长期施肥黄土旱塬农田土壤-微生物-植物系统碳氮磷生态化学计量特征

李春越,苗 雨,薛英龙,张蓓蓓,王 益,党廷辉,张文婷,常 顺

1 陕西师范大学地理科学与旅游学院, 西安 710119 2 中国科学院地球环境研究所, 西安 710061 3 西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 712100

碳(C)：氮(N)：磷(P)化学计量特征常被用于研究生态系统不同组成部分之间的反馈和相互关系,探索生物过程中各个元素之间的相互作用和平衡[1],反映植物的生长速度和营养物质的利用效率及其生理代谢,其中C∶N、C∶P在一定程度上能表明氮、磷等养分的供应情况,而氮磷比的临界值被认为是影响植物生长的重要评价指标[2—4]。明确元素化学计量学与微生物生物量的关系,建立土壤、植物组织和微生物等不同生态系统组分之间的联系,对于了解农业生态系统中肥料投入对养分循环的影响具有重要意义[5]。Ren等[6]研究表明通过利用土壤C、N和P和微生物生物量间的相关关系,来探究土壤微生物变化对土壤养分的影响。Liu等[7]研究发现,植物组织、根际土壤和酶化学计量学在物种间和演替年龄间发生显著变化。植物、土壤和微生物具有不同的C、N和P化学计量比,这些化学计量比参与陆地生态系统的生物过程和养分循环[8]。碳和其他养分在植物与土壤之间循环的动态受到微生物和植物根系产生的分解有机底物的酶的调节[9]。

土壤中C、N和P通常与土壤性质和人类活动(如施肥)相关,并受到强烈影响[10]。施肥可提高植物生物量产量,改变土壤养分状况,调控土壤微生物活性[11],对土壤-微生物-植物生态系统的结构与养分循环途径产生影响[12]。通过有机或无机肥料施用会影响土壤中其它养分的有效性及其生物地球化学循环。目前关于黄土高原粮食主产区关中平原的农田主要关注单个养分与产量关系较多,对农田生态系统C、N、P生态化学计量综合研究的仍然不够系统[13]。长期不同施肥条件下是否能够导致黄土旱塬农田小麦养分利用变化,同时植物和微生物生态化学计量学特征对于由于养分输入而改变了的土壤微环境到底会如何响应？因此,为了进一步明确养分输入对黄土旱塬农田土壤-微生物-植物C∶N∶P生态化学计量学特征的影响,本研究选取位于陕西省的长武黄土高原农业生态试验站中8种长期施肥处理,以长期施肥改变农田生态系统碳氮磷生态学化学计量内稳性为科学问题,通过测定土壤、植物、微生物量的C、N、P含量,及生态化学计量变化规律,以期为研究化肥配施对黄土旱塬农田土壤质量的影响及合理施用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

本研究选取实验地点为黄土高原中南部的长武农业生态实验站长期施肥试验场(35°14′ N,107°41′ E)。该站属于暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水量为580 mm,年均气温为9.1℃,无霜期为171 d,站内土壤均为黑垆土(Cumulic Haplustoll,USDA 分类)。试验区始建于1984年,其所处位置为典型的旱作农业区,小麦为该地区主要作物[12]。

1.2 试验设计

长期定位施肥试验开始于1984年,每个试验小区面积为4 m×8 m,中间设置1 m的缓冲带。采用单因素随机区组设计,共设8个不同处理,每个处理3次重复。分别为：1)不施肥(CK)；2)单施氮肥(N)；3)单施磷肥(P)；4)施用氮磷肥(NP)；5)单施有机肥(M)；6)氮肥配施有机肥(NM)；7)磷肥配施有机肥(PM)；8)氮磷肥配施有机肥(NPM)。不同施肥处理作物种植模式小麦连作,常规耕作,9月中下旬播种,次年6月收获,一年一熟。试验中氮肥为尿素,总氮量46.4%；磷肥为过磷酸钙,含P2O546.0%；有机肥为厩肥,平均有机质含量为106.0 g/kg。所有肥料在播种前一次施入,试验田按大田丰产模式进行管理。

1.3 样品采集

样品采集时间为2018年6月,采用五点采样法收集耕作层土壤(0—20 cm),将其混匀后除土壤中杂草、砾石、土壤动物等杂质,新鲜土样过2 mm筛,调节含水量到田间最大最大持水量60%,置于放有去离子超纯水和NaOH溶液的4℃黑暗密闭圆形容器平衡一周,用于测定土壤微生物生物量C、N、P含量。剩余土样置于阴凉通风处风干后过筛测定C、N、P全量和有机量。植物样品于试验小区收获期采集,随机抽取50株杀青、风干、粉碎后测量植物C、N、P含量。

1.4 试验方法

土壤全碳(TC)和植物样品全碳(CW)用TOC法测定,其中土壤有机碳(OC)测定将土样用0.1 mol/LHCL酸洗去无机态至无气泡后去离子超纯水反复水洗,风干锡箔包样TOC仪灼烧测定。土壤全氮(TN)采用全自动凯氏定氮仪测定；土壤有机氮(ON)的测定采用Bremner法；土壤全磷(TP)用高氯酸-浓硫酸法,土壤有机磷(OP)的测定使用灼烧后再用硫酸浸提测定；植物全氮(NW)、全磷(PW)采用盐酸-硝酸-HF消解流动分析仪测定[14]。土壤微生物生物量碳(BC)、氮(BN)、磷(BP)采用氯仿-熏蒸法测定[15—16]。

1.5 数据处理

数据用3次平行测定的平均值±标准差表示,采用Origin 2017绘图。用SPSS 24.0对数据进行单因素方差分析、Duncan事后比较和双变量相关性分析,显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对土壤全碳、全氮、全磷含量及生态化学计量比的影响

图1可知,不同施肥处理的土壤TC、TN、TP含量分别为15.86—26.41、0.83—1.35和0.73—1.21 g/kg。不同化肥有机肥配施处理的土壤TC、TN含量均显著高于不施肥、化肥处理,且化肥有机肥配施处理间土壤TC、TN含量无显著差异；不同化肥有机肥配施处理的土壤TP含量显著高于CK处理,其中PM、NPM处理的TP含量也显著高于其余处理。不同化肥处理的土壤TC含量与CK相比无显著差异,N、NP处理的TN含量较CK显著提高了12.18%、20.16%,N处理的TP含量较CK显著提高了34.08%。不同施肥处理中,仅N、M处理土壤C∶N显著低于CK处理；与CK 相比,除N处理外,其余处理对C∶P均无显著影响；M、NM处理的土壤N∶P较CK处理显著提高了22.81%、16.64%,而N处理显著降低了土壤N∶P；其中,N处理的土壤C∶N、C∶P、N∶P分别较CK处理显著降低了15.22%、26.60%、16.17%。

图1 不同施肥处理下土壤全碳(TC)、氮(TN)、磷(TP)含量及化学计量比特征Fig.1 The contents and stoichiometric ratio of Total carbon (TC), nitrogen (TN) and phosphorus (TP) in soil under different fertilization treatmentsCK: 不施肥;N: 单施氮肥;P: 单施磷肥;NP: 施氮磷肥;M: 单施有机肥;NM: 氮肥配施有机肥;PM: 磷肥配施有机肥;NPM: 氮磷肥配施有机肥

2.2 长期施肥对土壤有机碳、有机氮、有机磷含量及生态化学计量比的影响

图2可知,不同化肥有机肥配施处理的土壤OC、ON、OP含量均显著高于CK处理。除NP处理外,各化肥有机肥配施处理土壤OC含量均显著高于化肥处理,且NP和各化肥有机肥配施处理之间无显著差异。NM处理的土壤ON含量最高(16.23 mg/kg),显著高于CK和其他施肥处理,而不同化肥处理的土壤ON含量较CK无显著差异。除N处理外,不同施肥处理的土壤OP含量均显著高于CK,其中PM、NPM处理显著高于其余处理。不同施肥处理中,仅P处理的有机质C∶N显著低于CK处理,其余施肥处理对有机质C∶N无显著影响。与CK处理相比,除P、M处理外,其余处理对有机质C∶P无显著影响。P处理均显著降低了有机质C∶N、C∶P,平均减幅分别为26.80%、31.02%。不同化肥和化肥配施有机肥处理有机质N∶P无显著差异(0.03—0.05)。

图2 不同施肥处理下土壤有机碳(OC)、 氮(ON)、磷(OP)含量及化学计量比特征Fig.2 The characteristics of soil Organic carbon (OC), nitrogen (ON), phosphorus (OP) content and stoichiometric ratio under different fertilization treatments

2.3 长期施肥对土壤微生物生物量C、N、P含量及生态化学计量比的影响

如图3所示, P、NP、NM、NPM处理显著提高了土壤BC含量,且各处理间无显著差异。NPM处理的BN含量较CK处理显著提高了39.35%,而NP处理较CK处理显著降低了53.35%。P、NP、NM处理的BP含量较CK处理显著提高,但PM、NPM处理的BP含量显著低于不施肥和其余施肥处理。不同施肥处理的微生物生物量C∶N与CK处理相比均有所提高,平均增幅变化范围为22.87%—277.46%,其中NP处理的微生物生物量C∶N显著高于CK。与CK处理相比,除PM、NPM处理外,其余处理对微生物生物量C∶P、N∶P均无显著影响,且PM、NPM处理均显著提高了微生物生物量C∶P、N∶P。

图3 不同施肥处理下土壤微生物生物量碳(BC)、氮(BN)、磷(BP)含量及化学计量比特征Fig.3 The contents and stoichiometric ratios of soil microbial biomass carbon (BC), nitrogen (BN) and phosphorus (BP) under different fertilization treatments

2.4 长期施肥对小麦籽粒C、N、P含量及生态化学计量比的影响

图4可知,NM、NPM处理的CW含量显著高于不施肥和其余施肥处理,而N、P、NP、M和PM处理对CW含量无显著影响。不同化肥处理中N、NP处理的NW含量显著高于CK处理,分别提高了79.51%、18.96%；NM、PM配施处理的NW含量显著低于CK处理,分别降低了41.06%、53.55%。不同施加磷肥处理(P、NP、PM和NPM)的PW含量均高于CK处理,其中P、PM、NPM处理的PW含量均显著提高了214.95%、145.23%、44.74%；而NM处理的PW含量较CK显著降低了63.99%。与CK处理相比,除M、NPM处理外,其余施肥处理均对小麦C∶N产生显著影响,N、P、NP处理的小麦C∶N均显著降低了43.63%、17.51%、19.25%,NM、PM处理的小麦C∶N均显著提高了82.98%、109.93%。不同施磷肥处理的小麦C∶P较CK处理相比均有所降低,其中单施P处理的小麦C∶P显著降低了69.42%。NM处理的小麦C∶P较CK处理显著提高了216.62%。与CK处理相比,N、NM处理的小麦N∶P显著提高了101.44%、71.72%,P、PM处理的小麦N∶P显著降低了63.34%、80.83%。

图4 不同施肥处理下小麦碳(Cw)、氮(Nw)、磷(Pw)含量及化学计量比特征Fig.4 The contents and stoichiometric ratios of wheat carbon (Cw), nitrogen (Nw) and phosphorus (Pw) under different fertilization treatments

2.5 长期施肥下土壤、微生物、小麦之间C、N、P含量及生态化学计量比的相关关系

由图5可知,除ON和TP外,土壤和有机质C、N、P各组分之间均存在显著正相关；MBC与有机质OC、ON、OP呈显著正相关,BN与土壤TN、TP呈显著正相关,BP与土壤TC、TN、TP含量呈显著负相关；CW与BN呈显著正相关,NW与TC、TN、OC、ON、OP呈显著负相关,PW与OP呈显著正相关。土壤TC∶TP与TC∶TN,TN∶TP与TC∶TP呈正相关,土壤TN∶TP与有机质OC∶OP呈正相关,OC∶ON与OC∶OP、ON∶OP呈正相关,ON∶OP与BN∶BP呈正相关。CW:PW、NW:PW分别与OC∶OP、ON∶OP呈正相关。CW:PW与NW:PW正相关,CW:NW与BC∶BP、BN∶BP呈正相关。

图5 不同施肥处理下土壤-微生物-小麦系统C、N、P含量及其化学计量间的相关系数Fig.5 The correlation coefficients among the C, N and P contents and the stoichiometric ratios of soil, organic matter, microbial biomass and wheat under different fertilization treatments* P<0.05, ** P<0.01, ***P<0.001

3 讨论

3.1 不同施肥处理对土壤和小麦C、N、P含量的影响

本研究发现,长期有机肥处理的土壤碳氮磷全量和有机量均有提高,一方面可能是由于有机肥中含有大量的N、P等营养元素,施用有机肥不仅直接显著提高了土壤N、P有效养分,同时其所富含的有机物通过进一步腐殖分解也可间接提高土壤碳含量[17]。另一方面,外源有机肥料的施入改善了土壤理化性状,为小麦作物生长提供所需的养分,并相应的促进了作物的沉析作用和增加了残体还田量[18],进而导致土壤养分含量相应增加。NM、NPM处理的BC、BN含量均高于不施肥和其余施肥处理,可能是由于氮肥配施有机肥不仅能为土壤微生物提供生命活动所必需的C、N等营养元素,而且通过构建合理的碳氮比例,改变土壤的含水率和透气性等物理性状[19],为微生物营造适宜的生长环境和营养条件,进而提高土壤中微生物生物量含量。另外,长期施用无机肥料可能会引发土壤酸化,破坏土壤团聚体等问题,不利于微生物的生长繁殖,同时无外源有机氮源补充,会使得部分BN矿化出来供小麦生长吸收利用,这也可能是土壤BN含量降低的原因[20—21]。

长期不同施肥处理对小麦C、N、P含量影响各异,NM、NPM处理显著提高了CW含量,N处理显著提高了NW含量,而NM、PM处理显著降低了NW含量,这可能是由于氮肥配施有机肥可明显提高微生物对土壤碳素的转化分解,增强植株对外源养分的输入[22]。单施氮肥能通过增加土壤中可被植物直接吸收利用的氮素含量,促进作物对氮素的摄取,使得小麦植株对土壤氮素利用率高,土壤氮素向植株流动[23],但配施有机肥后抑制了这一效果,贡璐等[24]表明植株在较高的生长速率下具有较低吸收速率,影响了植物对土壤氮素积累。磷肥处理的PW含量高,投入量的增加使得土壤无机磷和有机磷累积量显著提高,同时刺激了土壤微生物的生长,促进了土壤磷素的转化分解[19],进而提高了植株体内对磷素的消耗。

3.2 不同施肥处理对土壤和小麦C∶N∶P生态化学计量特征的影响

长期施加化肥处理为土壤提供了大量的无机氮源,增强了土壤的固氮能力,并且随着作物生长对土壤碳源的消耗[25],而土壤碳库并未得到进一步补充,导致土壤C∶N比降低。随着外源有机肥料的添加,提高了土壤有机氮源含量,有利于土壤氮素的积累,并且当氮源充足时,微生物活性相对较高,也会加快土壤有机碳的矿化速率,加剧了土壤碳源的消耗[26],进而降低了土壤C∶N比。施肥处理增加微生物生物量C∶N,其中,施用氮磷肥处理的微生物生物量C∶N比显著高于不施肥和其他施肥处理,究其原因可能是随着土壤和有机质C、N、P含量的改变,土壤微生物会根据土壤养分含量变化而调控自身生物量进行适应[27]。长期施用化肥处理的植株C∶N比显著低于CK,而单施化肥配施有机肥处理的植株C∶N比显著高于CK,这可能是由于长期施用化肥显著不仅提高了作物产量,而且增强了作物对土壤氮素的利用效率,同时没有外源碳素的补充,导致土壤供碳不足,显著降低了植株C∶N比；而配施有机肥处理能有效促进作物根系生长,提高作物对土壤碳素的利用,增强光合作用效果,且植株在进行干物质合成时对碳素需求高于氮素,从而显著降低了植株C∶N比[23, 28]。

本研究表明,土壤C∶P比较C∶N比表现出更大的变异范围。可能是因为土壤磷源不同所导致的,由于土壤磷素主要源自土壤母质,未涉及土壤大气循环[29],且磷肥利用率低,易被土壤铁铝氧化物吸附固定,而不易被作物吸收利用[19]。长期施用等量磷肥配施有机磷处理(PM、NPM)的微生物生物量C∶P比显著高于不施肥和其他施肥处理,可能因为施加的有机肥在满足微生物生长繁殖所需能源时,过量的磷肥添加导致土壤磷素含量较高,抑制了微生物对磷素的利用率,导致有机磷被微生物同化吸收的总磷量降低[25, 30]。土壤N∶P比可表征土壤养分含量的相对平衡程度,可用作评价植物对不同土壤养分限制因子的预测和诊断标准[31—32]。当土壤N∶P比较低时,表示土壤磷活性较高[33]。单施N处理的土壤N∶P比显著低于CK,而M、NM处理的土壤N∶P显著高于CK,这可能是由于N处理中养分含量和种类相对固定,作物生长发育所需个别养分供应不足而成为土壤养分限制元素[33],同时不利于作物摄取其它的营养元素,导致磷素在土壤中大量累积[34],进而降低了土壤N∶P比。施用磷肥和磷肥配施有机肥处理的有机质N∶P比均低于CK处理,可能是由于施加磷肥和配施有机肥可以有效补充表层土壤氮、磷含量,尤其是磷,外源养分的累积也会使土壤中的磷具有较高的活性,而表层土壤氮素以溶解态形式存在而更易发生流失和淋洗[22],土壤有机氮源较为缺乏的缘故[25],使得有机质N∶P比低于对照处理。PM、NPM处理的微生物生物量N∶P比显著高于不施肥和其余处理,说明PM、NPM处理时抑制了土壤微生物对磷素的同化能力,这可能是由于作物大量摄取土壤磷素,导致土壤BP处于矿化过程而含量较低[31]。

4 结论

长期施用有机肥和配施化肥可显著增加土壤和有机质C、N、P含量,其中PM、NPM处理对提高土壤和有机质C、N、P含量的效果最好。微生物生物量和小麦C、N、P含量在不同施肥处理间差异显著, N处理显著提高了微生物生物量和小麦碳含量,而显著降低了微生物生物量和小麦氮、磷含量。PM、NPM处理由于抑制了土壤微生物对磷的同化固定过程,不仅显著提高了微生物生物量C∶P和N∶P,也降低了有机质、植物C∶P和N∶P。黄土旱塬农田土壤各施肥不同程度的受磷素限制,化肥配施有机肥可导致有机质和微生物量的化学计量比发生变化,进而对小麦植株的化学计量比产生显著影响。