Soil Carbon, Nitrogen and Phosphorus Stoichiometry Characteristics under Typical Land Uses in Purple Soil Area

LIANG Ke; HE Binghui

doi:10.13718/j.cnki.xdzk.2022.10.004

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In this study, the effects of different land uses on soil carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) contents and stoichiometry ratios as well as their influencing factors were determined. Soil samples were collected from three representative land uses including forest land, garden, arable land at different soil layers (i.e. 0-5, 5-10, 10-15, 15-20 cm). C content in forest land soil and N content in garden soil were significantly higher than those of in arable land soil at 0-5 cm soil layer (p < 0.05), while the variations of C and N contents were not significant among 5-10, 10-15, 15-20 cm soil layers (p > 0.05). P content was significantly higher in garden soil than in forest and arable land soils across four soil layers (p < 0.05). The average values of soil C∶N, C∶P and N∶P were 10.63, 36.08 and 3.32 in the study area. which are lower than the Chinese and global averages, respectively. C∶N, C∶P and N∶P were significantly higher in forest land soil than in garden soil (p < 0.05) at the 0-5 cm soil layer, and C∶P and N∶P were significantly higher in arable land soil than garden soil at 5-10, 10-15, 15-20 cm soil layers (p < 0.05). C, N and P contents were significantly higher at the 0-5 cm soil layer than those in other three soil layers (p < 0.05), but C∶N, C∶P and N∶P were not significant among all soil layers (p > 0.05) under the same land use. Soil bulk density, pH and soil moisture content were significantly correlated with soil C and N contents (p < 0.05), while electron conductivity and cation exchange capacity were significantly correlated with soil P content, C∶P and N∶P (p < 0.05). The results indicated that the proportion of C, N and P was much more balanced in the forest land than in garden and arable lands. There was significant interaction among soil physical and chemical properties. Nitrogen was the limiting soil nutrient element in the study area.

Corresponding author: HE Binghui

Received Date: 10/01/2022

Available Online: 20/10/2022

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Abstract: In this study, the effects of different land uses on soil carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) contents and stoichiometry ratios as well as their influencing factors were determined. Soil samples were collected from three representative land uses including forest land, garden, arable land at different soil layers (i.e. 0-5, 5-10, 10-15, 15-20 cm). C content in forest land soil and N content in garden soil were significantly higher than those of in arable land soil at 0-5 cm soil layer (p < 0.05), while the variations of C and N contents were not significant among 5-10, 10-15, 15-20 cm soil layers (p > 0.05). P content was significantly higher in garden soil than in forest and arable land soils across four soil layers (p < 0.05). The average values of soil C∶N, C∶P and N∶P were 10.63, 36.08 and 3.32 in the study area. which are lower than the Chinese and global averages, respectively. C∶N, C∶P and N∶P were significantly higher in forest land soil than in garden soil (p < 0.05) at the 0-5 cm soil layer, and C∶P and N∶P were significantly higher in arable land soil than garden soil at 5-10, 10-15, 15-20 cm soil layers (p < 0.05). C, N and P contents were significantly higher at the 0-5 cm soil layer than those in other three soil layers (p < 0.05), but C∶N, C∶P and N∶P were not significant among all soil layers (p > 0.05) under the same land use. Soil bulk density, pH and soil moisture content were significantly correlated with soil C and N contents (p < 0.05), while electron conductivity and cation exchange capacity were significantly correlated with soil P content, C∶P and N∶P (p < 0.05). The results indicated that the proportion of C, N and P was much more balanced in the forest land than in garden and arable lands. There was significant interaction among soil physical and chemical properties. Nitrogen was the limiting soil nutrient element in the study area.

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土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物生长所必需的营养元素，在生态系统的演替过程中起重要作用^[1]. 土地利用是影响土壤C，N，P循环最主要的因素之一^[2]. 不同土地利用方式下植被类型、养分输入、管理措施、侵蚀强度及理化性质等不同，显著改变了土壤环境，进而导致土壤C，N，P质量分数及其生态化学计量比发生改变^[3-6]. 土壤C，N，P生态化学计量影响着植物初级生产力、微生物活动、土壤质量等，是全球生物化学平衡与循环的关键因素^[7-9]. 因此，研究不同土地利用下土壤C，N，P的生态计量特征对揭示土壤C，N，P有效性及其平衡与循环机制具有重大意义^[10].

紫色土是四川盆地一种典型的土壤类型，其矿质养分丰富，肥力较高，农业利用价值很高. 然而，由于降雨丰富，农业生产活动频繁，垦殖率高，紫色土区的水土流失较为严重^[11]. 近年来，为取得较好的水土保持效益，紫色土部分区域实施了耕地转林地、园地等水土流失治理措施^[12-13]. 这些措施改变了土地利用方式，导致土壤C，N，P质量分数及生态化学计量比发生变化，但其变化程度和量级尚未量化^[14-15]. 鉴于此，本研究通过对比分析同一紫色土区坡面3种不同土地利用方式(耕地、园地、林地)下土壤C，N，P质量分数及其生态化学计量比差异，揭示不同土地利用方式对土壤生态化学计量变化的影响特征，为区域土地的合理利用及生态恢复重建提供科学指导.

1. 材料与方法

1.1. 试验区概况

研究地点位于重庆市忠县石宝寨石盘丘小流域(108°10′25″E，30°24′53″N)，其地势南低北高，海拔119~780 m. 该区域气候为典型湿润季风气候，年均降雨量1 100 mm，年均气温为18.5 ℃. 该小流域总面积约0.44 km²，土壤以中性紫色土和水稻土为主，主要土地利用方式为耕地(35.46%)、林地(28.17%)、园地(13.78%). 耕地主要为玉米、油菜轮作，每年施尿素250~350 kg/hm²和标准复混肥300~600 kg/hm²；园地树种为柑橘，每年施标准复混肥500~900 kg/hm²；林地树种主要以马尾松为主，夹杂柏木、栎属和杉木等，无施肥.

1.2. 样品采集与分析

2019年5月分别在3种土地利用方式的(耕地、园地、林地)坡顶、坡中、坡脚各选择3个代表性样地，每个样地面积为10 m×10 m. 按“S”型布设7个采样点，各点均采集0~5，5~10，10~15，15~20 cm土层样品，并将相同土层7个采样点的土壤均匀混合后，用四分法收集1 kg混合土样，装入塑料袋编号后带回实验室备用. 同时，各土层7个采样点均用铝盒和环刀采样，密封后带回实验室测定土壤含水率(SMC)和容质量(BD).

实验室内，将混合土样自然风干后去除砾石、植物等杂物，研磨过筛(1.0 mm)，分成2份. 一份用于测定土壤pH值、电导率(EC)和阳离子交换量(CEC)，另一份进一步筛分(0.25 mm)后用于测定土壤有机碳(C)、全氮(N)和全磷(P)质量分数. 各指标的具体测定方法为：C采用重铬酸钾外加热法，N采用半微量开氏蒸馏法，P采用钼蓝比色法. 土壤含水率(SMC)采用烘干法，土壤容质量(BD)采用环刀法，pH值采用电位法，土壤EC，CEC分别采用电导法、醋酸铵法^[16].

1.3. 数据处理

采用SPSS 18.0软件进行数据处理和分析. 采用单因素方差(One-way ANOVA)和Turkey法比较不同土地利用方式间及相同土地利用方式各土层间土壤C，N，P质量分数及化学计量比的差异性. 采用Pearson系数表征C，N，P质量分数及生态化学计量比与其他土壤性质(SWC，BD，pH值，EC，CEC)之间的相关性. 显著性水平为：p＜0.05为差异有统计学意义，p＜0.01为差异极有统计学意义. 采用Originlab 2018绘图. 本研究中土壤C，N，P的生态化学计量比均为摩尔比.

3. 讨论

3.1. 不同土地利用方式下土壤C，N，P质量分数特征

本研究结果表明，林地与园地C，N质量分数总体上高于耕地，这与罗由林等^[17]研究结果相似. 施肥增加了耕地和园地中土壤C，N输入量，但耕地植被覆盖远低于园地，农业翻耕等活动频繁，破坏了土壤团粒体结构，促进土壤有机质矿化和土壤侵蚀，导致了C，N元素大量流失^{[4, 15, 18]}. 此外，与耕地相比，林地、园地内的植被枯枝落叶能有效增加表层土壤C，N质量分数，加之浅层根系发达，土壤结构良好，有利于土壤C，N固存^[19]. 在本研究中，园地土壤P质量分数显著高于林地、耕地. 这可能是因为一方面园地施肥增加了外源P肥输入，另一方面，相比耕地，园地水土流失程度较轻，减少了土壤P流失.

各土地利用方式下，土壤C，N质量分数随土层深度增加而递减，表层土壤C，N质量分数(0~5 cm)显著高于其他土层，这与杜映妮等^[20]的研究结果相似. 这可能是因为表层土壤易受外界环境因素的影响，植物的枯枝落叶及施肥均为表层土壤提供了充足的C，N源，呈现出表聚性^[21]. 水分垂直运动可使C，N向下层迁移，但在迁移过程中，其扩散能力随土层深度增加而递减，使得下层土壤C，N质量分数增加不明显^[22]. 土壤P在耕地和园地中同土壤C，N一样呈表聚性，而在林地15~20 cm土层中最高. 这可能是因为不同土地利用方式下土壤P的主要来源不同. 在耕地、果园等土壤中，因长期施肥导致了土壤P呈现表聚性，而林地土壤P主要来源于土壤母质风化产物，因此林地15~20 cm土层P质量分数最高^[23-24].

3.2. 不同土地利用方式下土壤C，N，P生态化学计量比特征

本研究中，土壤C∶N值从大到小依次为：耕地(11.33)、林地(10.72)、园地(9.90)，土壤C∶P值从大到小依次为：林地(49.94)、耕地(40.82)、园地(20.02)，土壤N∶P值从大到小依次为：林地(4.48)、耕地(3.54)、园地(2.05)，表明土地利用方式可导致C，N，P生态化学计量变化，这与王维奇等^[25]的研究结果相似. 这可能是因为各土地利用方式下土壤C，N，P的积累与流失机制不同. 一方面，与施肥增加耕地C，N，P输入量相比，林地通过植被反馈积累C，N，P元素，而园地则通过施肥及植被反馈共同积累，不同的输入方式可使土壤C，N，P质量分数呈不同比例增加，而改变它们的生态化学计量比. 另一方面，耕地与林地、园地相比，水土流失更严重^[15]；此外，土壤C，P主要以颗粒态流失，N主要以溶解态流失^[26]，土壤C，N，P不同的流失形态使得土壤C，N，P在不同侵蚀强度下流失比率会不一样，这也使得3种土地利用方式下土壤生态化学计量比产生差异. 因此，导致在3种土地利用方式下耕地土壤C∶N高于林地、园地，林地土壤C∶P，N∶P高于耕地. 本研究中，耕地C∶P，N∶P均大于园地，这可能是因为园地土壤P质量分数较高，且能够更好地固存外源输入性P肥，使得园地C∶P，N∶P较低. 不同土地利用方式下，各土层之间C∶N，C∶P，N∶P差异均无统计学意义，表明各土层间C，N，P的比例变化不大，这与Li等^[27]的研究结果相似.

土壤C，N，P生态化学计量比是衡量C，N，P元素平衡与循环，判断土壤有机物组成及矿化、累积程度的重要指标^[1]. 研究区各土地利用方式土壤平均的C∶N(10.63)，C∶P(36.08)及N∶P(3.32)均低于中国土壤平均值(分别为13.9，154.9，11.3)^[28]及全球土壤平均值(分别为14.3，186.0，13.1)^[29]，表明N为该区域土壤限制元素，这与Li等^[27]结果相似. 这可能是因为相比于C和P，N更易随径流发生淋溶和横向迁移流失. 降雨径流通常优先搬运土壤中N、极少的可溶性C和P、较轻的植物残体和凋落物，而泥沙开始迁移时，土壤C，P才随泥沙开始大量流失^{[15, 30]}.

3.3. 不同土地利用方式下土壤C，N，P质量分数及生态化学计量比的影响因素

土壤BD，pH值与土壤C，N质量分数皆呈极显著负相关，这与张晗等^[31]研究结果一致. 土壤BD反映土壤疏松程度，BD小，土壤下渗及蓄水能力强，有利于植物生长和土壤养分积累^[32]. pH值显著影响土壤微生物及酶的活性进而影响土壤C，N固定和积累能力；pH值减小时，微生物及酶分解活动减弱，有利于土壤C，N贮存^[33]. 土壤SMC与土壤C，N质量分数呈极显著正相关，这与丁小慧等^[34]的研究结果一致. 土壤SMC与土壤养分循环、微生物活动、植物光合生理过程密切相关^[35-36]；较高的土壤SMC厌氧细菌反硝化作用增强，矿化速率降低，固氮能力增强，有利于C，N矿化积累^[37]. 土壤EC，CEC与土壤P质量分数呈极显著正相关，与土壤C∶P，N∶P呈极显著负相关，这与宋佳龄等^[38]研究结果相似. 土壤EC与含盐量呈显著相关关系，常用来表示含盐量的高低^[39]. 本研究中EC对土壤P的固定有促进作用. 酸性紫色土土壤P固定主要通过铝、铁离子^[40]，CEC一定程度上可以代表土壤的固P能力. 当CEC增大时，紫色土中铝、铁离子增多，对磷酸根离子的吸附增强，土壤固P能力变强^{[38, 41]}.

4. 结论

土地利用方式显著影响土壤C，N，P质量分数及其生态计量比. 由于林地、园地和耕地3种土地利用方式C，N，P的积累与流失机制差异，耕地土壤C，N，P质量分数最低，但其C∶N相对最大，而C∶P，N∶P低于林地，高于园地. 各土地利用方式下C，N质量分数和耕地、园地P质量分数均为0~5 cm土层最高，而林地P质量分数15~20 cm土层最高(p＜0.05)；各土层间C∶N，C∶P，N∶P差异也无统计学意义(p＞0.05). 土壤C，N质量分数与土壤BD，pH值及SMC相关性有统计学意义(p＜0.05)，土壤P质量分数，C∶P，N∶P则与EC，CEC相关性有统计学意义(p＜0.05). 研究区各土地利用方式下土壤的N∶P均值小于中国及世界土壤的平均值，表明N为该区土壤限制性营养元素.

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

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