施肥对黄土高原农地土壤碳氮磷生态化学计量比的影响

宋亚辉, 艾泽民, 乔磊磊, 翟珈莹, 李袁泽, 李秧秧1,

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.西安科技大学 测绘科学与技术学院, 西安 710054; 4.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 5.西北农林科技大学 林学院, 陕西 杨凌 712100)

作为生态化学计量学的重要分支学科，土壤生态化学计量学是一门主要研究土壤内部养分(碳、氮、磷等)循环和平衡的学科，其化学计量比可以反映土壤肥力状况、土壤有机质构成、质量状况和养分供给能力，以及土壤碳、氮、磷等养分的矿化状态[1-2]。土壤养分(碳、氮、磷等)是影响生态系统结构和功能的主要因素之一，其含量状况对植物的生长和生产力水平有着重要影响作用[3]，因此，土壤碳、氮和磷含量及其元素化学计量比对维持生态系统的可持续性和生产力起着关键性作用[4]。研究土壤碳、氮和磷含量及其化学计量比对揭示土壤养分的有效性及碳、氮、磷等元素的循环与平衡作用具有重要意义，了解土壤碳、氮和磷元素化学计量比状态有助于提高我们理解陆地生态系统的养分循环和生物过程[5-6]。黄土高原农业区是我国西北地区重要的耕地资源，是我国重要的潜在粮食生产区之一，该地区降雨量小，水土流失严重，土壤肥力低下，其土壤肥力和水分是限制该地区农作物生产力的主要因素，因此，提高土壤肥力是提高黄土高原地区粮食作物产量的主要手段之一[7]。20世纪80年代以来，由于采取肥料投入、品种改良、水土治理等多种措施，该地区土壤生产力明显提高[8]。作为提高土壤肥力、增产粮食作物产量的主要手段，施肥对该地区土壤养分含量和作物产量影响的研究已有大量报道。研究结果表明，单施化肥[9-12]、单施有机肥[9,11-13]、化肥配施[11,13]或有机肥与化肥配施[9,11-13]会显著提高农地耕作层土壤碳、氮、磷含量和作物产量。这与其他地区农地施肥研究结果一致，施肥对土壤碳、氮、磷含量和作物生产力有显著提高作用[14-21]。也有研究发现，单施化肥或有机肥没有提高土壤有机碳含量，土壤碳含量反而降低[14,22-23]。施肥对土壤碳、氮、磷含量的影响会因土壤类型、种植作物、地区气候、轮作方式等不同而产生差异[21,24]。当前对农地的研究多集中在施肥对作物产量和土壤碳、氮、磷含量等土壤肥力方面，较少研究施肥对土壤碳、氮、磷化学计量比的影响。本文以黄土高原地区的中国科学院安塞水土保持综合试验站开展长期定位研究试验的川地为基础，系统分析2011—2013年川地施肥试验对土壤碳、氮、磷含量及其化学计量比的影响，揭示土壤生态功能对农地施肥的响应，以期为该地区合理施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本试验于2011—2013年在中国科学院安塞水土保持综合试验站进行，该试验站位于中国西北部的黄土高原中部地区(36°31′—37°20′N,108°52′—109°26′E)，海拔1 068～1 309 m。属于温带半干旱气候，年均温8.8℃，年降雨量大约505 mm，多暴雨，70%的降雨集中在每年的7—9月，无霜期157 d左右。土壤类型为典型黄绵土。土壤养分贫瘠，缺氮少磷。因受灌溉条件所限，主要靠天然降水，属雨养农业地区，农作物一年一熟，以秋收作物为主。

1.2 试验设计

试验地设置在中国科学院安塞水土保持综合试验站的墩滩川地养分长期定位试验地，试验地从1997年开始布设，1998年开始施肥处理，作物轮作方式为玉米—玉米—大豆，3年轮作一次，2011年、2012年、2013年种植的分别是玉米、玉米和大豆。试验地总面积为378 m2，每个试验小区的面积为14 m2。试验地共设9个试验处理，分别为氮肥(N)处理、磷肥(P)处理、有机肥(M)处理、氮肥+磷肥(NP)处理、有机肥+氮肥(MN)处理、有机肥+磷肥(MP)处理、有机肥+氮肥+磷肥(MNP)处理、有作物不施肥(CK)处理和无作物不施肥(BL)处理，每个处理均设置3个试验小区重复，完全随机区组排列。氮肥施用的是尿素，磷肥是过磷酸钙，有机肥是羊粪。折算后的施肥量分别是：N，97.5 kg/hm2；P，75.0 kg/hm2；M，7 500 kg/hm2。施肥方法：P肥和M肥作为种肥一次性施入，N肥20%作种肥，N肥剩余80%作追肥。本试验在长期定位试验地上，于2011—2013年，开展了为期3 a的研究结果。

1.3 样品采集和分析

试验在农作物收获后，于每年的10月份在每个试验小区分表层(0—20 cm)和表下层(20—40 cm)两层采集土壤样品，每个试验小区各土层土样采集时均按多点采样后混匀为一个土壤样品。土壤样品在实验室自然风干后去除植物根系、植物残体、小石子等，然后粉碎过0.25 mm筛后保存起来用于土壤有机碳、全氮和全磷的测定。土壤有机碳采用重铬酸钾容量法—外加热法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用钼锑抗比色法测定[25]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010对试验数据进行整理，统计软件SPSS 20.0对数据进行统计分析，多重比较采用LSD(Least Significant Difference)法，显著水平为α=0.05。采用SigmaPlot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤有机碳、全氮、全磷含量及碳∶氮∶磷的影响

2.1.1 土壤碳、氮和磷含量 2011—2013年表层(0—20 cm)土壤碳、氮和磷含量分别为7.86～16.80，0.48～0.94，0.63～0.89 g/kg(图1)。各年限施肥处理对表层土壤碳、氮和磷含量均有显著影响，MP和MNP处理表层土壤碳、氮和磷含量均显著高于其CK处理，分别为29.4%～55.2%，33.2%～57.5%，28.5%～42.5%(图1)。研究表明，MP或MNP肥配施均能显著提高农地表层土壤碳、氮和磷含量。

表下层(20—40 cm)土壤碳、氮和磷含量分别为5.41～8.89，0.36～0.53，0.57～0.65 g/kg，施肥处理对表下层土壤碳、氮和磷含量均有显著影响(图2)。除2011年外，2012年、2013年的M和MP处理表下层土壤碳和氮含量均显著高于其CK处理(图2A和B)。不同于土壤碳和氮含量，2011年P和MN处理表下层土壤磷含量均显著高于其CK处理；2012年、2013年则是MP和MNP处理(图2C)。研究结果表明，MP肥配施能显著提高表下层土壤碳、氮和磷含量。

图1 不同施肥处理和施肥年限表层土壤碳、氮、磷含量

注：不同小写字母表示同一施肥年限不同处理间差异显著(p=0.05)；不同大写字母表示同一处理不同施肥年限间差异显著(p=0.05)，下同。
图2 不同施肥处理和施肥年限表下层土壤碳、氮、磷含量

2.1.2 土壤碳氮磷比 与其CK相比，除2013年M和NP处理外，2011年、2012年施肥处理对表层土壤C∶N均无显著影响(图3A)。施肥处理对各年限表层土壤C∶P和N∶P均具有显著影响，与其CK相比，各施肥年限M和MN处理表层土壤C∶P和N∶P均显著增高了28.0%～42.7%，30.0%～35.3%和34.3%～39.3%，33.7%～37.6%，P和NP处理均显著降低(图3B—C)。结果表明，单施M或MN肥配施显著提高表层土壤C∶P和N∶P，单施P或NP肥配施均显著降低表层土壤C∶P和N∶P。

各施肥年限中，仅2013年P和MN处理表下层土壤C∶N显著低于其CK处理(图4A)。除2011年外，2012年、2013年的M和MP处理土壤C∶P均显著高出其CK处理17.8%～24.3%和14.2%～18.8%(图4B)。土壤N∶P仅2013年的M，MN和MP处理显著高出其CK处理27.6%，14.6%，15.7%(图4C)。研究结果表明，MP肥配施时会显著影响表下层土壤C∶P和N∶P。

2.2 施肥年限对土壤碳、氮、磷含量及C∶N∶P影响

2.2.1 土壤碳、氮和磷含量 施肥年限对表层土壤部分处理碳含量具有显著影响，其中，M和NP处理表层土壤碳含量均以2012年最大，分别比2013年显著高出20.7%，11.2%；MNP处理则以2013年最大，比2011年显著高出12.8%(图1A)。不同于表层土壤碳含量，施肥年限对表层土壤氮和磷含量均无显著影响(图1B—C)。

除M和MNP处理外，施肥年限对其他各施肥处理表下层土壤碳含量均有显著影响，均以2012年碳含量最大(图2A)。施肥年限对P和MN处理表下层土壤氮含量有显著影响，均以2012年最大(图2B)。对于表下层土壤磷含量而言，施肥年限对M，NP，MP和MNP处理均有显著影响，其中，除MP处理以2012年最大，其他处理均以2013年最大(图2C)。研究表明，表下层土壤碳、氮和磷含量比表层土壤受施肥年限的影响更为明显。

图3 不同施肥处理和施肥年限表层土壤碳∶氮∶磷

2.2.2 土壤C∶N∶P 施肥年限对M处理表层土壤C∶N和C∶P均具有显著影响，以2012年最大，分别比2013年显著高出10.9%，16.7%(图3A—B)。施肥年限对各施肥处理表层土壤N∶P无显著影响(图3C)。研究表明，单施M肥的处理表层土壤C∶N和C∶P受施肥年限的影响较为显著。

MN处理表下层土壤C∶N，C∶P和N∶P均以2012年最大，比2013年分别显著高出13.2%，30.3%和15.1%。NP处理同样对土壤C∶N，C∶P和N∶P均具有显著影响，C∶N以2013年最大，C∶P以2012年最大，分别比2011年显著高出11.8%和7.4%；N∶P则以2012年最大，比2013年显著高出14.0%(图4)。研究表明，相比于表层土壤，表下层土壤C∶N∶P则受施肥年限影响更为明显，以NP或MN肥配施时效果更为显著。

2.3 施肥对不同土层土壤碳、氮、磷含量及C∶N∶P之间差异的影响

各年限不同处理表层土壤和表下层土壤的碳、氮、磷含量之间均具有显著差异，其中，2011年表层土壤和表下层土壤碳、氮和磷含量之间的差异均以MP处理最大；2012年碳含量以M处理差异最大，氮含量以MP处理最大，磷含量则以P处理最大；2013年碳含量则以MN处理最大，氮含量以MNP处理最大，磷含量则以MP处理最大(表1)。结果表明，MP处理对各年限表层和表下层土壤碳、氮和磷含量之间差异的影响最为明显。

图4 不同施肥处理和施肥年限表下层土壤碳∶氮∶磷

除N处理外，2011年各施肥处理表层土壤和表下层土壤C∶N之间并无显著差异；2012年、2013年只有部分施肥处理表层土壤和表下层土壤C∶N之间具有显著差异，其中P和M处理均有显著差异(表1)。除2012年P和NP处理外，各年限施肥处理表层和表下层土壤C∶P均具有显著差异(表1)。各年限施肥处理表层土壤与表下层土壤N∶P之间差异并不一致，其中，各年限N，M和MN处理的表层与表下层土壤N∶P之间均具有显著差异(表1)。总的来说，单施M肥时会造成表层和表下层土壤C∶N，C∶P和N∶P之间的显著差异，表层土壤分别比表下层土壤高出14.5%～16.2%，56.6%～71.9%，46.5%～52.2%。

表1 表层与表下层土壤碳、氮、磷含量及其化学计量比差异

注：NS表示p>0.05；*表示p<0.05；**表示p<0.01；***表示p<0.001。

3 讨 论

3.1 施肥对土壤碳、氮和磷含量影响

本文研究表明，施肥处理对农地表层(0—20 cm)和表下层(20—40 cm)土壤碳、氮和磷含量均有显著影响，这与前人研究结果一致[9-21]。有研究发现，单施化肥或有机肥对农地土壤碳含量影响不显著[14,22-23,26]，本文2011年、2012年的施肥试验也发现，单施N或P肥或NP配施处理的土壤碳含量与CK土壤碳含量之间并没有显著差异。胡诚等[14]认为单施有机肥对表层(0—20 cm)土壤碳含量没有显著影响，这与本文研究结果不一致。产生这种结果差异的原因可能是农地土壤类型、作物种类、区域气候等不同[24]。再者，本研究中的有机肥是羊粪，有机肥本身碳含量的差异也可能会造成这种差异。研究发现，在该地区农地进行MP肥配施，可以显著提高农地表层和表下层土壤碳、氮和磷含量，这与Guo等[9]在陕西长武的研究结果一致，可见MP肥配施，可以有效提高农地土壤碳、氮和磷含量。

施肥年限对部分施肥处理的表层土壤碳含量有显著影响，而对表层土壤的氮和磷含量无显著影响；施肥年限对部分施肥处理的表下层土壤的碳、氮和磷含量均有显著影响。有研究发现，长期施用无机或有机肥料可以显著提高表层土壤碳、氮和磷含量[9,11-12,16,18-19,21]；也有研究表明长期施用无机肥对表层土壤碳含量影响并不显著[14,17,27]，或长期施用有机肥会导致土壤磷含量的显著降低[26]。研究结果因研究地区气候、土壤条件、施肥方式、耕作制度等不同具有较大差异[21]。本文施肥试验的研究结果是源于长期施肥试验的一部分，这种短期内的施肥效应可能与长期施肥结果有一定的差异。

研究发现各施肥年限的不同施肥处理表层土壤碳、氮和磷含量均显著高于表下层土壤。由于土壤养分的提高主要途径是外源养分的输入，对农地而言，作物的光合产物[13]有机物，光合产物输入首先影响的就是表层土壤养分含量[16]。土壤氮、磷含量，尤其是磷，主要来源于肥料的输入，而肥料输入得累积也会首先发生在表层土壤[28]，因此，与表下层土壤相比，表层土壤拥有更高的碳、氮和磷含量。这与他人研究结果一致[21]。但不同施肥处理的影响并不一致，当MP配施时，表层与表下层土壤碳、氮、磷含量之间的差异更为明显。

3.2 施肥对土壤C∶N∶P的影响

3.2.1 施肥对土壤C∶N的影响 土壤C∶N可以敏感地反映土壤质量状况，如土壤有机质状态、养分有效性、碳沉降、供氮水平和微生物数量及活性，并影响到土壤碳和氮的循环[5,29]。土壤C∶N与有机碳的分解速度成反比[2]。C∶N较低时，微生物活性相对较高，土壤有机碳的矿化速率就会加快，则有机碳含量下降[2]；C∶N较高时，土壤有机碳含量处于增加状态[29]。本文研究发现，相比CK处理，2013年M和NP处理的表层土壤C∶N显著降低；在表下层土壤，P和MN处理的土壤C∶N显著低于CK处理。因此，施M肥可能会降低土壤C∶N，提高微生物活性，从而降低了土壤有机碳含量。施用有机肥有利于微生物生长繁殖[30]，因此微生物量的提高可能会造成土壤有机碳含量的降低[14]。相比2013年、2011年和2012年施肥处理土壤C∶N与其CK处理之间并无显著差异，可能是因为作物种类或气候差异不同所引起的。

土壤C∶N较低时表明土壤有机碳矿化较快，随着土层深度的增加，C∶N一般会降低[2]。本研究中，2012年、2013年的施肥处理中，P和M肥处理表层土壤C∶N显著高于其表下层土壤。但总体上，本文表层土壤C∶N与表下层土壤C∶N之间的差异并不显著，可能是因为表下层土壤采样深度过浅，未达矿物层的缘故，同时，不同生态系统土壤的C∶N维持会在一个相对稳定的范围[31-32]。这也与化学计量学的基本原则一致，有机物质是由一定数量的氮和其他养分及相对固定比率的碳而构成[33]。本文研究发现，只有配施NP肥的表层土壤和表下层的C∶N在不同施肥年限间具有显著差异。总的来说，不同施肥处理、不同施肥年限和不同土层的土壤C∶N变异性并不大。考虑到碳和氮元素作为结构性元素，它们积累和消耗过程处于一个相对固定的比率[32]，因此土壤C∶N一般相对稳定。

3.2.2 施肥对土壤C∶P的影响 土壤C∶P常被用来表征土壤有机碳的分解和积累，其磷富集程度和有效性可以在一定范围内指示土壤的肥力，也可以影响植物养分的积累和分布[34]。土壤C∶P是判断有机碳矿化过程中磷素的释放或吸收的一个的重要指标，其与微生物释放磷元素的潜力呈反比关系，C∶P较低时会有较强的磷素释放能力；C∶P较高时会引发同化作用，土壤微生物和植物之间是竞争关系，将吸收后的磷固持在土壤中[35]。C∶P比C∶N拥有更大的变异范围，这是土壤磷的来源造成的[36]。这与本文研究结果一致。本文研究发现，不同施肥年限的表层土壤C∶P均以P和NP处理显著低于CK处理，以M和MN处理显著高于CK处理。除2011年外，2012年、2013年表下层土壤C∶P均以M和MP处理显著高于CK处理。因此，在该地区单施P肥或NP肥配施，可以明显促进表层土壤中的微生物对磷的释放能力，为作物生长提供磷元素；当MN或MP肥配施时，则会明显提高土壤微生物固存磷的能力，提高土壤中磷储量，降低了磷活性。

不同施肥年限表层土壤的C∶P基本上均显著高于表下层土壤，这也从侧面说明了表层土壤对磷的固存能力要明显高于表下层土壤。不同土层间C∶P的差异显著，可能是因为土壤磷含量相对较为稳定，其比值主要受土壤碳含量影响，而表层土壤与表下层土壤碳含量具有较大差异，因而不同土层C∶P具有较大的差异性[6]。本文研究发现施肥年限对表层和表下层土壤微生物活动和磷素固存具有重要影响。但表层和表下层土壤C∶P在不同施肥年限对同一施肥处理的不同响应，可能因为作物种类不同或气候条件变化造成的。

3.2.3 施肥对土壤N∶P的影响 土壤N∶P低，土壤磷活性高[37]。本文研究发现，各施肥年限M和MN处理表层土壤N∶P均显著高于其CK处理；2012年、2013年N和NP处理表层土壤的N∶P则显著低于其CK处理；而表下层土壤只有2013年的M，MN和MP处理显著高于其CK处理。表明单施M肥或MN肥配施时，土壤中的磷活性降低；单施N肥或NP肥配施时，土壤中的磷具有较高活性。磷作为作物生长和微生物活动不可缺少的元素，其活性的提高是有利于作物生长，且会提高微生物活性从而改善土壤品质。各年限不同土层之间只有在单施N或M肥或MN肥配施时，表层土壤的N∶P均显著高于其表下层土壤，说明在单施N或M肥或MN肥配施时表层与表下层土壤氮和磷状况并不一致。而不同施肥年限对表层土壤N∶P并无影响，这可能是因为施肥年限对表层土壤氮、磷含量均无显著影响，因此表层土壤的N∶P变化不大。不同于表层土壤，表下层土壤N∶P在NP或MN肥配施时受施肥年限影响显著，但二者对表下层土壤氮、磷状况影响并不一致，NP处理主要影响土壤磷的状态，MN处理则主要影响土壤氮。因此，NP肥配施主要提高了土壤磷活性，MN肥配施会相对降低磷活性。

4 结 论

施肥对农地表层土壤碳、氮、磷含量的影响作用要明显大于表下层土壤，相对于磷含量而言，施肥年限主要影响表层土壤碳、氮含量。农地施肥对土壤C∶N有一定影响，但主要影响的是土壤C∶P和N∶P；施肥会引起表层和表下层土壤C∶N∶P差异变大，尤其是土壤C∶P；施肥年限对土壤的C∶N∶P有明显影响，且对表下层土壤的影响更为显著。在该地区农地进行MP肥配施有利于土壤对碳、氮、磷的积累，增加土壤碳、氮、磷库；NP肥配施有利于土壤中活性磷的提高，为作物生长提供必须的磷元素。本文只是从土壤养分的角度考虑施肥方式对土壤碳、氮、磷积累和土壤质量的影响，而农地主要作用是粮食生产，其作物产量和质量是考虑选择施肥方式的主要因子。综合考虑施肥对作物生长和土壤生态环境的影响，从而选择适合该地区的施肥方式。