不同農(nóng)田模式下土壤有機(jī)碳、氮、磷及化學(xué)計(jì)量比的垂直分布特征?

摘 要： 為了探討土地利用方式的改變是否會(huì)影響土壤養(yǎng)分的垂直分布，以次生林地為對(duì)照，研究了西南喀斯特山區(qū)玉米—大豆輪作地、甘蔗地、桑園和牧草地等不同農(nóng)田利用模式下0～50 cm土層中土壤SOC、N、P、MBC、MBN及其化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的變化。結(jié)果表明：研究區(qū)域內(nèi)土壤SOC、N和P含量的表層積聚程度顯著低于土壤MBC和MBN，森林土壤養(yǎng)分表層積聚效果優(yōu)于農(nóng)田土壤；土壤SOC含量是影響土壤養(yǎng)分表層積聚的重要因子。

關(guān)鍵詞： 養(yǎng)分；有機(jī)碳；化學(xué)計(jì)量比；微生物量

中圖分類號(hào)：S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2023）02-0038-05

Abstract： To explore whether cropland use patterns will affect the vertical distribution of soil nutrients， the changes of SOC， N， P， MBC， MBN and their stoichiometric ratios in 0-50 cm soil layers under different cropland use patterns （corn-soybean rotation， sugarcane field， mulberry field and pasture） in the southwest karst mountainous area were studied with secondary forest as the control. The results showed that within the research regions， the surface accumulation degree of SOC， N and P contents in soil was significantly lower than that of MBC and MBN in soil， and the surface accumulation of forest soil nutrients was better than that of cropland soil nutrients. Soil organic carbon content is a major factor affecting the surface accumulation of soil nutrients.

Key words： soil nutrient; soil organic carbon; stoichiometric ratio; soil microbial biomass

生態(tài)恢復(fù)對(duì)退化土地的土壤碳固持、石漠化治理和土壤肥力提升方面都有很重要的影響[1-2]。土壤養(yǎng)分，尤其是有機(jī)碳、氮和磷，是評(píng)判退化土地是否得到恢復(fù)的理想指標(biāo)[3]。土壤微生物主導(dǎo)著土壤有機(jī)質(zhì)分解與礦化過程，土壤微生物量是衡量土壤質(zhì)量、維持土壤肥力和作物生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)，具有高度的敏感性，更能反映土壤養(yǎng)分的利用情況[4-5]。

土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量比可以反應(yīng)土壤中碳、氮、磷元素的礦化程度及固持效果[6-7]。因此，研究不同生態(tài)恢復(fù)模式下土壤養(yǎng)分、微生物及化學(xué)計(jì)量學(xué)特征有助于更好地掌握土壤關(guān)鍵養(yǎng)分狀況、了解不同生態(tài)恢復(fù)模式的限制性養(yǎng)分，為遴選適宜的生態(tài)恢復(fù)模式提供科學(xué)依據(jù)。

在喀斯特山區(qū)，前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的玉米—大豆輪作能加劇土地退化和養(yǎng)分流失，不利于土地生態(tài)恢復(fù)[8]。因此，當(dāng)?shù)仃懤m(xù)發(fā)展了一些取代玉米—大豆輪作模式的新的種植模式，如種植桑、甘蔗和牧草等。但這些不同農(nóng)田轉(zhuǎn)換模式對(duì)土壤養(yǎng)分的研究大部分聚焦于土壤表層，關(guān)于深層土壤的研究不多[8]。基于此，對(duì)不同農(nóng)田轉(zhuǎn)換模式下土壤養(yǎng)分，如有機(jī)碳、氮和磷等，在土壤剖面中的垂直分布特征研究，更有助于評(píng)估不同農(nóng)田模式對(duì)減緩?fù)恋赝嘶Ч?/p>

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于廣西環(huán)江毛南族自治縣（107°51′～108°43′E，24°44′～25°33′N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為16.9～21.5 ℃，最低氣溫在1月（3.4～8.7 ℃），最高氣溫在7月（23.0～26.7 ℃）；年均降水量1 400～1 600 mm，其中4—9月為濕季，10月—次年3月為干季。研究區(qū)屬于典型的巖溶峰叢洼地。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和教育、科學(xué)及文化組織（FAO/UNESCO）系統(tǒng)分類，土壤類型為石灰土（calcareous lithosols）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及采樣

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上， 2019年10月在研究區(qū)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共選取甘蔗地， 桑園和牧草地3種典型的農(nóng)田利用類型樣地，并以玉米—大豆輪作地和次生林作為對(duì)照，盡量選擇下坡和坡谷樣地，每個(gè)處理各設(shè)置4各重復(fù)，每個(gè)處理類型樣地面積為20 m×20 m，其中甘蔗地、桑園和牧草地均有玉米—大豆地轉(zhuǎn)化而來且已種植15～20 a。各個(gè)處理的作物類型、耕作頻率、施肥等信息已在前期研究中描述[8-9]。

1.3 土壤樣品測(cè)定及方法

采用五點(diǎn)取樣法在每個(gè)樣方內(nèi)取樣，取樣深度依次劃分為0～10、10～20、20～30、30～50 cm。去除掉表層的枯枝落葉后充分混勻后立即帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定，土壤樣品分為兩部分，一部分自然風(fēng)干后分別過20目和100目篩測(cè)定土壤pH值 和土壤養(yǎng)分含量；剩余的一部分過10目篩后至于4℃冰箱保存用于分析土壤微生物量碳、氮含量。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測(cè)定（GB8834—1988）。土壤全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色-紫外光風(fēng)光光度計(jì)測(cè)定。土壤pH值采用pH計(jì)（FE20K，Mettler-Toledo，Switzerland）測(cè)定（土∶水 = 1∶2.5）。土壤全氮含量采用元素分析儀測(cè)定。土壤微生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸培養(yǎng)-硫酸鉀浸提測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)地內(nèi)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、微生物量碳、氮及其化學(xué)計(jì)量比隨土層深度的變化采用漸近函數(shù)方程公式（1）表示：

y=1-βd" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

其中：d 代表土層深度（cm），β代表土壤有機(jī)碳等指標(biāo)隨土壤深度的垂直變化幅度，無單位，范圍為0～1。y 代表土壤土壤有機(jī)碳等指標(biāo)在給定土層與土壤剖面中所有土層綜合的累積比例，y是無單位的，范圍為0～1[10-11]。

采用單因素方差分析 （One-way ANOVA）對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、微生物量碳、氮及化學(xué)計(jì)量比的β值進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。采用皮爾遜線性相關(guān)性分析β值與其它指標(biāo)的相關(guān)性。所有的圖均用Sigmaplot 16.0作圖。所有數(shù)據(jù)的計(jì)算分析均由SPSS 21.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳、全氮和全磷垂直分布特征

從圖1 可以看出， 試驗(yàn)地土壤SOC、N含量均隨土層深度增加增加而降低，大約有63.24%和60.63%的土壤有機(jī)碳和氮主要集中在0～20 cm土層中，這與前人的研究結(jié)果一致[8]。土壤有機(jī)碳和氮的水平主要由有機(jī)質(zhì)的輸入量和分解速率決定的[12]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，除了外源肥的添加，土壤凋落物和殘根量的累積是土壤有機(jī)質(zhì)輸入的重要來源。與深土壤層相比，表層土壤作物根系更豐富，根系分泌物輸入更多，因此有機(jī)碳和氮更易在土壤表層累積。土壤磷素主要來源于母質(zhì)風(fēng)化且遷移率很

低[12]，因此，土壤P含量的垂直分布變異很小，基本不受土層深度的影響（圖1c，P＞0.05）。

土壤C∶N、C∶P 和N∶P比是表征土壤養(yǎng)分耦合和限制機(jī)制的重要指標(biāo)[13-14]。它們?cè)谕寥乐械拇怪狈植继卣髂芊从惩寥啦煌疃戎刑?、氮和磷元素的盈缺狀態(tài)。研究中，土壤C∶N、C∶P 和N∶P比值范圍分別為9.23±1.76、21.48±1.38 和2.32±0.14，遠(yuǎn)低于全國(guó)陸地土壤平均值（C∶N=12.34，C∶P=

52.70和N∶P=4.20）[15]和全球陸地土壤平均值（C∶N=12.25，C∶P=72.07和N∶P=13.0）[7]，側(cè)面反映了該退化區(qū)土壤碳含量普遍偏低，固碳潛力較大，一旦進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)有助于提升該區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)水平。與傳統(tǒng)玉米—大豆輪作相比，部分研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)種植牧草大約能提升56.3%和29.4%土壤有機(jī)碳、氮儲(chǔ)量[8]。土壤有機(jī)碳、氮儲(chǔ)量土壤C∶N比隨土層深度增加呈下降狀態(tài)，而土壤C∶P和N∶P在不同土層間差異不顯著，呈較穩(wěn)定的狀態(tài)（圖1d～f），反映了土壤C∶N比隨土層深度增加降低的幅度超過了土壤N∶P 和N∶P比。這主要是由土壤SOC 含量的垂直變化系數(shù)高于土壤N、P 含量造成的。

2.2 土壤微生物量碳、氮含量的垂直分布特征

土壤MBC和MBN含量隨土層深度增加呈現(xiàn)相同的遞減變化（圖2a～b， P＜0.05）。表層土壤（0～10 cm）MBC和MBN含量顯著高于10～20、20～30和30～50 cm， 且土壤MBC和MBN含量在后3個(gè)土層中無顯著變化，這表明MBC和MBN存在表聚現(xiàn)象。 主要原因一方面可能是由于表層礦化土壤對(duì)MBC具有吸附作用，阻礙其向下滲透至深層土壤。另一方面表層土壤根系較多，分泌物給微生物提供了充足的養(yǎng)分，有利于碳氮的固定。

土壤微生物量的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比能在一定程度上反應(yīng)物質(zhì)循環(huán)在微生物影響下的動(dòng)態(tài)特征，進(jìn)一步反應(yīng)土壤養(yǎng)分的豐缺狀況[16]。土壤MBC∶MBN是反應(yīng)土壤可利用氮素供應(yīng)能力的重要指標(biāo)，其比值較小時(shí)土壤氮的有效性比較高。研究中土壤MBC∶MBN比值受土壤深度的影響，表層土壤（0～20 cm）顯著低于20～30 cm 和30～50 cm土壤（圖2c，P＜0.05）。相反地，土壤MBC∶C 和MBN∶N比值均隨土壤深度增加而顯著降低（圖2d～e，P＜0.05），表明土壤有機(jī)碳在表層向MBC、MBN轉(zhuǎn)化較低，微生物有利于表層土壤有機(jī)碳、氮的固定，這也從側(cè)面表明了表層土壤有機(jī)碳、氮含量高。本研究中土壤MBC∶C（0.14%±0.03%）和MBN∶N（0.14%±0.03%）比值遠(yuǎn)低于全球平均值（MBC∶C =1.2%， MBN∶N=2.6%）[4]，說明該區(qū)土壤微生物利用固定碳氮程度不高。

2.3 土壤養(yǎng)分的“表聚化”

土壤養(yǎng)分在土壤剖面上的垂直分布可以用漸變方程1來表示，β值越小意味著土壤養(yǎng)分“表聚化”明顯[11]。通過此方程可以比較土壤養(yǎng)分在不同土層的分布特征。通過圖3可以看出不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)的垂直變化幅度不同。土壤SOC、N和P指標(biāo)的β值分別為0.896±0.05、0.902±0.05和0.913±0.05，他們之間無顯著差異，但都顯著高于土壤MBC（0.849±0.07）和MBN（0.870±0.05）（圖3a，P＜ 0.05），直接表明了壤SOC、N和P含量的表聚化程度不及土壤MBC和MBN高。 實(shí)際上，約48.56%和44.63%的MBC和MBN集中在表層土壤（0～10 cm）中，而表層土壤SOC、N和P含量分別占據(jù)了約36.72%、35.48%和30.33% 。

總體上，土壤C∶N、C∶P和N∶P的β值高于土壤MBC∶MBN、MBC∶C和MBN∶N比值，其中C∶N指標(biāo)最高（0.919±0.05），MBC∶C最低（0.882±0.07），其他4個(gè)指標(biāo)（C∶P，N∶P，MBC∶MBN和MBN∶N）的β值之間無顯著差異（圖3b）。這些變化表明土壤碳氮磷比值在土壤剖面中的“表聚化”程度不及土壤微生物量碳氮比?？偟膩碚f，在喀斯特山區(qū)，農(nóng)田模式轉(zhuǎn)化對(duì)土壤碳氮的影響主要體現(xiàn)在表層土壤。

不同指標(biāo)的β值對(duì)農(nóng)田利用變化的響應(yīng)不同。通過表1可以看出農(nóng)田土地利用變化顯著地影響了土壤SOC、N、MBC、MBN、C∶P、N∶P和MBN∶N指標(biāo)的β值，而其余指標(biāo)基本不受農(nóng)田土地利用變化的影響。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)森林地土壤SOC、N、MBC、MBN、C∶P、N∶P和MBN∶N指標(biāo)的β值均顯著低于其他4種農(nóng)田利用模式，4種農(nóng)田模式間的土壤β值無顯著差異，表明森林地土壤養(yǎng)分“表聚化”現(xiàn)象優(yōu)于農(nóng)田，這和森林地凋落物碳高輸入量有關(guān)。

通過對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的β值與土壤理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，11個(gè)理化指標(biāo)的β值均與土壤SOC、N和P的的β值存在顯著地正相關(guān)關(guān)系。除了MBN和C∶P外，其他9個(gè)指標(biāo)的的β值均與土壤SOC含量存在顯著地相關(guān)性（表2，P＜0.05）：土壤SOC含量越高，土壤養(yǎng)分“表聚化”幅度下降，從而土壤養(yǎng)分垂直分布偏均勻化。

3 結(jié)論與討論

隨土壤深度的增加，5種土地利用類型的土壤SOC、N和P含量減少，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[11，13]。但它們?cè)谕寥榔拭嬷械拇怪弊兓炔灰粯印Ｅc土壤MBC和MBN相比，土壤SOC、N和P含量的“表聚化”程度顯著降低，土壤微生物更傾向于在土壤參與碳氮固定。森林土壤養(yǎng)分“表聚化”程度優(yōu)于農(nóng)田土壤。土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比在土壤剖面中的分布比較穩(wěn)定，表聚化程度低于土壤微生物化學(xué)計(jì)量比，微生物固定碳氮主要集中在表層土壤。土壤有機(jī)碳是影響土壤養(yǎng)分“表聚化”的重要因子。因此，在退化農(nóng)田區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)時(shí)需考量土壤養(yǎng)分的垂直分布特征，從而保障土壤剖面養(yǎng)分均勻，利于特定作物生長(zhǎng)發(fā)育。

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（責(zé)任編輯：高國(guó)賦）