不同種植年限葡萄園土壤及微生物量碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

劉誼鋒，田耀武

（河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471000）

碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物生長過程的必需元素[1]，也是土壤最基本的化學(xué)組成元素，其相對組成及化學(xué)計(jì)量比直接影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)循環(huán)[2]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合了多門學(xué)科，是用于研究多重化學(xué)元素（主要是C、N、P）平衡和生物系統(tǒng)能量平衡的科學(xué)[2]。果園土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，通過研究果園土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，對認(rèn)識(shí)果園生態(tài)系統(tǒng)的元素響應(yīng)機(jī)制、循環(huán)過程以及對各種因素干擾的反饋及實(shí)現(xiàn)果園持續(xù)經(jīng)營管理具有重要意義[3-4]。近年來，關(guān)于生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方面的研究在國內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注，但大多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)C、N、P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其影響因素方面[5-9]，對于果園生態(tài)系統(tǒng)的研究相對較少，主要集中在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[10]、影響因素[11-13]、碳儲(chǔ)量[14-16]、碳密度及分布特征[17]等方面。王凌云等[10]發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的種植方式使果園的生態(tài)系統(tǒng)逐漸弱化，持續(xù)性和穩(wěn)定性變差。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，不同的墾殖方式[11]、牧草綠肥[12]對果園生態(tài)系統(tǒng)都有不同程度的影響。李壯等[13]發(fā)現(xiàn)，不同的經(jīng)營措施可以增加果園系統(tǒng)碳匯，還可以提高土壤肥力。趙牧秋等[14-15]對芒果園和蓮霧果園的碳儲(chǔ)量研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的增加，碳儲(chǔ)量逐漸降低，與吳志丹等[16]的研究結(jié)果一致。朱苑維等[17]對廣州市的果園研究發(fā)現(xiàn)，果園具有較高的碳密度和碳匯水平。目前，在果園土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征方面的研究報(bào)道較少，楊海江等[18]對賀蘭山東麓葡萄種植區(qū)的土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域間的C、N、P 含量差異顯著，而針對不同種植年限下土壤微生物量C、N、P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究尚無報(bào)道。為此，分析不同種植年限葡萄園土壤及微生物量C、N、P 含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，以期為葡萄園的規(guī)?；N植和科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省洛陽市偃師區(qū)偃師葡萄地域保護(hù)區(qū)(112°26′15″～113°00′00″E、34°27′30″～34°50′00″N)，海拔115～400 m，總面積668.59 km2。保護(hù)區(qū)屬季風(fēng)性暖溫帶氣候，年平均氣溫為14.40 ℃，無霜期為252 d，年平均降水量為533.80 mm，降水主要集中在7—9月，年日照時(shí)數(shù)為2 248.30 h，日照率為51%。保護(hù)區(qū)內(nèi)伊河、洛河穿境而過，地下水豐富，地下水位最低6 m、最高3.5 m，充足的水資源為偃師葡萄提供了良好的灌溉條件。種植的葡萄品種以夏黑和巨峰早熟品種為主，搭配種植的有陽光玫瑰、京亞、維多利亞等早熟品種以及晚熟品種紅地球[19]。土壤類型為壤質(zhì)潮土，pH 值介于7.1～8.2，保水保肥、通水透氣性好的土壤條件形成了偃師葡萄生長的獨(dú)特土壤環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取土壤條件基本一致，種植年限分別為5、8、13、20 a 的巨峰葡萄園為研究對象，土壤類型為褐土，葡萄園的種植密度為3 000 株/hm2左右，種植前均進(jìn)行深耕，種植后每年進(jìn)行除草和適時(shí)中耕。樣地具體情況見表1。

表1 樣地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the sample plot

1.3 土樣采集

對不同種植年限的樣地分別選取3塊條件相似的重復(fù)樣地，每個(gè)樣地內(nèi)均設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣方，大小為20 m×20 m。每個(gè)樣方內(nèi)使用梅花型取樣法共選取5個(gè)采樣點(diǎn)，剔除土壤表面凋落物及動(dòng)植物殘?bào)w后，用直徑為4 cm 土鉆采集距離樹干80 cm 以外的0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土壤。每層土壤樣品由多點(diǎn)取樣后混合均勻，將同一樣方內(nèi)不同土層5 個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品充分混勻后分成兩份；一份在陰涼處風(fēng)干后過0.15 mm 篩，常溫保存，用于測定土壤C、N、P 含量；一份過2 mm 篩，在4 ℃下低溫保存，用于測定土壤微生物量C（Microbial biomass carbon，MBC）、微生物量N（Microbial biomass nitrogen，MBN）、微生物量P（Microbial biomass phosphorus，MBP）含量。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

土壤C 含量：采用重鉻酸鉀外加熱法測定[20]；土壤N 含量：采用半微量凱氏定氮法測定[20]；土壤P 含量：采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定[20]。土壤MBC 含量：使用氯仿熏蒸—硫酸鉀溶液浸提，然后采用重鉻酸鉀外加熱法測定[20]；土壤MBN 含量：使用氯仿熏蒸—硫酸鉀溶液浸提，然后采用半微量凱氏定氮法測定[20]；土壤MBP 含量：使用氯仿熏蒸—硫酸鉀溶液浸提，然后采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定[20]。計(jì)算土壤C、N、P 及MBC、MBN、MBP生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，采用摩爾比表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 25.0 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、多重比較以及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限葡萄園土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量

如表2所示，不同種植年限葡萄園土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量均有差異，土壤C、N、P含量均表現(xiàn)出隨種植年限增加而增加的趨勢，均在20 a 時(shí)達(dá)到最高，分別為11.93、0.94、0.39 g/kg，顯著高于5 a、8 a 和13 a（C 含量除外），種植20 a 土壤分別較種植5 a 增加了20.38%、64.91%、105.26%。土壤MBC、MBN、MBP 含量同樣隨種植年限的增加而增加，不同種植年限間差異顯著，種植20 a 土壤分別較種植5 a增加了205.61%、191.86%、81.56%。種植5 a 的土壤P 含量最低，為0.19 g/kg，按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]，處于6 級(jí)水平，種植20 a 的土壤P 含量增加到0.39 g/kg，處于5 級(jí)水平；種植20 a 土壤C、N 含量均處于4 級(jí)水平。種植13、20 a 土壤C、N 含量均顯著高于種植5、8 a，土壤P 含量在不同種植年限間差異顯著。

表2 不同種植年限葡萄園土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量Tab.2 Contents of C，N，P，MBC，MBN and MBP in soil with grape planted for different years

由表3 可得，不同種植年限土壤養(yǎng)分含量均在0～20 cm 土層達(dá)到最大值，并總體上與其他土層差異顯著，表明不同種植年限土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚性；不同深度土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量差異明顯。不同種植年限土壤C、N、P 含量均隨土層深度增加呈下降趨勢，0～20 cm 土層最高，種植5 a 土壤C、N、P 含量分別是80～100 cm 土層土壤的1.93、2.75、1.93 倍，而種植20 a 土壤C、N、P 含量分別是80～100 cm 土壤的1.91、1.95、2.14 倍。不同種植年限土壤MBC、MBN、MBP 含量總體上均隨土層深度增加呈下降趨勢，0～20 cm 土層最高，但種植20 a土壤MBP含量在40～60 cm 處有所回升，這可能與植物根系密度有關(guān)。

表3 不同種植年限葡萄園不同土層深度土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量Tab.3 Contents of C，N，P，MBC，MBN and MBP in different depths of soil with grape planted for different years

續(xù)表3 不同種植年限葡萄園不同土層深度土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量Tab.3 （Continued）Contents of C，N，P，MBC，MBN and MBP in different depths of soil with grape planted for different years

2.2 不同種植年限葡萄園土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

由圖1 可得，土壤C∶N 總體隨著種植年限的增加而降低；隨著土層深度增加總體呈上升趨勢，這種趨勢隨著種植年限的增加逐漸減弱，當(dāng)種植年限為20 a 時(shí)C∶N 趨于平穩(wěn)。土壤C∶P 總體隨著種植年限的增加而降低。土壤C∶P（種植13 a 除外）和N∶P（種植8 a 除外）隨著土層深度增加總體呈先上升后下降的趨勢。同一土層深度C∶N、C∶P 和N∶P總體表現(xiàn)為5、8 a顯著高于13、20 a。種植5、13 a的80～100 cm 土層土壤C∶N 顯著高于其他土層，其他種植年限土壤C∶N 在不同土層間差異均不顯著。對于土壤C∶P，種植13 a 的40～60、60～80、80～100 cm 土層顯著高于其他土層，種植20 a 的60～80 cm 土層顯著高于0～20、80～100 cm 土層，其他年限不同土層深度之間差異不顯著。而對于土壤N∶P，種植5 a 的20～40、40～60、60～80 cm 土層顯著高于80～100 cm 土層，種植8 a 的0～20、40～60 cm 土層顯著高于80～100 cm 土層，種植13 a 的40～60、60～80、80～100 cm土層顯著高于0～20 cm土層，種植20 a的40～60、60～80 cm土層顯著高于其他土層。

土壤MBC∶MBN（除種植20 a 外）總體上隨著種植年限的增加而下降，種植5 a的80～100 cm 土層顯著高于其他年限，種植20 a 的0～20、20～40 cm 土層顯著高于其他年限。而土壤MBC∶MBP 和MBN∶MBP 總體上隨著種植年限的增加而增加，種植20 a的MBC∶MBP總體上顯著高于其他年限，而種植13、20 a 的MBN∶MBP 總體上顯著高于其他年限。土壤MBC:MBN（除種植5、8 a 外）、MBC∶MBP（除種植8 a外）和MBN∶MBP（除種植20 a 外）總體上隨著土層深度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。對于土壤MBC∶MBN，種植5 a的80～100 cm土層顯著高于60～80 cm土層，種植8 a 的20～40、40～60、60～80 cm 土層顯著高于80～100 cm 土層，種植20 a 的0～20、20～40 cm土層顯著高于其他土層，種植13 a 的不同土層深度之間差異不顯著。對于MBC∶MBP，種植8 a 的20～40、40～60 cm 土層顯著高于80～100 cm 土層，種植13 a的0～20 cm 土層顯著高于80～100 cm 土層，種植20 a 的0～20、20～40 cm 土層顯著高于其他土層，種植5 a 的不同土層深度之間差異不顯著。對于MBN∶MBP，種植5 a 的60～80 cm 土層顯著高于80～100 cm 土層，種植8 a 的20～40 cm 土層顯著高于60～80 cm 土層，種植20 a的60～80 cm 土層顯著高于40～60 cm 土層，種植13 a 不同土層深度之間無顯著差異。

2.3 不同種植年限葡萄園土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量與其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析

由表4 可知，土壤C、N、P 含量之間具有極顯著的正相關(guān)性。土壤C、N、P含量與土壤C∶N、C∶P、N∶P 均呈負(fù)相關(guān)，其中，土壤C、N、P 含量與土壤C∶N、C∶P 均呈極顯著負(fù)相關(guān)，土壤P 含量與土壤N∶P 呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤C、N、P 含量與土壤MBC、MBN、MBP含量及MBC∶MBP、MBN∶MBP均呈極顯著正相關(guān)，與種植年限呈極顯著正相關(guān)。土壤C∶N與C∶P、C∶P 與N:P 均呈極顯著正相關(guān)，C∶N 與N:P 呈顯著正相關(guān)。土壤N∶P 與土壤MBC、MBP 含量均呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤MBN 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤C∶N、C∶P 與土壤MBC、MBN、MBP 含量及MBC∶MBP、MBN∶MBP、種植年限均呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤N∶P與種植年限呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤MBC、MBN、MBP含量之間呈極顯著的正相關(guān)，與MBC∶MBP、MBN∶MBP、種植年限均呈極顯著正相關(guān)。土壤MBC∶MBP、MBN:MBP 之間呈極顯著正相關(guān)，與種植年限呈極顯著正相關(guān)。

表4 土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量與其生態(tài)化學(xué)計(jì)量此的相關(guān)性Tab.4 Correlation between soil C，N and P and microbial biomass C，N and P contents and their ecological stoichiometric ratios

3 結(jié)論與討論

3.1 不同種植年限葡萄園土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量變化

本研究結(jié)果表明，土壤C、N、P 含量隨種植年限增加而明顯增加，種植20 a 土壤分別較種植5 a 增加了20.38%、64.91%、105.26%；土壤MBC、MBN、MBP 含量同樣隨種植年限的增加而增加，種植20 a土壤分別較種植5 a 增加了205.61%、191.86%、81.56%，說明葡萄種植促進(jìn)了土壤養(yǎng)分積累和微生物量養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，這與前人[22-26]研究結(jié)果基本一致。在葡萄的種植過程中對土壤進(jìn)行管理，可以加速植物根系對土壤養(yǎng)分的歸還，從而改善土壤質(zhì)量，提高土壤生產(chǎn)力。隨著葡萄種植年限增加、對土壤的科學(xué)管理、有機(jī)肥的添加以及凋落物的分解，土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量均有明顯增加。葡萄種植過程中，土壤有機(jī)物不斷增加并分解，土壤理化環(huán)境也會(huì)發(fā)生改變，從而影響土壤養(yǎng)分含量[27-28]。本研究結(jié)果表明，土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量總體均隨著土層深度的增加而下降，這與孫夢飛等[29]的研究結(jié)果一致，說明土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚性，可能是因?yàn)橥寥辣韺油庑粤己?，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)良好，疏松透氣，有利于水分運(yùn)輸[30]；此外，土壤表層中的微生物種類豐富，有利于凋落物的加速分解，從而改善土壤養(yǎng)分狀況。種植葡萄20 a 的土壤MBP 含量在40～60 cm 土層發(fā)生變化，這可能是因?yàn)殡S著種植年限的增加，葡萄根系不斷發(fā)達(dá)，主要集中在地下40～50 cm 土層，受植物根系量的影響，土壤養(yǎng)分吸收增加，而繼續(xù)向下的根系不斷減少。因此，從土壤表層向下土壤養(yǎng)分含量逐漸降低，在根系較為密集的40～60 cm 土層有所增加，隨著土層加深，植物根系減少，對土壤養(yǎng)分的吸收速率減緩，因此出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折變化。

3.2 不同種植年限葡萄園土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

土壤C∶N 隨著土層深度增加總體呈上升趨勢，這種趨勢隨著種植年限的增加逐漸減弱，當(dāng)種植年限為20 a 時(shí)，C∶N 趨于平穩(wěn)。土壤C∶P（種植13 a 除外）和N∶P（種植8 a除外）隨著土層深度增加總體呈先上升后下降的趨勢。C∶N、C∶P 和N∶P 是反映土壤有機(jī)質(zhì)組成及土壤養(yǎng)分有效性的關(guān)鍵指標(biāo)[2]。C∶N 可衡量土壤C、N 營養(yǎng)元素平衡狀況，表征土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率，其值越低，礦化速率越快[31]。本研究結(jié)果表明，4種種植年限葡萄園土壤C∶N 平均值為15.71，高于我國土壤C∶N 平均值11.90[32]，表現(xiàn)為5 a(18.30)＞8 a (17.74)＞13 a (13.97)＞20 a (12.81)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C∶N 升高時(shí)，土壤微生物需攝入N 素以滿足自身需要，當(dāng)C∶N 降低時(shí)，微生物會(huì)將多于自身需要的N 素釋放到土壤中[33]。土壤MBC∶MBN、MBC∶MBP 和MBN∶MBP 均隨著種植年限的增加呈波動(dòng)變化，土壤MBC∶MBN（除種植20 a 外）總體隨著種植年限的增加而下降，而土壤MBC∶MBP 和MBN∶MBP 總體隨著種植年限的增加而增加，主要是由于植被種植過程中微生物群落可通過自身結(jié)構(gòu)和代謝進(jìn)行C∶N∶P計(jì)量學(xué)特征的調(diào)節(jié)[34]。

3.3 土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量與其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)關(guān)系

本研究結(jié)果表明，種植年限與土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征總體均具有極顯著相關(guān)性。土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量之間存在極顯著正相關(guān)，表明土壤及微生物量C、N、P 元素之間存在密切關(guān)系[30]。土壤N∶P與土壤C、N 含量無顯著相關(guān)性，而與土壤P 含量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤N∶P 主要受P 元素控制。土壤MBC、MBN、MBP 含量與土壤MBC∶MBP、MBN∶MBP 均呈極顯著正相關(guān)，這與LI 等[35]的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，種植年限與土壤C∶N、C∶P、N∶P、MBC∶MBP、MBN∶MBP 均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，但與MBC∶MBN無顯著相關(guān)性。