長(zhǎng)期施磷對(duì)玉米和土壤C∶N∶P及有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的影響

賈照杰, 吉德昌, 陳飛, 武立萍, 李銘軒, 于占波, 丁凡*

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng)110866；2.通遼市奈曼旗青龍山國(guó)有林場(chǎng), 內(nèi)蒙古 通遼028314)

磷(P)作為許多生物化合物(如ATP、磷脂、核酸)的基本組成元素之一，在植物的生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中起著重要作用[1]。農(nóng)田土壤磷含量普遍偏低，施用磷肥不僅是緩解土壤磷限制、提高作物產(chǎn)量的主要手段[2]，也是維持和提高土壤磷素水平的根本途徑[3-4]。

施磷可以通過(guò)提高土壤和植物器官磷含量[5-6]，改變土壤和植物器官的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，降低C/P和N/P[7]。施磷肥可以改變土壤pH，增加可溶性有機(jī)碳含量[8,9]，增加土壤細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物生物量以及提高磷酸酶、脲酶活性[10]，進(jìn)而增強(qiáng)土壤呼吸[11-13]；但也有研究表明施用磷肥會(huì)降低[14-16]或不影響[17]土壤呼吸。施磷肥還會(huì)增強(qiáng)植物光合作用，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，增加初級(jí)生產(chǎn)力及細(xì)根生物量[13,18]，提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)[19-20]。

施磷肥還可能影響土壤有機(jī)碳庫(kù)的數(shù)量及穩(wěn)定性。土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性關(guān)乎全球氣候變化[21]，根據(jù)尺寸和密度可以將土壤有機(jī)碳分為相對(duì)易分解、生物活性較高的顆粒有機(jī)碳和受土壤黏粒和粉粒保護(hù)、難分解的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳[22-24]。文獻(xiàn)中施磷肥對(duì)土壤碳庫(kù)組分的影響表現(xiàn)不一：王玲莉等[25]在玉米連作棕壤中連續(xù)施加26 a磷肥后顆粒有機(jī)碳含量無(wú)變化；劉驊等[26]在玉米-冬小麥-春小麥連作灰漠土中長(zhǎng)期施用18 a氮磷肥，未增加土壤顆粒有機(jī)碳與礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量(相對(duì)于單施磷肥)；Manna等[27]在印度大豆-小麥-玉米輪作土壤中也發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律；而王朔林等[28]在25 a栗褐土長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施磷肥土壤中顆粒有機(jī)碳含量較無(wú)磷肥處理有增加的趨勢(shì)。張秀蘭等[29]在杉木人工林連續(xù)施加3 a磷肥研究表明，施磷肥會(huì)緩解微生物的養(yǎng)分限制，加快微生物及相關(guān)酶對(duì)顆粒有機(jī)碳的分解利用，降低土壤顆粒有機(jī)碳含量，但對(duì)礦物結(jié)合態(tài)碳含量無(wú)影響。因此土壤有機(jī)碳庫(kù)組分對(duì)施磷肥的響應(yīng)差異可能與土壤類型不同、添加時(shí)間長(zhǎng)短、添加水平不同有關(guān)[30]。

目前，關(guān)于施用磷肥對(duì)農(nóng)田土壤和作物碳(C)∶氮(N)∶磷(P)化學(xué)計(jì)量學(xué)、微生物活性、碳庫(kù)數(shù)量及穩(wěn)定性的研究多為短期實(shí)驗(yàn)或者室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，而長(zhǎng)期定位試驗(yàn)還很少[25,31-33]?；诖?，本研究以沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)平臺(tái)為依托，選取不同施磷梯度試驗(yàn)，探討長(zhǎng)期施用不同量磷肥對(duì)土壤與玉米器官化學(xué)計(jì)量學(xué)、土壤呼吸、土壤碳庫(kù)組分的影響，旨在為明確長(zhǎng)期施用磷肥對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站(41°49′N(xiāo)，123°34′E)進(jìn)行。該站建于1987年，海拔75 m，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫7.2 ℃，年降水量730 mm，土壤類型為棕壤。在試驗(yàn)站建立之初，0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：土壤有機(jī)碳(SOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為9.1 g/kg、1.0 g/kg、0.5 g/kg、67.4 mg/kg、8.4 mg/kg和98.3 mg/kg，pH 6.39，砂粒、粉粒和粘粒的比例分別為16.7%、58.4%和24.9%[33]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究實(shí)行玉米連作制度，一年一熟。玉米株距為30 cm，行距60 cm。采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，包括三個(gè)處理：不施磷肥(P0)、低量磷肥(P1，P2O567.5 kg/hm2)、高量磷肥(P2，P2O5135 kg/hm2)。其中，磷肥為磷酸二銨。3種處理均施用135 kg/hm2N當(dāng)量的尿素，且均未施鉀(該試驗(yàn)田不缺鉀)。每個(gè)處理三個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積69 m2。每年4月末播種玉米和施肥，后期不再追肥，玉米生長(zhǎng)季內(nèi)進(jìn)行常規(guī)田間管理，9月底收獲。

1.3 土壤和植物樣品采集

2015年9月底玉米收獲時(shí)采集土壤和玉米植株樣品。土壤樣品用土鉆取0～20 cm的耕層土壤，每個(gè)小區(qū)按S型取5鉆，混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室。去除植物殘根、礫石等雜質(zhì)，一部分放入4 ℃冰箱，測(cè)定微生物量碳氮、土壤呼吸速率等，另一部分自然風(fēng)干，測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)。

每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取三株玉米，分別收集玉米根茬、莖稈、葉片及籽粒樣品。其中，根茬取樣方法：利用鐵鍬挖取以根系為中心，直徑40 cm、深度40 cm的土壤后，輕輕用手去掉大部分土壤，取出完整根茬裝入自封袋，并帶回實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室清洗根茬后，將玉米根茬、莖稈、葉片和籽粒放在60 ℃烘箱中烘至恒重。每種植物器官選取30～50 g用球磨儀(GT200,Grinder)分別粉碎，測(cè)定其碳、氮、磷含量。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤pH用pH計(jì)(雷磁-PHS3C，中國(guó))測(cè)定，水土比為2.5∶1。土壤和植物樣品的碳、氮含量通過(guò)元素分析儀(Vario EL III，德國(guó))測(cè)定。本試驗(yàn)供試土壤偏酸性(pH約為5)，因此土壤全碳即為土壤有機(jī)碳。土壤經(jīng)濃H2SO4和HClO4消解后，全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定。土壤堿解氮和有效磷的測(cè)定方法分別為堿解擴(kuò)散法和鉬銻抗比色法[34]。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-萃取法[35]，利用總有機(jī)碳分析儀上機(jī)(Elementhigh TOC Ⅱ，德國(guó))測(cè)定，未熏蒸土壤浸提液中的碳含量代表土壤可溶性有機(jī)碳含量[36]。

土壤呼吸采用CO2釋放量法測(cè)定[37,38]，將一定重量的鮮土(相當(dāng)于10 g干土)放入250 mL棕色玻璃瓶中，水分調(diào)節(jié)至田間持水量的60%。立即將玻璃瓶用橡膠塞密封，并放置于25℃黑暗條件下培養(yǎng)。在培養(yǎng)第1、2、4、7、8天，用注射器從玻璃瓶的頂部空間提取20 mL氣體，通入紅外氣體分析儀(EGM-4，PP systems，美國(guó))測(cè)定其CO2濃度。每次測(cè)定后，充分交換培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)和瓶外的新鮮空氣后補(bǔ)充水分，重新密封和培養(yǎng)，以備下一次測(cè)量。

土壤有機(jī)碳通過(guò)物理分組方法分為顆粒有機(jī)碳(POC)和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)碳(MAOC)[39]。簡(jiǎn)言之，稱取相當(dāng)于10 g風(fēng)干土重量的鮮土置于100 mL塑料瓶中，加入30 mL 5 g/L化學(xué)分散劑六偏磷酸鈉，常溫振蕩18 h后，將分散液和土壤全部置于53 μm孔徑篩上，用大量蒸餾水沖洗，確保粒徑小于53 μm顆粒全部過(guò)篩。根據(jù)篩網(wǎng)孔徑大小將土壤有機(jī)碳分為顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC，>53 μm)，礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MAOC，<53 μm)。將POC和MAOC兩種土壤組分分別置于蒸發(fā)皿中，60 ℃烘干至恒重，稱重后研磨過(guò)100目篩。用元素分析儀(Vario EL III，德國(guó))測(cè)定兩種組分中的碳含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

土壤微生物量碳的計(jì)算公式為：

CMBC=(CF-CnF)/KEC

(1)

式(1)中，CMBC表示土壤微生物量碳(mg/kg)，CF表示熏蒸條件下K2SO4提取液中的可溶性有機(jī)碳含量(mg/kg)，CnF表示未熏蒸條件下K2SO4提取液中的可溶性有機(jī)碳含量(mg/kg)，KEC表示震蕩過(guò)濾后的提取液中有機(jī)碳轉(zhuǎn)換成土壤微生物量碳的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45。

土壤呼吸速率[37-38]、土壤累計(jì)呼吸量的計(jì)算公式如下：

Rsoil=ρCO2×(Fs-Fb)×V/(ms×t)

(2)

(3)

式(2)中，Rsoil為土壤呼吸速率[μg CO2/(h·g·soil)]，ρCO2為CO2的密度(g/cm3)，F(xiàn)s和Fb分別為處理和空白的土壤樣品測(cè)定CO2濃度(ppm)，V為土壤培養(yǎng)瓶體積(L)，ms為土壤烘干土重(g)，t表示培養(yǎng)時(shí)間(h)。式(3)中，TCR為8天土壤累計(jì)呼吸量[μg CO2/(g·soil)]，i=1,2,4,7,8。

土壤呼吸熵、土壤微生物熵的計(jì)算公式如下：

RQ=TCR/CMBC

(4)

qMB=CMBC/CSOC

(5)

RQ為土壤呼吸熵(μg CO2/g·MBC)；qMB為土壤微生物熵(%)，CSOC為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)。

采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素和雙因素方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著性水平為P<0.05。采用Excel 2019軟件繪圖。表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，樣本量n=3。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)及C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)

相比不施磷肥，施磷提高了土壤全磷、速效磷和堿解氮含量(P<0.05，表1)。其中P2處理提高全磷、速效磷、堿解氮含量的程度最大。P1處理的土壤pH最高。同時(shí)，施磷未顯著影響土壤有機(jī)碳及全氮含量(P>0.05)。因此，隨施磷量的增加，土壤C/P、N/P顯著降低(P<0.05)，而土壤C/N未發(fā)生顯著改變(P>0.05)。

表1 土壤養(yǎng)分含量及碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比Table 1 Soil nutrient content and carbon, nitrogen, phosphorus

2.2 玉米器官的碳、氮、磷含量及C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)

對(duì)于玉米器官而言，玉米各器官的碳含量沒(méi)有顯著差異(P>0.05，表2)，但玉米籽粒的氮、磷含量顯著高于其他器官(P<0.05，表2)。施磷未顯著影響玉米莖稈、葉片、根茬和籽粒中的碳、氮含量(P>0.05，表2)。由于籽粒具有較高的氮、磷含量，其C/N、C/P與N/P顯著低于其他玉米器官(P<0.05，表2)。

對(duì)于施磷而言，與P0和P1處理相比，P2處理除顯著增加玉米根茬的磷含量外，未顯著影響玉米其他器官的磷含量。對(duì)應(yīng)地，P2處理的玉米莖稈根茬的N/P也隨之降低(P<0.05，表2)。同時(shí)，P1處理葉片C/N顯著高于P0和P2處理，C/P顯著高于P2處理(P<0.05，表2)。

表2 玉米不同器官中碳、氮、磷含量及化學(xué)計(jì)量比Table 2 The concentrations and ratios of carbon, nitrogen, phosphorus in maize organs

2.3 土壤呼吸速率及累計(jì)呼吸量

土壤呼吸速率在一定程度上可以表征微生物活性。不施磷處理在培養(yǎng)第1天與第4天土壤呼吸速率顯著大于施磷處理(P<0.05，圖1)，而施用低量和高量磷肥對(duì)土壤呼吸速率無(wú)影響(P>0.05)。與土壤呼吸速率結(jié)果一致，培養(yǎng)期結(jié)束后P0的累計(jì)呼吸量高于P1和P2處理(P<0.05)。不同磷肥處理間土壤微生物量碳、可溶性有機(jī)碳、微生物熵及呼吸熵?zé)o顯著差異(P>0.05，圖2)。以上結(jié)果說(shuō)明，整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，施用磷肥降低了土壤呼吸速率，各處理土壤呼吸速率呈現(xiàn)先減小再增加的變化趨勢(shì)。

圖1 土壤呼吸速率和累積呼吸量Figure 1 Soil respiration rate and cumulative respiration

圖2 土壤微生物量碳、可溶性有機(jī)碳、微生物熵及呼吸熵Figure 2 Soil microbial biomass carbon, dissolved organic matter, microbial quotient, and respiratory quotient

2.4 土壤有機(jī)碳庫(kù)組分分布

長(zhǎng)期施磷未顯著影響土壤顆粒有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量，以及兩者占總有機(jī)碳的比例(P>0.05，圖3)。土壤有機(jī)碳以礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳為主，占土壤有機(jī)碳比例為73%～76%，而顆粒有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的比例為24%～28%。

圖3 土壤顆粒有機(jī)碳與礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量及兩者占土壤有機(jī)碳的比例Figure 3 The contents of POC and MAOC and their proportions in soil organic carbon pool注：POC—顆粒有機(jī)碳；MAOC—礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳；SOC—土壤有機(jī)碳

3 討 論

長(zhǎng)期施用磷肥對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響主要通過(guò)改變土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量學(xué)而提高作物對(duì)磷素的吸收量，并改變土壤微生物活性(土壤呼吸)，但是對(duì)土壤碳庫(kù)穩(wěn)定含量及其穩(wěn)定性并無(wú)顯著影響。具體如下：

3.1 施磷對(duì)土壤和植物養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量學(xué)的影響

磷是植物生長(zhǎng)和代謝所需的重要養(yǎng)分，是維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因子[40-41]。施用磷肥沒(méi)有顯著影響土壤有機(jī)碳和全氮含量(表1)，牛玉斌等[42]在草原和鄭宛志等[8]在森林中的研究也有類似發(fā)現(xiàn)，這可能因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳和全氮含量對(duì)磷肥施入不敏感。其次，施用磷肥可以增加植物對(duì)氮的吸收利用，減少硝化和反硝化微生物可利用的氮源[6]，增加了土壤有效氮含量(表1)。隨著施磷量的增加，土壤速效磷和全磷含量顯著增加，C∶P，N∶P隨之下降(表1)。由于土壤中磷含量增加，植株對(duì)土壤磷的吸收也相應(yīng)增加[5,43-45]，本研究發(fā)現(xiàn)不同玉米器官中的磷含量增加18%～89%(表2，P=0.036)。本研究施用的磷酸二銨為弱堿性肥料，有助于減緩?fù)寥纏H的降幅。然而pH的增加僅在施低量磷肥時(shí)出現(xiàn)，且只有0.2個(gè)單位(表1)，這說(shuō)明在本研究中長(zhǎng)期施磷對(duì)土壤pH影響有限。

3.2 施磷對(duì)碳庫(kù)穩(wěn)定性和土壤微生物活性的影響

土壤有機(jī)碳分為相對(duì)易分解、生物活性較高的顆粒有機(jī)碳和受土壤黏粒和粉粒保護(hù)、難分解的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，本研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用磷肥對(duì)土壤顆粒有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)含量無(wú)影響(圖3)。說(shuō)明施磷對(duì)碳庫(kù)穩(wěn)定性無(wú)影響。以往研究表明，施加磷肥可以改善土壤速效養(yǎng)分狀況，促進(jìn)作物根系和地上部分的生長(zhǎng)[46]，增加根茬及凋落物的歸還量，從而提高土壤顆粒有機(jī)碳含量[28]，這些結(jié)果與本研究結(jié)果不同。這可能因?yàn)楸驹囼?yàn)所有小區(qū)所有地上部均被移除，僅有根茬還田，造成秸稈還田量較小，從而導(dǎo)致施加不同量磷肥后土壤有機(jī)碳含量、微生物量碳、可溶性有機(jī)碳含量無(wú)變化(表2，圖2)。而顆粒有機(jī)碳含量很大程度上取決于有機(jī)碳總儲(chǔ)量[28]，因此土壤顆粒有機(jī)碳含量也沒(méi)有發(fā)生顯著改變。這一結(jié)果暗示了土壤有機(jī)碳庫(kù)組分對(duì)長(zhǎng)期施用磷肥不敏感。

土壤呼吸在一定程度上可以代表微生物活性[47,48]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用磷肥抑制了土壤呼吸速率，造成土壤CO2累積呼吸量降低，說(shuō)明施用磷肥可能抑制了土壤微生物活性(圖1)。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，杉木幼林土壤施磷后會(huì)減少細(xì)根生物量[49]及細(xì)根、菌根菌絲分泌的可溶性有機(jī)化合物，造成土壤呼吸平均降低17.1%。但在本研究較為特殊的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，地上生物量全部移除導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量在施磷與未施磷條件下保持相同水平。同樣地，施加不同量磷肥對(duì)土壤微生物生物量碳、可溶性碳含量、呼吸熵等無(wú)影響(圖2)，因此碳源的變化不是施磷肥對(duì)土壤呼吸影響的原因。一個(gè)可能的原因是，隨著施磷量的增加，土壤堿解氮含量增加(表2)，土壤微生物對(duì)獲取氮素的需求得到緩解，微生物分解有機(jī)質(zhì)以獲取氮源(即“氮開(kāi)采”)的意愿降低，導(dǎo)致土壤異養(yǎng)呼吸降低[50]。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)期施用磷肥顯著增加土壤全磷、速效磷、堿解氮含量，降低土壤C/P和N/P。長(zhǎng)期施用磷肥抑制土壤呼吸速率而對(duì)土壤有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳、全氮含量及C/N無(wú)影響。此外，長(zhǎng)期施用磷肥增加了玉米不同器官磷含量，因而降低玉米根茬、莖稈、葉片N/P，但未顯著影響玉米器官碳、氮含量。