不同种植年限葡萄园土壤及微生物量碳、氮、磷生态化学计量特征

刘谊锋，田耀武

（河南科技大学，河南 洛阳 471000）

碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物生长过程的必需元素[1]，也是土壤最基本的化学组成元素，其相对组成及化学计量比直接影响土壤养分循环和生态系统化学循环[2]。生态化学计量学结合了多门学科，是用于研究多重化学元素（主要是C、N、P）平衡和生物系统能量平衡的科学[2]。果园土壤是陆地生态系统的组成部分，通过研究果园土壤的生态化学计量特征，对认识果园生态系统的元素响应机制、循环过程以及对各种因素干扰的反馈及实现果园持续经营管理具有重要意义[3-4]。近年来，关于生态化学计量学方面的研究在国内受到了广泛的关注，但大多集中于森林生态系统和草原生态系统C、N、P 生态化学计量特征及其影响因素方面[5-9]，对于果园生态系统的研究相对较少，主要集中在生态系统稳定性[10]、影响因素[11-13]、碳储量[14-16]、碳密度及分布特征[17]等方面。王凌云等[10]发现，传统的种植方式使果园的生态系统逐渐弱化，持续性和稳定性变差。许多学者发现，不同的垦殖方式[11]、牧草绿肥[12]对果园生态系统都有不同程度的影响。李壮等[13]发现，不同的经营措施可以增加果园系统碳汇，还可以提高土壤肥力。赵牧秋等[14-15]对芒果园和莲雾果园的碳储量研究发现，随着土壤深度的增加，碳储量逐渐降低，与吴志丹等[16]的研究结果一致。朱苑维等[17]对广州市的果园研究发现，果园具有较高的碳密度和碳汇水平。目前，在果园土壤生态化学计量特征方面的研究报道较少，杨海江等[18]对贺兰山东麓葡萄种植区的土壤C、N、P 含量及其化学计量特征进行研究发现，不同区域间的C、N、P 含量差异显著，而针对不同种植年限下土壤微生物量C、N、P 生态化学计量特征的研究尚无报道。为此，分析不同种植年限葡萄园土壤及微生物量C、N、P 含量及其生态化学计量特征，以期为葡萄园的规模化种植和科学管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于河南省洛阳市偃师区偃师葡萄地域保护区(112°26′15″～113°00′00″E、34°27′30″～34°50′00″N)，海拔115～400 m，总面积668.59 km2。保护区属季风性暖温带气候，年平均气温为14.40 ℃，无霜期为252 d，年平均降水量为533.80 mm，降水主要集中在7—9月，年日照时数为2 248.30 h，日照率为51%。保护区内伊河、洛河穿境而过，地下水丰富，地下水位最低6 m、最高3.5 m，充足的水资源为偃师葡萄提供了良好的灌溉条件。种植的葡萄品种以夏黑和巨峰早熟品种为主，搭配种植的有阳光玫瑰、京亚、维多利亚等早熟品种以及晚熟品种红地球[19]。土壤类型为壤质潮土，pH 值介于7.1～8.2，保水保肥、通水透气性好的土壤条件形成了偃师葡萄生长的独特土壤环境。

1.2 试验设计

选取土壤条件基本一致，种植年限分别为5、8、13、20 a 的巨峰葡萄园为研究对象，土壤类型为褐土，葡萄园的种植密度为3 000 株/hm2左右，种植前均进行深耕，种植后每年进行除草和适时中耕。样地具体情况见表1。

表1 样地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the sample plot

1.3 土样采集

对不同种植年限的样地分别选取3块条件相似的重复样地，每个样地内均设置标准样方，大小为20 m×20 m。每个样方内使用梅花型取样法共选取5个采样点，剔除土壤表面凋落物及动植物残体后，用直径为4 cm 土钻采集距离树干80 cm 以外的0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土壤。每层土壤样品由多点取样后混合均匀，将同一样方内不同土层5 个样点的土壤样品充分混匀后分成两份；一份在阴凉处风干后过0.15 mm 筛，常温保存，用于测定土壤C、N、P 含量；一份过2 mm 筛，在4 ℃下低温保存，用于测定土壤微生物量C（Microbial biomass carbon，MBC）、微生物量N（Microbial biomass nitrogen，MBN）、微生物量P（Microbial biomass phosphorus，MBP）含量。

1.4 测定项目及方法

土壤C 含量：采用重铬酸钾外加热法测定[20]；土壤N 含量：采用半微量凯氏定氮法测定[20]；土壤P 含量：采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定[20]。土壤MBC 含量：使用氯仿熏蒸—硫酸钾溶液浸提，然后采用重铬酸钾外加热法测定[20]；土壤MBN 含量：使用氯仿熏蒸—硫酸钾溶液浸提，然后采用半微量凯氏定氮法测定[20]；土壤MBP 含量：使用氯仿熏蒸—硫酸钾溶液浸提，然后采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定[20]。计算土壤C、N、P 及MBC、MBN、MBP生态化学计量比，采用摩尔比表示。

1.5 数据处理

采用统计软件SPSS 25.0 对试验数据进行单因素方差分析、多重比较以及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限葡萄园土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量

如表2所示，不同种植年限葡萄园土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量均有差异，土壤C、N、P含量均表现出随种植年限增加而增加的趋势，均在20 a 时达到最高，分别为11.93、0.94、0.39 g/kg，显著高于5 a、8 a 和13 a（C 含量除外），种植20 a 土壤分别较种植5 a 增加了20.38%、64.91%、105.26%。土壤MBC、MBN、MBP 含量同样随种植年限的增加而增加，不同种植年限间差异显著，种植20 a 土壤分别较种植5 a增加了205.61%、191.86%、81.56%。种植5 a 的土壤P 含量最低，为0.19 g/kg，按照全国第二次土壤普查养分分级标准[21]，处于6 级水平，种植20 a 的土壤P 含量增加到0.39 g/kg，处于5 级水平；种植20 a 土壤C、N 含量均处于4 级水平。种植13、20 a 土壤C、N 含量均显著高于种植5、8 a，土壤P 含量在不同种植年限间差异显著。

表2 不同种植年限葡萄园土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量Tab.2 Contents of C，N，P，MBC，MBN and MBP in soil with grape planted for different years

由表3 可得，不同种植年限土壤养分含量均在0～20 cm 土层达到最大值，并总体上与其他土层差异显著，表明不同种植年限土壤养分具有明显的表聚性；不同深度土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量差异明显。不同种植年限土壤C、N、P 含量均随土层深度增加呈下降趋势，0～20 cm 土层最高，种植5 a 土壤C、N、P 含量分别是80～100 cm 土层土壤的1.93、2.75、1.93 倍，而种植20 a 土壤C、N、P 含量分别是80～100 cm 土壤的1.91、1.95、2.14 倍。不同种植年限土壤MBC、MBN、MBP 含量总体上均随土层深度增加呈下降趋势，0～20 cm 土层最高，但种植20 a土壤MBP含量在40～60 cm 处有所回升，这可能与植物根系密度有关。

表3 不同种植年限葡萄园不同土层深度土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量Tab.3 Contents of C，N，P，MBC，MBN and MBP in different depths of soil with grape planted for different years

续表3 不同种植年限葡萄园不同土层深度土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量Tab.3 （Continued）Contents of C，N，P，MBC，MBN and MBP in different depths of soil with grape planted for different years

2.2 不同种植年限葡萄园土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP生态化学计量特征

由图1 可得，土壤C∶N 总体随着种植年限的增加而降低；随着土层深度增加总体呈上升趋势，这种趋势随着种植年限的增加逐渐减弱，当种植年限为20 a 时C∶N 趋于平稳。土壤C∶P 总体随着种植年限的增加而降低。土壤C∶P（种植13 a 除外）和N∶P（种植8 a 除外）随着土层深度增加总体呈先上升后下降的趋势。同一土层深度C∶N、C∶P 和N∶P总体表现为5、8 a显著高于13、20 a。种植5、13 a的80～100 cm 土层土壤C∶N 显著高于其他土层，其他种植年限土壤C∶N 在不同土层间差异均不显著。对于土壤C∶P，种植13 a 的40～60、60～80、80～100 cm 土层显著高于其他土层，种植20 a 的60～80 cm 土层显著高于0～20、80～100 cm 土层，其他年限不同土层深度之间差异不显著。而对于土壤N∶P，种植5 a 的20～40、40～60、60～80 cm 土层显著高于80～100 cm 土层，种植8 a 的0～20、40～60 cm 土层显著高于80～100 cm 土层，种植13 a 的40～60、60～80、80～100 cm土层显著高于0～20 cm土层，种植20 a的40～60、60～80 cm土层显著高于其他土层。

土壤MBC∶MBN（除种植20 a 外）总体上随着种植年限的增加而下降，种植5 a的80～100 cm 土层显著高于其他年限，种植20 a 的0～20、20～40 cm 土层显著高于其他年限。而土壤MBC∶MBP 和MBN∶MBP 总体上随着种植年限的增加而增加，种植20 a的MBC∶MBP总体上显著高于其他年限，而种植13、20 a 的MBN∶MBP 总体上显著高于其他年限。土壤MBC:MBN（除种植5、8 a 外）、MBC∶MBP（除种植8 a外）和MBN∶MBP（除种植20 a 外）总体上随着土层深度的增加呈现下降的趋势。对于土壤MBC∶MBN，种植5 a的80～100 cm土层显著高于60～80 cm土层，种植8 a 的20～40、40～60、60～80 cm 土层显著高于80～100 cm 土层，种植20 a 的0～20、20～40 cm土层显著高于其他土层，种植13 a 的不同土层深度之间差异不显著。对于MBC∶MBP，种植8 a 的20～40、40～60 cm 土层显著高于80～100 cm 土层，种植13 a的0～20 cm 土层显著高于80～100 cm 土层，种植20 a 的0～20、20～40 cm 土层显著高于其他土层，种植5 a 的不同土层深度之间差异不显著。对于MBN∶MBP，种植5 a 的60～80 cm 土层显著高于80～100 cm 土层，种植8 a 的20～40 cm 土层显著高于60～80 cm 土层，种植20 a的60～80 cm 土层显著高于40～60 cm 土层，种植13 a 不同土层深度之间无显著差异。

2.3 不同种植年限葡萄园土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量与其生态化学计量比的相关性分析

由表4 可知，土壤C、N、P 含量之间具有极显著的正相关性。土壤C、N、P含量与土壤C∶N、C∶P、N∶P 均呈负相关，其中，土壤C、N、P 含量与土壤C∶N、C∶P 均呈极显著负相关，土壤P 含量与土壤N∶P 呈显著负相关。土壤C、N、P 含量与土壤MBC、MBN、MBP含量及MBC∶MBP、MBN∶MBP均呈极显著正相关，与种植年限呈极显著正相关。土壤C∶N与C∶P、C∶P 与N:P 均呈极显著正相关，C∶N 与N:P 呈显著正相关。土壤N∶P 与土壤MBC、MBP 含量均呈显著负相关，与土壤MBN 含量呈极显著负相关。土壤C∶N、C∶P 与土壤MBC、MBN、MBP 含量及MBC∶MBP、MBN∶MBP、种植年限均呈极显著负相关。土壤N∶P与种植年限呈显著负相关。土壤MBC、MBN、MBP含量之间呈极显著的正相关，与MBC∶MBP、MBN∶MBP、种植年限均呈极显著正相关。土壤MBC∶MBP、MBN:MBP 之间呈极显著正相关，与种植年限呈极显著正相关。

表4 土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量与其生态化学计量此的相关性Tab.4 Correlation between soil C，N and P and microbial biomass C，N and P contents and their ecological stoichiometric ratios

3 结论与讨论

3.1 不同种植年限葡萄园土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量变化

本研究结果表明，土壤C、N、P 含量随种植年限增加而明显增加，种植20 a 土壤分别较种植5 a 增加了20.38%、64.91%、105.26%；土壤MBC、MBN、MBP 含量同样随种植年限的增加而增加，种植20 a土壤分别较种植5 a 增加了205.61%、191.86%、81.56%，说明葡萄种植促进了土壤养分积累和微生物量养分的转化，这与前人[22-26]研究结果基本一致。在葡萄的种植过程中对土壤进行管理，可以加速植物根系对土壤养分的归还，从而改善土壤质量，提高土壤生产力。随着葡萄种植年限增加、对土壤的科学管理、有机肥的添加以及凋落物的分解，土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量均有明显增加。葡萄种植过程中，土壤有机物不断增加并分解，土壤理化环境也会发生改变，从而影响土壤养分含量[27-28]。本研究结果表明，土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量总体均随着土层深度的增加而下降，这与孙梦飞等[29]的研究结果一致，说明土壤养分具有明显的表聚性，可能是因为土壤表层通气性良好，土壤团聚体结构良好，疏松透气，有利于水分运输[30]；此外，土壤表层中的微生物种类丰富，有利于凋落物的加速分解，从而改善土壤养分状况。种植葡萄20 a 的土壤MBP 含量在40～60 cm 土层发生变化，这可能是因为随着种植年限的增加，葡萄根系不断发达，主要集中在地下40～50 cm 土层，受植物根系量的影响，土壤养分吸收增加，而继续向下的根系不断减少。因此，从土壤表层向下土壤养分含量逐渐降低，在根系较为密集的40～60 cm 土层有所增加，随着土层加深，植物根系减少，对土壤养分的吸收速率减缓，因此出现了转折变化。

3.2 不同种植年限葡萄园土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP生态化学计量特征

土壤C∶N 随着土层深度增加总体呈上升趋势，这种趋势随着种植年限的增加逐渐减弱，当种植年限为20 a 时，C∶N 趋于平稳。土壤C∶P（种植13 a 除外）和N∶P（种植8 a除外）随着土层深度增加总体呈先上升后下降的趋势。C∶N、C∶P 和N∶P 是反映土壤有机质组成及土壤养分有效性的关键指标[2]。C∶N 可衡量土壤C、N 营养元素平衡状况，表征土壤有机质的矿化速率，其值越低，矿化速率越快[31]。本研究结果表明，4种种植年限葡萄园土壤C∶N 平均值为15.71，高于我国土壤C∶N 平均值11.90[32]，表现为5 a(18.30)＞8 a (17.74)＞13 a (13.97)＞20 a (12.81)。研究发现，当C∶N 升高时，土壤微生物需摄入N 素以满足自身需要，当C∶N 降低时，微生物会将多于自身需要的N 素释放到土壤中[33]。土壤MBC∶MBN、MBC∶MBP 和MBN∶MBP 均随着种植年限的增加呈波动变化，土壤MBC∶MBN（除种植20 a 外）总体随着种植年限的增加而下降，而土壤MBC∶MBP 和MBN∶MBP 总体随着种植年限的增加而增加，主要是由于植被种植过程中微生物群落可通过自身结构和代谢进行C∶N∶P计量学特征的调节[34]。

3.3 土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP含量与其生态化学计量比的相关关系

本研究结果表明，种植年限与土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量及其生态化学计量特征总体均具有极显著相关性。土壤C、N、P、MBC、MBN、MBP 含量之间存在极显著正相关，表明土壤及微生物量C、N、P 元素之间存在密切关系[30]。土壤N∶P与土壤C、N 含量无显著相关性，而与土壤P 含量呈显著负相关，说明土壤N∶P 主要受P 元素控制。土壤MBC、MBN、MBP 含量与土壤MBC∶MBP、MBN∶MBP 均呈极显著正相关，这与LI 等[35]的研究结果一致。本研究发现，种植年限与土壤C∶N、C∶P、N∶P、MBC∶MBP、MBN∶MBP 均存在极显著相关关系，但与MBC∶MBN无显著相关性。