王家樂，王志剛?，高 陽，許文盛

(1.長江水利委員會長江科學院水土保持研究所，430010，武漢；2.水利部山洪地質(zhì)災害防治工程技術研究中心，430010，武漢；3.深圳市水務局水土保持處，518035，廣東深圳)

深圳經(jīng)濟特區(qū)成立以來，經(jīng)濟社會保持高速發(fā)展，城市建設帶動大量的生產(chǎn)建設項目，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生強烈的影響，再加上深圳地處南方紅壤丘陵區(qū)，特定的自然條件(紅壤風化程度高、降雨多而集中、暴雨強度大、地形起伏變化大)使深圳水土流失具有易發(fā)、多發(fā)的特點[1-2]。自1995年開始，深圳市通過實施閑置開發(fā)區(qū)土壤侵蝕治理、裸露山體缺口治理以及水源保護林建設等一系列水土保持生態(tài)工程建設，水土流失面積已由1995年的185 km2下降到2018年的25.69 km2，僅占全市陸域面積的1.29%[1,3]。

與此同時，許多學者也圍繞深圳市水土流失特征和定量評估開展研究：黨晨席等[4]和王小杰等[5]初步建立深圳市土壤侵蝕預測模型；徐翼等[6]利用區(qū)域水土流失快速評估方法對深圳市不同時期的水土流失進行動態(tài)評估；穆天龍等[7]利用RUSLE模型定量研究深圳市土地利用變化對土壤侵蝕的影響；張園眼等[2]基于GIS和RUSLE模型定量分析深圳市各土壤侵蝕因子的空間分布特征?？梢钥闯?，目前有關深圳市水土流失的研究多側重于土壤侵蝕總量估算和對水土流失影響因素的分析。

對于水土流失的防治，深圳通過“園林城市”“生態(tài)城市”“國際花園城市”等城市建設模式的實踐，逐步形成了城市水土保持創(chuàng)新技術體系[1]。其中，植被重建是開展水土流失生態(tài)治理的重要措施，2019年發(fā)布的DB4403/T 34—2019《深圳市生產(chǎn)建設項目水土保持技術規(guī)范》將“配植物，優(yōu)生態(tài)”作為水土保持設計的策略之一，強調(diào)水土保持措施的生態(tài)性，通過植被重建，有利于促進土壤發(fā)育，改善土壤特性，提高肥力[8]；但是針對植被重建較長時間后，不同植物配置模式對深圳紅壤坡地土壤質(zhì)量影響的定量評估研究較少。

土壤中各種養(yǎng)分之間存在著一定的耦合關系，將土壤中某種元素作為單一要素考慮不能全面反映土壤養(yǎng)分特征，掌握土壤中各元素之間的關系及比例十分必要[9]。生態(tài)化學計量學是分析多重化學元素的質(zhì)量平衡對生態(tài)交互作用影響的一種理論，通過分析元素間的平衡關系，為研究生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷養(yǎng)分分布和循環(huán)、養(yǎng)分限制及平衡機制等提供了一種綜合方法[10]。

筆者以恢復10 a的不同植物配置模式為研究對象，選取深圳市水土保持科技示范園內(nèi)的紅壤坡地徑流小區(qū)為取樣與觀測的試驗地，對比分析不同植物配置模式對土壤養(yǎng)分及其化學計量比的影響，探討不同植物配置模式的土壤養(yǎng)分效應，以期為深圳市水土流失區(qū)植被重建的優(yōu)化配置和效果評價提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于深圳市水土保持科技示范園內(nèi)，地理位置為E 113°56′48″、N 22°35′51″，海拔39 m。該區(qū)域的氣候類型為亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，年平均降雨量1 966.5 mm，4—9月為雨季，降雨量占全年降雨量的85%，年平均氣溫22.4 ℃，年平均日照時間2 120.5 h[2]。

科技示范園內(nèi)共設置8個規(guī)格為20 m×5 m的標準坡面徑流小區(qū)，坡度均為22.5°，小區(qū)內(nèi)土壤類型均為赤紅壤。根據(jù)徑流小區(qū)建設資料，徑流小區(qū)于2009年建成，小區(qū)在填土前先將回填土壤混合均勻以保證各小區(qū)之間和小區(qū)內(nèi)部土壤的均一性，填土深度為50 cm。徑流小區(qū)共設置草地(grass land,GL)、喬木林地(wood land,WL)、喬灌復合林地(wood &shrub land,WL+SH)3種植物配置模式，以及裸地(bare land,BL)作為對照，其中1號徑流小區(qū)為裸地；2號、3號和4號徑流小區(qū)為草地，種植臺灣草(Zoysiatenuifolia)；5號和6號徑流小區(qū)為喬木林地，種植荔枝樹(Litchichinensis)；7號和8號徑流小區(qū)為喬灌復合林地，喬木種植荔枝樹、灌木種植黃金葉(Durantarepens)和七彩大紅花(Hibiscusrosa-sinensis)。樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本特征Tab.1 Basic information of plots

2 研究方法

2.1 樣品采集與測定

土壤樣品采集于2019年5月，在8個徑流小區(qū)的上、中、下3個坡位分別按梅花法布設5個采樣點，有研究表明紅壤地區(qū)表層土壤是植物影響土壤養(yǎng)分的主要作用層，10 cm以下土壤養(yǎng)分垂向分布逐漸趨于一致[11]；因此，在每個采樣點用土鉆分別取0～10和10～20 cm淺層土壤以及40～50 cm底層土壤樣品，然后將每個坡位5個采樣點同一深度層次的土樣混合裝袋并進行編號。其中，40～50 cm土壤作為深層對照來對比研究植物對淺層和深層土壤養(yǎng)分的影響。

土樣送至長江大學土壤農(nóng)化實驗室進行測試分析。土樣陰干后剔除植物根系、葉片、昆蟲尸體等雜物，并充分混合均勻，按四分法將樣品分為4份，取其中1份進行土壤養(yǎng)分分析。

土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定，全氮(total nitrogen,TN)采用凱式定氮法進行測定，全磷(total phosphorus,TP)采用高氯酸-硫酸消解鉬銻抗比色法進行測定，堿解氮(alkaline nitrogen,AN)采用堿解擴散法進行測定，速效磷(available phosphorus,AP)采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法進行測定[12]。土壤養(yǎng)分含量采用質(zhì)量分數(shù)，化學計量系數(shù)采用摩爾比。

2.2 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行前期統(tǒng)計處理；采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析及相關分析；采用Canoco 5.0進行冗余分析(redundancy analysis,RDA)，分析不同植物配置模式之間土壤養(yǎng)分和化學計量系數(shù)之間的關系。

3 結果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分含量特征

圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；不同大寫字母表示不同植物配置模式間土壤養(yǎng)分含量差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同深度間土壤養(yǎng)分含量差異顯著(P<0.05)。Data in the figure are mean ± standard deviation.Different capital letters indicate significant difference in soil nutrient contents between different plant allocation patterns (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant difference in soil nutrient contents between different soil depths (P<0.05).圖1 不同植物配置模式下土壤養(yǎng)分含量Fig.1 Soil nutrient contents under different plant allocation patterns

不同植物配置模式下各深度土壤SOC、TN、TP、AN和AP含量分布如圖1所示，采用Duncan法進行多重比較分析來檢驗其養(yǎng)分含量的差異顯著性，檢驗結果用大、小寫字母標注在圖1中。

除TP和AN在土壤中垂向分布較均勻外，土壤中其余養(yǎng)分分布均呈現(xiàn)出顯著的“表聚效應”。0～10 cm表層土壤中的SOC、TN和AP(除草地外)含量顯著高于下層土壤(P<0.05)，其增幅范圍分別可達83.2%～368.7%、73.1%～235.5%和72.9%～94.6%。而10～20和40～50 cm 2個深度層次之間土壤中的養(yǎng)分含量差異不顯著(P>0.05)，說明植物對土壤養(yǎng)分的主要作用層是0～10 cm表層土壤。

除TP外，草地、喬木林地和喬灌復合林地0～10 cm表層土壤中的其他養(yǎng)分含量均顯著高于裸地(P<0.05)，但不同植物配置模式對表層土壤中各養(yǎng)分的提高效果各異：喬灌復合林地表層土壤中的SOC含量顯著高于喬木林地(P<0.05)，而與草地差異不顯著(P>0.05)；喬灌復合林地表層土壤中的TN含量顯著高于草地和喬木林地(P<0.05)；喬木林地表層土壤中的AP含量顯著高于草地和喬灌復合林地(P<0.05)；不同植物配置模式下表層土壤中的TP、AN含量差異不顯著(P>0.05)。

為了定量評價植物配置模式對土壤養(yǎng)分的截留效果，以裸地作為對照，定義土壤養(yǎng)分截留效應值的計算公式為：

K=(ci-c0)/c0。

(1)

式中：K為土壤養(yǎng)分截留效應值；ci為有植物條件下的表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)g/kg；c0為裸地條件下的表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)g/kg。

將0～10 cm表層土壤養(yǎng)分的平均含量代入式(1)計算得到不同植物配置模式下的土壤養(yǎng)分截留效應值(表2)?？梢姡瑔坦鄰秃狭值貙ν寥繱OC、TN和AN的截留效果最好，喬木林地對土壤TP和AP的截留效果最好。

表2 不同植物配置模式下的土壤養(yǎng)分截留效應值Tab.2 Soil nutrient retention effect values under different plant allocation patterns

圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；不同大寫字母表示不同植物配置模式間土壤化學計量比差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同深度間土壤化學計量比差異顯著(P<0.05)。Data in the figure are mean ± standard deviation.Different capital letters indicate significant difference in soil nutrient stoichiometry between different plant allocation patterns (P<0.05).Different lowercase letters indicate significant difference in soil nutrient stoichiometry between different soil depths (P<0.05).圖2 不同植物配置模式下土壤C、N和P化學計量特征Fig.2 Soil carbon,nitrogen and phosphorus stoichiometric characteristics under different plant allocation patterns

3.2 土壤C、N和P化學計量特征

不同植物配置模式下各深度土壤C∶N、C∶P和N∶P分布如圖2所示，采用Duncan法進行多重比較分析來檢驗其差異的顯著性，檢驗結果用大、小寫字母標注在圖2中。

C∶N與SOC、TN在土壤中的垂向分布不同，除喬灌復合林地40～50 cm深層土壤C∶N顯著低于淺層土壤外(P<0.05)，裸地、草地和喬木林地不同深度土壤C∶N均未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。不同植物配置模式下0～10 cm表層土壤的C∶P和N∶P顯著高于下層土壤(P<0.05)，而10～20 和40～50 cm 2個深度層次之間土壤C∶P和N∶P均差異不顯著(P>0.05)，說明C∶P和N∶P主要受控于土壤中SOC和TN含量，且植物對土壤C∶P和N∶P的主要作用層是0～10 cm表層土壤。

3種植物配置模式之間0～10 cm表層土壤C∶N均差異不顯著(P>0.05)，其變化范圍為11.67～19.42，顯著高于裸地表層土壤(9.30～12.30)(P<0.05)，而10～20 cm土壤C∶N僅草地與裸地差異顯著(P<0.05)，40～50 cm深層土壤C∶N在不同植物配置模式與裸地之間均差異不顯著(P>0.05)。

喬灌復合林地表層土壤C∶P和N∶P均顯著高于草地、林地和裸地(P<0.05)，而草地、林地、裸地之間表層土壤C∶P和N∶P均差異不顯著(P>0.05)。按其平均值大小排序分別為：C∶P，喬灌復合林地(68.13)>草地(33.51)>喬木林地(27.93)>裸地(11.96)；N∶P，喬灌復合林地(4.58)>草地(2.06)>喬木林地(2.02)>裸地(1.06)。

3.3 土壤養(yǎng)分及其化學計量比的關系

對土壤養(yǎng)分及其化學計量比進行相關性分析見表3，除TP與其他養(yǎng)分之間相關性不顯著外(P>0.05)，SOC、TN與AN、AP之間均呈現(xiàn)出極顯著的正相關(P<0.01)，AN、AP之間呈現(xiàn)出顯著的正相關(P<0.05)。土壤養(yǎng)分與化學計量比之間，SOC、TN、AN和AP均與C∶P和N∶P呈現(xiàn)出極顯著的正相關(P<0.01)，TP與C∶P和N∶P呈現(xiàn)出顯著的負相關(P<0.05)，而C∶N與所有種類土壤養(yǎng)分之間的相關性不顯著(P>0.05)。各化學計量比之間，C∶N與C∶P和N∶P之間均無顯著的相關性，而C∶P和N∶P之間呈現(xiàn)出極顯著的正相關(P<0.01)。

表3 土壤養(yǎng)分及其化學計量比的Pearson相關系數(shù)Tab.3 Pearson correlation coefficients of soil nutrients and their stoichiometric ratios

對不同植物配置模式下土壤養(yǎng)分和化學計量系數(shù)進行冗余分析，從RDA二維排序圖(圖3)可以看出，SOC、TN、AN、C∶P和N∶P的箭頭方向一致且它們之間夾角很小，表現(xiàn)為正相關關系；TP與其他養(yǎng)分的箭頭方向近似正交，表明相關性很低，而與C∶P和N∶P的箭頭方向夾角>90°，表現(xiàn)為負相關關系；C∶N的箭頭連線最短，說明養(yǎng)分含量變化對C∶N變化的解釋程度較低。

圖3 不同植物配置模式下土壤養(yǎng)分及其化學計量系數(shù)的RDA二維排序圖Fig.3 Two-dimensional sequence diagram of the RDA of soil nutrients and their stoichiometry under different plant allocation patterns

將環(huán)境因子(GL、WL、WL+SH和BL)在RDA排序圖(圖3)中代表土壤養(yǎng)分及其化學計量比的箭頭上進行投影，可以看出喬木林地(WL)對土壤TP和AP具有顯著的正效應，喬灌復合林地(WL+SH)對土壤TN、AN、SOC、C∶P和N∶P具有顯著的正效應，草地(GL)相對前2種植物配置模式對土壤養(yǎng)分及其化學計量系數(shù)的影響較小，這與不同植物配置模式對土壤養(yǎng)分的截留效應計算結果(表2)一致，而裸地(BL)對土壤養(yǎng)分及其化學計量系數(shù)則具有顯著的負效應。

4 討論

4.1 對土壤養(yǎng)分含量的影響

3種植物配置模式下土壤養(yǎng)分含量與裸地對比結果顯示，植物能顯著改善和提高土壤養(yǎng)分狀況，且主要作用層是0～10 cm表層土壤。根據(jù)全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準[13]，植被重建后表層土壤中SOC和TN含量屬于三級，TP含量屬于二級，AN和AP含量分別屬于五級和四級，說明研究區(qū)表層土壤中SOC、TN和TP較為豐富，而AN和AP較為缺乏。劉俊第等[14]和吳敏敏等[15]在福建長汀的研究也發(fā)現(xiàn)盡管土壤中AN和AP在植被恢復過程中呈逐步累積趨勢，但仍處于極缺乏狀態(tài)，主要是因為速效養(yǎng)分相比全量養(yǎng)分更易發(fā)生遷移，受土壤侵蝕作用更易流失。

土壤SOC主要來源于地表枯落物的礦化分解和轉化積累[16]，而土壤中的氮素也絕大部分來源于有機質(zhì)[17]，相關分析也驗證土壤C和N具有極顯著的正相關性(P<0.01)。植被重建后枯落物的歸還使表層土壤SOC和TN含量顯著提高，其中喬灌復合林地的植物殘體輸入量最高，使土壤中SOC、TN含量增加也最為顯著(P<0.05)。此外，植物的多樣化也有利于土壤中動物和微生物數(shù)量的增加和活性增強，從而促進枯落物的分解和養(yǎng)分的歸還[18]。

盡管植被重建后表層土壤中AN含量相對裸地有顯著提高，但仍處于缺乏狀態(tài)。土壤中AN受TN的影響較大，相關分析的結果(表3)也驗證AN與TN含量具有極顯著的正相關性(P<0.01)，但AN相對TN更易發(fā)生遷移[19]，使AN在3種植物配置模式表層土壤中的含量差異不顯著(P>0.05)。而王昭艷等[8]對贛北紅壤侵蝕坡地的研究發(fā)現(xiàn)果樹+草本全區(qū)覆蓋模式對土壤AN提高效果要顯著高于其他植物配置模式，可能是因為不同植物配置模式對水土流失的阻控效果不同，此外，枯落物分解和植物對養(yǎng)分的吸收利用也存在差異。

土壤TP大部分以遲效性狀態(tài)存在，與土壤中礦物結合緊密，相對不易遷移[20]，因此3種植物配置模式之間土壤中的TP含量差異不顯著(P>0.05)。而AP是植物生長所需的主要磷素形態(tài)，與SOC和TN呈極顯著的正相關(P<0.01)(表3)，說明植物配置模式對土壤中AP的影響機理應與SOC和TN相似，植被重建有利于土壤中不同粒徑團聚體的形成，從而促進AP在土壤中的積累[21]。喬木林地表層土壤中的AP含量顯著高于草地和喬灌復合林地(P<0.05)，一方面與喬木林地的枯落物較多有關，土壤中的磷被植物吸收之后又以凋落物的形式歸還土壤，另一方面是因為喬木林地相比草地具有較厚的腐殖質(zhì)層，土壤微生物含量高，礦化分解TP的能力較強。而喬灌復合林地相對喬木林地，其表層土壤中的AP含量較少，可能與喬灌復合林地對AP的消耗較大有關[22]。

4.2 對土壤C、N和P化學計量比的影響

表層土壤是植物對土壤養(yǎng)分的主要作用層，因此也是影響土壤C、N和P化學計量比的主要作用層。土壤C∶N反映土壤碳、氮養(yǎng)分平衡狀況，較低的C∶N表明土壤有機質(zhì)具有較快的礦化速率，不利于養(yǎng)分的積累[23]。研究區(qū)裸地表層土壤C∶N與張秋芳等[24]報道的福建長汀紅壤重度侵蝕區(qū)土壤C∶N接近，二者均顯著低于其他地區(qū)土壤C∶N平均值(表4)，表明裸地由于遭受強烈的侵蝕使得土壤保水保肥能力下降進而導致C∶N嚴重失衡。但經(jīng)歷植被重建后的草地、喬木林地和喬灌復合林地土壤C∶N得到顯著提升，與中國和全球陸地、以及熱帶/亞熱帶地區(qū)接近(表4)，說明通過植被重建可為土壤補充碳源并降低氮素礦化速率，使土壤C∶N逐漸趨向平衡。3種植物配置模式之間表層土壤C∶N均未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)，且不同深度層次的土壤之間C∶N變化較小，說明C和N耦合關系比較穩(wěn)定，這與李占斌等[16]、張光德等[28]和Liu等[29]的研究結果一致。

土壤C∶P通常用來指示土壤磷素礦化能力[18]。研究區(qū)喬灌復合林地表層土壤C∶P顯著高于草地和喬木林地(P<0.05)，其原因是喬灌復合林地的植物殘體輸入量最高，可向土壤輸入大量有機質(zhì)[30]，而TP主要來源于土壤母質(zhì)，其含量相對穩(wěn)定。相關分析的結果(表3)顯示土壤C∶P與SOC含量呈極顯著的正相關(P<0.01)，進一步說明土壤SOC變化是C∶P變化的主要原因。雖然喬木林地和草地表層土壤C∶P相對裸地有一定程度的提高，但三者之間差異不顯著(P>0.05)，這與馮柳俊等[31]的研究結果一致。而張秋芳等[24]在福建長汀的研究結果表明種植馬尾松可顯著提高土壤C∶P，朱平宗等[18]在江西吉安的研究則發(fā)現(xiàn)草地和灌木林地表層土壤C∶P相對裸地均有顯著下降，產(chǎn)生這些差異的主要原因可能是不同地區(qū)土壤磷素本底含量不同以及不同植物種類對磷的吸收和凋落物的回歸差異。本研究中土壤C∶P遠小于其他地區(qū)(表4)，土壤N∶P常用來確定土壤養(yǎng)分閾值和診斷養(yǎng)分限制因子[18]。研究區(qū)土壤N∶P與C∶P具有極顯著的正相關性(P<0.01)(表3)，說明植物配置模式對土壤N∶P的影響機理與C∶P相似。研究區(qū)喬灌復合林地表層土壤N∶P顯著高于草地和喬木林地(P<0.05)，這是因為喬灌復合林地的植物殘體輸入量最高，使得表層土壤TN顯著增加而TP無明顯變化。研究區(qū)土壤N∶P與TN含量呈極顯著的正相關(P<0.01)，而與TP相關系數(shù)較小(表3)，進一步說明TN是N∶P變化的主要影響因素。本研究中土壤N∶P相對其他地區(qū)偏低(表4)，說明氮素是研究區(qū)土壤養(yǎng)分主要限制因子，這是由于深圳紅壤主要由中粗?；◢弾r風化發(fā)育而來，抗蝕能力低，導致土壤中氮素更易流失。

表4 不同區(qū)域表層土壤C、N和P化學計量比對比Tab.4 Comparison of shallow soil C∶N,C∶P,and N∶P in different areas

5 結論

1)土壤養(yǎng)分分布受土層和植被類型的影響，除TP和AN在土壤中垂向分布較均勻外，表層土壤中的SOC、TN和AP含量顯著高于下層土壤(P<0.05)，0～10 cm表層土壤是植物發(fā)揮效益的主要作用層。喬灌復合林地對土壤SOC、TN和AN的截留效果最好，喬木林地對土壤TP、AP的截留效果最好。植被重建使土壤中養(yǎng)分含量相對裸地有顯著提升，對改善紅壤坡地土壤質(zhì)量具有明顯作用。

2)不同植物配置模式對土壤養(yǎng)分化學計量比的影響程度不同。土壤C、N耦合關系較為穩(wěn)定，植被重建后表層土壤C∶N相對裸地有顯著提升，但不同植物配置模式之間土壤C∶N無顯著差異(P>0.05)。土壤C∶P、N∶P與C、N之間呈極顯著的正相關(P<0.01)，喬灌復合林地表層土壤C∶P、N∶P均顯著高于草地、林地和裸地(P<0.05)。但研究區(qū)土壤N∶P相對較低，N為研究區(qū)植物生長的主要限制元素。因此，建議今后對該區(qū)域紅壤坡地進行綠化治理時應優(yōu)先選擇固氮能力強的植物。

3)本研究僅對深圳紅壤坡地3種植物配置模式下土壤養(yǎng)分及其化學計量特征進行了初步研究，對植物-土壤間相互作用的分析還存在一定欠缺，今后還需要加強對植物根系分布和地上部分生長狀況以及樣地土壤侵蝕的觀測研究，并結合土壤與植物根、莖、葉等不同器官以及枯落物中C、N和P的耦合關系進行深入分析。