易芬，邓艳，洪涛，谢运球，吴松，柯静
1) 中国地质科学院岩溶地质研究所，广西岩溶动力学重点实验室/自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室，广西桂林，541004；
2) 中国地质大学(武汉)，武汉，430074; 3) 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林，541006
内容提要: 以石漠化问题突出区域——广西平果县太平镇耶圩火龙果种植园不同岩性背景(白云岩、碎屑岩)和不同种植年限(1、3、5a)土壤为研究对象，采用相关性分析和冗余分析方法探讨了不同岩性背景和火龙果种植年限下土壤碳、氮、磷生态化学计量特征及其影响因素。结果表明：①白云岩区土壤全磷含量显著高于碎屑岩区，而土壤有机碳含量、生态化学计量比(C/N、C/P和N/P)显著低于碎屑岩区；
且白云岩和碎屑岩背景下的生态化学计量比(5.96、11.78、1.96和8.71、19.78、2.28)均远低于全国水平。②随着火龙果种植年限的增加，土壤有机碳、全氮含量和C/N、C/P、N/P呈现出逐渐增加的趋势，而土壤有效氮、全磷和有效磷含量无显著变化规律。随着土层深度增加，土壤有机碳、全氮、有效氮含量和C/N、C/P、N/P均增加，而土壤全磷含量无明显变化规律。③土壤C/N和C/P与有机碳、有效氮均呈显著正相关(P<0.01)，而与土壤水分、容重呈显著负相关，土壤N/P与全磷呈显著负相关。④冗余分析表明不同岩性背景和火龙果种植年限下土壤有效氮含量是土壤碳、氮、磷及其生态化学计量比的重要影响因子，且呈显著正相关关系(P<0.01)。白云岩背景下火龙果的生长受到氮元素的影响更大，长期火龙果种植有利于碳、氮元素固存，土壤有效氮含量是影响土壤碳、氮、磷及其生态化学计量比的关键因子。
广西省平果县火龙果种植产业是广西省最大、全国著名的火龙果生产基地(覃世喜，2020)。该区域是典型的大石山区，石漠化问题突出。据2011年广西第二次石漠化监测成果统计，平果县现有岩溶面积156686 hm2，占全县总面积63.03%。石漠化面积达到64575 hm2，占岩溶面积的41.2%(陈颜，2017)。岩溶区石漠化是一种土地退化现象，主要是由人类活动导致的水土流失或漏失、基岩大面积裸露和地表土不连续等问题，生态系统脆弱，严重制约社会经济发展(李瑞和盘礼东，2021)。火龙果耐瘠耐旱、适应性强(刘友接和刘荣章，2018)，种植火龙果可以涵养水源、避免水土流失、改善石漠化现象，还能推动区域经济发展(陈颜，2017)。近些年平果县火龙果种植规模不断扩大，不合理的种植和管理技术导致果园土壤退化，不利于火龙果种植业的可持续性发展。
前人对土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征的研究较多，但对不同岩性背景和不同种植年限下碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征研究相对较少。本研究以石漠化问题突出的广西平果县为研究对象，分析了白云岩、碎屑岩2种不同岩性背景下火龙果种植年限为1、3、5 a的土壤碳、氮、磷及其生态化学计量特征，为火龙果种植产业区养分受限元素判定、石漠化区生态产业的可持续发展提供科学依据和理论指导。
1.1 研究区概况
研究区位于广西平果县太平镇耶圩火龙果(HylocereusundulatusBritt)种植园(23°23′34″～23°37′26″N，107°24′41″～107°37′59″E)，面积为48 hm2，其中火龙果种植面积约14 hm2，属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨(图1)。年平均气温为20.0℃，年平均降雨量为 1321.9 mm，年平均积温为8040.0℃。研究区位于太平向斜的东北翼、海城—坡造(龙怀)短轴背斜的西南翼。地层岩性以碳酸盐岩为主，主要出露有石炭系、二叠系、三叠系碳酸盐岩(灰岩、白云岩)。区内土壤为典型的红壤、黄壤，局部(洼地、谷地的低洼处)有黑色、灰色沼泽土、灰白色湖积土。在谷地底部的河流两旁，多形成冲击、洪积砂砾石和黏土、亚粘黏土、亚砂土等。其中，在峰丛洼地石山坡地，土壤层薄，多石漠化；
在洼地底部、谷地中，土壤层较厚，尤其在碳酸盐岩与碎屑岩(夹层)交界处低洼处，土壤层厚度甚至可达到5 m以上，为区内农业种植奠定了基础。
图1 平果县太平镇耶圩火龙果种植园采样点分布图Fig. 1 Distribution map of soil sampling points in Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County, Guangxi
1.2 试验设计
本研究根据2种不同岩性(白云岩和碎屑岩)及3种不同火龙果种植年限(1、3、5 a)共选取6个样地，基本情况如表1所示。2020年9月，在各个样地随机选取1 m×1 m的样方，用铁锹挖深80 cm土坑，按从下往上的顺序每20 cm采集1个土壤样品，每层采集混合土样约1 kg。采集的样品带回实验室自然风干，去除沙石和根系等杂质后过100目尼龙筛，用于土壤理化性质的测定。表2为岩性含量值，其中岩石总氮采用半微量开氏法测定，硼根据陶瓷熔块釉化学分析方法测定(GB/T 16537-2010)，其他指标均采用X射线荧光光谱化学分析——熔铸玻璃片法测定(GB/T 21114-2019)。
表1 广西平果太平镇耶圩火龙果种植园采样地基本信息Table 1 Basic information of the sample site in Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County, Guangxi
表2 广西平果太平镇耶圩火龙果种植园岩性含量值Table 2 Lithologic content values of Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County
1.3 土壤样品分析
土壤EC、土壤水分现场采用土壤水分温度电导率速测仪(英国Delta-T公司，型号HW07-WET)测定，其他指标均在实验室测定。其中，土壤pH、容重分别采用电位法和环刀法测定；
土壤钙、镁含量采用氢氟酸—高氯酸消解法测定；
土壤硼含量采用硝酸—过氧化氢—盐酸常压消解，电感耦合等离子体发射光谱法测定；
土壤有效硼含量采用沸水浸提—甲亚胺比色法测定；
土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化—外加热法测定；
土壤全氮含量测定采用凯式定氮法测定；
有效氮含量采用碱解扩散法测定；
土壤全磷含量测定采用钼锑抗比色法测定；
有效磷含量采用碳酸氢钠浸提法测定。
1.4 数据分析
运用Microsoft Office Excel 2016 进行数据处理和初步分析；
利用 SPSS 17.0 软件进行Pearson相关分析、单因素方差分析及LSD(多重比较)；
采用Canoco 5.0软件对土壤C/N、C/P、N/P与土壤基本理化性质进行冗余分析(RDA)；
运用Origin 2018软件进行图表绘制，表中数据表现形式为平均值±标准差，图中数据表现形式为平均值±标准误差。
2.1 土壤理化性质特征
对不同岩性土壤样品中各指标进行描述性统计分析(表3)，白云岩区土壤pH值、硼和钙含量(5.88、171.5×10-6、0.10‰)显著高于碎屑岩区(4.70、132.7×10-6、0.03‰)，而白云岩区土壤有机碳、有效氮含量和C/P值(7.85‰、83.0×10-6、11.78)显著低于碎屑岩区(11.20‰、130.2×10-6、19.78)。另外，白云岩和碎屑岩背景下的土壤水分、pH、容重、钙、镁、硼、有机碳、有效氮、全磷、C/N、C/P和N/P有显著差异(P<0.05)。
表3 广西平果太平镇耶圩火龙果种植园不同岩性背景下土壤理化指标描述性分析Table 3 Descriptive analysis of soil physical and chemical indexes under different lithological backgrounds in Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County
白云岩区土壤各项指标中有效磷的变异系数最大，为0.64，属于中等变异。碎屑岩区土壤各项指标中有效磷和钙的变异系数达到了1.35和1.91，属于强变异。两个岩性土壤中变异系数最小的指标均是容重，为0.02，属于弱变异。
2.2 不同火龙果种植年限土壤理化性质特征
2.2.1 不同火龙果种植年限土壤理化性质的差异
对不同种植年限的土壤理化性质进行单因素方差分析及LSD(多重比较)，再采用字母标记法标记不同种植年限间的显著差异性。结果表明(表4)，随着种植年限增加，土壤EC、水分、钙、镁、硼、有机碳、全氮含量和C/N、C/P、N/P呈现上升趋势，其中土壤EC、镁、硼、全氮含量和N/P差异性显著(P< 0.05)，土壤硼含量的增量最快，平均每年增加9.94%。
2.2.2不同火龙果种植年限下土壤碳、氮、磷含量剖面变化特征
图2 广西平果县太平镇耶圩火龙果种植园白云岩区、碎屑岩区不同种植年限下土壤碳、氮、磷含量变化Fig. 2 Changes of soil C, N and P contents under different planting years in dolostone andclastic rock areas, Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County误差线为标准误差；
种植年限为1a、3a、5a的数据两两比较，比较的两组数据中若有一个相同标记
两个岩性背景下的土壤有机碳和全氮含量均随种植年限增加而增加，而全磷含量无显著变化趋势，说明火龙果种植年限的增加有利于土壤碳氮固持，但对全磷含量变化的影响较小。在土壤剖面上，两个岩性背景下土壤有机碳和全氮含量均随土壤土层深度增加而降低，全磷含量无明显变化规律，说明土壤有机碳和全氮有明显的表层聚集现象。
2.2.3不同火龙果种植年限下土壤有效氮、有效磷
含量剖面变化特征
白云岩和碎屑岩背景下土壤有效氮和有效磷含量均随种植年限增加无显著变化规律(图3)。在土壤剖面上，两个岩性背景下土壤有效氮含量均随土层加深逐渐减小；
白云岩区土壤有效磷含量无明显变化规律，碎屑岩区土壤有效磷含量主要积聚在表层，占整个土壤剖面的78.33%。
图3 广西平果县太平镇耶圩火龙果种植园白云岩区、碎屑岩区不同种植年限下土壤有效氮磷含量变化Fig. 3 Changes of soil available nitrogen and phosphorus contents under different planting years in dolostone and clastic rock areas, Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County
表4 广西平果太平镇耶圩火龙果种植园不同种植年限下土壤理化指标含量
2.2.4不同火龙果种植年限下土壤生态化学
计量比剖面变化特征
两个岩性背景下的土壤C/N、C/P和N/P均随火龙果种植年限增加逐渐增加，且土壤C/N均值变化范围(7.18～7.50)较小，说明火龙果种植年限对土壤C/N的影响较小。在土壤剖面上，总体说两个岩性背景下的土壤C/N和C/P均随土层增加而减少，土壤N/P无明显变化规律。
2.3 土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的Pearson相关系数
由土壤养分指标相关性表明(表5)，土壤C/N与有机碳、有效氮和有效磷呈极显著正相关(P<0.01，下同)，与全氮呈显著正相关(P<0.05，下同)，与土壤水分、pH、容重和硼呈极显著负相关。土壤C/P与有机碳、有效氮呈极显著正相关，与全氮、有效磷呈显著正相关；
而与土壤容重、水分呈极显著负相关，与pH和硼呈显著负相关。土壤N/P与全氮呈显著正相关，与全磷呈极显著负相关。
表5 广西平果太平镇耶圩火龙果种植园土壤指标相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil indexes of Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County
图4 广西平果县太平镇耶圩火龙果种植园白云岩区、碎屑岩区不同种植年限下土壤生态计量比变化Fig. 4 Changes of soil ecometric ratio in dolostone and clastic rock areas, Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County, under different planting years
2.4 土壤碳、氮、磷及其生态化学计量比的影响因素
以土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比为响应变量，以土壤EC、水分、pH、容重、钙、镁、硼、有效硼、有效氮、有效磷为解释变量，对不同岩性背景和火龙果种植年限分别进行冗余分析(RDA)，解释变量对响应变量的解释量越高，该解释变量对响应变量的影响越大。总体数据显示(图5a)，引起土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的主要影响因素排序为：有效氮>钙>镁，有效氮含量极显著影响土壤碳、氮、磷及其生态化学计量比，解释量达到70.4%。
不同岩性背景下土壤理化性质指标对土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的主要影响因素大小排序存在差异，其中，白云岩区为有效氮>EC>硼(图5b)，碎屑岩区为有效氮>钙>水分(图5c)，两个岩性背景下的有效氮均与土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比呈极显著正相关，解释量分别为62.7%和49.7%。
不同火龙果种植年限下，土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比在前两个排序轴解释量均达到了90% 以上。在火龙果种植年限1a、3a和5a下，引起土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的主要影响因素排序分别为有效氮>水分>EC(图5d)、有效氮>钙>有效硼(图5e)和有效氮>镁>水分(图5f)，不同种植年限下有效氮均与土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比呈极显著正相关，解释量分别为88.5%、66.6%和90.0%。
图5 广西平果县太平镇耶圩火龙果种植园不同岩性背景、种植年限下土壤碳、氮、磷含量及其生态计量比的冗余分析Fig. 5 Redundancy analysis of soil C, N, P contents and their ecometric ratios of Yexu Hylocereus undulatus Britt plantation, Taiping Town, Pingguo County, under different lithologic backgrounds and planting years (a) 总体数据; (b) 白云岩样地; (c) 碎屑岩样地；
(d) 种植年限为1a的样地; (e) 种植年限为3a的样地; (f) 种植年限为5a的样地。
百分数值表示解释量; F表示置换检验统计量; “*”表示显著相关(P<0.05),“**”表示极显著相关(P<0.01)(a) total date; (b) dolostone land; (c) clastic rock land; (d) land with 1 year planting period; (e) land with 3 years planting period; (f) land with 5 years planting period. Percent values represent the amount of interpretation; F stands for the permutation test statistic;“*” represented significant correlation(P<0.05),“**” represented extremely significant correlation(P<0.01)
3.1 不同岩性对土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的影响
不同岩石所含的矿物种类及矿物含量不同，其所提供的养分元素含量差异也会很大，故岩性对土壤养分有较大影响(杨珊等，2010)。一般来说，由于岩溶区土壤中较高的黏土和钙含量，岩溶区有机碳和全氮含量会显著高于非岩溶区(Wang Miaomiao et al.，2018；
杨慧等，2017)。本研究中白云岩区土壤有机碳含量显著低于碎屑岩区，全氮含量无差异，而全磷含量显著高于碎屑岩区，这可能是因为白云岩区土壤层相对浅薄，易通过地表径流或地下漏失(张岚峰等，2021)，使得土壤碳、氮元素的流失，而富钙偏碱性的白云岩区土壤中钙易与难溶性无机磷生成碱式磷酸钙沉淀，使得土壤磷不易淋失(张素霞，2008)。土壤C/N可以反映有机质的分解状况，是氮素矿化能力的标志(王超等，2021)，较低的土壤C/N表明有机质具有较快的矿化作用，土壤有效氮含量较高(张春来等，2020)。土壤C/P也可以反映微生物分解有机质的状况，是磷素释放能力的指标(曾全超等，2016)，土壤C/P较低表明土壤磷有效性较高。土壤N/P是可以作为限制氮磷养分判断的重要指标，一般认为当N/P<14时，植物生长受到氮元素的限制；
当N/P在14～16时，植物受到氮磷元素共同限制；
当N/P>16时，植物受到磷元素的限制(彭佩钦等，2005；
刘愿等，2019)。本研究白云岩区土壤的C/N、C/P和N/P(5.96、11.78、1.96)小于碎屑岩区(8.71、19.78、2.28)，且远小于全国水平(10～12、61、5.2) (Tian Hanqin et al.，2010；
刘愿等，2019；
郭其强等，2019)，说明在相同气候条件下，白云岩(CaMg(CO3)2)区发育的石灰土氮素矿化和磷素释放能力低于碎屑岩区发育的土壤。土壤有机质的减少和黏土含量的增加是石灰土矿化和硝化速率下降的主要原因(Shan Zhijie et al.，2020)。而土壤磷主要来源于岩石风化，同时受到土壤母质的影响(Wang Wenjie et al.，2011)。白云岩中总磷(0.006%)的含量只有碎屑岩(0.06%)的十分之一，且石灰土土层薄且分布不连续，更容易受到水土流失的威胁。此外，白云岩和碎屑岩区火龙果的生长主要受到氮元素的限制，且白云岩区受到氮元素的影响更大，这可能是因为白云岩区 “跑水、跑肥、跑土”问题严重，施入土壤中的氮肥会经过淋溶、雨水冲刷而流失(张丽敏等，2021)。Shan Zhijie等(2020)也指出长期种植火龙果和砂糖桔等果树会降低岩溶区土壤无机氮供应能力和周转，强调了在岩溶地区长期果树栽培条件下，合理施用有机肥对加速土壤无机氮供应和周转的重要性。
RDA 结果表明，白云岩区与碎屑岩区影响土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的主要因素分别为有效氮、EC、硼与有效氮、钙、水分，其中土壤有效氮含量是极显著影响因子。土壤有效氮能被植物根系直接吸收利用，是大部分植物从土壤中获取氮素的主要形态(赵楚等，2021)。因此，在研究区进行火龙果种植管理时，白云岩区应注意施加有效氮和硼肥施用量，碎屑岩区应注意施加有效氮和钙肥施用量，特别是在白云岩区合理调节无机肥与有机肥配施，促进火龙果品质提高。
3.2 不同种植年限对土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的影响
长期植被种植主要是通过增加地表凋落物、根系生物和根系分泌物而显著提高土壤碳、氮、磷及其生态化学计量比(Huang Zhiqun et al.，2011；
Deng Lei et al.，2016)。本研究中，随火龙果种植年限增加，土壤有机碳和全氮含量整体呈现增加趋势，而全磷含量无明显变化，这与郭新送等(2021)研究结果类似。不同种植年限火龙果土壤有机碳、全氮含量变化的差异，这可能是由于植被凋落物以及根系的归还使得土壤养分不断聚集，土壤养分随着种植年限不断增加(张富荣等，2021；
沈亚婷等，2013)。在土壤剖面上，土壤有机碳和全氮含量呈现垂直递减趋势，这与张莎莎等(2020)研究结果类似。这是因为土壤有机碳和全氮主要来自凋落的植被，且表层土壤生物活性高，使得有机碳和全氮在表层聚集，再加上植被下层根部吸收利用，从而导致土壤有机碳和全磷含量在土层剖面上表现出垂直分异现象(张雨鉴等，2019)。由于土壤全磷主要来源于岩石的风化，受土壤母质影响大，空间变异性较小(Yang Yuanhe and Luo Yiqi，2011)，致使土壤全磷含量随土壤深度变化差异较小。
土壤C/P和N/P随火龙果种植年限增加而增加，这可能是因为土壤有机碳和全氮增加，全磷相对稳定的缘故，说明表明随着种植年限增加研究区土壤固磷能力不断加强，受到氮元素限制逐渐减小。土壤C/N的变化趋势相对较小，这可能是因为它们组成物质结构时紧密相关(Tian Hanqin et al.，2010；
张富荣等，2021)。
在土壤剖面上，本研究土壤C/N和C/P值随土层深度增加逐渐降低，这与白义鑫等(2020)研究结果一致，这可能是由于表层土壤有大量植被凋落物聚集，从而使得养分在表层土壤富集。土壤N/P值随层深度增加无明显规律变化，这可能是由于土壤氮含量变化范围较小，土壤磷的变化无明显规律。总之，随着种植年限增加，土壤固存碳氮能力、氮素矿化和磷素释放能力不断增强，更有利于火龙果的生长。
果实在不同生长发育时期所需的养分需求不同，因此根据火龙果在不同时期养分分布规律进行定向定量合理配施肥对其果实品质起着重要影响(邓仁菊等，2011)。据调研，研究区火龙果生长旺盛期主要施加水溶性复合肥(氮、磷、钾)及农家肥，在果实成熟期会追施钾肥、镁肥；
水溶肥兑水稀释200倍，采用滴灌的方式施肥，全年每亩合计施肥用水量为 12 m3。施肥后，土壤全氮含量显著增加，但有机碳、全磷、有效氮和有效磷含量均无显著变化，这可能是施用肥料的配比不能有效促进土壤有机质转化为更易被微生物利用的形态，提高养分有效性(赵颖等，2021)。RDA结果表明：对于1年龄火龙果，应加强氮肥施加及注意水分管理，促进树体生长；
对于2～3年龄火龙果，减少氮肥施加，适当施加镁和有效硼等微量元素肥料；
对3年龄以上火龙果，除了施加氮肥外，还需适当补充钙肥。谭梦怡等(2021)研究也表明火龙果生长发育前期着重氮肥施加和水分管理，发育后期着重钙肥施加，同时适当补充镁、硼等微量元素。
本研究中，研究区土壤普遍缺乏氮素，白云岩区土壤全磷含量显著高于碎屑岩区，但土壤有机碳和有效氮含量显著低于碎屑岩区。本研究岩性对土壤养分的影响较大，不同岩性下的土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比有着显著差异。种植年限增加有利于土壤碳氮元素的固存，但仍需要长期的种植来提高土壤肥力。土壤C/P和N/P随种植年限增加而增加，而C/N的增加趋势相对较小。白云岩和碎屑岩区火龙果的生长主要都是受到氮元素的限制，白云岩区火龙果生长受到氮元素的影响更大，有效氮是影响土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的重要影响因子。在广西太平镇耶圩火龙果的种植过程中，应根据不同岩性和果实发育时期合理调节无机肥与有机肥配施，促进火龙果品质提高。
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