王傳杰,王齊齊,徐　虎,高洪軍,朱　平,徐明崗,張文菊,*

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室,北京　100081 2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源中心,長春　130033

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,土壤有機質(zhì)(包含有機碳,Soil Organic Carbon, SOC; 有機氮,Soil Organic Nitrogen, SON; 有機磷,Soil Organic Phosphorus, SOP)的循環(huán)不僅是生物地球化學(xué)循環(huán)最基本的過程,也是衡量土壤肥力的重要指標[1]。而土壤微生物是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動者,參與土壤有機質(zhì)分解和腐殖質(zhì)形成以及氮磷養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的相關(guān)過程,并調(diào)控土壤中能量平衡與各種酶活性[2]。而且在全球變化加劇背景下,這些過程之間也存在著極其復(fù)雜的相互作用關(guān)系。因此,越來越多的研究者運用生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的方法來研究和評估碳氮磷在土壤、有機質(zhì)及微生物中的循環(huán)特征及其相互作用關(guān)系。

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是一門研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡和多種化學(xué)元素(主要是C、N、P)平衡等對生態(tài)交互作用的科學(xué)[3- 5],是研究碳、氮、磷元素在土壤、有機質(zhì)和微生物間的相互作用關(guān)系的一種綜合分析手段。大數(shù)據(jù)整合分析表明全球范圍內(nèi)土壤C∶N∶P比約為186∶13∶1到287∶17∶1之間[6- 7]。Tian等[8]發(fā)現(xiàn)我國土壤C∶N∶P比值約為60∶5∶1,有機土壤表層(0—10 cm)C∶N∶P比為134∶9∶1。許泉等[9]發(fā)現(xiàn)我國農(nóng)田土壤C∶N比在7—13之間。通常情況下,土壤腐殖質(zhì)C∶N∶P比相對穩(wěn)定,全球平均值在10000∶ 833∶200左右[10]。消費者驅(qū)動營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)理論認為有機體在攝取營養(yǎng)物質(zhì)滿足自身需求的同時,又促進了營養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)循環(huán)[11- 12]。因此,土壤碳氮磷和微生物生物量碳氮磷內(nèi)部之間存在顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系[6,13]。不同研究表明全球范圍內(nèi)微生物生物量的C∶N∶P比分別為60∶7∶1[6]或42∶6∶1[7],Li等研究表明我國南方農(nóng)田土壤微生物生物量C∶ C∶ P比為70.2∶6∶1[13]。

內(nèi)穩(wěn)性是指生物體在變化的營養(yǎng)環(huán)境中(包括食物)保持其自身化學(xué)元素組成恒定的能力[14],它是生態(tài)化學(xué)計量學(xué)存在的前提[3]。Xu等[15]對全球土壤和微生物生物量碳、氮、磷進行大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),與草地、森林等自然生態(tài)系統(tǒng)相比,農(nóng)田土壤微生物生物量的內(nèi)穩(wěn)性最弱。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,不同施肥條件下由于養(yǎng)分投入狀況的差異,會對土壤微生物造成不同程度的養(yǎng)分限制[4],影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性,對有機碳和養(yǎng)分(N和P)在土壤、有機質(zhì)、微生物連續(xù)體之間的循環(huán)也會產(chǎn)生不確定的影響, 進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[16- 22]。為了深入了解養(yǎng)分輸入對農(nóng)田土壤碳、氮、磷化學(xué)計量學(xué)特征的影響,本研究依托農(nóng)田長期定位施肥試驗,分析長期不同施肥條件下土壤、有機質(zhì)、微生物生物量碳氮磷含量特征及其化學(xué)計量比,揭示其關(guān)鍵的內(nèi)在關(guān)系,為農(nóng)田養(yǎng)分調(diào)控和土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　樣地概況

本研究土壤樣品采自試驗地位于吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的黑土長期施肥試驗基地(124°48′33.9″ E, 43°30′23″ N)。該試驗地處溫帶半濕潤區(qū),海拔220 m,年平均氣溫4—5 ℃,無霜期125—140 d,有效積溫2600—3000 ℃,年降水量450—600 mm,年蒸發(fā)量1200—1600 mm,年日照時數(shù)2500—2700 h。試驗地為中層黑土,成土母質(zhì)為第四紀黃土狀沉積物。

該長期定位施肥試驗始于1990年,初始耕層基本性質(zhì)：有機質(zhì)22.8 g/kg,全氮1.40 g/kg,全磷(P2O5)1.39 g/kg,全鉀(K2O)22.1 g/kg,堿解氮114 mg/kg,速效磷(P2O5)27 mg/kg,速效鉀(K2O)190 mg/kg,pH值7.6。一年一熟玉米連作,常規(guī)耕作。本研究選取以下9個處理：(1)撂荒(不耕作、不施肥,CK0)；(2)不施肥(CK)；(3)氮(N)；(4)氮磷(NP)；(5)磷鉀(PK)；(6)氮磷鉀(NPK)；(7)低量氮磷鉀+低量有機肥,與處理(6)等氮量施肥(MNPK)；(8)1.5倍處理(7)的施肥量(1.5MNPK)；(9)低量氮磷鉀+秸稈還田(SNPK)。小區(qū)面積400 m2,詳見表1。

表1　不同處理的施肥量/(kg/hm2)

CK0:撂荒,fallow; CK:不施肥,no fertilization; N:化學(xué)氮肥,chemical nitrogen fertilizer; NP:化學(xué)氮磷肥,chemical nitrogen and phosphorus fertilizer; PK:化學(xué)磷鉀肥,chemical phosphorus and potassium fertilizer; NPK:化學(xué)氮磷鉀肥,chemical nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer; SNPK:化肥配施秸稈, chemical fertilizer and maize straw; MNPK:化肥配施有機肥,chemical fertilizer and livestock manure; 1.5MNPK:1.5倍量化肥配施有機肥,1.5 times as amount as MNPK

1.2　土壤樣品采集與分析

于2016年玉米收獲后,采集所選處理0—20 cm的土壤樣品。每個處理小區(qū)用土鉆進行取樣,多點混合均勻后作為一個樣品,采回的土壤樣品一部分風干后研磨過0.25 mm和0.15 mm篩,分別用于土壤和有機質(zhì)碳氮磷含量的測定,另一部分新鮮土樣于4 ℃冰箱中冷藏保存,用于土壤微生物生物量碳氮磷的測定。

土壤有機碳(SOC)采用硫酸-重鉻酸鉀氧化容量法測定；全氮(TN)采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法測定；全磷(TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定。土壤有機氮(SON)和有機磷(SOP)的測定：過0.15 mm篩的風干土樣,以水土比5∶1(0.1 mol/L HCl)進行酸洗(去除無機氮)。用渦旋混勻器(HYQ-3110)充分混勻,于超聲波清洗器(KQ3200DA型)中超聲震蕩10 min,然后離心5 min(8000 r/min),重復(fù)6—7次,最后用蒸餾水(水土比5∶1)離心(8000 r/min)2—3次,烘干離心后的土樣,研磨過0.15 mm篩[23]。對酸洗后的土樣進行碳、氮測定,方法同上；對未酸洗的土樣采用灼燒—0.2 N H2SO4浸提法進行有機磷測定[24]。

土壤微生物生物量碳(SMBC)、氮(SMBN)采用氯仿熏蒸-容量分析法[25]：熏蒸結(jié)束后將土壤無損轉(zhuǎn)移至塑料瓶中,加入40 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液(水土比4∶1),振蕩30 min后過濾,吸取濾液用Multi N∶C 3100分析儀測定其碳、氮含量,同時用烘干法測定土壤含水量,熏蒸與未熏蒸土壤樣品的微生物生物量碳、氮差值即為所測土壤的微生物生物量碳、氮值。土壤微生物生物量磷(SMBP)采用氯仿熏蒸、0.5 mol/L的NaHCO3在1∶20土水比提取測定無機磷,并以同時測得微生物生物量磷回收率的方法進行測定[26]。

1.3　數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

土壤、有機質(zhì)及微生物生物量的碳氮磷化學(xué)計量比均采用元素質(zhì)量比進行計算。

內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)(Regulation coefficient)采用Sterner等[3]推導(dǎo)出的內(nèi)穩(wěn)性模型y=cx1/H計算。其中,y代表生物體化學(xué)元素濃度或比值,x代表營養(yǎng)物質(zhì)的元素濃度或者比值,c為常數(shù),H代表內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)。若H=1,表明生物體完全沒有保持其自身化學(xué)元素組成穩(wěn)定的控制能力,完全隨環(huán)境變化,即“You are what you eat”模型(即y=x,c=1)；若H<1,表明生物體不具有保持其自身化學(xué)元素組成相對穩(wěn)定的控制能力,隨環(huán)境變化呈部分比例變化,即“Constant Proportional”模型；若H>1,表明生物體具有保持其自身化學(xué)元素組成相對穩(wěn)定的控制能力,同時受環(huán)境的影響；H越大表明這種控制能力越強,當H無窮大時,表明生物體自身的元素組成不受環(huán)境的影響,具有絕對的內(nèi)穩(wěn)性,即“Strict Homeostasis”模型(即y=c,c>0)[3, 27-28]。

采用SPSS Statistics 19.0進行數(shù)據(jù)分析和SigmaPlot 10.0 軟件進行繪圖,不同施肥處理用One-Way ANOVA方法進行差異顯著性檢驗(P<0.05),相關(guān)分析采用Person相關(guān)法。

2　結(jié)果與分析

2.1　長期不同施肥處理后黑土碳氮磷含量和微生物生物量特征

26年化肥配施有機肥處理(MNPK和1.5MNPK)土壤有機碳含量顯著高于撂荒(CK0)、不施肥(CK)等其他處理(P<0.05,下同)。撂荒處理有機碳含量(20.89 g/kg)顯著高于秸稈還田(SNPK)和化肥處理(N、NP、PK和NPK),表明作物種植與收獲加劇了有機碳的消耗,而CK處理有機碳含量最低,為14.00 g/kg(圖1a)。不同施肥處理土壤全氮與有機碳含量呈現(xiàn)相似的規(guī)律,但SNPK處理由于有機氮素的補充,全氮含量顯著高于CK和化肥處理,但顯著低于撂荒處理(圖1b)。由于磷素不參與大氣循環(huán),土壤全磷含量隨著磷投入量的增加而增加,磷投入量相當?shù)幕侍幚?NP、PK和NPK)和SNPK處理全磷含量無顯著差異(0.87—0.97 g/kg)。撂荒和無磷肥處理(CK和N)全磷含量最低,且處理間無顯著差異(0.56—0.64 g/kg)(圖1c)。化肥配施有機肥處理土壤有機磷含量顯著高于其他處理,撂荒處理有機磷含量(0.22 g/kg)顯著高于化肥處理,表明即使有化肥磷的補充,作物種植也加劇了有機磷的消耗。CK、N、PK、NPK和SNPK處理有機磷含量無顯著差異(0.17—0.19 g/kg)(圖1d)。

就土壤微生物生物量而言,長期化肥配施有機物料(秸稈或有機肥)和撂荒處理土壤微生物生物量碳、氮含量(428.28—620.26 mg/kg和68.08—93.80 mg/kg)顯著高于其他種植作物的處理。相對于撂荒處理的微生物生物量氮含量(93.80 mg/kg),有機無機配施顯著降低了微生物生物量氮含量,且不同物料(秸稈或有機肥)和施用量(MNPK和1.5MNPK)間差異顯著,表明即使存在有機氮的輸入,長期作物種植仍顯著降低了微生物生物量氮的水平(圖2a, 2b)。化肥配施有機肥處理土壤微生物生物量磷含量顯著高于撂荒等其他處理,而撂荒處理微生物生物量磷含量(29.69 mg/kg)顯著高于CK、化肥及SNPK處理?；柿淄度?NP、PK和NPK)和SNPK處理微生物生物量磷含量顯著高于無磷肥投入的處理(圖2c)。

圖1　不同施肥處理26年后土壤有機碳、全氮、全磷、有機磷含量差異Fig.1　The content of soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and organic phosphorus after 26 years of various fertilization treatmentsCK0:撂荒,fallow; CK:不施肥,no fertilization; N:化學(xué)氮肥,chemical nitrogen fertilizer; NP:化學(xué)氮磷肥,chemical nitrogen and phosphorus fertilizer; PK:化學(xué)磷鉀肥,chemical phosphorus and potassium fertilizer; NPK:化學(xué)氮磷鉀肥,chemical nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer; SNPK:化肥配施秸稈, chemical fertilizer and maize straw; MNPK:化肥配施有機肥,chemical fertilizer and livestock manure; 1.5MNPK:1.5倍量化肥配施有機肥,1.5 times as amount as MNPK. 不同字母表示不同處理間在5%水平差異顯著(P<0.05)

圖2　不同施肥處理26年后土壤微生物生物量碳、氮、磷含量Fig.2　The content of carbon, nitrogen and phosphorus in microbial biomass after 26 years of various fertilization conditions

2.2　長期不同施肥處理后黑土土壤、有機質(zhì)和微生物生物量碳氮磷化學(xué)計量比特征

長期化肥配施有機物料處理的土壤C∶N比與撂荒、不施肥處理均無顯著差異(10.56—10.89),其顯著低于化肥處理(N、NP、PK和NPK)(11.42—12.39),且化肥處理間無顯著差異(圖3a)?；逝涫┯袡C物料處理有機質(zhì)C∶N比與撂荒處理無顯著差異(10.72—11.27),但顯著低于不施肥和化肥處理(11.40—12.41)(圖3b)。撂荒、不施肥和化肥配施中量有機肥處理(MNPK)微生物生物量C∶N比無顯著差異(6.29—6.84),但化肥的施用(N、NP、PK和NPK)將微生物生物量C∶N比顯著提高到10.30—13.56。另外,不同物料和施用量(SNPK、MNPK和1.5MNPK)間微生物生物量C∶N比差異顯著(圖3c)。

長期不同施肥條件下土壤C∶P比隨著磷投入量的增加而降低,撂荒處理土壤C∶P比(32.95)顯著高于其他處理。磷投入量相當?shù)幕侍幚砗蚐NPK處理間土壤C∶P比無顯著差異(17.09—18.26),且顯著低于無磷肥投入的處理,顯著高于化肥配施有機肥處理(圖3d)。相對于撂荒處理的土壤有機質(zhì)C∶P比(94.05),NPK、SNPK和MNPK處理對有機質(zhì)C∶P比無顯著影響,但CK和偏施化肥處理(N、NP和PK)導(dǎo)致有機質(zhì)C∶P比顯著降低(78.53—84.29)。而高量有機肥處理(1.5MNPK)由于磷用量的增加,導(dǎo)致有機質(zhì)C∶P比顯著低于撂荒處理(圖3e)。相較于撂荒或CK處理的土壤微生物生物量C∶P比(20.89或21.59),除SNPK處理外,化肥磷處理和化肥配施有機肥處理均顯著降低了微生物生物量C∶P比。而化肥氮處理則顯著提高了微生物生物量C∶P比。另外,NP和NPK處理間微生物生物量C∶P比無顯著性差異,但顯著低于PK處理(圖3f)。

長期不同施肥條件下土壤N、P養(yǎng)分投入狀況不同,導(dǎo)致土壤N∶P比發(fā)生變化。撂荒處理土壤N∶P比(3.06)顯著高于其他處理。氮投入量相當?shù)幕侍幚?NP和NPK)和SNPK處理間土壤N∶P比無顯著差異(1.51—1.64),且顯著低于無磷肥投入的處理,顯著高于化肥配施有機肥處理(圖3g)。撂荒處理土壤有機質(zhì)N∶P比(8.38)和秸稈還田處理(8.41)相當,但顯著高于CK和化肥處理(圖3h)。相對于撂荒處理的土壤微生物生物量N∶P比(3.16),無磷肥投入的處理并沒有顯著改變微生物生物量N∶P比,但化肥磷和MNPK處理顯著降低了微生物生物量N∶P比,且處理間無顯著差異(0.74—1.22)(圖3i)。同時,長期秸稈還田處理顯著升高了微生物生物量N∶P比。

2.3　長期施肥后土壤微生物生物量的內(nèi)穩(wěn)性特征

長期不同施肥處理下養(yǎng)分投入狀況的差異,會對土壤微生物的養(yǎng)分供應(yīng)造成不同程度的影響,從而影響了微生物生物量碳氮磷的化學(xué)計量比。圖4結(jié)果表明,土壤微生物生物量C∶N、C∶P和C∶P比的內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)H分別為0.24、0.75和0.64,均小于1,其不具有內(nèi)穩(wěn)性特征,符合“Constant Proportional”模型。表明隨著土壤營養(yǎng)環(huán)境的改變,微生物生物量碳氮磷化學(xué)計量比呈部分比例變化,當土壤C∶N、C∶P和N∶P比增加一個單位時,微生物生物量C∶N、C∶P和N∶P比分別平均增加3.11、1.05和1.51個單位。

2.4　長期施肥后土壤、有機質(zhì)、微生物生物量碳氮磷化學(xué)計量比的關(guān)系

就單個元素而言,土壤、有機質(zhì)、微生物生物量單個組分內(nèi)部的碳氮磷含量兩兩之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系。對于不同元素之間,除TP與SMBC、SMBN和SOP與SMBN無顯著相關(guān)關(guān)系外,其他指標之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系(表2)。對于其化學(xué)計量比之間,土壤C∶N、C∶P、N∶P比分別與微生物生物量C∶N、C∶P、N∶P比之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤C∶N比和有機質(zhì)C∶N比呈顯著正相關(guān)關(guān)系,但土壤C∶P、C∶P比和有機質(zhì)C∶P、C∶P比之間均無顯著相關(guān)性。土壤微生物生物量碳氮磷與有機質(zhì)碳氮磷化學(xué)計量比之間無顯著相關(guān)性(表3)。

3　討論

本研究結(jié)果顯示,長期化肥處理土壤C∶N比顯著高于撂荒和化肥配施有機物料處理。因為施用化肥提高了作物產(chǎn)量,加速了作物對土壤氮的耗竭,且無外源有機氮補充,使得土壤C∶N比升高(圖3a)。而有機物料的投入為土壤帶來了大量的有機氮源[29],同時滿足了微生物對氮素的需求,促進了土壤氮素的積累,從而降低了土壤和有機質(zhì)的C∶N比[30]。施用化肥和化肥配施有機物料對微生物生物量C∶N比造成不同程度的顯著影響,且秸稈還田與化肥配施有機肥處理(MNPK和1.5MNPK)間微生物生物量C∶N比存在顯著差異,表明土壤營養(yǎng)環(huán)境的改變、有機物料的性質(zhì)和施用量對微生物的群落結(jié)構(gòu)有顯著影響(圖3c)。有研究表明,在營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的土壤中主導(dǎo)群落為真菌(C∶N比約為10),在肥沃的土壤中細菌(C∶N比約為4)占主導(dǎo)優(yōu)勢[31- 33],本研究結(jié)果中不同施肥條件下土壤微生物生物量C∶N的差異也說明了養(yǎng)分的輸入對微生物群落結(jié)構(gòu)造成的影響會對土壤有機碳的周轉(zhuǎn)及其機制產(chǎn)生重要影響。

圖4　長期施肥處理26年后土壤微生物生物量碳氮磷化學(xué)計量比的內(nèi)穩(wěn)性特征Fig.4　The homeostatic regulation coefficient of microbial biomass after 26 years of various fertilization treatments*表示在P<0.05水平上顯著相關(guān),**表示在P<0.01水平上顯著相關(guān)；實線代表冪函數(shù)關(guān)系,虛線代表線性相關(guān)關(guān)系；H代表內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)

表2長期不同施肥處理26年后土壤、有機質(zhì)、微生物生物量碳氮磷含量的相關(guān)關(guān)系

Table2Thelinearrelationshipamongcarbon,nitrogen,phosphorusinbulksoil,soilorganicmatter,andmicrobialbiomassafter26yearsofvariousfertilizationconditions

指標Indicators有機碳SOC全氮TN全磷TP有機碳SOC有機氮SON有機磷SOP微生物生物量碳SMBC微生物生物量氮SMBN微生物生物量磷SMBP有機碳SOC1．0000．993??0．912??1．000??0．991??0．967??0．780??0．666?0．819?? 全氮TN1．0000．893??0．996??0．999??0．950??0．819??0．727?0．825?? 全磷TP1．0000．904??0．900??0．901??0．5700．4540．812?? 有機碳SOC1．0000．991??0．967??0．780??0．666?0．819?? 有機氮SON1．0000．945??0．823??0．732?0．834?? 有機磷SOP1．0000．636?0．5250．670? 微生物生物量碳SMBC1．0000．972??0．774?? 微生物生物量氮SMBN1．0000．676? 微生物生物量磷SMBP1．000

SOC∶土壤有機碳,soil organic carbon; TN(N):土壤全氮,total nitrogen; TP(P):土壤全磷,total phosphorus; SON:土壤有機氮,soil organic nitrogen; SOP:土壤有機磷,soil organic phosphorus; SMBC∶土壤微生物生物量碳,soil microbial biomass carbon; SMBN:土壤微生物生物量氮,soil microbial biomass nitrogen; SMBP:土壤微生物生物量磷,soil microbial biomass phosphorus. *表示在P<0.05水平上顯著相關(guān),**表示在P<0.01水平上顯著相關(guān)

表3長期施肥26年后土壤、有機質(zhì)、微生物生物量碳氮磷化學(xué)計量比的相關(guān)關(guān)系

Table3Thestoichiometricrelationshipamongcarbon,nitrogen,phosphorusinsoil,soilorganicmatterandmicrobialbiomassafter26yearsofvariousfertilizationconditions

比例Ratio土壤碳氮比C∶N土壤碳磷比C∶P土壤氮磷比N∶P有機質(zhì)碳氮比SOC∶SON有機質(zhì)碳磷比SOC∶SOP有機質(zhì)氮磷比SON∶SOP微生物生物量碳氮比SMBC∶SMBN微生物生物量碳磷比SMBC∶SMBP微生物生物量氮磷比SMBN∶SMBP土壤碳氮比C∶N1．000-0．064-0．2110．815??-0．477-0．699?0．737?-0．028-0．389 土壤碳磷比C∶P1．0000．988??0．1480．006-0．064-0．1500．650?0．644? 土壤氮磷比N∶P1．0000．0280．0900．048-0．2650．6210．679? 有機質(zhì)碳氮比SOC∶SON1．000-0．414-0．723?0．522-0．112-0．327 有機質(zhì)碳磷比SOC∶SOP1．0000．928??-0．361-0．331-0．084 有機質(zhì)氮磷比SON∶SOP1．000-0．496-0．2050．073 微生物生物量碳氮比SMBC∶SMBN1．000-0．082-0．515 微生物生物量碳磷比SMBC∶SMBP1．0000．858?? 微生物生物量氮磷比SMBN∶SMBP1．000

土壤C∶P比較C∶N比變異性大,且隨著磷投入量的增加而降低。原因在于,一方面,磷元素不僅主要源于母質(zhì),不參與大氣循環(huán)的特殊性,且磷也不是腐殖酸和棕黃酸的結(jié)構(gòu)組分[34]；另一方面,磷肥利用率低,在土壤中容易被固持,長期施用磷肥造成土壤中磷元素的大量累積[35](圖3d)。長期不施肥和偏施化肥處理土壤有機質(zhì)的C∶P比顯著低于撂荒處理,主要由于不施肥和偏施化肥處理長期種植作物加速了土壤有機碳的消耗,土壤有機碳含量顯著低于撂荒處理(圖1a)。隨著有機物料投入量的增加,土壤有機磷累積量顯著提高,且化肥配施高量有機肥處理有機質(zhì)C∶P比顯著低于撂荒處理?；瘜W(xué)磷肥和化肥配施有機肥處理微生物生物量C∶P比均顯著低于撂荒等其他處理,可能因為磷充足時微生物生長速率較高。根據(jù)生長速率理論指出,高生長速率需要增加對富含磷元素的核糖體RNA的投資,意味著微生物生物量C∶P比降低[36]。另外,NP和NPK處理微生物生物量的C∶P比顯著低于PK處理,一方面,當磷素滿足微生物需求時,氮素的添加使微生物活性提高,提高了微生物對碳的利用率[22],導(dǎo)致微生物同化吸收的總碳量降低。另一方面,土壤微生物生物量碳與土壤溶解性有機碳量高度相關(guān)[37],同時地上部作物的生長發(fā)育在極大程度上影響土壤溶解性有機碳庫的輸出[38]。長期施用氮肥能顯著提高作物產(chǎn)量和地上部作物生物量,使土壤溶解性有機碳含量降低,導(dǎo)致可供微生物利用的溶解性有機碳含量降低。

土壤N∶P比表示土壤養(yǎng)分的相對平衡程度,可作為養(yǎng)分限制類型的有效預(yù)測指標[4]。長期不同施肥條件下土壤N∶P比隨著磷投入量的增加而降低,造成施磷肥土壤中氮素的相對缺乏。由于長期化肥處理缺少有機氮的投入,使得有機質(zhì)的N∶P比顯著低于撂荒處理。隨著少量有機氮的輸入(SNPK),有機質(zhì)N∶P比水平與撂荒處理相當,中量有機氮的輸入(MNPK)顯著提高有機質(zhì)N∶P比。但是,由于高量有機肥處理(1.5MNPK)有機磷的大量累積,導(dǎo)致其有機質(zhì)N∶P比顯著低于撂荒處理。長期化學(xué)磷肥處理和化肥配施有機肥處理微生物生物量N∶P比顯著低于撂荒等其他處理(圖3i),因為磷素作為形成核糖體的主要元素,決定了微生物的生長速率。秸稈還田處理微生物生物量N∶P比顯著高于撂荒處理,說明秸稈還田處理并不能滿足微生物對磷素的需求(圖2c)。

生態(tài)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性反映了生物對環(huán)境變化的生理和生化反應(yīng),其強弱與物種的生態(tài)策略和適應(yīng)性有關(guān)[39]。長期施肥后土壤微生物生物量C∶N、C∶P、N∶P比的內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)均小于1,說明土壤微生物群落不具有保持其自身化學(xué)元素組成相對穩(wěn)定的能力。這是由于長期不同施肥導(dǎo)致輸入土壤中的養(yǎng)分(N和P)存在差異,微生物群落會采取一些生理策略應(yīng)對這種養(yǎng)分元素的變化。一方面,微生物會對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)攝取、轉(zhuǎn)化固定的比例,調(diào)節(jié)其自身化學(xué)計量比[3,14],即“Constant Proportional”模型,所以土壤C∶N、C∶P、N∶P比分別與微生物生物量C∶N、C∶P、N∶P比呈顯著正相關(guān)關(guān)系,也一定程度上說明土壤有機碳的固定取決于土壤養(yǎng)分對微生物的影響[40]。另一方面,由于微生物群落中的主導(dǎo)微生物種群變化,造成微生物群落的化學(xué)計量比存在一定可塑性[18]。此外,微生物生物量碳氮磷與有機質(zhì)中碳氮磷化學(xué)計量比之間無顯著相關(guān)性,其主要原因可能是有機質(zhì)是動植物殘體在微生物作用下分解并再合成的一類混合有機化合物,氣候和地貌在較大范圍內(nèi)對土壤有機質(zhì)含量起主導(dǎo)作用[41],而微生物僅是這一過程的驅(qū)動與參與者,起到催化合成的作用。另外,大多數(shù)表層土壤中95%以上的氮素為有機化合物[29],因而土壤C∶N與有機質(zhì)C∶N比呈顯著正相關(guān)關(guān)系。但土壤C∶P、N∶P比分別與有機質(zhì)C∶P、N∶P比之間無顯著線性相關(guān)關(guān)系。由于作物和微生物對氮、磷的同化吸收利用,同時在農(nóng)田中通過氨揮發(fā)、淋洗等形式造成氮肥大量損失且利用率較低[42],導(dǎo)致土壤C∶P比和N∶P比變異程度大。

4　結(jié)論

農(nóng)田系統(tǒng)中養(yǎng)分的投入、作物的吸收帶走顯著影響了土壤、有機質(zhì)和微生物生物量的碳氮磷化學(xué)計量比。與自然恢復(fù)系統(tǒng)相比,長期的施肥和種植顯著降低了微生物生物量氮含量,提高了微生物生物量磷的含量,且長期施化肥由于加速了土壤氮的消耗,不僅顯著提高了土壤C∶N和微生物生物量C∶N比,也顯著降低了土壤、有機質(zhì)及微生物生物量的N∶P比。農(nóng)田土壤微生物生物量碳氮磷的內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)均低于1,土壤碳氮磷元素的改變會直接導(dǎo)致微生物生物量碳氮磷化學(xué)計量比的改變,但土壤有機質(zhì)的碳氮磷計量比可能更多是受到作物和養(yǎng)分輸入等農(nóng)業(yè)管理措施的影響,有機物料(秸稈和有機肥)的配合施用對于維持土壤有機質(zhì)中碳氮磷的化學(xué)計量平衡具有重要的作用。