资助项目:国家自然科学基金“滇南小流域土地利用对土壤侵蚀和氮磷流失影响的同位素示踪”(41703099)
第一作者:王永平(1994—),男,山东聊城人,硕士研究生,主要研究方向为区域水土保持和生态修复。E-mail:1040428646@qq.com 通信作者:牛晓音(1977—),女,山东淄博人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事区域水土保持和环境演变以及污染生态修复。E-mail:
(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院, 山东 淄博 255049; 2.山东理工大学 资源与环境工程学院, 山东 淄博 255049)
(1.School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo, Shandong 255049, China; 2.School of Resource and Environmental Engineering, Shandong University of technology, Zibo, Shandong 255049, China)
land use; soil erosion; nutrient loss; 137Cs tracing; ecological stoichiometric characteristics
以滇池西南部东大河小流域为研究靶区,利用137Cs核素示踪技术,对研究区内林地、草地、耕地3种土地利用类型的土壤侵蚀量及土壤总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)流失量进行了定量分析及评价,并通过土壤养分生态化学计量特征(碳氮比C/N、碳磷比C/P、氮磷比N/P)揭示当地土壤肥力状况。结果 表明:(1)不同土地利用方式下土壤侵蚀存在差异。平均侵蚀程度大小表现为耕地[1 538.74 t/(km2·a)]>草地[1 308.82 t/(km2·a)]>林地[81.88 t/(km2·a)],流域整体侵蚀程度介于轻度侵蚀到中度侵蚀之间,但草地、耕地仍高于当地允许流失量。(2)不同土地利用方式对土壤养分含量分布及流失量具有一定影响,并且土壤侵蚀与养分流失关系密切。TOC,TN,TP含量大小表现的规律不尽相同,林地土壤养分流失量最小,土壤养分状况多数在3级以上,土壤肥力状况较好。(3)土壤侵蚀通过影响养分流失对土壤养分化学计量特征产生间接影响,土壤C/N规律为耕地(6.95)>草地(6.14)>林地(3.14); 土壤N/P为林地(10.99)>草地(10.07)>耕地(4.82); 土壤C/P为草地(57.47)>林地(39.94)>耕地(27.55),C/N,C/P,N/P均较低,表明土壤有机质矿化速率较快,并且磷的有效性较高,流域内植被生长在一定程度上主要受N元素影响。
In this study, the soil erosion and nutrients(total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus)losses in woodland, grassland and cultivated land were investigated based on 137Cs radionuclide tracer technology at Dongdahe catchment of Dianchi watershed. At the same time, soil fertility conditions in the three land use types were revealed through ecological stoichiometric characteristics of soil nutrients(C/N, C/P, N/P). The results showed that:(1)there were differences in soil erosion under different land use patterns; the average erosion rate decreased in the order: farmland [1 538.74 t/(km2·a)]>grassland [1 308.82 t/(km2·a)]>forestland [81.88 t/(km2·a)]; the average erosion degree of the basin was between mild erosion and moderate erosion, but the erosion rates of grassland and farmland were still higher than the local allowable loss rate;(2)different land use patterns hadcertain effects on the distribution of soil nutrient content and soil nutrient losses; a close relation between soil erosion and nutrient loss was observed; the patterns of TOC, TN and TP contents in three land types were different; the soil nutrient loss in forestland was the lowest, most soil nutrient levels were above grade 3, and the soil fertility was better;(3)soil erosion affected soil nutrient stoichiometric characteristics indirectly by affecting nutrient losses, soil C/N decreased in the order: farmland(6.95)>grassland(6.14)>woodland(3.14); soil N/P decreased in the order: forestland(10.99)>grassland(10.07)>farmland(4.82); Soil C/P decreased in the order: grassland(57.47)>woodland(39.94)>cultivated land(27.55); lower C/N, C/P and N/P indicated that the mineralization rate of soil organic matter was fast and the availability of phosphorus was high. Vegetation growth was mainly affected by N element to a certain extent in this catchment.
水土流失是我国乃至全球最大的生态环境问题之一。云南省属于我国水土流失二级敏感区,其中滇池流域作为云南省境内第一大淡水湖,流域内水土流失问题受到各界的广泛关注,解决水土流失问题,恢复当地生态环境已成当务之急。尤其是近年来人类活动的加剧,不合理的土地利用,对土壤生态平衡、经济发展和环境的协调性有着非常重要的影响,在小流域尺度上影响更为明显[1]。土地利用方式的变化是人类活动最直观的表现,也是影响土壤养分的直接因素[2]。土壤肥力是土壤各种基本性质的综合表现,土壤碳、氮、磷等元素是土壤肥力最直观的表征元素,定量表征土壤肥力及其评价已经成为国内外研究者关注的热点问题之一[3]。此前有部分学者对滇池典型小流域内土地利用变化下的土壤及养分侵蚀开展定量研究,陈春瑜等[4]揭示了滇池流域不同土地利用下的养分以及化学计量特征的时空分布规律,牛晓音等[5]揭示了滇池南部双龙流域土壤侵蚀与土壤养分在不同土地利用方式上含量分布的差异,崔骏[6]探究了滇池北部小流域不同土地利用方式下碳、氮、磷、硫等养分的流失特征,揭示了人类活动对土壤养分的影响。上述研究中多单一侧重土壤侵蚀或养分空间分布特征,但滇池小流域众多且空间异质性强,人类活动干扰强度不同对区域土壤环境的影响也会存在差异。因此从小流域尺度上综合分析侵蚀、养分流失特征及土壤质量现状方面的研究有待加强。
本研究选取滇池南部的东大河流域为研究靶区,通过137Cs核素示踪技术对该流域内土壤侵蚀进行定量分析及评价,在土壤侵蚀的基础上,将土壤侵蚀与养分流失相结合,旨在探究二者在不同土地利用下的流失特征,揭示不同土地利用对土壤及养分流失的影响,并通过土壤养分生态化学计量特征揭示土壤养分水平。对减缓当地生态压力,改善生态环境以及对政府和相关部门的土地利用规划具有重要的指示意义。为当地土地利用变化对滇池流域面源污染及土地退化的影响研究提供可靠的参考依据。
东大河流域是滇池西南部的一个小流域(102°29'—102°39'E,24°31'—25°42'N); 发源于海孜白泥箐,汇入滇池,全长21 km,流域面积188 km2。流域境内行政区划为晋宁区。属于亚热带湿润季风气候,年温差较小,多年平均气温14.8℃。平均最高气温21.6℃,平均最低气温9.7℃,多年平均年降水量900 mm。土壤以酸性、微酸性土壤为主,土壤母质为灰岩、砂岩残积物、坡积物和冲洪积物,流域境内土壤类型以红壤、黄棕壤、紫色土为主。主要土地利用类型以林草地为主,主要植被类型为云南松(Pinus yunnanensis)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、华山松(Pinus armandii Franch.)、青冈(Quercus glauca Thunb.)、金合欢(Acacia farnesiana (Linn.)Willd.)、萌芽灌木等乔灌混交林。
2018年8月在东大河小流域内采集3种土地利用类型(林地(F)、草地(G)、耕地(C))土壤样品,根据采样地区地形地貌,并结合实地考察和GPS进行定位选点,使样点均匀分布,共采集代表性样点12个,平均每种用地类型4个样点,样点具体情况见表1。采集样为土壤全样,采用土壤取样器垂直入土层取样,采样深度为40 cm,分为上下两层,每层20 cm,按对角线法平行采样3次,取混合样。
(1)137Cs比活度的测定:将土壤样品自然风干后、经研磨过100目筛,在105 ℃下烘干。蜡封30 d后,采用高纯锗探测器γ谱议(GWL-120-15,ORTEC,USA)在661.6 keV处的γ射线谱峰面积测定137Cs的比活度。
(2)土壤137Cs的背景值:137Cs示踪法估算土壤侵蚀需要确定当地背景值,研究表明滇池流域137Cs含量背景值为1 269 Bq/m2 [7],860 Bq/m2 [8],其中张燕等[9]以及张明礼等[10]确定的滇池流域背景值较为接近,分别为906 Bq/m2,918 Bq/m2,因此采取二者平均值912 Bq/m2作为研究区背景值更为可信。
(3)基于本研究林、草地剖面137Cs的指数规律分布,采用Zhang等[11]建立的非耕地土壤侵蚀模数模型:
Ad=Aref(1-e-λd)(1)
式中:Ad为土壤在深度d以上137Cs的总面积活度(Bq/m2); Aref为137Cs面积活度背景值(Bq/m2); λ为137Cs深度分布的剖性指数(无量纲),本研究采用张明礼[12]对滇池流域土壤侵蚀研究中的数值0.27,d为深度(cm); 假设137Cs在随深度的分布不受时间的影响,侵蚀点土壤年侵蚀厚度可用下式计算:
式中:hi为土壤年侵蚀厚度(cm/a); t为采样年份
(4)耕地土壤侵蚀模数模型:采用张燕等[13]提出的耕作土土壤侵蚀模型
式中:Hc为耕层厚度(20 cm); Ain为渗入耕层以下的137Cs比活度(Bq/m2); t0取1963。
根据式(4)计算土壤侵蚀模数。
ERi=10000×hi×Di(4)
式中:ERi为第i采样点的侵蚀模数[t/(km2·a)]; Di为第i采样点的土壤容重(g/cm3)。
根据式(5)计算平均侵蚀模数。
式中:EA为区域平均侵蚀模数[t/(km2·a)]; n为样点数量。
2.2.2 土壤总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)的测定 土样自然风干后,去除石块、杂草,并研磨过200目筛,分成三份,分别用于测定土壤TOC,TN,TP。测定方法参考《土壤农化分析》[14]。
2.2.3 土壤总有机碳、总氮、总磷的流失量计算 单位面积土壤养分流失量采用张燕等[13]建立的模型计算。
L=N×Di×hi×10(6)
式中:Li为养分的流失量[t/(km2·a)]; N为养分在土壤中的含量(mg/g); Di为i样点的土壤容重(g/cm3); hi为i样点土壤的年侵蚀厚度(cm/a)。
式中:LA为平均养分流失量[t/(km2·a)]; Li为i采样点的养分流失量[t/(km2·a)]; n为样点数量。
采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和作图; 采用SPSS 22.0软件进行Pearson相关性分析。
由表2可知,上层土壤中137Cs含量大小为林地(890.42 Bq/m2)>草地(209.56 Bq/m2)>耕地(121.84 Bq/m2),下层土壤137Cs含量为林地(221.98 Bq/m2)>耕地(102.47 Bq/m2)>草地(29.68 Bq/m2),上下层略有差异。3种用地类型中,上层土壤137Cs含量高于下层。草地耕地上下层总平均含量较为接近,但在耕地中分布较为均匀,草地上下层差异较大。根据式(1—4)计算不同用地类型的土壤侵蚀或沉积模数,在3种土地利用方式下,土壤侵蚀模数表现出较大的差异,尤其是林地利用类型。林地侵蚀模数介于-522.12~516.20 t/(km2·a),平均侵蚀模数为81.88 t/(km2·a),土壤侵蚀变异系数高达463%,相较于其他用地类型,只有林地出现了沉积。草地土壤侵蚀模数介于990.51~1 615.57 t/(km2·a),平均侵蚀模数为1 308.82 t/(km2·a),3种用地类型中草地侵蚀模数变异系数最小。耕地土壤侵蚀模数介于726.78~2 488.51 t/(km2·a),平均侵蚀模数为1 538.74 t/(km2·a),变异系数高于草地。不同土地利用类型中平均土壤侵蚀模数大小表现为耕地>草地>林地。本研究调查样地中,耕地与草地均无沉积发生,且耕地平均侵蚀模数与草地相差不大,略高于草地,二者平均侵蚀模数皆均远高于林地,约为林地的16~19倍。根据水利部制定的土壤侵蚀分类分级标准,研究区内土壤侵蚀程度皆处于中度侵蚀[>2 500 t/(km2·a)]以下,且多数处于轻度侵蚀[<1 000 t/(km2·a)]。
基于采样方式,每个样点分为上下两层,其中上层土层深度为0—20 cm,亦为当地耕层深度; 深层土壤为20—40 cm。土壤TOC含量随着垂直深度的变化基本全部呈现下降趋势,但下降程度并不一致,林地、草地的TOC含量随着深度的增加呈较为明显的下降趋势。由表3可知,林地上层土壤TOC变动范围为15.18~39.63 mg/g,深层为0.93~11.01 mg/g,平均含量由25.24 mg/g下降到5.86 mg/g,降幅达到76.8%; 草地上层土壤中TOC含量变化范围为17.62~55.4 mg/g,深层含量范围为5.79~15.07 mg/g,平均含量从31.64 mg/g下降到11.19 mg/g,降幅为64.7%; 耕地上层土壤中TOC含量则在7.3~28.16 mg/g范围之内,深层含量介于10.08~19.35 mg/g,平均含量从18.92 mg/g下降到14.31 mg/g,降幅为24.4%。不同用地类型中,平均土壤TOC含量表现为草地(22.41 mg/g)>耕地(16.62 mg/g)>林地(15.55 mg/g)。
林地、草地土壤TN含量及变化趋势类似,耕地TN含量明显低于其他两种土地利用类型。3种土地利用类型均表现出随着土层深度变化而减小的趋势,但上层和深层土壤TN含量差别较小,下降趋势相较于TOC平缓。由表3可见,林地上层土壤TN含量范围为3.83~5.05 mg/g,深层介于4.03~4.43 mg/g,土壤平均TN含量由4.55 mg/g下降至4.20 mg/g,下降幅度为7.7%; 草地上层土壤TN含量范围为2.83~4.93 mg/g,深层介于1.95~4.78 mg/g,土壤平均TN含量由4.01 mg/g降至3.30 mg/g,降幅为17.7%; 耕地上层土壤TN含量范围为1.95~3.05 mg/g,深层介于1.78~2.53 mg/g,平均土壤TN含量由2.60 mg/g降至2.15 mg/g,下降幅度为17.3%。在不同土地利用类型中大小表现为:林地(4.37 mg/g)>草地(3.66 mg/g)>耕地(2.37 mg/g)。
林地、草地,土壤TP含量变化区间相对一致,除部分耕地土壤TP含量明显高于其他样地外,其他样地变化区间与林地、草地差异不大。由表3可见,林地上层土壤TP含量范围为0.30~0.52 mg/g,深层土壤介于0.25~0.58 mg/g,土壤上层TP含量平均值0.39 mg/g,深层土样的平均值0.50 mg/g,深层土壤TP含量高于上层; 草地土壤样本的TP含量变化范围是:0.30~0.56 mg/g,上层土样的平均值0.42 mg/g,深层土样的平均值0.38 mg/g; 耕地土壤样本的TP含量范围为0.20~2.21 mg/g,上层土样的平均值0.89 mg/g,深层土样的平均0.84 mg/g。不同用地类型中,土壤TP含量大小表现为耕地(0.86 mg/g)>林地(0.44 mg/g)>草地(0.40 mg/g)。
土壤养分主要依附于土壤颗粒而存在,也随土壤颗粒的流失而流失。有研究表明,土壤137Cs与土壤TOC,TN显著相关[5],本研究中,根据公式(6),(7)计算不同土地利用类型土壤养分流失量。由表4可见,不同土地类型的养分流失有所差异,3种养分在林地中均出现了沉积,其他两种用地类型内,均为流失状态。3种用地类型土壤TOC流失量分别介于-4.45~5.82 t/(km2·a),18.26~40.01 t/(km2·a),11.58~43.52 t/(km2·a),平均流失量从大到小为草地[27.87 t/(km2·a)]>耕地[24.19 t/(km2·a)]>林地[2.19 t/(km2·a)]; 土壤TN流失量分别介于-2.05~2.32 t/(km2·a),3.18~7.14 t/(km2·a),1.90~4.85 t/(km2·a),平均流失量大小依次为草地[4.80 t/(km2·a)]>耕地[3.46 t/(km2·a)]>林地[0.45 t/(km2·a)]; 土壤TP流失量分别介于-0.19~0.28 t/(km2·a),0.42~0.58 t/(km2·a),0.37~3.85 t/(km2·a),与TOC,TN不同,TP平均流失量大小依次为耕地[1.36 t/(km2·a)]>草地[0.50 t/(km2·a)]>林地[0.06 t/(km2·a)]。
综合各用地类型中的土壤侵蚀速率与养分流失特征,由表5可见,土壤侵蚀量与土壤碳、氮流失量呈极显著的正相关关系(p<0.01),但与土壤磷流失量的相关性并不显著; 土壤碳流失量与氮、磷两种养分流失量均呈显著的正相关关系(p<0.05),氮、磷流失量间并无显著相关性。
由图1A可见,多数在样地C/N低于5,少部分介于5~15。除耕地样地外,林地、草地上层土壤C/N明显大于深层土壤,其中林地更为明显。上层土壤较大的C/N表明林、草土地类型中土壤上层有机质存在富集现象。在耕地样地中上层与深层土壤C/N差异不大,随深度分布相较其他两种用地类型较为均匀,表明受人类耕作扰动下,上层和深层土壤混合相对均匀。各用地类型C/N平均值大小表现为:耕地(6.95)>草地(6.14)>林地(3.14)。
由图1B可见,不同土地利用方式土壤的N/P差别较大,每一种土地利用类型及土层深度N/P变化趋势不一。其中草地、耕地土壤上、下层土壤中N/P变化相较于林地平缓。土壤N/P主要受土壤中磷素含量的制约,另外,由于随着土层深度的增加,磷素的降低速率低于氮素的速率,所以导致N/P随着深度变化与土壤TN趋势基本一致。样地N/P平均值大小表现为:林地(10.99)>草地(10.07)>耕地(4.82)。
从图1C可见,在滇池流域总体来看,3种土地利用类型C/P随深度变化差异较大,其中林地上层C/P明显高于深层土壤C/P,进一步证明林地上层土壤TOC具有明显富集现象; 草地C/P随深度变化与林地相比较为平缓; 耕地C/P随深度变化仍较为均匀。3种土地类型的C/P规律表现出:草地(57.47)>林地(39.94)>耕地(27.55)。
由表5可知,土壤养分生态化学计量特征与土壤侵蚀量之间并无直接的显著相关性。C/N,C/P与TOC流失量呈极显著的正相关关系(p<0.01),N/P与土壤TP流失量呈极显著的负相关关系(p<0.01),化学计量特征C/N与C/P呈极显著的负相关关系(p<0.01)。
各用地类型侵蚀特征具有较大差异,林地各样点的空间差异较大,主要是研究区内林地多为山坡林地类型,受地形、植被、群落结构等因素影响较大,因此在不同样地中表现出较大的差异性。而草地空间差异较小。当地草地植被多为林间山坡草地,不具备耕作条件,土壤上下层137Cs含量差异较大,因此排除废弃耕地的次生演替,多数草地为自然生长,同一地理单元内,草地群落结构及优势种差异不大,没有明显的空间差异。与草地相比,耕地土壤平均侵蚀量略高于草地,二者较为接近,可能原因是草地与耕地类似,均呈现季节性变化。但耕地各样点与草地相比差异明显较大,其主要原因是研究区内耕地多为自主开荒,耕地较少且在研究区内分布不均,耕作年限不一,其土壤侵蚀程度表现出较高的空间差异。耕地具有一定的坡度,受人类活动的影响较大,土层扰动剧烈且土壤疏松,间作期间土壤更是直接呈裸露状态,此时最易受降雨影响,造成大量的土壤流失。
不同的用地类型,其覆被植物及覆盖度均有不同。植被覆盖层能够减少雨滴冲击,增加地表粗糙度,减缓地表径流流速,植被枯落物腐烂分解,可进一步增加土壤有机碳的含量,改善土壤理化性质[15-18]。土壤侵蚀规律为耕地>草地>林地,不同用地类型上的覆被植物对土壤侵蚀影响作用明显,土壤侵蚀规律与受人类扰动程度规律一致,由此表明人类扰动对土壤侵蚀影响也较为明显。土壤侵蚀规律与牛晓音[5]研究中略有不同,在其研究中草地的土壤侵蚀模数低于林地,其主要原因可能与林龄有关,不同年限的林地水土保持效益不同[19-20],加上采样的偶然性,因此呈现出不同的规律。我国西南土石山区容许土壤侵蚀量为500 t/(km2·a)[21]。在本研究中除林地外,其他土地利用类型侵蚀量远超过容许土壤侵蚀量,约为容许值的2.6~3.1倍,由此表明,在研究区内,水土流失虽得到一定控制,但其流失量相对于容许值仍然较大,尤其是草地和耕地需要采取更为严峻的水土保持措施进行水土流失治理。
土壤TOC,TN在不同土地利用类型中的流失规律较为一致,均为草地>耕地>林地,虽然整体上土壤TOC,TN流失量与土壤侵蚀量具有极显著的正相关关系,但在耕地、草地两种用地类型中,土壤侵蚀模数耕地大于草地,养分流失量为草地大于耕地,与土壤侵蚀规律明显不同,主要原因草地土壤中TOC,TN基础质量分数高于耕地,两种土地类型平均土壤侵蚀量相近,因而草地土壤养分流失量大于耕地。土壤TP流失量与土壤侵蚀量的关系并不显著,但在不同土地利用类型中,土壤TP流失规律与土壤侵蚀规律一致,均表现为耕地>草地>林地。与张晓艳[22]研究中呈现规律相同。草地、耕地相近的土壤流失量下,耕地土壤中TP含量高于草地,因此并未出现与TOC,TN类似的流失规律。综上,土壤养分流失尤其是碳氮与土壤侵蚀关系密切,且养分依附于土壤,随土壤侵蚀而流失,但各养分在土壤中的基础含量不同,其流失规律也表现出一定的差异性。
在林地和草地土壤养分分布主要集中在上层土壤中,主要原因是由于林地、草地中,植物所产生的枯枝、落叶等枯落物连同植物繁杂的根系能够为土壤提供大量的有机碳[23]。其次林地、草地不易受到人类活动的影响,枯落物长期存在于土壤层表面,而且由于地形、土壤质地等原因有机质难以向深层土壤中迁移。林地、草地土壤上层TOC含量较高,呈现出比较明显的表面富集现象,上层和深层土壤中TOC含量差异十分明显。而耕地上下层土壤的含量差距不大。这表明深耕、翻耕等行为使得种植作物的土壤充分混合,导致有机碳含量分布较为均匀。土壤覆被类型不同,导致地表凋落物含量、根系发育程度和凋落物分解速率等均存在一定差异,从而造成不同覆被类型下养分输入及土壤理化性质的不同[24]。同时解释了不同土地利用类型土壤中养分含量的差异[25]。耕地上层土壤TOC含量低于林地、草地,其中的原因可能是耕地在施加人工化肥的同时,也加深了土壤环境的侵蚀程度,使土壤生物、微生物快速生长繁殖,加速有机质分解逸散[26]。此外,耕地的人为扰动强度远远大于其他土地利用类型,极易导致土壤结构和成分的变化[27],使土壤侵蚀速度加快,土壤中的有机碳快速流失或释放。以土壤TOC含量11.6 mg/g作为丰缺指标[4],3种用地类型中,土壤TOC普遍较高.根据全国第二次土壤普查标准[28]可知,草地土壤TOC处于2级,耕地、林地处于3级,就土壤TOC而言,3种用地类型均处于中上水平。
不同土地利用类型土壤氮素来源不同。林地较其他两种土地类型凋落物较多,容易形成连续的林下覆盖层,有利于提高氮元素和有机质的含量,而且氮元素的输入途径可能更加广泛[29]。而部分草地土样也表现出了较高的氮含量,证明根系使土壤保持氮元素能力有所提高。植物的根系是影响土壤侵蚀的重要因素[30],植物根系能够提高土壤的抗侵蚀性、抗剪切性以及对土壤起到锚固等作用[31]。草地浅层根系更加发达,这使得草地土壤养分保持能力更强。经过土壤中微生物的分解作用促进了土壤氮素的积累。耕地作为典型的人类活动区域,受外界因素的制约更加明显,氮素的输入更加依赖于人工氮肥的施用,同时由于翻耕等耕作方式的影响,易造成氮肥的转化挥发,逸散到大气中造成氮肥损失。以土壤TN含量1.00 mg/g为丰缺指标[4],并结合全国第二次土壤普查标准[28],3种土地利用类型中土壤TN均属1级,处于较高水平。
土壤TP垂直变化较小,可能原因是磷素在地壳中迁移量较小[32],在同一地域内,磷素空间及深度分布并无明显差异。由表4可知,林地深层土壤TP含量大于上层,综合林地土壤及养分侵蚀情况,林地土壤TP流失量较小,由此可推断林地植物对P的利用率较高,也揭示了林地土壤TP流失量与土壤侵蚀量相关性较低的原因。耕地TP含量高于其他两种土地利用类型,且分布并不均匀,主要是化肥的施加造成短时间内土壤磷素的增加,加上耕作措施及时间的不同,空间分布并不均匀。在土壤侵蚀量接近的情况下,土壤中较高的TP含量致使耕地TP流失量也明显高于草地、林地。各用地类型中,土壤TP含量明显低于丰缺指标1.50 mg/g [4],但是由全国第二次土壤普查标准[28]可知,耕地处于2级,属于良好水平; 林地、草地处于4级,属于较低水平。
土壤C/N它是反映土壤质量评价的敏感指标,较低的C/N能够推进微生物的生命活动以及土壤有机质矿化作用[25,33-36]。林地平均C/N低于草地、耕地,表明林地对土壤改良作用更为明显,有助于C,N的积累[25],与土壤TOC含量及C/N结果一致,尤其是林地上层土壤中,具有明显的C富集现象。不同土地类型中,C/N的差异表明了土地利用方式的变化对土壤C/N具有一定的影响。3种土地利用类型C/N均小于中国亚热带平均值(12.1)[37],表明土壤有机质具有更快的矿化速率,在植物生长过程中,能够保证土壤养分的供应。林地、草地的N/P高于亚热带土壤N/P平均值(6.4)[37],但3种土地利用类型均低于14,植物生长主要受N影响[38]。土壤C/P高低对植物生长发育具有重要的影响[25]。C/P上下层差异在林地、草地中表现较为明显,也表明上层C含量较高,出现富集现象。C/N,C/P数值大小受土壤TOC含量主导。耕地C/P相对林地、草地较低,表明耕地P素有效性较高,耕地受人类影响较大,化肥的使用使土壤有效磷含量高于自然水平。我国亚热带土壤的C/P为78 [37]。本研究的3种用地类型平均C/P均低于该值,表明研究区内土壤中P素可利用性较高。土壤侵蚀与土壤养分化学计量特征并无直接相关性,但与TOC,TP流失量密切相关,可能是土壤养分在不同样点中分布各有差异,土壤侵蚀的空间差异性受用地类型影响。土壤侵蚀与土壤养分化学计量特征均与养分流失密切相关,由此可推断,土壤侵蚀通过影响养分流失,可能对化学计量特征产生间接影响。
(1)不同土地利用方式影响土壤侵蚀程度,研究区土壤侵蚀大小关系表现为耕地[1 538.74 t/(km2·a)]>草地[1 308.82 t/(km2·a)]>林地[81.88 t/(km2·a)],3种用地类型下平均侵蚀处于轻度侵蚀到中度侵蚀之间,草地、耕地土壤侵蚀模数约是当地容许土壤侵蚀量的2.6~3.1倍,土壤侵蚀现象依然严重。
(2)不同土地利用方式对土壤养分含量分布和流失量具有一定影响,土壤侵蚀与养分流失关系密切。TOC,TN,TP流失量大小分别为草地27.87 t/[km2·a)]>耕地[24.19 t/(km2·a)]>林地[2.19 t/(km2·a)]; 草地[4.80 t/(km2·a)]>耕地[3.46 t/(km2·a)]>林地[0.45 t/(km2·a)]; 耕地[1.36 t/(km2·a)]>草地[0.50 t/(km2·a)]>林地[0.06 t/(km2·a)],林地中3种养分的流失量均为最小,反映出林地对土壤侵蚀及养分流失减缓程度明显。并且3种土地利用类型中,除林、草地土壤TP处于4级水平外,其他养分均处于3级以上水平,表明土壤虽受侵蚀影响但养分状况仍相对良好。
(3)土壤养分化学计量特征与土壤侵蚀并无直接关系,但土壤侵蚀通过影响养分流失进而对土壤化学计量特征产生影响。土壤C/N为耕地(6.95)>草地(6.14)>林地(3.14); 土壤N/P为林地(10.99)>草地(10.07)>耕地(4.82); 土壤C/P为草地(57.47)>林地(39.94)>耕地(27.55),较低的C/N和C/P表明土壤有机质矿化速率较快,并且磷的有效性较高,较低的N/P表明植被生长在一定程度上主要受N元素影响。