施肥對苜蓿地土壤理化性質(zhì)及其生態(tài)化學計量學特征的影響

劉麟 于金田 王晶 高雪芹 伏兵哲

摘 要 為探討不同施肥處理下苜蓿地土壤理化性質(zhì)及其生態(tài)化學計量特征變化規(guī)律，以紫花苜蓿地為研究對象，測定不同施肥處理下土壤理化性質(zhì)指標，分析土壤碳氮磷生態(tài)化學計量特征，并探討不同施肥處理下土壤溶解性有機養(yǎng)分與土壤可利用無機養(yǎng)分間相關性，以及土壤特性對土壤生態(tài)化學計量比的影響。結(jié)果表明：1）施肥處理對土壤SWC和AP無顯著影響，但顯著降低土壤pH值、NO3--N和NH4+-N含量。2）土壤全量、溶解性有機養(yǎng)分及其碳氮磷計量比對施肥處理的響應規(guī)律不一致，土壤SOC含量隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，TN和TP含量呈遞增的趨勢，施肥處理顯著降低土壤C∶N，而土壤C∶P和N∶P不受施肥的影響;DOC含量隨施肥量的增加呈遞減趨勢，DON和DOP含量呈先減后增的趨勢，土壤DOC/DON顯著下降，DOC/DOP和DON/DOP則呈先增后減的趨勢。3）土壤DON、DOP含量與土壤可利用無機養(yǎng)分存在不同程度的相關關系。4）RDA分析表明，土壤DOP含量是調(diào)控施肥處理土壤生態(tài)化學計量特征的主要因素。

關鍵詞 施肥;土壤;理化性質(zhì);化學計量比

中圖分類號：S143 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.19.001

碳（C）、氮（N）、磷（P）不僅是生態(tài)系統(tǒng)植物生長發(fā)育所必需的大量元素，也是土壤結(jié)構和養(yǎng)分的重要組成元素，不同的氣候環(huán)境、地理位置、植被類型、成土母質(zhì)及人類活動等因素，都可以直接或間接影響土壤中碳、氮、磷的物質(zhì)循環(huán)過程。土壤碳氮磷化學計量比（C∶N∶P）是土壤中有機質(zhì)或者其他成分中碳素與氮素、磷素總質(zhì)量的比值，是確定土壤碳氮磷平衡特征的一個重要參數(shù)，也是反映土壤內(nèi)部碳氮磷循環(huán)的主要指標[1]，有利于理解生態(tài)過程養(yǎng)分變化對全球變化的響應[2]。由于各種綜合因素對土壤中碳氮磷總量的變化影響很大，進而使得土壤碳氮磷化學計量比的空間變異性較大。

紫花苜蓿（Medicago sativa）是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗旱、適應性強的多年生豆科牧草[3]，其根系發(fā)達、分枝多、產(chǎn)量高，既可固氮培肥，又是優(yōu)質(zhì)的高蛋白飼料，有著“牧草之王”的美譽，是目前世界上分布最廣、種植面積最大、可利用價值最高的栽培牧草[4-5]。近年來，由于氣候條件及人為大量使用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學品，使苜蓿地土壤結(jié)構破壞，肥力下降，微生物活性受到影響，導致苜蓿產(chǎn)量降低，土壤資源受到嚴重的安全威脅;適宜施肥量對于提供植被養(yǎng)分、調(diào)節(jié)土壤結(jié)構、維持土壤肥力等方面具有非常重要的作用[6-7]。本文通過分析不同施肥處理下苜蓿地土壤理化性質(zhì)及其生態(tài)化學計量特征，探討土壤溶解性有機養(yǎng)分與土壤可利用無機養(yǎng)分間的相關性，揭示苜蓿地土壤特性對土壤生態(tài)化學計量特征的影響，有助于加深對施肥處理土壤C、N、P化學循環(huán)特征的認識，以期為該研究區(qū)紫花苜蓿地養(yǎng)分科學管理和利用提供理論依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗地概況

試驗地位于寧夏自治區(qū)銀川市賀蘭山農(nóng)牧場農(nóng)墾九隊，屬賀蘭山?jīng)_積扇平原，地處北緯38°30'～38°39'，東經(jīng)106°1'～106°9'，海拔為1 111 m。該區(qū)域?qū)俚湫蜏貛Т箨懶詺夂颍募痉置?，晝夜溫差大，年平均氣?.5 ℃左右，年降水量為185 mm左右，主要集中在7、8月，年日照時數(shù)2 800～3 100 h，無霜期185 d左右。試驗地土壤為淡灰鈣土，田間持水量19.17%，容重1.52 g/cm3，土壤總孔隙度38.25%，播種前檢測土壤基礎化學性質(zhì)（見表1）。

1.2? 試驗設計

試驗材料為‘ 巨能7紫花苜蓿，采用單因素完全隨機區(qū)組試驗設計。于2016年5月條播，播量18 kg/hm2，2017年開始試驗處理，設置F1、F2、F3、F4、F5共5個施肥梯度，每個處理3次重復，共15個小區(qū)，小區(qū)面積為4×6=24 m2。采用地下滴灌帶灌溉，配有完善的變頻系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)，每小區(qū)設置獨立閥門控制灌水施肥，灌水量由主管道上的水表控制，滴灌帶深埋20 cm，間距60 cm，滴頭間距30 cm，滴頭每小時滴水3 L。施肥用15 L壓差式施肥灌，將肥料溶解之后通過過濾系統(tǒng)施入。施肥所用肥料為尿素（N≥46%）、水溶性磷酸一氫銨（P2O5≥61%）和硫酸鉀（K2O≥52%）。施肥方案詳見表2。

1.3? 樣品采集與測定

于2020年10月初，在每個調(diào)查樣地內(nèi)采集土樣。每個小區(qū)隨機選取3個采樣點，采集0～40 cm土層的土壤樣品，每個處理采集5個重復，均勻混合后讓所有土壤樣品過2.0 mm篩子，去除雜質(zhì)保存在無菌袋中，編號后儲存在便攜式恒溫箱帶回實驗室。將混合土壤樣品分為2份，1份放入4 ℃冰箱冷藏，用于土壤含水量、無機養(yǎng)分和溶解性有機養(yǎng)分的測定;1份經(jīng)自然風干研磨過篩后，用于土壤pH值、有機碳、全氮和全磷的測定。

測定方法：土壤含水量（SWC）采用烘干法;土壤酸堿度（pH值）采用pHS-3C精密酸度計;硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）用KCl浸提，分別采用紫外分光光度法和靛酚藍比色法;速效磷（AP）采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法;土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法;全氮（TN）用H2SO4消煮，全自動凱式定氮儀測定;全磷（TP）采用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法。

土壤溶解性有機碳、氮、磷含量：土壤溶解性有機碳（DOC）和溶解性總氮（TDN）用KCl浸提（水、土質(zhì)量比為5∶1），TOC/TN分析儀測定，溶解性有機氮（DON）為溶解性總氮（TDN）與土壤無機氮（NO3--N + NH4+-N）的差值;土壤溶解性總磷（TDP）采用過硫酸鉀消化-分光光度法測定，溶解性有機磷（DOP）為溶解性總磷（TDP）與速效磷（AP）的差值。

1.4? 數(shù)據(jù)處理

利用 Microsoft Excel 2010 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并作圖，用SPSS 13.0和DPS 7.05軟件進行方差分析和相關關系分析，用LSD法進行顯著性多重比較，用Canoco 5.0軟件進行土壤生態(tài)化學計量比與土壤指標的RDA分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 施肥對土壤理化性質(zhì)及其化學計量比特征的影響

不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)的影響見表3，隨施肥量的增加，土壤pH值呈下降的趨勢，從8.30逐漸降到8.26，土壤逐漸酸化;施肥量對土壤含水量沒有顯著影響;土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷含量隨施肥量的增加均表現(xiàn)為先增后減的趨勢，土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量在F2處理下顯著增加，含量分別為8.21 mg·kg-1和4.51 mg·kg-1，速效磷含量在F3處理下最高為8.02 mg·kg-1，顯著高于F1、F5處理;土壤全量養(yǎng)分受施肥處理差異顯著，土壤有機碳隨施肥量的增加呈先增后減的趨勢，在F3處理下達11.46 g·kg-1，比F1提高了20.0%，全氮和全磷含量均隨施肥量的增加而增加，且均在F4處理下最高，在F1處理下最低，土壤C∶N隨施肥量的增加逐漸減小，而施肥對土壤C∶P、N∶P沒有顯著影響。

2.2? 施肥對土壤溶解性有機養(yǎng)分及其化學計量比特征的影響

由表4可知，隨施肥量的變化，土壤溶解性有機碳氮磷含量及其化學計量比變化規(guī)律各不相同。隨施肥量的增加，DOC含量逐漸降低，其含量在F1處理下為45.43 mg·kg-1，顯著高于其他處理;DON含量在F3處理下最高，達到13.68 mg·kg-1，F(xiàn)2處理下最低為8.58 mg·kg-1;DOP含量隨施肥量的增加呈先減后增的趨勢，表現(xiàn)為F4處理下最高，F(xiàn)3處理下最低。在不同施肥處理下的土壤可溶性有機養(yǎng)分計量比中，DOC/DON的變化范圍為2.92～4.64，隨施肥量的增加呈先增后減的變化趨勢，在F2處理下最大;DOC/DOP和DON/DOP的變化范圍分別為5.19～14.66和1.60～5.01，均表現(xiàn)為在F3處理下最大，在F4處理下最小。

2.3? 土壤溶解性有機養(yǎng)分與土壤可利用無機養(yǎng)分間關系

由圖1可知，施肥處理對土壤溶解性有機養(yǎng)分與土壤可利用無機養(yǎng)分間有一定的影響。在不同施肥處理下土壤DOC含量與土壤可利用無機養(yǎng)分含量之間無明顯相關關系，而土壤DON含量與土壤NO3--N含量和土壤NH4+-N含量有顯著負相關關系，土壤DOP含量與土壤NO3--N含量有極顯著負相關關系。

2.4? 土壤生態(tài)化學計量特征與土壤指標的冗余分析

RDA結(jié)果表明（見圖2），土壤生態(tài)化學計量比的變化主要由土壤養(yǎng)分狀況驅(qū)動，RDA 第一軸解釋了變量的64.81%，第二軸解釋了25.96%。土壤溶解性有機磷（DOP）解釋了土壤生態(tài)化學計量比變異的54.8%，表明施肥處理引起土壤生態(tài)化學計量特征的變化可以由DOP這個參數(shù)來解析。

3? 討論

土壤理化性質(zhì)是為營造土壤良好環(huán)境和提供植物所需各種營養(yǎng)元素的綜合能力，施肥是補充土壤營養(yǎng)匱乏、維持土壤持續(xù)生產(chǎn)力和維持穩(wěn)定增產(chǎn)的有效措施。研究發(fā)現(xiàn)施肥能直接影響土壤的酸堿度、含水量、有機和無機等養(yǎng)分狀況[8]。本研究結(jié)果顯示，施肥處理改變了土壤理化性質(zhì)，土壤pH值隨施肥量的增加逐漸減小，這與于樹等[9]、張煥軍等[10]研究結(jié)果相一致。施用化肥處理使土壤pH值降低，加速土壤酸化，主要原因可能有：1）肥料中氮素的增加及苜蓿自身固氮的作用，促進了土壤中的硝化作用和反硝化作用，硝化作用產(chǎn)生硝酸鹽，釋放出H+，以及反硝化作用產(chǎn)生的氮氣、氨氣進入大氣，在大氣中經(jīng)過氧化與水解作用轉(zhuǎn)化成硝酸，導致土壤酸化;2）長期施用化肥，植物會選擇吸收肥料中的養(yǎng)分離子，將土壤膠體上的H+交換出來，使土壤溶液中H+濃度升高，加速土壤酸化。而唐海龍等研究得到施用有機無機復混肥可提高土壤pH值[11]，Tyree等研究發(fā)現(xiàn)單獨施用化肥會使土壤 pH 值升高[12]。前人的研究結(jié)果雖不盡相同，但施肥處理對土壤 pH 值有一定程度的影響是必然的。通過施肥處理影響土壤酸堿度值，是培肥土壤的重要措施之一。

土壤NO3--N和NH4+-N是植物吸收的主要氮素形態(tài)，也是植物營養(yǎng)氮素研究的主要切入點。有研究認為施用化肥和有機肥都能提高土壤NO3--N和NH4+-N含量[13-14]，南鎮(zhèn)武研究發(fā)現(xiàn)施用有機肥或化學氮肥均能提高土壤NO3--N或NH4+-N含量及其積累量[15]。本研究發(fā)現(xiàn)施肥處理對土壤NO3--N和NH4+-N含量影響有顯著差異，NO3--N和NH4+-N含量隨施肥量的增加呈先增加后減少的趨勢。該結(jié)論與先前研究結(jié)果有所區(qū)別，可能是由于該研究區(qū)進行長期施肥處理和植被類型為紫花苜蓿，具有自身固氮作用，使土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷、鉀元素豐富，促進植物生長和微生物活性，進而引起植物和微生物對氮素需求量的增加，導致土壤中NO3--N和NH4+-N含量下降。此外，為探討施肥處理引致土壤可利用無機養(yǎng)分是否對土壤溶解性有機養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響，本研究分析了土壤可利用無機養(yǎng)分與溶解性有機養(yǎng)分之間的關系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同施肥處理下土壤NO3--N含量和土壤NH4+-N含量與土壤DON含量呈顯著負相關，NO3--N含量與土壤DOP含量呈顯著負相關。其說明施肥處理改變了土壤微生物可利用底物的N∶P，進而引起土壤無機氮含量的變化。

土壤碳、氮、磷是評價土壤肥力和滿足植物生長需要的重要營養(yǎng)元素，其構成不僅可反映土壤中有機碳和氮、磷等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)，還可表征土壤受外界影響后土壤養(yǎng)分狀況和微生物活性的變化[16]。本研究結(jié)果表明：土壤有機碳、全氮、全磷含量均受施肥處理的顯著影響，隨著施肥量的增加，有機碳含量呈先增后減的趨勢，而全氮和全磷含量呈增加的趨勢。這與李煥茹等研究碳氮添加對草地土壤有機碳量的影響[17]及馬亞娟等對杉木人工林地的施肥處理[18]的部分研究結(jié)論一致，可能由于施肥促進了植物的生長及微生物的活性，使得提高了植物凋落物和根系分泌物的積累，從而導致土壤有機質(zhì)含量增加，反之施肥量過高則不利于土壤有機質(zhì)的積累。也可能是由于土壤初始養(yǎng)分水平處于虧缺狀態(tài)，施肥以后使得土壤中氮、磷養(yǎng)分含量隨施肥量的增加明顯增加。通常認為，土壤碳、氮、磷化學計量比是預測土壤養(yǎng)分限制性和有機質(zhì)分解速率的重要指標。土壤C∶N易受環(huán)境影響，是用來評價土壤碳氮礦化能力和有機質(zhì)分解速率是否會受土壤N限制的重要指標，土壤C∶N與有機質(zhì)的分解速率之間成反比關系[19]。12<（C∶N）<16，表明土壤有機質(zhì)腐殖化程度高，易于有機質(zhì)礦化，土壤有效氮增加，且有機質(zhì)的分解速率不會受到N的限制;（C∶N）>25，土壤微生物對有機質(zhì)的分解速率小于累積速率，有機質(zhì)處于累積狀態(tài)，將受到N的限制[20]。本研究中土壤C∶N低于上述閾值，表明土壤有機碳在微生物作用下礦化速率較快，土壤中有效氮含量增加，土壤不受N限制，但不利于有機碳的積累。同時，研究表明施肥處理對土壤“C∶P”“N∶P”影響無顯著差異，而對土壤C∶N影響有顯著性差異，且隨施肥量的增加土壤C∶N呈遞減趨勢，說明施肥處理增加土壤受碳限制。

4? 結(jié)論

施肥處理對土壤SWC和AP無顯著影響，但顯著影響土壤pH、NO3--N和NH4+-N。隨施肥量的增加，土壤pH值減小，土壤逐漸酸化，NO3--N和NH4+-N含量也逐漸降低。土壤全量、溶解性有機養(yǎng)分含量及其計量比對施肥處理的響應規(guī)律不一致，土壤SOC含量隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，TN和TP含量呈遞增的趨勢，施肥處理顯著降低土壤C∶N，而土壤C∶P和N∶P不受施肥的影響;DOC含量隨施肥量的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，DON和DOP含量呈先減后增的趨勢，土壤DOC/DON顯著下降，DOC/DOP和DON/DOP則呈先增后減的變化趨勢。土壤DON、DOP含量與土壤可利用無機養(yǎng)分存在不同程度的相關關系。土壤DOP含量是調(diào)控施肥處理下土壤生態(tài)化學計量特征的主要因素。施肥對土壤資源計量比的影響，致使土壤微生物生長受限制程度增強。

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（責任編輯：丁志祥）