贺兰山东麓不同种植年限葡萄地土壤生态化学计量特征

贺 婧，魏琪琪，钟艳霞，罗玲玲

(1.宁夏大学资源环境学院， 宁夏 银川 750021；2.宁夏大学科技处,宁夏 银川 750021)

生态化学计量学作为研究多种化学元素平衡问题的一门科学，近年来，在陆地生态系统的研究中取得了巨大的进展[1-3]。其研究领域广泛涉及到各种陆地生态系统[3-4]、微生物[5-6]、不同植物及植物器官[7-13]、植物凋落物[14-17]及土壤生态化学计量学，包含了物种之间的生物关系，群落的结构变化与养分的动态平衡，生态过程与生物地球化学循环过程，并从不同年限[18-20]、不同空间分布[21]、不同纬度[22-23]对土壤生态化学计量特征展开研究。土壤作为人类赖以生存和发展最基本、最重要的环境要素，其中的碳、氮、磷、钾等元素是评价土壤质量的重要指标[24]，进行土壤生态化学计量特征的研究能够反映土壤内部碳、氮、磷、钾等元素的循环特征，研究分析土壤养分元素间相互作用与制约的变化规律，对促进自然资源的可持续利用具有重要的现实意义。

贺兰山东麓酿酒葡萄产区作为我国最大的酿酒葡萄原料基地之一，拥有得天独厚的自然资源、气候、地理环境条件，具有极大的发展潜力[25]。自20世纪以来，大面积的荒漠草原被开垦为酿酒葡萄种植地，由于土地利用及地表植被覆盖的转变，贺兰山东麓葡萄产地的土壤理化性质发生了巨大的改变[26]，所以，获取并分析土壤生态化学计量特征尤为重要。杨海江等[27]对不同种植区的酿酒葡萄产地土壤的生态化学计量进行了研究，结果表明贺兰山东麓不同种植区土壤碳、氮、磷含量差异明显，总体含量均低于全国平均水平；但不同年限、不同土层的酿酒葡萄种植区土壤碳、氮、磷、钾含量及其生态化学计量特征尚不清楚。因此，研究不同土层的土壤养分随种植年限的增加而变化的规律及其生态化学计量特征，可为贺兰山东麓葡萄种植区生态系统养分受限元素判断和元素平衡调控机制研究提供依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

贺兰山东麓葡萄产区(105°45′～106°47′E，37°43′～39°05′N)地处温带大陆性干旱、半干旱气候区，该地区日照时间长，昼夜温差大，年均气温8.5℃，全年日照时数为2 851～3 106 h， 昼夜温差10～15℃，日照率67%， 年降水量180～200 mm，无霜期170 d；在葡萄生长季节日照充足、热量丰富，在成熟季节雨量偏少、温度稳定，为葡萄生长提供了良好的气候条件。该地土壤类型以灰钙土为主，并包含风沙土、灌淤土、淡灰钙土、砾质砂土和少量灰漠土等多种土壤类型，表层土壤沙面多孔，底层土壤紧密、松软，pH值7.8～8.5，钾含量较高，磷含量较低，有利于酿酒葡萄的生长。20世纪90年代后期，葡萄酿酒业被列为宁夏回族自治区农业六大优势产业之一，贺兰山东麓葡萄酿酒业得到了极大的发展，2017年该区葡萄种植面积达3.8×104hm2，为宁夏干旱区的水土保持、节水增效、生态旅游等做出了极大的贡献，实现了荒山荒滩向绿水青山再向金山银山的转变，极大地推动了当地经济的发展，并促进当地经济与生态效益达到平衡[25]。

贺兰山东麓葡萄产区“赤霞珠”品种按行距3 m，株距1 m的密度种植，栽植葡萄约3 450棵·hm-2。整理架面、出土期施尿素120～150 kg·hm-2、磷酸二铵150～225 kg·hm-2，复合肥75～120 kg·hm-2，同时配施15～30 kg·hm-2的多元微量元素肥料，根据土壤肥力和树势强弱调节施肥量。生育期常规施肥3次，花后第1次施肥，施尿素90～120 kg·hm-2、磷酸二铵90～150 kg·hm-2、复合肥75～90 kg·hm-2；果实膨大前第2次施肥，施尿素75～90 kg·hm-2、磷酸二铵120～180 kg·hm-2、复合肥75～90 kg·hm-2；转色前第3次施肥，施尿素30～45 kg·hm-2、磷酸二铵45～75 kg·hm-2、硫酸钾150～180 kg·hm-2。秋季采收后在葡萄的定植带或定植沟一侧用施肥机施尿素90～120 kg·hm-2、磷酸二铵90～150 kg·hm-2、复合肥75～90 kg·hm-2、腐熟牛羊粪30～75 m3·hm-2或者有机肥6 000～9 000 kg·hm-2，施肥深度20 cm以下，或者开沟施肥，开沟宽度40 cm，深度50 cm，均匀回填；次年改到另一侧施肥，依次交替进行。施肥后沟灌灌水1次，单次灌水量1 200～1 500 m3·hm-2。

1.2 样品采集与处理

本文重点考虑随种植年限的增加，贺兰山东麓葡萄产区土壤生态化学计量特征的变化情况，在没有长期定位的条件下，采用空间梯度代替时间梯度的方法，根据实地调查，选择年限不同、立地条件尽可能一致的葡萄种植基地作为采样区域。结合研究区的实际情况，选择种植年限分别为1、7、20 a的“赤霞珠”葡萄地和原生荒漠草原(CK)为研究对象。在每个种植年限的样区内，选择3个200 m×200 m的样地，按对角线选取5个取样点，采样点选取时避开马路边缘，用土钻分别采集1 m深土壤剖面0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80 cm及80～100 cm的土壤样品。每个样地内的5个样点按照土壤分层进行混合，土壤样品采用四分法，取1～2 kg装于自封袋内带回实验室后自然风干，剔除根系、凋落叶等杂物，经立式行星球磨仪(PBM-1A)研磨后，分别过0.9 mm和0.25 mm标准筛，用于土壤有机碳(SOC)及土壤养分的测量。

1.3 样品分析

土壤养分的测定参照《土壤农化分析》[28]的方法。土壤全氮(TN)采用凯氏定氮法测定；全磷(TP)采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色分光光度法测定；全钾(TK)采用氢氧化钠熔融—火焰光度计法测定；土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾容量法—外加热法测定。

1.4 统计分析

采用Excel(2016)软件进行数据处理，运用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析，检验不同年限、不同土层土壤C、N、P、K含量及其生态化学计量比的差异显著性，显著性水平设置为a=0.05；之后运用Pearson相关分析法对土壤C、N、P、K含量及其生态化学计量比进行相关性分析。使用Origin 2018进行相关图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限葡萄地土壤SOC、TN、TP和TK质量分数的变化

有机碳作为土壤的基本属性和物质特征，是评价土壤肥力的基本指标[29]。贺兰山东麓葡萄产地由荒漠草原开垦而来，其土地利用方式的转变及耕作的扰动对土壤有机碳含量存在显著的影响。由表1可知，研究区内土壤有机碳(SOC)含量变化范围为3.93～5.36 g·kg-1，随着荒漠草原的开垦与种植年限的延长，呈现先降低后增加的趋势，不同种植年限间无显著性差异。由图1A可知，在同一土层不同样地之间，0～10 cm、10～20 cm及40～100 cm土层有机碳含量未呈显著性差异；20～30 cm及30～40 cm土层种植葡萄7 a的土壤，其有机碳含量与其他年限之间呈显著差异。整体上，表层土壤有机碳含量大于深层，且呈现随着土层深度的增加而波动下降的趋势。

氮作为植物生长发育所必需的重要元素之一，是植物生长的主要养分来源，土壤中氮元素含量直接影响作物长势及产量，也表明了土壤的肥力状况，现代农业中氮的重要来源是施肥[24]。由表1可知，研究区内土壤全氮(TN)含量变化范围为0.39～0.73 g·kg-1，随着种植年限的增加呈现先降低后增大的趋势，具体表现为：20 a>CK>1 a>7 a。1 a土壤TN与对照无显著性差异，但7 a与20 a之间土壤TN含量呈现显著差异。由图1B可知，在同一土层不同样地之间，10～20 cm土层TN含量表现出对照土壤与20 a土壤显著高于7 a土壤；20～30 cm土层TN含量则表现出7 a土壤显著低于其他样地；30～40 cm土层TN含量在20 a土壤与7 a土壤之间呈现显著差异。在同一样地不同土层之间，对照土壤以0～10 cm土层最高，与30～100 cm各土层均存在显著性差异。

磷作为植物生长发育所必需的重要元素之一，是植物体内许多有机化合物的组分，同时参与植物体内多种代谢过程，在现代农业中多以施加磷肥的方式来增加土壤中磷含量[24]。由表1可知，研究区内土壤全磷(TP)含量变化范围为0.16～0.37 g·kg-1，随种植年限的增加呈升高的趋势，1 a、7 a与对照土壤TP含量显著低于20 a土壤。由图1C可知，在0～40 cm土层,20 a土壤与其他样地之间TP含量呈现显著差异。在同一样地不同土层之间，7 a土壤与对照土壤TP含量在不同土层之间未表现出显著性差异，1 a土壤TP含量在0～40 cm土层与40～100 cm土层之间呈现显著差异。

土壤钾含量主要受土壤矿物质种类的影响，还受成土母质的影响，另外土地利用方式的转变也会对土壤矿物的风化产生影响，最终影响土壤钾含量[24]。由表1可知，研究区内，土壤全钾(TK)含量变化范围为27.88～30.16 g·kg-1，总体呈现随着年限的增加而逐渐降低的趋势，各个样地之间土壤TK含量的平均值无显著性差异。由图1D可知，在同一样地不同土层之间，对照土壤、7 a和20 a土壤TK含量的各个土层之间无显著性差异；1 a土壤TK含量表现为30～40 cm土层与80～100 cm土层之间呈现显著差异。在同一土层不同样地之间，0～40 cm土层TK含量在各个样地间无显著性差异，40～60 cm土层TK含量在1 a土壤与7 a土壤之间呈现显著差异；80～100 cm土层TK含量表现为对照土壤与1 a土壤无显著性差异，7 a土壤与20 a土壤无显著差异，但对照土壤、1 a土壤与7 a、20 a土壤之间呈现显著差异；其他土层TK含量在不同样地之间无显著性差异。

注：误差线为标准误(n=3)；不同大写字母表示同一土层不同种植年限样地间差异显著(P<0.05);不同小写字母表示同一种植年限样地不同土层深度间差异显著(P<0.05)。下同。 Note: The error line is the standard error (n=3)． Different capital letters in the same column indicate significant differences between different years of the same soil depth (P<0.05); Different lowercase letters indicate significant differences between different soil depths of the same year (P<0.05). The same below.图1 不同种植年限葡萄地不同深度土壤SOC、TN、TP和TK的含量变化Fig.1 Changes of soil SOC, TN, TP and TK content in different soil depths of grape fields with different planting years

2.2 不同种植年限葡萄地土壤SOC、TN、TP和TK的化学计量比

C∶N、C∶P、C∶K是衡量土壤营养平衡状态的重要指标，也是衡量土壤微生物矿化有机物释放N、P的重要指标，一般认为C∶N、C∶P 值与有机物分解矿化速率成反比[2-4]。研究区土壤C∶N均值变化范围为8.70～10.60，随着荒漠草原的开垦与种植年限的延长呈现先增加后降低的趋势(表2)。由图2A分析发现，在同一样地不同土层之间，20 a土壤C∶N表现为80～100 cm土层显著高于0～10、40～60 cm土层，其他样地各土层间土壤C∶N无显著性差异。在同一土层不同样地之间，0～10、40～60 cm土层C∶N表现为1 a土壤显著高于20 a土壤；10～20、30～40、60～100 cm土层C∶N在各个样地之间未达显著性差异。

研究区土壤C∶P均值变化范围为16.78～33.29，整体呈现随着荒漠草原的开垦与种植年限的延长而逐渐降低的趋势(表2)。由图2B可知，在同一样地不同土层之间，对照土壤与20 a土壤的C∶P在各个土层之间无显著性差异，1 a土壤在60～80 cm与 80～100 cm土层的C∶P显著低于其他土层，7 a土壤在0～10 cm土层的C∶P显著高于其他土层，其他土层之间未呈现显著性差异。在同一土层不同样地之间，0～40 cm各土层C∶P值均表现出随年限增加而逐渐降低的趋势，20 a土壤C∶P在0～40 cm土层均显著低于对照土壤，40～100 cm各层的C∶P值则表现出先降低后增加的趋势，但不同样地之间差异不显著。

由表2可知，研究区土壤C∶K均值变化范围为0.14～0.23，随着荒漠草原的开垦与种植年限的延长呈先降低后增加的趋势。由图2C分析发现，在同一样地不同土层之间，表层土壤与底层土壤间存在显著性差异，如对照土壤C∶K值在0～10 cm与60～100 cm土层间存在显著性差异，1 a土壤C∶K值在0～10 cm与40～100 cm土层间存在显著性差异，7 a土壤C∶K值则表现为0～10 cm土层显著高于其他各土层。在同一土层不同样地之间，仅在20～30 cm、30～40 cm土层中，7 a土壤与20 a土壤C∶K呈现显著性差异，其他各土层在不同样地之间均未呈现显著性差异。

N∶P能够在一定程度上反映植物生长的主要限制因子，一般来说，氮沉降将提高植物的N∶P，磷富集将降低植物的N∶P[1]。由表2可以看出，研究区土壤N∶P均值变化范围为1.66～3.61，随着荒漠草原的开垦与种植年限的延长呈现先降低后增加的趋势。由图2D可知，对于同一样地不同的土层，对照土壤与7 a土壤N∶P均呈现随土层加深而逐渐降低的趋势。对照土壤0～30 cm各土层与60～100 cm土层存在显著性差异，7 a土壤N∶P值则表现为除0～10 cm土层显著高于20～100 cm土层，10～20 cm土层显著高于80～100 cm土层外，其余各层之间差异不显著；1 a土壤N∶P值则是20～30 cm土层与40～100 cm土层存在显著性差异；20 a土壤N∶P则表现为40～60 cm土层显著高于除60～80 cm外各土层，其他各土层之间差异不显著。对于同一土层不同样地，0～60 cm土层N∶P值均表现为对照土壤显著高于1 a、7 a及20 a；80～100 cm土层N∶P在各个样地之间无显著差异。

2.3 土壤SOC、TN、TP和TK质量分数及其化学计量比之间的相关性

相关性分析表明(表3)，SOC、TN、TP彼此之间均呈现极显著正相关性，SOC、TN、TP均与C∶N呈现极显著或显著负相关性，SOC、TN与C∶P、C∶K、N∶P之间均呈现极显著正相关性，TP与C∶K之间存在极显著的正相关性。C∶N与C∶K、N∶P之间呈现极显著负相关性，而C∶P与C∶K、N∶P之间则存在着极显著的正相关性,C∶K与N∶P之间也存在着极显著的正相关性。可见，土壤养分对葡萄地土壤化学计量的贡献表现出一定差异性。

表2 不同种植年限葡萄地0～100 cm土层土壤生态化学计量比

图2 不同种植年限葡萄地土壤生态化学计量比变化Fig.2 Changes of soil ecological stoichiometry ratio in grape fields with different planting years

表3 土壤各元素质量分数及化学计量的相关性

3 讨 论

3.1 不同种植年限葡萄地土壤有机碳及养分含量

不同种植年限酿酒葡萄地的土壤C、N、P含量平均值(4.88，0.56，0.24 g·kg-1)远低于全国(11.12，1.06，0.65 g·kg-1)水平[30]，表明该地区土壤C、N、P含量较贫乏。此外，本研究中土壤K含量平均值(28.88 g·kg-1)远高于全国(16.6 g·kg-1)水平[31]，这可能是由于土壤K元素主要受成土母质影响所致。研究表明，土壤C、N、P含量不仅受到自然环境的影响，还受到土地利用方式转变、农业管理措施的显著影响[32]，草地转化为农田会降低土壤有机碳、全氮含量[33]。随荒漠草原的开垦及种植年限的增加，土壤SOC、TN含量呈现先降低后增加的趋势，这与以往的研究结论有所不同[18-19]， 可能由于在未开垦时期，原始荒漠草原上地表植物较多，且地下根系发达，土壤中植物的凋落叶及根系的归还可以累积一定数量的SOC和TN；但荒漠草原开垦为葡萄地，一方面在开垦初期，土壤经过深翻整地，土壤结构被破坏，土壤各层次之间养分含量波动较大，另一方面是开垦后，葡萄一般为行距3 m，株距1 m的栽植密度，密度较低；同时因为整地破坏、地表裸露，初期葡萄苗较小，根系及落叶归还量都比较少，加之人为耕作、翻土使得土壤孔隙度增加，土壤养分分解速率加大，尽管有氮肥及有机肥料的施入，但在种植初期仍呈现有机碳与氮的含量逐渐降低的趋势。随着种植年限的增加，土壤扰动的减少、葡萄藤枝的生长、根系及凋落物归还量的增加以及人工施肥[34]等原因，土壤有机碳和全氮含量恢复上升趋势。与郭其强[31]对于马尾松林土壤的研究结果不同，随荒漠草原的开垦和种植年限的增加，土壤TP含量呈现持续增长趋势，这可能是由于贺兰山东麓土壤磷含量本身较低，加之磷的性质与有机碳、氮不同，不易分解，因此土壤磷含量随着有机肥及其他肥料的逐渐施入而增加。

与多数研究结论一致[9-13]，本研究中土壤表层C、N含量大于底层，随土层的加深，土壤C、N含量整体呈波动式下降的趋势。人为扰动导致土壤SOC、TN含量在垂直方向上出现了差异变化[33]。在葡萄地管理过程中，种植户为保障葡萄健康生长，在土壤深度约为30～40 cm深的土层处进行有机肥填埋，因此可能造成各年限土壤SOC含量在30～40 cm深度有小幅度增加，而继续向土壤深处时，植物对土壤养分吸收利用大于供给，因此呈不断下降的趋势。

3.2 不同种植年限葡萄地土壤有机碳及养分的生态化学计量特征

土壤C∶N是衡量土壤营养平衡状态的指标，一般认为土壤C∶N越低，有机质分解速率越高[4]。本研究中，不同种植年限的土壤C∶N在8.70～10.60之间，基本上低于我国土壤C∶N平均值10～12[27]，各样地之间整体呈随着土层深度的加深而上升的趋势，这与淑敏等[19]在研究樟子松人工林中所得结论一致，这可能是由于北方葡萄生产需要埋土、出土操作，耕翻频繁，导致上层土壤有机质分解的能力加快，释放养分的能力更强，同时日常管理中仅秋后施有机肥一次，其他时期均施用尿素、磷酸二铵及复合肥，这也造成有机碳的积累速度低于土壤氮的积累速度，因而上层土壤C∶N较低；但是随着种植年限的增加，葡萄根系向土壤深处延伸使其对氮的吸收加强，而下层土壤扰动较少，有机碳积累逐渐增加，进而导致C∶N有所增加。

本研究中，不同年限的土壤C∶P在16.78～33.29之间，远低于我国C∶P平均值105[31]， 较低的C∶P表明该地区土壤P的有效性相对较高，P的矿化速率也相对较高，微生物分解有机质过程中受P限制的可能性较小[35]。这可能是由于在葡萄管理过程中多次施用磷酸二铵，除部分被葡萄吸收利用外，其余磷在土壤中累积；有机肥的施用及矿化也进一步增加了土壤磷含量。与大多数研究结论相一致[34-35]，随着土层深度的加深C∶P整体呈下降的趋势，表明表层土壤对P的固持能力要高于底层土壤[35]，由于TP含量相对稳定，C∶P的高低主要受土壤有机碳的影响，土壤有机碳含量随着土层的加深而逐渐下降导致C∶P随之变化。

土壤N∶P是反映N养分供应状况的重要指标，一般认为在N∶P<14时，植物生长受N元素的限制；在N∶P>16时，植物生长受P元素的限制，当14

4 结 论

1)总体而言，宁夏贺兰山东麓地区土壤贫瘠，土壤C、N、P含量均低于全国水平，土壤K含量高于全国水平。土地利用方式、植被覆盖的转变及施肥管理对土壤肥力水平存在较大影响。随荒漠草原的开垦及种植年限的增加，土壤C、N含量呈现先降低后增加的趋势，土壤P含量逐渐增加，土壤K含量虽逐渐减少但各年限之间并无显著性差异。

2)土地利用方式及植被覆盖的转变对土壤生态化学计量特征的影响程度各有不同。土壤C∶P，C∶K，N∶P都呈现先降低后增加的趋势，土壤C∶N虽整体趋于降低，但是差异未达显著水平。不同年限葡萄地的土壤N∶P在1.66～3.61之间，低于我国土壤N∶P的平均值5.2，贺兰山东麓葡萄生长主要受N的限制。在宁夏贺兰山东麓地区酿酒葡萄的种植过程中，需考虑合理匹配不同营养元素和适当增施有机肥，以防止土壤肥力的下降。