張大庚，栗 杰，董 越，肖柄政，黃怡婷，楊思雨

(沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧沈陽 100866)

生態(tài)化學計量學是研究生物系統(tǒng)的能量和碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素平衡及其耦合關系的科學[1]。C、N、P作為土壤的基本化學組成元素，其計量比直接影響了土壤中C、N、P循環(huán)對全球生態(tài)系統(tǒng)化學變化的響應[2]。不同類型土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)及全磷(TP)的生態(tài)化學計量特征存在一定的差異，重慶市紫色土土壤 C ∶N ∶P約為17 ∶2 ∶1[3]，吉林地區(qū)黑土土壤 C ∶N ∶P約為36 ∶3.6 ∶1[4]，中國2 384個0～25 cm土壤剖面 C ∶N ∶P 均值為60 ∶5 ∶1[5]。近年來，有關林地、濕地、草地、耕地等土壤碳氮磷生態(tài)計量學的研究不斷增加，從新的視角探討了土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤微生物、有機質礦化等相關方面的內容[6-9]。但涉及養(yǎng)分高投入設施菜田土壤C、N、P生態(tài)計量比的研究相對較少。與自然生態(tài)系統(tǒng)不同，設施栽培過程中盲目和過量施肥現象普遍，再加上相對封閉的特殊環(huán)境，導致設施栽培土壤出現次生鹽漬化、土壤板結、養(yǎng)分失調、微生物區(qū)系失調等諸多退化問題[10]，使其具有特殊的生物化學過程，設施菜田土壤的C、N、P化學計量特征呈現一定的多變性和復雜性。因此，有必要充分了解設施菜田土壤C、N和P生態(tài)化學計量特征及其與不同因子之間的相互作用，對闡明設施菜田系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)機制和預測土壤質量演變趨勢具有重要的意義。

設施蔬菜是遼寧省農業(yè)支柱產業(yè)之一，全省蔬菜生產設施面積超過26.67萬hm2，種植番茄、茄子、黃瓜、辣椒為主[11]，產量和產值均占全國的15%以上。因此，本試驗以遼寧省設施菜田土壤為研究對象，選取種植面積相對較大的大連市瓦房店市、鞍山市海城市和臺安縣、朝陽市北票市、凌源市和喀喇沁左翼蒙古族自治縣、葫蘆島市南票區(qū)和綏中縣、錦州市凌海市、鐵嶺市鐵嶺縣、沈陽市遼中區(qū)和新民市等12個設施蔬菜種植區(qū)，采集165個塑料大棚0～20 cm表層土壤。在室內分析土壤有機碳含量、全氮含量、全磷含量和土壤其他理化性質的基礎上，闡明遼寧省不同地區(qū)設施蔬菜土壤的C、N、P化學計量特征，揭示影響設施菜田土壤C、N、P生態(tài)化學計量比的主體因素，以期為設施菜田土壤養(yǎng)分的均衡增效、平衡施肥提供基礎數據和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)為遼寧省主要設施蔬菜產區(qū)，共采集12個地區(qū)165個塑料大棚，包括遼寧省東部地區(qū)大連市14個和鞍山市41個、西部地區(qū)朝陽市17個、葫蘆島市14個和錦州市28個以及中部地區(qū)鐵嶺市20個和沈陽市31個。2018年10月調查了各產區(qū)設施蔬菜種植年限、施肥方式、肥料類型、施肥數量、作物種類等基本信息。調查區(qū)設施蔬菜的栽培年限為2～38年，其中海城和凌海兩地設施蔬菜栽培歷史較長，建棚時間最長均超過了30年。不同建造年限的設施大棚現均為鋼骨架結構，一些建造較早的大棚基本都進行了改建。施肥類型主要是有機肥和化肥，包括少量生物肥料。設施蔬菜種植施入的化肥以氮磷鉀復合肥為主，隨水施入，施入量為750～1 050 kg/hm2，有些農戶會配施一定量的磷酸二銨。有機肥在種植作物前作為底肥施入，施入量為300～375 m3/hm2，有機肥包括牛糞、羊糞、豬糞等不同種類。大多數大棚采用滴灌的方式，并覆有地膜，2015年后新建的大棚一般有自動放風設備。種植的蔬菜以番茄、黃瓜、茄子、辣椒為主。

1.2 土壤樣品的采集

在每個設施蔬菜產區(qū)選擇建設規(guī)模相近，種植蔬菜種類具有代表性的大棚采集土樣。為減少采用誤差，在每個設施蔬菜棚內采用“S”形隨機五點采樣法，在2棵作物之間采集5個表層土壤(0～20 cm)，混合均勻后取約1 kg裝入自封袋中，共165個土樣。采集的土樣經風干后，剔除石塊、植物根莖等雜物，過20目篩備用。

1.3 測定項目與方法

土壤有機碳(SOC)含量測定采用K2Cr2O7-H2SO4消煮法；全氮(TN)含量測定采用硫酸消煮凱氏定氮法；全磷(TP)含量測定采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法；全鉀(TK)含量的測定采用NaOH熔融-火焰光度計法；堿解氮(AN)含量測定采用堿解擴散法；有效磷(AP)含量測定采用Olson法；速效鉀(AK)含量測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法；酸堿度(pH值)測定采用電位法(水土比2.5 ∶1)；土壤電導率(EC)測定采用電導率儀法。

1.4 數據處理

采用SPSS軟件進行數據統(tǒng)計和比較分析，用單因方差分析(one-way ANVOA)進行差異顯著性分析。土壤碳、氮、磷等因子與全量養(yǎng)分的C/N、C/P、N/P數據作圖采用Excel和Origin進行。

2 結果與分析

2.1 設施菜田土壤有機碳、全氮和全磷含量

由圖1可知，受各地區(qū)初始土壤類型、施肥量、施肥方式及作物類型差異的影響，遼寧省各地區(qū)設施菜田土壤SOC、TN和TP含量分布均存在一定的差異，變異系數均較大。除了朝陽地區(qū)TP的變異系數為9.71%，其他地區(qū)各指標均高于20%，最高達50.91%。土壤平均SOC含量最高的是大連瓦房店地區(qū)，為(35.22±11.26) g/kg(圖1-a)。但差異較大的是朝陽和鞍山地區(qū)，變異系數均高于40%，其中朝陽地區(qū)變異系數達到了47.93%，SOC含量極差達到了54.03 g/kg。變異系數最小的是錦州地區(qū)，也達到了27.69%。土壤TN與SOC的分布規(guī)律相似，大連瓦房店地區(qū)TN含量最高，平均值為(3.61 ±1.05) g/kg(圖1-b)。朝陽和鞍山兩地變異系數較大，分別為46.26%和45.33%。沈陽地區(qū)的TN含量平均值最低，僅為(1.52±0.57) g/kg。設施菜田土壤TP含量的分布與SOC含量和TN含量有一定的差異(圖1-c)。其中，鞍山地區(qū)土壤TP含量相對較高，平均值為(4.90±0.79) g/kg，中位值在各地區(qū)也是最高的，變異系數達33.80%。土壤TP含量最特別的是朝陽地區(qū)，TP含量的變異系數僅為9.71%，極差僅為0.63 g/kg，平均值最低，僅為(1.83±0.18) g/kg。

從遼寧省整體來看，設施菜田土壤SOC含量的變化幅度較大，為5.21～68.40 g/kg。從正態(tài)分布圖(圖2-a)來看屬于偏態(tài)分布，其中偏度為1.056，分布在右側的數據相對較多(表1)。峰度值為0.922，相對較小，數據分布較平緩，SOC主要分布在10～35 g/kg范圍內。土壤TN含量的分布與SOC相似，也屬于偏態(tài)分布，偏度和峰度值均大于0(表2)，主要集中分布在1～4 g/kg范圍內(圖2-b)。與土壤SOC含量和TN含量相比，TP含量分布的偏度和峰值最小，均大于0，但小于1，在0.5～7.5 g/kg范圍內接近于正態(tài)分布(圖2-c)。

表1 設施菜田土壤SOC含量、TN含量、TP含量及C、N、P比值的變異系數

表2 設施菜田土壤C、N、P及其比值正態(tài)分布統(tǒng)計特征

2.2 遼寧省各地區(qū)設施蔬菜土壤C、N、P的比值

從總體來看，遼寧省設施菜田土壤的C/N、C/P和N/P平均值分別為9.92±0.85、8.74±4.21和0.90±0.51。由圖3可知，遼寧省各地區(qū)設施菜田土壤C/N分布存在一定的差異，但差異相對較小，大部分分布在10.00左右。其中朝陽地區(qū)C/N差異最小，變異系數僅為3.53%，差值為1.1。沈陽地區(qū)變異系數為13.49%，差值最大，為4.72。其他地區(qū)的C/N的變異系數則均低于10.00%。從各地區(qū)平均值來看，葫蘆島地區(qū)最高，平均值為10.46±0.43，沈陽地區(qū)最低，平均值為9.30±1.26。

與C/N相比，設施菜田土壤C/P和N/P變化范圍較大，各地區(qū)的變異系數均在20.00%以上，最高接近50.00%。其中朝陽地區(qū)C/P和N/P相對較高，平均為18.89±4.90和1.92±0.87，變異系數分別是45.60%和47.13%，變化幅度較大。變異系數最小的是鐵嶺地區(qū)，C/P為21.46%，N/P為20.93%。但C/P和N/P平均值最小的是鞍山地區(qū)，分別為6.56±1.20和0.65±0.12 。

從正態(tài)分布圖來看，C/N、C/P和N/P這3個參數分布相對集中(圖4)。由表2可知，C/N分布的偏度值為負值，分布偏左，但偏移程度相對較小，峰度值為4.736，分布相對較陡峭，主要集中在9.0～10.0之間。C/P和N/P分布的偏度值則均大于2，因此均屬于偏度分布，且偏右。峰度值均相對較高，分布陡峭，特別是N/P的峰度值達到了10.915，分布主要集中在0.48～1.10之間。

2.3 設施菜田土壤生態(tài)化學計量比隨種植年限的變化

為減少土壤類型對生態(tài)化學計量比的影響，以鐵嶺市鐵嶺縣不同種植年限設施菜田土壤為研究對象(該地原始土壤類型為發(fā)育于黃土性母質的棕壤，性質差異相對較小)，進一步分析了土壤C、N、P計量比隨種植年限的變化。所選擇的大棚種植蔬菜種類以黃瓜和番茄為主，施肥以豬糞和氮磷鉀復合肥為主，種植年限為2～28年。從圖5可以看出，C/N隨種植年限的增加，在設施栽培2～20年之間呈波動變化，無明顯變化趨勢，在栽培第28年達到了最高值12.03。N/P隨種植年限增加呈逐漸降低的趨勢，種植2年N/P最高，為1.17，在種植28年時，則降為0.65。C/P隨種植年限的增加略有降低，但波動較大，趨勢不明顯。

2.4 土壤碳、氮、磷比值與理化性質的關系

相關分析結果(表3)表明，設施菜田土壤C/N受土壤理化性質的影響較小，僅與SOC含量呈極顯著正相關關系，與有效磷(AP)含量和TP含量呈顯著正相關關系，與其他指標之間的相關性均未達到顯著水平。C/P則與土壤pH值、堿解氮(AN)含量、SOC含量及TN含量之間均呈極顯著正相關關系，與TP含量和AP含量則極顯著負相關。N/P與土壤pH值、AN含量、速效鉀(AK)、SOC含量及TN含量呈極顯著正相關關系，與TP含量呈極顯著負相關關系。土壤電導率對C、N、P比值的影響較小，與各比值之間的相關性均未達到顯著水平。因此，從相關系數分析，設施菜田土壤中的有機碳含量和土壤全磷含量對C、N、P比值的影響較大。

表3 設施菜田土壤C、N和P比值與理化性質的相關性

3 討論與結論

3.1 設施菜田土壤SOC含量、TN含量和TP含量特征

土壤中有機碳、全氮和全磷的含量是表征土壤肥力水平的重要元素，是研究土壤生產力元素平衡和生物系統(tǒng)能量平衡過程的重要因素[12-13]。本研究發(fā)現，在遼寧省不同地區(qū)的設施菜田土壤以及同一地區(qū)不同采樣點土壤的SOC、TN和TP含量均有較大的差異。在7個采樣地區(qū)SOC含量的變異系數在27.69%～47.96%之間，TN在29.22%～46.26%之間，TP在9.71%～50.91%之間。除了朝陽地區(qū)TP含量的變異系數低于15%，其他地區(qū)均高于20%。按照第2次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準，遼寧省設施菜田土壤中的165個采樣點SOC含量的平均值為26.56 g/kg，70%以上的采樣點土壤有機質處于相對較豐富水平以上；TN含量的平均值為2.67 mg/kg，83%左右土壤TN含量達到了較豐富的水平以上；TP含量的平均值為3.32 mg/kg，96%的設施土壤全磷含量處于豐富水平，剩余4%為較豐富水平。遼寧省設施菜田土壤有機質、全氮和全磷的含量均較豐富，其中磷素在土壤中的累積量相對較高。因此，隨著種植年限的增加，設施土壤出現了養(yǎng)分富集的狀況，這與許多有關設施菜田土壤養(yǎng)分的研究結果[14-16]一致。

由于在設施栽培特殊的環(huán)境條件下，蔬菜復種率較高，有機肥和化肥施用量高且頻繁，這正是土壤有機碳和氮磷的重要輸入途徑，從而增加了土壤中C、N、P的含量。據統(tǒng)計，我國典型設施栽培生產基地，每年N、P養(yǎng)分的平均投入量為 4 088、3 656 kg/hm2，且施肥比例(1 ∶0.9)與作物需求比例(1 ∶0.3)嚴重失衡，造成N、P的養(yǎng)分利用率非常低，僅為24%和8%[17-18]。設施蔬菜種植中常施入大量有機肥作為底肥，約18 000 kg/hm2[19]，由于大棚室內溫度較高，加速了土壤中有機肥分解速率，同時由于蔬菜對水分需求較多，土壤濕度大，一定程度上會影響土壤中微生物活性，進而影響有機碳的礦化速率。大量化肥和有機肥的施入加速了土壤中C、N、P的積累，各地區(qū)不同施肥量、施肥種類及不同蔬菜品種等均可引起設施菜田土壤SOC、TN和TP含量的差異。

基于165個點設施蔬菜土壤SOC含量、TN含量和TP含量回歸擬合分析(圖6)表明，SOC含量、TN含量和TP含量之間的擬合程度均較高，相關性均達極顯著水平。其中，SOC含量和TN含量的擬合程度最高，r值達到了0.989 8，而 SOC含量和TP含量、TN含量和TP含量之間的擬合程度相對較低，r值分別為0.600 9和0.592 3。說明設施菜田土壤C、N、P間存在一定的耦合關系。

3.2 設施菜田土壤C、N、P生態(tài)化學計量比特征

已有研究表明，土壤C、N、P生態(tài)化學計量比是反映土壤養(yǎng)分平衡的重要指標[20-21]，能夠進一步揭示土壤中養(yǎng)分的轉化和循環(huán)過程，分析土壤養(yǎng)分之間的耦合關系。土壤C、N、P生態(tài)化學計量比的大小不僅受到水熱條件、土壤類型和地形地貌等自然因素的影響，同時也受到施肥、耕作方式等人類活動的顯著影響[22]。設施菜田土壤在人為活動的強烈影響下，C、N、P計量比必然發(fā)生一定的變化。從正態(tài)分布圖可知，遼寧省設施菜田土壤C/N、C/P和N/P的分布相對集中，C/N主要集中在9.00～11.00之間，共143個采樣點，占總采樣點的86.7%；C/P主要集中在4.75～10.00之間，共122個采樣點，占總采樣點的73.9%；N/P則主要集中在0.48～1.10之間，共127個采樣點，占總采樣點的77.0%。其中，設施菜田土壤C/N的變異系數最小，僅為4.7%。因此，雖然受典型設施環(huán)境和施肥的影響，不同年限設施菜田土壤全量C、N、P有一定的波動，但C、N、P比值保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

C/N在一定程度上可以反映出土壤中有機物質的分解和礦化程度以及有機物質對土壤肥力的潛在貢獻。當C/N大于25時，土壤有機碳含量相對較高，有機質處于積累的過程；當C/N在12～16之間時，則表示部分有機碳被土壤微生物分解，已發(fā)生礦化過程[23]。遼寧省設施菜田土壤C/N均值為9.92±0.85，萬欣等研究發(fā)現，山東省設施土壤C/N平均值僅為8.4[24]。2個地區(qū)的設施菜田土壤的C/N均低于我國農田土壤(11.3)、濕地土壤(18.2)、稻田土壤(14.2)[3，25]。本研究設施菜田土壤C/N與土壤有機碳含量呈極顯著正相關，與全氮含量無顯著相關性，由此認為土壤中有機碳含量限制C/N的大小。從另一角度也說明了不同類型土壤中有機碳含量的穩(wěn)定性，濕地和稻田土壤處于還原狀態(tài)，因此土壤有機碳含量相對穩(wěn)定，C/N相對較高。而在設施栽培條件下，雖然施入高量的有機肥，但高溫高濕的環(huán)境條件促進了有機碳的礦化，降低了土壤的C/N。經統(tǒng)計，遼寧省設施蔬菜SOC 與TN 含量呈極顯著正相關關系(r=0.989 8，圖6)，不同地區(qū)不同土壤類型的設施土壤的C/N 較接近(圖3)。而且隨著種植年限的增加，設施蔬菜土壤的C/N也未發(fā)生較大的變化，因此在調查的區(qū)域范圍內設施蔬菜土壤存在較穩(wěn)定的C、N 耦合關系。在設施栽培條件下，土壤生物與典型的設施環(huán)境之間的相互作用較為劇烈，在多年的種植過程中，雖然人為干擾較強烈，但經過多年的種植土壤生物與環(huán)境的協(xié)同進化可能已達到一種相對的準平衡狀態(tài)。土壤C/N與SOC含量呈極顯著正相關關系，因此SOC含量一定程度上限制了土壤C/N的大小。

林麗等研究認為，土壤C/P是土壤P素礦化能力的標志，并且在一定程度上對植物生長發(fā)育產生重要影響[26]。當C/P較低時，有利于微生物進一步分解有機質釋放養(yǎng)分，促進土壤P素的有效化；當C/P較高時，土壤P素相對較少，不同程度限制微生物對土壤有機物質的分解。遼寧省設施菜田土壤C/P平均值達到8.74±4.21，高于云南省設施土壤C/P(5.33)[27]，但明顯低于我國平均水平(136)和全球平均水平(186)[28]，土壤SOC含量與TP含量呈極顯著正相關關系。在本研究范圍內，C/P與土壤SOC含量呈極顯著正相關關系，與TP含量和AP含量均呈極顯著負相關關系。在設施蔬菜栽培條件下，P素的施入量高而利用率相對較低，造成了土壤中P素的積累。在設施蔬菜栽培條件下，C/P值過低一方面是因為設施土壤P素過量積累，另一方面在設施條件下土壤有機質分解速度較快，一定程度上也可導致土壤C/P值較低。

土壤N/P是表示土壤有機質的一個有效指標，并且可以判斷土壤養(yǎng)分限制情況。遼寧省設施土壤N/P平均值達到0.90±0.51，明顯低于全國平均水平9.3和全球平均水平13.1[28]，與山東溫室土壤N/P(0.88)[29]接近。在設施栽培過程中，長期施用N、P肥料已證明顯著增加了土壤TN和TP含量[30-31]。分析可知，設施土壤N/P與N和P均存在顯著相關性。由于設施菜田土壤N/P含量相對較低，也進一步說明了設施土壤中P素的大量累積對N/P的影響相對較大。在當前設施蔬菜栽培N、P肥的高投入背景下，設施蔬菜土壤較低的C/P、N/P 也表明設施蔬菜土壤生態(tài)系統(tǒng)存在著P 素的過量累積與總體失衡[32]。長期P 肥投入一定程度上會引起土壤和微生物的C、N 限制，設施蔬菜土壤因P 素盈余，導致P素利用率低，土壤有效P 含量甚至超出環(huán)境臨界點，產生環(huán)境污染。

綜上所述，本研究可得出如下結論：(1)遼寧省設施菜田土壤有機碳、全氮和全磷含量平均值分別達到(26.56±7.97)、(2.67±0.79)、(3.32±0.69) g/kg，按照第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準，養(yǎng)分含量均處于豐富水平，土壤全量C、N、P之間的相關性均呈極顯著正相關。(2)遼寧省設施菜田土壤C/N、C/P、N/P平均值分別為9.92±0.85、8.74±4.21、0.90±0.51，均低于我國農田土壤的平均水平。隨著種植年限的增加，設施菜田土壤中C/N保持相對穩(wěn)定，C/P和N/P則呈略有降低趨勢。在設施條件下，有機碳礦化和磷素的累積是影響菜田土壤生態(tài)化學計量比的重要因素。