洱海罗时江小流域林地—农田—河岸带土壤碳氮磷化学计量特征

梁启斌，李瑞琳，李佳琛，侯 磊，王艳霞

(西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224)

【研究意义】土壤中的碳(C)、氮(N)、磷(P)是影响植物生长的重要营养元素，其丰缺程度控制生态系统的动态平衡，影响整个生态系统生产能力的高低。掌握土壤C、N、P含量、储量及其化学计量特征是保护土壤资源的基础，对促进可持续农业发展和环境保护具有重要意义[1]。生态化学计量学是以生态学和化学计量学为基本原理，分析生态系统中C、N、P组成及比例关系，揭示土壤养分生物地球化学循环特征，以平衡植物-土壤养分供求关系[2-3]。【前人研究进展】目前关于土壤C、N、P含量、储量及其化学计量特征的研究多以单一的行政区划单元为研究区[4-5]，行政区划分割了流域的系统性和整体性，不能完整反映流域各自然要素的演变过程[6]，具有一定的局限性。小流域是生态、经济与社会子系统的复合系统，也是自然资源规划中最主要的规划单元，在小流域开展土壤C、N、P含量、储量及其化学计量特征分析，可以进一步揭示空间尺度上土壤养分的供需平衡。目前，对小流域土壤C、N、P的研究多集中于东北平原[6-7]，长江中下游平原[8-9]，内蒙古高原[10-11]，黄土高原[12-13]等，而对云南高原区小流域土壤C、N、P含量、储量及其化学计量特征分析鲜有报道。【本研究切入点】洱海是大理州重要饮用水源保护地，是云南省第二大高原湖泊[14]，具有封闭半封闭特性，其四面环山、中部为较低海拔的天然汇水区，其入湖水量有限、换水周期长、污染物通过入湖河流汇集，极易引起湖泊水体富营养化[15]。目前洱海水质稳定在Ⅱ～Ⅲ类，已处于富营养化初级阶段[16]。位于洱海的北部罗时江、弥苴河和永安江流域地势平坦，村落聚集，人口基数大，输入的氮磷污染物约占入洱海总量的50%左右，面源污染突出[17]。为保护洱海生态环境，先后建设了罗时江湿地和江尾湿地等生态修复工程，能有效削减N、P污染物的入湖通量[18]，随后在罗时江两岸修建了宽50～100 m的河岸缓冲带(河岸带)削减入湖污染物。为进一步开展洱海流域生态文明建设，按“修山育林、净田治河、修复宜居、增容保水”的思路系统开展“山水林田湖草”治理与保护[19]。【拟解决的关键问题】以罗时江小流域为研究区，对林地-农田-河岸带土壤C、N、P含量、储量及其化学计量特征进行研究，为后续开展小流域土地的合理利用，土壤C、N、P流失特征及生物地球化学循环过程的研究提供基础数据，也可为该小流域“山水林田湖”整体性保护工作提供参考，对洱海流域农业面源污染防控及生态环境保护具有重要现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洱海流域位于金沙江、澜沧江和元江三大水系分水岭地带，流域属典型的亚热带高原季风气候，多年平均气温15.3 ℃，主导风向为西南风，流域面积2565 km2[20]。罗时江为洱海北部重要的入湖河流，发源于大理洱源县右所镇下山口附近，流经右所镇、邓川镇，全长18.29 km，平均流量约为1.67 m3/s，年均径流量约为0.53亿m3，占洱海总来水量的5.90%[18]。罗时江小流域(25°55′30″～26°04′25″N，99°58′28″～100°06′48″E，图1)总面积135.01 km2，其中林地、耕地、草地和河岸带的面积分别为58.71、46.58、20.88和1.99 km2，分别占小流域面积的43.49%、34.50%、15.46%和1.47%。为削减沿岸面源污染入河，2018年在罗时江两岸修建了河岸带，西湖上游的河岸带长3.24 km、宽50 m，下游河岸带长8.31 km、宽100 m。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 于2020年10月采集研究区土壤样品，根据罗时江小流域内主要土地利用类型、样地均匀性及可达性选择了林地(记为F1～F7)、农田(记为A1～A6)、河岸带(记为R1～R3)3种地类，共计16个样点(图1)，并记录样点的坐标及优势植被等基本信息。每个样点用S形布点法间隔1 m采集5个表层土壤(0～20 cm)，混匀后用四分法取0.5 kg土样，带回试验室测定容重(BD)、pH、含水率(W)及C、N、P含量等理化指标。

图1 罗时江小流域地理位置及不同地类土壤采样点分布Fig.1 Geographical location of the Luoshijiang small watershed and distribution of soil sampling sites in different land use patterns

1.2.3 数据处理 变异系数采用公式(1)计算[22]，有机碳(SOC)含量参照文献利用有机质换算[21]，土壤SOC、TN和TP储量采用公式(2)～(4)计算[3]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：CV为变异系数；σ为标准差；μ为均值；CS为有机碳储量(t/hm2)；ω(SOC)为有机碳平均含量(g/kg)；BD为土壤容重(g/cm3)；NS为全氮储量(t/hm2)；ω(TN)为全氮平均含量(g/kg)；PS为全磷储量(t/hm2)；ω(TP)为全磷平均含量(g/kg)；H为土层厚度(20 cm)。

实验数据用Microsoft Excel 2010汇总，利用Origin 2018软件绘制柱状图，用Canoco 5.0 软件对土壤理化性质与土壤C、N、P变化关系进行冗余分析(RDA)并结合SPSS 19.0开展Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

由表1可知，不同土地利用方式土壤pH表现为河岸带(8.11±0.37)>农田(7.63±0.41)>林地(6.29±0.14)，BD表现为河岸带(1.43 g/cm3)>林地(1.16 g/cm3)>农田(1.05 g/cm3)，含水率表现为河岸带(20.92%)>林地(34.25%)>农田(19.62%)。林地土壤主要成分为砂粒(Sa，粒径为0.02～2 mm)，而农田和河岸带土壤主要成分均为粉粒(Si，粒径为0.002～0.02 mm)和砂粒。土壤中所含黏粒(Cl，粒径<0.002 mm)成分最高的是农田，为16.22%。

土壤pH影响土壤养分及微量元素的有效性，罗时江小流域土壤pH变化幅度为6.25～8.38，不同用地类型的土壤pH存在显著差异(P<0.01)。农田土壤pH高于林地，主要受研究区土地施肥和管理方式的影响[23]。由表2可知，农田土壤质地较为疏松[24]，说明农田蓄水能力强，含水率较高。河岸带和林地土壤质地较为适宜，其含水率低于农田。

表1 土壤基本理化性质

表2 土壤容重与土壤松紧程度的关系

2.2 不同土地利用方式下土壤C、N、P含量

图2 不同土地利用方式下土壤C、N和P含量Fig.2 Soil C, N and P contents under different land use patterns

2.3 不同土地利用方式下土壤碳氮磷化学计量特征

小流域土壤C/N、C/P、N/P范围值分别为13.78～85.34、5.30～35.97、0.25～1.45，平均值分别为(25.17±3.56)、(14.20±0.57)、(0.69±0.01)。林地土壤C/N、C/P、N/P平均值分别为31.05、15.84、0.64，变异系数为74.46%、57.92%、45.89%。农田土壤C/N、C/P、N/P平均值分别为17.55、14.06、0.89，变异系数为22.92%、71.90%、57.36%。河岸带平均值分别为26.66、10.67、0.40，变异系数为16.13%、13.22%、13.53%(表3)，均为中等变异程度。

2.4 不同土地利用方式下土壤C、N、P储量

罗时江小流域土壤Cs、Ns、Ps范围分别为85.34～196.27、2.95～13.87、5.47～16.96 t/hm2，平均值分别为(124.56±0.78)、(6.46±0.03)、(9.50±0.38) t/hm2。

不同土地利用类型土壤Cs、Ns、Ps表现出显著差异(图3)，从C的积累能力看，土壤Cs变化趋势表现为林地(135.51 t/hm2)>农田(120.44 t/hm2)>河岸带(107.26 t/hm2)，林地Cs最高，说明其固碳能力最强，是该流域重要的土壤“碳汇”。从N的固定效果看，Ns变化趋势为农田>林地>河岸带，因此，农田是罗时江小流域土壤氮养分高水平状态的利用类型，是该流域土壤“氮汇”。从P的固定效果看，Ps变化趋势表现为河岸带(10.35 t/hm2)>农田(10.00 t/hm2)>林地(9.76 t/hm2)，河岸带是该流域土壤“磷汇”。小流域土壤的Cs、Ns略高于云南松土壤，分别是云南松Cs、Ns的1.46和1.37倍[27]，林地Ps(10.05 t/hm2)显著高于滇中退化山地土壤的Ps(2.57 t/hm2)。

表3 土壤C、N、P含量与化学计量比的变异系数

图3 不同土地利用方式下土壤C、N、P储量Fig.3 Soil C, N and P stocks under different land use types

表4 土壤C、N、P含量和储量及其化学计量比与环境因子的相关性

2.5 土壤基本理化性质对土壤C、N、P含量、储量及化学计量特征的影响

红线表示环境因子，蓝线表示土壤碳氮磷含量、储量及其化学计量比The red line represents the environmental factors, and the blue line represents the soil carbon, nitrogen and phosphorus content, storage and its stoichiometric ratio图4 土壤理化性质与土壤C、N、P含量、储量及化学计量比的冗余分析Fig.4 Analysis of soil physical and chemical properties and soil C, N, P content, reserves and stoichiometric ratio

为进一步验证影响罗时江小流域土壤C、N、P含量、储量及其化学计量比的环境因子，参考已有土壤养分分布及影响因子的相关分析，对小流域土壤C、N、P含量、储量及其化学计量比与环境因子进行Pearson相关性分析(表4)。土壤Cs、Ns、Ps受C、N、P含量和土壤BD的影响，与土壤结构、质地等物理性质密切相关[28]。

Cs与ω(SOC)、C/P呈极显著正相关(P<0.01)，与ω(TN)、N/P呈显著正相关(P<0.05)；Ns与ω(TN)，Ps与ω(TP)均呈极显著正相关(P<0.01)；ω(SOC)与ω(TN)呈极显著正相关(P<0.01)，刘骞等[29]对松嫩平原不同土地利用方式对土壤C、N影响的研究也有相似结果。有研究表明土壤SOC和TN的关系能够衡量土壤的质量，ω(SOC)的高低直接影响土壤氮素供应水平[30]。ω(SOC)与C/P呈极显著正相关，而与BD呈极显著负相关(P<0.01)。ω(SOC)与W呈显著正相关(P<0.05)，这与大兴安岭冻土区土壤碳氮含量研究结果一致[31]；ω(TN)与W呈显著正相关(P<0.05)。C/N、C/P与N/P三者互呈极显著正相关(P<0.01)。以上结论与冗余分析结果一致。

3 讨 论

3.1 不同土地利用方式对土壤C、N、P含量的影响

3.2 不同土地利用方式对土壤C、N、P生态化学计量比的影响

3.3 不同土地利用方式对土壤环境因子的影响及其与C、N、P含量的关系

不同土地利用方式导致小流域土壤C、N、P储量存在一定差异，微生物分解速率不同，从而造成土壤理化性质的差异[39]。已有研究表明，土壤容量、含水率不仅与研究区气候、土壤类型和成土母质密切相关，也与不同土地利用类型有关。李森等对川西北不同生态治理模式下土壤C、N、P储量及生态化学计量的研究表明随着土壤ω(SOC)增加，孔隙度随之增大，从而导致土壤容重降低[40]。本研究中土壤含水率与ω(SOC)、ω(TN)呈显著正相关，与何家莉等[5]的研究结果相似，这是因为植被根系从土壤中吸收足够的水分参与植物的生命活动，导致生物量不断增加，同时根系在水分充足的条件下对枯枝落叶分解速率加快，致使C、N元素不断向土壤输入，形成C、N累积，而P则易随地表径流和渗漏损失。土壤容量、含水率是影响林地、农田、河岸带土壤C、N含量的重要因子。

4 结 论

(2)罗时江小流域土壤Ns变化趋势为农田>林地>河岸带，Cs表现为林地>农田>河岸带，Ps表现为河岸带>农田>林地。林地是该流域重要的土壤“碳汇”，农田是该流域土壤“氮汇”，河岸带是该流域土壤“磷汇”。

(3)小流域土壤C/N、C/P、N/P范围值分别为13.78～85.34、5.30～35.97、0.25～1.45。在不同土地利用方式影响下，土壤C/N表现为林地>河岸带>农田，C/P、N/P值均表现为农田>林地>河岸带。不同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。

(4)小流域土壤容量(BD)、含水率(W)显著影响土壤 C、N含量。Cs与ω(SOC)、C/P呈极显著正相关(P<0.01)，与ω(TN)、N/P呈显著正相关(P<0.05)；Ns与ω(TN)，Ps与ω(TP)均呈极显著正相关(P<0.01)；ω(SOC)与ω(TN)、C/P呈极显著正相关(P<0.01)，与BD呈极显著负相关(P<0.01)，与W显著正相关(P<0.05)；ω(TN)与W呈显著正相关(P<0.05)。C/N、C/P与N/P三者互呈极显著正相关(P<0.01)。