東北旱作區(qū)土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征及其影響因素

卓志清 李 勇 興 安 曹 夢 黃元仿,2 趙云澤

(1.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 北京 100193； 2.自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室， 北京 100193)

0 引言

生態(tài)化學計量學(Ecological stoichiometry)已經(jīng)成為研究生態(tài)系統(tǒng)各組分主要構(gòu)成元素平衡及耦合關(guān)系的重要方法，在生物地球化學循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等研究領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用[1-2]。土壤作為陸生生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)，是諸多生態(tài)過程的載體，對植物的生長起到關(guān)鍵作用，并直接影響植物群落的組成、穩(wěn)定和演替[3-5]；而土壤碳、氮、磷等元素不僅是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，同時也是植物生長所必需的元素，直接影響土壤微生物動態(tài)、凋落物分解以及土壤養(yǎng)分的積累與循環(huán)[6-8]。由于土壤中的養(yǎng)分元素在生態(tài)過程中既相互獨立又互相耦合，僅分析養(yǎng)分元素本身的變化難以闡明生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分的整體變異特征，必須深入分析各養(yǎng)分元素之間的比例關(guān)系[9-10]。因此，研究土壤養(yǎng)分的生態(tài)化學計量特征對了解土壤質(zhì)量、揭示土壤養(yǎng)分之間的耦合關(guān)系和平衡機制具有重要意義。

目前，關(guān)于生態(tài)化學計量學的報道主要集中于陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)。土壤C/N能用于預測森林土壤硝態(tài)氮淋溶程度，土壤N/P還能反映植被受干擾程度[11]。在退化草地生態(tài)系統(tǒng)和喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)的研究中表明，SOC含量和N含量對區(qū)域土壤C、N、P化學計量特征變化過程具有決定作用[12-13]。此外，在不同類型濕地生態(tài)系統(tǒng)中，濕地土壤C/N、C/P和N/P均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減少[14-15]；在閩江河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究中還發(fā)現(xiàn)，濕地土壤C/P和N/P對厭氧碳分解具有較好指示作用[16]。針對森林、草地、濕地等陸生生態(tài)系統(tǒng)，土壤與植物的生態(tài)交互作用以及土壤碳氮磷生態(tài)化學計量學特征已經(jīng)進行了廣泛研究[17-19]，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征對農(nóng)作物生長及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能同樣具有重要影響[20-21]。研究農(nóng)田土壤碳氮磷生態(tài)化學計量學特征，可揭示土壤養(yǎng)分的可獲得性，有助于闡明農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤質(zhì)量演變趨勢[22-23]。由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮、磷受成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用類型以及耕作施肥等因素的綜合影響，與其他陸地生態(tài)系統(tǒng)相比，其空間異質(zhì)性更為明顯[24-26]。已有研究在田塊、綠洲和小流域等不同尺度，采用相關(guān)分析、方差分析和地理加權(quán)回歸等方法，分析了耕作措施、環(huán)境因子以及土壤理化性狀對農(nóng)田土壤生態(tài)化學計量特征的影響[23,27]。而在較大地理空間尺度上，針對旱作農(nóng)田土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征、影響因素及其在區(qū)域物質(zhì)循環(huán)中的作用還需進一步探討。本文以東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷元素為研究對象，分析區(qū)域尺度下土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征的空間格局，并運用冗余分析(Redundancy analysis, RDA)研究其與環(huán)境及土壤理化因子的關(guān)系，以期為旱作農(nóng)田土壤養(yǎng)分的科學管理和分區(qū)耕作培肥提供技術(shù)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

基于2015年黑龍江省、吉林省和遼寧省的1 km2網(wǎng)格土地利用現(xiàn)狀圖，根據(jù)有關(guān)坡度分級標準，將地形坡度小于5°、1 km2網(wǎng)格內(nèi)旱地占耕地面積40%以上的區(qū)域作為旱作區(qū)[28]。區(qū)域涵蓋黑龍江省、吉林省和遼寧省各自的46、19、20個縣(市)，涉及縣級行政單元總面積約2.956×105km2。區(qū)域多年平均日照時數(shù)2 400～2 700 h，大于等于10℃積溫2 000～3 400℃。黑龍江東、北部和吉林東部等半濕潤易旱區(qū)年降水量500～600 mm，土壤類型以黑土、白漿土和草甸土為主；黑龍江省、吉林省和遼寧省西部等半干旱區(qū)和半干旱偏濕潤區(qū)年降水量350～500 mm，土壤類型主要為黑鈣土、棕壤和鹽漬土。研究區(qū)地貌屬于山麓沖積平原及臺地，耕地破碎度較小且耕作條件良好，主要種植玉米、小麥等糧食作物和大豆、甜菜等經(jīng)濟作物，是我國北方重要旱作作物種植區(qū)及商品糧基地(圖1)。

圖1 東北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)分布圖Fig.1 Distribution map of dry farming region of Northeast China

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

利用ArcGIS 10.3軟件提取2015年土地利用類型現(xiàn)狀圖中的旱地斑塊(含水澆地)，將所提取數(shù)據(jù)和研究區(qū)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)疊置，獲得空間屬性數(shù)據(jù)。在研究區(qū)以15 km×15 km網(wǎng)格布點并抽取旱地斑塊(含水澆地)，結(jié)合土壤亞類進行分層抽樣，抽樣時考慮種植體系、分布面積和集中程度等因素，主要在黑土、黑鈣土、棕壤、潮土、暗潮土等土類布設，保證每個土壤亞類均有樣點分布。根據(jù)上述樣點布設和抽樣規(guī)則共確定132個采樣點，其中黑土采樣點35個；黑鈣土采樣點33個；棕壤、暗棕壤采樣點18個；潮土、暗潮土采樣點36個，其余土類采樣點共計10個。土樣采于2017年5—6月，兼顧樣點空間分布的均勻性和代表性，采集表層土壤(0～20 cm)樣品，每個點設3個重復并充分混勻，按四分法取1 kg土樣入袋；采用環(huán)刀法取原狀土測定土壤容重及含水率，并用GPS記錄樣點經(jīng)緯度。土壤樣品經(jīng)自然風干后，研磨過篩，用于分析土壤理化性質(zhì)，包括土壤有機碳(Soil organic carbon, SOC)、全氮(Total nitrogen, TN)、全磷(Total phosphorus, TP)含量及電導率(Electrical conductivity, EC)。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法[29]，全氮、全磷含量應用流動分析儀測定，土壤電導率采用電極法，pH值采用電位法，土壤顆粒組成采用激光粒度儀測定，土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)和氮磷比(N/P)均采用質(zhì)量比。研究區(qū)糧食作物產(chǎn)量、化肥施用量等數(shù)據(jù)源于2015年東北各省統(tǒng)計年鑒，為消除因行政區(qū)劃調(diào)整對數(shù)據(jù)分析造成的影響，本文以研究區(qū)2015年行政區(qū)劃為準。

1.3 研究方法

1.3.1半變異函數(shù)

利用半變異函數(shù)能夠分析東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷及生態(tài)化學計量比在空間上的變異特征，并可以區(qū)分結(jié)構(gòu)因素與隨機因素對其空間變異特征的影響。通過半變異函數(shù)得到塊金值、基臺值和變程3個重要參數(shù)，分別用C0、C0+C和a表示[30]。塊金值和基臺值的比值C0/(C0+C)為塊金系數(shù)，可反映參數(shù)的空間自相關(guān)程度及隨機因素對總變異貢獻的大小。當塊金系數(shù)小于25%時，表明有強的空間相關(guān)性，變異性主要受結(jié)構(gòu)性因素(氣溫、降水等)影響；當塊金系數(shù)在25%～75%之間時，表明有中等程度空間相關(guān)性，變異性受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素(土壤性質(zhì)、施肥和種植制度等)共同作用；當塊金系數(shù)大于75%時，表明空間相關(guān)性較弱，變異性主要受隨機因素影響[31]。

1.3.2全局空間自相關(guān)

全局莫蘭指數(shù)(Moran’sI)能夠識別空間要素或其屬性值整體的空間自相關(guān)性。本研究基于ArcGIS 10.3軟件平臺，運用全局Moran’sI計算研究區(qū)土壤SOC、TN、TP含量的空間自相關(guān)程度。全局Moran’sI的取值介于[-1,1]，在給定顯著性水平下，若Moran’sI大于0，表明存在正的空間自相關(guān)，土壤SOC、TN、TP含量呈現(xiàn)空間聚合特征；若Moran’sI小于0，表明存在負的空間自相關(guān)，土壤SOC、TN、TP含量呈現(xiàn)空間離散特征。當Moran’sI的標準化值|Z|>1.96(P<0.05)時，表明研究區(qū)土壤SOC、TN、TP含量存在顯著的空間自相關(guān)性[18]。

1.3.3冗余分析

采用CANOCO 5.0軟件對研究區(qū)土壤生態(tài)化學計量特征與環(huán)境因子及土壤屬性的關(guān)系進行冗余分析。在冗余分析所需的兩個數(shù)據(jù)矩陣中，將土壤SOC、TN、TP含量和C/N、C/P、N/P作為一個數(shù)據(jù)矩陣；將環(huán)境因子與土壤屬性作為一個數(shù)據(jù)矩陣，主要包括平均氣溫(Mean temperature, MET)、濕度(Humidity, Hum)、年降水量(Annual precipitation, APR)、緯度(Latitude, Lat)、經(jīng)度(Longitude, Lon)、土壤容重(Bulk density, BD)、含水率(Soil water content, SWC)、電導率、pH值、粉粒(Silt)含量和粘粒(Clay)含量共11個指標。分析結(jié)果采用Cano Draw作圖，并通過前向選擇對土壤因子重要性進行排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量統(tǒng)計特征

參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，研究區(qū)土壤SOC、TN、TP含量的平均值均處于3級水平。土壤SOC、TN含量的平均值由大到小均為黑龍江省、吉林省、遼寧省，且黑龍江省顯著高于吉林省和遼寧省旱作區(qū)(P<0.05)；而土壤TP含量的平均值由大到小為黑龍江省、遼寧省、吉林省(表1)。除黑龍江省旱作區(qū)外，吉林省、遼寧省旱作區(qū)土壤SOC、TN、TP的含量均低于我國農(nóng)田土壤(0～10 cm)SOC、TN、TP含量的平均值[32]。黑龍江省、吉林省和遼寧省旱作區(qū)土壤C/N的平均值由大到小為黑龍江省、吉林省、遼寧省，且黑龍江省顯著高于吉林省和遼寧省(P<0.05)；而土壤N/P的平均值由大到小為吉林省、黑龍江省、遼寧省，但彼此間差異不顯著(P>0.05)。除黑龍江省旱作區(qū)土壤C/N略高于全國農(nóng)田土壤平均值外，吉林省和遼寧省旱作區(qū)土壤C/N、C/P和N/P均低于全國農(nóng)田土壤的平均值。

表1 東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量特征描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistics of soil C, N and P and eco-stoichiometric ratio in dry farming region of Northeast China

注:同列不同小寫字母表示土壤生態(tài)化學計量特征指標在不同地區(qū)之間的差異顯著(P<0.05)，下同。

土壤有機氮占全氮含量的95%以上，而有機氮主要在土壤有機物結(jié)構(gòu)中結(jié)合，因此二者關(guān)系變化密切[1,3]。對研究區(qū)土壤SOC、TN、TP含量進行相關(guān)性分析(圖2)，結(jié)果顯示SOC、TN、TP三者之間均存在顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。 SOC和TN含量之間擬合程度較好，決定系數(shù)R2為0.86，TN和TP之間、SOC和TP之間的線性擬合程度相對較低，決定系數(shù)R2分別為0.44和0.48。

圖2 東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷含量的關(guān)系Fig.2 Correlation of soil C, N, and P in dry farming region of Northeast China

2.2 土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量比空間變異

東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量比的半變異函數(shù)模型及全局Moran’sI統(tǒng)計量見表2。經(jīng)K-S檢驗發(fā)現(xiàn)，C/P符合正態(tài)分布，SOC、TN、TP含量和C/N、N/P均符合對數(shù)正態(tài)分布。研究區(qū)土壤SOC、TN、TP含量及C/N、C/P、N/P的Moran’sI均為正值，表明其呈現(xiàn)空間聚合特征，但彼此間的聚合程度存在一定差異。土壤SOC、TN、TP含量及C/N、C/P的Moran’sI標準化Z值均大于顯著性檢驗的臨界值2.56(P<0.01)，表明C/N和C/P在研究區(qū)存在較明顯的空間自相關(guān)性，即高值點周圍樣點相應值高，低值點周圍樣點相應值低；而N/P雖然呈現(xiàn)集聚特征，但空間自相關(guān)性并不顯著。

表2 東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量比半變異函數(shù)模型及全局Moran’s ITab.2 Oretical models for anisotropic semivariograms of soil C, N and P and eco-stoichiometric ratio and their global Moran’s I

圖3 東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量特征空間分布圖Fig.3 Spatial distribution maps of soil C, N and P and eco-stoichiometric ratio in dry farming region of Northeast China

基于最優(yōu)半變異函數(shù)模型及全局空間自相關(guān)分析，對東北旱作區(qū)土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量比進行克里金插值。獨立驗證結(jié)果表明(表3)，SOC、TN、TP含量和C/N、C/P、N/P的實測值與預測值呈顯著相關(guān)(P<0.05)，且平均誤差(ME) 趨近于0，均方根誤差(RMSE)較小。可見利用克里格插值法的空間插值結(jié)果相對可靠。從圖3可知，東北旱作區(qū)土壤SOC、TN、TP含量均呈現(xiàn)由西南向東北遞增的趨勢，空間變化具有一致性。高值區(qū)主要分布在小興安嶺南麓、東北平原北部及三江平原地區(qū)，低值區(qū)則主要集中在吉林省和遼寧省旱作區(qū)的西部平原區(qū)。研究區(qū)土壤C/N、C/P呈現(xiàn)相同的空間分布特征，高值區(qū)呈斑塊狀散布于東北平原北部及三江平原南部，低值區(qū)在吉林省和遼寧省旱作區(qū)連片分布；而土壤N/P的高值區(qū)在東北旱作區(qū)西北部大面積分布，低值區(qū)則呈斑塊狀零散分布于黑龍江省旱作區(qū)東部和吉林省、遼寧省旱作區(qū)的南部。

表3 插值結(jié)果的精度統(tǒng)計檢驗Tab.3 Precision statistics verification of interpolation

注：** 、*分別表示0.01、0.05水平(雙側(cè))相關(guān)；樣本數(shù)為131, 下同。

2.3 土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量比的影響因素

2.3.1化肥施用量及糧食產(chǎn)量的影響

為探討施肥強度與土地利用強度對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征的影響，依照全國生態(tài)縣、市、省建設指標和全國耕地類型區(qū)等級劃分標準，將東北旱作區(qū)各縣域單位劃分為化肥施用高強度區(qū)(350～450 kg/hm2)、中強度區(qū)(250～350 kg/hm2)、低強度區(qū)(0～250 kg/hm2)以及糧食高產(chǎn)區(qū)(>6 000 kg/hm2)、中產(chǎn)區(qū)(4 500～6 000 kg/hm2)、低產(chǎn)區(qū)(0～4 500 kg/hm2)，并應用ArcGIS柵格計算將縣域糧食產(chǎn)量和化肥施用強度劃分為7個類型區(qū)(圖4)。由圖4可知，低-低類型區(qū)(低施肥強度和低產(chǎn)量)和低-中類型區(qū)(低施肥強度和中產(chǎn)量)均分布在黑龍江省旱作區(qū)北部，高-高類型區(qū)(高施肥強度和高產(chǎn)量)和高-中類型區(qū)(高施肥強度和中產(chǎn)量)均集中在吉林省和遼寧省旱作區(qū)東部，糧食單產(chǎn)與化肥施用強度的空間變化具有一致性。

圖4 東北旱作區(qū)化肥施用強度和糧食單產(chǎn)空間分布特征Fig.4 Spatial distribution maps of fertilizer application intensity and grain yield in dry farming region of Northeast China

由表4可知，不同化肥施用強度下土壤SOC、TN含量及C/P、N/P由大到小均表現(xiàn)為低強度區(qū)、中強度區(qū)、高強度區(qū)，土壤TP含量和C/N則表現(xiàn)為低強度區(qū)、高強度區(qū)、中強度區(qū)。不同糧食產(chǎn)量區(qū)土壤SOC、TN、TP含量及C/N、C/P均表現(xiàn)為低產(chǎn)區(qū)、中產(chǎn)區(qū)、高產(chǎn)區(qū)，土壤N/P則表現(xiàn)為低產(chǎn)區(qū)、高產(chǎn)區(qū)、中產(chǎn)區(qū)，但無顯著差異(表4)。已有研究表明，長期“高氮高產(chǎn)”的種植模式雖然提高了產(chǎn)量，但高產(chǎn)區(qū)土地利用強度大，養(yǎng)分流失嚴重且地表作物大多被人為收取，歸還量較小；而化肥施用多以速效養(yǎng)分作為補充，因忽視培肥而導致基礎地力下降，造成高化肥施用強度區(qū)和高產(chǎn)區(qū)土壤SOC、TN、TP含量及C/N、C/P、N/P相對較低[33]。化肥施用的低強度區(qū)和糧食低產(chǎn)區(qū)土壤SOC、TN、TP含量及C/N、C/P、N/P相對較高，主要原因一方面是其位于東北旱作區(qū)北部，氣溫較低，有機質(zhì)分解緩慢，微生物分解有機質(zhì)所需的氮素減少，導致多余部分釋放到土壤中[34]。另外，在N素累積的情況下，即便低強度的化肥及有機肥施用，也在一定程度上提高了農(nóng)田土壤的氮儲量；而磷的主要來源是成土母質(zhì)的風化，其在土壤中移動性小，加之磷肥本身施用量有限，導致N/P相對較高[35]。

2.3.2環(huán)境及土壤屬性的影響

如表5所示，土壤C/N、C/P和N/P除受到各元素本身含量的影響外，還受到土壤理化性狀、氣候及環(huán)境因子的顯著影響。土壤含水率、粉粒含量和粘粒含量與SOC、TN、TP含量、C/N和C/P呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤容重與SOC、TN、TP含量、C/N和C/P呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。土壤電導率與SOC、TN、TP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤pH值與SOC含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，平均氣溫與SOC、TN、TP含量、C/N和C/P呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。

表4 不同化肥施用強度區(qū)和糧食產(chǎn)量區(qū)土壤碳、氮、磷生態(tài)化學計量特征Tab.4 Soil C, N and P and eco-stoichiometric ratio in areas with different fertilizer application intensity and grain yield

表5 土壤碳、氮、磷生態(tài)化學計量特征與環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation analysis of SOC, TN and TP contents with environmental factors

對環(huán)境及土壤性狀指標與土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征進行冗余分析(RDA)，得到其對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征影響的二維排序圖(圖5)。土壤碳氮磷化學計量特征在第1軸、第2軸的解釋量分別為46.72%和7.28%，累計解釋量為54.00%，由此可知前兩軸能夠很好地反映土壤碳氮磷化學計量特征與各因素的關(guān)系，且主要由第1軸決定。土壤碳氮磷化學計量特征指標用虛線表示，各影響因素用實線表示，兩個箭頭連線的夾角可以看作是土壤碳氮磷化學計量特征指標和影響因子相關(guān)系數(shù)的大小。當夾角在0°～90°時，兩個變量之間呈正相關(guān)；當夾角在90°～180°時，二者之間呈負相關(guān)；當夾角為90°時，表示二者沒有相關(guān)關(guān)系[36]。

圖5 影響因子與土壤碳、氮、磷含量及生態(tài)化學計量特征RDA二維排序圖Fig.5 Two-dimensional sequence diagram of RDA analysis of influencing factors, soil C, N and P and eco-stoichiometric ratio

由表6可知，環(huán)境和土壤理化指標對土壤碳氮磷化學計量特征的影響存在差異，各影響因素對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征貢獻率由大到小依次為土壤容重、含水率、緯度、電導率、粉粒含量、經(jīng)度、平均氣溫、年降水量、濕度、pH值、粘粒含量，其中土壤容重、含水率、緯度、電導率、粉粒含量對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征影響極顯著(P<0.01)，經(jīng)度對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征影響顯著(P<0.05)，而年平均氣溫、年降水量、濕度、pH值和粘粒含量對其的影響未達到顯著水平。土壤容重和含水率的解釋量占所有影響因子解釋量的比例分別為31.70%和10.10%，說明土壤容重和含水率是影響土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征的主要土壤屬性因子。

表6 影響因子解釋量及顯著性檢驗Tab.6 Explanation rate of influencing factors and Duncan test

3 討論

3.1 土壤碳、氮、磷化學計量特征

研究表明，農(nóng)田土壤有機碳主要來源于動植物殘體的礦化分解與轉(zhuǎn)化累積，生物固氮、降雨、灌溉及其肥料的施用是土壤氮素的主要來源，其存在形態(tài)受礦化與固定、硝化與反硝化等過程的影響[37]；而土壤磷元素主要來自成土母質(zhì)、施肥和地表作物的歸還，磷的累積與轉(zhuǎn)化同樣受到微生物分解的影響。東北旱作區(qū)SOC、TN、TP含量整體平均值分別為16.79、1.43、0.77 g/kg，均高于我國農(nóng)田0～10 cm土壤SOC、TN、TP含量均值[23]，但各省旱作區(qū)之間存在差異，這與張興義等[37]在東北薄層農(nóng)田黑土的研究結(jié)果一致。研究區(qū)土壤SOC、TN和TP含量在空間上呈現(xiàn)由東北向西南遞減的趨勢。低溫減緩了有機質(zhì)的分解，有助于有機碳的積累，同時由于微生物分解有機質(zhì)所需的氮素減少，氮素積累增加。有機質(zhì)含量的提高促進了微生物的活性，從而使土壤有效磷含量提高。可見土壤SOC、TN和TP之間的關(guān)系，是其呈現(xiàn)空間分布一致性的主要原因[24]。但由于不同采樣點的耕作和施肥存在差異，導致土壤SOC、TN含量在局部地區(qū)呈現(xiàn)較強的變異性。

C/N影響微生物分解有機質(zhì)的速率，從而影響土壤中有機碳和氮的循環(huán)。在一定范圍內(nèi)，C/N越高，有機殘體分解越慢；土壤C/N 較低時，超過微生物生長所需的氮素就會釋放到土壤中，土壤氮素逐漸增加。研究區(qū)土壤C/N的均值為11.45，略低于全國農(nóng)田土壤的平均值，主要原因一方面是化肥施用提高了微生物量及其活性，加速作物殘茬和有機碳的礦化速率，降低了土壤有機碳的含量；另一方面，秸稈還田量相對較少，農(nóng)田土壤有機質(zhì)積累不足[38]。C/P是磷有效性的表征參數(shù)，低C/P有利于微生物分解有機質(zhì)釋放養(yǎng)分。已有研究表明當C/P小于200時，將會出現(xiàn)土壤有機磷的凈礦化，有效P含量增加[39]。研究區(qū)土壤C/P平均值遠低于全國農(nóng)田的平均值60.00，可見研究區(qū)土壤P有效性可能較高。N/P可視為N飽和的診斷指標，由于生物固氮隨N/P的減小而增大，而東北旱作區(qū)土壤N/P低于全國農(nóng)田的平均值5.10，且遠低于南方耕地土壤N/P，反映出研究區(qū)土壤生物固氮量相對較高[40]。

3.2 土壤碳、氮、磷化學計量特征的影響因素

農(nóng)田土壤生態(tài)化學計量特征受區(qū)域水熱條件、土壤母質(zhì)的風化作用等自然環(huán)境以及耕作、施肥等人為因素的綜合調(diào)控，不同土地利用強度對農(nóng)田土壤C、N、P儲量及循環(huán)過程有著顯著的影響。東北旱作區(qū)土壤SOC、TN、TP含量及C/P均隨施肥強度和糧食單產(chǎn)的增加而下降，這與張晗等[41]對不同土地利用方式下農(nóng)田土壤SOC、TN、TP含量變化特征的研究結(jié)果一致。一方面是目前在高氮高產(chǎn)的施肥策略下氮肥施用量大，有機質(zhì)積累緩慢，另一方面高產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)機械化程度高，高強度的耕作導致表層土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞，使土壤有機碳、氮、磷容易隨地表徑流流失、滲漏，從而導致高產(chǎn)區(qū)土壤C/N較低[42]。區(qū)域土壤TP含量和N/P均在低施肥強度區(qū)和低產(chǎn)區(qū)較高，這主要與氣候條件及土壤母質(zhì)風化程度有關(guān)。此外，本次采樣調(diào)查表明，黑龍江省旱作區(qū)北部主要實行玉米-大豆輪作，而吉林省和遼寧省旱作區(qū)主要為玉米連作。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)長期玉米-大豆輪作能夠提高SOC、TN含量，同時土壤pH值出現(xiàn)下降趨勢；長期玉米連作雖可增加高活性、易氧化的SOC含量，但若沒有配合采用合理的耕作措施，會增加SOC礦化分解的風險[43]。因此，區(qū)域種植模式的差異可能對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量空間分布特征也有一定影響，還需深入分析。

不同氣候條件及土壤性質(zhì)下，表層土壤養(yǎng)分變化很大，導致土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征存在較大空間異質(zhì)性。研究區(qū)土壤容重和含水率等因素對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征的貢獻率較高，其中土壤容重與SOC、TN、TP含量及C/N、C/P呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，這與王維奇等[16]對閩江河口蘆葦濕地土壤SOC、TN、TP化學計量比與影響因子關(guān)系的研究結(jié)果相似。土壤容重影響著植物根系生長和凋落物分解，進而影響元素在土壤中的運移和積累，土壤容重小則土壤疏松，有利于水分滲透以及元素在土壤中累積。研究區(qū)土壤含水率則與土壤SOC、TN、TP含量及C/N、C/P、N/P呈正相關(guān)關(guān)系。這與李紅林等[36]和肖燁等[44]在沙漠綠洲和山地沼澤土壤中的研究結(jié)果相似，均表明土壤水分對土壤系統(tǒng)元素運移及循環(huán)具有重要作用。研究區(qū)土壤電導率與SOC、TN、TP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與C/N、C/P和N/P呈負相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，這與王燕等[45]得出荒漠綠洲土壤電導率與SOC、TN含量呈極顯著負相關(guān)的結(jié)果存在差異(P<0.01)。主要因為研究區(qū)采樣點布設針對的是旱地，均位于耕作田塊，且受長期耕作和施肥等活動的影響，并沒有中、重度鹽堿地。雖然在吉林省旱作區(qū)西部個別采樣點土壤電導率相對較高，達到600 μS/cm，但整體變化范圍較小，無明顯鹽漬化，因此對土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征的負面影響較小。另外，由于本研究只獲取了土壤電導率參數(shù)，沒有具體分析土壤中各種可溶性鹽陽離子和陰離子含量及其與SOC、TN、TP含量的關(guān)系，因此還有待進一步探討。本研究中發(fā)現(xiàn)，土壤pH值雖然與SOC、TN、TP含量及C/N、C/P呈負相關(guān)關(guān)系，但除與SOC含量外，均不顯著，這與張晗等[41]得出南方旱地土壤pH值與SOC、TN、TP含量及C/N、N/P呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)的研究結(jié)果存在差異。原因一方面是研究區(qū)土壤pH值整體偏堿性，且變異性較小，其次是研究區(qū)域土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征的空間變異性較大，不同采樣點的成土母質(zhì)、區(qū)域環(huán)境不同，導致同一土壤指標在研究區(qū)的變化趨勢存在差異。

4 結(jié)論

(1)東北旱作區(qū)土壤SOC、TN、TP含量的平均值均處于中等水平，且彼此間存在顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤C/N、C/P、N/P的平均值均低于全國農(nóng)田土壤平均值。從空間分布來看，研究區(qū)土壤SOC、TN、TP含量均呈現(xiàn)由西南向東北遞增的趨勢，SOC、TN含量的空間變化具有高度一致性。土壤C/N、C/P的高值區(qū)主要分布在黑龍江省旱作區(qū)，而低值區(qū)位于吉林省和遼寧省旱作區(qū)，N/P雖然較高，但整體分布均低于全國農(nóng)田土壤平均值。

(2)東北旱作區(qū)土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征受到土地利用強度、施肥等人為活動和氣溫、土壤容重、含水率、質(zhì)地等因素綜合作用的影響。化肥的高強度施用是研究區(qū)土壤C/N較低的主要原因，尤其在吉林省和遼寧省旱作區(qū)，應降低氮素的投入，促進秸稈還田和農(nóng)戶合理施肥；土壤TP含量的整體平均值較高，在局部土壤pH值較低的地區(qū)，需關(guān)注磷的有效性。除人為因素影響外，土壤容重和含水率是影響研究區(qū)土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征分布規(guī)律的主要環(huán)境因子。