楊菁，謝應忠,2*，吳旭東，徐坤

(1.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學草業(yè)科學研究所，寧夏 銀川 750021)

生態(tài)化學計量學(ecological stoichiometry)結合了生物學、化學和物理學等基本原理，包括了生態(tài)學和化學計量學的基本原理，是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學元素(主要是碳、氮、磷)平衡的科學，以及元素平衡對生態(tài)交互作用影響的一種理論，這一研究領域使得生物學科不同層次的研究理論能夠有機地統(tǒng)一起來[1]。C、N、P是植物生長的主要化學元素，C是構成植物體內(nèi)干物質的最主要元素[2]，而N和P是各種蛋白質和遺傳物質的重要組成元素。作為重要的生理指標，C∶N和C∶P反映了植物生長速度[3]，并與植物對N和P的利用效率有關，N∶P可以作為對生產(chǎn)力起限制性作用的營養(yǎng)元素的指示劑[4]。土壤作為植物生長所需養(yǎng)分的主要來源，對調節(jié)植物生長具有重要作用[5]。因此，生態(tài)化學計量學的提出為探究植物與土壤之間的C、N、P相關性及植物生長與養(yǎng)分供應的關系提供了有效手段[6]。

紫花苜蓿(Medicagosativa) 有“牧草之王”的美稱[7]，其對于保持水土、改善土壤結構、增強土壤肥力等方面發(fā)揮著極為重要的作用[8]，尤其在西北生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)修復和畜牧業(yè)發(fā)展中具有重要意義[9]。

目前，國內(nèi)外在生態(tài)化學計量學方面的研究已取得了一系列成果和進展，但研究大多集中在對植物C、N、P生態(tài)化學特征的一些研究，以及不同演替階段優(yōu)勢物種植物C、N、P及生態(tài)化學計量特征[4]的研究等方面。而對探究土壤養(yǎng)分與植物養(yǎng)分之間的關系及規(guī)律方面研究較少。由此本文對不同種植年限人工苜蓿地植物和土壤C、N、P及化學計量特征進行分析，以期揭示C、N、P隨著年限的變化在植物與土壤中的交換過程和格局，從而為該區(qū)域科學施肥，制定合理的輪作周期以及評價高產(chǎn)栽培條件下紫花苜蓿改良土壤的效應提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)為典型的溫帶半干旱氣候，年平均氣溫8.5～9.0℃，≥10℃有效年積溫3135～3272℃，晝夜溫差10～15℃，年平均降水量在180～200 mm，無霜期150 d左右，年日照時數(shù)3030 h，日照率67%，為賀蘭山東麓沖積扇與黃河沖積平原之間的寬闊地帶。試驗在賀蘭山農(nóng)牧場進行，地理坐標為38°32′ N，106°05′ E，土壤為淡灰鈣土，為當?shù)刂饕寥李愋?。土壤全鹽含量0.76 g/kg，全氮含量0.84 g/kg，有機質含量11.04 g/kg，堿解氮73.68 mg/kg，速效磷13.80 mg/kg，速效鉀111.76 mg/kg，pH 8.42。農(nóng)場目前種植苜蓿面積約2.7萬hm2，種植年齡最長的為8年，最短的為1年，生長季內(nèi)每月中旬刈割，共刈割4次，全部采用揚黃灌溉，每年苜蓿地均施40 kg/hm2尿素,12 kg/hm2磷肥,3.5 kg/hm2鉀肥。

1.2 樣地選取

于2012年7月選取賀蘭山農(nóng)牧場不同種植年限的紫花苜蓿地(1，3，4，5，8年)，供試紫花苜蓿品種為阿爾岡金(Algonquin)，由美國引進。試驗田為2004，2007，2008，2009，2011 年春播的紫花苜蓿地，地力及栽培管理一致(表1)。

表1 土壤采樣點0～20 cm基本信息Table 1 Characteristics of soil sampling sites

1.3 土壤和植物的取樣方法

2012年7月下旬在各個樣地內(nèi)(表1)，采用土鉆法，按“S”形取土壤樣品，每塊樣地為3個重復，取樣深度為0～20 cm，每10 cm一層。每層均為5點混合樣，每個采樣點取樣3個重復。同時，在上述5個樣地內(nèi)進行了植物樣品的采集，每塊樣地隨機選取3個50 cm×50 cm的樣方進行取樣，為了消除取樣誤差,植物樣品均是采集的當年生成熟健康葉片。所有樣品帶回實驗室分析。

1.4 土壤和植物的測定方法

在測定前，土壤樣品自然風干，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，過0.25 mm 篩,用于測定土壤有機碳、土壤全氮及土壤全磷，每一測定項目做3個重復。植物樣品是將每個樣地20株植株上的新鮮葉片和莖分別裝入牛皮紙信封袋內(nèi)自然風干至恒重。土壤和植物樣品的有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定[10]，全氮采用半微量凱氏法[10]，全磷采用鉬銻抗比色法[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，用統(tǒng)計分析軟件SAS 8.0對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(LSD法)和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤C、N、P含量及化學計量比

土壤C、N、P含量在各種植年限間均存在顯著差異(P<0.05)(圖1A)。隨著苜蓿種植年限增加，土壤C、N含量呈先升后降的趨勢，土壤C含量在種植5年時最高(29.69 g/kg)，種植8年時最低(22.69 g/kg)，土壤N含量由高到低依次為3年>1年>4年>5年>8年。土壤P含量與土壤C、N含量變化規(guī)律相反，在種植8年時最高(2.90 g/kg)，種植4年時最低(1.17 g/kg)。

土壤C∶N在各年限間無顯著性差異(圖1B)，土壤C∶N與C∶P在種植1～5年時呈“金字塔”式分布；土壤C∶P除種植1年外， 種植8年與其他年限間有顯著性差異；N∶P在3～8年間呈“倒金字塔”分布模式，在種植8年時最低(0.52)，種植3年與4年、5年與8年間有顯著性差異，其余年份間無顯著性差異(圖1B)。

圖1 不同種植年限苜蓿地土壤碳、氮、磷含量及化學計量比Fig.1 C, N and P concentrations and stoichiometry of soil at different plantation ages柱狀圖頂部的不同字母表示存在顯著性差異(P<0.05)。 Different letters indicate significant difference at P<0.05.

2.2 苜蓿葉片C、N、P含量及化學計量比

不同種植年限苜蓿葉片C含量范圍為336.43～383.23 g/kg，種植1年時最高，3年時最低，種植1年與4年、5年間無顯著性差異，與3年、8年間有顯著性差異。葉片N含量由高到低依次為5年>3年>4年>8年>1年，3年、4年與5年之間無顯著性差異，其與1年有顯著性差異。葉片P含量范圍為1.53～2.57 g/kg，種植3年時最高，種植5年時最低，5年與8年間無顯著性差異，與其他年份有顯著性差異，3年與4年間無顯著性差異。

不同種植年限苜蓿葉片C∶N由高到低依次為1年>4年>5年>8年>3年，3年與其他年份間有顯著性差異，1年與4年無顯著性差異。苜蓿葉片C∶P和N∶P的變化趨勢一致，均是種植5年最高，種植3年最低。葉片C∶P中，3年與其他年份有顯著性差異；葉片N∶P中，5年與8年間無顯著性差異，與其他年份有顯著性差異(表2)。

表2 植物C、N、P 含量及化學計量比Table 2 C, N, P concentrations and stoichiometry of plant at different plantation ages

注：不同小寫字母表示不同種植年限差異顯著(P<0.05)。

Note： Different small letters indicate significant difference atP<0.05.

2.3 苜蓿莖C、N、P含量及化學計量比

不同種植年限苜蓿莖的C含量從高到低依次為：4年>5年>3年>8年>1年，4年與其他年份間有顯著性差異，1年與8年間無顯著性差異。苜蓿莖N含量與葉片N含量的變化規(guī)律相反，種植1年時最高，種植3年時最低，1年與8年無顯著性差異，與其他年份有顯著性差異。苜蓿莖的P含量范圍為1.34～2.32 g/kg，種植8年時最高，種植5年時最低，除了8年外，其余年份間無顯著性差異，8年與3年、4年間有顯著性差異。

不同種植年限苜蓿莖的C∶N呈先升后降的變化規(guī)律，種植4年時最高，種植1年時最低，4年與3年、5年間無顯著性差異，與1年、8年間有顯著性差異。苜蓿莖的C∶P和N∶P變化規(guī)律一致，在種植5年時最高，種植8年時最低，且均是5年與其他年限有顯著性差異，而其他年份間無顯著性差異(表2)。

2.4 植物與土壤C、N、P 間的關系

2.4.1植物葉片與土壤C、N、P間的關系 通過對不同種植年限苜蓿葉片與土壤C、N、P及化學計量比的相關分析，從表3可以看出：土壤C與土壤P顯著負相關(P<0.05)，土壤N與葉片P顯著正相關(P<0.05)，與葉片C∶P顯著負相關(P<0.05)；土壤N∶P與葉片N顯著正相關(P<0.05)；葉片C∶P與葉片N∶P極顯著正相關(P<0.01)；葉片P與葉片C∶P及葉片N∶P極顯著負相關(P<0.01)。

表3 不同種植年限苜蓿葉片與土壤C、N、P的關系Table 3 Relationships of C， N， P between leaf and soil at different plantation ages

注：**相關性在0.01水平上顯著，*在0.05水平上顯著，下同。

Note： ** shows the significant correlation at the 0.01 level, and * means at the 0.05 level, the same as below.

2.4.2植物莖與土壤C、N、P間的關系 通過對不同種植年限苜蓿莖與土壤C、N、P及化學計量比間的相關分析，從表4可以看出：土壤C與莖稈P極顯著負相關(P<0.01)，與莖稈C、莖稈C∶N、莖稈C∶P及莖稈N∶P顯著正相關(P<0.05)。土壤P與莖稈N和莖稈C∶N分別顯著正相關(P<0.05)和顯著負相關(P<0.05)。土壤C∶P與莖稈C、莖稈C∶N及莖稈C∶P顯著正相關(P<0.05)，與莖稈N顯著負相關(P<0.05)。莖稈C∶P與莖稈N∶P呈極顯著正相關性(P<0.01)。

3 結論與討論

植物枯落物是苜蓿草地土壤C的重要來源，土壤C含量隨種植年限的增加而增加，在5年時達到峰值，這表明種植苜蓿對土壤C有累積作用，能夠改良土壤，提高土壤肥力，而在8年時降低是由于種植年限過長導致苜蓿平均蓋度下降，高頻刈割造成枯落物還田減少[11]，以及實驗期間適宜的水熱條件加速了土壤有機質的分解等綜合因素的作用。土壤N含量的變化受苜蓿根際土壤固氮力的影響顯著，邰繼承等[12]研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿的根際土壤固氮力隨種植年限的增加呈先增后減的趨勢，并在3年時達到最大值，本文的研究結果與此一致。苜蓿作為一種大量需P的作物[13]，隨著種植年限的增加，土壤P含量呈先降后升的趨勢，這主要受苜蓿生長期內(nèi)對P的吸收規(guī)律影響。

表4 不同種植年限苜蓿莖與土壤C、N、P的關系Table 4 Relationships of C， N， P between stem and soil at different plantation ages

苜蓿葉片P含量隨種植年限的增加呈先升后降的趨勢，這與葛選良等[13]對不同生長年限紫花苜蓿需磷規(guī)律研究結果相同。植物的C∶N和C∶P除與植物體中養(yǎng)分含量高低有關，也與植物的生長速度改變有關。本實驗中在苜蓿生長旺盛的1～4年，葉片的C∶P明顯下降，而隨著植株逐漸進入平穩(wěn)到衰老期的5～8年，葉片的C∶P明顯上升，這也與Agren[3]關于較低的C∶P反映了分配到rRNA中P的增加，用以滿足植物快速生長需要的結論相佐證。按照對歐洲濕地植物[14]和Güsewell[15]的植物N∶P限制性養(yǎng)分判斷標準，本實驗苜蓿地均為N限制，或N和P共同作用。但是本實驗中苜蓿葉片N∶P和C∶P與葉片P含量呈顯著負相關，而與葉片N含量無顯著相關性(表3)，說明本實驗中苜蓿生長主要受到P含量的影響。這是由于苜蓿的生物固氮作用能有效保證其對N的需求[16]，而P以多種方式參與植物的生長發(fā)育和新陳代謝[17]的同時，連年的高頻刈割導致大量磷素被轉移出農(nóng)田系統(tǒng)，造成P元素的供需矛盾。另外，包括我國草地在內(nèi)的中國區(qū)域的植被普遍受到P限制[18]，也是一個很好的佐證。苜蓿莖作為連接土壤和葉片的中間部分，其各養(yǎng)分含量基本均高于土壤而低于葉片，變化趨勢與土壤養(yǎng)分變化規(guī)律相似，變化幅度小于葉片養(yǎng)分。土壤P與莖的C、N、P及化學計量特征均有一定的相關性，這也都印證苜蓿生長受到P元素的影響。所以在寧夏賀蘭山東麓淡灰鈣土區(qū)的人工苜蓿草地，在種植到一定年限或頻繁刈割后，應適當增施P肥，以保證植株的良好生長，促進土壤與植物中營養(yǎng)物質的良性循環(huán)。