黄土塬区土壤碳氮磷化学计量特征对果园还耕的响应及影响因素

Response Characteristics and Influencing Factors of the Ecological Stoichiometry of Soil Carbon，Nitrogen and Phosphorus to Conversion of Orchards into Farmlands on the Loess Tableland Area

摘要

目的 黄土高原是我国最大的苹果优势产区。近年来，由于苹果树老龄化严重、品种结构单一及粮食市场不稳定等因素，为保障国家粮食安全，黄土高原的老龄化果园改种玉米等粮食作物已成为普遍现象。为研究土壤生态化学计量特征对果园还耕的响应及影响因素。 方法 选取黄土塬区还耕0 a（30 a左右果园）、1 a、3 a和5 a的农田为研究对象，同时选取种植粮食作物的农田（CK）作为对照。测定0~100 cm土层（每10 cm为1层，共10层）土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）质量分数，并计算其生态化学计量特征，同时分析其影响因素。 结果 1）随着还耕年限的增加，果园还耕后0~100 cm土层土壤中的SOC和TN平均值呈先下降再上升的趋势，但土壤中的TP平均值一直处于降低趋势，且均高于CK；土壤中的C∶N无明显变化规律，但C∶P和N∶P逐渐增加，且还耕5 a后农田的C∶P和N∶P平均值均超过CK。2）随着土层深度的增加，不同还耕年限农田土壤中的SOC、TN和TP整体均呈下降趋势，C∶P、N∶P整体呈先增大后减小趋势，而C：N无明显变化规律。3）研究区中土壤颗粒组成是影响土壤SOC、TN和TP及生态化学计量特征的主要因素。 结论 研究结果揭示了不同林龄果园在还耕后土壤C、N、P的变化规律，可为黄土塬区生态环境保护和可持续发展提供重要参考。

Abstract

Objective The Loess Plateau is the largest apple-producing area in China. Due to serious aging of apple trees in recent years， the single variety structure， and the instability of China's grain market， it has become a common phenomenon for orchards to be transformed into farmlands on the Loess Plateau to ensure national food security. In order to study the response characteristics of the ecological stoichiometric ratios to conversion of orchards into farmlands. Methods Farmlands of 0 year （30 years orchard）， 1 year， 3 years and 5 years old was selected as the research objects in this study， with farmlands cultivated with food crops set as the control group （CK）. Soil organic carbon （SOC）， total nitrogen （TN）， and total phosphorus （TP） contents in the soil of 0—100 cm depth （10 cm per layer， a total of 10 layers.） were measured， and their ecological stoichiometric ratios were calculated， and the influencing factors of the ecological stoichiometric ratios were analyzed. Results 1） With the increase of conversion years， the mean values of SOC and TN in 0—100 cm soil after orchards returning showed a trend of decreasing first and then increasing， and were higher than that in CK， but the mean value of TP in soil showed a decreasing trend. There was no significant change in C∶N in soil， but C∶P and N∶P increased gradually， while the mean values of C∶P and N∶P in farmlands after 5 years of tillage were higher than that in CK. 2） With the increase of soil depth， SOC， TN and TP in the soil of orchards with different returning years showed a downward trend as a whole. The C∶P and N∶P generally increased first and then decreased， while C∶N showed no obvious change pattern. 3） The soil particle composition was the main factor affecting soil nutrients and ecological stoichiometric ratios in the study area. Conclusion These results revealed the changed pattern of C， N and P in the soil of orchards of different ages after conversion into farmlands. The results will provide an important reference for ecological environment protection and sustainable development in the loess tableland area.

Graphical abstract

关键词

黄土塬区 / 果园还耕 / 化学计量特征 / 土壤养分 / 土壤颗粒组成

Key words

loess tableland area / converting orchards into farmland / ecological stoichiometry / soil nutrient / soil particle composition

Online（www.cnki.net）:2025-01-20

生态化学计量学是研究多种化学物质在生态过程和生态因素相互作用中平衡的科学，主要研究碳（C）、氮（N）和磷（P）元素的计量关系，以及它们对生态系统功能和生态过程的影响^［1］。土壤是植物赖以生存与修复的重要物质基础，土壤中的C、N和P是生态系统中关键的养分元素，它们参与植物的生长、微生物的代谢、能量转化等重要生态过程^［2］。土壤中的C∶N可以评估土壤中有机质的矿化速度，C∶P可以反映土壤中磷的有效性，N∶P可以反映土壤养分供应水平^［3］。通过研究土壤C、N和P的质量分数、比率和循环过程，可以更好地理解生态系统内养分的循环途径，维持生态系统的养分平衡和稳定性。因此，研究土壤生态化学计量特征的变化对理解土壤生态系统的养分循环十分重要^［4］。

黄土高原地区是典型的生态环境脆弱区，也是我国主要的水土流失地区之一^［5］。水土流失导致土壤中的C、N和P元素大量流失，使该地区土壤生产力大幅下降^［6］。为防止水土流失^［7］，国家于1999年在该地区实施退耕还林（草）工程，使大量的坡耕地转化为林地和草地，然而植被恢复的过程显著影响黄土高原土壤生态化学计量特征的变化。因此，目前针对黄土高原植被恢复下土壤生态化学计量的变化特征进行大量的研究^［8-11］。如胡亚伟等^［8］以晋西黄土区典型人工混交林地、刺槐纯林地、经济林地、农田和荒草地为研究对象，比较4种土地利用方式的土壤理化性质发现，林地的全碳（TC）、全氮（TN）、C∶P和N∶P显著高于农田，最高的是人工混交林地；沙国良等^［9］以黄土高原丘陵区油松、山杏、山杏油松杂交林、沙棘林等典型的退耕还林树种为研究对象，并以天然草地作对照，研究该地区的土壤有机碳（SOC）储量的变化特征发现，退耕还林后，该地区的SOC储量显著增加；海旭莹等^［10］研究发现，黄土高原废弃农田随弃耕还草恢复年限的增加，土壤C、N和P质量分数及N∶P总体上呈增加趋势，C∶N呈降低趋势，表明草地恢复对该地生态具有重要影响；高德新等^［11］以黄土高原3种典型恢复植被（乔木、灌木、草地）和坡耕地为研究对象，研究土壤C、N和P质量分数的区别发现，在植被恢复后土壤的C、N和P明显高于坡耕地的C、N和P，并且C和N相对P增加更多。

苹果由于其经济和生态效益，是黄土高原植被恢复过程中的优势树种之一^［12］。黄土塬区苹果种植始于20世纪80年代，在1999年国家实施退耕还林（草）工程的背景下，苹果种植面积大量扩张，经过近40 a的发展，塬区大量苹果进入老龄化，产量下降，同时为保障国家粮食安全需求，黄土塬区果园被大量转化为农田^［13］。土地利用方式发生变化后，揭示土壤生态化学计量特征对其响应特征对于农田管理具有重要意义，然而目前关于该方面的研究鲜有报道。因此，本文以黄土塬区中老龄化果园（30 a）和老龄化果园转变为不同还耕年限农田为研究对象，旨在分析：1）不同还耕年限农田土壤SOC、TN和TP质量分数及生态化学计量特征的时空变化特征；2）引起土壤SOC、TN和TP及化学计量特征变化的主要影响因子。研究结果可为黄土高原粮食安全和可持续发展提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省长武塬区（35°12′~35°16′N，107°38′~107°58′E）（图1）。该区域是黄土高原典型沟壑地貌，塬面海拔1 215~1 225 m，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年降水量580 mm，主要集中在7—9月，占年总降水量的1/2。年平均气温9.1 ℃，无霜期171 d，地下水位50~80 m。该地带性土壤以黑垆土为主，其母质中富含中壤质马兰黄土，土壤结构疏松，透气性强，具备较强的储水能力。主要土地利用类型为农田和果园，二者主要依赖于自然降雨，缺乏人工灌溉设施^［14］，属于典型的旱作雨养农业区。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与分析

为避免地形、地貌等因素对试验结果的影响，采样点均位于平坦的塬面，且水平间距较小。由于长武塬区砍伐果园的林龄一般为30 a（访问当地农户得知），故本研究选取塬区内林龄30 a（衰老期）的苹果园和转化的农田作为研究对象，即果园（还耕0 a）、还耕1 a、还耕3 a和还耕5 a的农田，同时选取种植粮食作物的农田（CK）作为对照，不同还耕农田管理措施一致。每个样地布设的样方面积为20 m×20 m，在每个研究样地内使用人工土钻沿“S”形选取5个点采样，采样深度0~100 cm，采样间隔10 cm，并将5个点按每层分别混合成1个样品，共150个土壤样品。使用塑封袋采集扰动土，同时采用环刀采集各土层的原状土测定土壤体积质量，用铝盒采集各土层鲜土测定土壤水分^［15］。

将采集好的土壤样品放置于阴凉干燥处，自然风干后研磨，采用四分法取适量土壤样品，过2、0.25 mm筛备用。土壤水分采用烘干法（105 ℃，10 h）测定；土壤体积质量采用环刀法（105 ℃，10 h）测定；土壤颗粒组成采用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000，英国）测定，根据国际制土壤粒径分为土壤黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.02~0.002 mm）和砂粒（2~0.02 mm）；土壤pH采用电位法（水∶土=2.5∶1）测定；土壤SOC采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；土壤TN采用凯氏定氮法测定；土壤TP采用钼锑抗分光光度法测定^［16］。

1.2.2　分析方法　1）土壤样品中水分质量分数计算公式为：

\mathrm{土壤}\mathrm{水分}\mathrm{质量}\mathrm{分数}=\frac{(m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{2}})}{(m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{0}})}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中：m₀为烘干后空铝盒重量，g；m₁为烘干前铝盒及土样重量，g；m₂为烘干后铝盒及土样重量，g。

2）土壤样品的体积质量（ρ，g/cm³）计算公式为：

\rho =\frac{(m_{\mathrm{2}}-m_{\mathrm{1}})\times \mathrm{1}\mathrm{000}}{V\times (\mathrm{1}\mathrm{000}+W)}（2）

式中：m₁为环刀质量，g；m₂为环刀及湿土质量，g；V为环刀容积，cm³；W为土壤质量分数，g/kg。

3）差值变化率（%）可反映果园还耕后土壤养分质量分数及生态化学计量比相对于CK的变化程度，计算公式为：

\mathrm{差值}\mathrm{变化}\mathrm{率}=\frac{X_{\mathrm{1}}-X_{\mathrm{2}}}{X_{\mathrm{2}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

式中：X₁为果园还耕后的养分质量分数及生态化学计量比；X₂为CK的养分质量分数及生态化学计量比。

1.3 数据统计

运用Excel 2021软件对数据进行基本描述性统计分析（平均值、最大值、最小值等），利用SPSS 22.0软件对不同还耕年限农田土壤的各种理化因子间的差异性进行单因素方差分析（ANOVA），利用Canoco 5软件进行冗余分析，运用Origin 2021软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同还耕年限农田土壤基本理化性质

由表1知，随着还耕年限的增加，果园还耕后农田0~100 cm土壤粉粒的平均质量分数呈增加趋势，而砂粒平均质量分数呈减小趋势，黏粒无明显规律。不同还耕年限农田的黏粒质量分数的平均值均小于纯农田（CK），而砂粒质量分数平均值大于CK。不同还耕年限农田的体积质量均值变化幅度较小，无明显趋势，但均大于CK，且与CK差异显著（p<0.05）。与体积质量类似，不同还耕年限农田土壤的体积分数和pH平均值无明显规律，但体积分数与CK无显著性差异（p>0.05），pH与CK差异显著（p<0.05）。

2.2 不同还耕年限农田土壤碳氮磷特征

由表1可知，不同还耕年限农田和CK在0~100 cm土层SOC平均值分别为12.23 （0 a）、11.15 （1 a）、10.81（3 a）、11.16 （5 a）和10.53 g/kg（CK）；TN的平均值分别为0.90 （0 a）、0.79 （1 a）、0.76 （3 a）、0.83 （5 a）、0.75 g/kg（CK）；TP的平均值分别为1.03 （0 a）、0.81 （1 a）、0.68 （3 a）、0.67 （5 a）、0.60 g/kg（CK）。整体上随着还耕年限的增加，土壤中TN平均值呈先降低再增加趋势，TP平均值逐渐降低。

随着土层深度的增加，不同还耕年限和CK土壤中的SOC、TN和TP质量分数整体上均呈下降趋势（图2a~图2c）。同时，相较于CK，在60~100 cm土层的土壤SOC、TN和TP的质量分数变化幅度较小（图2d~图2f）。

2.3 不同还耕年限农田土壤生态化学计量特征

由图3a~图3c可知，不同还耕年限农田和CK在0~100 cm土层中的C∶N的平均值分别为13.60（0 a）、14.36（1 a）、14.40（3 a）、13.42（5 a）和14.08（CK）；C∶P的平均值分别为14.46（0 a）、15.21（1 a）、17.13（3 a）、17.63（5 a）和17.22（CK）；N∶P的平均值分别为1.08（0 a）、1.06（1 a）、1.19（3 a）、1.28（5 a）和1.25（CK）。整体上，随着还耕年限的增加，C∶P和N∶P逐渐增加，且二者平均值在还耕5 a后超过CK；随土层深度的增加，不同的还耕年限果园的C∶P、N∶P整体呈先增大后减小的趋势，而C∶N无明显的变化规律。相较于CK，在0~60 cm土层C∶P和N∶P均下降，而60 cm以后的变化幅度较小（图3d~图3f）。

2.4 不同还耕年限农田碳氮磷化学计量特征变化的影响因素

由图4可知，SOC、TN、TP均与砂粒呈极显著正相关（p<0.01），与黏粒呈极显著负相关（p<0.01）。TN和TP与体积分数呈极显著正相关（p<0.01），C∶N与C∶P呈极显著正相关（p<0.01），C∶N与体积分数呈极显著负相关（p<0.01），C∶P、N∶P均与黏粒呈极显著正相关（p<0.01），与砂粒、pH均呈现极显著负相关（p<0.01）。

为进一步分析其影响因素，从土层深度和还耕年限2个维度对土壤理化因子与土壤生态化学计量特征进行冗余分析。对不同土层深度（图5），在0~10 cm土层，Ⅰ轴的解释量为63.9%，Ⅱ轴的解释量为11.5%，土壤体积质量是主要的影响因素；在10~20 cm土层，Ⅰ轴的解释量为70.6%，Ⅱ轴的解释量为17.7%，土壤中的黏粒和砂粒成为影响土壤碳氮磷及生态化学计量变化的主要因素；在20~40 cm土层，Ⅰ轴的解释量为27.1%，Ⅱ轴的解释量为4.1%，砂粒占比为主要影响因素；在40~60 cm土层，Ⅰ轴的解释量为46.1%，Ⅱ轴的解释量为3.3%，砂砾占比为主要影响因素；在60~100 cm土层，Ⅰ轴的解释量为5.3%，Ⅱ轴的解释量为3.3%，土壤体积质量是主要的影响因素，但无显著相关性。可能是由于60~100 cm土层不同还耕年限土壤碳氮磷及化学计量变化率差异较小（图2d~图2f和图3d~图3f）。

不同还耕年限方向（图6），在果园还耕0 a的土壤中，土壤性质在Ⅰ轴的解释量为47.6%，Ⅱ轴的解释量为14.6%，黏粒占比为主要的影响因素；在果园还耕1 a的土壤中，土壤性质在Ⅰ轴的解释量为47.1%，Ⅱ轴的解释量为2.1%，黏粒占比为主要的影响因素；在果园还耕3 a的土壤中，土壤性质在Ⅰ轴的解释量为40.0%，Ⅱ轴的解释量为5.7%，砂粒占比为主要的影响因素；在果园还耕5 a的土壤中，土壤性质在Ⅰ轴的解释量为16.6%，Ⅱ轴的解释量为3.5%，砂砾占比为主要的影响因素。

3 讨 论

3.1 不同还耕年限农田土壤碳氮磷的变化特征

土壤中的C、N和P受到物质输入和输出平衡的调节，同时受植被类型、土地利用方式和其他环境因素的影响^［17］。本研究得出，果园转化为农田后（0 a）土壤TN和TP发生显著变化（p<0.05，表1），与海旭莹等^［10］得出不同土地利用方式对土壤养分有显著影响的结果类似。本研究还得出，随着还耕年限的增加，土壤中的SOC、TN呈先降低再增加，TP呈逐渐下降的趋势（图2）。一方面，由于果树根系可以分泌黏液和糖类等物质，增加土壤颗粒的结合强度，将土壤中细小的颗粒物聚集，促进土壤养分的堆积^［18］；另一方面，由于大量施肥，果园的SOC、TN和TP处于较高水平，当老龄化果树还耕后，土壤中原有的养分被新种植的农作物消耗，同时还受到人为干扰因素（如翻耕、松土等）的影响，使还耕初期土壤SOC、TN和TP持续下降^［19］。到还耕5 a，土壤中的SOC、TN又呈上升趋势，可能与果树根系的腐烂有关。根据调研结果^［20］显示，苹果在砍伐时仅去除地上部分，根系继续留在土壤中，随着时间的推移，果树根系逐渐腐烂并释放出大量的养分，从而提高土壤SOC和TN。但相对于SOC和TN元素，TP在土壤中的循环速度较慢，磷的释放和吸收通常需要更长的时间^［21］。因此，TP未及时得到恢复，而是保持持续下降的趋势。果园还耕后农田中的SOC、TN和TP平均值均高于CK（表1），可能是由于果蔬与经济作物的种植方式不同，前者的施肥量显著高于后者^［22-23］，果园在种植期间投入更多的养分，而还耕后较高的养分水平滞留在土壤中，导致还耕后土壤SOC、TN和TP仍高于CK。

随土层深度的增加，土壤中的SOC、TN、TP整体呈下降趋势（图2），主要是由于施肥、秸秆、枯落物等主要集中在土壤表层，同时表层土壤具有更活跃的微生物参与有机质的分解和养分的循环，因此，表层土壤具有较高的SOC、TN和TP质量分数^［24］。随着土层深度的增加，生物活动逐渐减少，导致深层土壤中的SOC、TN和TP质量分数相对较低。

3.2 不同还耕年限农田土壤生态化学计量特征变化

C∶N可评估土壤中有机质的矿化速度^［25］，随还耕年限的增加，土壤中C∶N平均值无显著差异性（p>0.05），且随土层深度的增加，C∶N也无明显的变化规律（图3），与朱秋莲等^［26］的研究结果一致。是因为土壤中的C和N元素具有极显著的正相关关系，且可同时对环境变化作出响应^［27］，导致不同还耕年限和不同深度C∶N均无显著性差异。

土壤C∶P反映土壤环境中吸收和固定磷元素的潜力，可指示磷的有效性，较低的C∶P说明土壤P有效性较高^［21］；N∶P可反映植被生长受N和P营养元素限制情况的程度^［28］。随着还耕年限的增加，C∶P和N∶P平均值逐渐增加，是由于随还耕年限的增加，土壤中的TP逐渐下降，SOC和TN先降低再增加，但SOC和TN的减小趋势远小于TP（图3），使C∶P、N∶P呈逐渐增加趋势。表明随着还耕年限的增加，土壤中P逐渐匮乏且有效性逐渐降低。

研究^［25］表明，较高的C∶N预示着较低的土壤矿化和腐殖化速率。本研究得出，不同还耕年限农田土壤及CK的C∶N平均值均高于中国土壤C∶N平均值（13.33）^［29］，因此，该地区的土壤矿化速度较慢，土壤中的C处于积累趋势。研究^［30］表明，当土壤N∶P<10时，植被的生长发育受到N限制。本研究中不同还耕年限农田土壤及CK的N∶P平均值均远低于全球（13.10）和全国水平（9.3）^［29］，同时还耕后农田土壤及CK中的质量分数平均值也均低于全国平均土壤中氮（1.88 g/kg）^［31］，因此，该地区土壤中可能也存在一定程度的氮缺乏现象，可以适当增加氮肥施用量。

3.3 不同还耕年限农田土壤生态化学计量特征的影响因素

本研究得出，不同还耕年限农田的TN和TP均与水分体积分数呈极显著正相关（p<0.01，图4），充足的水分体积分数能使土壤中的微生物保持相对活跃的状态，更积极地将土壤中的枯落物、根系等有机物质分解转化为养分^［32］，导致土壤中TN和TP上升，因此，土壤中的TN和TP与水分体积分数呈正相关。本研究得出，SOC、TN与pH呈负相关（图4），与梁国华等^［31］的研究结果一致，较低的pH通常与更酸性的土壤环境相关。当土壤处于较酸性条件时，土壤微生物生物量碳氮质量分数降低，导致土壤微生物活性受到抑制，从而抑制土壤中有机物的矿化和分解，导致土壤中的C、N积累。本研究还得出，不同还耕年限农田的SOC、TN和TP均与砂粒呈极显著正相关（p<0.01），与黏粒呈极显著负相关（p<0.01）（图4）。有研究^{［29，33］}得出，土壤SOC、TN和TP与土壤黏粒呈正相关，与本文结果不同，是由于本文在研究过程中纳入土层深度作为自变量。表层土壤中的黏粒和粉粒等细颗粒物易受雨水渗透而流失^［34］，且也随水分向土层深处迁移，而砂粒粒径较大，易滞留于表层土壤中。本研究中的老龄化果园改种粮食作物后，由于苹果根系腐烂形成根孔，增大入渗速率，使土壤水分迅速恢复^［20］，从而加速黏粒和粉粒等细小颗粒物向土层深处迁移。因此，随土层深度的增加，土壤中的黏粒和粉粒呈增加趋势，而砂粒呈减小趋势，土壤SOC、TN和TP也随土层深度增加呈减小趋势（图2）。因此，土壤中的SOC、TN和TP与砂粒呈正相关。

冗余分析结果（图5，图6）表明，从还耕年限和土层深度2个维度，除0~10 cm外，其他影响土壤碳、氮、磷及化学计量比变化的主要因素是土壤颗粒组成。一方面，土壤颗粒的大小、表面特性及其对有机质的吸附能力等因素，使其对土壤中碳、氮、磷等元素的存储、释放和循环过程具有重要影响^［35］；另一方面，果园被砍伐后，在2 a时间内0~8 m土壤水分迅速恢复^［20］，造成土壤颗粒组成的垂直迁移，导致土壤颗粒成为主要影响因素。

4 结 论

1）果园转化为农田后不同还耕年限的C∶N无明显变化，而C∶P和N∶P随还耕年限的增加而增加，表明随着还耕年限的增加，土壤中磷逐渐匮乏且有效性逐渐降低。

2）不同还耕年限农田土壤中的TN质量分数与N∶P均低于全国及全球水平，表明该地区土壤中可能存在一定程度的氮缺乏现象。

3）冗余分析结果表明，土壤颗粒组成是影响还耕后土壤中SOC、TN、TP及生态化学计量特征变化的主要因素。因此，在未来对于果园还耕较长的农田应注意及时补充磷肥和氮肥。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42307412)

国家自然科学基金项目(42377316)

自然资源要素耦合过程与效应重点实验室开放基金项目(2022KFKTC019)