水分梯度對(duì)麥冬種植土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量的影響

摘要 通過麥冬盆栽試驗(yàn)，控制土壤水分（10%、30%、70%、100%，W/W），對(duì)麥冬生長特性、土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征、磷素形態(tài)以及磷酸酶活性等進(jìn)行測(cè)定，并分析各測(cè)定參數(shù)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，隨著水分含量的增加麥冬種植土壤總有機(jī)碳、全氮呈降低趨勢(shì)，但是全磷含量呈上升趨勢(shì)，土壤磷素各形態(tài)占比對(duì)水分梯度響應(yīng)差異性不明顯；土壤C/N、C/P、N/P分別為8.79～10.46、15.95～18.68和1.53～2.15，對(duì)水分梯度響應(yīng)特性不同，均屬于弱變異；30%水分處理土壤堿性磷酸酶活性顯著高于其他3種水分處理（P<0.05），可以直接利用磷比例為52.76%，略高于其他水分組；在30%水分組中，麥冬生物量、總根長、葉片全磷含量顯著高于其他處理組（P<0.05），根面積、葉綠素含量略高于70%水分組（P>0.05）且顯著高于10%和100%水分組（P<0.05），100%水分組麥冬生長被顯著抑制。30%水分梯度利于麥冬改善土壤質(zhì)量，提高麥冬對(duì)土壤碳氮磷的利用，增加土壤對(duì)氮素的累積，利于其生長。

關(guān)鍵詞 水分梯度；土壤碳氮磷；生態(tài)化學(xué)計(jì)量；麥冬

中圖分類號(hào) X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）17-0061-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.17.013

Effect of Water Gradient on the Ecological Stoichiometry of Soil Carbon， Nitrogen and Phosphorus in Ophiopogon japonicus Plant

SHUI Jun-hua1，2， SHAO Zhe-wen1， XIANG Ke-xin1 et al

（1.Engineering Research Center of Eco-enviroU+GxtUqjIhWT0nSuX+ij/wgnd0OdxiLCgoOps9jZ46s=nment in Three Gorges Reservoir Region， Ministry of Education， China Three Gorges University， Yichang， Hubei 443002;2.Environmental Monitoring Station of Zigui， Yichang，Hubei 443699）

Abstract The experimental water gradient （10%， 30%， 70%， 100%，W/W） was controlled by the potted plant test， and the growth characteristics of Ophiopogon japonicus， and the soil carbon （C）， nitrogen （N） and phosphorus （P） ecological stoichiometry，phosphorus forms and phosphatase activity were measured， and the correlation relationships between different measurement parameters were analyzed.The results showed that with the soil moisture content increasing， the total organic carbon and total nitrogen decreased in the soil， while total phosphorus increased， and the phosphorus forms had no significant correlation with the soil moisture content. The C/N， C/P， N/P were 8.79-10.46， 15.95-18.68 and 1.53-2.15， respectively， and their response characteristics to water gradient， belong to weak variants， were variant.The soil alkaline phosphatase activity under 30% water treatment was significantly higher than that under other groups （P<0.05）， and the proportion of directly available phosphorus was 52.76%， which was higher than other water groups. The biomass， total root length and total phosphorus in the leaf of Ophiopogon japonicus under 30% water treatment were significantly higher than other treatment groups （P<0.05）. The root area and chlorophyll content were slightly higher than those in the 70% water group （P>0.05） and significantly higher than those in the 10% and 100% water group （P<0.05），and the growth of Ophiopogon japonicus was inhibited under 100% water gradient.30% water gradient was conductive to improving soil quality and the utilization of soil carbon， nitrogen and phosphorus， increasing soil nitrogen accumulation and conductive to Ophiopogon japonicus growth.

Key words Water gradient;Soil carbon，nitrogen and phosphorus;Ecostoichiometry;Ophiopogon japonicus

基金項(xiàng)目 宜昌市森林資源監(jiān)測(cè)站項(xiàng)目（SDHZ2020313）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目（D20015）；三峽大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目（GJ2223）。

作者簡(jiǎn)介 稅軍華（1972—），男，湖北宜昌人，工程師，從事水環(huán)境保護(hù)與治理研究。

通信作者，講師，博士，從事土壤安全利用研究。

收稿日期 2023-10-22；修回日期 2023-11-28

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)主要是研究土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）元素動(dòng)態(tài)收支平衡關(guān)系，它們的含量及比值能夠影響土壤生態(tài)系統(tǒng)過程［1-3］，其研究可以明確土壤養(yǎng)分豐度、植物養(yǎng)分有效性，能夠判斷群落生產(chǎn)力過程的限制性因素［4］，對(duì)于探討植物-土壤養(yǎng)分循環(huán)的調(diào)控機(jī)制具有重要意義［5-6］?？紤]作物種類、土層以及海拔等因素影響，調(diào)研了農(nóng)田［7］、荒漠［8］、沙化地區(qū)［9］、草原［10］、濕地［11］、喀斯特地貌區(qū)［12］等區(qū)域的土壤C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，其影響規(guī)律仍然不明確。研究表明，通過合理人工措施如施肥［13］、秸稈還田［14］、免耕補(bǔ)播恢復(fù)方式［15］等能夠改善作物對(duì)土壤C、N、P的利用，并促進(jìn)土壤內(nèi)穩(wěn)性與固碳。其中，水分條件是影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物生長的重要條件之一。適當(dāng)水分調(diào)控對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改善、肥力提高、作物生長以及品質(zhì)提升具有重要意義。開展水分梯度控制對(duì)土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響，為土壤水分有效管理提供依據(jù)。

水分充足時(shí)，土壤磷素的遷移速率較高，有效性較好［16］；水量較低時(shí)，土壤磷素的固定較快，有效性降低，同時(shí)影響了土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，并限制了植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用［17］；土壤比較干燥時(shí)，有效磷含量降低，需要通過追肥補(bǔ)充作物對(duì)磷的需求。有研究表明，蘆葦種植高/中水分梯度土壤C、N、P有效養(yǎng)分較高［18］；80%田間持水量（高水分梯度）顯著促進(jìn)玉米根際磷素的轉(zhuǎn)化［19］，因此土壤養(yǎng)分循環(huán)受到水分梯度的影響，還與作物種類相關(guān)。合理的水分管理能夠提高植物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率，減少土壤養(yǎng)分流失產(chǎn)生的環(huán)境問題。該研究選擇園林綠化常用草本植物麥冬（Ophiopogon japonicus），測(cè)定不同水分梯度（10%、30%、70%、100%，W/W）控制下麥冬生長特征、土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比以及磷形態(tài)，并進(jìn)行相關(guān)性分析，明確麥冬種植土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量及磷形態(tài)對(duì)水分梯度的響應(yīng)特征，以期為園林植被選擇、水分合理利用以及土壤養(yǎng)分供應(yīng)等管理過程提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)見表1。該試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)不同的水分處理組，分別為10%、30%、70%、100%（重量法W/W）。試驗(yàn)麥冬來自三峽大學(xué)植物繁育基地，選擇生物量一致的麥冬苗進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，每個(gè)盆栽內(nèi)種植5株麥冬，每個(gè)組設(shè)置3個(gè)對(duì)照組。每2～3 d澆水一次，通過稱重法進(jìn)行澆水（第1次澆水量為土壤干重的10%、30%、70%、100%）。試驗(yàn)周期為90 d，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定麥冬葉綠素含量、生長量（干重）、根長、土壤C、N、P含量、各磷形態(tài)（有機(jī)磷OP、無機(jī)磷IP、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷Fe/Al-P、鈣磷Ca-P）含量、麥冬根部和葉片磷含量。

1.2 測(cè)定方法

pH采用酸度計(jì)法測(cè)定（水土比為2.5∶1）；總有機(jī)碳采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤全磷采用NaOH堿熔鉬銻抗比色法測(cè)定。各磷形態(tài)的含量用SMT分級(jí)法［20］測(cè)定，該方法將土壤中的磷分為有機(jī)磷、無機(jī)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷、鈣磷。麥冬葉綠素采用葉綠素計(jì)（SPAD-502）測(cè)定，總根長、根面積采用LA-S根系分析系統(tǒng)測(cè)定。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。采用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及圖表制作；相關(guān)性分析采用SPSS軟件進(jìn)行。土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比采用質(zhì)量比來表示。參數(shù)變異系數(shù)計(jì)算公式為CV = SD/X，式中，CV為變異系數(shù)，SD為標(biāo)準(zhǔn)差，X為平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分梯度土壤碳氮磷含量特征

從不同水分梯度下土壤總有機(jī)碳、全氮、全磷含量（圖1）可以看出，麥冬種植后，土壤總有機(jī)碳、全氮和全磷含量分別為3.84～4.91、0.40～0.56和0.20～0.32 g/kg，土壤總有機(jī)碳變異性大于全氮和全磷，均屬于弱變異。與未種植前相比，麥冬種植土壤總有機(jī)碳、全磷含量分別降低了24.92%～41.28%、25.58%～53.49%，土壤全氮含量增加了14.28%～60.00%。隨著水分的增加，總有機(jī)碳、全氮含量呈下降趨勢(shì)，全磷含量呈增加趨勢(shì)。不同水分梯度土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值如表2所示，隨著水分增加，C/N為8.79～10.46，先降低后增加；C/P為15.95～18.68，呈降低趨勢(shì)；N/P為1.53～2.15，先增加后降低。試驗(yàn)中土壤C/N、C/P和N/P均屬于弱變異。與未種植麥冬前相比，土壤化學(xué)計(jì)量特征C/N顯著降低（P<0.05），C/P略有升高（P>0.05），而N/P顯著升高（P<0.05）。

2.2 不同水分梯度土壤磷形態(tài)及堿性磷酸酶活性

試驗(yàn)前土壤有機(jī)磷（OP）、無機(jī)磷（IP）、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷（Fe/Al-P）和鈣磷（Ca-P）占比分別為8.82%、45.59%、7.35%和38.24%，可以直接利用磷含量（OP+IP）比例為54.41%。從不同水分梯度下土壤磷形態(tài)含量占比（圖2）可以看出，與試驗(yàn)前比較，不同水分梯度組土壤OP和Fe/Al-P占比增加，土壤IP和Ca-P占比降低，可以直接利用磷含量比例降低，不同水分梯度組（10%、30%、70%、100%）可以直接利用磷含量比例分別為50.93%、52.76%、51.64%和52.51%；土壤Fe/Al-P占比隨著土壤水分的增加呈增加趨勢(shì)，Ca-P占比隨著土壤水分的增加而降低。30%水分處理土壤堿性磷酸酶活性顯著高于其他3種水分處理（P<0.05），水淹土壤（100%水分處理）堿性磷酸酶活性最低，與10%和70%水分處理沒有顯著差異（P>0.05）。

2.3 不同水分梯度麥冬生物特性

土壤水分條件直接影響麥冬的生長特性（圖3）。30%水分處理麥冬生物量最高，為（0.50±0.02）kg/m2，顯著高于其他3組水分處理（P<0.05），而且變異系數(shù)最小；100%水分處理（土壤淹沒）麥冬生物量最低，為（0.21±0.02）kg/m2。30%水分處理麥冬總根長和根面積均最大，分別為（1.21±0.15）m和（41.82±9.76）cm2，總根長顯著大于其他水分處理組（P<0.05），根面積略大于70%水分處理（P>0.05）且顯著大于10%和100%水分處理（P<0.05）；100%水分處理麥冬總根長和根面積均最小，淹水條件下麥冬生長顯著受到了抑制。30%和70%水分處理麥冬葉綠素含量顯著高于10%和100%水分處理（P<0.05）。

2.4 不同水分梯度麥冬磷含量

從不同水分梯度組麥冬地上、地下部分全磷含量（圖4）可以看出，30%水分處理麥冬葉片全磷含量最高，為（8.46±0.40）g/kg，顯著高于其他3組水分處理（P<0.05），70%和100%水分處理葉片全磷含量差異不顯著（P>0.05）；10%水分處理麥冬葉片和根部全磷含量均最低，30%、70%和100%水分處理根部全磷含量差異不顯著（P>0.05）。

2.5 各指標(biāo)相關(guān)性分析

對(duì)不同水分條件下土壤C、N、P含量、磷形態(tài)、土壤磷酸酶、麥冬生長情況（干重、根長、葉綠素含量）以及葉片和根部全磷含量進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，葉片全磷含量與水分呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與總有機(jī)碳和全氮呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與全磷呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；根部全磷含量與土壤全氮和全磷呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；水分對(duì)各磷形態(tài)占比影響不顯著（P>0.05），全氮與土壤OP含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值（C/N、C/P、N/P）與土壤磷形態(tài)含量之間相關(guān)性不顯著（P>0.05）。

3 討論與結(jié)論

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可以指示和預(yù)測(cè)養(yǎng)分在土壤中的循環(huán)和變化趨勢(shì)，土壤水分能夠通過影響作物生長、根系分布、微生物活動(dòng)，間接地影響土壤C、N、P循環(huán)過程［21］。另外，土壤水分影響土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率，從而改變植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用［22］。土壤含水量的變化會(huì)導(dǎo)致C、N、P分布差異，反映植物對(duì)養(yǎng)分吸收和微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的差異［23］。該研究表明，隨著水分的增加，土壤總有機(jī)碳、全氮明顯降低，全磷明顯增加，麥冬組織根部生產(chǎn)和分解對(duì)土壤磷有一定的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致土壤磷含量增加，水分增加促進(jìn)麥冬根等組織對(duì)土壤磷的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)報(bào)道玉米在土壤80%持水量時(shí)根際磷的轉(zhuǎn)化最高［4］，而麥冬根際在30%水分梯度對(duì)磷的轉(zhuǎn)化效果較高，該水分下麥冬葉片全磷含量、生物量、總根長和根面積均顯著高于其他組（P<0.05）。土壤中的酶能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解，土壤磷酸酶與土壤養(yǎng)分含量和循環(huán)密切相關(guān)，是評(píng)價(jià)土壤磷生物轉(zhuǎn)化方向和強(qiáng)度的重要指標(biāo)［24］。該研究表明，隨著水分的增加，堿性磷酸酶活性呈先升高后下降趨勢(shì)。而土壤中細(xì)菌群落多樣性與土壤堿性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)［25］。土壤缺水或淹水狀態(tài)微生物的生長和繁衍被抑制，造成土壤酶活性降低，限制了麥冬生長，30%水分時(shí)堿性磷酸酶活性最高，磷酸酶活性較高，分泌更多的酸性化合物，30%水分處理組可以直接利用磷含量占比（52.76%）略高于其他組，麥冬生長狀態(tài)較好；同時(shí)土壤水分過高時(shí)，麥冬生物量較低，根系可分解有機(jī)物減少，微生物活性較弱，土壤碳和氮含量減少。

土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比反映土壤質(zhì)量及其組分構(gòu)成，也可以衡量土壤的養(yǎng)分供給［26］，判定土壤碳氮磷的礦化作用和固定化以及養(yǎng)分限制的指標(biāo)［27］。土壤含水率是影響C、N、P分布及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的主要環(huán)境因子。該研究發(fā)現(xiàn)，C/N、C/P和N/P隨著水分的增加變化趨勢(shì)不同。土壤C/N略低于全國土壤C/N均值（11.9）［28］，土壤C/N越小說明土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率較快，越有利于氮礦化及養(yǎng)分釋放，從而進(jìn)一步促進(jìn)植被對(duì)氮素的吸收［29］。該研究發(fā)現(xiàn)，30%和70%水分處理C/N小于10%和100%水分處理，有利于麥冬對(duì)土壤氮的利用。土壤C/P和N/P均顯著低于全國陸地土壤的平均水平（61.0、5.2）［30］，說明試驗(yàn)中麥冬生長受到碳、氮含量限制。試驗(yàn)土壤C/P可以用來表示植物對(duì)P利用效率高低［31］，隨著水分梯度增加土壤C/P降低，30%水分梯度時(shí)土壤P有效性較高，利于麥冬對(duì)P的吸收。研究表明土壤微生物呼吸對(duì)水分含量響應(yīng)靈敏，一定濕度范圍內(nèi)，隨著土壤濕度增加，微生物呼吸作用增加，在濕度接近田間持水量時(shí)達(dá)到最大［32］；土壤濕度過高，不僅能夠影響土壤通氣性，限制耗氧微生物和植物根系的活動(dòng)，同時(shí)溶解性有機(jī)物腐殖化隨著水分的增加而降低，導(dǎo)致微生物可利用碳降低［33］，10%水分梯度組總有機(jī)碳含量高于其他水分梯度組，土壤淹水（100%水分梯度組）不利于麥冬根系對(duì)土壤C、P的利用，并影響麥冬根部的生長和生物量的累積。土壤N/P較低（N/P <10）時(shí)，N對(duì)土壤的制約作用大于P ［34］，淹水條件下土壤N/P限制高于10%和30%水分梯度，淹水條件限制了麥冬對(duì)土壤N的作用。同時(shí)淹水條件下厭氧環(huán)境促進(jìn)細(xì)菌的反硝化作用［35］，水分增加導(dǎo)致土壤N的積累降低，進(jìn)一步限制了作物生長。

與種植前比較，該研究發(fā)現(xiàn)麥冬種植不同水分梯度組土壤N/P顯著提高（P<0.05），C/P一定程度的升高（P>0.05），C/N顯著降低（P<0.05）；麥冬種植提高了土壤氮、磷的利用效率，同時(shí)種植后期土壤P含量可能會(huì)成為限制麥冬生長的因素。磷限制土壤中，植物具有主動(dòng)適應(yīng)的機(jī)制，植物根系會(huì)分泌出多種類型分泌物［36］，水分處理增加了根系分泌物的量［37］，土壤磷含量隨水分的增加而增加，可能是種植土壤磷含量增加的原因。高德新等［38］研究黃河流域植被恢復(fù)過程中土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征變化發(fā)現(xiàn)，作物種植促進(jìn)了土壤C/P的提高，這與該研究結(jié)果一致。與種植前土壤比較，土壤總有機(jī)碳和全磷含量均降低，但是全磷含量降低程度略高于總有機(jī)碳含量降低情況，使土壤C/P提高。此外，麥冬種植過程中土壤N元素的輸入增加，導(dǎo)致土壤C/N降低，N/P增加；水分較多時(shí)，N素淋洗作用增強(qiáng)，隨著水分增加N/P降低。

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