长期施磷对玉米和土壤C∶N∶P及有机质稳定性的影响

2022-11-11贾照杰吉德昌陈飞武立萍李铭轩于占波丁凡

湖南生态科学学报 2022年4期

贾照杰, 吉德昌, 陈飞, 武立萍, 李铭轩, 于占波, 丁凡*

(1.沈阳农业大学土地与环境学院, 辽宁沈阳110866；2.通辽市奈曼旗青龙山国有林场, 内蒙古通辽028314)

磷(P)作为许多生物化合物(如ATP、磷脂、核酸)的基本组成元素之一，在植物的生长和代谢过程中起着重要作用[1]。农田土壤磷含量普遍偏低，施用磷肥不仅是缓解土壤磷限制、提高作物产量的主要手段[2]，也是维持和提高土壤磷素水平的根本途径[3-4]。

施磷可以通过提高土壤和植物器官磷含量[5-6]，改变土壤和植物器官的化学计量学特征，降低C/P和N/P[7]。施磷肥可以改变土壤pH，增加可溶性有机碳含量[8,9]，增加土壤细菌、真菌、放线菌等微生物生物量以及提高磷酸酶、脲酶活性[10]，进而增强土壤呼吸[11-13]；但也有研究表明施用磷肥会降低[14-16]或不影响[17]土壤呼吸。施磷肥还会增强植物光合作用，促进植物生长发育，增加初级生产力及细根生物量[13,18]，提高作物产量及品质[19-20]。

施磷肥还可能影响土壤有机碳库的数量及稳定性。土壤有机碳库的稳定性关乎全球气候变化[21]，根据尺寸和密度可以将土壤有机碳分为相对易分解、生物活性较高的颗粒有机碳和受土壤黏粒和粉粒保护、难分解的矿质结合态有机碳[22-24]。文献中施磷肥对土壤碳库组分的影响表现不一：王玲莉等[25]在玉米连作棕壤中连续施加26 a磷肥后颗粒有机碳含量无变化；刘骅等[26]在玉米-冬小麦-春小麦连作灰漠土中长期施用18 a氮磷肥，未增加土壤颗粒有机碳与矿质结合态有机碳含量(相对于单施磷肥)；Manna等[27]在印度大豆-小麦-玉米轮作土壤中也发现同样的规律；而王朔林等[28]在25 a栗褐土长期定位施肥试验中发现，施磷肥土壤中颗粒有机碳含量较无磷肥处理有增加的趋势。张秀兰等[29]在杉木人工林连续施加3 a磷肥研究表明，施磷肥会缓解微生物的养分限制，加快微生物及相关酶对颗粒有机碳的分解利用，降低土壤颗粒有机碳含量，但对矿物结合态碳含量无影响。因此土壤有机碳库组分对施磷肥的响应差异可能与土壤类型不同、添加时间长短、添加水平不同有关[30]。

目前，关于施用磷肥对农田土壤和作物碳(C)∶氮(N)∶磷(P)化学计量学、微生物活性、碳库数量及稳定性的研究多为短期实验或者室内培养试验，而长期定位试验还很少[25,31-33]。基于此，本研究以沈阳农业大学长期定位施肥试验平台为依托，选取不同施磷梯度试验，探讨长期施用不同量磷肥对土壤与玉米器官化学计量学、土壤呼吸、土壤碳库组分的影响，旨在为明确长期施用磷肥对农田生态系统的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在沈阳农业大学棕壤长期定位试验站(41°49′N，123°34′E)进行。该站建于1987年，海拔75 m，温带大陆性季风气候，年均温7.2 ℃，年降水量730 mm，土壤类型为棕壤。在试验站建立之初，0～20 cm耕层土壤基础理化性质：土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为9.1 g/kg、1.0 g/kg、0.5 g/kg、67.4 mg/kg、8.4 mg/kg和98.3 mg/kg，pH 6.39，砂粒、粉粒和粘粒的比例分别为16.7%、58.4%和24.9%[33]。

1.2 试验设计

本研究实行玉米连作制度，一年一熟。玉米株距为30 cm，行距60 cm。采用完全随机设计，包括三个处理：不施磷肥(P0)、低量磷肥(P1，P2O567.5 kg/hm2)、高量磷肥(P2，P2O5135 kg/hm2)。其中，磷肥为磷酸二铵。3种处理均施用135 kg/hm2N当量的尿素，且均未施钾(该试验田不缺钾)。每个处理三个重复，每个小区面积69 m2。每年4月末播种玉米和施肥，后期不再追肥，玉米生长季内进行常规田间管理，9月底收获。

1.3 土壤和植物样品采集

2015年9月底玉米收获时采集土壤和玉米植株样品。土壤样品用土钻取0～20 cm的耕层土壤，每个小区按S型取5钻，混合均匀后带回实验室。去除植物残根、砾石等杂质，一部分放入4 ℃冰箱，测定微生物量碳氮、土壤呼吸速率等，另一部分自然风干，测定土壤基础理化指标。

每个小区随机选取三株玉米，分别收集玉米根茬、茎秆、叶片及籽粒样品。其中，根茬取样方法：利用铁锹挖取以根系为中心，直径40 cm、深度40 cm的土壤后，轻轻用手去掉大部分土壤，取出完整根茬装入自封袋，并带回实验室。实验室清洗根茬后，将玉米根茬、茎秆、叶片和籽粒放在60 ℃烘箱中烘至恒重。每种植物器官选取30～50 g用球磨仪(GT200,Grinder)分别粉碎，测定其碳、氮、磷含量。

1.4 测定项目与方法

土壤pH用pH计(雷磁-PHS3C，中国)测定，水土比为2.5∶1。土壤和植物样品的碳、氮含量通过元素分析仪(Vario EL III，德国)测定。本试验供试土壤偏酸性(pH约为5)，因此土壤全碳即为土壤有机碳。土壤经浓H2SO4和HClO4消解后，全磷含量采用钼锑抗比色法测定。土壤碱解氮和有效磷的测定方法分别为碱解扩散法和钼锑抗比色法[34]。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-萃取法[35]，利用总有机碳分析仪上机(Elementhigh TOC Ⅱ，德国)测定，未熏蒸土壤浸提液中的碳含量代表土壤可溶性有机碳含量[36]。

土壤呼吸采用CO2释放量法测定[37,38]，将一定重量的鲜土(相当于10 g干土)放入250 mL棕色玻璃瓶中，水分调节至田间持水量的60%。立即将玻璃瓶用橡胶塞密封，并放置于25℃黑暗条件下培养。在培养第1、2、4、7、8天，用注射器从玻璃瓶的顶部空间提取20 mL气体，通入红外气体分析仪(EGM-4，PP systems，美国)测定其CO2浓度。每次测定后，充分交换培养瓶内和瓶外的新鲜空气后补充水分，重新密封和培养，以备下一次测量。

土壤有机碳通过物理分组方法分为颗粒有机碳(POC)和矿质结合态碳(MAOC)[39]。简言之，称取相当于10 g风干土重量的鲜土置于100 mL塑料瓶中，加入30 mL 5 g/L化学分散剂六偏磷酸钠，常温振荡18 h后，将分散液和土壤全部置于53 μm孔径筛上，用大量蒸馏水冲洗，确保粒径小于53 μm颗粒全部过筛。根据筛网孔径大小将土壤有机碳分为颗粒态有机碳(POC，>53 μm)，矿质结合态有机碳(MAOC，<53 μm)。将POC和MAOC两种土壤组分分别置于蒸发皿中，60 ℃烘干至恒重，称重后研磨过100目筛。用元素分析仪(Vario EL III，德国)测定两种组分中的碳含量。

1.5 数据处理与统计分析

土壤微生物量碳的计算公式为：

CMBC=(CF-CnF)/KEC

(1)

式(1)中，CMBC表示土壤微生物量碳(mg/kg)，CF表示熏蒸条件下K2SO4提取液中的可溶性有机碳含量(mg/kg)，CnF表示未熏蒸条件下K2SO4提取液中的可溶性有机碳含量(mg/kg)，KEC表示震荡过滤后的提取液中有机碳转换成土壤微生物量碳的转换系数0.45。

土壤呼吸速率[37-38]、土壤累计呼吸量的计算公式如下：

Rsoil=ρCO2×(Fs-Fb)×V/(ms×t)

(2)

(3)

式(2)中，Rsoil为土壤呼吸速率[μg CO2/(h·g·soil)]，ρCO2为CO2的密度(g/cm3)，Fs和Fb分别为处理和空白的土壤样品测定CO2浓度(ppm)，V为土壤培养瓶体积(L)，ms为土壤烘干土重(g)，t表示培养时间(h)。式(3)中，TCR为8天土壤累计呼吸量[μg CO2/(g·soil)]，i=1,2,4,7,8。

土壤呼吸熵、土壤微生物熵的计算公式如下：

RQ=TCR/CMBC

(4)

qMB=CMBC/CSOC

(5)

RQ为土壤呼吸熵(μg CO2/g·MBC)；qMB为土壤微生物熵(%)，CSOC为土壤有机碳含量(g/kg)。

采用SPSS 22.0软件对数据进行单因素和双因素方差分析，采用Duncan法进行多重比较，显著性水平为P<0.05。采用Excel 2019软件绘图。表中数据均为平均值±标准误，样本量n=3。

2 结果与分析

2.1 土壤基础理化指标及C∶N∶P化学计量学

相比不施磷肥，施磷提高了土壤全磷、速效磷和碱解氮含量(P<0.05，表1)。其中P2处理提高全磷、速效磷、碱解氮含量的程度最大。P1处理的土壤pH最高。同时，施磷未显著影响土壤有机碳及全氮含量(P>0.05)。因此，随施磷量的增加，土壤C/P、N/P显著降低(P<0.05)，而土壤C/N未发生显著改变(P>0.05)。

表1 土壤养分含量及碳、氮、磷化学计量比Table 1 Soil nutrient content and carbon, nitrogen, phosphorus

2.2 玉米器官的碳、氮、磷含量及C∶N∶P化学计量学

对于玉米器官而言，玉米各器官的碳含量没有显著差异(P>0.05，表2)，但玉米籽粒的氮、磷含量显著高于其他器官(P<0.05，表2)。施磷未显著影响玉米茎秆、叶片、根茬和籽粒中的碳、氮含量(P>0.05，表2)。由于籽粒具有较高的氮、磷含量，其C/N、C/P与N/P显著低于其他玉米器官(P<0.05，表2)。

对于施磷而言，与P0和P1处理相比，P2处理除显著增加玉米根茬的磷含量外，未显著影响玉米其他器官的磷含量。对应地，P2处理的玉米茎秆根茬的N/P也随之降低(P<0.05，表2)。同时，P1处理叶片C/N显著高于P0和P2处理，C/P显著高于P2处理(P<0.05，表2)。

表2 玉米不同器官中碳、氮、磷含量及化学计量比Table 2 The concentrations and ratios of carbon, nitrogen, phosphorus in maize organs

2.3 土壤呼吸速率及累计呼吸量

土壤呼吸速率在一定程度上可以表征微生物活性。不施磷处理在培养第1天与第4天土壤呼吸速率显著大于施磷处理(P<0.05，图1)，而施用低量和高量磷肥对土壤呼吸速率无影响(P>0.05)。与土壤呼吸速率结果一致，培养期结束后P0的累计呼吸量高于P1和P2处理(P<0.05)。不同磷肥处理间土壤微生物量碳、可溶性有机碳、微生物熵及呼吸熵无显著差异(P>0.05，图2)。以上结果说明，整个培养期内，施用磷肥降低了土壤呼吸速率，各处理土壤呼吸速率呈现先减小再增加的变化趋势。

图1 土壤呼吸速率和累积呼吸量Figure 1 Soil respiration rate and cumulative respiration

图2 土壤微生物量碳、可溶性有机碳、微生物熵及呼吸熵Figure 2 Soil microbial biomass carbon, dissolved organic matter, microbial quotient, and respiratory quotient

2.4 土壤有机碳库组分分布

长期施磷未显著影响土壤颗粒有机碳和矿质结合态有机碳含量，以及两者占总有机碳的比例(P>0.05，图3)。土壤有机碳以矿质结合态有机碳为主，占土壤有机碳比例为73%～76%，而颗粒有机碳占土壤有机碳的比例为24%～28%。

图3 土壤颗粒有机碳与矿质结合态有机碳含量及两者占土壤有机碳的比例Figure 3 The contents of POC and MAOC and their proportions in soil organic carbon pool注：POC—颗粒有机碳；MAOC—矿质结合态有机碳；SOC—土壤有机碳

3 讨论

长期施用磷肥对农田生态系统的影响主要通过改变土壤养分化学计量学而提高作物对磷素的吸收量，并改变土壤微生物活性(土壤呼吸)，但是对土壤碳库稳定含量及其稳定性并无显著影响。具体如下：

3.1 施磷对土壤和植物养分化学计量学的影响

磷是植物生长和代谢所需的重要养分，是维持生态系统生产力的关键因子[40-41]。施用磷肥没有显著影响土壤有机碳和全氮含量(表1)，牛玉斌等[42]在草原和郑宛志等[8]在森林中的研究也有类似发现，这可能因为土壤有机碳和全氮含量对磷肥施入不敏感。其次，施用磷肥可以增加植物对氮的吸收利用，减少硝化和反硝化微生物可利用的氮源[6]，增加了土壤有效氮含量(表1)。随着施磷量的增加，土壤速效磷和全磷含量显著增加，C∶P，N∶P随之下降(表1)。由于土壤中磷含量增加，植株对土壤磷的吸收也相应增加[5,43-45]，本研究发现不同玉米器官中的磷含量增加18%～89%(表2，P=0.036)。本研究施用的磷酸二铵为弱碱性肥料，有助于减缓土壤pH的降幅。然而pH的增加仅在施低量磷肥时出现，且只有0.2个单位(表1)，这说明在本研究中长期施磷对土壤pH影响有限。

3.2 施磷对碳库稳定性和土壤微生物活性的影响

土壤有机碳分为相对易分解、生物活性较高的颗粒有机碳和受土壤黏粒和粉粒保护、难分解的矿质结合态有机碳，本研究发现长期施用磷肥对土壤颗粒有机碳和矿质结合态含量无影响(图3)。说明施磷对碳库稳定性无影响。以往研究表明，施加磷肥可以改善土壤速效养分状况，促进作物根系和地上部分的生长[46]，增加根茬及凋落物的归还量，从而提高土壤颗粒有机碳含量[28]，这些结果与本研究结果不同。这可能因为本试验所有小区所有地上部均被移除，仅有根茬还田，造成秸秆还田量较小，从而导致施加不同量磷肥后土壤有机碳含量、微生物量碳、可溶性有机碳含量无变化(表2，图2)。而颗粒有机碳含量很大程度上取决于有机碳总储量[28]，因此土壤颗粒有机碳含量也没有发生显著改变。这一结果暗示了土壤有机碳库组分对长期施用磷肥不敏感。

土壤呼吸在一定程度上可以代表微生物活性[47,48]。本研究发现，施用磷肥抑制了土壤呼吸速率，造成土壤CO2累积呼吸量降低，说明施用磷肥可能抑制了土壤微生物活性(图1)。Wang等[14]研究发现，杉木幼林土壤施磷后会减少细根生物量[49]及细根、菌根菌丝分泌的可溶性有机化合物，造成土壤呼吸平均降低17.1%。但在本研究较为特殊的农田生态系统中，地上生物量全部移除导致土壤有机碳含量在施磷与未施磷条件下保持相同水平。同样地，施加不同量磷肥对土壤微生物生物量碳、可溶性碳含量、呼吸熵等无影响(图2)，因此碳源的变化不是施磷肥对土壤呼吸影响的原因。一个可能的原因是，随着施磷量的增加，土壤碱解氮含量增加(表2)，土壤微生物对获取氮素的需求得到缓解，微生物分解有机质以获取氮源(即“氮开采”)的意愿降低，导致土壤异养呼吸降低[50]。