切根對5齡老芒麥根系土壤養(yǎng)分和微生物生物量及C，N，P化學計量特征的影響

摘要：本文以5齡老芒麥（Elymus sibiricus L.）為研究對象，采用分光光度計和氯仿熏蒸等方法測定土壤養(yǎng)分和微生物生物量，探討了“一”字切根（RT1）和“十”字切根（RT2）處理對老芒麥根系土壤養(yǎng)分和微生物生物量及C，N，P化學計量特征的影響。結(jié)果表明：除土壤pH和速效鉀外，2種切根處理均能改善土壤養(yǎng)分和提高微生物生物量碳氮磷含量，其微生物生物量碳和氮含量在RT1處理下增加更顯著。同時，切根處理使土壤碳氮比、碳磷比、微生物量氮磷比增加，氮磷比、微生物量碳氮比降低，表明切根處理可以緩解老芒麥生長過程中受土壤N，P元素的限制。相關(guān)性分析表明，土壤有機碳和全氮與微生物量碳、氮和微生物量氮磷比顯著正相關(guān)，土壤碳磷比與微生物量磷和氮顯著正相關(guān)。2種切根處理均改善了老芒麥根系土壤環(huán)境，為老芒麥人工草地的科學管理提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：切根；老芒麥；土壤養(yǎng)分；微生物生物量；化學計量特征

中圖分類號：S963.91文獻標識碼：A文章編號：1007-0435（2023）03-0668-08

Effects of Root Cutting on Nutrient Content，Microbial Biomass and Stoichiometric

Characteristics of C，N，P in Rhizosphere Soil of 5-year-old Elymus sibiricus

LI Xia， QI Juan*， LU Xin， DU Shuang-shuang， JIA Yan-wei， SAI Ning-gang

（College of Pratacultural Science， Gansu Agricultural University; Key Laboratory of Grassland Ecosystem， Ministry of Education;

Gansu Grassland Engineering Laboratory; China-US Center for Grazing Land Ecosystem Sustainability， Lanzhou，

Gansu Province 730070，China）

Abstract：In this paper，we measured the rhizosphere soil nutrients，microbial biomass，and carbon （C），nitrogen （N） and phosphorus （P） content of 5-year-old Elymus sibiricus based on spectrophotometer and chloroform fumigation，to compare two root cutting treatments，\"one-line\" （RT1） and \"cross\" （RT2）.The results showed that in addition to soil pH and available potassium，the root-cutting treatments could both improve soil nutrient content，microbial biomass，and contents of C，N，and P，and RT1 received significantly more microbial biomass and contents of C and N. Meanwhile，root-cutting treatments increased C/N and C/P in soil and microbial N/P，while soil N/P and microbial C/N were decreased. It indicated that root-cutting treatments could alleviate the limitation of soil N and P during the growth of E. sibiricus. Correlation analysis showed that soil organic carbon and total nitrogen were significantly positively correlated with microbial C，N，and N/P ratio，while soil C/P ratio was significantly positively correlated with microbial P and N. Two root cutting treatments improved the rhizosphere soil environment in the 5-year-old E. sibiricus，which provides theoretical basis for scientific management of E. sibiricus artificial grassland.

Key words：Root cutting;Elymus sibiricus;Soil nutrients;Microbial biomass;Stoichiometric characteristics

老芒麥（Elymus sibiricus L.）是披堿草屬（Elymus）多年生疏叢型植物，主要分布于我國東北、華北、西北和青藏高原等地，具有較強的抗逆性，優(yōu)良的品質(zhì)，較高的產(chǎn)量，是退化天然草地修復和人工草地建植的優(yōu)良材料［1］，對我國畜牧業(yè)發(fā)展和穩(wěn)定草原生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。但老芒麥人工草地利用年限較短，最佳利用年限僅為2～4年，容易出現(xiàn)明顯的“斑禿”現(xiàn)象［2］，且易受土壤環(huán)境影響。隨著種植年限的增加，老芒麥土壤質(zhì)量明顯下降［3］。

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物與其之間進行能量流動和物質(zhì)交換的重要場所，而土壤中所有物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化幾乎都是在微生物參與下進行的［4］。土壤微生物生物量是土壤環(huán)境變化的指示因子，是土壤有機碳組分中最活躍的部分，對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)起著重要調(diào)控作用［5］，提高土壤的微生物生物量可在一定程度上改善土壤養(yǎng)分的供應，促進植物對土壤有效養(yǎng)分的吸收［6］。微生物生物量碳、氮、磷及其比值作為衡量土壤養(yǎng)分吸收利用的重要指標，通過研究其變化特征更利于深入了解土壤養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分限制［7］，可以反映資源分配機制及養(yǎng)分需求變化，進一步揭示植物碳氮磷供應的水平［8］。因此，采取一定措施改善土壤微生物生物量碳、氮、磷等水平，了解土壤肥力的變化，能夠為土壤培肥及植物生長發(fā)育提供一定的理論和技術(shù)指導。

草地改良措施（如補播、淺耕翻、圍封、施肥、切根等）很多［9］，在眾多的草地生產(chǎn)力提升措施中，切根與施肥是較常用的管理措施［10］。但是，長期施用化肥引起的環(huán)境污染、生態(tài)平衡破壞等一系列問題不容忽視［11］。切根是劃破草地的一種物理改良方式，即用主動型盤齒式切刀切斷植物根莖，會形成一條條的窄縫，其對土壤養(yǎng)分、微生物活性及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化起著潛在的促進作用［10］。本文中對老芒麥進行“一”字和“十”字切根處理，即處理后會形成一條窄縫和相交的兩條窄縫。研究發(fā)現(xiàn)切根處理后，由于植物根系數(shù)量和質(zhì)量的變化可能加快了土壤酶的釋放量，進而增加土壤酶的活性［12］，隨后會使土壤微生物生物量也發(fā)生顯著性變化［13］。目前，有關(guān)切根對草地的影響方面研究較多，但主要聚焦于其對退化草地群落結(jié)構(gòu)［14］、草地優(yōu)勢植物的功能性狀等方面［15］，而有關(guān)切根對植物根系土壤肥力等特征的影響研究較少。

因此，本研究以人工建植的衰退5齡老芒麥為研究對象，通過研究切根對其根系土壤養(yǎng)分及微生物生物量碳、氮、磷化學計量特征的影響，探討切根處理措施對老芒麥土壤環(huán)境的改良效果，以期為老芒麥人工草地的科學管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗地位于甘肅農(nóng)業(yè)大學牧草實訓基地，地處103°53′E，36°03′N。光照較充足，平均海拔1 525 m，年平均氣溫8.9℃，年降水量327 mm，年蒸發(fā)量1 468 mm，年日照時數(shù)2 476.4 h，全年無霜期180 d以上，土壤類型為黃綿土。

1.2試驗設計

將采集的野生老芒麥（采自于新疆伊犁昭蘇縣城北，經(jīng)緯度為43°13′E，81°06′N，海拔為2 233 m）于2017年5月初種植在甘肅農(nóng)業(yè)大學牧草實訓基地。播種方式為條播，播種量為30 kg·hm-2，每個小區(qū)種10行，行距30 cm，區(qū)距為40 cm，小區(qū)面積9 m2（3 m×3 m），3次重復。2021年4月初老芒麥返青初期，選取種植小區(qū)中的2個小區(qū)，采用自制切根工具（長15 cm，高20 cm，厚0.5 mm）進行切根處理（深度為20 cm，寬度為15 cm），分別為“一”字（RT1）切根和“十”字（RT2）切根，剩余的一個分區(qū)為對照，試驗處理前后均為常規(guī)田間管理。小區(qū)采用隨機區(qū)組排列設計。

2021年9月進行土壤采樣，于老芒麥株叢中心使用土鉆采取0～10 cm和10～20 cm的根系土壤，隨機選取至少3個老芒麥株叢進行采樣。然后將不同處理下取的土壤裝入自封袋，在低溫條件下快速帶回實驗室，將土壤樣品分為兩部分，一部分冷凍并保存在4℃低溫冰箱用于土壤微生物生物量碳、氮、磷的測定，另一部分自然風干研磨過篩后用于土壤養(yǎng)分的測定。

1.3測定項目及方法

1.3.1土壤養(yǎng)分特征采用pH計測定土壤pH值，水土比5∶1；土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）測定采用重鉻酸鉀法；采用火焰光度計法測定速效鉀；堿解氮的測定采用堿解—擴散法測定；采用分光光度計法測定有效磷；采用凱氏蒸餾法測定全氮（Total nitrogen，TN）；全磷（Total phosphorus，TP）采用熔融NaOH-鉬銻抗法測定。以上指標均參照鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》［16］進行測定。

1.3.2微生物生物量的測定土壤微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）、氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）、磷（Microbial biomass phosphorus，MBP）采用氯仿熏蒸浸提法。碳、氮氯仿熏蒸和未熏蒸土壤用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，浸提液立即進行碳和氮測定；磷氯仿熏蒸和未熏蒸土壤用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提，對浸提液立即進行磷測定。MBC、MBN、MBP的轉(zhuǎn)化系數(shù)分別為0.38，0.45和0.40［17］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft excel 2010整理數(shù)據(jù)、作圖，SPSS 22.0軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行單因素（One-way ANOVA）方差分析，Duncan多重極差檢驗，Pearson進行相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1切根對土壤pH及速效養(yǎng)分含量的影響

表1可知，不同切根處理對土壤pH影響不顯著，切根處理顯著降低0～10 cm土壤速效鉀含量，較CK分別降低22.83%和8.18%（Plt;0.05），而10～20 cm土壤速效鉀含量變化不顯著。RT1處理下，0～10 cm土壤堿解氮含量較CK顯著增加24.18%，而10～20 cm土壤堿解氮含量在2種處理下顯著增加41.48%和53.50%（Plt;0.05），但2種處理之間無顯著變化。相較于CK，不同切根處理下，顯著增加了0～10 cm土壤有效磷含量（Plt;0.05），其中RT1處理增加144.09%，而RT2處理增加了314.52%；10～20 cm土壤有效磷含量同樣顯著增加176.32%和85.53%（Plt;0.05）。

2.2切根對土壤碳氮磷含量及其化學計量特征的影響

2種切根處理下，0～10 cm和10～20 cm土壤SOC含量較CK均顯著增加（Plt;0.05）（圖1A）。0～10 cm和10～20 cm土壤TN含量在RT1處理下均顯著增加（Plt;0.05），但其在RT2處理下變化不顯著（圖1B）；RT2處理下，0～10 cm和10～20 cm土壤TP含量顯著增加（Plt;0.05），而RT1處理對0～10 cm和10～20 cm土壤TP影響卻不顯著（圖1C）。此外，不同土層土壤SOC，TN，TP含量在2種處理之間無顯著差異（圖1A-C）。

0～10 cm和10～20 cm土壤C/N在RT1與RT2處理下均顯著增加（Plt;0.05），其變化范圍為4.69～18.4（圖1D）。RT1處理下，0～10 cm和10～20 cm土壤C/P均顯著增加（Plt;0.05），但RT2處理下土壤C/P變化不顯著，其變化范圍為11.7～20.7（圖1E）。土壤N/P在RT1處理下變化不顯著，但在RT2處理下，0～10 cm和10～20 cm土壤N/P顯著降低（Plt;0.05）（圖1F）。除10～20 cm土壤N/P在2種切根處理之間差異顯著，其他均無明顯變化（圖1D-F）。

2.3切根對土壤微生物生物量及其化學計量特征的影響

0～10 cm和10～20 cm土壤MBC在RT1處理下均顯著增加（Plt;0.05），RT2處理下，僅10～20 cm土壤MBC顯著增加（Plt;0.05），且0～10 cm土壤MBC在RT1處理下顯著大于RT2處理（圖2A）。土壤MBN在RT1處理下較CK均顯著增加（Plt;0.05），在RT2處理下，僅0～10 cm土壤MBN增加顯著（Plt;0.05），而10～20 cm土壤MBN在RT2處理時顯著小于RT1處理（圖2B）。不同切根處理對土壤MBP的影響均不顯著（圖2C）。

土壤MBC/MBN在RT1處理下無顯著變化，但0～10 cm土壤MBC/MBN在RT2處理下顯著降低（Plt;0.05），而10～20 cm土壤MBC/MBN無顯著變化，且土壤MBC/MBN在2種處理之間無顯著差異（圖2D）。相較CK，土壤MBN/MBP在2種切根處理下均顯著增加（Plt;0.05），但RT1處理下10～20 cm土壤MBN/MBP較RT2顯著增加（圖2E）。不同處理下，0～10 cm土壤MBC/MBP較CK無顯著差異，但2種切根處理之間差異顯著；10～20 cm MBC/MBP較CK顯著增加（Plt;0.05）（圖2F）。

2.4土壤-微生物碳氮磷及其化學計量相關(guān)性

表2可知，SOC和TN與MBC和C/N顯著正相關(guān)，與C/P和MBN/MBP極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；MBC與MBC/MBP和MBN/MBP顯著正相關(guān)，與C/P極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；MBN與TN，MBP，C/N，C/P和MBN/MBP極顯著正相關(guān)，與SOC顯著正相關(guān)，與MBC/MBN顯著負相關(guān)（P＜0.05）；MBP與C/N和MBN/MBP顯著正相關(guān)，與MBC/MBN極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；C/N和C/P與MBN/MBP極顯著負相關(guān)，C/N與N/P極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；MBC/MBN與C/N和MBN/MBP顯著負相關(guān)（P＜0.05）。

3討論

3.1切根對土壤養(yǎng)分及碳氮磷化學計量比的影響

土壤是植物生長的物質(zhì)基礎，土壤養(yǎng)分可為植物生長提供所必需的營養(yǎng)元素。土壤養(yǎng)分含量是衡量土壤肥力的指標之一，其值的高低直接決定了植物生長的好壞，直接影響土壤生產(chǎn)力水平［18］。植物良好生長的前提是要保持和提高土壤肥力，因此，選擇能明顯提高土壤肥力的措施至關(guān)重要。切根處理對老芒麥根系土壤pH影響不明顯，這與秦燕等［12］對退化羊草草原進行切根試驗結(jié)果一致。切根處理顯著降低了0～10 cm土壤速效鉀含量，可能是北方土壤富含鉀［19］，切根處理使原來板結(jié)的土壤逐步疏松，增加土壤空隙度，提高透氣性，促進土壤呼吸和植物根系的生長。而相對于N、P素的缺乏，K素較充足，切根后N、P素的增加需要一定的時間，此時植物會充分利用土壤中大量的K高于N、P，促進地上部分的生長［10］。已有研究發(fā)現(xiàn)，對羊草草地進行切根處理，增大了土壤孔隙度，可以加速土壤有機質(zhì)的礦化，使土壤速效氮、有效磷含量增加［20］。本研究中，切根處理可以顯著增加土壤堿解氮、有效磷的含量，可能與切根處理提高了土壤的透氣性、透水性及土壤微生物的活性有關(guān)，進而加速了土壤有機氮、磷的礦化，該結(jié)果與上述研究結(jié)果一致［20］，切根可增加土壤堿解氮、有效磷含量。

土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）等元素在地球化學循環(huán)過程中發(fā)揮著重要的驅(qū)動作用［7］，是組成土壤養(yǎng)分的基礎部分，其含量的高低可以評價土壤質(zhì)量的狀況［21］。淺耕翻和切根處理均可提高羊草土壤碳氮磷含量，且切根處理效果優(yōu)于淺耕翻［22-23］。本研究發(fā)現(xiàn)切根處理同樣可以明顯提高5齡老芒麥根系土壤有機碳、氮和磷含量。

土壤C、N、P生態(tài)化學計量比可利于了解土壤C，N，P元素的循環(huán)與平衡機制，也可評價土壤養(yǎng)分限制［24］。土壤C/N較高時，N含量可以用來滿足微生物的生長代謝，同時也表明土壤有機質(zhì)分解速率及土壤礦化速率較慢，土壤質(zhì)量越差［25］。本研究中，土壤C/N（4.69～18.4），平均值為11.3，低于全國水平（12.01）［26］，在切根處理下老芒麥土壤C/N均增加。研究發(fā)現(xiàn)，土壤C/N在人工草地的恢復過程中呈先增后減的趨勢，其變化范圍為10.66～13.62，平均值為11.80，土壤C/N越小，越有利于氮礦化及養(yǎng)分釋放，從而進一步促進植被對氮素的吸收。本文中根系土壤C/P和N/P變化范圍分別為11.7～20.7和1.1～2.6，其變化范圍均顯著低于全國平均值52.7和5.2［26-27］。較低的C/P比是P有效性高的一個指標，其比值越低，對土壤有機質(zhì)分解越有利，可以增加土壤有效磷的含量，反之存在土壤P受限。本研究發(fā)現(xiàn)切根處理后根系土壤C/P顯著增加，但仍低于全國土壤水平（52.7），說明有機質(zhì)分解時釋放的養(yǎng)分較多，磷的有效性較高［27］；而土壤N/P變化范圍的偏低，意味著土壤P素的補充，這可以有效緩解本區(qū)域由于長期種植而造成的P限制，同時也反映了人工草地土壤N素匱乏，草本植物生長主要受N素限制［27］。

3.2切根對土壤微生物生物量及其化學計量比的影響

土壤微生物對環(huán)境變化十分敏感，微生物生物量受許多環(huán)境因子影響，如土壤pH、溫度、透氣性等［28］。土壤MBC，MBN，MBP在土壤中僅占有很小的比例，卻是最為活躍的部分，能敏感地指示土壤理化性狀的變化，可準確及時地反映土壤質(zhì)量和碳氮循環(huán)機制［29］。本研究結(jié)果表明，切根處理增加了土壤MBC，MBN的含量。切根可使根系分泌物種類與數(shù)量增加，分泌物的增加提供了更多有利于土壤微生物生長的養(yǎng)分，進而顯著提高MBC，MBN含量［30］，這可能也是MBC，MBN顯著增加的原因之一。相比土壤MBC、MBN的變化，切根對根系土壤MBP的影響不明顯，說明切根處理在短時間內(nèi)不足以影響該地土壤MBP含量，可能需要更長時間來進一步探索土壤MBP含量對切根的響應。張佳良等［31］對羊草草地進行不同深度切根處理，發(fā)現(xiàn)不同深度切根處理對羊草草地影響不同?！耙弧弊智懈鶎厦Ⅺ湼灯渌糠值钠茐妮^小，“十”字切根加深對根系的傷害，可能會阻礙植株對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的利用，當然該說法是否正確還有待驗證。同時，“十”字切根使土壤暴露在空氣中程度加劇，加速了土壤微生物對土壤有機碳的分解和利用，還會使土壤中N素在淋溶作用下流失［23］，這可能會影響“十”字切根效果。

微生物生物量化學計量比是判定微生物群落結(jié)構(gòu)變化的重要指標。MBC/MBN反映土壤中細菌和真菌的比例，其值越低，土壤中細菌所占的數(shù)量越多［32］。其高低也反映了土壤氮素供應能力強弱，MBC/MBN比值較小時土壤氮素的生物有效性比較高［17］。本文中切根處理降低了0～10 cm土壤MBC/MBN含量，這可能是由于切根促進了老芒麥根系分泌物的釋放，進而促進土壤中細菌繁殖的物質(zhì)，導致MBC/MBN偏低［30］。對于切根后老芒麥根系土壤中細菌、真菌的變化還需進一步研究。土壤MBN/MBP能夠反映土壤中養(yǎng)分的限制情況，并且MBN/MBP越高所受到P的限制越大［33］。本研究表明，切根后土壤MBN/MBP顯著增加，而土壤MBN/MBP和土壤MBN呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而切根處理后MBN顯著增加，MBP無顯著變化，因此MBN/MBP隨MBN含量的增加而增加。但土壤MBN/MBP仍然低于全球土壤中MBN/MBP平均值5.6［34］，意味著N含量的增加雖能緩解N限制產(chǎn)生的影響，但會將植物生長所受的限制轉(zhuǎn)變?yōu)镻限制。土壤MBC/MBP與土壤有機質(zhì)的質(zhì)量密切相關(guān)，其比值越小，土壤有機質(zhì)中的有效磷越豐富［17，35］。切根處理后老芒麥根系土壤MBC/MBP顯著增加，但其變化范圍在8.9～15.2之間，仍低于全球土壤MBC/MBP均值（42.4）［34］，表明切根處理后，老芒麥根系土壤有機磷礦化速率加快［32］，能補充土壤中的有效磷，會緩解P的限制。多年生老芒麥生長受到N、P元素的限制，通過土壤-微生物生物量C/N/P綜合分析，切根處理可緩解研究區(qū)土壤N和P元素的限制。

3.3土壤-微生物生物量及其化學計量比相關(guān)性分析

化學計量特征對于養(yǎng)分限制性有一定的指示作用，土壤微生物生物量作為養(yǎng)分的庫和源，其化學計量比可作為表征土壤養(yǎng)分限制的指標［36］。通過相關(guān)性分析得知，不同切根處理下根系土壤SOC，TN，TP，MBC，MBN和MBP及其化學計量比具有顯著差異，這與微生物的內(nèi)穩(wěn)性有關(guān)［37］。SOC和TN與MBC，MBN，MBN/MBP具有顯著正相關(guān)性，表明土壤C、N含量的增加，可以使微生物活性增強，即土壤微生物對土壤養(yǎng)分有較強的依賴性［27］，同時表明微生物生物量碳氮磷及其化學計量比對土壤養(yǎng)分變化敏感，是衡量土壤肥力的指標。C/N與MBP，MBN顯著正相關(guān)及C/P與TN，MBC，MBN，C/N顯著正相關(guān)，表明土壤N、P是老芒麥生長過程的關(guān)鍵影響因子，而切根后N、P素的增加緩解了它們對老芒麥生長的限制，印證了上述土壤C、N、P計量比的研究結(jié)果；C/N與MBC/MBN極顯著負相關(guān)，這是由于微生物具有一定內(nèi)穩(wěn)性［37］，但由于長期種植存在土壤N養(yǎng)分限制作用，從而造成它們呈顯著負相關(guān)。因此，對于土壤C，N，P生態(tài)化學計量比的變化及其化學計量相關(guān)分析，可以了解N，P元素在土壤-微生物系統(tǒng)的循環(huán)機制以及為C，N，P在物質(zhì)循環(huán)過程中的耦合關(guān)系提供思路。

4結(jié)論

2種切根處理均能改善土壤養(yǎng)分和提高微生物生物量碳氮磷含量，其MBC，MBN含量在“一”字切根處理下增加更顯著。同時，土壤-微生物生物量碳氮磷化學計量比發(fā)生顯著變化，表明切根處理可以緩解老芒麥生長過程中受土壤N，P元素的限制。通過土壤中碳氮磷化學計量比的變化與相關(guān)性分析表明，土壤微生物生物量與土壤養(yǎng)分密切相關(guān)。

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（責任編輯彭露茜）