中国松嫩平原西部不同土地利用类型下的土壤养分与生态化学计量

《Land》：Soil Nutrients and Ecological Stoichiometry Under Different Land Use Types in the Western Songnen Plain in China

　　

理解不同土地利用类型下的土壤养分和化学计量对于半干旱生态系统管理至关重要。研究人员在中国松嫩平原西部选取了四种土地利用类型（旱地、水田、草地和林地）的130个采样点。测量了土壤pH、养分（土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）和全硫（TS））、微量元素（Mn、Zn、Cu、F、Se和Cl）以及氧化物（MgO、CaO、Fe₂O₃、SiO₂和TiO₂）。采用单因素方差分析（ANOVA）、Pearson相关分析和冗余分析（RDA）来评估养分浓度、化学计量比及其环境驱动因素。研究结果表明，土壤总体呈碱性，草地pH最高。旱地的SOC（12.47 g/kg）、TN（1.05 g/kg）和TP（0.22 g/kg）显著高于草地（分别为9.58、0.79和0.19 g/kg）。林地的TK最高（23.18 g/kg）。除TK外，大多数总养分浓度与微量元素浓度呈正相关。水田的C:N（12.38）显著低于草地（14.24）和林地（14.42），而N:P（10.92）和N:K（0.13）均显著高于草地（8.63、0.11）。旱地的P:K（0.0137）显著高于草地（0.0108）和林地（0.0106）。RDA识别出SOC和TP是与养分化学计量变异相关的共同主要因素，分别解释了旱地、水田、草地和林地变异的96.1%、34.8%、94.1%和93.2%。此外，微量元素和氧化物也在不同程度上解释了变异。该研究为半干旱地区的可持续土地利用管理提供了基础。

**研究背景与问题**
松嫩平原西部位于中国东北，是典型的大兴安岭山前过渡带与平原交汇区的生态脆弱带，也是黑土区盐碱化问题集中的区域。该地区土壤以盐碱化、碱化过程为主，养分含量低且空间异质性高。近年来，土地利用剧烈转变（如天然草地开垦为旱地，或退耕还林），改变了植被覆盖、蒸发格局及土壤养分循环与盐碱化特征。然而，以往研究多聚焦于单一养分或简单的盐碱化动态，缺乏对多种土地利用类型下土壤养分化学计量比的系统评估，特别是将微量元素和土壤氧化物纳入分析。因此，研究人员旨在阐明旱地、水田、草地和林地四种利用类型下土壤pH、养分含量、C:N:P:K化学计量比及其驱动因素，为半干旱脆弱生态系统的土地管理提供科学依据。该论文发表在《Land》期刊上。

**主要技术方法**
研究人员在吉林省洮南市（松嫩平原西部）选取130个样点（旱地57个、水田17个、草地31个、林地25个），采集0–20 cm表层土壤，测定pH、大量养分（土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、全硫（TS））、微量元素（Mn、Zn、Cu、F、Se、Cl）和氧化物（MgO、CaO、Fe₂O₃、SiO₂、TiO₂）。采用单因素方差分析（ANOVA）比较不同土地利用类型间的差异，Pearson相关分析评估养分与微量元素的关系，冗余分析（RDA）识别影响化学计量比的关键环境因子。

**研究结果**
**3.1 不同土地利用类型下土壤pH和养分含量的比较**
通过方差分析，发现土壤pH总体呈碱性（7.27–8.22），草地pH最高（8.22），显著高于旱地（7.27）、水田（7.78）和林地（7.48）。旱地SOC（12.47 g·kg^-1）、TN（1.05 g·kg^-1）和TP（0.22 g·kg^-1）显著高于草地（9.58、0.79、0.19 g·kg^-1）。林地TK含量最高（23.18 g·kg^-1），显著高于旱地（21.35 g·kg^-1）和水田（22.12 g·kg^-1）。TS在不同土地利用类型间无显著差异。

**3.2 不同土地利用类型下土壤养分化学计量比的比较**
通过方差分析，水田C:N（12.38）显著低于草地（14.24）和林地（14.42）；旱地C:K（2.06）显著高于草地（1.50）；水田N:P（10.92）和N:K（0.13）均显著高于草地（8.63、0.11）；旱地P:K（0.0137）显著高于草地（0.0108）和林地（0.0106）。C:P在各土地利用类型间无显著差异。

**3.3 不同土地利用类型下土壤养分与微量元素的关系**
通过Pearson相关分析，旱地中SOC、TN、TS与Mn、Zn、Cu、Se呈显著正相关，TP与Mn、Se、Cl正相关，TK与Mn、F、Se负相关。水田中TN仅与Cu、Se正相关。草地中SOC和TN与Cu、Se正相关，TP与Cl正相关，TK与F、Se负相关。林地中SOC和TN与Mn、Se正相关，TP与Mn、Se、F正相关，TK与Mn、F、Se负相关，TS与Mn、Zn、Cu、Se正相关。总体而言，除TK外，多数大量养分与微量元素呈正相关。

**3.4 不同土地利用类型下土壤养分化学计量比的影响因素**
通过冗余分析（RDA），在旱地中，SOC、TP、TN和Se显著影响化学计量比，分别解释变异81.7%、13.6%、0.4%和0.4%。水田中，Cu、TP、MgO、SOC和TN为显著因子，解释量分别为42.6%、25.9%、14.1%、8.9%和3.1%。草地中，SOC、TP和TN显著，解释82.7%、11.4%和1.2%。林地中，SOC、TP、Se、F、pH和TiO₂显著，解释83.7%、9.5%、1.9%、1.5%、1.0%和0.6%。SOC和TP是四种土地利用类型共同的强驱动因子，但水田和林地中微量元素和氧化物的贡献显著增加。

**讨论与结论**
讨论部分指出，土壤pH受盐碱环境主导，草地位于低洼排水不良区，盐碱累积导致pH最高。旱地通过施肥和作物残体输入提高了SOC、TN和TP，而草地因过度放牧和盐碱胁迫导致养分较低。林地因人为干扰少，矿物风化积累TK。微量元素与养分正相关反映了有机质络合作用，但水田淹水还原条件解耦了这种关系。化学计量比表明，水田C:N低反映淹水抑制分解和氮肥富集；旱地P:K高归因于磷肥输入和钾流失。RDA揭示，旱地和草地由有机质主导化学计量平衡，而水田和林地受微量元素（Cu、Se）和氧化物（MgO、TiO₂）调控，后者与长期农业投入和矿物风化过程相关。

**结论翻译**：
研究表明，土地利用类型影响了土壤养分含量和化学计量比，凸显了人类活动对土壤养分循环的影响。因此，土地管理策略应针对每种土地利用类型的具体特征和养分动态进行调整。在旱地，应优先维持SOC、氮和磷储量，同时确保钾的充足供应。在水田，管理应侧重于维持氮、磷、钾的平衡供应，并减少因过量外部输入和不合理水分管理导致的养分失衡。在草地，应努力维持植被覆盖，增强土壤有机质积累，减少过度放牧和土壤扰动。在林区，管理应优先保护土壤结构，维持自然养分循环，减少人为干扰，同时避免不必要的施肥和土地扰动。此外，微量元素和土壤氧化物对土地利用类型间土壤化学计量的变异有贡献。因此，土壤质量评估不应仅依赖土壤养分，而应建立包含微量元素和土壤氧化物的更综合监测框架。通过整合大量养分、化学计量比、微量元素和土壤氧化物，本研究扩展了土地利用相关土壤化学计量的常规研究，为盐碱半干旱地区土壤养分循环提供了矿物地球化学视角。总体而言，结果支持一个概念框架，即盐碱半干旱地区土壤化学计量受生物养分积累、土地利用相关水文和管理效应以及矿物地球化学调控的共同调节。本研究的主要局限在于未测定有效养分组分和关键土壤健康指标。未来研究应将总养分分析与植物有效养分、土壤盐度、阳离子交换量、交换性钠以及其他土地管理实践详细信息相结合。