王 燕,武興寶,秦新惠,張永久,楊 麗,趙哈林

(1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅酒泉 735000;2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,蘭州 730000)

0 引 言

【研究意義】生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是一種研究碳(C)、氮(N)、磷(P)元素在多種生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中其比例隨外界影響因子產(chǎn)生變化規(guī)律的重要方法[1-2],C、N、P化學(xué)計(jì)量比是土壤質(zhì)量與有機(jī)質(zhì)組成的重要指標(biāo)[3],可以反映土壤內(nèi)部碳氮磷循環(huán),具有重要的生態(tài)指示作用[4]。而土壤作為組成生態(tài)系統(tǒng)的重要部分,通過(guò)改善土壤質(zhì)量,能夠有效地促進(jìn)植被恢復(fù),穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)平衡[5]。C、N、P元素是組成土壤養(yǎng)分的重要部分[6],其養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比,是影響土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù),調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán),增強(qiáng)土壤肥力的重要因素[7]。通過(guò)對(duì)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比值的掌握,能夠有效地為土壤養(yǎng)分存留、元素循環(huán)及土地管理提供理論依據(jù)[8]。土地鹽漬化是世界范圍內(nèi)面臨的重要環(huán)境問(wèn)題,尤其在干旱半干旱地區(qū)。土地鹽漬化導(dǎo)致農(nóng)田減產(chǎn)、土壤理化性質(zhì)惡化,制約農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9]。采用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法,定量分析農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤C、N、P等元素的變化、養(yǎng)分限制及其影響機(jī)制,對(duì)于制定科學(xué)合理的鹽漬化農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理措施,改良利用鹽堿地有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,有關(guān)土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究多集中在草地[10]、濕地[11]、森林[12]和山地[13]等生態(tài)系統(tǒng)。寧志英等[12]研究表明,草地沙化過(guò)程中土壤N:P較全N、全P含量更能反映土壤養(yǎng)分對(duì)生產(chǎn)力的限制作用;郭其強(qiáng)等[10]研究揭示了高原山地馬尾松人工林土壤養(yǎng)分的供給狀況、利用規(guī)律及反饋?zhàn)饔脵C(jī)制,深化了對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】不同程度鹽漬化農(nóng)田對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響不盡相同,進(jìn)而影響到進(jìn)入土壤的動(dòng)植物殘?bào)w和土壤微生物量,導(dǎo)致不同鹽漬化梯度間及土層間土壤養(yǎng)分含量存在差異,進(jìn)一步影響到鹽漬化農(nóng)田的土壤肥力狀況。目前對(duì)鹽漬化生態(tài)系統(tǒng)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究較少。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)于養(yǎng)分限制性有一定的指示作用[14]。但由于環(huán)境條件對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征影響的差異,目前尚不存在統(tǒng)一的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷養(yǎng)分限制[15]。因此,基于生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的特定生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制及其影響機(jī)制仍需深入研究。尤其需研究鹽漬化過(guò)程中土壤C、N、P等元素的變化規(guī)律、養(yǎng)分限制及其影響機(jī)制。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用空間代替時(shí)間的方法,以河西走廊綠洲鹽漬化農(nóng)田2種主要種植作物(紫花苜蓿和大麥)地不同梯度的鹽漬化農(nóng)田為研究對(duì)象,研究鹽漬化過(guò)程對(duì)土壤養(yǎng)分特征的影響,結(jié)合生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的手段,分析不同鹽漬化水平下土壤養(yǎng)分差異及其限制元素,為精準(zhǔn)指導(dǎo)河西地區(qū)鹽漬化農(nóng)田合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輕度(S1)、中度(S2)、重度(S3)和極重度(S4)4個(gè)鹽漬化梯度,其對(duì)應(yīng)的土壤孔隙電導(dǎo)率(ECp)值分別為2～4 dS/m,4～8 dS/m,8～16 dS/m和>16 dS/m;非鹽漬化農(nóng)田為對(duì)照處理(CK)。2021年4月結(jié)合0～10 cm土層土壤孔隙電導(dǎo)率(ECp)選定各梯度樣地,并隨機(jī)排列樣地,每個(gè)梯度3個(gè)重復(fù),共27塊樣地。

大麥的播種量為225 kg/hm2,播種期為2021年3月12日,收獲期7月22日。各梯度播前施磷酸二銨375 kg/hm2,尿素(N≥46%)75 kg/hm2,播后4～8周,追施尿素(N≥46%)300 kg/hm2。紫花苜蓿的播種量為45 kg/hm2,播種期為2020年9月20日,分別于2021年6月22日,7月14日和9月16日刈割3茬。各梯度播種前施磷酸二銨225 kg/hm2,尿素(N≥46%)75 kg/hm2。田間管理與大田一致。2020年11月,大麥和紫花苜蓿地各梯度灌冬水100 m3/hm2。2021年生長(zhǎng)季,大麥地僅于5月下旬～6月上旬灌水1次,灌水量為100 m3/hm2。紫花苜蓿地分別于5月下旬～6月上旬、6月下旬～7月上旬、7月下旬～8月上旬和8月下旬～9月上旬灌水4次,每次灌水量為100 m3/hm2。

1.2.2 土壤采樣

于2021年7月9～14日、9月14～19日(第三茬)2種作物成熟期采集土壤。在不同鹽漬化梯度的每塊樣地隨機(jī)設(shè)9個(gè)取樣點(diǎn),每個(gè)取樣點(diǎn)用土鉆分別取0～10、10～20、20～40 cm層土壤,分層混合在一起,在室內(nèi)將土壤樣品風(fēng)干,過(guò)2 mm篩分析土壤理化性狀。在每個(gè)鹽漬化梯度上使用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重,每個(gè)樣地5個(gè)重復(fù);用取土器分別取各層土壤,用高精度HH2Delta-T Devices Moisture Meter(英國(guó))的WET Sensor土壤鹽分計(jì)采集各層土壤電導(dǎo)率和土壤溫度。土壤質(zhì)地的測(cè)定采用濕篩加吸管法。土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的測(cè)定方法為常規(guī)方法[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。利用單因素方差分析(One-way ANOVA)進(jìn)行不同鹽漬化梯度和不同土層土壤養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量比的差異分析,利用Person相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)土壤環(huán)境因子與土壤SOC、N、P化學(xué)計(jì)量特征之間所存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種作物地農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤SOC、TN、TP含量的變化

研究表明,在紫花苜蓿地,0～40 cm土層土壤SOC含量表現(xiàn)為S1>S2>CK>S3>S4;TN含量表現(xiàn)為S2>S1>CK>S3>S4;TP含量表現(xiàn)為輕度鹽漬化農(nóng)田最高,隨鹽漬化程度的加劇,波動(dòng)式降低。在0～40 cm土層,土壤SOC在S1分別與S3和S4間、S2與S4間存在顯著差異;土壤TN在S2分別與S3和S4間、S1分別與S3和S4間存在顯著差異;土壤TP在CK和S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異。在大麥地,土壤SOC含量、TN和TP含量表現(xiàn)為輕度鹽漬化農(nóng)田最高,隨鹽漬化程度加劇,土壤SOC含量、TN和TP含量逐漸降低。S4土壤SOC、TN含量與CK、S2差異性顯著,而土壤TP在S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異。表1

表1 兩種作物地不同鹽漬化階段0～40 cm土層C、N、P含量均值及其化學(xué)計(jì)量比特征

在紫花苜蓿地,不同鹽漬化階段土壤SOC、TN及TP含量具有“表聚”特征,0～10 cm表層土壤SOC、TN及TP含量最高,且土壤SOC、TN、TP含量均隨土層深度增加而降低。在0～10 cm土層,SOC和TN含量在CK、S1、S2分別與S4間存在顯著差異(P<0.05),且S1土壤SOC和TN含量顯著高出S462.82%、57.18%;TP含量在CK、S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異,其中CK、S1土壤TP含量分別顯著高出S436.07%、43.09%。在大麥地,CK～S3土壤SOC、TN含量隨土層深度增加變化無(wú)顯著性差異(P<0.05),S4土壤SOC、TN含量在各土層間存在顯著差異。TP含量隨土層深度增加,在S3和S4,不同土層間存在顯著差異(P<0.05),其他鹽漬化階段農(nóng)田各土層間差異不顯著。在0～10 cm土層,SOC含量在S1分別與S3和S4間存在顯著差異,TN含量在CK～S2分別與S4間存在顯著差異,TP含量在CK、S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異(P<0.05)。圖1

注:不同大寫(xiě)字母表示同土層不同鹽漬化階段間差異顯著,小寫(xiě)字母表示同鹽漬化階段不同土層間差異顯著(P<0.05)

2.2 2種作物地農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤碳氮磷生態(tài)計(jì)量學(xué)特征的變化

研究表明,在0～40 cm土層,在紫花苜蓿地,隨鹽漬化的加劇,C/N呈“V”型變化,在中度鹽漬化階段C/N比值最低。S2分別與CK、S1、S4間土壤C/N比值差異顯著(P<0.05)。C/P和N/P值表現(xiàn)為隨鹽漬化的加劇,呈先增后減的變化趨勢(shì),在中度鹽漬化階段C/P和N/P值比值最高。S2分別與CK、S3、S4間土壤C/P值差異顯著(P<0.05);S2與其他各鹽漬化階段農(nóng)田間、S1與S4間土壤N/P值差異顯著(P<0.05)。在大麥地,C/N值表現(xiàn)為隨鹽漬程度的加劇,波動(dòng)式增加。S4分別與CK、S1、S3間C/N值差異顯著。C/P值和N/P值表現(xiàn)為隨鹽漬化程度加劇而降低(P<0.05)。S3分別與CK和S1間、S4分別與CK、S1、S2間土壤C/P值差異顯著;CK分別與S3、S4間、S4分別與CK、S1、S2間土壤N/P值差異顯著。表1

在紫花苜蓿地,0～10、10～20、20～40 cm土層土壤C/N在不同鹽漬化階段間無(wú)顯著性差異。2種作物地,在各鹽漬化階段土壤C/N、C/P及N/P在不同土層間也無(wú)顯著性差異。表2

表2 2種作物地不同鹽漬化階段不同土層土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比特征

2.3 農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤環(huán)境因子對(duì)土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的影響

研究表明,土壤SOC與土壤TN、土壤TP、C/P、N/P有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),在紫花苜蓿地,相關(guān)系數(shù)分別為0.939、0.675、0.763、0.682;在大麥地,相關(guān)系數(shù)分別為0.977、0.590、0.951、0.898。TN與C/N呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與C/P、N/P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。在紫花苜蓿地,TN與C/N、C/P、N/P的相關(guān)系數(shù)分別為-0.569、0.783、0.824;在大麥地,TN與C/N、C/P、N/P的相關(guān)系數(shù)分別為-0.573、0.971、0.961。土壤C/N與N/P有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,C/P與N/P有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),在紫花苜蓿地,相關(guān)系數(shù)分別為-0.696、0.930;在大麥地,相關(guān)系數(shù)分別為-0.683、0.979。在2種作物田,TP與C/N、C/P、N/P沒(méi)有顯著相關(guān)性。表3

表3 鹽漬化農(nóng)田土壤SOC、TN、TP含量與化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

在紫花苜蓿地,土壤含水量、土壤電導(dǎo)率和土壤黏粉粒影響土壤SOC、TN、TP含量及化學(xué)計(jì)量特征。土壤含水量與土壤C/P、N/P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為0.655、0.687;土壤孔隙電導(dǎo)率與土壤SOC、TN、TP呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.676、-0.642、-0.623;土壤黏粉粒含量與土壤SOC、TN、TP呈顯著正相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)為0.600、0.589、0.833。在大麥地,土壤含水量與土壤SOC呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);土壤電導(dǎo)率與土壤SOC、TN、C/P、N/P呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與土壤C/N呈顯著正相關(guān);土壤容重與土壤SOC和TN呈顯著負(fù)相關(guān);土壤溫度與土壤TP呈顯著負(fù)相關(guān)。表4

表4 鹽漬化農(nóng)田土壤環(huán)境因子與SOC、TN、TP化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)性

3 討 論

3.1 2種作物地農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤碳、氮、磷含量的變化

不同土地退化類型對(duì)土壤養(yǎng)分有不同程度的影響[3],N、P元素作為土壤養(yǎng)分的重要組成部分[17],其含量可以表征土地退化對(duì)土壤質(zhì)量的影響。研究中,隨鹽漬化程度的加劇,土壤SOC、TN、TP含量逐漸降低,在農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤養(yǎng)分累積作用逐漸降低。因?yàn)殡S著鹽漬化的加劇,農(nóng)田作物覆蓋降低,地表裸露,凋落物的輸入減少,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量的減少[18]。土壤碳和氮是緊密聯(lián)系在一起的[19],其中之一發(fā)生變化必然引起另一個(gè)的變化,農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤TN的變化與土壤SOC的變化是相似的,降低幅度較大。在研究區(qū),不同鹽漬化階段農(nóng)田土壤TP含量降低較少,與朱秋蓮等[20]的研究結(jié)果一致。由于磷主要受土壤風(fēng)化的影響,由于土壤風(fēng)化是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,且風(fēng)化程度在不同鹽漬化階段農(nóng)田土壤層中差異不大,因而變異性較小[21]。研究區(qū)中,不同鹽漬化階段農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量集中在0～10 cm表層土壤,且土壤SOC、TN、TP含量均隨土層深度增加而逐漸降低,土壤養(yǎng)分具有“表聚性”特征,與魏孝榮和邵明安[22]的研究結(jié)果一致。因?yàn)榈乇碇脖煌ㄟ^(guò)植物根系分泌物及表層植物殘?bào)w向土壤輸送C、N、P元素[23],表層土壤通氣狀況良好,養(yǎng)分充足,利于土壤微生物活動(dòng)[24];而隨著土層深度的增加,枯落物及腐殖質(zhì)對(duì)土壤元素的積累影響逐漸降低[25]。

3.2 農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比的變化

農(nóng)田鹽漬化過(guò)程也會(huì)影響到土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比,而養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比是用作表征C、N、P礦化和固持作用的重要指標(biāo)之一[26],各計(jì)量比能很好地指示土壤營(yíng)養(yǎng)元素的限制及其有效性。農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中C/N>C/P>N/P。

土壤C/N能夠影響土壤中有機(jī)碳和氮的循環(huán),是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo),標(biāo)志著土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率快慢和釋放養(yǎng)分能力的強(qiáng)弱[27]。研究中,大麥地,CK～S40～40 cm土層土壤C/N的平均值分別為9.33,9.50,9.78,8.98,10.50;紫花苜蓿地分別為10.31,10.25,9.25,10.09,10.50。不同鹽漬化階段農(nóng)田土壤C/N的平均值均低于全國(guó)平均值(12.3)[28],有機(jī)質(zhì)具有較快的礦化速率。隨鹽漬化程度的加劇,在紫花苜蓿地,C/N呈“V”型變化,在中度鹽漬化階段有機(jī)質(zhì)分解速度最快;在大麥地,C/N值表現(xiàn)為波動(dòng)式增加,土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率和釋放養(yǎng)分能力逐漸降低。2種作物地,各鹽漬化階段土壤C/N在不同土層間無(wú)顯著性差異,這是因?yàn)橥寥繡、N之間緊密聯(lián)系,在元素儲(chǔ)存及消耗過(guò)程中存在一個(gè)較為穩(wěn)定的比值[29]。同時(shí),在紫花苜蓿地,0～10、10～20、20～40 cm土層土壤C/N在不同鹽漬化階段間未表現(xiàn)出明顯差異,這可能與紫花苜蓿生物學(xué)屬性有關(guān)。

土壤C/P是磷有效性的表征參數(shù),低C/P說(shuō)明土壤P有效性較高。研究中,大麥地,CK～S40～40 cm土層土壤C/P的平均值分別為5.74,5.55,4.91,4.00,3.23;紫花苜蓿地分別為3.32,3.79,4.24,3.40,3.23。不同鹽漬化階段農(nóng)田土壤C/P的平均值均遠(yuǎn)低于中國(guó)土壤平均水平(60.00)[28]。在農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中,土壤P有效性較高。與已有研究表明大多數(shù)鹽堿地對(duì)磷的供應(yīng)是足量的[30]結(jié)果一致。

土壤N/P可在一定程度上反映土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力,是當(dāng)前限制性養(yǎng)分判斷的重要指標(biāo)之一[31]。研究區(qū),大麥地,CK～S40～40 cm土層土壤N/P的平均值分別為0.63,0.59,0.50,0.45,0.31;紫花苜蓿地分別為0.32,0.37,0.46,0.34,0.31。不同鹽漬化階段農(nóng)田土壤N/P的平均值均遠(yuǎn)低于中國(guó)土壤(5.10)的研究結(jié)果[28]。N/P較低,進(jìn)一步表明了研究區(qū)土壤的N匱乏。在大麥地,隨鹽漬化程度的加劇,土壤N/P呈直線下降趨勢(shì)。在大麥地,在農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中,土壤N含量是持續(xù)減少的。在紫花苜蓿地,隨鹽漬化程度的加劇,土壤N/P呈先增后減的變化,在中度鹽漬化階段比值最高,氮素的匱乏程度是先降低后增加的。2種作物地,在各鹽漬化階段土壤C/P及N/P在不同土層間無(wú)顯著性差異,這可能與各鹽漬化階段C、N、P元素儲(chǔ)存及消耗過(guò)程中存在一個(gè)較為穩(wěn)定的比值有關(guān)。

4 結(jié) 論

4.12種作物地,隨鹽漬化程度加劇,土壤養(yǎng)分(SOC、TN、TP)含量波動(dòng)式降低;不同鹽漬化階段土壤養(yǎng)分含量垂直分布上表現(xiàn)出明顯的“表聚性”特征。

4.2隨鹽漬化程度的加劇,在紫花苜蓿地,C/N呈“V”型變化,在中度鹽漬化階段C/N比值最低;C/P和N/P值表現(xiàn)為先增后減的變化趨勢(shì),在中度鹽漬化階段C/P和N/P值比值最高。在大麥地,隨鹽漬化程度加劇,土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率和釋放養(yǎng)分能力持續(xù)降低,氮素逐漸匱乏。研究區(qū),在農(nóng)田鹽漬化過(guò)程中土壤SOC與TN是影響土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的主要因素,TP不是土壤養(yǎng)分限制的主要因素。

4.3土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征,在苜蓿地,與土壤含水量、土壤電導(dǎo)率和土壤黏粉粒含量有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與土壤容重和土壤溫度沒(méi)有顯著相關(guān)性;在大麥地,與土壤含水量、土壤電導(dǎo)率、土壤容重和土壤溫度有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與土壤黏粉粒含量沒(méi)有顯著相關(guān)性。