梁啟斌，李瑞琳，李佳琛，侯 磊，王艷霞

(西南林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院，昆明 650224)

【研究意義】土壤中的碳(C)、氮(N)、磷(P)是影響植物生長的重要營養(yǎng)元素，其豐缺程度控制生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，影響整個生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的高低。掌握土壤C、N、P含量、儲量及其化學計量特征是保護土壤資源的基礎(chǔ)，對促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護具有重要意義[1]。生態(tài)化學計量學是以生態(tài)學和化學計量學為基本原理，分析生態(tài)系統(tǒng)中C、N、P組成及比例關(guān)系，揭示土壤養(yǎng)分生物地球化學循環(huán)特征，以平衡植物-土壤養(yǎng)分供求關(guān)系[2-3]?！厩叭搜芯窟M展】目前關(guān)于土壤C、N、P含量、儲量及其化學計量特征的研究多以單一的行政區(qū)劃單元為研究區(qū)[4-5]，行政區(qū)劃分割了流域的系統(tǒng)性和整體性，不能完整反映流域各自然要素的演變過程[6]，具有一定的局限性。小流域是生態(tài)、經(jīng)濟與社會子系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，也是自然資源規(guī)劃中最主要的規(guī)劃單元，在小流域開展土壤C、N、P含量、儲量及其化學計量特征分析，可以進一步揭示空間尺度上土壤養(yǎng)分的供需平衡。目前，對小流域土壤C、N、P的研究多集中于東北平原[6-7]，長江中下游平原[8-9]，內(nèi)蒙古高原[10-11]，黃土高原[12-13]等，而對云南高原區(qū)小流域土壤C、N、P含量、儲量及其化學計量特征分析鮮有報道。【本研究切入點】洱海是大理州重要飲用水源保護地，是云南省第二大高原湖泊[14]，具有封閉半封閉特性，其四面環(huán)山、中部為較低海拔的天然匯水區(qū)，其入湖水量有限、換水周期長、污染物通過入湖河流匯集，極易引起湖泊水體富營養(yǎng)化[15]。目前洱海水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類，已處于富營養(yǎng)化初級階段[16]。位于洱海的北部羅時江、彌苴河和永安江流域地勢平坦，村落聚集，人口基數(shù)大，輸入的氮磷污染物約占入洱?？偭康?0%左右，面源污染突出[17]。為保護洱海生態(tài)環(huán)境，先后建設了羅時江濕地和江尾濕地等生態(tài)修復工程，能有效削減N、P污染物的入湖通量[18]，隨后在羅時江兩岸修建了寬50～100 m的河岸緩沖帶(河岸帶)削減入湖污染物。為進一步開展洱海流域生態(tài)文明建設，按“修山育林、凈田治河、修復宜居、增容保水”的思路系統(tǒng)開展“山水林田湖草”治理與保護[19]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以羅時江小流域為研究區(qū)，對林地-農(nóng)田-河岸帶土壤C、N、P含量、儲量及其化學計量特征進行研究，為后續(xù)開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學循環(huán)過程的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為該小流域“山水林田湖”整體性保護工作提供參考，對洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染防控及生態(tài)環(huán)境保護具有重要現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域位于金沙江、瀾滄江和元江三大水系分水嶺地帶，流域?qū)俚湫偷膩啛釒Ц咴撅L氣候，多年平均氣溫15.3 ℃，主導風向為西南風，流域面積2565 km2[20]。羅時江為洱海北部重要的入湖河流，發(fā)源于大理洱源縣右所鎮(zhèn)下山口附近，流經(jīng)右所鎮(zhèn)、鄧川鎮(zhèn)，全長18.29 km，平均流量約為1.67 m3/s，年均徑流量約為0.53億m3，占洱?？倎硭康?.90%[18]。羅時江小流域(25°55′30″～26°04′25″N，99°58′28″～100°06′48″E，圖1)總面積135.01 km2，其中林地、耕地、草地和河岸帶的面積分別為58.71、46.58、20.88和1.99 km2，分別占小流域面積的43.49%、34.50%、15.46%和1.47%。為削減沿岸面源污染入河，2018年在羅時江兩岸修建了河岸帶，西湖上游的河岸帶長3.24 km、寬50 m，下游河岸帶長8.31 km、寬100 m。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 于2020年10月采集研究區(qū)土壤樣品，根據(jù)羅時江小流域內(nèi)主要土地利用類型、樣地均勻性及可達性選擇了林地(記為F1～F7)、農(nóng)田(記為A1～A6)、河岸帶(記為R1～R3)3種地類，共計16個樣點(圖1)，并記錄樣點的坐標及優(yōu)勢植被等基本信息。每個樣點用S形布點法間隔1 m采集5個表層土壤(0～20 cm)，混勻后用四分法取0.5 kg土樣，帶回試驗室測定容重(BD)、pH、含水率(W)及C、N、P含量等理化指標。

圖1 羅時江小流域地理位置及不同地類土壤采樣點分布Fig.1 Geographical location of the Luoshijiang small watershed and distribution of soil sampling sites in different land use patterns

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 變異系數(shù)采用公式(1)計算[22]，有機碳(SOC)含量參照文獻利用有機質(zhì)換算[21]，土壤SOC、TN和TP儲量采用公式(2)～(4)計算[3]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：CV為變異系數(shù)；σ為標準差；μ為均值；CS為有機碳儲量(t/hm2)；ω(SOC)為有機碳平均含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm3)；NS為全氮儲量(t/hm2)；ω(TN)為全氮平均含量(g/kg)；PS為全磷儲量(t/hm2)；ω(TP)為全磷平均含量(g/kg)；H為土層厚度(20 cm)。

實驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010匯總，利用Origin 2018軟件繪制柱狀圖，用Canoco 5.0 軟件對土壤理化性質(zhì)與土壤C、N、P變化關(guān)系進行冗余分析(RDA)并結(jié)合SPSS 19.0開展Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

由表1可知，不同土地利用方式土壤pH表現(xiàn)為河岸帶(8.11±0.37)>農(nóng)田(7.63±0.41)>林地(6.29±0.14)，BD表現(xiàn)為河岸帶(1.43 g/cm3)>林地(1.16 g/cm3)>農(nóng)田(1.05 g/cm3)，含水率表現(xiàn)為河岸帶(20.92%)>林地(34.25%)>農(nóng)田(19.62%)。林地土壤主要成分為砂粒(Sa，粒徑為0.02～2 mm)，而農(nóng)田和河岸帶土壤主要成分均為粉粒(Si，粒徑為0.002～0.02 mm)和砂粒。土壤中所含黏粒(Cl，粒徑<0.002 mm)成分最高的是農(nóng)田，為16.22%。

土壤pH影響土壤養(yǎng)分及微量元素的有效性，羅時江小流域土壤pH變化幅度為6.25～8.38，不同用地類型的土壤pH存在顯著差異(P<0.01)。農(nóng)田土壤pH高于林地，主要受研究區(qū)土地施肥和管理方式的影響[23]。由表2可知，農(nóng)田土壤質(zhì)地較為疏松[24]，說明農(nóng)田蓄水能力強，含水率較高。河岸帶和林地土壤質(zhì)地較為適宜，其含水率低于農(nóng)田。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

表2 土壤容重與土壤松緊程度的關(guān)系

2.2 不同土地利用方式下土壤C、N、P含量

圖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學計量特征

小流域土壤C/N、C/P、N/P范圍值分別為13.78～85.34、5.30～35.97、0.25～1.45，平均值分別為(25.17±3.56)、(14.20±0.57)、(0.69±0.01)。林地土壤C/N、C/P、N/P平均值分別為31.05、15.84、0.64，變異系數(shù)為74.46%、57.92%、45.89%。農(nóng)田土壤C/N、C/P、N/P平均值分別為17.55、14.06、0.89，變異系數(shù)為22.92%、71.90%、57.36%。河岸帶平均值分別為26.66、10.67、0.40，變異系數(shù)為16.13%、13.22%、13.53%(表3)，均為中等變異程度。

2.4 不同土地利用方式下土壤C、N、P儲量

羅時江小流域土壤Cs、Ns、Ps范圍分別為85.34～196.27、2.95～13.87、5.47～16.96 t/hm2，平均值分別為(124.56±0.78)、(6.46±0.03)、(9.50±0.38) t/hm2。

不同土地利用類型土壤Cs、Ns、Ps表現(xiàn)出顯著差異(圖3)，從C的積累能力看，土壤Cs變化趨勢表現(xiàn)為林地(135.51 t/hm2)>農(nóng)田(120.44 t/hm2)>河岸帶(107.26 t/hm2)，林地Cs最高，說明其固碳能力最強，是該流域重要的土壤“碳匯”。從N的固定效果看，Ns變化趨勢為農(nóng)田>林地>河岸帶，因此，農(nóng)田是羅時江小流域土壤氮養(yǎng)分高水平狀態(tài)的利用類型，是該流域土壤“氮匯”。從P的固定效果看，Ps變化趨勢表現(xiàn)為河岸帶(10.35 t/hm2)>農(nóng)田(10.00 t/hm2)>林地(9.76 t/hm2)，河岸帶是該流域土壤“磷匯”。小流域土壤的Cs、Ns略高于云南松土壤，分別是云南松Cs、Ns的1.46和1.37倍[27]，林地Ps(10.05 t/hm2)顯著高于滇中退化山地土壤的Ps(2.57 t/hm2)。

表3 土壤C、N、P含量與化學計量比的變異系數(shù)

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

表4 土壤C、N、P含量和儲量及其化學計量比與環(huán)境因子的相關(guān)性

2.5 土壤基本理化性質(zhì)對土壤C、N、P含量、儲量及化學計量特征的影響

紅線表示環(huán)境因子，藍線表示土壤碳氮磷含量、儲量及其化學計量比The red line represents the environmental factors, and the blue line represents the soil carbon, nitrogen and phosphorus content, storage and its stoichiometric ratio圖4 土壤理化性質(zhì)與土壤C、N、P含量、儲量及化學計量比的冗余分析Fig.4 Analysis of soil physical and chemical properties and soil C, N, P content, reserves and stoichiometric ratio

為進一步驗證影響羅時江小流域土壤C、N、P含量、儲量及其化學計量比的環(huán)境因子，參考已有土壤養(yǎng)分分布及影響因子的相關(guān)分析，對小流域土壤C、N、P含量、儲量及其化學計量比與環(huán)境因子進行Pearson相關(guān)性分析(表4)。土壤Cs、Ns、Ps受C、N、P含量和土壤BD的影響，與土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等物理性質(zhì)密切相關(guān)[28]。

Cs與ω(SOC)、C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與ω(TN)、N/P呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；Ns與ω(TN)，Ps與ω(TP)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；ω(SOC)與ω(TN)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，劉騫等[29]對松嫩平原不同土地利用方式對土壤C、N影響的研究也有相似結(jié)果。有研究表明土壤SOC和TN的關(guān)系能夠衡量土壤的質(zhì)量，ω(SOC)的高低直接影響土壤氮素供應水平[30]。ω(SOC)與C/P呈極顯著正相關(guān)，而與BD呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。ω(SOC)與W呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，這與大興安嶺凍土區(qū)土壤碳氮含量研究結(jié)果一致[31]；ω(TN)與W呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。C/N、C/P與N/P三者互呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。以上結(jié)論與冗余分析結(jié)果一致。

3 討 論

3.1 不同土地利用方式對土壤C、N、P含量的影響

3.2 不同土地利用方式對土壤C、N、P生態(tài)化學計量比的影響

3.3 不同土地利用方式對土壤環(huán)境因子的影響及其與C、N、P含量的關(guān)系

不同土地利用方式導致小流域土壤C、N、P儲量存在一定差異，微生物分解速率不同，從而造成土壤理化性質(zhì)的差異[39]。已有研究表明，土壤容量、含水率不僅與研究區(qū)氣候、土壤類型和成土母質(zhì)密切相關(guān)，也與不同土地利用類型有關(guān)。李森等對川西北不同生態(tài)治理模式下土壤C、N、P儲量及生態(tài)化學計量的研究表明隨著土壤ω(SOC)增加，孔隙度隨之增大，從而導致土壤容重降低[40]。本研究中土壤含水率與ω(SOC)、ω(TN)呈顯著正相關(guān)，與何家莉等[5]的研究結(jié)果相似，這是因為植被根系從土壤中吸收足夠的水分參與植物的生命活動，導致生物量不斷增加，同時根系在水分充足的條件下對枯枝落葉分解速率加快，致使C、N元素不斷向土壤輸入，形成C、N累積，而P則易隨地表徑流和滲漏損失。土壤容量、含水率是影響林地、農(nóng)田、河岸帶土壤C、N含量的重要因子。

4 結(jié) 論

(2)羅時江小流域土壤Ns變化趨勢為農(nóng)田>林地>河岸帶，Cs表現(xiàn)為林地>農(nóng)田>河岸帶，Ps表現(xiàn)為河岸帶>農(nóng)田>林地。林地是該流域重要的土壤“碳匯”，農(nóng)田是該流域土壤“氮匯”，河岸帶是該流域土壤“磷匯”。

(3)小流域土壤C/N、C/P、N/P范圍值分別為13.78～85.34、5.30～35.97、0.25～1.45。在不同土地利用方式影響下，土壤C/N表現(xiàn)為林地>河岸帶>農(nóng)田，C/P、N/P值均表現(xiàn)為農(nóng)田>林地>河岸帶。不同土地類型下土壤養(yǎng)分及其化學計量比存在不同程度的中等變異。

(4)小流域土壤容量(BD)、含水率(W)顯著影響土壤 C、N含量。Cs與ω(SOC)、C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與ω(TN)、N/P呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；Ns與ω(TN)，Ps與ω(TP)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；ω(SOC)與ω(TN)、C/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與BD呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與W顯著正相關(guān)(P<0.05)；ω(TN)與W呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。C/N、C/P與N/P三者互呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。