施肥對苜蓿地土壤理化性質及其生態化學計量學特征的影響

劉麟 于金田 王晶 高雪芹 伏兵哲

摘 要 為探討不同施肥處理下苜蓿地土壤理化性質及其生態化學計量特征變化規律，以紫花苜蓿地為研究對象，測定不同施肥處理下土壤理化性質指標，分析土壤碳氮磷生態化學計量特征，并探討不同施肥處理下土壤溶解性有機養分與土壤可利用無機養分間相關性，以及土壤特性對土壤生態化學計量比的影響。結果表明：1）施肥處理對土壤SWC和AP無顯著影響，但顯著降低土壤pH值、NO3--N和NH4+-N含量。2）土壤全量、溶解性有機養分及其碳氮磷計量比對施肥處理的響應規律不一致，土壤SOC含量隨施肥量的增加呈現先增后減的趨勢，TN和TP含量呈遞增的趨勢，施肥處理顯著降低土壤C∶N，而土壤C∶P和N∶P不受施肥的影響;DOC含量隨施肥量的增加呈遞減趨勢，DON和DOP含量呈先減后增的趨勢，土壤DOC/DON顯著下降，DOC/DOP和DON/DOP則呈先增后減的趨勢。3）土壤DON、DOP含量與土壤可利用無機養分存在不同程度的相關關系。4）RDA分析表明，土壤DOP含量是調控施肥處理土壤生態化學計量特征的主要因素。

關鍵詞 施肥;土壤;理化性質;化學計量比

中圖分類號：S143 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.19.001

碳（C）、氮（N）、磷（P）不僅是生態系統植物生長發育所必需的大量元素，也是土壤結構和養分的重要組成元素，不同的氣候環境、地理位置、植被類型、成土母質及人類活動等因素，都可以直接或間接影響土壤中碳、氮、磷的物質循環過程。土壤碳氮磷化學計量比（C∶N∶P）是土壤中有機質或者其他成分中碳素與氮素、磷素總質量的比值，是確定土壤碳氮磷平衡特征的一個重要參數，也是反映土壤內部碳氮磷循環的主要指標[1]，有利于理解生態過程養分變化對全球變化的響應[2]。由于各種綜合因素對土壤中碳氮磷總量的變化影響很大，進而使得土壤碳氮磷化學計量比的空間變異性較大。

紫花苜蓿（Medicago sativa）是一種優質、高產、抗旱、適應性強的多年生豆科牧草[3]，其根系發達、分枝多、產量高，既可固氮培肥，又是優質的高蛋白飼料，有著“牧草之王”的美譽，是目前世界上分布最廣、種植面積最大、可利用價值最高的栽培牧草[4-5]。近年來，由于氣候條件及人為大量使用化肥、農藥等農用化學品，使苜蓿地土壤結構破壞，肥力下降，微生物活性受到影響，導致苜蓿產量降低，土壤資源受到嚴重的安全威脅;適宜施肥量對于提供植被養分、調節土壤結構、維持土壤肥力等方面具有非常重要的作用[6-7]。本文通過分析不同施肥處理下苜蓿地土壤理化性質及其生態化學計量特征，探討土壤溶解性有機養分與土壤可利用無機養分間的相關性，揭示苜蓿地土壤特性對土壤生態化學計量特征的影響，有助于加深對施肥處理土壤C、N、P化學循環特征的認識，以期為該研究區紫花苜蓿地養分科學管理和利用提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 試驗地概況

試驗地位于寧夏自治區銀川市賀蘭山農牧場農墾九隊，屬賀蘭山沖積扇平原，地處北緯38°30'～38°39'，東經106°1'～106°9'，海拔為1 111 m。該區域屬典型溫帶大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫8.5 ℃左右，年降水量為185 mm左右，主要集中在7、8月，年日照時數2 800～3 100 h，無霜期185 d左右。試驗地土壤為淡灰鈣土，田間持水量19.17%，容重1.52 g/cm3，土壤總孔隙度38.25%，播種前檢測土壤基礎化學性質（見表1）。

1.2? 試驗設計

試驗材料為‘ 巨能7紫花苜蓿，采用單因素完全隨機區組試驗設計。于2016年5月條播，播量18 kg/hm2，2017年開始試驗處理，設置F1、F2、F3、F4、F5共5個施肥梯度，每個處理3次重復，共15個小區，小區面積為4×6=24 m2。采用地下滴灌帶灌溉，配有完善的變頻系統和過濾系統，每小區設置獨立閥門控制灌水施肥，灌水量由主管道上的水表控制，滴灌帶深埋20 cm，間距60 cm，滴頭間距30 cm，滴頭每小時滴水3 L。施肥用15 L壓差式施肥灌，將肥料溶解之后通過過濾系統施入。施肥所用肥料為尿素（N≥46%）、水溶性磷酸一氫銨（P2O5≥61%）和硫酸鉀（K2O≥52%）。施肥方案詳見表2。

1.3? 樣品采集與測定

于2020年10月初，在每個調查樣地內采集土樣。每個小區隨機選取3個采樣點，采集0～40 cm土層的土壤樣品，每個處理采集5個重復，均勻混合后讓所有土壤樣品過2.0 mm篩子，去除雜質保存在無菌袋中，編號后儲存在便攜式恒溫箱帶回實驗室。將混合土壤樣品分為2份，1份放入4 ℃冰箱冷藏，用于土壤含水量、無機養分和溶解性有機養分的測定;1份經自然風干研磨過篩后，用于土壤pH值、有機碳、全氮和全磷的測定。

測定方法：土壤含水量（SWC）采用烘干法;土壤酸堿度（pH值）采用pHS-3C精密酸度計;硝態氮（NO3--N）、銨態氮（NH4+-N）用KCl浸提，分別采用紫外分光光度法和靛酚藍比色法;速效磷（AP）采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法;土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法;全氮（TN）用H2SO4消煮，全自動凱式定氮儀測定;全磷（TP）采用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法。

土壤溶解性有機碳、氮、磷含量：土壤溶解性有機碳（DOC）和溶解性總氮（TDN）用KCl浸提（水、土質量比為5∶1），TOC/TN分析儀測定，溶解性有機氮（DON）為溶解性總氮（TDN）與土壤無機氮（NO3--N + NH4+-N）的差值;土壤溶解性總磷（TDP）采用過硫酸鉀消化-分光光度法測定，溶解性有機磷（DOP）為溶解性總磷（TDP）與速效磷（AP）的差值。

1.4? 數據處理

利用 Microsoft Excel 2010 軟件對數據進行統計分析并作圖，用SPSS 13.0和DPS 7.05軟件進行方差分析和相關關系分析，用LSD法進行顯著性多重比較，用Canoco 5.0軟件進行土壤生態化學計量比與土壤指標的RDA分析。

2? 結果與分析

2.1? 施肥對土壤理化性質及其化學計量比特征的影響

不同施肥處理對土壤理化性質的影響見表3，隨施肥量的增加，土壤pH值呈下降的趨勢，從8.30逐漸降到8.26，土壤逐漸酸化;施肥量對土壤含水量沒有顯著影響;土壤硝態氮、銨態氮和速效磷含量隨施肥量的增加均表現為先增后減的趨勢，土壤硝態氮和銨態氮含量在F2處理下顯著增加，含量分別為8.21 mg·kg-1和4.51 mg·kg-1，速效磷含量在F3處理下最高為8.02 mg·kg-1，顯著高于F1、F5處理;土壤全量養分受施肥處理差異顯著，土壤有機碳隨施肥量的增加呈先增后減的趨勢，在F3處理下達11.46 g·kg-1，比F1提高了20.0%，全氮和全磷含量均隨施肥量的增加而增加，且均在F4處理下最高，在F1處理下最低，土壤C∶N隨施肥量的增加逐漸減小，而施肥對土壤C∶P、N∶P沒有顯著影響。

2.2? 施肥對土壤溶解性有機養分及其化學計量比特征的影響

由表4可知，隨施肥量的變化，土壤溶解性有機碳氮磷含量及其化學計量比變化規律各不相同。隨施肥量的增加，DOC含量逐漸降低，其含量在F1處理下為45.43 mg·kg-1，顯著高于其他處理;DON含量在F3處理下最高，達到13.68 mg·kg-1，F2處理下最低為8.58 mg·kg-1;DOP含量隨施肥量的增加呈先減后增的趨勢，表現為F4處理下最高，F3處理下最低。在不同施肥處理下的土壤可溶性有機養分計量比中，DOC/DON的變化范圍為2.92～4.64，隨施肥量的增加呈先增后減的變化趨勢，在F2處理下最大;DOC/DOP和DON/DOP的變化范圍分別為5.19～14.66和1.60～5.01，均表現為在F3處理下最大，在F4處理下最小。

2.3? 土壤溶解性有機養分與土壤可利用無機養分間關系

由圖1可知，施肥處理對土壤溶解性有機養分與土壤可利用無機養分間有一定的影響。在不同施肥處理下土壤DOC含量與土壤可利用無機養分含量之間無明顯相關關系，而土壤DON含量與土壤NO3--N含量和土壤NH4+-N含量有顯著負相關關系，土壤DOP含量與土壤NO3--N含量有極顯著負相關關系。

2.4? 土壤生態化學計量特征與土壤指標的冗余分析

RDA結果表明（見圖2），土壤生態化學計量比的變化主要由土壤養分狀況驅動，RDA 第一軸解釋了變量的64.81%，第二軸解釋了25.96%。土壤溶解性有機磷（DOP）解釋了土壤生態化學計量比變異的54.8%，表明施肥處理引起土壤生態化學計量特征的變化可以由DOP這個參數來解析。

3? 討論

土壤理化性質是為營造土壤良好環境和提供植物所需各種營養元素的綜合能力，施肥是補充土壤營養匱乏、維持土壤持續生產力和維持穩定增產的有效措施。研究發現施肥能直接影響土壤的酸堿度、含水量、有機和無機等養分狀況[8]。本研究結果顯示，施肥處理改變了土壤理化性質，土壤pH值隨施肥量的增加逐漸減小，這與于樹等[9]、張煥軍等[10]研究結果相一致。施用化肥處理使土壤pH值降低，加速土壤酸化，主要原因可能有：1）肥料中氮素的增加及苜蓿自身固氮的作用，促進了土壤中的硝化作用和反硝化作用，硝化作用產生硝酸鹽，釋放出H+，以及反硝化作用產生的氮氣、氨氣進入大氣，在大氣中經過氧化與水解作用轉化成硝酸，導致土壤酸化;2）長期施用化肥，植物會選擇吸收肥料中的養分離子，將土壤膠體上的H+交換出來，使土壤溶液中H+濃度升高，加速土壤酸化。而唐海龍等研究得到施用有機無機復混肥可提高土壤pH值[11]，Tyree等研究發現單獨施用化肥會使土壤 pH 值升高[12]。前人的研究結果雖不盡相同，但施肥處理對土壤 pH 值有一定程度的影響是必然的。通過施肥處理影響土壤酸堿度值，是培肥土壤的重要措施之一。

土壤NO3--N和NH4+-N是植物吸收的主要氮素形態，也是植物營養氮素研究的主要切入點。有研究認為施用化肥和有機肥都能提高土壤NO3--N和NH4+-N含量[13-14]，南鎮武研究發現施用有機肥或化學氮肥均能提高土壤NO3--N或NH4+-N含量及其積累量[15]。本研究發現施肥處理對土壤NO3--N和NH4+-N含量影響有顯著差異，NO3--N和NH4+-N含量隨施肥量的增加呈先增加后減少的趨勢。該結論與先前研究結果有所區別，可能是由于該研究區進行長期施肥處理和植被類型為紫花苜蓿，具有自身固氮作用，使土壤生態系統中氮、磷、鉀元素豐富，促進植物生長和微生物活性，進而引起植物和微生物對氮素需求量的增加，導致土壤中NO3--N和NH4+-N含量下降。此外，為探討施肥處理引致土壤可利用無機養分是否對土壤溶解性有機養分含量產生影響，本研究分析了土壤可利用無機養分與溶解性有機養分之間的關系，結果發現在不同施肥處理下土壤NO3--N含量和土壤NH4+-N含量與土壤DON含量呈顯著負相關，NO3--N含量與土壤DOP含量呈顯著負相關。其說明施肥處理改變了土壤微生物可利用底物的N∶P，進而引起土壤無機氮含量的變化。

土壤碳、氮、磷是評價土壤肥力和滿足植物生長需要的重要營養元素，其構成不僅可反映土壤中有機碳和氮、磷等養分的轉化循環，還可表征土壤受外界影響后土壤養分狀況和微生物活性的變化[16]。本研究結果表明：土壤有機碳、全氮、全磷含量均受施肥處理的顯著影響，隨著施肥量的增加，有機碳含量呈先增后減的趨勢，而全氮和全磷含量呈增加的趨勢。這與李煥茹等研究碳氮添加對草地土壤有機碳量的影響[17]及馬亞娟等對杉木人工林地的施肥處理[18]的部分研究結論一致，可能由于施肥促進了植物的生長及微生物的活性，使得提高了植物凋落物和根系分泌物的積累，從而導致土壤有機質含量增加，反之施肥量過高則不利于土壤有機質的積累。也可能是由于土壤初始養分水平處于虧缺狀態，施肥以后使得土壤中氮、磷養分含量隨施肥量的增加明顯增加。通常認為，土壤碳、氮、磷化學計量比是預測土壤養分限制性和有機質分解速率的重要指標。土壤C∶N易受環境影響，是用來評價土壤碳氮礦化能力和有機質分解速率是否會受土壤N限制的重要指標，土壤C∶N與有機質的分解速率之間成反比關系[19]。12<（C∶N）<16，表明土壤有機質腐殖化程度高，易于有機質礦化，土壤有效氮增加，且有機質的分解速率不會受到N的限制;（C∶N）>25，土壤微生物對有機質的分解速率小于累積速率，有機質處于累積狀態，將受到N的限制[20]。本研究中土壤C∶N低于上述閾值，表明土壤有機碳在微生物作用下礦化速率較快，土壤中有效氮含量增加，土壤不受N限制，但不利于有機碳的積累。同時，研究表明施肥處理對土壤“C∶P”“N∶P”影響無顯著差異，而對土壤C∶N影響有顯著性差異，且隨施肥量的增加土壤C∶N呈遞減趨勢，說明施肥處理增加土壤受碳限制。

4? 結論

施肥處理對土壤SWC和AP無顯著影響，但顯著影響土壤pH、NO3--N和NH4+-N。隨施肥量的增加，土壤pH值減小，土壤逐漸酸化，NO3--N和NH4+-N含量也逐漸降低。土壤全量、溶解性有機養分含量及其計量比對施肥處理的響應規律不一致，土壤SOC含量隨施肥量的增加呈現先增后減的變化趨勢，TN和TP含量呈遞增的趨勢，施肥處理顯著降低土壤C∶N，而土壤C∶P和N∶P不受施肥的影響;DOC含量隨施肥量的增加呈現遞減的趨勢，DON和DOP含量呈先減后增的趨勢，土壤DOC/DON顯著下降，DOC/DOP和DON/DOP則呈先增后減的變化趨勢。土壤DON、DOP含量與土壤可利用無機養分存在不同程度的相關關系。土壤DOP含量是調控施肥處理下土壤生態化學計量特征的主要因素。施肥對土壤資源計量比的影響，致使土壤微生物生長受限制程度增強。

參考文獻：

[1] 郝汝倩.生態化學計量比對黃土高原溝壑區主要植被根際微生物的影響[D].楊凌：西北農林科技大學，2020.

[2] 張海芳.貝加爾針茅草原植物與土壤微生物群落對氮素和水分添加的響應[D].北京：中國農業科學院，2017.

[3] 李雪，沙栢平，高雪芹，等.不同紫花苜蓿種質材料萌發期耐鹽性鑒定與綜合評價[J].草地學報，2020，28（2）：437-445.

[4] Kavdir Y， Rasse D P， Smucker A J M. Specific contributions of decaying alfalfa roots to nitrate leaching in a Kalamazoo loam soil[J]. Agricultural，Ecosystems and Environment， 2005， 109：97-106.

[5] 楊培志.紫花苜蓿根瘤菌共生對干旱及鹽脅迫的響應機制研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2012.

[6] 喬陽.亞熱帶常綠闊葉林土壤碳、氮、磷化學計量特征及其影響因素[D].上海：華東師范大學，2020.

[7] 賈立輝，朱平，彭暢，等.長期施肥下黑土碳氮和土壤pH的空間變化[J].吉林農業大學學報，2017，39（1）：67-73.

[8] 劉振香.不同水肥處理對夏玉米田土壤理化性質及微生物特性的影響[D].泰安：山東農業大學，2014.

[9] 于樹.長期不同施肥處理及地膜覆蓋對棕壤有機碳組分及微生物多樣性的影響[D].沈陽：沈陽農業大學，2009.

[10] 張煥軍，郁紅艷，丁維新.長期施用有機無機肥對潮土微生物群落的影響[J].生態學報，2011，31（12）：3308-3314.

[11] 唐海龍.有機肥與化肥配施對土壤環境質量影響的研究[D].泰安：山東農業大學，2012.

[12] Tyree M C， Seiler J R， Fox T R. The Effects of Fertilization on Soil Respiration in 2-Year-Old Pinus taeda L. Clones[J]. Forest Science， 2008（1）： 21-30.

[13] 劉順國，汪景寬.長期地膜覆蓋對棕壤剖面中NH4+-N和NO3--N動態變化的影響[J].土壤通報，2006（3）：443-446.

[14] 張慧霞，周懷平，楊振興，等.長期施肥對旱地土壤剖面硝態氮分布和累積的影響[J].山西農業科學，2014，42（5）：465-469.

[15] 南鎮武，劉樹堂，袁銘章，等.長期定位施肥土壤硝態氮和銨態氮積累特征及其與玉米產量的關系[J].華北農學報，2016，31（2）：176-181.

[16] 吳崇書，章明奎.長期不同施肥對茶園土壤碳氮磷構成的影響[J].土壤通報，2015，46（3）：578-583.

[17] 李煥茹，朱瑩，田紀輝，等.碳氮添加對草地土壤有機碳氮磷含量及相關酶活性的影響[J].應用生態學報，2018，29（8）：2470-2476.

[18] 馬亞娟.施肥對杉木養分吸收特性及其碳、氮、磷生態化學計量規律的影響[D].楊凌：西北農林科技大學，2015.

[19] 王曉光，烏云娜，霍光偉，等.放牧對呼倫貝爾典型草原植物生物量分配及土壤養分含量的影響[J].中國沙漠，2018，38（6）：1230-1236.

[20] 張晗，歐陽真程，趙小敏，等.江西省油菜土壤碳氮磷生態化學計量學空間變異性及影響因素[J].水土保持學報，2018，32（6）：269-277，301.

（責任編輯：丁志祥）