黔中森林不同土地利用类型土壤养分及计量特征

摘要 为探讨黔中森林公园中不同土地利用类型土壤养分状况及其计量比特征，利用统计学的方法研究黔中地区龙架山国家森林公园内6种土地利用类型的不同土层土壤养分及其生态化学计量比特征。结果表明，研究区土壤SOC和TN随土层深度增加而减少，不同土地利用类型对0～10 cm土层的土壤养分含量影响显著，且耕地、针叶林及针阔混交林SOC和TN含量较高。土壤C/K和C/P受土地利用类型的影响较大，土壤化学计量比特征表明土壤氮素成为该区植物生长的限制性养分。土壤C/N、C/P、C/K主要受SOC控制，P/K主要受到TK含量的影响，N/P和N/K主要由TN控制。研究区森林土壤处于“氮限制”状态，且土壤C、N、P、K间存在较强耦合关系；土壤SOC、TN和TK较TP受土地利用类型的影响明显。

关键词 土地利用类型；土壤养分；化学计量；变化特征

中图分类号 S 153  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）02-0093-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.02.023

Soil Nutrient and Quantitative Characteristics of Different Land Use Types of Forest in Central Guizhou

WANG Deng-chao1，2， ZHANG Meng-meng1，2， AN Jing1，2 et al

（1.School of Geography and Environmental Science， Guizhou Normal University， Guiyang，Guizhou 550025;2.State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province， Guiyang，Guizhou 550001）

Abstract To study the soil nutrient status and its quantitative characteristics of different land use types in the central forest park of Guizhou， soil nutrients and their ecological stoichiometry of six land use types in Longjiashan National Forest Park in central Guizhou were studied by statistical methods. The results showed that soil organic carbon （SOC） and total nitrogen （TN） decreased with the increase of soil depth， and soil nutrient contents in 0-10 cm soil layer were significantly affected by different land use types， and SOC and TN contents were higher in cultivated land， coniferous forest and mixed forest. Soil C/K and C/P were affected by land use types， and the characteristics of soil stoichiometry indicated that soil nitrogen was the limiting nutrient for plant growth in this area. Soil C/N， C/P， C/K were mainly controlled by SOC， P/K were mainly affected by TK content， N/P and N/P were mainly controlled by TN. The forest soil in the study area was in a “nitrogen limited” state， and there was a strong coupling relationship among soil C， N， P， K;soil SOC， TN and TK were more affected by land use type than TP.

Key words Land use type;Soil nutrients;Stoichiometry;Change characteristics

基金项目 贵州师范大学2020年度大学生科研训练计划项目（DK-2020A047）。

作者简介 王登超（2000—），男，贵州遵义人，从事环境生态学研究。

通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事植物生理生态研究。

收稿日期 2022-03-28

森林公园是现代城市建设的重要内容，在承担市民休憩及游玩的同时，还具有净化空气、涵养水源、维持生物多样性和固土保肥等重要生态服务功能［1］。随着城市化进程的快速发展，土地利用类型改变、人为干扰以及交通污染等都会影响森林生态服务功能的稳定［2］，而土壤作为森林生态系统的基本构筑，人为活动的干扰势必对土壤环境造成影响，如土壤板结、微生物活性下降、矿化作用下降等问题［3-4］，因此，探讨人为干扰对森林公园土壤理化性质和养分循环影响，是深入了解森林公园土壤环境的关键一步。生态化学计量学为研究生态环境元素比率和元素平衡提供了科学方法［5-6］。土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）是重要的生命元素，其化学计量关系不仅可以揭示土壤养分的饱和状态，也在生态系统物质循环、元素平衡和生物生存等方面发挥了重要作用［7］。土壤C∶N∶P主要受水热条件和成土特性控制，由于气候、地貌、植被、母岩、成土时间和土壤生物等成土因素和人类活动影响，使土壤C∶N∶P的空间变异性较大［8］。C、N、P及其计量比之间的动态平衡首先影响土壤肥力性质和植物生长发育，进而引起生态系统的变化［9］。可见，不同土地利用类型的土壤C、N、P含量及其计量比可以反映土壤养分状况，有助于揭示地表覆被与土壤养分的相互影响，同时土壤深度显著影响土壤养分，随着土壤深度加深，土壤理化性质亦会存在较大差异。因此，从生态计量学角度揭示不同土地覆被内部C、N、P元素的平衡与循环过程，对于深入认识黔中森林公园生态系统具有重要意义。

近年来，学者们对土壤生态化学计量学进行了探讨。如吴昊等［10］研究发现，海拔梯度对秦岭松栎混交林土壤N、P、K含量及其计量比特征的影响较明显；Hui等［11］研究表明，土壤C、N含量对经度敏感，纬度显著影响土壤P含量、C∶P和N∶P；李培玺等［12］研究认为，pH对C、N、P及其计量比的空间异质性存在较大贡献；李丹维等［13］研究认为，土壤温度对土壤C、N、P化学计量比有重要影响，其次为海拔；王慧等［14］研究表明，土壤C、N、P受地表覆被的影响较大。陶晓等［4］研究城市公园土壤发现，区位、季节和土层三者共同影响土壤碳氮磷含量及其计量学特征。但对森林公园土壤养分、化学计量比及其垂直变异的研究较少。对森林公园不同覆被及其土壤深度对土壤C、N、P、K含量与计量学特征的研究有助于进一步揭示土壤养分的供给能力和不同植物覆被养分循环及垂直分布特征。

该研究以黔中地区龙架山国家森林公园为例，选取6种不同土地利用类型，对其不同深度的土壤C、N、P及其化学计量特征进行探讨，阐明不同土地利用类型土壤养分及其化学计量特征，揭示土壤深度对土壤养分和化学计量的影响规律，探讨黔中公园土壤养分限制现状，为该区土壤质量的维护和森林生态系统的恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黔中地区龙里县龙架山国家森林公园（106°55′15″～107°10′50″E，26°26′50″～ 26°29′45″N），地处苗岭山脉中部，由哨上、干冲和响水3个部分组成，总面积6 101 hm2，海拔1 060～1 386 m。属中亚热带季风气候，年均气温14.8 ℃，极端高温和低温分别为34.2、-9.2 ℃，年降水量达1 000 mm以上，季节分布不均，全年平均相对湿度为79%，气候温暖，雨热充沛。调查区域成土母质以石英砂岩和碳酸盐为主，土壤类型以黄壤和石灰土为主，森林覆盖率84.8%，区内主要包括针叶林、针阔混交林、阔叶林、灌木林、灌草丛等6个植被型。

1.2 样地设置及样本采集

基于黔中龙架山森林公园的遥感影像，并结合实地调查选取6种典型土地利用方式，分别为针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木林、耕地和未利用地。各土地利用类型随机选取3块20 m×20 m典型样地，每个单元坡向与坡度相近，采样单元间至少有100 m缓冲距离。在每个采样单元内按“S”型取样法采样，在去除地表枯落物后用土钻法分别取0～10、10～20、20～40、40～60 cm的土样，各样点同层混合后用四分法取出足够样品，去除杂质带回实验室，经自然风干、研磨和过筛后用于土壤氮磷钾测定。各类样地信息见表1。

1.3 样品分析

土壤养分的测定参考《土壤农化分析》［15］的分析方法，土壤有机碳（SOC）用K2Cr2O7外加热法测定，pH采用酸度计法测定，全氮（TN）用半微量凯氏定氮法测定，全磷（TP）用碱溶-钼锑抗比色法测定，全钾（TK）采用碱溶-火焰分光光度法测定；生态化学计量比采用质量比［16］。

1.4 数据处理

数据经Microsoft Excel 2019整理后，采用SPSS 26.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA）比较各植被类型及土层pH、SOC、TN、TP、TK及其计量比关系，利用Duncan多重比较（Duncan’s multiple range test），用Pearson相关系数法进行相关性检验，利用Canoco 5软件进行冗余分析（RDA），采用Origin软件完成图形制作。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤养分特征

由图1可知，0～10 cm土层SOC含量表现为针叶林（ZY）最高（17.87 g/kg），针阔混交林（ZK）、灌木林（GM）、耕地（GD）、未利用地（WL）依次下降，阔叶林（KY）显著低于其余5种土地利用类型；同种土地利用类型土壤SOC含量均随土层深度的增加而逐渐下降，但阔叶林在20～40与40～60 cm间差异不显著；同一层次土壤SOC含量在不同土地利用类型间差异较大，属中等变异（表2），其中耕地和未利用地SOC含量均显著高于同一层次的阔叶林。TN含量在6种土地利用类型中表现为表层聚集，0～10 cm耕地TN含量最高（1.71 g/kg），阔叶林最低（0.83 g/kg），垂直变化与SOC相近；除阔叶林外，其余5种土地利用类型在土层间差异显著；土壤TN受土地利用类型影响显著，其变化趋势与SOC相近。TP含量土层间的变异较小，随土层深度的增加呈现下降的趋势；土壤同一层次的不同土地利用类型间TP含量变化不一致，且随着土层深度增加而趋于稳定，总体表现为耕地>阔叶林>未利用地>针叶林>灌木林>针阔混交林。

研究区不同土地覆被下不同土层TK的平均含量为1.20～11.05 g/kg，变异系数达61.21%（表2），属中等变异，针叶林、针阔混交林和灌木林为表层聚集，而耕地、阔叶林和未利用地在底层更加聚集，但差异不明显；随土层深度增加呈现逐渐降低或先降低后增加趋势，在0～20 cm土层中，除针叶林和灌木林外，同种覆被不同土层间存在显著差异；耕地的TK含量在同一土层均为最高，除0～10 cm针阔混交林外，均显著高于其他覆被类型。

2.2 不同土地利用类型土壤生态化学计量特征

从图2可以看出，6种土地利用类型土壤C/N随土层深度增加变化规律有所差异。针叶林（ZY）、耕地（GD）、针阔混交林（ZK）、阔叶林（KY）、未利用地（WL）土层间差异显著。除0～10 cm外，其他土层中灌木林（GM）C/N垂直变异较小且显著高于其他类型。相同土层土壤C/N受土地利用类型的影响显著。不同土地利用类型0～60 cm土壤C/P在1.87～41.37（表2），不同土地利用类型对C/P均具有明显影响；阔叶类型在同一层次C/P除高于40～60 cm针阔和针叶类型差异不显著外，均显著低于其他土地利用类型；同种土地利用类型表现为耕地在0～10和20～40 cm土层间、阔叶林和未利用地在20～40和40～60 cm土层间垂直影响不显著外，其余土地利用类型土壤C/P受深度显著影响。