福州茉莉花种植园土壤化学计量比及其对碳释放潜力的影响

汪旭明,曾冬萍,闵庆文,仝川,王维奇†,张永勋,郑江闽

(1.福建师范大学地理科学学院,350007,福州;2.中国科学院地理科学与资源研究所,100101,北京; 3.福州市农业局,350005,福州)

福州茉莉花种植园土壤化学计量比及其对碳释放潜力的影响

汪旭明1,曾冬萍1,闵庆文2,仝川1,王维奇1†,张永勋2,郑江闽3

(1.福建师范大学地理科学学院,350007,福州;2.中国科学院地理科学与资源研究所,100101,北京; 3.福州市农业局,350005,福州)

选取有机茉莉花种植园、常规茉莉花种植园、茉莉花+龙眼间作种植园为研究对象,通过测定3种种植园土壤全碳(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)质量分数及二氧化碳(CO2)释放潜力,研究不同种植方式下茉莉花种植园土壤化学计量比及其对碳释放潜力的影响。结果表明:1)3种茉莉花种植园土壤碳氮质量比值(C/N)分别为11.33、10.93、9.48,碳磷质量比值(C/P)为23.23、25.33、10.91,碳钾质量比值(C/K)为1.02、0.88、1.66,氮磷质量比值(N/P)为2.05、2.32、1.14,氮钾质量比值(N/K)为0.09、0.08、0.17,磷钾质量比值(P/K)为0.04、0.03、0.15;2)3种茉莉花种植园土壤C/N表现为有机茉莉花种植园＞常规茉莉花种植园＞茉莉花+龙眼间作种植园,有机茉莉花种植园土壤N/P显著低于常规茉莉花种植园,土壤P/K则相反,茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、N/P显著低于常规茉莉花种植园,土壤C/K、N/K、P/K则相反;3)3种茉莉花种植园土壤CO2释放潜力分别为5.80、3.79、4.92 μg/(g·d),但差异性均不显著,茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、C/K、N/P、N/K对CO2释放潜力的剖面变化具有一定指示作用,间作 有机种植相结合是福州茉莉花种植系统较合理的种植模式。

土壤化学计量比;CO2释放潜力;种植方式;茉莉花种植园

生态化学计量学作为研究生物系统能量和多种化学元素平衡的科学[1],为探究土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环提供了新思路[2]。国外对生态化学计量学开展了较为广泛而深入的研究[3-4],我国学者近年来也对该学科给予了高度关注[5-6]。 综观当前关于土壤生态化学计量学的研究,主要是针对土壤C、N、P 3种元素,有关钾(K)的生态化学计量学研究鲜见报道。土壤K为植物生长提供所需养分,有利于增强植物的抗逆性,对植物生长起重要的调节作用[7-8],因此,对其进行生态化学计量学的研究具有重要意义。

土壤养分生态化学计量学的研究涉及森林、湿地、草原等生态系统[9-11],对于农业耕作用地的关注较少。土壤养分的生态化学计量比是确定土壤养分平衡特征的一个重要参数,同时是反映养分矿化作用和固持作用的指标[12-13],并对土壤 大气的碳循环过程具有良好的指示作用。王维奇等[14]研究结果表明,湿地土壤C、N、P的计量学特征对厌氧碳分解具有一定指示作用,但以好氧环境为主的花卉种植园等农田土壤生态化学计量比对碳释放的影响尚不清楚。据估计,农业生产活动对温室气体总排放的贡献率约为20%[15],并且大气中每年有5% ～20%的CO2来源于土壤[16],农田土壤是CO2的重要排放源[17]。农业种植方式和管理措施,包括施肥类型和方法、灌溉措施、耕作方式和作物品种等,可通过改变土壤的理化性质和养分的化学计量比影响CO2的释放;因此,探讨不同种植方式下农田土壤化学计量学特征及其对土壤CO2释放潜力的影响研究具有重要的理论与现实意义,同时可为有效减少碳源温室气体排放提供参考依据。

福州茉莉花多种植于河岸、沙滩等生态脆弱带, 2014年福州茉莉花与茶文化系统已成为全球重要农业文化遗产,对于这一种植系统采取何种种植方式与保护措施进行管理,以更好地发挥其经济和生态效益等仍在探索中。笔者通过分析不同种植方式下茉莉花种植园土壤养分生态化学计量学特征、土壤碳(CO2)释放及二者的关系,以期从较高养分固定与较低碳释放的角度为福州茉莉花与茶文化系统农业文化遗产的可持续管理提供新的思路。

1 研究区概况

研究区位于福建省福州市,E118°08′～120° 31′,N25°15′～26°39′。属于亚热带海洋性季风气候,全年冬短夏长,温暖湿润,雨量充沛,无霜期达326 d。年平均日照时间为1 700～1 980 h,年降水量为900～2 100 mm,年平均气温为19.6℃,最冷月为1—2月,最热月为7—8月[18]。

为了探讨福州茉莉花种植园可持续管理的合理种植方式,选取位于福州市近郊的3种不同种植方式茉莉花种植园为采样点,各采样点基本情况见表1。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集及测定

2013年3月,在3种试验样地采集土壤样品:在距茉莉花植株约10 cm处取0～50 cm深的土壤,分5层,每10 cm为1层,每个样地3个重复;将每一层土样装入自封袋中密封,同时用100 cm3的环刀对每一层土壤取样,一并带回实验室;将采回的鲜土样品自然风干后,挑去残体根系,研磨过2 mm筛、0.154 mm筛,分别放入自封袋中密闭,待试验备用。

土壤密度采用环刀法测定,土壤含水量采用称重法测定;土壤盐度和pH值测定采用水土质量比为2.5∶1,搅拌1 min,静置30 min,分别用温度盐度仪(YSI 30)和便携式pH测定仪(STARTER 300)测定;土壤粒径质量分数采用激光粒度分析仪(LaserParticle Size Analyser,Master Sizer 2000)测定;土壤全碳(Total Carbon,简称TC)、全氮(Total Nitrogen,简称TN)质量分数采用CN元素分析仪(Vario MAX CN,Elementar,德国)测定,土壤全磷(Total Phosphorus,简称TP)和全钾(Total Kalium,简称TK)质量分数分别采用连续流动分析仪(Skalar SAN++,荷兰)和原子吸收分光光度计(瑞利WFX -130,中国)测定。

表1 福州茉莉花种植园基本情况Tab.1 Basic information of J.sambac plantations in Fuzhou

2.2 土壤CO2释放潜力培养及测定

称取30 g鲜土,置于120 mL的培养瓶中,用橡胶塞塞住瓶口,并涂用硅橡胶将其密封。在生化培养箱中20℃连续培养3 d,期间每隔1 d抽取上部空间的气体5 mL进行浓度分析,共抽气4次。CO2浓度采用日本岛津气相色谱仪GC -2014测定,仪器测定具体参数设置参见文献[19]。CO2释放潜力采用下式[20]计算:

式中:P为CO2释放潜力,μg/(g·d);dc/dt为培养瓶内气相CO2浓度单位时间的变化,μg/(g·d);VH为培养瓶内上部空间体积,L;WS为干土质量,g;Mr为CO2的相对分子质量,g;V为标准状态下1 mol气体的体积,L;Tst为标准温度,K;T为培养温度,K。

2.3 数据处理方法

应用Excel 2003和SPSS 17.0统计分析软件对测定数据进行处理。对不同茉莉花种植园土壤全碳(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)的质量分数,碳氮质量比值(C/N)、碳磷质量比值(C/P)、碳钾质量比值(C/K)、氮磷质量比值(N/P)、氮钾质量比值(N/K)、磷钾质量比值(P/K)及CO2释放潜力的差异性检验采用SPSS 17.0 One-Way ANOVA分析,土壤环境因子与C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K及土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K与CO2释放潜力的相关性均采用SPSS 17.0中的Pearson相关分析进行。

3 结果与分析

3.1 不同茉莉花种植园土壤碳、氮、磷、钾质量分数

由图1可知,有机茉莉花种植园0～50 cm土壤全碳、全氮、全磷、全钾质量分数变化范围分别为11.93～15.12、1.05～1.34、0.52～0.60、12.37～13.15 mg/g,平均值分别为12.93、1.14、0.56、12.71 mg/g,变异系数分别为3.9%、4.7%、4.7%、2.2%;常规茉莉花种植园土壤全碳、全氮、全磷、全钾质量分数变化范围分别为10.52～13.37、0.96～1.20、0.42～0.53、12.87～13.82 mg/g,平均值分别为11.69、1.07、0.46、13.28 mg/g,变异系数分别为9.6%、8.1%、9.4%、3.0%;茉莉花+龙眼间作种植园土壤全碳、全氮、全磷、全钾质量分数变化范围分别为7.21～21.14、0.76～2.16、0.99～1.22、6.32～7.69 mg/g,平均值分别为11.46、1.20、1.07、7.01 mg/g,变异系数分别为 18.6%、17.7%、14.5%、8.8%。

由图1还可以看出:土壤全碳、全氮、全磷、全钾质量分数的变异系数均表现为茉莉花+龙眼间作种植园＞常规茉莉花种植园＞有机茉莉花种植园;茉莉花+龙眼间作种植园土壤全碳、全氮质量分数表现为除40～50 cm外随深度增加而减小的趋势。统计结果表明,不同茉莉花种植园土壤全磷质量分数表现为茉莉花+龙眼间作种植园＞有机茉莉花种植园＞常规茉莉花种植园,土壤全钾质量分数表现为常规茉莉花种植园＞有机茉莉花种植园＞茉莉花+龙眼间作种植园,而不同茉莉花种植园土壤全碳、全氮质量分数差异性均不显著(P＞0.05)。

图1 不同茉莉花种植园土壤TC、TN、TP、TK质量分数特征Fig.1 Soil TC,TN,TP,and TK mass fractions of different J.sambac plantations

3.2 不同茉莉花种植园土壤碳、氮、磷、钾化学计量比

由图2可知,有机茉莉花种植园0～50 cm土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K变化范围分别为10.93～11.72、21.13～25.48、0.95～1.15、1.90～2.22、0.01～0.10、0.04～0.05,平均值分别为11.33、23.23、1.02、2.05、0.09、0.04,变异系数分别为1.56%、4.57%、3.97%、4.64%、4.67%、5.12%;常规茉莉花种植园土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K变化范围分别为10.72～11.20、24.88～26.39、0.82～0.97、2.26～2.46、0.07～0.09、0.03～0.04,平均值分别为10.93、25.33、0.88、2.32、0.08、0.03,变异系数分别为3.36%、6.78%、11.14%、4.54%、9.24%、9.91%;茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/ N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K变化范围分别为9.25～9.76、6.86～20.12、1.03～3.10、0.72～2.06、0.11～0.32、0.15～0.16,平均值分别为9.48、 10.91、1.66、1.14、0.17、0.15,变异系数分别为2.65%、14.35%、16.89%、13.19%、15.89%、12.55%。

统计结果表明,不同茉莉花种植园土壤C/N均存在极显著差异(P＜0.01),并且有机茉莉花种植园、常规茉莉花种植园均分别与茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、C/K、N/P、N/K、P/K存在极显著差异(P＜0.01);有机茉莉花种植园与常规茉莉花种植园土壤N/P、P/K存在显著差异(P＜0.05),但它们的C/P、C/K、N/K差异性不显著(P＞0.05)。总体而言,C/N表现为有机茉莉花种植园＞常规茉莉花种植园＞茉莉花+龙眼间作种植园,N/P表现为常规茉莉花种植园＞有机茉莉花种植园＞茉莉花+龙眼间作种植园,P/K表现为茉莉花+龙眼间作种植园＞有机茉莉花种植园＞常规茉莉花种植园。有机茉莉花种植园与常规茉莉花种植园C/P、C/K、N/K差异性不显著(P＞0.05),但它们的C/P明显高于茉莉花+龙眼间作种植园(P＜0.01),C/ K、N/K则均明显低于茉莉花+龙眼间作种植园(P＜0.01)。主要因为有机茉莉花种植园土壤全磷质量分数明显高于常规茉莉花种植园,而土壤全钾质量分数明显低于后者;茉莉花+龙眼间作种植园土壤全磷质量分数明显高于常规茉莉花种植园,而土壤全钾质量分数明显低于后者。与此同时,茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、C/K、N/P、N/K均表现为除40～50 cm外随深度增加而减小的趋势(图2),与其土壤全碳、全氮质量分数随深度变化的特征一致(图1)。

图2 不同茉莉花种植园土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K特征Fig.2 Soil C/N,C/P,C/K,N/P,N/K,P/K of different J.sambac plantations

3.3 不同茉莉花种植园土壤碳、氮、磷、钾计量比的影响因子分析

3种茉莉花种植园土壤环境因子是土壤碳、氮、磷、钾计量比的影响因子,分别对它们进行相关分析,结果见表2。可知,土壤密度与有机茉莉花种植园土壤C/N显著负相关(P＜0.05),与其N/K、P/K呈显著正相关(P＜0.05)。土壤含水率与有机茉莉花种植园土壤C/P显著负相关(P＜0.05),与其C/ K、N/P、N/K呈极显著负相关(P＜0.01),与常规茉莉花种植园土壤 C/K、N/K呈显著正相关(P＜0.05)。土壤盐度与茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、C/K、N/P、N/K均呈极显著正相关(P＜0.01),土壤pH值与有机茉莉花种植园土壤C/P极显著负相关(P＜0.01),与其C/K、N/P及常规茉莉花种植园土壤 C/K、N/K、P/K均呈显著负相关(P＜0.05)。单一类型茉莉花种植园土壤黏粒质量分数、粉砂粒质量分数和砂粒质量分数均未表现出与其土壤化学计量比的显著相关性;但从所有样本的综合相关性来看,土壤密度、含水率、盐度、pH值、黏粒质量分数、粉砂粒质量分数和砂粒质量分数与土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K均存在极显著相关关系(P＜0.01),表明这些土壤理化性质指标对土壤化学计量比均产生重要影响。

表2 土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K与影响因子间的Pearson相关系数Tab.2 Pearson correlation coefficients between soil C/N,C/P,C/K,N/P,N/K,P/K and influencing factors

3.4 不同茉莉花种植园土壤CO2释放潜力

由图3可知,3种茉莉花种植园0～50 cm土壤CO2释放潜力的变化范围分别为3.71～9.50、2.75～4.83、1.93～10.13 μg/(g·d),平均值分别为5.80、3.79、4.92 μg/(g·d),变异系数分别为24%、28%、37%。统计结果表明,3种茉莉花种植园土壤CO2释放潜力的差异性均不显著(P＞0.05),并且3种茉莉花种植园的各层土壤CO2释放潜力的差异性亦均不显著(P＞0.05)。在垂直方向上,有机茉莉花种植园和茉莉花+龙眼间作种植园土壤CO2释放潜力表现为除40～50 cm外随深度的增加而减小的趋势,而常规茉莉花种植园土壤垂直变化趋势不明显。

3.5 不同茉莉花种植园土壤化学计量比与CO2释放潜力的关系

土壤碳、氮、磷、钾计量比与CO2释放潜力的相关关系见表3。从所有样品的综合相关性来看,CO2释放潜力分别与土壤C/K、N/K存在极显著(P＜0.01)、显著(P＜0.05)的正相关。同时,不同茉莉花种植园土壤碳、氮、磷、钾计量比与CO2释放潜力的相关关系存在很大的变异性:CO2释放潜力与有机茉莉花种植园土壤 C/K极显著正相关(P＜0.01),与其N/P、N/K显著正相关(P＜0.05);与常规茉莉花种植园土壤C/N显著负相关(P＜0.05);与茉莉花+龙眼间作种植园C/P、N/P极显著正相关(P＜0.01),与其 C/K、N/K显著正相关(P＜0.05)。

图3 不同茉莉花种植园土壤CO2释放潜力Fig.3 Soil CO2release potential of different J.sambac plantations

4 讨论

表3 土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K、P/K与CO2释放潜力的Pearson相关系数Tab.3 Pearson correlation coefficients between soil C/N,C/P,C/K,N/P,N/K,P/K and CO2release potential

从低碳释放的角度探讨何种茉莉花种植方式更加合理,具有一定的参考价值;但研究结果显示,不同茉莉花种植园土壤CO2释放潜力差异性均不显著,因此,无法从低碳释放这方面对其进行比较。这与作为CO2产生物质基础的碳质量分数差异性不显著密切相关,并与它们的C/N大小差别不明显有很大关系。一般情况下,土壤C/N与有机质分解速率成反比关系,对其起调节和指示作用[21]。本研究得知,土壤CO2释放作为土壤呼吸作用的重要表征主要由微生物分解土壤有机质产生,而CO2释放量与C/N的显著负相关只存在于常规茉莉花种植园土壤中。说明C/N对有机质分解调节作用的差异并未很好地体现,只在垂直方向上,茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、C/K、N/P、N/K与CO2释放潜力均表现出随深度变化较一致的趋势,表明土壤的这些指标对CO2释放潜力的剖面变化具有一定指示作用。这种指示作用是否可进一步应用于预测其他类型土壤碳释放潜力的垂直空间变异,仍有待于进一步深入探讨;但总体来看,碳与养分比值对碳释放的指示作用亦不显著,这与J.A.Aitkenhead等[22]的相关研究并不一致。可能主要因为其研究空间尺度相对较大,而本研究的研究尺度较小,是否可认为只有在较大尺度碳与养分比值差异较大的条件下,其对碳释放才具有重要的指示作用,还有待验证。

从土壤养分固定和高效利用的角度进行探讨,不同茉莉花种植园土壤化学计量比存在一定变化,这种变化直接和间接地受不同种植方式下土壤碳、氮、磷、钾质量分数及各项表征土壤理化性质的环境因子指标变化的影响。将茉莉花种植园土壤与全球陆地和中国陆地土壤 C/N、C/P、N/P相比较(表4),发现不同茉莉花种植园土壤C/N均小于全球和我国陆地土壤C/N,但这种差别不大,较符合土壤碳和氮作为结构性成分,其积累和消耗过程存在相对固定的比值[23]的一般性结论;不同茉莉花种植园土壤C/P、N/P均明显低于我国陆地土壤的平均水平,表明该地区茉莉花种植园土壤磷的供应较充足。在这种情况下,土壤养分能被植物高效利用的茉莉花+龙眼间作和有机种植方式更具有优势。因为比较发现:茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/N、C/P在不同茉莉花种植园土壤中最小,其土壤N、P元素的供应最充足;同时茉莉花+龙眼间作种植园土壤N/ P最小,其次为有机茉莉花种植园土壤,表明其N、P养分的有效性较高,能更好地被植物吸收利用,维持生态系统的净初级生产[24]。综合考虑,间种-有机种植相结合是中国重要农业文化遗产福州茉莉花种植系统值得尝试的较合理的种植模式。

表4 不同类型土壤C/N、C/P和N/P的比较Tab.4 Comparison of different soil C/N,C/P and N/P

5 结论

1)不同茉莉花种植园土壤C/N表现为有机茉莉花种植园＞常规茉莉花种植园＞茉莉花+龙眼间作种植园;有机茉莉花种植园土壤N/P显著低于常规茉莉花种植园,土壤P/K则相反;茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、N/P显著低于常规茉莉花种植园,土壤C/K、N/K、P/K则相反。

2)不同茉莉花种植园土壤CO2释放潜力分别为5.80、3.79、4.92 μg/(g·d),但差异性均不显著。茉莉花+龙眼间作种植园土壤C/P、C/K、N/P、N/K对CO2释放潜力的剖面变化具有一定指示作用。

3)间作-有机种植相结合是福州茉莉花种植系统较合理的种植模式。

在野外采样及室内分析过程中,闽榕茶业有限公司严锦华先生、福建师范大学地理科学学院杨柳明老师等给予了很大的帮助,在此表示感谢。

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(责任编辑:宋如华)

Soil stoichiometric ratio and its effect on carbon release potential of Jasminum sambac plantations in Fuzhou

Wang Xuming1,Zeng Dongping1,Min Qingwen2,Tong Chuan1,Wang Weiqi1,Zhang Yongxun2,Zheng Jiangmin3
(1.College of Geographical Sciences,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China;2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,100101,Beijing,China;3.Agricultural Bureau of Fuzhou City,350005,Fuzhou,China)

We selected organic Jasminum sambac plantation,common J.sambac plantation and J. sambac+Dimocarpus longan interplanting plantation as research objects in order to clarify the effect of different planting patterns on soil stoichiometric ratio and carbon release potential of J.sambac plantations.The soil total carbon(TC),total nitrogen(TN),total phosphorus(TP),total potassium (TK)mass fractions and carbon dioxide(CO2)release potential were measured.Results showed that: 1)mass ratios of soil carbon to nitrogen(C/N)in the above-mentioned plantations were 11.33,10.93, 9.48;carbon to phosphorus ratios(C/P)were 23.23,25.33,10.91;carbon to potassium ratios(C/ K)were 1.02,0.88,1.66;nitrogen to phosphorus ratios(N/P)were 2.05,2.32,1.14;nitrogen to potassium ratios(N/K)were 0.09,0.08,0.17;phosphorus to potassium ratios(P/K)were 0.04, 0.03,0.15,respectively.2)Soil C/N ratio in the three J.sambac plantations followed the order of organic J.sambac plantation＞common J.sambac plantation＞J.sambac+D.longan interplantingplantation.Soil N/P ratio was significantly lower in organic J.sambac plantation than in common J. sambac plantation,while soil P/K ratio was the opposite.Soil C/P and N/P ratios were significantly lower in J.sambac+D.longan interplanting plantation than in common J.sambac plantation,while the opposite was true for soil C/K,N/K and P/K ratios.3)Soil CO2release potentials were 5.80,3.79 and 4.92 μg/(g·d)in the three J.sambac plantations,respectively,but the difference was not significant.The soil C/P,C/K,N/P and N/K ratios of J.sambac+D.longan interplanting plantation were indicative to certain degree to the CO2release potential in the profile.Interplanting-organic combination is a more reasonable planting pattern of J.sambac cropping systems in Fuzhou.

soil stoichiometric ratio;CO2release potential;planting pattern;Jasminum sambac plantation

S151.9

A

1672-3007(2015)01-0118-09

2014- 04- 15

2014- 11- 24

项目名称:福州市科技计划项目“花杆还田对福州茉莉花农业文化遗产种植系统土壤固碳的调控技术研究”(2014 -G -66)

汪旭明(1989—),男,硕士研究生。主要研究方向:生态与环境。E-mail:mervin1011@163.com

†通信作者简介:王维奇(1982—),男,助理研究员。主要研究方向:生态与环境。E-mail:wangweiqi15@163.com