長期施肥黃土旱塬農(nóng)田土壤-微生物-植物系統(tǒng)碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

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(jì)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(rèn)為是影響植物生長的重要評價指標(biāo)[2—4]。明確元素化學(xué)計(jì)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(jì)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(jì)量比,這些化學(xué)計(jì)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(jī)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(qiáng)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(jī)或無機(jī)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(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)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(yàn)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(jì)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(jì)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(yàn)區(qū)概況

本研究選取實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為黃土高原中南部的長武農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站長期施肥試驗(yàn)場(35°14′ N,107°41′ E)。該站屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

長期定位施肥試驗(yàn)開始于1984年,每個試驗(yàn)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(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),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(jī)肥(M)；6)氮肥配施有機(jī)肥(NM)；7)磷肥配施有機(jī)肥(PM)；8)氮磷肥配施有機(jī)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(yàn)中氮肥為尿素,總氮量46.4%；磷肥為過磷酸鈣,含P2O546.0%；有機(jī)肥為廄肥,平均有機(jī)質(zhì)含量為106.0 g/kg。所有肥料在播種前一次施入,試驗(yàn)田按大田豐產(chǎn)模式進(jìn)行管理。

1.3 樣品采集

樣品采集時間為2018年6月,采用五點(diǎn)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(fēng)處風(fēng)干后過篩測定C、N、P全量和有機(jī)量。植物樣品于試驗(yàn)小區(qū)收獲期采集,隨機(jī)抽取50株殺青、風(fēng)干、粉碎后測量植物C、N、P含量。

1.4 試驗(yàn)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(jī)碳(OC)測定將土樣用0.1 mol/LHCL酸洗去無機(jī)態(tài)至無氣泡后去離子超純水反復(fù)水洗,風(fēng)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(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)差表示,采用Origin 2017繪圖。用SPSS 24.0對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(jī)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(jī)肥配施處理間土壤TC、TN含量無顯著差異；不同化肥有機(jī)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(jì)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(jī)肥;NM: 氮肥配施有機(jī)肥;PM: 磷肥配施有機(jī)肥;NPM: 氮磷肥配施有機(jī)肥

2.2 長期施肥對土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮、有機(jī)磷含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的影響

圖2可知,不同化肥有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)C∶N顯著低于CK處理,其余施肥處理對有機(jī)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(jī)質(zhì)C∶P無顯著影響。P處理均顯著降低了有機(jī)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(jī)肥處理有機(jī)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(jī)碳(OC)、 氮(ON)、磷(OP)含量及化學(xué)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)量比的相關(guān)關(guān)系

由圖5可知,除ON和TP外,土壤和有機(jī)質(zhì)C、N、P各組分之間均存在顯著正相關(guān)；MBC與有機(jī)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(fù)相關(guān)；CW與BN呈顯著正相關(guān),NW與TC、TN、OC、ON、OP呈顯著負(fù)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(jī)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(jì)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(jī)肥處理的土壤碳氮磷全量和有機(jī)量均有提高,一方面可能是由于有機(jī)肥中含有大量的N、P等營養(yǎng)元素,施用有機(jī)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(jī)物通過進(jìn)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(jī)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(jìn)了作物的沉析作用和增加了殘?bào)w還田量[18],進(jìn)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(jī)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(jìn)而提高土壤中微生物生物量含量。另外,長期施用無機(jī)肥料可能會引發(fā)土壤酸化,破壞土壤團(tuán)聚體等問題,不利于微生物的生長繁殖,同時無外源有機(jī)氮源補(bǔ)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(jī)肥可明顯提高微生物對土壤碳素的轉(zhuǎn)化分解,增強(qiáng)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(jìn)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(jī)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(jī)磷和有機(jī)磷累積量顯著提高,同時刺激了土壤微生物的生長,促進(jìn)了土壤磷素的轉(zhuǎn)化分解[19],進(jìn)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(jì)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(jī)氮源,增強(qiáng)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(jìn)一步補(bǔ)充,導(dǎo)致土壤C∶N比降低。隨著外源有機(jī)肥料的添加,提高了土壤有機(jī)氮源含量,有利于土壤氮素的積累,并且當(dāng)?shù)闯渥銜r,微生物活性相對較高,也會加快土壤有機(jī)碳的礦化速率,加劇了土壤碳源的消耗[26],進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(qiáng)了作物對土壤氮素的利用效率,同時沒有外源碳素的補(bǔ)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(jī)肥處理能有效促進(jìn)作物根系生長,提高作物對土壤碳素的利用,增強(qiáng)光合作用效果,且植株在進(jìn)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?yàn)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(jī)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?yàn)槭┘拥挠袡C(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)[31—32]。當(dāng)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(jìn)而降低了土壤N∶P比。施用磷肥和磷肥配施有機(jī)肥處理的有機(jī)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(jī)肥可以有效補(bǔ)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(jī)氮源較為缺乏的緣故[25],使得有機(jī)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(jī)肥和配施化肥可顯著增加土壤和有機(jī)質(zhì)C、N、P含量,其中PM、NPM處理對提高土壤和有機(jī)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(jī)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(jī)肥可導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)和微生物量的化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化,進(jìn)而對小麥植株的化學(xué)計(jì)量比產(chǎn)生顯著影響。