李春越,苗 雨,薛英龍,張蓓蓓,王 益,黨廷輝,張文婷,常 順

1 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 2 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所, 西安 710061 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100

碳(C)：氮(N)：磷(P)化學(xué)計量特征常被用于研究生態(tài)系統(tǒng)不同組成部分之間的反饋和相互關(guān)系,探索生物過程中各個元素之間的相互作用和平衡[1],反映植物的生長速度和營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率及其生理代謝,其中C∶N、C∶P在一定程度上能表明氮、磷等養(yǎng)分的供應(yīng)情況,而氮磷比的臨界值被認為是影響植物生長的重要評價指標[2—4]。明確元素化學(xué)計量學(xué)與微生物生物量的關(guān)系,建立土壤、植物組織和微生物等不同生態(tài)系統(tǒng)組分之間的聯(lián)系,對于了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中肥料投入對養(yǎng)分循環(huán)的影響具有重要意義[5]。Ren等[6]研究表明通過利用土壤C、N和P和微生物生物量間的相關(guān)關(guān)系,來探究土壤微生物變化對土壤養(yǎng)分的影響。Liu等[7]研究發(fā)現(xiàn),植物組織、根際土壤和酶化學(xué)計量學(xué)在物種間和演替年齡間發(fā)生顯著變化。植物、土壤和微生物具有不同的C、N和P化學(xué)計量比,這些化學(xué)計量比參與陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物過程和養(yǎng)分循環(huán)[8]。碳和其他養(yǎng)分在植物與土壤之間循環(huán)的動態(tài)受到微生物和植物根系產(chǎn)生的分解有機底物的酶的調(diào)節(jié)[9]。

土壤中C、N和P通常與土壤性質(zhì)和人類活動(如施肥)相關(guān),并受到強烈影響[10]。施肥可提高植物生物量產(chǎn)量,改變土壤養(yǎng)分狀況,調(diào)控土壤微生物活性[11],對土壤-微生物-植物生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分循環(huán)途徑產(chǎn)生影響[12]。通過有機或無機肥料施用會影響土壤中其它養(yǎng)分的有效性及其生物地球化學(xué)循環(huán)。目前關(guān)于黃土高原糧食主產(chǎn)區(qū)關(guān)中平原的農(nóng)田主要關(guān)注單個養(yǎng)分與產(chǎn)量關(guān)系較多,對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)C、N、P生態(tài)化學(xué)計量綜合研究的仍然不夠系統(tǒng)[13]。長期不同施肥條件下是否能夠?qū)е曼S土旱塬農(nóng)田小麥養(yǎng)分利用變化,同時植物和微生物生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征對于由于養(yǎng)分輸入而改變了的土壤微環(huán)境到底會如何響應(yīng)？因此,為了進一步明確養(yǎng)分輸入對黃土旱塬農(nóng)田土壤-微生物-植物C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征的影響,本研究選取位于陜西省的長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站中8種長期施肥處理,以長期施肥改變農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷生態(tài)學(xué)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性為科學(xué)問題,通過測定土壤、植物、微生物量的C、N、P含量,及生態(tài)化學(xué)計量變化規(guī)律,以期為研究化肥配施對黃土旱塬農(nóng)田土壤質(zhì)量的影響及合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究選取實驗地點為黃土高原中南部的長武農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站長期施肥試驗場(35°14′ N,107°41′ E)。該站屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年均降水量為580 mm,年均氣溫為9.1℃,無霜期為171 d,站內(nèi)土壤均為黑壚土(Cumulic Haplustoll,USDA 分類)。試驗區(qū)始建于1984年,其所處位置為典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),小麥為該地區(qū)主要作物[12]。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位施肥試驗開始于1984年,每個試驗小區(qū)面積為4 m×8 m,中間設(shè)置1 m的緩沖帶。采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,共設(shè)8個不同處理,每個處理3次重復(fù)。分別為：1)不施肥(CK)；2)單施氮肥(N)；3)單施磷肥(P)；4)施用氮磷肥(NP)；5)單施有機肥(M)；6)氮肥配施有機肥(NM)；7)磷肥配施有機肥(PM)；8)氮磷肥配施有機肥(NPM)。不同施肥處理作物種植模式小麥連作,常規(guī)耕作,9月中下旬播種,次年6月收獲,一年一熟。試驗中氮肥為尿素,總氮量46.4%；磷肥為過磷酸鈣,含P2O546.0%；有機肥為廄肥,平均有機質(zhì)含量為106.0 g/kg。所有肥料在播種前一次施入,試驗田按大田豐產(chǎn)模式進行管理。

1.3 樣品采集

樣品采集時間為2018年6月,采用五點采樣法收集耕作層土壤(0—20 cm),將其混勻后除土壤中雜草、礫石、土壤動物等雜質(zhì),新鮮土樣過2 mm篩,調(diào)節(jié)含水量到田間最大最大持水量60%,置于放有去離子超純水和NaOH溶液的4℃黑暗密閉圓形容器平衡一周,用于測定土壤微生物生物量C、N、P含量。剩余土樣置于陰涼通風處風干后過篩測定C、N、P全量和有機量。植物樣品于試驗小區(qū)收獲期采集,隨機抽取50株殺青、風干、粉碎后測量植物C、N、P含量。

1.4 試驗方法

土壤全碳(TC)和植物樣品全碳(CW)用TOC法測定,其中土壤有機碳(OC)測定將土樣用0.1 mol/LHCL酸洗去無機態(tài)至無氣泡后去離子超純水反復(fù)水洗,風干錫箔包樣TOC儀灼燒測定。土壤全氮(TN)采用全自動凱氏定氮儀測定；土壤有機氮(ON)的測定采用Bremner法；土壤全磷(TP)用高氯酸-濃硫酸法,土壤有機磷(OP)的測定使用灼燒后再用硫酸浸提測定；植物全氮(NW)、全磷(PW)采用鹽酸-硝酸-HF消解流動分析儀測定[14]。土壤微生物生物量碳(BC)、氮(BN)、磷(BP)采用氯仿-熏蒸法測定[15—16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用3次平行測定的平均值±標準差表示,采用Origin 2017繪圖。用SPSS 24.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析、Duncan事后比較和雙變量相關(guān)性分析,顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對土壤全碳、全氮、全磷含量及生態(tài)化學(xué)計量比的影響

圖1可知,不同施肥處理的土壤TC、TN、TP含量分別為15.86—26.41、0.83—1.35和0.73—1.21 g/kg。不同化肥有機肥配施處理的土壤TC、TN含量均顯著高于不施肥、化肥處理,且化肥有機肥配施處理間土壤TC、TN含量無顯著差異；不同化肥有機肥配施處理的土壤TP含量顯著高于CK處理,其中PM、NPM處理的TP含量也顯著高于其余處理。不同化肥處理的土壤TC含量與CK相比無顯著差異,N、NP處理的TN含量較CK顯著提高了12.18%、20.16%,N處理的TP含量較CK顯著提高了34.08%。不同施肥處理中,僅N、M處理土壤C∶N顯著低于CK處理；與CK 相比,除N處理外,其余處理對C∶P均無顯著影響；M、NM處理的土壤N∶P較CK處理顯著提高了22.81%、16.64%,而N處理顯著降低了土壤N∶P；其中,N處理的土壤C∶N、C∶P、N∶P分別較CK處理顯著降低了15.22%、26.60%、16.17%。

圖1 不同施肥處理下土壤全碳(TC)、氮(TN)、磷(TP)含量及化學(xué)計量比特征Fig.1 The contents and stoichiometric ratio of Total carbon (TC), nitrogen (TN) and phosphorus (TP) in soil under different fertilization treatmentsCK: 不施肥;N: 單施氮肥;P: 單施磷肥;NP: 施氮磷肥;M: 單施有機肥;NM: 氮肥配施有機肥;PM: 磷肥配施有機肥;NPM: 氮磷肥配施有機肥

2.2 長期施肥對土壤有機碳、有機氮、有機磷含量及生態(tài)化學(xué)計量比的影響

圖2可知,不同化肥有機肥配施處理的土壤OC、ON、OP含量均顯著高于CK處理。除NP處理外,各化肥有機肥配施處理土壤OC含量均顯著高于化肥處理,且NP和各化肥有機肥配施處理之間無顯著差異。NM處理的土壤ON含量最高(16.23 mg/kg),顯著高于CK和其他施肥處理,而不同化肥處理的土壤ON含量較CK無顯著差異。除N處理外,不同施肥處理的土壤OP含量均顯著高于CK,其中PM、NPM處理顯著高于其余處理。不同施肥處理中,僅P處理的有機質(zhì)C∶N顯著低于CK處理,其余施肥處理對有機質(zhì)C∶N無顯著影響。與CK處理相比,除P、M處理外,其余處理對有機質(zhì)C∶P無顯著影響。P處理均顯著降低了有機質(zhì)C∶N、C∶P,平均減幅分別為26.80%、31.02%。不同化肥和化肥配施有機肥處理有機質(zhì)N∶P無顯著差異(0.03—0.05)。

圖2 不同施肥處理下土壤有機碳(OC)、 氮(ON)、磷(OP)含量及化學(xué)計量比特征Fig.2 The characteristics of soil Organic carbon (OC), nitrogen (ON), phosphorus (OP) content and stoichiometric ratio under different fertilization treatments

2.3 長期施肥對土壤微生物生物量C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計量比的影響

如圖3所示, P、NP、NM、NPM處理顯著提高了土壤BC含量,且各處理間無顯著差異。NPM處理的BN含量較CK處理顯著提高了39.35%,而NP處理較CK處理顯著降低了53.35%。P、NP、NM處理的BP含量較CK處理顯著提高,但PM、NPM處理的BP含量顯著低于不施肥和其余施肥處理。不同施肥處理的微生物生物量C∶N與CK處理相比均有所提高,平均增幅變化范圍為22.87%—277.46%,其中NP處理的微生物生物量C∶N顯著高于CK。與CK處理相比,除PM、NPM處理外,其余處理對微生物生物量C∶P、N∶P均無顯著影響,且PM、NPM處理均顯著提高了微生物生物量C∶P、N∶P。

圖3 不同施肥處理下土壤微生物生物量碳(BC)、氮(BN)、磷(BP)含量及化學(xué)計量比特征Fig.3 The contents and stoichiometric ratios of soil microbial biomass carbon (BC), nitrogen (BN) and phosphorus (BP) under different fertilization treatments

2.4 長期施肥對小麥籽粒C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計量比的影響

圖4可知,NM、NPM處理的CW含量顯著高于不施肥和其余施肥處理,而N、P、NP、M和PM處理對CW含量無顯著影響。不同化肥處理中N、NP處理的NW含量顯著高于CK處理,分別提高了79.51%、18.96%；NM、PM配施處理的NW含量顯著低于CK處理,分別降低了41.06%、53.55%。不同施加磷肥處理(P、NP、PM和NPM)的PW含量均高于CK處理,其中P、PM、NPM處理的PW含量均顯著提高了214.95%、145.23%、44.74%；而NM處理的PW含量較CK顯著降低了63.99%。與CK處理相比,除M、NPM處理外,其余施肥處理均對小麥C∶N產(chǎn)生顯著影響,N、P、NP處理的小麥C∶N均顯著降低了43.63%、17.51%、19.25%,NM、PM處理的小麥C∶N均顯著提高了82.98%、109.93%。不同施磷肥處理的小麥C∶P較CK處理相比均有所降低,其中單施P處理的小麥C∶P顯著降低了69.42%。NM處理的小麥C∶P較CK處理顯著提高了216.62%。與CK處理相比,N、NM處理的小麥N∶P顯著提高了101.44%、71.72%,P、PM處理的小麥N∶P顯著降低了63.34%、80.83%。

圖4 不同施肥處理下小麥碳(Cw)、氮(Nw)、磷(Pw)含量及化學(xué)計量比特征Fig.4 The contents and stoichiometric ratios of wheat carbon (Cw), nitrogen (Nw) and phosphorus (Pw) under different fertilization treatments

2.5 長期施肥下土壤、微生物、小麥之間C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計量比的相關(guān)關(guān)系

由圖5可知,除ON和TP外,土壤和有機質(zhì)C、N、P各組分之間均存在顯著正相關(guān)；MBC與有機質(zhì)OC、ON、OP呈顯著正相關(guān),BN與土壤TN、TP呈顯著正相關(guān),BP與土壤TC、TN、TP含量呈顯著負相關(guān)；CW與BN呈顯著正相關(guān),NW與TC、TN、OC、ON、OP呈顯著負相關(guān),PW與OP呈顯著正相關(guān)。土壤TC∶TP與TC∶TN,TN∶TP與TC∶TP呈正相關(guān),土壤TN∶TP與有機質(zhì)OC∶OP呈正相關(guān),OC∶ON與OC∶OP、ON∶OP呈正相關(guān),ON∶OP與BN∶BP呈正相關(guān)。CW:PW、NW:PW分別與OC∶OP、ON∶OP呈正相關(guān)。CW:PW與NW:PW正相關(guān),CW:NW與BC∶BP、BN∶BP呈正相關(guān)。

圖5 不同施肥處理下土壤-微生物-小麥系統(tǒng)C、N、P含量及其化學(xué)計量間的相關(guān)系數(shù)Fig.5 The correlation coefficients among the C, N and P contents and the stoichiometric ratios of soil, organic matter, microbial biomass and wheat under different fertilization treatments* P<0.05, ** P<0.01, ***P<0.001

3 討論

3.1 不同施肥處理對土壤和小麥C、N、P含量的影響

本研究發(fā)現(xiàn),長期有機肥處理的土壤碳氮磷全量和有機量均有提高,一方面可能是由于有機肥中含有大量的N、P等營養(yǎng)元素,施用有機肥不僅直接顯著提高了土壤N、P有效養(yǎng)分,同時其所富含的有機物通過進一步腐殖分解也可間接提高土壤碳含量[17]。另一方面,外源有機肥料的施入改善了土壤理化性狀,為小麥作物生長提供所需的養(yǎng)分,并相應(yīng)的促進了作物的沉析作用和增加了殘體還田量[18],進而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量相應(yīng)增加。NM、NPM處理的BC、BN含量均高于不施肥和其余施肥處理,可能是由于氮肥配施有機肥不僅能為土壤微生物提供生命活動所必需的C、N等營養(yǎng)元素,而且通過構(gòu)建合理的碳氮比例,改變土壤的含水率和透氣性等物理性狀[19],為微生物營造適宜的生長環(huán)境和營養(yǎng)條件,進而提高土壤中微生物生物量含量。另外,長期施用無機肥料可能會引發(fā)土壤酸化,破壞土壤團聚體等問題,不利于微生物的生長繁殖,同時無外源有機氮源補充,會使得部分BN礦化出來供小麥生長吸收利用,這也可能是土壤BN含量降低的原因[20—21]。

長期不同施肥處理對小麥C、N、P含量影響各異,NM、NPM處理顯著提高了CW含量,N處理顯著提高了NW含量,而NM、PM處理顯著降低了NW含量,這可能是由于氮肥配施有機肥可明顯提高微生物對土壤碳素的轉(zhuǎn)化分解,增強植株對外源養(yǎng)分的輸入[22]。單施氮肥能通過增加土壤中可被植物直接吸收利用的氮素含量,促進作物對氮素的攝取,使得小麥植株對土壤氮素利用率高,土壤氮素向植株流動[23],但配施有機肥后抑制了這一效果,貢璐等[24]表明植株在較高的生長速率下具有較低吸收速率,影響了植物對土壤氮素積累。磷肥處理的PW含量高,投入量的增加使得土壤無機磷和有機磷累積量顯著提高,同時刺激了土壤微生物的生長,促進了土壤磷素的轉(zhuǎn)化分解[19],進而提高了植株體內(nèi)對磷素的消耗。

3.2 不同施肥處理對土壤和小麥C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計量特征的影響

長期施加化肥處理為土壤提供了大量的無機氮源,增強了土壤的固氮能力,并且隨著作物生長對土壤碳源的消耗[25],而土壤碳庫并未得到進一步補充,導(dǎo)致土壤C∶N比降低。隨著外源有機肥料的添加,提高了土壤有機氮源含量,有利于土壤氮素的積累,并且當?shù)闯渥銜r,微生物活性相對較高,也會加快土壤有機碳的礦化速率,加劇了土壤碳源的消耗[26],進而降低了土壤C∶N比。施肥處理增加微生物生物量C∶N,其中,施用氮磷肥處理的微生物生物量C∶N比顯著高于不施肥和其他施肥處理,究其原因可能是隨著土壤和有機質(zhì)C、N、P含量的改變,土壤微生物會根據(jù)土壤養(yǎng)分含量變化而調(diào)控自身生物量進行適應(yīng)[27]。長期施用化肥處理的植株C∶N比顯著低于CK,而單施化肥配施有機肥處理的植株C∶N比顯著高于CK,這可能是由于長期施用化肥顯著不僅提高了作物產(chǎn)量,而且增強了作物對土壤氮素的利用效率,同時沒有外源碳素的補充,導(dǎo)致土壤供碳不足,顯著降低了植株C∶N比；而配施有機肥處理能有效促進作物根系生長,提高作物對土壤碳素的利用,增強光合作用效果,且植株在進行干物質(zhì)合成時對碳素需求高于氮素,從而顯著降低了植株C∶N比[23, 28]。

本研究表明,土壤C∶P比較C∶N比表現(xiàn)出更大的變異范圍?？赡苁且驗橥寥懒自床煌鶎?dǎo)致的,由于土壤磷素主要源自土壤母質(zhì),未涉及土壤大氣循環(huán)[29],且磷肥利用率低,易被土壤鐵鋁氧化物吸附固定,而不易被作物吸收利用[19]。長期施用等量磷肥配施有機磷處理(PM、NPM)的微生物生物量C∶P比顯著高于不施肥和其他施肥處理,可能因為施加的有機肥在滿足微生物生長繁殖所需能源時,過量的磷肥添加導(dǎo)致土壤磷素含量較高,抑制了微生物對磷素的利用率,導(dǎo)致有機磷被微生物同化吸收的總磷量降低[25, 30]。土壤N∶P比可表征土壤養(yǎng)分含量的相對平衡程度,可用作評價植物對不同土壤養(yǎng)分限制因子的預(yù)測和診斷標準[31—32]。當土壤N∶P比較低時,表示土壤磷活性較高[33]。單施N處理的土壤N∶P比顯著低于CK,而M、NM處理的土壤N∶P顯著高于CK,這可能是由于N處理中養(yǎng)分含量和種類相對固定,作物生長發(fā)育所需個別養(yǎng)分供應(yīng)不足而成為土壤養(yǎng)分限制元素[33],同時不利于作物攝取其它的營養(yǎng)元素,導(dǎo)致磷素在土壤中大量累積[34],進而降低了土壤N∶P比。施用磷肥和磷肥配施有機肥處理的有機質(zhì)N∶P比均低于CK處理,可能是由于施加磷肥和配施有機肥可以有效補充表層土壤氮、磷含量,尤其是磷,外源養(yǎng)分的累積也會使土壤中的磷具有較高的活性,而表層土壤氮素以溶解態(tài)形式存在而更易發(fā)生流失和淋洗[22],土壤有機氮源較為缺乏的緣故[25],使得有機質(zhì)N∶P比低于對照處理。PM、NPM處理的微生物生物量N∶P比顯著高于不施肥和其余處理,說明PM、NPM處理時抑制了土壤微生物對磷素的同化能力,這可能是由于作物大量攝取土壤磷素,導(dǎo)致土壤BP處于礦化過程而含量較低[31]。

4 結(jié)論

長期施用有機肥和配施化肥可顯著增加土壤和有機質(zhì)C、N、P含量,其中PM、NPM處理對提高土壤和有機質(zhì)C、N、P含量的效果最好。微生物生物量和小麥C、N、P含量在不同施肥處理間差異顯著, N處理顯著提高了微生物生物量和小麥碳含量,而顯著降低了微生物生物量和小麥氮、磷含量。PM、NPM處理由于抑制了土壤微生物對磷的同化固定過程,不僅顯著提高了微生物生物量C∶P和N∶P,也降低了有機質(zhì)、植物C∶P和N∶P。黃土旱塬農(nóng)田土壤各施肥不同程度的受磷素限制,化肥配施有機肥可導(dǎo)致有機質(zhì)和微生物量的化學(xué)計量比發(fā)生變化,進而對小麥植株的化學(xué)計量比產(chǎn)生顯著影響。