白一茹，張 興，包維斌，王幼奇，趙云鵬

(1.寧夏大學資源環(huán)境學院，寧夏 銀川 750021；2. 旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理教育部國際合作聯(lián)合實驗室，寧夏 銀川 750021)

土壤C、N、P是土壤養(yǎng)分的核心，其含量的多少會影響土壤中微生物數(shù)量、凋落物再分配過程及土壤養(yǎng)分的長期積累[1]。C、N、P循環(huán)過程相互耦合，在生物地球化學循環(huán)過程中C、N、P的變化會影響土壤C平衡，其決定著陸地生態(tài)系統(tǒng)C源和C匯功能，與此同時N和P是植物生長的主要限制因子，因此研究土壤C、N、P的平衡關系對于探索陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制和養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律具有重要意義[2-4]。土壤C、N、P化學計量比可揭示C、N、P元素間的交互作用及平衡制約關系，是生態(tài)化學計量學的重要內(nèi)容，也是研究植被—土壤相互作用與養(yǎng)分循環(huán)的新思路[5-7]。

土地利用方式是人類利用土地各種活動的綜合反映，不同土地利用方式下耕作措施和水肥管理的不同會影響進入土壤的肥料、動植物殘體和土壤微生物數(shù)量及性質(zhì)，造成土壤C、N、P元素的礦化、運輸和吸收利用等差異[1，8-9]。在黃土高原丘陵區(qū)，Chen等[10]發(fā)現(xiàn)農(nóng)地轉(zhuǎn)為林草地，土壤C會增加，并且轉(zhuǎn)為灌木林地或野生草地比轉(zhuǎn)化為人工林更有利于C的固存。在亞熱帶丘陵區(qū)，楊文等[11]發(fā)現(xiàn)C/N、C/P、N/P高值區(qū)主要分布在人為干擾少和肥料使用少的林地區(qū)，而低值區(qū)主要分布在人類活動頻繁以及化肥施用量大的農(nóng)田區(qū)。在閩江河口濕地，王維奇等[12]研究得出土壤養(yǎng)分比值隨干擾程度的增大而減少，其中棄耕地的C/N、C/P、N/P高于有翻耕和施肥影響的耕地，蘆葦沼澤C/N、C/P、N/P高于池塘養(yǎng)殖地。在川中丘陵區(qū)，羅由林等[13]發(fā)現(xiàn)隨著時間推移，水田、旱地、園地和林草地土壤C/N、C/P、N/P均有不同程度上升，其中旱地土壤C、N、P關系變化相對穩(wěn)定而園地C、N、P比例關系顯著改善，呈良性發(fā)展。可以看出土地利用方式的改變會影響陸地生態(tài)系統(tǒng)原有的C、N、P循環(huán)，不合理的土地利用方式會造成土壤C、N、P元素的損失，且損失程度取決于干擾強度。

黃土丘陵區(qū)自然條件惡劣，植被覆蓋度低，土壤侵蝕嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱，合理有效的植被恢復是治理該區(qū)水土流失和改善生態(tài)環(huán)境的根本措施[11,14]。研究土壤生態(tài)化學計量特征有助于了解植被建設過程中養(yǎng)分的循環(huán)和再分布規(guī)律，進而對植被恢復的合理調(diào)控提供科學建議。雖然已有較多研究關注黃土高原地區(qū)不同土地利用方式土壤C、N、P狀況[1,5,9]，但關于土壤生態(tài)化學計量特征的研究較為缺乏。本文以黃土丘陵區(qū)谷子、苜蓿、檸條和棗樹4種典型土地利用方式為研究對象，通過測定0～100 cm土層土壤C、N、P含量，比較分析不同土地利用方式下土壤C、N、P垂直分布特征，探討土地利用方式對土壤生態(tài)化學計量特征的影響，為促進生態(tài)化學計量學理論的發(fā)展和完善提供數(shù)據(jù)參考，對生態(tài)環(huán)境保護具有積極參考價值和指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣區(qū)位于陜西省米脂縣(109.47°E，37.18°N)，平均海拔1 049 m，為典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬于中溫帶半干旱性氣候。全年年平均降雨量400 mm左右，主要集中在7—9月份，晝夜溫差大，溫度變化范圍為-25℃～38℃，多年平均氣溫8.5℃。日照時間8.35 h，平均風速1.19 m·s-1，平均相對濕度為60%。土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主，質(zhì)地為粉壤土。地形條件復雜，水土流失嚴重，溝壑密度3～6 km·km-2，土壤侵蝕模數(shù)1.8 萬t·km-2·a-1。植被屬森林草原植被帶，天然草類主要有白草(Ennisetumcentrasiaticum)、地椒(ThymusmongolicusRonn.)、狗尾草(SetariaviridisL. Beauv.)等，天然喬灌木零星分布，人工植被有檸條(CaraganaKorshinskiiKom.)、沙柳(Salixcheilophila)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)等，常見的經(jīng)果林主要有棗(ZiziphusjujubeMill.)、杏(ArmeniacavulgarisLam.)、桃(AmygdaluspersicaL.)、梨(Pyrusspp)等。

1.2 樣品采集與指標測定

在研究區(qū)內(nèi)，根據(jù)植被調(diào)查狀況，選取4種典型土地利用方式的坡面：谷子、苜蓿、檸條和棗樹，其中苜蓿生長年限為8 a，檸條為20 a，棗樹為12 a，坡向均為南偏東，地形概況見表1。在每個坡面的上坡、中坡和下坡三個不同位置，分別布設4個采樣點，每種土地利用方式12個采樣點，每個采樣點深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm處用土鉆采集土壤樣品4個，混合均勻后利用四分法保留約1 kg土樣，樣品總數(shù)為288個。土樣經(jīng)風干、剔除雜質(zhì)后研磨過100目篩備用。土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化法；全氮(TN)采用半微量開氏法；全磷(TP)采用酸溶鉬銻抗比色法測定[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，利用Sigmaplot 10.0軟件進行制圖，利用Canoco 4.5軟件進行典型相關分析，采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和多重比較檢驗中的最小顯著性差異法(LSD)比較不同土地利用方式間的差異，采用Pearson相關系數(shù)評價不同指標間的相關性。C/N、C/P和N/P均采用質(zhì)量比。

表1 樣地植被和地形概況

2 結果與分析

2.1 土壤C、N、P及其化學計量特征統(tǒng)計分析

表2是288個樣品的土壤性質(zhì)統(tǒng)計特征值，可以看出黃土丘陵區(qū)土壤C、N、P含量均比較低，其平均值分別為2.12、0.21、0.43 g·kg-1，說明采樣區(qū)土壤養(yǎng)分貧瘠。C/N、C/P和N/P的均值分別為10.83、5.0和0.48，變化范圍分別為5.07～26.33、1.77～12.22和0.15～1.47。變異系數(shù)可以反映出土壤性質(zhì)在不同空間位置分布的離散程度，在表2中，土壤C、N、P、C/N、C/P和N/P的變異系數(shù)均大于10%且小于100%，屬于中等程度變異，受土地利用類型、灌溉、施肥等因素影響明顯。

2.2 不同土地利用方式下土壤C、N、P垂直分布特征

通過圖1可以得出，10～20 cm和20～40 cm土層深度下，谷子地土壤C含量最高，其均值分別比苜蓿地高23.0%，比檸條地高33.1%，比棗樹林高28.0%。谷子地0～20 cm土層土壤C含量與檸條地和棗樹林差異顯著(P<0.05)，谷子地20～40 cm土層土壤C含量與苜蓿地差異顯著(P<0.05)，0～20 cm和20～40 cm土層土壤C含量在其它3種土地利用方式之間差異不顯著(P>0.05)。40～60、60～80 cm和80～100 cm深度下，4種土地利用方式土壤C含量雖有不同，但差異均不顯著(P>0.05)。土壤C含量隨土層增加有降低趨勢，其中不同土層間苜蓿地(F4,10=12.198，P<0.001)和谷子地(F4,10=4.007，P<0.05)C含量差異顯著，檸條地(F4,10=0.644，P>0.05)和棗樹林(F4,10=0.651，P>0.05)無顯著性差異。

0～20、20～40 cm和60～80 cm土層深度下，土壤N含量谷子地最高，檸條地最低。谷子地各深度N含量均值分別比苜蓿地高36.78%，比檸條地高90.82%(P<0.05)，比棗樹林高39.26%。40～60 cm和80～100 cm土層土壤N含量在4種土地利用方式之間差異不顯著(P>0.05)。與C含量一致，土壤N含量隨土層增加有降低趨勢，不同土層之間N含量同樣也是苜蓿地(F4,10=10.800，P<0.001)和谷子地(F4,10=5.28，P<0.05)差異顯著，檸條地(F4,10=0.311，P>0.05)和棗樹林(F4,10=1.009，P>0.05)無顯著性差異。

各土層的P含量在不同土地利用類型之間差異性較小，谷子地和苜蓿地較高，檸條地和棗樹林較低，其中苜蓿地和檸條地在0～20、60～80 cm和80～100 cm土層存在顯著差異(P<0.05)。隨著土層加深，除了谷子地(F4,10=5.408，P<0.05)外，其他3種土地利用方式的土壤P含量在不同土層之間差異不顯著(P>0.05)。

表2 采樣點土壤性質(zhì)統(tǒng)計特征值及其化學計量特征

注：誤差線為標準誤(n=3)；誤差線上的不同字母表示同一土壤深度不同土地利用方式間差異顯著性(α=0.05)。下同。 Note: The error line is the standard error (n=3). Different letters in the same column mean significantly different at 0.05 level among different land uses. The same below.圖1 不同土地利用方式下土壤C、N、P含量的垂直分布Fig.1 Vertical distribution of soil C, N, and P contents in different land use types

2.3 不同土地利用方式對土壤生態(tài)化學計量特征的影響

不同土地利用方式造成土壤C、N、P含量的差異，進而影響土壤生態(tài)化學計量特征。C/N是土壤質(zhì)量的敏感指標，而且會影響土壤中C、N循環(huán)[16]。土壤C/P是指示P有效性的重要指標[6]，而N/P是當前限制性養(yǎng)分判斷的重要指標之一。圖2中各土層C/N在不同土地利用方式之間具有顯著差異(P<0.05)，其中檸條地最高，谷子地最低，檸條地0～100 cm土層C/N均值比谷子地高44.82%，比苜蓿地高27.12%，比棗樹林高26.70%。4種土地利用方式土壤C/N在不同土層之間差異均不顯著(P>0.05)，平均值為10.72，變化范圍為7.23～19.02。

除80～100 cm土層土壤C/P在檸條地和苜蓿地之間具有顯著差異(P<0.05)外，其它各土層C/P在4種土地利用方式之間差異均不顯著(P>0.05)，其中谷子地和檸條地的C/P較高。苜蓿地C/P隨土壤深度的增加而顯著降低(F4,10=8.455，P=0.003)，其它3種土地利用方式的C/P在不同土層之間無顯著差異(P>0.05)。

0～20 cm和20～40 cm土層深度下，土壤N/P在不同土地利用方式之間具有顯著差異(P<0.05)，谷子地最高，檸條地最低，谷子地N/P 0～40 cm土層均值比檸條地高71.0%，比苜蓿地高35.1%，比棗樹林高30.7%。40～60、60～80 cm和80～100 cm深度下，4種土地利用方式的土壤N/P差異均不顯著(P>0.05)。與C/P類似，苜蓿地N/P隨土壤深度的增加而顯著降低(F4,10=8.221，P=0.003)，其它3種土地利用方式的N/P在不同土層之間無顯著差異(P>0.05)。

2.4 土壤有機C、全N、全P及其生態(tài)化學計量比與環(huán)境因子的相關性

從表3可以看出，土壤C與N、C/P和N/P具有極顯著正相關性(P<0.01)，與P和C/N相關性不顯著(P>0.05)。土壤N與P、C/P和N/P具有極顯著正相關性(P<0.01)，與C/N具有極顯著負相關性(P<0.01)。土壤P與C/N呈現(xiàn)極顯著負相關關系(P<0.01)，與C/P和N/P相關性不顯著(P>0.05)。C/N和N/P呈現(xiàn)極顯著負相關關系(P<0.01)，與C/P相關性不顯著(P>0.05)。C/P和N/P呈現(xiàn)極顯著正相關關系(P<0.01)。

設環(huán)境因子為變量x，其中土壤深度為x1、土地利用方式為x2、粘粒含量為x3，土壤pH值為x4；土壤生態(tài)化學計量學特征為變量y，其中C為y1，N為y2，P為y3，C/N為y4、C/P為y5，N/P為y6，應用典型相關分析法對二者之間的關系進行分析，如圖3所示，得到4組典型變量，其中第一組相關系數(shù)λ1=0.884*，第二組相關系數(shù)λ2=0.702，第三組相關系數(shù)λ3=0.638，第四組相關系數(shù)λ4=0.178，只有第一組相關系數(shù)達到顯著水平，提取其典型變量數(shù)據(jù)進行分析，其中U表示環(huán)境因子綜合指數(shù)，V表示土壤C、N、P的綜合含量。由于數(shù)據(jù)單位不統(tǒng)一，通過換算的標準變量的典型相關系數(shù)分析土壤生態(tài)化學計量學特征與環(huán)境因子之間的相關關系，第一組典型變量的標準化線性組合為：U1=-0.472x1+0.031x2-0.417x3-0.454x4；V1=24.789y1-38.730y2+0.726y3+4.036y4-25.850y5+37.733y6。在U1各系數(shù)中起決定性作用的環(huán)境因子是土壤深度、粘粒含量和土壤pH值，在V1各系數(shù)中起決定性作用的是C、N、C/P和N/P，說明土壤C、N、C/P和N/P與環(huán)境因子中的深度、粘粒含量和土壤pH值的累積關系較大。

圖2 不同土地利用方式下土壤C/N、C/P 和N/P的垂直格局Fig.2 Vertical patterns of C/N, C/P, and N/P for different land use types

表3 土壤C、N、P及其化學計量特征相關性分析

注：**在0.01水平上顯著相關。

Note: ** means significant correlation at 0.01 level.

圖3 土壤C、N、P及其生態(tài)化學計量學特征與環(huán)境因素 之間的典型相關關系Fig.3 Canonical correlations of soil carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and its characteristics of stoichiometry and environmental factors

3 討 論

3.1 研究區(qū)土壤C、N、P含量及其化學計量特征

研究區(qū)屬于典型黃土高原丘陵溝壑區(qū)，根據(jù)全國第二次養(yǎng)分普查分級標準[17]，研究區(qū)土壤C和N屬于六級，土壤P屬于四級，說明研究區(qū)土壤肥力水平偏低。分析原因主要由于氣候、地形地貌和人類活動影響導致土壤沙化嚴重，土壤顆粒組成中細顆粒逐漸減少，粗顆粒逐漸占據(jù)優(yōu)勢，而有機質(zhì)隨著細粒物質(zhì)的侵蝕而損失，同時沙化過程會導致地表植被蓋度降低，有機物來源減少，礦化分解作用強烈，土壤養(yǎng)分難以累積[18-19]。Tian等[20]研究發(fā)現(xiàn)，我國土壤C/N、C/P、N/P的原子數(shù)比值分別為11.9、61、5.2。而研究區(qū)土壤C/N、C/P、N/P換算后的原子數(shù)比值分別為11.78、12.74、1.08，C/N接近我國平均水平，而C/P和N/P均比我國平均水平低了4.8倍。研究區(qū)較低的C/P和N/P，也說明研究區(qū)土壤呈現(xiàn)出C和N的缺乏，嚴重制約植被的生長。朱秋蓮等[21]研究黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學計量特征，也得出相似的結論。

3.2 土地利用方式對土壤C、N、P的影響

土地利用方式對土壤C、N、P含量有顯著影響。研究區(qū)谷子地的土壤C、N含量顯著高于其它3種土地利用方式(P<0.05)，P含量在不同土地利用方式之間差異不顯著(P>0.05)。但也有研究者提出農(nóng)田養(yǎng)分含量低于林草地，如張帥等[22]和周正虎等[23]。研究結果的差異一方面是由于研究區(qū)農(nóng)田長期施肥(以氮肥為主)增加了土壤N的積累和C的固存，另一方面黃土丘陵區(qū)養(yǎng)分循環(huán)受土地利用類型和利用年限等因素影響較大，林灌草的C固存是長期過程，要在退耕35 a后才會表現(xiàn)出顯著的C增匯效應[24]，而研究區(qū)苜蓿、棗樹和檸條退耕年限大約10～15 a，此年限的林草地養(yǎng)分狀況差于農(nóng)地。

土壤C、N、P含量的垂直分布格局在不同土地利用方式之間也有明顯差異。苜蓿地的C、N含量隨土層深度的加深降低幅度最大，這與苜蓿的根系分布特征有關。郭正剛等[25]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿在0～50 cm土層深度具有發(fā)達的側(cè)根系，93%以上的根系生物量都分布在50 cm以上的土層，而且苜蓿具有豆科植物的固氮能力，長期種植可以避免土壤擾動，促進土壤C和N在土壤表層的累積[26]。檸條土壤C、N含量隨土層深度變化不顯著，這與其他幾種土地利用方式下土壤C、N含量的表聚性分布不同。原因在于人工檸條林是黃土丘陵區(qū)植被恢復的深根系植被，根系生物量在100～400 cm土層高于其他人工植被，發(fā)達的根系會提高土壤深層C儲量，且隨恢復年限的增加，深層土壤C儲量增加更明顯[27]。因此，不同植被群落的根系活動和分布特征影響土壤C、N的吸收強度和深度，從而導致土壤C、N的垂直分布特征在不同土地利用方式間存在顯著差異[28]。土壤P含量的垂直變化格局與土壤C、N不同，其隨深度增加變化不顯著，在黃河三角洲不同濕地，張森等[29]也得出相似結論。這是因為土壤P主要來源于巖石風化，是沉積型礦物，遷移性差，其含量大小主要取決于立地的地質(zhì)特征，而受土地利用影響較小[23]。

3.3 土地利用方式對土壤C/N、C/P、N/P的影響

土地利用方式的差異不僅會影響土壤養(yǎng)分狀況，同時會明顯影響土壤C、N、P的生態(tài)化學計量特征。研究區(qū)C/N的變異系數(shù)為27.98，而C/P和N/P變異系數(shù)分別為40.98%和45.12%，說明研究區(qū)C/P和N/P有更高的變異性。這是因為C/P和N/P受土地利用方式、地形、氣候、土壤等因素影響較大，呈現(xiàn)出較高的變異性[1，10，30]。

研究區(qū)土地利用方式對土壤C/N、C/P、N/P有明顯影響，其中檸條地的土壤C/N顯著高于其它土地利用方式(P<0.05)。楊文等[11]在亞熱帶丘陵小流域也得出土壤C/N、C/P、N/P高值區(qū)主要分布在人為干擾少和肥料使用少的林地區(qū)，而低值區(qū)主要分布在人類活動頻繁以及化肥施用量大的農(nóng)田區(qū)。王維奇等[12]在河口濕地、朱秋蓮等[21]在黃土丘陵溝壑區(qū)和曾全超等[31]在黃土高原延河流域，均發(fā)現(xiàn)隨干擾程度的增大，土壤C、N、P的生態(tài)化學計量比減小。研究區(qū)谷子地受人為干擾強度大，經(jīng)常翻耕、施肥和季末收獲且無枯落物返還，苜蓿地地上部分收割，棗樹林的除草和收獲，這兩者人為干擾強度也較大，而檸條地基本不受人為干擾，因此研究區(qū)土壤C/N表現(xiàn)為檸條地最大，谷子地最小。土壤C/N與土壤有機質(zhì)分解速率成反比，其高值指示良好的碳固存潛力，研究區(qū)人工檸條林高C/N表明其具有良好的生態(tài)效益和固碳能力。

土地利用方式對土壤C/N、C/P、N/P的垂直變化也有不同程度影響。本研究中土壤C/N隨土層加深呈現(xiàn)增加的趨勢，且檸條地的增加趨勢最顯著，說明研究區(qū)深層土壤具有較高的碳固存潛力。Hamer等[32]和周正虎等[23]也研究發(fā)現(xiàn)了C/N隨土層加深而增加的垂直分布格局。谷子地、苜蓿地和棗樹林土壤C/P和N/P隨土層加深呈現(xiàn)降低的趨勢，這是由于土壤C、N有明顯的表層聚集現(xiàn)象，而P素隨土層變化較小導致的，說明土壤C/P和N/P隨深度的變化分別取決于C和N含量的分布。Tian等[20]分析我國各區(qū)域土壤C/P和N/P的垂直變化特征也得出相似結論。

總之，人類活動對全球C、N、P循環(huán)的干擾不斷改變其相對有效性，利用土壤C、N、P的生態(tài)化學計量比這樣易獲取的生態(tài)參數(shù)可以預測生態(tài)系統(tǒng)C、N、P的平衡趨勢，有助于探索陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制和養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律[33-34]。

4 結 論

1)研究區(qū)土壤C、N、P含量均值分別為2.12、0.21 g·kg-1和0.43 g·kg-1，屬于低肥區(qū)。谷子地的土壤C、N含量顯著高于其它3種土地利用方式(P<0.05)，P含量在不同土地利用方式之間差異不顯著(P<0.05)。谷子地0～20 cm土層土壤C含量顯著高于檸條地和棗樹林(P<0.05)，谷子地20～40 cm土層土壤C含量顯著高于苜蓿地(P<0.05)。0～20、20～40 cm和60～80 cm土層谷子地的N含量顯著高于檸條地(P<0.05)。各土層的P含量在不同土地利用方式之間差異較小。

2)C/N、C/P和N/P的均值分別為10.83、5.0和0.48，其中C/N接近全國均值，而C/P和N/P明顯較低。各土層C/N在不同土地利用方式之間具有顯著差異(P<0.05)，C/N均值為檸條地(13.12)>棗樹林(10.36)>苜蓿地(10.32)>谷子地(9.06)，說明研究區(qū)C/N隨干擾程度的增大而降低。而土壤C/P和N/P在不同土地利用方式之間差異較小，僅在個別土層呈現(xiàn)出顯著差異。

3)Pearson相關系數(shù)表明土壤C與N、C/P和N/P具有極顯著正相關性(P<0.01)；N與P、C/P和N/P具有極顯著正相關性(P<0.01)，與C/N具有極顯著負相關性(P<0.01)；P與C/N呈現(xiàn)極顯著負相關性(P<0.01)。C/N和N/P呈現(xiàn)極顯著負相關性(P<0.01)，C/P和N/P呈現(xiàn)極顯著正相關性(P<0.01)。典型相關系數(shù)表明土壤C、N、C/P和N/P與環(huán)境因子中的土層深度、粘粒含量和土壤pH值的累積關系較大。