施肥对苜蓿地土壤理化性质及其生态化学计量学特征的影响

刘麟 于金田 王晶 高雪芹 伏兵哲

摘 要 为探讨不同施肥处理下苜蓿地土壤理化性质及其生态化学计量特征变化规律，以紫花苜蓿地为研究对象，测定不同施肥处理下土壤理化性质指标，分析土壤碳氮磷生态化学计量特征，并探讨不同施肥处理下土壤溶解性有机养分与土壤可利用无机养分间相关性，以及土壤特性对土壤生态化学计量比的影响。结果表明：1）施肥处理对土壤SWC和AP无显著影响，但显著降低土壤pH值、NO3--N和NH4+-N含量。2）土壤全量、溶解性有机养分及其碳氮磷计量比对施肥处理的响应规律不一致，土壤SOC含量随施肥量的增加呈现先增后减的趋势，TN和TP含量呈递增的趋势，施肥处理显著降低土壤C∶N，而土壤C∶P和N∶P不受施肥的影响;DOC含量随施肥量的增加呈递减趋势，DON和DOP含量呈先减后增的趋势，土壤DOC/DON显著下降，DOC/DOP和DON/DOP则呈先增后减的趋势。3）土壤DON、DOP含量与土壤可利用无机养分存在不同程度的相关关系。4）RDA分析表明，土壤DOP含量是调控施肥处理土壤生态化学计量特征的主要因素。

关键词 施肥;土壤;理化性质;化学计量比

中图分类号：S143 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.19.001

碳（C）、氮（N）、磷（P）不仅是生态系统植物生长发育所必需的大量元素，也是土壤结构和养分的重要组成元素，不同的气候环境、地理位置、植被类型、成土母质及人类活动等因素，都可以直接或间接影响土壤中碳、氮、磷的物质循环过程。土壤碳氮磷化学计量比（C∶N∶P）是土壤中有机质或者其他成分中碳素与氮素、磷素总质量的比值，是确定土壤碳氮磷平衡特征的一个重要参数，也是反映土壤内部碳氮磷循环的主要指标[1]，有利于理解生态过程养分变化对全球变化的响应[2]。由于各种综合因素对土壤中碳氮磷总量的变化影响很大，进而使得土壤碳氮磷化学计量比的空间变异性较大。

紫花苜蓿（Medicago sativa）是一种优质、高产、抗旱、适应性强的多年生豆科牧草[3]，其根系发达、分枝多、产量高，既可固氮培肥，又是優质的高蛋白饲料，有着“牧草之王”的美誉，是目前世界上分布最广、种植面积最大、可利用价值最高的栽培牧草[4-5]。近年来，由于气候条件及人为大量使用化肥、农药等农用化学品，使苜蓿地土壤结构破坏，肥力下降，微生物活性受到影响，导致苜蓿产量降低，土壤资源受到严重的安全威胁;适宜施肥量对于提供植被养分、调节土壤结构、维持土壤肥力等方面具有非常重要的作用[6-7]。本文通过分析不同施肥处理下苜蓿地土壤理化性质及其生态化学计量特征，探讨土壤溶解性有机养分与土壤可利用无机养分间的相关性，揭示苜蓿地土壤特性对土壤生态化学计量特征的影响，有助于加深对施肥处理土壤C、N、P化学循环特征的认识，以期为该研究区紫花苜蓿地养分科学管理和利用提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验地位于宁夏自治区银川市贺兰山农牧场农垦九队，属贺兰山冲积扇平原，地处北纬38°30'～38°39'，东经106°1'～106°9'，海拔为1 111 m。该区域属典型温带大陆性气候，四季分明，昼夜温差大，年平均气温8.5 ℃左右，年降水量为185 mm左右，主要集中在7、8月，年日照时数2 800～3 100 h，无霜期185 d左右。试验地土壤为淡灰钙土，田间持水量19.17%，容重1.52 g/cm3，土壤总孔隙度38.25%，播种前检测土壤基础化学性质（见表1）。

1.2  试验设计

试验材料为‘ 巨能7紫花苜蓿，采用单因素完全随机区组试验设计。于2016年5月条播，播量18 kg/hm2，2017年开始试验处理，设置F1、F2、F3、F4、F5共5个施肥梯度，每个处理3次重复，共15个小区，小区面积为4×6=24 m2。采用地下滴灌带灌溉，配有完善的变频系统和过滤系统，每小区设置独立阀门控制灌水施肥，灌水量由主管道上的水表控制，滴灌带深埋20 cm，间距60 cm，滴头间距30 cm，滴头每小时滴水3 L。施肥用15 L压差式施肥灌，将肥料溶解之后通过过滤系统施入。施肥所用肥料为尿素（N≥46%）、水溶性磷酸一氢铵（P2O5≥61%）和硫酸钾（K2O≥52%）。施肥方案详见表2。

1.3  样品采集与测定

于2020年10月初，在每个调查样地内采集土样。每个小区随机选取3个采样点，采集0～40 cm土层的土壤样品，每个处理采集5个重复，均匀混合后让所有土壤样品过2.0 mm筛子，去除杂质保存在无菌袋中，编号后储存在便携式恒温箱带回实验室。将混合土壤样品分为2份，1份放入4 ℃冰箱冷藏，用于土壤含水量、无机养分和溶解性有机养分的测定;1份经自然风干研磨过筛后，用于土壤pH值、有机碳、全氮和全磷的测定。

测定方法：土壤含水量（SWC）采用烘干法;土壤酸碱度（pH值）采用pHS-3C精密酸度计;硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）用KCl浸提，分别采用紫外分光光度法和靛酚蓝比色法;速效磷（AP）采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法;土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾-硫酸氧化法;全氮（TN）用H2SO4消煮，全自动凯式定氮仪测定;全磷（TP）采用H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法。

土壤溶解性有机碳、氮、磷含量：土壤溶解性有机碳（DOC）和溶解性总氮（TDN）用KCl浸提（水、土质量比为5∶1），TOC/TN分析仪测定，溶解性有机氮（DON）为溶解性总氮（TDN）与土壤无机氮（NO3--N + NH4+-N）的差值;土壤溶解性总磷（TDP）采用过硫酸钾消化-分光光度法测定，溶解性有机磷（DOP）为溶解性总磷（TDP）与速效磷（AP）的差值。

1.4  数据处理

利用 Microsoft Excel 2010 软件对数据进行统计分析并作图，用SPSS 13.0和DPS 7.05软件进行方差分析和相关关系分析，用LSD法进行显著性多重比较，用Canoco 5.0软件进行土壤生态化学计量比与土壤指标的RDA分析。

2  结果与分析

2.1  施肥对土壤理化性质及其化学计量比特征的影响

不同施肥处理对土壤理化性质的影响见表3，随施肥量的增加，土壤pH值呈下降的趋势，从8.30逐渐降到8.26，土壤逐渐酸化;施肥量对土壤含水量没有显著影响;土壤硝态氮、铵态氮和速效磷含量随施肥量的增加均表现为先增后减的趋势，土壤硝态氮和铵态氮含量在F2处理下显著增加，含量分别为8.21 mg·kg-1和4.51 mg·kg-1，速效磷含量在F3处理下最高为8.02 mg·kg-1，显著高于F1、F5处理;土壤全量养分受施肥处理差异显著，土壤有机碳随施肥量的增加呈先增后减的趋势，在F3处理下达11.46 g·kg-1，比F1提高了20.0%，全氮和全磷含量均随施肥量的增加而增加，且均在F4处理下最高，在F1处理下最低，土壤C∶N随施肥量的增加逐渐减小，而施肥对土壤C∶P、N∶P没有显著影响。

2.2  施肥对土壤溶解性有机养分及其化学计量比特征的影响

由表4可知，随施肥量的变化，土壤溶解性有机碳氮磷含量及其化学计量比变化规律各不相同。随施肥量的增加，DOC含量逐渐降低，其含量在F1处理下为45.43 mg·kg-1，显著高于其他处理;DON含量在F3处理下最高，达到13.68 mg·kg-1，F2处理下最低为8.58 mg·kg-1;DOP含量随施肥量的增加呈先减后增的趋势，表现为F4处理下最高，F3处理下最低。在不同施肥处理下的土壤可溶性有机养分计量比中，DOC/DON的变化范围为2.92～4.64，随施肥量的增加呈先增后减的变化趋势，在F2处理下最大;DOC/DOP和DON/DOP的变化范围分别为5.19～14.66和1.60～5.01，均表现为在F3处理下最大，在F4处理下最小。

2.3  土壤溶解性有机养分与土壤可利用无机养分间关系

由图1可知，施肥处理对土壤溶解性有机养分与土壤可利用无机养分间有一定的影响。在不同施肥处理下土壤DOC含量与土壤可利用无机养分含量之间无明显相关关系，而土壤DON含量与土壤NO3--N含量和土壤NH4+-N含量有显著负相关关系，土壤DOP含量与土壤NO3--N含量有極显著负相关关系。

2.4  土壤生态化学计量特征与土壤指标的冗余分析

RDA结果表明（见图2），土壤生态化学计量比的变化主要由土壤养分状况驱动，RDA 第一轴解释了变量的64.81%，第二轴解释了25.96%。土壤溶解性有机磷（DOP）解释了土壤生态化学计量比变异的54.8%，表明施肥处理引起土壤生态化学计量特征的变化可以由DOP这个参数来解析。

3  讨论

土壤理化性质是为营造土壤良好环境和提供植物所需各种营养元素的综合能力，施肥是补充土壤营养匮乏、维持土壤持续生产力和维持稳定增产的有效措施。研究发现施肥能直接影响土壤的酸碱度、含水量、有机和无机等养分状况[8]。本研究结果显示，施肥处理改变了土壤理化性质，土壤pH值随施肥量的增加逐渐减小，这与于树等[9]、张焕军等[10]研究结果相一致。施用化肥处理使土壤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，促进了土壤中的硝化作用和反硝化作用，硝化作用产生硝酸盐，释放出H+，以及反硝化作用产生的氮气、氨气进入大气，在大气中经过氧化与水解作用转化成硝酸，导致土壤酸化;2）长期施用化肥，植物会选择吸收肥料中的养分离子，将土壤胶体上的H+交换出来，使土壤溶液中H+浓度升高，加速土壤酸化。而唐海龙等研究得到施用有机无机复混肥可提高土壤pH值[11]，Tyree等研究发现单独施用化肥会使土壤 pH 值升高[12]。前人的研究结果虽不尽相同，但施肥处理对土壤 pH 值有一定程度的影响是必然的。通过施肥处理影响土壤酸碱度值，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态，也是植物营养氮素研究的主要切入点。有研究认为施用化肥和有机肥都能提高土壤NO3--N和NH4+-N含量[13-14]，南镇武研究发现施用有机肥或化学氮肥均能提高土壤NO3--N或NH4+-N含量及其积累量[15]。本研究发现施肥处理对土壤NO3--N和NH4+-N含量影响有显著差异，NO3--N和NH4+-N含量随施肥量的增加呈先增加后减少的趋势。该结论与先前研究结果有所区别，可能是由于该研究区进行长期施肥处理和植被类型为紫花苜蓿，具有自身固氮作用，使土壤生态系统中氮、磷、钾元素丰富，促进植物生长和微生物活性，进而引起植物和微生物对氮素需求量的增加，导致土壤中NO3--N和NH4+-N含量下降。此外，为探讨施肥处理引致土壤可利用无机养分是否对土壤溶解性有机养分含量产生影响，本研究分析了土壤可利用无机养分与溶解性有机养分之间的关系，结果发现在不同施肥处理下土壤NO3--N含量和土壤NH4+-N含量与土壤DON含量呈显著负相关，NO3--N含量与土壤DOP含量呈显著负相关。其说明施肥处理改变了土壤微生物可利用底物的N∶P，进而引起土壤无机氮含量的变化。

土壤碳、氮、磷是评价土壤肥力和满足植物生长需要的重要营养元素，其构成不仅可反映土壤中有机碳和氮、磷等养分的转化循环，还可表征土壤受外界影响后土壤养分状况和微生物活性的变化[16]。本研究结果表明：土壤有机碳、全氮、全磷含量均受施肥处理的显著影响，随着施肥量的增加，有机碳含量呈先增后减的趋势，而全氮和全磷含量呈增加的趋势。这与李焕茹等研究碳氮添加对草地土壤有机碳量的影响[17]及马亚娟等对杉木人工林地的施肥处理[18]的部分研究结论一致，可能由于施肥促进了植物的生长及微生物的活性，使得提高了植物凋落物和根系分泌物的积累，从而导致土壤有机质含量增加，反之施肥量过高则不利于土壤有机质的积累。也可能是由于土壤初始养分水平处于亏缺状态，施肥以后使得土壤中氮、磷养分含量随施肥量的增加明显增加。通常认为，土壤碳、氮、磷化学计量比是预测土壤养分限制性和有机质分解速率的重要指标。土壤C∶N易受环境影响，是用来评价土壤碳氮矿化能力和有机质分解速率是否会受土壤N限制的重要指标，土壤C∶N与有机质的分解速率之间成反比关系[19]。12<（C∶N）<16，表明土壤有机质腐殖化程度高，易于有机质矿化，土壤有效氮增加，且有机质的分解速率不会受到N的限制;（C∶N）>25，土壤微生物对有机质的分解速率小于累积速率，有机质处于累积状态，将受到N的限制[20]。本研究中土壤C∶N低于上述阈值，表明土壤有机碳在微生物作用下矿化速率较快，土壤中有效氮含量增加，土壤不受N限制，但不利于有机碳的积累。同时，研究表明施肥处理对土壤“C∶P”“N∶P”影响无显著差异，而对土壤C∶N影响有显著性差异，且随施肥量的增加土壤C∶N呈递减趋势，说明施肥处理增加土壤受碳限制。

4  結论

施肥处理对土壤SWC和AP无显著影响，但显著影响土壤pH、NO3--N和NH4+-N。随施肥量的增加，土壤pH值减小，土壤逐渐酸化，NO3--N和NH4+-N含量也逐渐降低。土壤全量、溶解性有机养分含量及其计量比对施肥处理的响应规律不一致，土壤SOC含量随施肥量的增加呈现先增后减的变化趋势，TN和TP含量呈递增的趋势，施肥处理显著降低土壤C∶N，而土壤C∶P和N∶P不受施肥的影响;DOC含量随施肥量的增加呈现递减的趋势，DON和DOP含量呈先减后增的趋势，土壤DOC/DON显著下降，DOC/DOP和DON/DOP则呈先增后减的变化趋势。土壤DON、DOP含量与土壤可利用无机养分存在不同程度的相关关系。土壤DOP含量是调控施肥处理下土壤生态化学计量特征的主要因素。施肥对土壤资源计量比的影响，致使土壤微生物生长受限制程度增强。

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（责任编辑：丁志祥）