蘇北灘涂圍墾區土壤碳氮磷含量及其生態化學計量特征

朱鳳武，徐彩瑤，濮勵杰，陳一銘，王小涵

（1.江蘇省土地勘測規劃院，江蘇 南京 210024；2.國土資源部海岸帶開發與保護重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023）

1 引言

生態化學計量學是近年來新興的生態學研究領域，是生態學與生物化學、土壤化學研究領域的新方向。目前，碳（C）、氮（N）、磷（P）生態化學計量（C∶N∶P）特征的研究受到國內外學者的廣泛關注，是研究土壤—植物相互作用與碳、氮、磷循環的新思路[1]。Redfield早在1934年關注浮游生物和海水中的有機衍生物，后于1958年刊文表明浮游生物和海水中C∶N∶P均接近106∶16∶1，這一比例被稱為“Redfield 比值（Redfield ratio）”[2-3]。2002年出版的Ecological stoichiometry:The biology of elements from molecules to the biosphere，正式標志著生態化學計量學理論的建立，成為聯系分子水平化學過程與生態系統水平生態過程的有效工具[4]。隨后，許多學者開展了一系列碳氮磷生態化學計量特征研究，試圖分析陸地生態系統中生物和土壤的C∶N∶P是否存在與海洋生態系統相似的規律[5-7]。Cleveland和Liptzin總結了全球土壤碳氮磷的化學計量特征[8]；Tian等研究發現中國整體土壤的C∶N、C∶P、N∶P的平均比值為11.9、61和5.2，C∶N∶P基本在60∶5∶1[9]；張仲勝等分析了中國濕地土壤C∶N、C∶P和N∶P的質量比為15.62、94.92和6.14，高于中國及世界土壤中C∶N、C∶P和N∶P的平均值[10]。土壤C∶N∶P研究可以揭示土壤C、N、P的循環和平衡機制，從而對揭示生態系統過程影響因素及其作用機制，加深對生態系統碳匯潛力及其對氣候變化的響應的認識，具有重要的生態指示作用[11]。

沿海圍墾區處于海陸交錯帶，經歷著以自然景觀為主的自然濕地生態系統演變為以人工景觀為主的人工陸地生態系統的過程，是一個系統平衡被打破后逐漸再重塑的生態敏感區。灘涂濕地的圍墾有助于緩解人地矛盾，促進區域經濟發展，同時會嚴重破壞濱海濕地的生態結構和功能及其生態平衡。江蘇省海岸線綿延954 km，濱海濕地面積約占中國濕地面積的1/4，面積約為9.97×103 km2[12]，是中國集中連片面積最大、生態類型最為齊全且淤長速度最快的灘涂[13]，且每年以較快的速度向外淤長[14]。2009年國務院通過的《江蘇沿海地區發展規劃》計劃到2020年圍墾江蘇沿海濕地面積近1800 km2，主要圍墾區域集中在射陽、大豐、東臺和如東，其中東臺市是圍墾規模最大的區域[15]。高強度、大規模的圍墾活動導致沿海灘涂地區土地利用方式發生劇烈變化，而土地利用方式的改變將打破原有的碳氮磷平衡，從而顯著地影響灘涂濕地生態系統的生物地球化學循環過程。本文以江蘇省東臺圍墾區為例，分析圍墾區土壤C∶N∶P特征變化特征，以期深入理解人類圍墾活動對土壤性質演變過程的影響，這不僅有助于揭示圍墾對土壤性質的影響，也為今后開展圍墾活動影響下土壤碳固定、養分循環等研究以及沿海土地資源的可持續開發利用管理模式的制定提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

江蘇省東臺灘涂圍墾區（32°40′00″—32°52′00″N，120°45′00″—120°57′00″E），位于長江和黃河入?？谥g，擁有豐富的泥沙沉積物來源，屬于亞熱帶海洋性季風氣候，降雨主要集中在6—8月，雨熱同季，四季分明，年均降水量為1051.0 mm，年均氣溫14.6℃。圍墾后土地主要用于農、漁業開發，以及少量林業和工業。耕地主要種植作物有水稻、小麥、大豆、油菜和玉米，采用一年兩季輪作模式。

2.2 樣品采集與測定

基于“時空替代法”，按照圍墾時間序列選擇蹲門墾區（1956年完成圍墾）、長三角墾區（1971年完成圍墾）、新東墾區（1980年完成圍墾）、三倉片墾區（1997年完成圍墾）、梁南墾區和弶東墾區（2009年完成圍墾）、方南墾區（2001年完成圍墾）、條子泥墾區（2013年完成圍墾）7個墾區以及堤外未圍墾的自然灘涂（光灘，CK）為研究對象，土地利用類型包括林地和耕地（大豆—小麥輪作）。野外采樣于2016年1月進行，采樣前后天氣晴朗無雨，在各墾區內不同土地利用類型內選取3個樣點并重復取樣，各樣點去除表層覆被，利用內徑為50 mm的土鉆采集兩個0—100 cm的土柱，按照20 cm間隔進行現場分層切割，兩個土柱同層混合后，分別裝入編號的自封袋中，并記錄土壤剖面狀況及周圍植被狀況。所有土樣經自然風干后過2 mm篩，裝入自封袋保存備用。

土壤全氮（TN）的測定使用CHN-O-Rapid元素分析儀（德國Heraeus公司），精密度CN≤±0.3%。土壤有機碳（TOC）的測定采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化—比色法，土壤全磷（TP）的測定采用濃硫酸—高氯酸消煮，鉬銻抗比色法。

2.3 數據處理與分析

土壤碳氮磷生態化學計量特征包括TOC∶TN（C∶N），TOC∶TP（C∶P）和TN∶TP（N∶P）。借助SPSS 18.0統計軟件對單一要素間進行單因素方差分析，然后對整體結果進行多因素方差分析，利用SNK法（或Games-Howell法，方差非齊性時采用）檢驗比較不同土壤深度、圍墾時間和土地利用方式對土壤TOC、TN和TP及其生態化學計量特征影響的顯著性?；谝话憔€性模型 （General Linear Models，GLM），引入偏Eta平方值（Partial Eta Squared，pη2）來分析圍墾時間、土地利用方式和土壤深度及其交互作用對土壤碳氮磷及其生態化學計量特征變異的貢獻率大小，當1%＜pη2＜6%表示低度影響效應，6%＜pη2＜14%表示中度影響效應，pη2＞14%表示高度影響效應；將pη2轉換為百分率后即為變異貢獻率[16-17]。利用R語言（R version 3.4.0，R Core Team）進行Pearson相關分析。

3 結果與分析

3.1 沿海灘涂圍墾區土壤碳氮磷含量變化特征

圍墾活動影響下土壤TOC和TN逐漸升高且在圍墾后7—15年，土壤TOC和TN增長幅度加大，而TP含量出現下降的趨勢。土壤深度、圍墾年限和土地利用方式均對土壤TOC含量產生極顯著的高度影響效應（P＜0.001），貢獻率分別是63.03%、35.71%和34.69%（表1）。經過60年的圍墾開發，0—100 cm土壤TOC含量由光灘的0.764 g/kg升至3.66 g/kg，其中0—20 cm土壤TOC含量由0.718 g/kg升至8.083 g/kg，且圍墾后45年內40—100 cm土壤TOC仍維持在較低水平。不同土地利用方式下土壤TOC的總體趨勢為林地＞耕地＞草地＞光灘，同一圍墾年限下土壤TOC含量表現為林地高于耕地。

不同土壤深度、圍墾年限和土地利用方式下土壤TN含量均呈現極顯著差異（P＜0.001），三大影響因素的貢獻率分別是63.69%、46.54%和9.6%；圍墾年限和土地利用方式的交互作用具有極顯著的高度影響效應（P＜0.001）（表1）。圍墾60年后，0—100 cm土壤TN含量從光灘的0.152 g/kg增至0.534 g/kg，其中0—20 cm土壤TN含量由0.127 g/kg升至1.052 g/kg。不同土地利用方式下，0—100 cm土壤TN含量排序為林地＞耕地＞草地＞光灘。

土壤TP含量在不同土壤深度下呈現極顯著差異（P＜0.001），且土壤深度對其影響的貢獻率為15.3%，而土地利用方式和圍墾年限對其無顯著影響（P＞0.05），圍墾年限和土地利用方式的交互作用具有高度影響效應（P＜0.05）（表1）。圍墾活動影響下，0—100 cm土壤TP含量呈現小幅度波動變化，由光灘的0.739 g/kg先減后增至最大值（圍墾后35年，0.762 g/kg）最后在圍墾后60年降至最低值0.681 g/kg，其中0—20 cm土壤TP含量也經歷了先增后減的變化趨勢，由0.676 g/kg升至最高值（圍墾45年的耕地土壤，1.044 g/kg）后于圍墾后60年降至0.865 g/kg。

表1 圍墾年限、土地利用方式和土壤深度對土壤碳氮磷及其生態化學計量特征的影響和貢獻率Tab.1 Effects of reclamation year, land use/cover type and soil depth on soil TOC, TN, TP and C∶N∶P

3.2 沿海灘涂圍墾區土壤碳氮磷生態化學計量特征變化

隨著圍墾年限的增加，土壤C∶N呈現波動變化（林地和草地要高于耕地和光灘），但整體相對較為穩定；土壤C∶P和N∶P的變化趨勢相似，隨著圍墾年限的增加而升高。多因素方差分析表明，土壤C∶N受土地利用方式的極顯著影響（P＜0.001），圍墾年限和土壤深度對其產生顯著影響（P＜0.01）；土地利用方式、圍墾年限和土壤深度的貢獻率分別是63.28%、12.23%和11.87%，土壤深度和土地利用方式的交互作用亦具有極顯著的高度影響效應（P＜0.001）（表1）。總體看來，0—100 cm土壤C∶N先升高后降低，在圍墾15年達到最大（均值為7.123），比值總體在6.67左右波動：隨著圍墾年限的增加，土壤C∶N由5.115變為6.225；林地與草地的C∶N值（均值在8左右）高于耕地和光灘的C∶N（均值在5左右），且林地和草地之間差異不顯著（P＞0.05）。光灘和耕地土壤C∶N隨著土壤深度的增加而減少，草地和林地土壤C∶N常表現為20—100 cm高于0—20 cm。0—20 cm土壤C∶N經過60年的圍墾活動由5.581增至7.675。

土壤C∶P受土壤深度、圍墾年限和土地利用方式的高度影響（P＜0.001），三大影響因素的貢獻率分別為55.76%、41.04%和35.27%；土壤深度及圍墾年限和土地利用方式的交互作用亦具有顯著影響效應（P＜0.05），其中土壤深度與土地利用方式的交互效應更大（表1）。隨著圍墾年限的增加，土壤C∶P由1.041升至5.082。不同土地利用方式下土壤C∶P趨勢為林地＞耕地＞草地＞光灘，且隨著土壤深度的增加而減少。0—20 cm土壤C∶P在60年的人類圍墾活動影響下由1.052增至9.440（林地為11.601）。

土壤N∶P受土壤深度、圍墾年限和土地利用方式的影響（P＜0.001），三者的貢獻率分別為55.19%、51.55%和10.64%（表1），圍墾年限和土地利用方式的交互作用有極顯著的高度影響效應（P＜0.001）。隨著圍墾年限的增加，土壤N∶P從0.206增至0.752，不同土地利用方式下的趨勢為林地＞耕地＞草地＞光灘。0—20 cm土壤N∶P在60年的人類圍墾活動影響下由0.188增至1.221。

4 討論與結論

4.1 沿海灘涂圍墾活動對土壤碳氮磷含量的影響

土壤養分元素的來源決定了其影響因素：土壤碳和氮主要來源于植物地上地下凋落物的分解，其含量受植被、氣候、人為活動等影響較大；土壤磷主要來源于巖石風化，其含量大小更大程度上取決于土壤母質，受人為影響較小[18]。在60年的圍墾開發活動影響下，0—100 cm灘涂土壤TOC和TN逐漸升高，這主要是由于人類耕作活動（如秸稈還田、化肥施用等）使得碳氮的輸入量大于流失量。隨著圍墾年限的增加，灘涂表層土壤碳氮含量不斷增加的情況在其他研究者的分析中得到驗證，如江蘇省如東圍墾區耕地土壤[13]、江蘇省東臺圍墾區耕地土壤[19]、西班牙北部的比斯開灣[20]。圍墾活動下0—100 cm土壤TP含量出現輕微下降的總體趨勢，這一結果與高建華等[21]的研究一致，這主要是在小尺度的研究區內，土壤母質可能相同，磷素由于人類擾動加速土壤有機磷的分解并隨著地表徑流而流失，甚至流向光灘，使得光灘TP含量高于圍墾后土壤。同一圍墾年限下林地土壤TOC和TN含量高于耕地，這主要是由于林地內凋落物豐富且人類干擾較小，而人類耕作活動對耕地土壤的擾動使得耕地土壤碳氮損失。此外，有學者針對圍墾活動下土壤質量變化軌跡進行刻畫得出，圍墾60年來土壤質量經歷急劇提高（10年）—相對穩定（10—30年）—持續提高（40—60年）的過程[22]。同時張晶等亦指出圍墾10年是土壤養分變化的轉折點[13]，本文中土壤TOC和TN在圍墾后7—15年增長幅度加大也印證了這一點。

土地利用變化是人類活動在地球表層系統最直接的體現。圍墾年限和土地利用方式是圍墾活動在陸海梯度上的時空表征：隨著圍墾年限的增加，人類活動強度加大，土地利用方式發生著相應的變化；兩者之間密切相關，是引起土壤養分變化的主要因子。土壤深度是影響土壤養分垂直分布的重要因素。本文分析了圍墾年限、土地利用方式以及土壤深度對TOC、TN和TP含量變化的影響及貢獻率表明，土壤深度在灘涂圍墾區的影響最大。土壤深度對碳氮磷儲量的影響適用于多種地貌類型或地理環境，多數養分含量隨著土壤深度的增加而減少[23]，有學者對黃土丘陵區[24]和黃河三角洲區域[25]的研究亦指出，土壤TOC和TN隨著土壤深度的增加而降低，而土壤TP變化較為穩定，與本文結果一致，但人類活動（圍墾年限和土地利用方式）對土壤碳、氮、磷元素的儲量及其循環過程也有著深刻影響。邵學新等[26]和吳明等[27]指出土地利用方式的變化是影響杭州灣濕地土壤TOC的主要原因；許鑫王豪等[28]表明鹽城濱海濕地光灘的TOC為0.69 g/kg，與本文結果接近，其研究還指出，光灘TOC含量明顯低于其他有植被覆蓋的潮灘，且互花米草灘最大（10.34 g/kg），可以看出土地利用與覆被變化對土壤TOC含量產生較大影響。對不同土地利用方式下土壤TOC、TN和TP進行相關分析表明，TOC和TN在各土地利用方式下均表現出極顯著的正相關，Yang等[29]也指出這種關系存在于其他的生態系統和不同的演替階段中；TN與TP以及TOC和TP在耕地和林地下才表現出極顯著的正相關，且相關系數較低，這一點與王維奇等[30]在閩江河口的研究一致。

4.2 沿海灘涂圍墾活動對土壤碳氮磷生態化學計量特征的影響

土壤 C、N、P 三者之間相互平衡、相互制約，土壤C∶N∶P生態化學計量比值差異能反映并影響這種關系。土壤C∶N主要通過影響微生物繁殖和活動來影響有機質分解速率，從而影響土壤C、N循環，是評價土壤質量的重要指標[10]；土壤N∶P可作為N飽和的診斷指標，并被用于確定養分的閾值。微生物需要C∶N約為25∶1的底物來滿足它們的需氮量[18]，且當C∶N在15—25時，有機質供肥狀況優越，C∶N較小時，微生物分解活動能力增強而使土壤有效養分增加[31]。經過60年的圍墾開發，研究區土壤C∶N總體在6.797左右，表明土壤有機質供肥狀況較差，但微生物分解活動能力較強而使土壤有效養分增加。此外，多數情況下，土壤C∶N波動不大，且在不同土壤深度無顯著差異，主要是因為C、N具有極顯著的正相關關系，對環境變化的響應幾乎同步，研究[8，22，29]指出這種關系存在于不同生態系統和演替階段中。同時，光灘和耕地土壤C∶N隨著土壤深度的增加而減少，草地和林地土壤C∶N常表現為20—100 cm高于0—20 cm。研究表明土壤C∶N與有機質分解速率成反比[32]，基于此，本文中光灘和耕地深層土壤具有較高的碳固存能力，而草地和林地表層土壤碳固存高于深層。土壤N∶P和C∶P在不同土壤深度、土地利用方式以及圍墾年限下的變化趨勢較為一致，且均表現為隨著土壤深度的增加而減少，這主要歸因于土壤TOC和TN含量之間的高度協同關系。同一圍墾年限下林地土壤C∶P和N∶P要高于耕地，說明林地土壤更易受到磷素的限制，而耕地常由于人為施肥等耕作管理措施為其提供了更多的磷素來源。

土壤C∶N∶P主要受區域水熱條件和成土作用特征的控制，由于氣候、地貌、植被、母質、年代、土壤動物等土壤形成因子和人類活動的影響，土壤C、N、P總量變化大，使得土壤C∶N∶P的空間變異性較大[32]。本文以土地利用方式和圍墾年限來表征人類活動強度，比較了土地利用方式、圍墾年限和土壤深度之間對土壤C∶N∶P變異的貢獻大小，其中，土地利用方式對土壤C∶N的影響最大，說明C∶N對土地利用變化的響應較敏感。周正虎等[11]對東北溫帶幼齡林的研究指出，N∶P作為土地利用變化的敏感指標要優于C∶N和C∶P，造成這種差異的原因可能是研究區的不同。土壤深度對土壤N∶P和C∶P的影響最大，均超過了55%，主要是因為土壤深度對TOC、TN和TP都產生了最大的影響。本文僅分析了圍墾活動下土壤TOC、TN和TP含量以及C∶N∶P的變化，對影響這一變化的外在因子（如氣候、植被、土壤其他物理化學性質等）均未涉及，為更加深刻揭示這一區域土壤C∶N∶P特征變化機制，后續應結合多種物理、化學和生物因素加以分析。

4.3 結論

（1）人類圍墾活動促進灘涂土壤TOC和TN的積累，對TP的影響較小。在60年的圍墾開發影響下，0—100 cm土壤TOC含量由0.764 g/kg升至3.66 g/kg，TN含量從0.152 g/kg增至0.534 g/kg，TP含量由0.739 g/kg降至0.681 g/kg，而0—20 cm土壤中TOC、TN和TP含量分別從0.718 g/kg、0.127 g/kg和0.676 g/kg升至8.083 g/kg、1.052 g/kg和0.865 g/kg。不同土地利用方式下土壤TOC和TN含量的總體趨勢為林地＞耕地＞草地＞光灘。

（2）經過60年的圍墾活動，0—100 cm灘涂土壤C∶N先升高后降低，總體在6.797左右波動，C∶P由1.041升至5.082，N∶P從0.206增至0.752，0—20 cm土壤C∶N、C∶P和N∶P經過60年的圍墾活動分別由5.581增至7.675，由1.052增至9.440，由0.188增至1.221。不同土地利用方式下土壤C∶N、C∶P和N∶P的總體趨勢為林地＞耕地＞草地＞光灘。

（3）圍墾后60年土壤碳氮含量仍低于全國和全球的平均水平，土壤有機質供肥狀況較差。土壤深度對TOC、TN和TP含量變化的影響及貢獻率高于圍墾年限和土地利用方式；圍墾年限和土地利用方式對土壤TOC和TN含量產生極顯著的高度影響效應，但對TP含量無顯著影響。

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