安新县不同利用方式土壤碳氮磷及生态化学计量特征研究

徐聪,王策,李明月,李金鹿,王千,何玲,陈亚恒

(1 河北农业大学 资源与环境科学学院， 河北 保定 071000；2 河北省自然资源利用规划院，河北 石家庄 050000；3 河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

土壤作为陆地生态系统最基本的载体，提供植株生长所需的营养元素，其中碳(C)、氮(N)、磷(P)属于土壤养分的核心，在土壤中的丰缺程度会对整个生态系统的动态变化产生影响。生态化学计量学作为近年来在生态学研究领域新兴的一种思路，主要关注于微生物、植株体和土壤中的C、N、P，是生态学与土壤化学研究领域的新方向[1-2]。研究土壤C、N、P，一方面通过掌握土壤中C、N、P平衡状态，来指示土壤养分的供应和限制情况[3]，另一方面又能对影响生态系统内部的机理进行反馈，以探究土壤中碳的消耗与固定过程[4]，同时反映了自然过程和人为干扰对土壤生源要素的影响程度，对认识生态系统碳汇潜力及其对气候变化的响应具有重要的生态指示作用[5]。自Reiners将化学计量学理论应用到生态学领域的研究[6]以来，Elser明确了生态化学计量学的概论[1]；Zhang等最先在国内对其相关研究进行了介绍[7]，随后曾德慧、贺金生、王绍强、程瑞梅等学者分别从不同角度对生态化学计量学的研究进展进行了综合论述[2，8-10]。经过近十年的发展，我国在生态化学计量学领域取得了丰硕的研究成果。然而，国内外学者针对土壤生态化学计量学的研究较多关注于森林[5,11]、湿地[4,12]、草地[13-14]等单一的生态系统，而对同一区域的多种土地利用方式下土壤生态化学计量的研究还稍显不足[15,17,25]；且我国生态化学计量学的研究具有较强地域特性[16]，关注西北干旱半干旱区、东南沿海区的研究较多，针对华北区域的生态化学计量研究较少。

土地利用方式是土地在人为主观影响下的特征表现，不同的利用方式势必对土壤中动植物及微生物的生理特性产生各种影响，既改变了土壤的内在属性，也影响其与外界因素的联系，造成土壤C、N、P的含量差异，所以土地利用方式对土壤C、N、P及生态化学计量特征的分布和分异具有重要影响[15，18]。当前，雄安新区坚持生态优先、绿色发展的新理念，要求构建蓝绿交织、和谐自然的国土空间格局，其中安新县坐拥华北平原最大的淡水湖泊——白洋淀，肩负着重要的“生态任务”；由此开展的千年秀林、退耕还淀等系列的生态修复工作直接影响了土地利用方式的转变。基于此，对安新县区域内主要的5种土地利用类型(裸地、水田、水浇地、林地和芦苇地) 0～100 cm土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)含量和储量进行研究，探明不同土地利用方式土壤生态化学计量特征，揭示土地利用方式对土壤 C、N、P 含量及其生态化学计量特征的影响，以期为雄安新区的生态建设和修复提供基础数据，为区域土地的合理规划和利用提供理论依据，更好的促进新区的建设和区域生态安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安新县地处河北省中部，保定地区东端，地理坐标介于北纬38°10′～40°00′，东经113°40′～116°20′ 之间。属于海河流域冲积平原，自西北向东南有缓缓倾斜，地形自然坡度为1/700 0，西南北有冲积洼地平原，东有华北平原最大的淡水湖泊——白洋淀。气候类型为暖温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。年均温为12.10 ℃，多年平均降水量为524.90 mm，多年平均日照时数2 604.30 h，多年平均太阳辐射量为128.82 kCal/cm2，无霜期182 d；采样区土壤母质为冲击母质，土壤类型为潮土；旱区农作物主要为小麦、玉米，淀区主要种植水稻，芦苇分布广泛。

1.2 土壤样品采集

2019年3上旬，在安新县选取具有代表性的5种土地利用方式，分别为裸地、水田、水浇地、林地和芦苇地，每种利用方式选取3个10 m×10 m的典型地块，具体样地概况见表1。每个典型样地设置3个采样点并挖掘土壤剖面，其中裸地、水田、水浇地和林地按 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm，分为5层，芦苇地由于60 cm 以下出水，故按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分为3层。每层取3个环刀土用于土壤容重测定，另外进行土样采集，将相同层次多点取样土壤充分混合，除去植物根系、动植物残体及大的石块，采用四分法分保留土样1 kg左右装入样品袋并进行编号，低温保鲜运回实验室，将土样风干处理后进行研磨、过筛和测定。

表1 样地基本概况Table 1 Basic sample plots

1.3 土壤样品测定

土壤pH采用电位法测定，水土比为2.5∶1；土壤含水量采用烘干法；有机碳采用重铬酸钾容量法—外加热法进行测定；土壤全氮采用半微量开氏法进行测定；土壤全磷采用NaOH熔融—钼锑抗比色法进行测定；碱解氮采用碱解扩散法进行测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法进行测定。具体测定步奏参照鲍士旦《土壤农化分析》[19]。

1.4 数据计算与处理

土壤有机碳(全氮、全磷)密度计算公式为[20]：

(1)

式中：SOCD为研究区内各样地在0～100 cm 的土壤有机碳(全氮、全磷)储量(kg/m2)；i为土层深度；ci为第i层土壤有机碳(全氮、全磷)含量(g/kg)；ρb为第i层土壤容重(g/cm3)；di为第i层土层厚度。

化验指标数据整理后，利用SPSS18.0 软件进行方差分析和典型相关分析，方差分析前对数据进行正态分布检验和同质性检验，利用Levene’s test检验方差齐性与否。方差齐性时使用LSD法进行多重比较(α=0.05)，方差不齐时使用T2 Tamhane test 进行多重比较。利用 Origin 2018 软件完成绘图，R软件完成数据可视化。文中土壤 C、N、P化学计量比均为质量比。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式表层土壤理化性质

不同土地利用方式表层土壤理化性质见表2。

表2 各样地表层土壤理化性质Table 2 Physical and chemical properties of various plots surface soils

从表2可得，不同利用方式表层土壤的理化性质间存在一定的差异，土壤速效磷表现为水浇地和水田显著大于其他3种利用方式；土壤碱解氮表现为水浇地和芦苇地显著大于其他3种利用方式；pH表现为芦苇地最小，其他4种利用方式间无显著差异；土壤容重表现为裸地显著大于其他4种利用方式；土壤含水量表现芦苇地>水田>林地>水浇地>裸地；土壤孔隙度表现为裸地最小，其他4种利用方式间无显著差异。

2.2 不同土地利用方式土壤C、N、P垂直分布特征

不同土地利用方式土壤C、N、P分布特征见图1。

注：不同小写字母表示同一土层间不同土地利用方式间的显著性差异(P<0.05)，下同。图1 不同土地利用方式下土壤C、N、P 含量特征Figure 1 Characteristics of soil C, N and P content under different land use methods

由图1(a)可得，土壤SOC含量均值表现为芦苇地(11.19 g/kg)>林地(10.07 g/kg)>水浇地(8.09 g/kg)>水田(8.00 g/kg)>裸地(1.84 g/kg)，在垂直方向上随土层深度增加而逐渐下降；0 ～20 cm 土层，土壤SOC含量表现为芦苇地>林地>水田>水浇地>裸地，林地、水田和水浇地土壤SOC含量差异不显著；在20～60 cm土层，芦苇地、林地、水田和水浇地土壤SOC含量差异不显著，均显著大于裸地土壤；60～100 cm土层，土壤SOC含量表现为林地显著大于水浇地和水田，水浇地和水田土壤SOC含量显著大于裸地。

由图1(b)可得，土壤TN均值表现为芦苇地(1.40 g/kg)>林地(1.11 g/kg)>水浇地(1.02 g/kg)>水田(1.01 g/kg)>裸地(0.30 g/kg)，土壤TN含量在0～100 cm 范围内的变化态势与SOC的变化基本保持同步；不同利用方式土壤TN含量的差异集中在0～60 cm土层，均表现为芦苇地TN含量最大；60～100 cm 土层，林地、水浇地和水田土壤TN含量差异不显著，均显著大于裸地土壤TN含量。

由图1(c)可得，5种土地利用方式土壤TP均值表现为水田(0.69 g/kg)>水浇地(0.68 g/kg)>芦苇地(0.66 g/kg)>林地(0.63 g/kg)>裸地(0.62 g/kg)，裸地、林地和芦苇地土壤TP含量随土层深度无明显变化，水浇地和水田0～20 cm土层TP含量显著大于其他3种利用方式；20 cm土层后，各利用方式土壤TP含量差异不显著。

2.3 不同土地利用方式土壤C、N、P储量特征

不同土地利用方式土壤C、N、P储量见图2。

图2 不同土地利用方式下土壤C、N、P储量Figure 2 Soil C, N and P reserves under different land use modes

由图2可得，在0～100 cm 土层，土壤C储量表现为林地(13.06 kg/m2)>水田(11.80 kg/m2)>水浇地(10.30 kg/m2)>裸地(2.03 kg/m2)；土壤N储量表现为林地(1.48 kg/m2)>水浇地(1.28 kg/m2)>水田(1.19 kg/m2)>裸地(0.34 kg/m2)；土壤P储量表现为水田(0.92 kg/m2)>水浇地(0.87 kg/m2)>林地(0.84 kg/m2)>裸地(0.85 kg/m2)；芦苇地在0～60 cm 土层C、N、P储量分别为8.32，1.01，0.48 kg/m2。

裸地土壤C、N储量均小于同层其他利用方式，其他四种利用方式土壤C、N储量的差异主要集中在0～40 cm 土层，在0～20 cm 土层，土壤C储量分别为3.36、2.07、3.40和3.53 kg/m2，土壤N储量分别为0.37、0.26、0.38、和0.41 kg/m2；20～40 cm 土层中，土壤C储量分别为2.28、1.94、2.48和2.53 kg/m2，土壤N储量分别为0.21、0.19、0.29和0.30 kg/m2，且C、N储量均表现为芦苇地>林地>水田>水浇地；5种利用方式土壤P储量在同一土层间差异不大。

2.4 不同土地利用方式土壤C、N、P化学计量特征

不同土地利用方式土壤C、N、P生态化学计量分布特征见图3。

由图3(a)可知，各利用方式土壤C/N随土层深度变化表现不一致；裸地、水田、水浇地和林地土壤在0～100 cm土层范围C/N分别处于5.11～7.85、6.79～11.83、6.42～9.99和8.70～9.27，芦苇地土壤C/N在0～60 cm 土层处于6.88～9.19；在0～20 cm 土层，5种土地利用方式土壤C/N差异不显著(P<0.05)；20～60 cm 土层，土壤C/N均表现为水田最大，裸地最小；在60～100 cm 土层，土壤C/N均表现为林地显著大于裸地、水田和水浇地。

由图3(b)可知，5种利用方式土壤C/P均表现随土层深度增加而下降的趋势，其中裸地土壤C/P随土层深度变化最小，芦苇地和林地变化较大。裸地、水田、水浇地和林地土壤C/P在0～100 cm土层分别处于1.87～4.50、9.69～13.45、9.98～13.16和13.91～20.87，芦苇地土壤C/P在0～60 cm土层为13.47～21.27；在0～20 cm 土层，芦苇地和林地土壤C/P显著大于水田和水浇地土壤，且水田和水浇地土壤C/P显著大于裸地；在20～60 cm 土层，水田、水浇地、林地和芦苇地土壤C/P差异不显著，但显著大于裸地；在60～100 cm 土层，土壤C/P均表现为林地显著大于水田和水浇地，水田和水浇地土壤C/P显著大于裸地。

图3 不同土地利用方式下土壤 C、N、P 生态化学计量特征Figure 3 Ecological stoichiometric characteristics of soil C, N and P under different land use modes

由图3(c)可知，裸地、水田、水浇地和林地土壤在0～100 cm土层范围N/P分别处于0.37～0.57、1.08～1.60、1.30～1.71和1.57～2.26，芦苇地土壤在0～60 cm 土层范围N/P处于1.96～2.32；在0～20 cm 土层，5种土地利用方式土壤N/P差异表现基本同C/P保持一致；在20～60 cm 土层，土壤N/P均表现为芦苇地最大，裸地最小；在60～100 cm 土层，土壤N/P均表现为林地、水田和水浇地显著大于裸地。

2.5 土壤理化性质对土壤C、N、P生态化学计量的影响

研究区土壤性质与土壤SOC、TN和TP及生态化学计量数进行相关性分析并对结果可视化得图 4。

注：** 在0.01水平上显著相关；*在0.05水平上显著相关。图4 土壤C、N、P及生态化学计量与土壤因子相关性分析Figure 4 Correlation analysis of soil C, N, P ecological stoichiometry and soil factors

由图4可得：SOC、TN 和 TP3个指标之间互相呈极显著正相关关系，其中SOC与TN的相关性最高；SOC与C/P和N/P、TN与N/P和C/P、TP与C/P呈极显著正相关关系；C/N与SOC、TP和C/P呈显著正相关关系；土壤容重与C、N、P及生态化学计量数呈极显著或显著负相关关系；土壤pH与SOC呈显著负相关关系，与N/P、TN、C/P呈极显著负相关关系；土壤含水量和土壤孔隙度与SOC、TN、TP、C/P和N/P呈显著正相关关系和极显著正相关关系；土层深度与土壤C、N、P及生态化学计量数呈负相关关系，但是不显著。

对土壤属性与土壤C、N、P生态化学计量进行典型相关分析，得到表3。

表3 典型相关性分析及显著性检验Table 3 Typical correlation analysis and significance test

将土壤因子设为x，其中x1为土层深度、x2为含水量、x3为容重、x4为孔隙度、x5为pH；土壤生态化学计量特征设为y，其中y1为SOC、y2为TN、y3为TP、y4为C/N、y5为C/P、y6为N/P。通过典型相关分析得到5组典型变量，如表3所示，其中只有前两组相关关系达到显著水平。通过标准化处理后计算得到土壤因子综合指数U和土壤生态化学计量特征综合指数V的相关关系。U1=-0.095x1+0.061x2-0.747x3-0.331x4-0.657x5，V1=-9.863y1+9.671y2+0.022y3-0.211y4+8.520y5-7.409y6；U2=0.564x1-0.198x2-0.687x3-0.432x4-0.885x5；V2=-15.516y1+13.680y2-0.510y3-0.714y4+13.661y5-11.594y6。由各因子的系数可得：U中起决定作用的土壤因子为容重和pH值，V中起决定性作用的土壤生态化学计量因子为SOC、TN、C/P和N/P，说明土壤SOC、TN、C/P和N/P与土壤因子中的容重和pH值的累积关系较大。

3 结论与讨论

不同土地利用方式土壤SOC、TN随土层深度增加保持逐渐降低的趋势，均表现为芦苇地>林地>水浇地>水田>裸地。其原因是下层土壤输入的C、N主要来源于表层土壤的翻耕和传导，在传导过程中随土层的加深，植物根系、土壤微生物、植物凋落物等SOC的来源物质逐渐减少，表现为相对积累量逐渐减少[22]。土壤C、N含量在一定程度上呈显著的正相关关系，土壤碳的主要来源是地表枯落物的矿化分解，植被的覆盖一方面可以增加地表枯枝落叶数量，生物对枯落物的分解使土壤不断输入了有机质;另一方面，存在一定程度上能够减轻土壤风蚀过程，增加了风沙流的拦截作用，使得更多细粒物质沉降在地面[21]。有研究表明，粘粒含量与土壤SOC含量呈正相关关系[15]，因此表现为植被覆盖较多的芦苇地和林地土壤SOC和TN含量相对较高，水田和水浇地次之，裸地土壤含量最低；此外，芦苇地水分充足，生物活动强烈导致枯落物分解较强，且白洋淀水体氮含量丰富[23]，因此表现为SOC和TN含量最大。各利用方式土壤TP含量随土层无明显变化规律，与土壤TP主要受控于土壤母质、气候等因素有关[4,15]，且与土壤碳、氮元素相比，土壤磷素较为稳定，不易发生迁移[24]。仅在0～20 cm土层，水田和水浇地土壤TP含量显著大于其他利用方式，原因是在农用地的长期种植过程中，人为施加磷肥促进了土壤磷素的积累，这与高君亮在农牧交错带研究的结果一致[25]。

土壤C/N值的大小能够对土壤中有机质的分解程度和有机质对土壤肥力的潜在贡献做一个较为准确的判断[26]。研究中发现，不同利用方式土壤C/N值介于5.11～11.82之间，与郑昊楠[27]等在华北地区的典型农田研究结果接近，但低于我国土壤C/N均值(12.30)[28]。研究表明土壤硝化作用与 C/N值呈负相关，土壤C/N值越小，土壤中有机质矿化或者分解速度越快[29]，而有机质矿化或者分解速度过快则不利于土壤肥力的维持[10]，表明区域土壤微生物对SOC矿化分解速率较快，有效氮供应量增加，不利于SOC的积累。利用方式造成了土壤C/N的差异，土壤C/N表现为林地>芦苇地>水田>水浇地>裸地，与张洋洋的研究结果接近[30]。其原因为林地和芦苇地的枯枝落叶较多，导致SOC含量较高，而芦苇地存在的干湿交替现象促进了土壤有机质的分解，导致土壤氮素增加，使芦苇地土壤TN含量较高；而水田和水浇地由于人为的耕作和收割后的秸秆还田，使农田土壤比裸地土壤C/N高。

土壤C/P能够判断土壤磷素矿化能力，该值的高低对植物的生长发育有重要的影响[24]。本研究得到不同利用方式土壤C/P值介于1.87～21.26之间，远低于我国陆地土壤C/P均值(52.64)[31]，研究区土壤P的有效性相对较高，P的矿化速率也相对较快，微生物分解有机质过程中受P的限制可能性较小，这与高君亮在乌兰布和沙漠东北部绿洲区的研究结果相似[21]。不同利用方式土壤C/P表现为芦苇地>林地>水田>水浇地>裸地，其原因是因为土壤中P主要来源于母质，而C除了由土壤动植物生命活动产生外，外源的枯枝落叶等可不断为土壤输入C，因此，在人为干扰较少且植被生长旺盛的芦苇地和林地土壤SOC含量较高，C/P值相对较高，而几乎没有外源C输入的裸地土壤，其C/P含量较小。

土壤N/P可以简明地反映有机质的可分解性，判定土壤中养分限制状况，土壤N/P 的变化可能影响植物体内 N/P的变化，可作为养分限制类型的有效指标[10]。本研究得到不同利用方式土壤N/P值介于0.37～2.31之间，低于我国土壤N/P均值(4.2)[31]，表明研究区土壤处于氮限制状态。不同利用方式土壤N/P表现为芦苇地>林地>水浇地>水田>裸地，这主要是由各利用方式土壤中的TN含量差异造成的，而TN与SOC呈显著的正相关，然而水田土壤可能是由于长期积水缘故，导致土壤容重变大，土壤孔隙度较低，使土中微生物处于嫌气环境进而促进了氮的反硝化作用，导致TN含量相对水浇地较低。

土壤C、N、P及生态化学计量特征受到多方面的影响，是人为扰动和生态系统自我调节共同作用的结果表现。本研究得到土壤C、N、P之间存在极显著正相关关系，与高君亮[21]、吴雨晴[33]的研究结果一致，其中SOC与TN的相关性更强，进一步说明了土壤有机质的含量对氮素在土壤中的存贮和转化过程影响较大。土壤理化性状对土壤C、N、P及生态化学计量起着一定的调控作用，秦海龙等在猫儿山地区研究发现土壤pH和容重对土壤C、N、P及化学计量比呈显著负相关性[31]，本研究也进一步证实了该结论，其原因可能是土壤容重的增加不断压缩土粒间的间隙，导致土壤结构和恶化，使植物根系的生长发育和土壤动物活动受限，从而引起土壤养分的下降；研究区土壤呈碱性，土壤pH朝着中性发展，有利于土壤微生物对有机物质的分解；土壤含水量与土壤C、N、P及化学计量呈显著正相关，与张光德的研究结果一致[34]。

综上所述，不同土地利用方式下土壤C、N、P及生态化学计量数存在差异。相对于其他的土地利用类型，林地和芦苇地SOC、TN含量较高，有利于稳定和增加土壤生产力，提高土壤质量，对于改善区域生态环境质量有积极作用。安新县未来的发展需要加强对裸地的改善利用，进一步扩大退耕还林、还淀，使土地发挥更大的生态功效。此外，以后的研究还需加大样地数量，扩展对不同利用方式下土壤、植株和枯落物C、N、P及生态化学计量特征的研究内容；针对环境因子对土壤C、N、P及化学计量的影响的探究还需考虑如土壤温度、机械组成、土壤酶活性、土壤微生物等其他因素。