楊丹麗，喻陽華,2*，秦仕憶，鐘欣平

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】生態(tài)化學計量學是結(jié)合生物學、化學和物理學等基本原理，研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學元素(主要為C、N和P)平衡的科學,其通過研究不同元素間的計量比，分析不同尺度、不同生物類群及不同領域的生態(tài)生物學特征[1-2]，也是研究土壤科學的重要手段之一。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是植物正常生長發(fā)育所需營養(yǎng)元素的主要來源，其通過控制養(yǎng)分的含量和分布直接影響土地的利用結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)力水平[3-5]。探明土壤生態(tài)化學計量特征，對揭示土壤養(yǎng)分分布、影響因素及科學調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】近年來，土壤肥力的急劇退化導致土壤的功能也發(fā)生了顯著變化，而土壤生態(tài)化學計量學作為研究土壤元素平衡的有效工具，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注[6-8]。朱秋蓮等[9]研究黃土丘壑區(qū)不同植被土壤的生態(tài)化學計量特征認為，土層、植被類型和坡向?qū)ν寥鲤B(yǎng)分含量及生態(tài)化學計量特征具有一定影響。江葉楓等[10]研究江西省耕地土壤N、P化學計量空間的變異特征及影響因素表明，氮肥施用量是引起江西省耕地土壤N、P生態(tài)化學計量空間變異的主要因素。李丹維等[11]分析太白山不同海拔高度土壤C、N、P含量及生態(tài)化學計量特征發(fā)現(xiàn)，溫度、含水量、海拔和植被對土壤C、N、P化學計量特征具有重要影響。喻陽華等[12]研究赤水河上游土壤生態(tài)化學計量特征顯示，豐富的水熱條件可加速有機質(zhì)的分解速率。陶冶等[13]研究認為，土壤生態(tài)化學計量特征對揭示土壤質(zhì)量變化起著關鍵作用。前人的諸多研究僅探討環(huán)境因子對生態(tài)化學計量特征的影響及各養(yǎng)分元素間的作用機制，而將小生境與生態(tài)化學計量特征相結(jié)合研究土壤質(zhì)量變化規(guī)律及其對不同土地利用類型生態(tài)化學計量特征影響的研究較少?！颈狙芯壳腥朦c】貴州干熱河谷石漠化地區(qū)的旱季持續(xù)時間較長，降水時空分布不均，土壤侵蝕嚴重；而豐富的光熱資源使該區(qū)域的人口分布較集中，強烈的人為活動和不合理的土地利用，導致該區(qū)域的土壤蓄水及保肥能力下降[14-15]。種植花椒、火龍果和金銀花植物是干熱河谷石漠化地區(qū)進行水土保持和脆弱生態(tài)環(huán)境重建的重要措施，該措施實施初期在提高土地生產(chǎn)力的同時也有效地緩解了其生態(tài)功能退化的速度[16]。但由于干熱河谷石漠化地區(qū)嚴重的水土流失加劇了其土壤C、N、P和K元素丟失，導致花椒、金銀花和火龍果等植物群落生長呈退化趨勢，土壤養(yǎng)分含量下降、物種退化和土壤養(yǎng)分流失成為限制該地區(qū)土地資源利用的主要生態(tài)環(huán)境問題[17-18]。目前，對干熱河谷石漠化地區(qū)的土壤研究多集中于植物多樣性、不同植物群落恢復模式、養(yǎng)分分布格局及土壤理化性質(zhì)等方面[19-21]，而從生態(tài)化學計量學角度對當?shù)赝寥蕾|(zhì)量變化及土地資源管理與高效利用等進行研究的文獻鮮見報道?！緮M解決關鍵問題】為此，筆者選擇貴州干熱河谷石漠化地區(qū)的火龍果(Hylocereusundulatus)、核桃(Juglansregia)、金銀花(Lonicerajaponica)、玉米(Zeamays)、柚木(Tectonagrandis)和花椒(Zanthoxylumbugeanum)6種不同土地利用類型土壤測定其有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)含量，并應用生態(tài)化學計量學方法統(tǒng)計分析該地區(qū)土壤C、N、P、K的生態(tài)化學計量特征及其養(yǎng)分虧缺狀況，旨在為干熱河谷石漠化地區(qū)土地資源的科學合理及高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

樣地位于貴州省關嶺縣與貞豐縣交界處的北盤江和花江河段的干熱河谷流域兩岸，海拔555～856 m，東經(jīng)105°37′22.08″～105°39′47.15″，北緯25°37′29.22″～25°41′45.6″，以喀斯特地貌為主，植被覆蓋率50 %以上。該區(qū)域?qū)俚湫偷哪蟻啛釒Ц蔁岷庸葰夂?，光熱資源豐富，年平均氣溫18.4 ℃，年極端最高氣溫32.4 ℃，≥10 ℃的有效積溫為6542 ℃。降水時空分布不均，雨季集中于5-10月，可達全年總降雨量的83 %[16]。由于石漠化發(fā)育，使土地利用類型受限，農(nóng)地作物以火龍果和玉米為主，人工林地以核桃、柚木和花椒為主，灌叢以金銀花等為主。土壤以石灰?guī)r為成土母質(zhì)的石灰土為主，地表破碎、土層較薄(5～23 cm)。

1.2 土樣采集

按S形取樣法，以火龍果、金銀花、核桃、柚木、玉米和花椒6種典型土地利用類型為樣地，每類型土壤選取5～7個樣點，去除土表的枯枝落葉、動物殘體和石礫，采集各樣點0～20 cm土層土樣混合成1個土樣裝入自封袋，帶回實驗室自然風干，研磨，95 %通過2和0.15 mm篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 指標檢測

參照鮑士旦[22]的土壤指標檢測方法，各樣地的有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)分別采用重鉻酸鉀-外加熱法、半微量開氏法測定、高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色-紫外分光光度法和氫氟酸-硝酸-高氯酸消解-火焰光度計法進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 20.0和Origin 8.6軟件進行數(shù)據(jù)分析和制圖。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小差異顯著法(least significance difference，LSD)分析6種典型土地利用類型土壤中的養(yǎng)分含量及生態(tài)化學計量比值差異；采用Pearson相關系數(shù)法分析C、N、P和K元素的含量及其生態(tài)化學計量間的相關性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樣地土壤養(yǎng)分的含量

由表1可知，干熱河谷石漠化地區(qū)6種典型植物樣地0～20 cm土層土壤的SOC、TN、TP和TK平均含量分別為19.16～70.17、1.69～6.79、0.06～3.12和8.60～77.04 g/kg，各樣點土壤養(yǎng)分含量的差異較大。其中，SOC和TN的平均含量均以金銀花樣地最高，分別為70.17和6.79 g/kg；火龍果樣地和柚木樣地最低，分別為19.16和1.69 g/kg。TP和TK的平均含量均以花椒樣地最高，分別為3.12和77.04 g/kg；火龍果樣地和核桃樣地最低，分別為0.06和8.60 g/kg。不同樣地土壤養(yǎng)分含量的變異程度也存在一定差異，核桃樣地的TK含量和柚木樣地的TP含量變異系數(shù)較大，分別為20.3 %和11 %；其余樣地各養(yǎng)分含量的變異系數(shù)均較小，為0.3 %～8.5 %。

表1 不同樣地土壤養(yǎng)分的含量

圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level圖1 不同樣地土壤養(yǎng)分的生態(tài)化學計量比值Fig.1 Ecological stoichiometric ratio of different nutrients in soil from different sample plots

2.2 不同樣地土壤養(yǎng)分的生態(tài)化學計量比

由圖1看出，各樣地0～20 cm土層土壤養(yǎng)分的生態(tài)化學計量比存在較大差異。其中，C∶N以柚木樣地最高，為21.028，顯著高于其余樣地；花椒樣地最低，為6.316，顯著低于其余樣地。C∶P以玉米樣地最高，為552.31，與核桃和柚木樣地差異不顯著，但均顯著高于其余樣地；花椒地最低，為11.400，顯著低于其余樣地。C∶K以核桃樣地最高，為5.651，顯著高于其余樣地；花椒樣地最低，為0.461，顯著低于其余樣地。N∶K以核桃樣地最高，為0.502，與金銀花樣地差異不顯著，但均顯著高于其余樣地；花椒樣地最低，為0.073，顯著低于核桃和金銀花樣地，與其余樣地差異不顯著。N∶P以核桃樣地最高，為46.354，顯著高于其余樣地；花椒樣地最低，為1.804，顯著低于其余樣地。P∶K以花椒樣地最高，為0.040，顯著高于其余樣地；火龍果樣地最低，為0.003，與柚木和玉米樣地差異不顯著，但均顯著低于其余樣地。

2.3 土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量比的相關性

2.3.1 土壤養(yǎng)分含量與生態(tài)化學計量比的相關性 由表2看出，SOC與各生態(tài)化學計量比間均呈正相關，且SOC與C∶K和N∶K呈顯著正相關。TN與C∶N和C∶P呈顯著負相關，與P∶K呈顯著正相關，與C∶K和N∶K的正相關、與N∶P的負相關均不顯著。TP與C∶P和N∶P呈極顯著負相關，與P∶K呈極顯著正相關，但與C∶N、C∶K和N∶K的負相關均不顯著；TK與P∶K呈極顯著正相關，與C∶P和N∶P呈極顯著負相關，與C∶K呈顯著負相關，但與C∶N和N∶K的負相關均不顯著。說明，SOC對C∶K和N∶K，TN、TP和TK對P∶K的增加具有促進作用；TN對C∶N和C∶P，TP對C∶P和N∶P，TK對C∶P、N∶P和C∶K的增加均存在抑制效應。

2.3.2 土壤養(yǎng)分各生態(tài)化學計量比的相關性及相關函數(shù) 由圖2可知，除C∶K與N∶P間呈S函數(shù)關系外，其余各生態(tài)化學計量比間均為一元二次函數(shù)關系，且函數(shù)的擬合度(R2)越高，表明兩者的關系越密切。從表3看出，C∶N與C∶P、N∶P與C∶P間均呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.809和0.783；N∶P與C∶K呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.610，且N∶P與C∶K的S函數(shù)擬合度(0.828)大于N∶P與C∶P的一元二次函數(shù)擬合度(0.795)。N∶K與C∶K間呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.967；P∶K與C∶N呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.649；P∶K與C∶P和N∶P均呈極顯著負相關，相關系數(shù)分別為-0.848和-0.802，但P∶K與C∶N的一元二次函數(shù)擬合度(0.647)小于與C∶P和N∶P的一元二次函數(shù)擬合度(0.895和0.900)。

表2 土壤養(yǎng)分含量與其生態(tài)化學計量比的相關系數(shù)

注:**和*分別表示相關系數(shù)達極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)水平。

Note:** and * indicate significance of difference atP<0.01 andP<0.05 level respectively.

圖2 土壤養(yǎng)分各生態(tài)化學計量比的相關函數(shù)Fig.2 Correlation function between different soil nutrient ecological stoichiometric ratio

3 討 論

土壤生態(tài)化學計量比受區(qū)域水熱條件和成土特征的影響較大，由于氣候、地貌、植被、母巖及土壤動物等形成因子和人類活動的影響，可導致土壤C∶N∶P比的空間變異增大[23]。土壤C∶N反映了C與N間的平衡關系，低C∶N土壤中的N礦化速率較快，高C∶N土壤的微生物同化量可超過礦化作用提供的N量，造成植物缺N[24]。研究結(jié)果表明，火龍果樣地與花椒樣地的C∶N分別為8.64和6.32，低于全國土壤C∶N平均水平(10～12)[7]，處于較低水平；柚木和玉米樣地的C∶N分別為21.02和16.43，高于全國土壤C∶N平均水平。造成C∶N在不同利用類型土地間存在差異的原因可能與其耕作程度有關。

較低C∶P有利于微生物分解與有機質(zhì)養(yǎng)分釋放，促進土壤有效P含量增加，高C∶P促使土壤微生物與植物競爭土壤無機P，不利植物生長[25]。研究區(qū)火龍果、核桃、金銀花、柚木和玉米各樣地土壤的C∶P為266.62～552.31，高于全球土壤C∶P的平均值(186)[26]。表明，干熱河谷石漠化地區(qū)土壤總體缺P?；ń窐拥赝寥赖腃∶P最低，為11.40，與黃土丘陵區(qū)土壤的C∶P(13.2)[27]較接近，但均顯著低于廣西喀斯特地區(qū)土壤的C∶P(61)[28]。表明，花椒樣地土壤的有效P含量相對較高。不同植物類型樣地土壤的C∶P不同，可能與其植物生長發(fā)育所需營養(yǎng)元素來源于土壤，使不同植物對土壤養(yǎng)分的吸收強度不同，而致土壤養(yǎng)分含量存在差異，進而導致其生態(tài)化學計量比存在差異。

N∶P是土壤限制性養(yǎng)分判斷的重要指標之一，可間接預測其對植物養(yǎng)分的供應和限制水平[29]。研究結(jié)果顯示，花椒樣地土壤N∶P的平均值為1.80，低于全球(13.1)[26]和全國土壤的平均水平(9.3)[7]。造成花椒樣地土壤N∶P較低的原因可能與花椒樣地土壤P消耗相對較低，致使其土壤中的P含量相對較高有關?；瘕埞麡拥亍⒑颂覙拥?、金銀花樣地、柚木樣地和玉米樣地土壤的N∶P均顯著高于全球[25]與全國土壤的平均水平[7]，可能與干熱河谷石漠化地區(qū)的降雨集中且降雨量較大，土壤受淋溶沖刷作用影響而不利于P積累有關。

表3 土壤養(yǎng)分各生態(tài)化學計量比的相關系數(shù)

貴州干熱河谷石漠化地區(qū)土壤的C∶N大于黃土丘陵和全國平均水平[7,27]，小于廣西喀斯特地區(qū)和全球土壤水平[26,28]；C∶P和N∶P均顯著大于廣西喀斯特地區(qū)、黃土丘陵區(qū)、全國和全球水平[7,26-28]。土壤生態(tài)化學計量比是C、N和P總量的比值，而C、N元素主要來源于有機質(zhì)分解， P主要來源于巖石風化[13,23]。因此，C∶N能有效反映土壤有機質(zhì)的分解速率。土壤有機質(zhì)分解速率與C∶N呈反比[23]，當土壤C∶N大于25時，有機質(zhì)分解速率下降；當土壤C∶N小于25時，有機質(zhì)分解速率升高[30]。研究結(jié)果表明，貴州干熱河谷石漠化地區(qū)土壤的C∶N為6.32～21.03，小于25。表明，研究區(qū)土壤有機質(zhì)的分解速率較快，易導致土壤養(yǎng)分無效消耗。因此，在該區(qū)土壤養(yǎng)分管理時，應注意氮肥施用量，控制有機質(zhì)分解速率。孫超[31]研究表明，當土壤C∶N小于30時，硝酸鹽的淋溶風險顯著升高，易導致N損失，而長期單一施用有機肥也會導致土壤N素損失。因此，在進行土壤質(zhì)量管理時，應合理掌控無機肥與有機肥配施，提高N利用率，有效控制C∶N值，調(diào)節(jié)有機質(zhì)分解速率，保證植物正常生長發(fā)育。

宋秋華等[32]研究認為，土壤C∶P小于200 時，可致使土壤微生物體碳的短暫增加和有機磷凈礦化，土壤C∶P大于300 時，微生物體碳將大幅增加，出現(xiàn)有機磷固持現(xiàn)象。表明，過高或過低土壤C∶P均會導致土壤微生物與植物競爭養(yǎng)分，不利植物生長。本研究結(jié)果顯示，花椒樣地土壤的C∶P為11.40，遠低于300；核桃、柚木和玉米樣地土壤的C∶P分別為523.74、547.78和552.31，遠高于300。由此可見，P過高或缺乏均會成為限制該地區(qū)作物產(chǎn)量提高的重要因素。TP與C∶P呈極顯著負相關，說明單獨增加磷肥投入，不利控制C∶P和改良土壤質(zhì)量，而綠肥生長過程中可通過養(yǎng)分吸收、根系分泌物和細胞脫落等方式調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡，活化和富集土壤養(yǎng)分，增加土壤微生物活性，具有抑制土傳病害和消除土壤不良成分的作用[33]。因此，種植綠肥可在減少農(nóng)藥施用的同時，高效提高土壤質(zhì)量，增加作物產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

在貴州干熱河谷石漠化地區(qū)6種主要土地利用類型的土壤均存在N素富集，而火龍果、核桃、柚木和玉米樣地表現(xiàn)出P素虧缺現(xiàn)象。因此，在土地資源管理過程中應注意增施外源P素。該區(qū)域土壤的有機質(zhì)分解速率較快，導致P養(yǎng)分大量損失，為此，需注意無化肥與有機肥配施，以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的動態(tài)平衡。