aggregates were higher than in aggregates of other sizes， while the maximum values C/P and N/P were >2mm and 0.25-2 mm. （3） There was a significant positive correlation between organic carbon and C/N， C/P， and a significant negative correlation between total phosphorus and C/P， N/P（P<0.01）. The overall trend of the variation level of soil aggregate stoichiometry was C/P>C/N>N/P. The stability and the contents of organic carbon and total nitrogen in aggregates with different particle sizes decreased firstly and increased from nil rocky desertification to severe rocky desertification in the study area. The soil structure of nil rocky desertification is good; what is more， nitrogen in the aggregate is the major factor affecting the soil quality in the degraded ecosystem.

Key words：

aggregate stability， stoichiometric characteristics， aggregate nutrients， rocky desertification level， soil restoration

土壤团聚体是土壤颗粒与有机-无机胶体作用形成的多孔、类似于球体的土团，是土壤结构的基本组成单元（Six et al.， 2000），其数量和质量是影响土壤理化性质的关键指标之一（刘杰等，2019）。团聚体稳定性水平决定了土壤结构的优劣（Blanco-Canqui & Lal， 2004）。徐红伟等（2018）研究发现土壤中>0.25mm粒级团聚体含量越多及团聚体平均重量直径、几何平均直径越大，团聚体稳定性水平越高，土壤结构越好，同时也将其作为量化土壤抗蚀性水平的重要指标（郭伟等，2007），团聚体稳定性越高，土壤抵抗流水侵蚀的能力越强（安韶山等，2008）。团聚体作为土壤养分存储和转化的载体，由于各级团聚体的数量和组成物质不同，导致它在碳、氮和磷养分中的保持和供应作用不同（Udom & Ogunwole， 2015），同时不同粒径团聚体中碳、氮、磷元素的稳定性和转化能力也不同（Devine et al.， 2014），因此，土壤团聚体粒径分布和稳定性水平与碳氮磷养分含量变化密切相关。生态化学计量学是从元素的角度出发，研究元素平衡与生态系统间交互作用的理论（王绍强和于贵瑞，2008），主要分析结构性元素（碳）和限制性元素（氮、磷）三者间的关系（李玮等，2015）。土壤团聚体养分及化学计量特征受植被覆盖、根系结构、微生物活性等因素影响（Xu et al.， 2016），因此，不同粒级团聚体碳、氮、磷含量分配及化学比存在明显差异（Xiao et al.， 2017）。研究土壤团聚体中碳、氮、磷含量及其化学计量比变化特征，能掌握土壤碳、氮和磷元素在微观结构上的分布状况，有利于深入了解土壤养分的供应和保持能力。

西南喀斯特地区由于特殊的地理环境以及长期受到人为活动的干扰，导致地表土壤大面积退化，石漠化现象严重（郭柯等，2011）。贵州是典型的喀斯特山区农业大省，喀斯特面积超过全省总面积的70%，目前该省贫困人口集中，人地矛盾突出，石漠化已成为影响该区域社会经济发展的重要生态问题（熊康宁等，2011）。近年来众多学者提倡将自然恢复和人工林草植被恢复结合进行石漠化治理，而团聚体作为衡量喀斯特生态恢复的重要因子之一，现已开展部分研究。王佩将等（2014）将>0.25mm粒径的水稳性团聚体作为评价土壤抗蚀性的最佳指标之一;罗明和周运超（2010）认为不同母岩发育的土壤团聚体稳定性存在明显的差异，其中稳定性水平最高的是石灰岩发育的土壤团聚体;卢怡等（2017）研究发现种植花椒林能有效提高土壤团聚体稳定性，增强团聚体对有机碳的保护作用。目前团聚体研究集中于土地利用方式/植被恢复对土壤团聚体稳定性及有机碳的影响（王浩等，2017;刘杰等，2019;王进等，2019），研究地点在岩溶峡谷区、峰丛洼地区以及槽谷区均有涉及（谭秋锦等，2014;俞月凤等，2014;蓝家程和沈艳，2020），但对喀斯特石漠化区土壤团聚体养分化学计量特征的认识尚浅。因此，本文重点关注两个问题：（1）喀斯特高原山地地区不同石漠化等级环境中土壤团聚结构稳定性水平;（2）不同石漠化土壤团聚结构中碳、氮、磷元素含量变化及生态化学计量特征，旨在揭示石漠化演替过程中土壤团聚体稳定性的变化趋势及团聚体内碳、氮、磷三者的分布状态和平衡关系，以期为后续的石漠化生态治理工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择黔西北毕节撒拉溪石漠化综合治理区为研究区域，其中心点坐标是（105°06′37″ E、27°15′12″ N），平均海拔1 600 m，以高原山地地貌为主，地面起伏大，喀斯特地貌占区域总面积的74.26%，石漠化等级以潜在—轻度为主。区内年均气温12.9 ℃，大于等于10 ℃积温介于4 109～4 300 ℃之间，雨季为6—8月，年均降水量900 mm左右，地表出露岩石主要是石灰岩和页岩，土壤以黄壤为主。由于人为干扰和土壤侵蚀，原生常绿落叶针阔混交林植被几乎被亮叶桦（Betula luminifera）、响叶杨（Populus adenopoda）、山杨（Populus davidiana）等次生林所替代。潜在石漠化区域为金丝桃（Hypericum monogynum）、腊瓣花（Corylopsis sinensis）、基及树（Carmona microphylla）等为主的次生灌丛;轻度石漠化区域为红花龙胆（Gentiana rhodantha）、刺梨（Rosa roxbunghii）、败酱（Cinnamomum longepaniculatum）、忍冬（Lonicera japonica）等为主的次生灌草丛;中度石漠化区域由火棘（Pyracantha fortunean）、败酱（Cinnamomum longepaniculatum）、马桑（Coriaria nepalensis）等组成的次生灌草丛;强度石漠化区域主要有金丝桃（Hypericum monogynum）、嵩草（Artemisia argyi）、野棉花（Anemone vitifolia）、千里光（Senecio scandens）等稀疏灌草丛。研究样地土壤環境基本信息详见表1。

1.2 样品采集及处理

按照熊康宁等（2002）对石漠化等级的划分方法，选择无石漠化（ND）次生林、潜在石漠化（PD）灌木林、轻度石漠化（LD）灌草地、中度石漠化（MD）草地和强度（SD）石漠化裸露地五种环境的土壤进行研究。2019年9月，在研究区针对五种石漠化环境分别设置3个20 m × 20 m的平行样方，总共建立15个取样地，每个样地按“S”形选择3个采样点，采集0～20 cm表层原状土样共45个，用保鲜盒带回实验室，用于团聚体筛分实验。称取自然风干后的土壤50 g，采用团聚体分析仪（XY-100）湿筛分离出>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm四级团聚体，40 ℃烘干称重，该处理方式重复三次，最后取其均值进行相关计算。每一粒级团聚体分别过0.149 mm筛，用于有机碳、全氮和全磷测定。有机碳使用重铬酸钾容量法—油浴（GB7857-87）测定，全氮和全磷分别使用硫酸-硒粉（硫酸铜和硫酸钾）催化剂和硫酸-高氯酸消解定容后，提取滤液采用连续流动分析仪（SEALAA3，德国）测定。

1.3 数据统计分析

利用湿筛处理的数据计算团聚体的稳定性指标，包括平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）（Wei et al.， 2013）和可蚀性K值（Shirazi & Boersma， 1984），计算公式如下：

MWD=∑ni=1WiX-i∑ni=1Wi（1）

GMD=exp∑ni=1WilnX-i∑ni=1Wi（2）

式中：Xi为各级团聚体的平均直径（mm）;Wi为各级团聚体数量。

K=7.954×{0.0017+0.0494×exp[-0.5×（lgGMD+1.675/0.6986）2]}（3）

某一粒径团聚体养分富集系数（张钦等，2019）（enrichment coefficient，EC）=对应团聚体养分含量/全土养分含量。

某一粒径团聚体养分贡献率（%）（邱莉萍等，2006）=（对应团聚体中养分含量×对应团聚体含量）/全土养分含量×100。

各级团聚体C/N、C/P和N/P采用有机碳、全氮、全磷含量比值表示。使用Office 2010和SPSS 22对数据进行处理和分析，采用单因素方差法（one-way ANOVA）分析不同样地的团聚体粒径分布和化学计量特征，新复极差法（Duncan）进行显著性检验（α=0.05），选用变异系数判断元素化学计量比的变异程度，Person相关系数评价不同环境团聚体中碳、氮、磷含量及其化学计量特征的相关水平，Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1不同石漠化等级团聚体组分和稳定性特征

不同石漠化等级样地中各级土壤团聚体组分具有明显的差异（图1）。由图1可知，无石漠化次生林地>2 mm大团聚体含量分别是中度、轻度和强度的1.09、1.12和1.14倍，潜在灌木林地0.25～2 mm团聚体含量分别是轻度、中度和强度样地的1.51、1.87和1.65倍，并且其差异性达到显著水平，0.053～0.25 mm粒级表现为无石漠化<轻度<潜在<强度<中度，变化范围是1.17～9.67 g，五种样地内<0.053 mm粒级无显著差异。此外，轻度灌草地、中度草地、强度裸露地和无石漠化次生林地四种环境中>2 mm团聚体含量显著高于其余三种粒径，而潜在石漠化样地的>0.25 mm团聚体含量显著大于0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒级。

由图2：A可知，团聚体MWD、GMD的变化趋势一致，无石漠化次生林MWD、GMD均显著强度裸露地、潜在灌木林和轻度灌草地;而K则与团聚体直径（MWD、GMD）呈反向变化趋势（图2：B），轻度样地K值高，无石漠化样地K值最低。

2.2 土壤团聚体有机碳、全氮、全磷含量变化与分布特征

2.2.1各粒级团聚体有机碳、全氮、全磷含量与分布

随着石漠化等级的加深，土壤团聚体中的养分含量出现不同程度的变化。如表2所示，不同石漠化环境中团聚体有机碳、全氮和全磷的变化范围是20.78～56.28 g·kg-1、1.17～2.14 g·kg-1和0.41～0.97 g·kg-1。相较而言，潜在灌木林地四个粒径的团聚体有机碳含量最低，无石漠化次生林各粒级团聚体有机碳含量最高，且该样地中<0.25 mm有机碳含量显著高于>2 mm团聚体;同时，无石漠化样地中各粒级团聚体全氮含量也高于其他环境，轻度灌草地和中度草地中0.25～2 mm团聚体含量最高，而强度和无石漠化两种样地的最大值出现在0.053～0.25 mm。此外，不同样地在>2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm三级中全氮含量的差异达到显著性水平;而同一样地中，仅潜在环境的不同粒级团聚体全氮含量有显著性差异。团聚体全磷含量除强度石漠化环境外，其他样地内均呈现随团聚体粒径减小其含量增加的趋势，中度、轻度、潜在及无石漠化样地内均表现为0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒级全磷含量显著高于>2 mm和0.25～2 mm。

2.2.2 不同粒径团聚体的有机碳、全氮和全磷富集系数及其贡献率 富集系数（EC）是某一元素在不同粒级团聚结构中的富集程度，能有效反映其固持特征。当EC>1时，表示优先积累;而EC<1时则表明优先分解（张钦等，2019）。总体而言，水稳性团聚体中碳、氮、磷的EC值范围分别为0.85～1.07、0.86～1.15和0.64～1.43之间（表3）。不同样地的有机碳富集系数存在差异，但其差异性尚未达到显著水平，五种环境的<0.53 mm级别的EC值均大于1，处于优先积累的状态，且隨团聚体粒径减小EC值呈波动上升的趋势。潜在和无石漠化样地的氮富集系数随着粒径减小出现分解-积累的变化趋势，潜在和强度环境团聚体在粒径2 mm处富集系数由分解转变为优先积累的阶段。由表3可知，五种样地的团聚体磷富集系数变化表现为>0.25 mm的各样地EC值均小于1，是分解状态;而除强度样地之外，其余四种环境在<0.25 mm时进入优先积累的阶段。团聚体养分贡献率是结合团聚体含量与各粒径的养分丰度而来，能有效反映团聚结构体对土壤化学性质的影响。五种样地的有机碳、全氮和全磷60%以上赋存于>0.25 mm的大团聚体中，其中>2 mm级别的团聚体贡献起主要作用，贡献范围为34.29%～65.85%，<0.053 mm团聚体贡献率最低（表3）。除矿质颗粒（<0.053 mm）外，不同样地同一粒级土壤团聚体对碳氮磷含量的贡献水平具有显著的差异性，其中不同环境的>2 mm团聚体中的碳氮贡献率差异较大，最小值低于40%，而最大值接近70%。

2.3 各粒级土壤团聚体化学计量特征

表4所示为不同石漠化环境中0～20 cm土层土壤团聚体内有机碳、全氮和全磷生态化学计量比值。由表4可知，五种环境C/N、C/P和N/P的变化范围分别是11.50～28.60、25.19～121.75和1.65～4.69，变异系数依次是31.65%、52.20%和29.23%。无石漠化次生林四级团聚体C/N高于其余样地，其中<0.053 mm粒级最大，除>2 mm外，其他粒径的差异性达到显著水平，整体上均表现为无石漠化>中度>轻度>强度>潜在。潜在灌木林地各团聚体C/P均显著低于其他四种样地，其中无石漠化团聚体各粒径C/P分别是潜在的3.3、2.84、2.99和2.18倍。无石漠化的C/P最大值为>2 mm粒级，且同一样地内>0.25 mm的C/P显著高于0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒级，而强度环境则是0.053～0.25 mm粒级最大;潜在、中度和强度样地内不同粒级之间的比值无显著差异。相比团聚体C/N和C/P而言，N/P的变化范围较小，无石漠化和中度环境下随着粒级变小，N/P呈“增加-减少-增加”的“N”字型变化;无石漠化样地的各团聚体N/P高于其余环境。

2.4 石漠化过程中土壤团聚体碳、氮、磷及其化学计量比的相关性

对不同环境中水稳性团聚体有机碳、全氮和全磷以及其化学计量比进行Person相关系数评价（表5）。结果显示，全土与水稳性团聚体碳、氮、磷之间存在不同的相关程度，其中全土与各级团聚体有机碳含量呈极显著正相关，变化范围是0.941～0.987;全土与>2 mm和0.25～2 mm粒级的磷元素呈极显著相关，相关程度随粒级的变小逐渐降低的趋势;而全土的氮元素仅与0.25～2 mm粒径呈显著正相关。团聚体中有机碳与团聚体的C/N和C/P的相关程度达到极显著水平，各粒级团聚体中碳元素与C/N和C/P的相关系数均高于0.8，而团聚体中氮元素和C/N的相关程度与碳元素和C/N呈逆向变化特征;同时，各粒级团聚体的磷元素分别与C/P和N/P呈负相关，整体而言，前者的相关程度低于后者。

3 讨论

土壤团聚体作为保持与供应土壤肥力的物质基础，其分布特征及稳定性水平与土壤质量、生物活性和渗透率等有着密切联系（Amezketa， 1999）。一般将>0.25 mm大团聚体含量和团聚体直径指标（MWD、GMD）作为评价土壤团聚结构稳定性水平的重要指标（徐红伟等，2018）。本研究表明，五种石漠化等级样地内均以>0.25 mm级团聚体为主，无石漠化次生林环境中团聚体MWD、 GMD明显高于其余四种样地，这主要是因为林地的凋落物含量高，能有效促进土壤中有机胶结剂的形成，利于提高团聚体稳定性水平（Tamura， 2017），进而在一定程度上改善了无石漠化样地的土壤结构;同时，K值呈现先上升后下降的变化趋势，表明土壤抵抗侵蚀的能力未随着石漠化程度的加深而一直下降，这一现象可能是由于不同石漠化环境中裸岩集聚分布所致（盛茂银等，2012）。显然，相较而言，无石漠化次生林地土壤结构更好。

有机碳是土壤生态系统物质循环的重要因素，在维持土壤结构、保持水土方面有关键作用（Tamura et al.， 2017）。已有研究表明，地表大约百分之九十的有机碳储存于团聚结构中，土粒团聚程度直接影响土壤有机碳的积累和固定（Six et al.， 2000）;土壤氮素是影响植物生长的必要元素，主要源自植物残体分解与合成过程中形成的有机物质（王绍强和于贵瑞，2008）。一般地，土壤碳氮变化特点具有一致性，两者存在明显的耦合关系（Xiao et al.， 2017）。本研究中，五种样地各级团聚体有机碳含量变化特征表现为无石漠化>强度>中度>轻度>潜在，全氮含量变化显示为无石漠化>强度>轻度>中度>潜在，其中无石漠化样地有机碳和全氮含量明显高于其他四种环境，可能是因为无石漠化次生林地中植物的输入量和动植物残体的归还量较高（瞿晴等，2019），有效地增加了表土中有机质含量，从而促进氮元素的积累;但是土壤团聚体碳氮养分并没有随着石漠化程度加重而下降，其中强度裸露地团聚体有机碳和全氮含量明显高于其他三种样地，这可能是强度石漠化样地中分布大量根系发达的草本植物，能在维持有机碳快速周转地同时减少消耗（吴丽芳等，2019），再加上该类样地地表岩石裸露面积大，有利于大气沉降中的氮元素直接被土壤吸收（宋欢欢等，2014）。此外，五种样地中各粒级中全磷含量较低且无明显规律，可能是由于土壤中的磷是沉积性元素，源于土壤母质，受成土过程、风化特征和土壤侵蚀等的影响，低纬度地区风化淋溶作用强烈（Hou et al.， 2015），再加上本研究区内土壤侵蝕现象严重所致。

土壤C/N/P作为衡量土壤碳、氮、磷矿化和固持作用的重要指标，受区域环境、成土条件和人为活动等因素的影响，具有明显的空间变异性（王绍强和于贵瑞，2008）。本研究中，不同石漠化等级样地0～20 cm范围内，各粒级土壤团聚体C/N、C/P和N/P的变化范围分别是11.50～28.60、25.19～121.75和1.65～4.69。五种样地C/N都高于中国陆地土壤均值（12.3）（Tian et al.， 2010），且与无石漠化样地C/N差值最大，团聚体中较高的C/N值，可能是因为该地土壤有机质腐化程度低，全氮含量增加速度缓慢所致（Zhang et al.， 2013）;随着石漠化程度加重，团聚体C/N值呈现下降-上升-下降的“N”字形变化，表明石漠化演替过程中，土壤碳、氮元素在积累与消耗过程中的变化不稳定，这与Clevelan & Liptzin（2007）的研究结论不同，可能是由于不同等级石漠化环境中土壤退化使得碳、氮养分循环遭到破坏，导致土壤生态系统中养分循环处于不稳定的状态。本研究表明，团聚体C/P变化范围较大，中国陆地土壤C/P均值（61）（Tian et al.， 2010）高于潜在、轻度、中度和强度四种样地，而低于无石漠化样地;相关性分析发现团聚体C/P与C呈极显著正相关，并且相关程度高于P，说明团聚体C对C/P值的影响更强烈，这种差异可能是由于团聚体中碳含量增加速率高于磷含量导致的（区晓琳等，2018），同时大粒径团聚体C/P值大于小粒径团聚体，表明大粒径团聚体中P元素较低，土壤微生物对P有同化趋势（李玮等，2015）。土壤中的氮、磷元素是生态系统中重要的限制性元素，将N/P作为预测土壤养分限制类型的重要指标（王绍强和于贵瑞，2008）。由于不同粒径大小的团聚体氮、磷元素分布特征不同导致团聚体N/P明显不同。本研究中，随着石漠化程度的加重，土壤N/P呈现先下降后上升的趋势，说明磷的限制性呈现先减弱后增强的情况。五种样地N/P整体处于较低的水平，各团聚体N/P均低于中国陆地土壤N/P的平均水平（Tian et al.， 2010）;土壤团聚体N/P与氮元素呈极显著正相关，并且相关程度高于磷元素，说明氮元素对团聚体N/P的影响更大。因此在研究区石漠化演替过程中，由于团聚体氮元素增长缓慢，导致团聚体中氮元素成为石漠化区土壤恢复过程的主要限制性元素。此外，团聚体N/P最高值大部分出现在粒径>0.25 mm的团聚体中，表明大粒径团聚体受磷元素的限制作用更明显。

4 结论

（1）石漠化演变过程中，不同石漠化环境团聚体稳定性、各級团聚体中碳、氮、磷含量及其化学计量比存在显著性差异。其中，无石漠化环境中大团聚体（>0.25 mm）含量、团聚体直径（MWD、GMD）高于潜在、轻度、中度和强度石漠化样地，且可蚀性K值低于其余四种样地。

（2）无石漠化样地四个粒级团聚体中有机碳和全氮含量最高，各样地全磷含量有明显差异，五种样地小粒径团聚体的有机碳、全氮和全磷含量高于较大粒径。与团聚体C/N和C/P相比，N/P变异性较小，土壤C/N在小粒径结构中较高，而C/P和N/P最大值均出现在>0.25 mm粒级内。

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（责任编辑 周翠鸣）