黄土丘陵区不同土地利用方式下土壤养分及生态化学计量特征

夏光辉， 郭青霞， 卢庆民， 杜 轶， 康 庆

(1.山西农业大学 资源环境学院, 山西 太谷 030800; 2.山西省永和县水利局, 山西 永和 041400)

生态化学计量学是一门在结合生态学和化学计量学理论的基础上来研究生态系统能量和多种化学元素平衡的学科[1-2]。碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)等化学元素是土壤养分的重要组成部分也是植物生长发育所必需的元素，土壤中C，N，P，K的生态化学计量特征会影响到生态系统中植物的生长发育、种群结构以及群落演替，土壤是生态系统中物质和能量的交换场所，土壤中各种养分之间存在着一定的耦合关系，单方面考虑土壤中某种元素的含量是不全面的，还需要了解元素之间的关系及比例[3-5]。土壤在全球C，N循环中扮演者重要的角色，全球土壤有机碳库的有机碳储量在1 200～2 500 Pg之间，约是大气碳储量的2倍，植被碳储量的2～3倍。同时土壤还具有巨大的氮汇能力，土壤中的P，K元素在生态系统中具有重要作用，是限制植物生长的重要因素之一[6-7]。因此，了解土壤中养分元素的生态化学计量特征对农业生产以及生态恢复具有重要的指导意义。

黄土丘陵区是我国生态环境脆弱区，严重土壤侵蚀导致土壤中的C，N，P，K等营养元素大量的流失，不仅造成面源污染还会致使土壤贫瘠影响植物的生长发育，形成恶性循环[8-9]。近些年来，我国黄土丘陵地区实施了一系列的生态恢复措施来改变这一现状，退耕还林(草)、坡改梯工程、淤地坝建设等一系列生态恢复措施可以有效地减少土壤侵蚀，从而起到固土保肥和恢复植被等生态作用[10-12]。探究黄土丘陵区不同生态恢复措施土壤养分生态化学计量特征具有重要的实践意义。近些年来，在针对黄土丘陵区土壤养分生态化学计量特征研究日益丰富，主要聚焦于不同植被种类或密度、不同自然条件对土壤和植物组织化学计量比的影响[13-16]。在不同生态恢复措施及不同土地利用方式对土壤养分生态计量特征的影响研究方面也有较多的研究[17-18]，但很少对土壤养分做出系统全面的阐述。为此，本文以黄土丘陵区典型小流域为研究区，通过比较因生态工程实施而造成的土地利用方式改变前后土壤的全量养分以及生态化学计量特征的差异，揭示不同土地利用方式对黄土丘陵区生态恢复所起到的作用。

1 材料和方法

1.1 研究区概括

岔口小流域位于山西省永和县、隰县、石楼县三县交界处的芝河流域源头地带，属于典型的黄土丘陵沟壑区第一副区的代表性流域，流域面积为131.91 km2(36°47′26″—36°57′14″N，110°38′01″—110°50′02″E)。流域属于典型的暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温约8.6 ℃，年降雨量约为530.9 mm，且多集中在7—9月份。流域内地形地势复杂，生态环境比较脆弱，经济来源主要以第一产业为主。近些年来，为了改善流域内的生态环境，岔口小流域实施了一系列生态恢复措施，退耕还林、坡改梯工程，地埂核桃经济林工程等改变了原有的土地利用方式，促进了流域生态的恢复。其中，坡改梯工程和核桃林不仅能够起到生态恢复作用还兼顾经济效益。

1.2 样地设置及样本采集

通过实地调查、走访相关政府部门与当地居民，结合遥感影像分别选取退耕还林地(林地)、坡改梯地(梯田)，核桃林地(园地)和坡耕地各4块样地，每个样地在相似坡位处设置3个20×20 m的样方，在同一个样方内分别采取0—20 cm，20—40 cm 2个土层的样品，每个样品是由“S”采样法采取5个样点混合而成。流域共采取土壤样品96个。各类样地信息详见表1。

表1 岔口流域不同土地利用方式采样样地特征描述

1.3 样品分析与数据处理

土样的测定：土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾外加热法测定；全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法，全磷(TP)采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法，全钾(TK)采用氢氧化钠熔融分光光度法[19]；元素化学计量比采用质量比[12]。采用SPSS 25对数据进行描述性统计和Pearson相关系数的计算，用DPS进行多重比较(LSD),制图软件采用SigmaPlot 14.0。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤全量养分变化特征

表2和图1—2的统计结果表明，研究区梯田、林地、园地0—40 cm SOC的含量的均值分别为4.07，7.23和3.24 g/kg，分别是对照坡耕地(2.96 g/kg)的1.38，2.44，1.09倍，林地和梯田0～40 cm SOC含量显著(p<0.05)大于坡耕地，园地与坡耕地的差异不明显。土壤N含量方面，各样地0—40 cm土壤TN含量分别为0.72，1.09，0.69和0.41 g/kg，梯田、林地、园地TN含量分别是对照坡耕地的1.76，2.66和1.68倍，3种生态恢复措施土壤TN含量均显著(p<0.05)的大于坡耕地。4种样地SOC，TN含量在各层的分布都表现为上层(0—20 cm)显著(p<0.05)的大于下层(20—40 cm)，变异系数方面，流域SOC和TN的变异系数分别分布在5.08%～42.72%，12.31%～22.65%之间，SOC和TN变异系数在各样地之间的大小都表现为：园地>林地>梯田>坡耕地的规律。

表2 不同土地利用方式下土壤C，N，P，K及C:N描述性统计

注：数据为平均值±标准误差，0—40 cm土壤数据为0—20 cm，20—40 cm土壤数据的算术平均值，不同字母代表同一措施不同土层间差异性显著(p<0.05)。下同。

研究区土壤P，K元素方面，由图1可知，梯田、林地、园地与坡耕地0—40 cm土壤TP含量差异不显著，分别为0.61，0.60，0.60和0.59 g/kg，梯田、林地土壤TP上下层差异性不显著，园地和坡耕地土壤TP含量表现为上层显著(p<0.05)的大于下层，各样地土壤TP的变异系数也都分布在6.75%～11.24%之间，变异程度较弱。

0—40 cm土壤TK含量在各个样地之间表现为：梯田>林地>园地>坡耕地，分别为18.07，15.95，15.82和15.59 g/kg，梯田TK含量显著大于坡耕地，林地和园地与坡耕地的差异并不显著，同一类样地不同土层之间，除了园地上层土壤TK含量大于下层外，其余3种样地的土壤TK含量在上下土层之间差异不明显。

注：不同大小写字母分别表示同一土层不同土地利用方式在0.01，0.05水平下显著。下同。

2.2 不同土地利用方式下土壤生态化学计量比变化特征

由图2可知，流域各样地0—40 cm土壤C∶N均值大小表现为：坡耕地>林地>梯田>园地，坡耕地土壤C∶N均值显著(p<0.05)的大于梯田和园地，略高于林地但无显著性差别，研究区样地土壤C∶N总体分布在8.90～2.17范围内，变异系数在8.88%～30.82%，林地0—20 cm土壤C∶N变异系数最大，坡耕地0—20 cm土壤C∶N变异系数最小。各样地不同土层间，除了园地上下层之间土壤C∶N比差异性显著(p<0.05)外，其余3种样地上下层含量无显著差别。研究区土壤C∶P，C∶K，N∶P均值在各样地0—40 cm土壤中表现为：林地>梯田>园地>坡耕地。其中，林地0—40 cm土壤的C∶P，C∶K，N∶P均值都极显著(p<0.01)大于坡耕地；梯田0—40 cm土壤C∶P显著(p<0.05)的大于坡耕地，N∶P极显著(p<0.01)的大于坡耕地，而C∶K值差异不显著；园地0—40 cm土壤N∶P极显著的大于坡耕地，而C∶P，C∶K值与坡耕地差异不明显。各样地C∶P，C∶K值在不同土层之间都表现为上层显著(p<0.05)大于下层，梯田和园地N∶P值上下层无显著差别，林地和坡耕地N∶P值表现出上层显著的大于下层。研究区3种生态恢复措施土壤N∶K值都极显著的大于坡耕地，在各个样地的大小表现为：林地>园地>梯田>坡耕地，0—40 cm土壤P∶K值在各个样地的含量差异性不大，不同土层之间的含量也无显著性差别(表3)。

2.3 不同土地利用方式下土壤全量养分和化学计量比之间的关系

表4中的计算结果显示，全量养分元素方面，C-N和N-K元素之间呈现出极显著(p<0.01)的正相关外，其他元素两两之间相关性不显著；全量养分与化学计量比之间,C，N分别与除P∶K之外的化学计量比都有极显著的相关性，P元素与N∶P呈现出显著(p<0.05)的负相关性，与P∶K有着极显著的正相关性，K元素与N∶K，P∶K分别有着显著和极显著的负相关性；各计量比之间，除P∶K与各计量比相关性不显著之外，其余各计量比两两之间都有极显著的正相关性。由图3可知，流域土壤C-N，N-CN，N-NP，N-NK之间呈现出极显著的三次函数关系，土壤C-CP，C-CK，P-PK，K-PK之间有极显著的二次函数关系，C-CN之间是极显著的指数型函数关系，其余指标之间的函数关系不明显。

图2 不同土地利用方式下土壤计量比多重比较结果

3 讨 论

3.1 不同土地利用方式对土壤C，N，P，K含量的影响

土壤C，N，P，K是植物生长发育所必需的的元素，也是衡量土壤质量的重要指标[20-21]。研究区梯田、林地、园地3种生态恢复措施相比于坡耕地土壤C含量提高了0.38，1.44，0.09倍，土壤N含量提高了0.76，1.66，0.68倍。杜宁宁等[22]研究发现土地利用方式转变后会影响土壤的碳氮循环的强度，李欣雨等[23]认为土地利用方式的变化会影响到SOC的矿化速率，有机质是土壤的主要C源和N源[24]，SOC和TN含量在不同土地利用方式下存在差异，除了自身环境因素的影响外，有机质输入的数量和质量也会对SOC和TN 的含量产生重大的影响，3种生态恢复措施中林地的植物残体输入量最高，其SOC和TN 增加也最为明显，梯田除了部分秸秆还田外，土壤中还保留着大量的根系组织，为土壤提供了大量的C和N源，而坡耕地由于管理方式和自身环境条件，C源和N源相对匮乏，坡耕地耕作频繁使土壤中的大团聚体遭到破坏，严重的土壤侵蚀造成土壤中的N元素大量流失。3种生态恢复措施显著的改变了原有坡耕地的植被和坡度等因素，有利于土壤特别是表层土壤C，N元素的积累。

3种生态恢复措施0—40 cm土壤TP含量与坡耕地差别都不明显，这与李占斌[12]、曾全超等[25]人的研究结论一致，但不同于张晗等[20]人的,这可能是因为所处的研究区不同，研究区土壤的类型、成土母质、气候条件、管理方式、特别是成土母质不同所导致的[1,21]；不同生态恢复措施各层土壤在TK含量上呈现出：梯田>林地>园地>坡耕地，其中，梯田极显著的大于坡耕地，林地、园地和坡耕地无显著性差别，TK含量主要受到成土母质的影响,梯田土壤TK含量显著大于坡耕地可能是因为施肥的原因所导致[26]。

表3 不同土地利用方式下土壤化学计量比描述性统计

表4 各指标间的相关系数

注：**表示显著性水平为0.01，*表示显著性水平为0.05。

从C，N，P，K在不同恢复措施土壤的垂直分布上看，梯田、林地和园地0—20 cm土壤全量养分的均值均大于20—40 cm，其中除了梯田和林地0—20 cm土壤TP和TK含量与20—40 cm的不显著以外，其他恢复措施土壤的全量指标均在p<0.05水平下有显著差别。表层最容易受到外界环境的影响，人为干扰和动植物残体主要作用于表层，加上表层土壤土质疏松，土壤的水、肥、气、热条件和微生物活性优于深层土壤，导致表层土壤的理化性质和水肥条件优于深层土壤,这与其他文献的研究结论基本一致[27-28]。

图3 流域0-40 cm土壤全量养分及计量比之间的函数关系

3.2 不同土地利用方式对土壤养分元素化学计量比的影响

流域各样样地土壤C∶N指标在不同土层上均表现为:坡耕地>林地>梯田>园地，但4种样地土壤C∶N值明显的小于25，C∶N值与有机质分解释放出的N的数量成反比，C∶N值越小，说明有有机质分解和矿化的速度较快，不利于养分的积累[1,29],3种样地中，由于林地土壤蓄水能力强，植物残体多使得林地土壤C源相对充足，土壤N素矿化速率低，所以导致林地的C∶N值高于梯田和园地，而坡耕地C∶N值较高的原因是由于频繁的翻耕导致土壤中的N元素大量流失，并且坡耕地微生物活性相对较低，C的矿化速率较低，最终导致坡耕地土壤C∶N值显著高于3种土地利用方式[20]。3种恢复措施中，林地更有助于促进土壤有机质的腐殖化过程，有利于土壤养分特别是C，N元素的富集，具有更好的生态恢复效果。

4种样地0—40 cm土壤C∶P和N∶P指标有：林地>梯田>园地>坡耕地的规律，土壤中的P元素对植物的生长起着重要作用，C∶p值通常被认为是土壤P元素矿化的指标，也是土壤有机质矿化释放出P素和从环境中固持P素的指标[3,24,30]，流域0—40 cm土壤C∶P均值的范围为5.36～12.17，远低于我国土壤C∶P的均值61，有研究表明当C∶P值<200时，土壤微生物C素含量会在短时间内增加，P素含量也会出现净矿化，土壤中P素含量会增加[30-31]，4种样地土壤C∶P值都远小于200，说明流域植被的生长不会受到P元素的限制。N，P元素被认为是陆地生态系统的限制性元素，N∶P常被用来作为养分阈值的确定和土壤养分限制因子的诊断[32-33]。流域0—40 cm土壤N∶P的范围为：0.64～1.84，同样低于全国土壤N∶P均值5.2，说明流域土壤中N素相对缺乏。

流域土壤C∶K均值在不同土地利用方式中表现为：林地>梯田>园地>坡耕地，N∶K均值表现为：林地>园地>梯田>坡耕地，由于除了梯田土壤K元素异常突出外，其他3种样地K元素含量差异不大，所以N∶K指标主要受到N元素含量的影响。P∶K值在4种样地0—40 cm土壤中表现为：园地>林地>坡耕地>梯田，其中，林地的C∶K均值极显著的大于坡耕地，主要是因为林地土壤的C含量大于坡耕地，当前大多数相关研究都集中在C，N，P的研究上，对土壤K元素以及K和其他元素计量比的研究相对缺乏[30],流域土壤TK含量处在第二次全国土壤养分分等定级中的第3等级，高于西南喀斯特地区(3.33 g/kg)[29]和湖南平江县福寿山杉木林地(5.52 g/kg)[3]，土壤TK含量相对较高，相对来讲C，N元素相对缺乏。

4 结 论

(1) 与坡耕地相比，流域因生态恢复措施导致的土地利用方式的变化能够显著的增加土壤中C，N的含量，P，K含量虽无显著性变化，但含量有所增加。梯田、林地、园地SOC含量分别是坡耕地的1.38，2.44，1.09倍，土壤TN含量分别是坡耕地1.76，2.66，1.68倍，林地相比于其他生态恢复措施对C，N元素的固定更为理想。

(2) 流域土壤C∶N值相对较低，不利于有机质的积累，C∶K，C∶P主要受C元素的影响，N∶P，N∶K受N元素的影响较大，C，N为流域土壤养分的限制元素，应进一步实施生态恢复措施，增加土壤中C，N元素的含量。

(3) 流域土壤元素之间具有稳定的耦合关系，C-N之间的耦合关系在维持元素平衡方面起着主要的作用。