不同种植年限人工苜蓿草地植物和土壤化学计量特征

杨菁，谢应忠,2*，吴旭东，徐坤

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学草业科学研究所，宁夏 银川 750021)

生态化学计量学(ecological stoichiometry)结合了生物学、化学和物理学等基本原理，包括了生态学和化学计量学的基本原理，是研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是碳、氮、磷)平衡的科学，以及元素平衡对生态交互作用影响的一种理论，这一研究领域使得生物学科不同层次的研究理论能够有机地统一起来[1]。C、N、P是植物生长的主要化学元素，C是构成植物体内干物质的最主要元素[2]，而N和P是各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素。作为重要的生理指标，C∶N和C∶P反映了植物生长速度[3]，并与植物对N和P的利用效率有关，N∶P可以作为对生产力起限制性作用的营养元素的指示剂[4]。土壤作为植物生长所需养分的主要来源，对调节植物生长具有重要作用[5]。因此，生态化学计量学的提出为探究植物与土壤之间的C、N、P相关性及植物生长与养分供应的关系提供了有效手段[6]。

紫花苜蓿(Medicagosativa) 有“牧草之王”的美称[7]，其对于保持水土、改善土壤结构、增强土壤肥力等方面发挥着极为重要的作用[8]，尤其在西北生态脆弱区的生态修复和畜牧业发展中具有重要意义[9]。

目前，国内外在生态化学计量学方面的研究已取得了一系列成果和进展，但研究大多集中在对植物C、N、P生态化学特征的一些研究，以及不同演替阶段优势物种植物C、N、P及生态化学计量特征[4]的研究等方面。而对探究土壤养分与植物养分之间的关系及规律方面研究较少。由此本文对不同种植年限人工苜蓿地植物和土壤C、N、P及化学计量特征进行分析，以期揭示C、N、P随着年限的变化在植物与土壤中的交换过程和格局，从而为该区域科学施肥，制定合理的轮作周期以及评价高产栽培条件下紫花苜蓿改良土壤的效应提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区为典型的温带半干旱气候，年平均气温8.5～9.0℃，≥10℃有效年积温3135～3272℃，昼夜温差10～15℃，年平均降水量在180～200 mm，无霜期150 d左右，年日照时数3030 h，日照率67%，为贺兰山东麓冲积扇与黄河冲积平原之间的宽阔地带。试验在贺兰山农牧场进行，地理坐标为38°32′ N，106°05′ E，土壤为淡灰钙土，为当地主要土壤类型。土壤全盐含量0.76 g/kg，全氮含量0.84 g/kg，有机质含量11.04 g/kg，碱解氮73.68 mg/kg，速效磷13.80 mg/kg，速效钾111.76 mg/kg，pH 8.42。农场目前种植苜蓿面积约2.7万hm2，种植年龄最长的为8年，最短的为1年，生长季内每月中旬刈割，共刈割4次，全部采用扬黄灌溉，每年苜蓿地均施40 kg/hm2尿素,12 kg/hm2磷肥,3.5 kg/hm2钾肥。

1.2 样地选取

于2012年7月选取贺兰山农牧场不同种植年限的紫花苜蓿地(1，3，4，5，8年)，供试紫花苜蓿品种为阿尔冈金(Algonquin)，由美国引进。试验田为2004，2007，2008，2009，2011 年春播的紫花苜蓿地，地力及栽培管理一致(表1)。

表1 土壤采样点0～20 cm基本信息Table 1 Characteristics of soil sampling sites

1.3 土壤和植物的取样方法

2012年7月下旬在各个样地内(表1)，采用土钻法，按“S”形取土壤样品，每块样地为3个重复，取样深度为0～20 cm，每10 cm一层。每层均为5点混合样，每个采样点取样3个重复。同时，在上述5个样地内进行了植物样品的采集，每块样地随机选取3个50 cm×50 cm的样方进行取样，为了消除取样误差,植物样品均是采集的当年生成熟健康叶片。所有样品带回实验室分析。

1.4 土壤和植物的测定方法

在测定前，土壤样品自然风干，剔除植物根系等杂物，采用四分法取适量土壤样品，过0.25 mm 筛,用于测定土壤有机碳、土壤全氮及土壤全磷，每一测定项目做3个重复。植物样品是将每个样地20株植株上的新鲜叶片和茎分别装入牛皮纸信封袋内自然风干至恒重。土壤和植物样品的有机碳采用重铬酸钾容量法测定[10]，全氮采用半微量凯氏法[10]，全磷采用钼锑抗比色法[10]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003对数据进行处理和绘图，用统计分析软件SAS 8.0对数据进行差异显著性检验(LSD法)和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤C、N、P含量及化学计量比

土壤C、N、P含量在各种植年限间均存在显著差异(P<0.05)(图1A)。随着苜蓿种植年限增加，土壤C、N含量呈先升后降的趋势，土壤C含量在种植5年时最高(29.69 g/kg)，种植8年时最低(22.69 g/kg)，土壤N含量由高到低依次为3年>1年>4年>5年>8年。土壤P含量与土壤C、N含量变化规律相反，在种植8年时最高(2.90 g/kg)，种植4年时最低(1.17 g/kg)。

土壤C∶N在各年限间无显著性差异(图1B)，土壤C∶N与C∶P在种植1～5年时呈“金字塔”式分布；土壤C∶P除种植1年外， 种植8年与其他年限间有显著性差异；N∶P在3～8年间呈“倒金字塔”分布模式，在种植8年时最低(0.52)，种植3年与4年、5年与8年间有显著性差异，其余年份间无显著性差异(图1B)。

图1 不同种植年限苜蓿地土壤碳、氮、磷含量及化学计量比Fig.1 C, N and P concentrations and stoichiometry of soil at different plantation ages柱状图顶部的不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)。 Different letters indicate significant difference at P<0.05.

2.2 苜蓿叶片C、N、P含量及化学计量比

不同种植年限苜蓿叶片C含量范围为336.43～383.23 g/kg，种植1年时最高，3年时最低，种植1年与4年、5年间无显著性差异，与3年、8年间有显著性差异。叶片N含量由高到低依次为5年>3年>4年>8年>1年，3年、4年与5年之间无显著性差异，其与1年有显著性差异。叶片P含量范围为1.53～2.57 g/kg，种植3年时最高，种植5年时最低，5年与8年间无显著性差异，与其他年份有显著性差异，3年与4年间无显著性差异。

不同种植年限苜蓿叶片C∶N由高到低依次为1年>4年>5年>8年>3年，3年与其他年份间有显著性差异，1年与4年无显著性差异。苜蓿叶片C∶P和N∶P的变化趋势一致，均是种植5年最高，种植3年最低。叶片C∶P中，3年与其他年份有显著性差异；叶片N∶P中，5年与8年间无显著性差异，与其他年份有显著性差异(表2)。

表2 植物C、N、P 含量及化学计量比Table 2 C, N, P concentrations and stoichiometry of plant at different plantation ages

注：不同小写字母表示不同种植年限差异显著(P<0.05)。

Note： Different small letters indicate significant difference atP<0.05.

2.3 苜蓿茎C、N、P含量及化学计量比

不同种植年限苜蓿茎的C含量从高到低依次为：4年>5年>3年>8年>1年，4年与其他年份间有显著性差异，1年与8年间无显著性差异。苜蓿茎N含量与叶片N含量的变化规律相反，种植1年时最高，种植3年时最低，1年与8年无显著性差异，与其他年份有显著性差异。苜蓿茎的P含量范围为1.34～2.32 g/kg，种植8年时最高，种植5年时最低，除了8年外，其余年份间无显著性差异，8年与3年、4年间有显著性差异。

不同种植年限苜蓿茎的C∶N呈先升后降的变化规律，种植4年时最高，种植1年时最低，4年与3年、5年间无显著性差异，与1年、8年间有显著性差异。苜蓿茎的C∶P和N∶P变化规律一致，在种植5年时最高，种植8年时最低，且均是5年与其他年限有显著性差异，而其他年份间无显著性差异(表2)。

2.4 植物与土壤C、N、P 间的关系

2.4.1植物叶片与土壤C、N、P间的关系 通过对不同种植年限苜蓿叶片与土壤C、N、P及化学计量比的相关分析，从表3可以看出：土壤C与土壤P显著负相关(P<0.05)，土壤N与叶片P显著正相关(P<0.05)，与叶片C∶P显著负相关(P<0.05)；土壤N∶P与叶片N显著正相关(P<0.05)；叶片C∶P与叶片N∶P极显著正相关(P<0.01)；叶片P与叶片C∶P及叶片N∶P极显著负相关(P<0.01)。

表3 不同种植年限苜蓿叶片与土壤C、N、P的关系Table 3 Relationships of C， N， P between leaf and soil at different plantation ages

注：**相关性在0.01水平上显著，*在0.05水平上显著，下同。

Note： ** shows the significant correlation at the 0.01 level, and * means at the 0.05 level, the same as below.

2.4.2植物茎与土壤C、N、P间的关系 通过对不同种植年限苜蓿茎与土壤C、N、P及化学计量比间的相关分析，从表4可以看出：土壤C与茎秆P极显著负相关(P<0.01)，与茎秆C、茎秆C∶N、茎秆C∶P及茎秆N∶P显著正相关(P<0.05)。土壤P与茎秆N和茎秆C∶N分别显著正相关(P<0.05)和显著负相关(P<0.05)。土壤C∶P与茎秆C、茎秆C∶N及茎秆C∶P显著正相关(P<0.05)，与茎秆N显著负相关(P<0.05)。茎秆C∶P与茎秆N∶P呈极显著正相关性(P<0.01)。

3 结论与讨论

植物枯落物是苜蓿草地土壤C的重要来源，土壤C含量随种植年限的增加而增加，在5年时达到峰值，这表明种植苜蓿对土壤C有累积作用，能够改良土壤，提高土壤肥力，而在8年时降低是由于种植年限过长导致苜蓿平均盖度下降，高频刈割造成枯落物还田减少[11]，以及实验期间适宜的水热条件加速了土壤有机质的分解等综合因素的作用。土壤N含量的变化受苜蓿根际土壤固氮力的影响显著，邰继承等[12]研究发现，苜蓿的根际土壤固氮力随种植年限的增加呈先增后减的趋势，并在3年时达到最大值，本文的研究结果与此一致。苜蓿作为一种大量需P的作物[13]，随着种植年限的增加，土壤P含量呈先降后升的趋势，这主要受苜蓿生长期内对P的吸收规律影响。

表4 不同种植年限苜蓿茎与土壤C、N、P的关系Table 4 Relationships of C， N， P between stem and soil at different plantation ages

苜蓿叶片P含量随种植年限的增加呈先升后降的趋势，这与葛选良等[13]对不同生长年限紫花苜蓿需磷规律研究结果相同。植物的C∶N和C∶P除与植物体中养分含量高低有关，也与植物的生长速度改变有关。本实验中在苜蓿生长旺盛的1～4年，叶片的C∶P明显下降，而随着植株逐渐进入平稳到衰老期的5～8年，叶片的C∶P明显上升，这也与Agren[3]关于较低的C∶P反映了分配到rRNA中P的增加，用以满足植物快速生长需要的结论相佐证。按照对欧洲湿地植物[14]和Güsewell[15]的植物N∶P限制性养分判断标准，本实验苜蓿地均为N限制，或N和P共同作用。但是本实验中苜蓿叶片N∶P和C∶P与叶片P含量呈显著负相关，而与叶片N含量无显著相关性(表3)，说明本实验中苜蓿生长主要受到P含量的影响。这是由于苜蓿的生物固氮作用能有效保证其对N的需求[16]，而P以多种方式参与植物的生长发育和新陈代谢[17]的同时，连年的高频刈割导致大量磷素被转移出农田系统，造成P元素的供需矛盾。另外，包括我国草地在内的中国区域的植被普遍受到P限制[18]，也是一个很好的佐证。苜蓿茎作为连接土壤和叶片的中间部分，其各养分含量基本均高于土壤而低于叶片，变化趋势与土壤养分变化规律相似，变化幅度小于叶片养分。土壤P与茎的C、N、P及化学计量特征均有一定的相关性，这也都印证苜蓿生长受到P元素的影响。所以在宁夏贺兰山东麓淡灰钙土区的人工苜蓿草地，在种植到一定年限或频繁刈割后，应适当增施P肥，以保证植株的良好生长，促进土壤与植物中营养物质的良性循环。