南郑区不同土地利用方式下土壤养分及生态化学计量特征

胡 义，唐 力*，张 瑜，王 鹏，李修成，姚 珊，王 研

(1.陕西省矿产地质调查中心，西安 710065；2.汉中天坑群国际研究基地，陕西 汉中 723000)

陕西省汉中天坑群所处的岩溶区分布有优良的地质遗迹资源，但经济发展落后，普遍存在土壤层稀薄，水资源分布不均衡，地下水污染，地质灾害频发及生态环境脆弱等问题，随着人类活动的加强，极易导致石漠化发生[1-2]。土壤退化是石漠化的本质，土壤养分失衡是土壤退化最主要过程之一，岩溶区土壤养分有效性常受富钙偏碱地球化学背景的制约[3]。因此，研究汉中市岩溶环境中的土壤养分状况，有助于揭示岩溶生态系统各组分之间的养分循环规律，对维护区域生态系统稳定具有重要意义。生态化学计量学是研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是碳、氮和磷)平衡的科学[4]。研究土壤C、N、P含量及其平衡状态，指示土壤养分的供应和限制情况[5]，反映自然过程和人为干扰对土壤生源要素的影响程度，对认识生态系统碳汇潜力及其对气候变化的响应具有重要的生态指示作用[6]。在喀斯特石漠化地区土壤生物元素循环中，C、N、P 元素是核心,调节和驱动整个生态系统演替过程[7]。土壤C、N、P、K 不仅能反映土壤肥力状况,其化学计量比，也是反映土壤养分供给能力的重要指标[8]。

土地利用方式是土地在人为影响下的特征表现，不同的利用方式势必对土壤中动植物及微生物的生理特性产生各种影响，既改变了土壤的内在属性，也影响其与外界因素的联系，造成土壤C、N、P的含量差异，所以土地利用方式对土壤C、N、P及生态化学计量特征的分布和分异具有重要影响[9-13]。截止目前利用生态化学计量方法研究土壤养分平衡主要侧重于森林、草原和淡水湿地生态系统，而耕地与自然生态系统土壤养分比较研究较少，秦巴山区岩溶生态系统土壤生态化学计量研究还未见报道,因此，为了给汉中天坑群所处岩溶区生态环境保护治理和土地资源合理利用提供科学依据，我们对汉中市南郑区小南海喀斯特地区4种主要利用方式土地的土壤养分状况及其化学计量学特征进行了研究。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

研究区位于汉中市南郑区小南海镇南部，地理坐标北纬32°45′～32°51′，东经106°58′～107°05′。属喀斯特中山地貌，地势西高东低、南高北低。境内主要河流为冷水河，属长江支流汉江水系；另有观音洞地下暗河流出汇入冷水河。气候属北亚热带湿润气候与暖温带半湿润气候的过渡带，尤以北亚热带气候特征明显，具有明显的季风气候特点，春秋略短，冬夏稍长。年均气温均在14 ℃以上，年均降水量1 100～1 300 mm，主要集中在夏季。地层岩性主要是二叠系阳新组、吴家坪组含条带状燧石生物碎屑灰岩和三叠系大冶组白云质灰岩，灰岩质纯、致密，多为中厚层状，少量薄层状。岩石溶蚀作用较强，地下水主要为岩溶裂隙水。土壤区划属北亚热带混生常绿阔叶树种的落叶阔叶林黄棕壤地带，主要由黄褐土、黄棕壤组成；采样区土壤为多为灰岩风化形成的棕红色粘质黄棕壤，土层连续，厚度一般为0.2～1.5 m，pH值5.2～7.0，弱酸性至中性，表层pH值略高于亚层[14]。主要粮食作物有水稻、小麦、玉米，经济作物主要有蔬菜、茶叶、烟叶。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与加工 2020年5月在前期野外勘察基础上，在研究区选择了4种具有代表性的土地利用方式，即以种植农作物及蔬菜为主的农田、以种植烤烟为主的农田、草地、林地，每种利用方式选择有代表性的样地5～10个，在每个样地按照DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》选择样点和采集土样，采样深度0～20 cm，每个样地5个样点，每个样地采混合土样。土样自然风干后平铺在制样板上，用木棍碾压，并将植物残体、石块等非土物质剔除干净，采用静电吸附清除细小植物须根，土样研磨后过2 mm孔径筛，装袋封存送检。

表1 样地基本情况

1.2.2 土壤养分测定 全氮(TN)采用浓H2SO4消煮，半微量开氏法测定；全磷(TP)采用HClO4-H2SO4消煮，钼锑抗比色法测定；全钾(TK)采用氢氧化钠熔融—原子吸收法测定,土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化—外加热法测定[15]。

1.2.3 数据处理与分析 采用Microsoft Excel 2017和SPSS 17.0软件进行统计分析，使用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分特征

由表2可知, 研究区不同土地利用方式的土壤SOC含量均值为10.06～22.19 g·kg-1，其中草地(22.19 g·kg-1)>林地(20.23 g·kg-1)>耕地1型(13.02 g·kg-1)> 耕地2型(10.06 g·kg-1)；土壤TN含量均值为1.05～2.03 g·kg-1，不同利用类型之间变化趋势与SOC一致，即草地(2.03 g·kg-1)>林地(1.89 g·kg-1)> 耕地1型(1.33 g·kg-1)> 耕地2型(1.05 g·kg-1)；土壤TP含量均值为0.62～0.78 g·kg-1,表现为草地(0.78 g·kg-1)> 耕地1型(0.74 g·kg-1)> 耕地2型(0.72 g·kg-1)>林地(0.68 g·kg-1)；土壤TK含量均值为18.97～21.16 g·kg-1,表现为耕地2型(21.16 g·kg-1)>耕地1型(20.82 g·kg-1)>草地(19.75 g·kg-1)>林地(18.97 g·kg-1)，表明农田土壤SOC、TN、TK含量状况优于草地和林地。从变异系数看，测定的4个指标都是农田小于林地、草地，表明农田土壤SOC、TN、TP、TK含量变化幅度较小，不同地块之间差异不大；同一利用类型土壤TK变异系数小于SOC、TP、TN，说明不同利用条件下的土壤K元素含量较稳定。

表2 土壤C、N、P、K化学计量特征

土地利用变化不仅直接影响土壤有机碳的含量和分布，还可以通过影响土壤有机碳形成和转化的相关因子，而间接影响土壤有机碳的分布[16-17]。研究区不同土地利用方式SOC和TN含量林地、草地明显高于耕地，主要是由于林地、草地与农田相比，人为干扰小，利用率低，即人们从土地获取的植物较少，植物死亡根系和枯枝落叶绝大部分不被带出而被微生物分解返还土壤，而农田长期处于人为干扰下,土壤有机质物理保护层遭到破坏，不利于微生物分解[18-19]，耕地1型与耕地2型TN含量差别与不同农作物对氮的分解与吸收、种植方式有关[11，20]。

土壤中TP具有表聚性[21]，草地、林地中P元素主要来源于凋落物，农田主要来源于施肥，岩溶区石灰土的富钙偏碱性导致土壤中P含量及其有效性降低[22]，导致不同土地利用方式之间差异很小。土壤中K元素含量较稳定，与P元素具有相似的来源，土壤中K元素在林草地中虽然有凋落物分解释放，但由于淋滤作用，易造成养分损失，而在农田中来源稳定，含量稍高。

2.2 土壤养分的化学计量学特征

由表2可看出，研究区不同土地利用方式土壤C∶N值为9.46～10.06，不同土地利用方式之间差异不显著，变异系数15%～28%，属于中等变异；土壤C∶P值为14.72～35.56，C∶K值为0.48～1.27，N∶P值为1.57～3.34，N∶K值为0.049～0.113，P∶K值为0.033～0.039，其中C∶P、C∶K、N∶P、N∶K值草地和林地显著高于农田，变异系数也较大，属于高度变异。不同土地利用方式的土壤C∶N、C∶P、C∶K、N∶K等表现为草地>林地>耕地1型>耕地2型；N∶P表现为林地>草地>耕地1型>耕地2型，不同土地利用方式土壤P∶K相差较小。

2.3 土壤养分与生态化学计量比的相关性

由表3可知，研究区不同土地利用下的土壤养分元素之间，土壤SOC平均含量与TN呈极显著正相关，与TP显著正相关，与TK呈极显著负相关；TN与TP呈显著正相关，与TK呈极显著负相关；TP与TK呈极显著正相关。土壤养分与化学计量比之间，SOC和TN分别与化学计量比之间均呈极显著正相关；TP分别与C∶P、N∶P呈极显著负相关，与P∶K呈极显著正相关，与C∶N、C∶K和N∶K相关性不显著；TK除与P∶K呈不显著负相关外，与其它均呈显著或极显著负相关。化学计量比之间，除P∶K分别与C∶P和N∶P呈负相关不显著外，其余两两之间均呈极显著正相关。

表3 土壤C、N、P、K及生态化学计量Pearson相关系数(n=95)

3 结论与讨论

土壤C、N、P、K是植物生长发育所必需的元素，也是衡量土壤质量的重要指标[23]。研究区土壤养分与南方喀斯特地区如广西、贵州等地相比，具有一定的相似性，但也存在差异，具体表现为土壤SOC、TN和TP等养分与广西马山县[24]、贵州乌当白水河[25]差别不大，但较桂林毛村[26]低，但TK含量普遍高于上述等地区。在不同土地利用方式中，SOC、TN养分表现为草地>林地>粮食作物耕地>经济作物耕地，由于岩溶区土壤中的胡敏酸与钙结合生成不易分解的胡敏酸钙，使得有机质得到积累[26]，有机质为土壤中主要的C、N来源，草地、林地丰富的凋落物被分解为有机质，而耕地和烤烟地由于管理方式和自生环境条件，频繁耕作造成土壤中的大团聚体被破坏，养分流失。本研究中草地SOC、TN最高，是由于草地土层浅薄，钙淋失程度低，致使土壤多为中性或碱性，有利于有机质积累，与潘志华的研究成果一致[25]。

研究区不同土地利用方式中TP和TK差别不大，由于元素所具有的“表聚性”，主要受人为施肥影响显著，与前人研究成果一致[21-25]。土壤C∶N、C∶P比是认识土壤有机质来源的一个重要指标，可用于判断土壤中有机质分解程度及其对土壤肥力的贡献[27]。本研究的C∶N含量均值为9.46～10.06，略低于全国土壤均值水平(10～12)[28]；C∶P含量均值为14.72～35.56，远低于我国陆地土壤均值52.64[29]，说明研究区土壤有机质具有较高的矿化速度[30]，土壤层具有较高的有效N和有效P。

研究区C∶N、C∶P、C∶K、N∶K在不同土地利用方式表现为：草地>林地>粮食作物耕地>经济作物耕地，由于K在土壤中相对稳定，主要受SOC、TN的影响，表明草地利于养分的富集，烤烟地养分利用效率高。

土壤的N∶P是其有机质可分解性的一个决定性因素，主要用来判断养分限制状况[31]；研究区土壤N∶P含量均值为1.57～3.34，低于我国土壤N∶P均值(4.2)[29]，表明研究区土壤处于氮限制状态，不同土地利用方式表现为林地>草地>粮食作物耕地>经济作物耕地，是由不同土地利用方式中TN含量差异造成的，TN与SOC呈极显著的正相关，烤烟地由于频繁耕作与人为施化肥，植物吸收养分较快，碳氮积累较慢，造成了含量相对较低；而耕地稍高于烤烟地可能与耕地施肥主要为农家肥有关，需要一定分解有机质过程。研究区土壤中P∶K在不同土地利用方式中差异不明显，由于TP与TK呈极显著的正相关，况且K较稳定，差异主要受P含量变化影响。

本研究中土壤SOC与N呈极显著的正相关，与P呈正相关不显著，与张春来的研究结果一致，但对于K元素的相关性不一致[24]。目前岩溶区生态化学计量研究主要集中在C、N、P等元素上，对K元素的研究较少；研究区TK含量虽然高于西南喀斯特地区(3.33 g·kg-1)[32]，但K元素除了与P元素呈极显著正相关外，与其它养分元素均呈极显著负相关，说明该区高K土壤环境对于SOC和N养分具有抑制作用，或单独施钾肥对该区土壤质量改良不利。

综上所述，不同土地利用方式下土壤C、N、P、K含量及生态化学计量存在差异，表现为草地的SOC、TN含量均值最高，经济作物(烤烟)耕地最低；草地的TP含量均值最高，林地最低；经济作物(烤烟)耕地TK含量均值最高，林地最低。草地、林地有利于提高区域生态环境质量，可适当加以开发利用；加强改善农田有机质储量，促进其发挥出更大的生态功效。此外加强对该区不同土地利用方式下土壤、植物、凋落物之间的生态环境效应研究及区域生态环境承载力评估，为汉中市天坑群地质公园土地利用合理规划提供科学参考。