长期种植紫花苜蓿对复垦土壤碳氮磷养分转化的影响

2024-01-30明玉飞朱桃川张金豪李传福徐家林李永强焦树英山东农业大学资源与环境学院土肥高效利用国家工程研究中心山东泰安708德州市园林绿化服务中心山东德州53000

生态与农村环境学报 2024年1期

明玉飞,朱桃川,张金豪,李传福,高舒,徐家林,李永强,焦树英① (.山东农业大学资源与环境学院/土肥高效利用国家工程研究中心,山东泰安 708;.德州市园林绿化服务中心,山东德州 53000)

土壤是陆地生态系统重要的组成部分,也是人类赖以生存与发展的物质基础,土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物生长、发育及物质循环过程中重要的化学元素[1],对土壤养分循环和转化起着重要作用,调控和驱动着土壤生态系统的演替过程[2]。生态化学计量特征是表征有机质含量和土壤质量的重要指标,反映有机质分解中养分矿化和固持间的平衡关系,代表土壤养分的有效性,是决定陆地生态系统养分限制和植物生产力的重要因素,对植物生长和土地利用具有良好的表征作用,已经成为当前生态学研究的热点之一[3]。

土壤有机碳(SOC)作为土壤肥力的核心,是评价土壤质量高低的重要指标,可溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)、颗粒有机碳(POC)和微生物生物量碳(MBC)是土壤活性碳库的重要组分,直接或间接参与物质转化和养分循环,对人类活动和土地利用类型等干扰十分敏感。土壤有机氮是土壤氮素的重要组成部分,作为土壤中矿质氮的源和库[4],影响土壤有机氮矿化难易程度,其化学形态和赋存状况决定着土壤氮素的有效性,对维持土壤氮素肥力和供氮能力起着重要作用[5]。土壤碳、氮活性组分是陆地生态系统生物地球化学过程的主要催化剂,是土壤碳、氮库中最活跃的部分,周转快,易被生物利用,在土壤养分循环中扮演着关键角色,快速响应外界环境对土壤有机质组分和质量的影响,常被用作土壤质量变化的重要监测指标,对维持土壤肥力和碳氮平衡具有十分重要的作用[6]。因此,研究不同土地利用类型对土壤生态系统中碳氮磷化学计量特征和有机碳氮组分的影响,对评价土壤肥力和质量状况具有重要意义[7]。

近年来,许多研究表明气候因素、人类活动、植被类型以及种植年限会直接影响土壤碳氮磷化学计量比[8]。土地利用类型改变土壤结构和肥力状况,影响碳氮磷养分含量,从而影响其化学计量比特征[9],对草地、弃耕地和农耕地的化学计量比研究发现,草地C/N和C/P均高于农耕地[10];对林地、灌木地、草地和耕地的研究发现C/N以耕地为最高。碳氮活性组分含量受碳/氮源、立地条件和利用模式等因素影响,不同植被来源的叶片和根系凋落物作为土壤碳、氮主要来源[11],经过土壤微生物和酶等生物分解转化后,以可溶性化合物等形式进入土壤,导致不同植被类型土壤碳氮活性组分产生差异。土地利用对土壤碳氮活性组分影响显著,研究发现林地、撂荒地、果园和耕地利用中土壤微生物生物量碳氮和可溶性碳氮含量存在显著差异,耕地MBC含量显著高于其他土地利用类型[12]。草地土壤微含量生物量碳氮含量高于林地和耕地以及土地利用对土壤耕层有机氮组分有较大影响。因此,植被类型和土地利用会对土壤碳氮磷化学计量和碳氮活性组分有不同程度的影响。

紫花苜蓿是一种优质的多年生豆科牧草,兼具生态效应和经济效应,常被用作退化草地的植被恢复和退化土壤生态修复的优良先锋植物,其共生固氮和生物改土功能已得到广泛证实[13]。大量研究表明,种植紫花苜蓿可以提高土壤质量,增加土壤中碳氮含量,对土壤中活性有机碳氮的固存效果显著,对撂荒地、农田和矿区等土壤具有一定的改良作用。有研究表明,轮作紫花苜蓿能不同程度地提高土壤总有机碳、轻重组有机碳、颗粒有机碳和微生物生物量碳含量,但有关在建筑复垦地长期种植紫花苜蓿对土壤碳氮磷化学计量和活性组分变化影响的报道尚鲜见。

因此,该研究以连续种植15年紫花苜蓿的建筑复垦地作为研究对象,以相同种植年限的小麦-玉米作物地和撂荒地为对照,对3种不同土地利用类型土壤碳氮磷含量及其化学计量特征以及碳氮活性组分进行取样分析,以期为长期种植紫花苜蓿对退化土壤修复以及矿区土壤修复和生物改土效果提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地自然概况

试验地位于山东省泰安市山东农业大学资源与环境学院试验站(36°08′ N,106°08′ E,海拔高度为178.5 m),属于暖温带半湿润大陆性季风气候区,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,全年平均气温为12.9 ℃,年均降水量为697 mm,年均日照时长约为2 611 h,太阳辐射总量约为508.7 kJ·cm-2,年均≥0 ℃ 积温为4 731 ℃,≥10 ℃积温为4 213 ℃,无霜期为195 d,试验地土壤类型为棕壤。

1.2 试验设计

试验地于2007年由建筑废弃地复垦而成,复垦前用地为山东农业大学南校区农场仓库,拆除建筑物后翻耕土地,将其改为试验用地。种植紫花苜蓿WL354(Medicagosativa)并实施小麦-玉米轮作,总面积约为600 m2,苜蓿和作物均采用小区条播,行距为40 cm,小区面积为7 m×2.5 m=17.5 m2,分为16个小区。小麦-玉米轮作采用传统施肥耕作模式,冬小麦每年10月初播种,6月初收割,夏玉米6月中旬播种,9月下旬收割,小麦越冬期和拔节期以及玉米出苗期和拔节期分别进行2次人工灌溉,灌溉定额为每次90 mm。小麦-玉米施肥量分别为N-P2O5-K2O(240-120-90 kg·hm-2和225-75-90 kg·hm-2),小麦-玉米秸秆均采用不还田处理。每年5月下旬、7月上旬、8月下旬和10月上旬对紫花苜蓿进行4次刈割,用作牲畜饲料来源,苜蓿初始播种时施基肥N-P2O5-K2O(86-140-140 kg·hm-2),播种后浇水确保出苗并正常生长,种植期间小区内不施肥、不灌溉,定期人工除草,生长5～6年翻耕后重新播种。撂荒地选取苜蓿和作物地周边相邻地块,丛生杂草每年季末进行定期清除。2021年采样年度降水量为966.7 mm,比年平均降水量高38.69%。

2021年6月小麦收获后对紫花苜蓿地(AL)、小麦-玉米轮作地(CL)和撂荒地(WL)进行土壤样品采集,3种土地利用类型具有相同的地形条件和坡度,母质相同。采样时兼顾代表性和均匀性原则,于AL、CL和WL样地中选择代表性小区地块,根据“S”形布点法布设5个采样点,3次重复,用直径为5 cm的土壤采样器由上往下采集0～20和>20～40 cm土样,每个“S”形采样点按相同土层充分混合均匀,去除较大石块、植物根系和杂质后装入自封袋中作为一个土壤样品。土壤样品带回实验室后分成2份:一份土壤于4 ℃冰箱中冷藏保存用于土壤硝态氮、铵态氮、可溶性有机碳和微生物生物量碳氮指标的测定;另一份土样经自然风干、研磨,分别过2 mm孔径筛用于测定土壤pH和电导率,过1 mm孔径筛用于测定有效磷和速效钾含量,过0.15 mm孔径筛用于测定土壤有机碳、全氮以及颗粒有机碳(POC)、颗粒有机氮(PON)、易氧化有机碳等碳氮活性组分含量。

1.3 指标测定方法

土壤基本理化性质:土壤容重(BD)采用100 cm3环刀钻取原状土于105 ℃条件下采用烘干法测定;土壤pH〔V(水)∶m(土)为2.5∶1〕和电导率(EC)〔V(水)∶m(土)为5∶1〕经振荡浸提后分别采用pH计(上海雷磁PHSJ-3F)和电导率仪(上海雷磁DDS-307A)测定;土壤含水量(SWC)采用烘干法测定;硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)采用新鲜土样用1 mol·L-1KCl浸提后再用流动分析仪测定;土壤全磷(TP)采用H2SO4-HClO4消解法测定;有效磷(AP)采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾(AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定。具体测定方法参照《土壤农化分析》[14]。

土壤有机碳、氮及组分测定:土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定;全氮(TN)采用浓H2SO4消煮-凯氏定氮法测定;颗粒有机碳氮采用5 g·L-1六偏磷酸钠分散,冲洗后过0.05 mm孔径筛,烘干研磨后测定,易氧化有机碳(ROC)采用333 mmol·L-1KMnO4氧化法测定,可溶性有机碳(DOC)〔V(K2SO4溶液)∶m(土)为5∶1〕经振荡浸提,过0.45 μm滤膜后用TOC分析仪测定[15]。酸解有机氮采用Bremner法[16]测定,其中,酸解总氮(HTN)采用凯氏定氮法测定;酸解氨态氮(AMN)采用MgO氧化蒸馏法测定;酸解氨基糖态氮(ASN)采用磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法测定;酸解氨基酸态氮(AAN)采用茚三酮氧化、磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法[16]测定。微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[11]测定。

选择撂荒地土壤为参考土壤[17]。相关指标的计算如下:碳库活度(A)为活性有机碳含量与非活性有机碳含量比值;碳库活度指数(AI)为土壤碳库活度与参考土壤碳库活度比值;碳库指数(CPI)为土壤有机碳含量与参考土壤有机碳含量比值;碳库管理指数(CPMI)为碳库指数与碳库活度指数乘积的100倍;土壤非活性有机碳(NLOC)含量为土壤有机碳含量与土壤活性有机碳含量差值。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel统计,采用SPSS 22.0进行差异显著性分析,采用Origin 2018制作图表,采用Canoco 5进行冗余分析(RDA),所有数据均以3次重复的平均值±标准误差表示。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤基本理化性质的影响

3种土地利用类型中,苜蓿地0～20和>20～40 cm土层电导率均显著低于作物地和撂荒地(P<0.05),对于0～20 cm土层,撂荒地电导率高于作物地;而对于>20～40 cm土层,作物地高于撂荒地(P<0.05,表1)。不同土地利用类型土壤容重由大到小依次为撂荒地、作物地和苜蓿地,但差异不显著(P>0.05)。苜蓿地0～20 cm土壤含水量高于作物地,而>20～40 cm土层则相反,且苜蓿地>20～40 cm土壤含水量显著降低。与作物地相比,苜蓿地pH有所提高,在0～20 cm土层,苜蓿地土壤有效磷和速效钾含量显著高于作物地和撂荒地(P<0.05),在>20～40 cm土层,苜蓿地和作物地差异不显著,均显著高于撂荒地。在0～40 cm土层,作物地土壤硝态氮和铵态氮含量显著高于苜蓿地和撂荒地(P<0.05),苜蓿地硝态氮和铵态氮含量较低。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Soil basic physical and chemical properties

2.2 不同土地利用方式对土壤碳氮磷含量及其化学计量的影响

3种土地利用类型SOC、TN和TP含量均随着土层的加深而降低(图1)。苜蓿地土壤SOC和TN含量最高,分别达11.36和1.56 g·kg-1,显著高于作物地和撂荒地(P<0.05),作物地和撂荒地间碳氮含量差异不显著;其中,对于0～20 cm土层苜蓿地SOC含量比作物地和撂荒地分别高9.55%和20.59%(P<0.05),对于>20～40 cm土层分别比作物地和撂荒地高34.46%和26.36%(P<0.05);在0～20和>20～40 cm土层,苜蓿地TN含量分别比作物地和撂荒地高36.84%、39.29%和35.00%、44.64%(P<0.05)。在0～20 cm土层,作物地TP含量最高,分别比苜蓿地和撂荒地高14.04%和17.11%(P<0.05),在>20～40 cm土层,TP含量在3种土地利用方式间无显著差异(P>0.05)。不同土地利用方式显著影响C/N、C/P和N/P(图1),苜蓿地、作物地和撂荒地C/N随着土壤深度的增加而增加,而C/P和N/P随着土壤深度的增加而减小。在0～20 cm土层苜蓿地C/N显著低于作物地和撂荒地(P<0.05),在>20～40 cm土层则差异不显著(P>0.05)。在0～20 cm土层苜蓿地C/P和N/P显著高于撂荒地和作物地(P<0.05),在>20～40 cm土层苜蓿地N/P显著高于撂荒地,其余差异不显著。

相同土层柱子上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。图1 不同土地利用类型土壤碳氮磷含量及其化学计量特征Fig.1 Carbon, nitrogen and phosphorus contents and their stoichiometric characteristics in soils of different land use types

2.3 不同土地利用方式对土壤碳氮组分的影响

土地利用方式对土壤有机碳组分含量产生显著影响(图2),在0～20和>20～40 cm土层,苜蓿地土壤POC、ROC、DOC和MBC含量最高,显著高于作物地和撂荒地(P<0.05),其中,作物地DOC最低,撂荒地MBC最低,POC、ROC均表现为苜蓿地>作物地>撂荒地,且3种土地利用类型活性碳组分含量均随土层的加深而降低;3种土地利用类型有机碳组分中,土壤DOC含量占比最大,其中,苜蓿地0～20 cm土层DOC含量达645.42 mg·kg-1,POC含量占比最小。

土壤有机氮组分含量随着土地利用类型的不同表现出差异性(图3),苜蓿地、作物地和撂荒地土壤氮组分含量均随土层的增加呈现递减趋势。在0～20和>20～40 cm土层,土壤有机氮组分以苜蓿地为最高,基本表现为苜蓿地>作物地>撂荒地,其中,苜蓿地PON显著高于作物地和撂荒地(P<0.05),MBN和AAN与作物地差异显著(P>0.05),但显著高于撂荒地,HTN、AMN含量在3种土地利用类型间差异显著,AAN在苜蓿地和作物地间差异显著,但两者显著高于撂荒地。在0～20 cm土层ASN含量在3种土地利用类型间差异显著,但在>20～40 cm土层,表现为苜蓿地>作物地>撂荒地。土地利用方式的改变使得土壤有机氮组分含量发生改变,种植紫花苜蓿对有机氮组分影响最显著。

相同土层柱子上方英文小写字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。图3 不同土地利用类型土壤有机氮组分含量Fig.3 The contents of soil nitrogen fraction of different land use types

2.4 土壤碳氮磷含量、化学计量比与理化性质和碳氮组分的相关关系

土壤碳氮磷含量、化学计量比与理化性质间的相关关系(图4)表明,TN和SOC与pH、AP、SWC夹角为锐角,表明呈正相关关系,TP与EC、BD、NH4+-N和NO3--N之间夹角度数依次减小,说明TP与之关系越来越密切且呈现正相关关系,SOC与NH4+-N和NO3--N夹角基本为直角,说明SOC与NH4+-N、NO3--N之间无明显相关关系;同理,C/N与NO3--N、EC、BD和NH4+-N所呈夹角度数逐渐减小,表明其与NH4+-N关系最为密切,而C/N与pH以及C/P与BD夹角呈直角,表明无明显相关关系,C/P和N/P与AP、pH和SWC箭头方向一致,表明呈正相关关系,相反,C/P和N/P与EC、NH4+-N和NO3--N箭头方向相反,表明呈负相关关系。

图4 土壤碳氮磷含量、化学计量比与理化性质的冗余分析(RDA)Fig.4 Redundancy analysis of soil carbon, nitrogen and phosphorus content, stoichiometry and physical and chemical properties

土壤TN与土壤ROC、DOC、PON和AMN之间存在极显著正相关(P<0.01),TN与POC、MBC和MBN之间呈显著正相关(P<0.05,表2);土壤SOC与土壤ROC、HTN、AMN和AAN之间呈极显著正相关(P<0.01),SOC与MBC、PON和MBN之间呈显著正相关(P<0.05)。生态化学计量比与有机碳、氮组分之间也存在一定的相关关系,C/N与DOC呈极显著负相关关系(P<0.01),C/N与PON呈显著负相关关系(P<0.05),C/P和N/P均与ROC呈显著正相关(P<0.05),DOC和PON与C/P和N/P关系密切,存在极显著正相关关系(P<0.01)。

表2 土壤碳氮和化学计量与有机碳氮组分间的相关性分析Table 2 Correlation analysis between soil C, N, stoichiometric ratio and organic carbon and nitrogen fractions

2.5 不同土地利用方式对土壤碳库管理指数的影响

不同土地利用类型不同土层各项碳库管理指数计算结果显示,碳库活度(A)随土层加深的变化因土地利用类型不同而不同(表3),苜蓿地、作物地和撂荒地均表现为随土层加深而降低;在0～20 cm土层,苜蓿地碳库活度指数(AI)、碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI)均显著高于作物地和撂荒地(P<0.05),说明土地利用类型对土壤CPMI会有影响,且紫花苜蓿的种植有效增加CPMI。

表3 不同土地利用类型土壤碳库管理指数Table 3 The soil CPMI of different land use types

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对土壤基本理化性质的影响

不同土地利用类型对土壤基本理化性质均有显著影响。苜蓿地0～20 cm土壤含水量高于作物地,>20～40 cm土壤含水量显著降低,这是因为苜蓿较高的植被覆盖度减少了土壤水分的蒸发,对表层土壤具有良好的保水效果,但苜蓿根系发达,耗水较多,长期种植会导致土壤旱化,因此深层土壤水分含量较低[18]。在3种土地利用类型中,苜蓿地电导率最低,由于苜蓿地较长时期的地表覆盖使得土壤蒸发作用减弱,苜蓿致密的根系对土壤结构的改善,增加了土壤渗透性,使土壤盐分表聚作用减弱;同时紫花苜蓿具有生物脱盐作用,在生长过程中会吸收盐分从而抑制土壤盐渍化。作物地土壤容重略高于苜蓿地,可能是由于受耕作层翻耕、植物根系的共同影响,不断播种收获所致[19]。作物地在耕作过程中施用大量化肥,使得作物地积累大量NO3--N和NH4+-N,两者含量显著高于苜蓿地,而pH值有所降低。苜蓿地0～20 cm土壤有效磷、速效钾含量最高,说明长期种植紫花苜蓿可以提高速效养分含量,减少氮肥投入。

3.2 不同土地利用类型土壤碳氮磷含量及其化学计量特征

土壤碳氮磷含量及其化学计量可以反映土壤有机质含量和质量特征,是衡量土壤有机质、养分循环和平衡的重要指标。笔者研究中,种植紫花苜蓿显著提高0～40 cm土层SOC和TN含量,土壤碳和氮主要来源于植物地上部和地下凋落物的分解,其含量受植物枯落物、微生物残体和根系分泌物的影响较大[20]。紫花苜蓿作为优质豆科牧草,其根瘤固氮作用可以满足自身需求,根系分泌物改善土壤结构,并且种植多年生紫花苜蓿可以减少对土壤的扰动,增加腐殖质的转化,减少有机质分解[21],使土壤中有机质和氮素含量得到提高。而作物地受到耕作、开垦等人为影响,土壤呼吸作用加强,加速了有机碳的矿化分解,且耕作施肥等人为活动对TP含量产生一定影响[10]。土壤C/N和C/P是反映土壤碳氮矿化速率元素有效性的关键指标,体现土壤吸收固持磷的潜在能力,N/P是用于判断土壤营养限制的指标,用于衡量微生物对有机质的矿化[22]。研究发现,就作物地与苜蓿地相比较而言,耕作破坏了土壤团聚体,增加通气,加快碳矿化,导致土壤碳氮流失,施肥则导致土壤磷素含量增加[23];而苜蓿地由于长期植被覆盖使得凋落物向表层土壤的输入增加,同时发达的根系分解后产生更多的有机物[20],增加了土壤中有机碳含量,生物固氮作用增加了氮素含量,氮素增加幅度大于有机碳的增加。因此苜蓿地C/N降低,而C/P、N/P则均高于作物地和撂荒地。在垂直分布上,土壤C/N随土层深度增加总体趋于上升,C/P和N/P随土层加深而减小,因为枯落物将更多养分释放到表层土壤中[24];而随着土壤深度的增加土壤有机质的积累大于微生物的矿化分解速率,可能是由于深层土壤中微生物群落活性和数量降低所致。RDA分析表明,土壤碳氮磷含量和生态化学计量比与土壤理化性质之间存在一定的相关关系,土壤含水量、pH、电导率和土壤容重对其贡献率较大,说明土壤生态化学计量比除受各自元素比例影响外,还受到电导率、pH、土壤容重等因子的调控[24],通过影响植物生长及残体的矿化分解,影响碳氮磷的积累和迁移。从3种土地利用类型来看,种植紫花苜蓿是保持土壤养分高水平状态的良好利用方式。

3.3 不同土地利用类型土壤碳氮组分及与化学计量和碳库管理的关系

土壤碳氮组分作为土壤的活性指标,周转快,易被生物利用,可及时反映土壤有机碳、氮库总量的变化。研究发现,不同土地利用类型对土壤活性碳、氮组分有显著影响,长期种植紫花苜蓿土壤碳氮组分均有一定程度增加。紫花苜蓿作为多年生豆科牧草,人为活动对土壤的扰动较少,减少了活性有机碳组分的暴露和分解。同时大量的植物凋落物和残茬输入土壤,土壤表层根系发达,根系分泌物成为微生物的能源物质,使得微生物群落聚集,促使微生物增长和MBC含量增加[25]。微生物活性提高,凋落物分解加快,根系分泌物增多,有利于苜蓿地ROC的累积。紫花苜蓿生物固氮的根瘤脱落在土壤中,微生物将其及有机质分解转化为腐殖质,腐殖质又与其他复合体经酸解作用释放AMN和AAN,因此,苜蓿地酸解有机氮组分含量提高。而作物地具有较高的耕作强度和干扰频率,有机碳、氮组分低于苜蓿地。SOC与组分ROC和MBC呈极显著或显著正相关,在一定程度上可以表征SOC的累积程度,TN与PON、MBN和AMN之间表现为极显著或显著正相关,表明土壤有机碳、氮组分与碳、氮含量之间关系密切[26]。PON与化学计量C/N、C/P、N/P之间呈极显著或显著相关。由于PON是土壤有机氮中易转化、非稳定部分,指示一定的供氮潜能,因此,PON矿化分解影响微生物活动,间接影响有机碳分解,其与化学计量比之间呈现相关关系,这与有关研究结果[27]一致。土壤CPMI是表征养分供应能力和SOC变化的敏感性指标,能够有效反映农业生产对土壤肥力及碳库动态变化的影响。ROC含量影响CPMI变化,CPMI上升说明ROC和SOC含量增高,表明土壤肥力朝有利方向发展[28]。研究结果显示,与作物地相比,种植紫花苜蓿有利于土壤质量改善和肥力提高,显著提高CPMI,为生物改土和增强固碳提供可能。