荒漠绿洲农田盐渍化过程中的土壤碳、氮、磷生态化学计量特征

王 燕,武兴宝,秦新惠,张永久,杨 丽,赵哈林

(1.酒泉职业技术学院,甘肃酒泉 735000;2.中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000)

0 引 言

【研究意义】生态化学计量学是一种研究碳(C)、氮(N)、磷(P)元素在多种生态系统过程中其比例随外界影响因子产生变化规律的重要方法[1-2],C、N、P化学计量比是土壤质量与有机质组成的重要指标[3],可以反映土壤内部碳氮磷循环,具有重要的生态指示作用[4]。而土壤作为组成生态系统的重要部分,通过改善土壤质量,能够有效地促进植被恢复,稳定生态系统平衡[5]。C、N、P元素是组成土壤养分的重要部分[6],其养分含量及化学计量比,是影响土壤生态系统恢复,调控土壤养分循环,增强土壤肥力的重要因素[7]。通过对土壤C、N、P化学计量比值的掌握,能够有效地为土壤养分存留、元素循环及土地管理提供理论依据[8]。土地盐渍化是世界范围内面临的重要环境问题,尤其在干旱半干旱地区。土地盐渍化导致农田减产、土壤理化性质恶化,制约农业的可持续发展[9]。采用生态化学计量学的方法,定量分析农田盐渍化过程中土壤C、N、P等元素的变化、养分限制及其影响机制,对于制定科学合理的盐渍化农田土壤养分管理措施,改良利用盐碱地有重要意义。【前人研究进展】目前,有关土壤C、N、P生态化学计量学研究多集中在草地[10]、湿地[11]、森林[12]和山地[13]等生态系统。宁志英等[12]研究表明,草地沙化过程中土壤N:P较全N、全P含量更能反映土壤养分对生产力的限制作用;郭其强等[10]研究揭示了高原山地马尾松人工林土壤养分的供给状况、利用规律及反馈作用机制,深化了对森林生态系统养分循环机制的认识和理解。【本研究切入点】不同程度盐渍化农田对农作物生长发育影响不尽相同,进而影响到进入土壤的动植物残体和土壤微生物量,导致不同盐渍化梯度间及土层间土壤养分含量存在差异,进一步影响到盐渍化农田的土壤肥力状况。目前对盐渍化生态系统土壤生态化学计量学的研究较少。生态化学计量学对于养分限制性有一定的指示作用[14]。但由于环境条件对生态化学计量特征影响的差异,目前尚不存在统一的生态化学计量学标准来判断养分限制[15]。因此,基于生态化学计量学的特定生态系统养分限制及其影响机制仍需深入研究。尤其需研究盐渍化过程中土壤C、N、P等元素的变化规律、养分限制及其影响机制。【拟解决的关键问题】采用空间代替时间的方法,以河西走廊绿洲盐渍化农田2种主要种植作物(紫花苜蓿和大麦)地不同梯度的盐渍化农田为研究对象,研究盐渍化过程对土壤养分特征的影响,结合生态化学计量学的手段,分析不同盐渍化水平下土壤养分差异及其限制元素,为精准指导河西地区盐渍化农田合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设计轻度(S1)、中度(S2)、重度(S3)和极重度(S4)4个盐渍化梯度,其对应的土壤孔隙电导率(ECp)值分别为2～4 dS/m,4～8 dS/m,8～16 dS/m和>16 dS/m;非盐渍化农田为对照处理(CK)。2021年4月结合0～10 cm土层土壤孔隙电导率(ECp)选定各梯度样地,并随机排列样地,每个梯度3个重复,共27块样地。

大麦的播种量为225 kg/hm2,播种期为2021年3月12日,收获期7月22日。各梯度播前施磷酸二铵375 kg/hm2,尿素(N≥46%)75 kg/hm2,播后4～8周,追施尿素(N≥46%)300 kg/hm2。紫花苜蓿的播种量为45 kg/hm2,播种期为2020年9月20日,分别于2021年6月22日,7月14日和9月16日刈割3茬。各梯度播种前施磷酸二铵225 kg/hm2,尿素(N≥46%)75 kg/hm2。田间管理与大田一致。2020年11月,大麦和紫花苜蓿地各梯度灌冬水100 m3/hm2。2021年生长季,大麦地仅于5月下旬～6月上旬灌水1次,灌水量为100 m3/hm2。紫花苜蓿地分别于5月下旬～6月上旬、6月下旬～7月上旬、7月下旬～8月上旬和8月下旬～9月上旬灌水4次,每次灌水量为100 m3/hm2。

1.2.2 土壤采样

于2021年7月9～14日、9月14～19日(第三茬)2种作物成熟期采集土壤。在不同盐渍化梯度的每块样地随机设9个取样点,每个取样点用土钻分别取0～10、10～20、20～40 cm层土壤,分层混合在一起,在室内将土壤样品风干,过2 mm筛分析土壤理化性状。在每个盐渍化梯度上使用环刀法测定土壤容重,每个样地5个重复;用取土器分别取各层土壤,用高精度HH2Delta-T Devices Moisture Meter(英国)的WET Sensor土壤盐分计采集各层土壤电导率和土壤温度。土壤质地的测定采用湿筛加吸管法。土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的测定方法为常规方法[16]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS23.0进行数据分析和处理。利用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行不同盐渍化梯度和不同土层土壤养分和化学计量比的差异分析,利用Person相关系数评价土壤环境因子与土壤SOC、N、P化学计量特征之间所存在的内在关联。数据用“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 2种作物地农田盐渍化过程中土壤SOC、TN、TP含量的变化

研究表明,在紫花苜蓿地,0～40 cm土层土壤SOC含量表现为S1>S2>CK>S3>S4;TN含量表现为S2>S1>CK>S3>S4;TP含量表现为轻度盐渍化农田最高,随盐渍化程度的加剧,波动式降低。在0～40 cm土层,土壤SOC在S1分别与S3和S4间、S2与S4间存在显著差异;土壤TN在S2分别与S3和S4间、S1分别与S3和S4间存在显著差异;土壤TP在CK和S1分别与S2、S3、S4间存在显著差异。在大麦地,土壤SOC含量、TN和TP含量表现为轻度盐渍化农田最高,随盐渍化程度加剧,土壤SOC含量、TN和TP含量逐渐降低。S4土壤SOC、TN含量与CK、S2差异性显著,而土壤TP在S1分别与S2、S3、S4间存在显著差异。表1

表1 两种作物地不同盐渍化阶段0～40 cm土层C、N、P含量均值及其化学计量比特征

在紫花苜蓿地,不同盐渍化阶段土壤SOC、TN及TP含量具有“表聚”特征,0～10 cm表层土壤SOC、TN及TP含量最高,且土壤SOC、TN、TP含量均随土层深度增加而降低。在0～10 cm土层,SOC和TN含量在CK、S1、S2分别与S4间存在显著差异(P<0.05),且S1土壤SOC和TN含量显著高出S462.82%、57.18%;TP含量在CK、S1分别与S2、S3、S4间存在显著差异,其中CK、S1土壤TP含量分别显著高出S436.07%、43.09%。在大麦地,CK～S3土壤SOC、TN含量随土层深度增加变化无显著性差异(P<0.05),S4土壤SOC、TN含量在各土层间存在显著差异。TP含量随土层深度增加,在S3和S4,不同土层间存在显著差异(P<0.05),其他盐渍化阶段农田各土层间差异不显著。在0～10 cm土层,SOC含量在S1分别与S3和S4间存在显著差异,TN含量在CK～S2分别与S4间存在显著差异,TP含量在CK、S1分别与S2、S3、S4间存在显著差异(P<0.05)。图1

注:不同大写字母表示同土层不同盐渍化阶段间差异显著,小写字母表示同盐渍化阶段不同土层间差异显著(P<0.05)

2.2 2种作物地农田盐渍化过程中土壤碳氮磷生态计量学特征的变化

研究表明,在0～40 cm土层,在紫花苜蓿地,随盐渍化的加剧,C/N呈“V”型变化,在中度盐渍化阶段C/N比值最低。S2分别与CK、S1、S4间土壤C/N比值差异显著(P<0.05)。C/P和N/P值表现为随盐渍化的加剧,呈先增后减的变化趋势,在中度盐渍化阶段C/P和N/P值比值最高。S2分别与CK、S3、S4间土壤C/P值差异显著(P<0.05);S2与其他各盐渍化阶段农田间、S1与S4间土壤N/P值差异显著(P<0.05)。在大麦地,C/N值表现为随盐渍程度的加剧,波动式增加。S4分别与CK、S1、S3间C/N值差异显著。C/P值和N/P值表现为随盐渍化程度加剧而降低(P<0.05)。S3分别与CK和S1间、S4分别与CK、S1、S2间土壤C/P值差异显著;CK分别与S3、S4间、S4分别与CK、S1、S2间土壤N/P值差异显著。表1

在紫花苜蓿地,0～10、10～20、20～40 cm土层土壤C/N在不同盐渍化阶段间无显著性差异。2种作物地,在各盐渍化阶段土壤C/N、C/P及N/P在不同土层间也无显著性差异。表2

表2 2种作物地不同盐渍化阶段不同土层土壤养分化学计量比特征

2.3 农田盐渍化过程中土壤环境因子对土壤C、N、P生态化学计量比的影响

研究表明,土壤SOC与土壤TN、土壤TP、C/P、N/P有显著的正相关关系(P<0.05),在紫花苜蓿地,相关系数分别为0.939、0.675、0.763、0.682;在大麦地,相关系数分别为0.977、0.590、0.951、0.898。TN与C/N呈显著负相关关系(P<0.05),与C/P、N/P呈极显著正相关关系(P<0.01)。在紫花苜蓿地,TN与C/N、C/P、N/P的相关系数分别为-0.569、0.783、0.824;在大麦地,TN与C/N、C/P、N/P的相关系数分别为-0.573、0.971、0.961。土壤C/N与N/P有极显著负相关关系,C/P与N/P有极显著正相关关系(P<0.01),在紫花苜蓿地,相关系数分别为-0.696、0.930;在大麦地,相关系数分别为-0.683、0.979。在2种作物田,TP与C/N、C/P、N/P没有显著相关性。表3

表3 盐渍化农田土壤SOC、TN、TP含量与化学计量比的相关性

在紫花苜蓿地,土壤含水量、土壤电导率和土壤黏粉粒影响土壤SOC、TN、TP含量及化学计量特征。土壤含水量与土壤C/P、N/P呈极显著正相关(P<0.01),相关系数为0.655、0.687;土壤孔隙电导率与土壤SOC、TN、TP呈极显著负相关(P<0.01),相关系数为-0.676、-0.642、-0.623;土壤黏粉粒含量与土壤SOC、TN、TP呈显著正相关(P<0.05),相关系数为0.600、0.589、0.833。在大麦地,土壤含水量与土壤SOC呈显著负相关(P<0.05);土壤电导率与土壤SOC、TN、C/P、N/P呈极显著负相关(P<0.01),与土壤C/N呈显著正相关;土壤容重与土壤SOC和TN呈显著负相关;土壤温度与土壤TP呈显著负相关。表4

表4 盐渍化农田土壤环境因子与SOC、TN、TP化学计量特征的相关性

3 讨 论

3.1 2种作物地农田盐渍化过程中土壤碳、氮、磷含量的变化

不同土地退化类型对土壤养分有不同程度的影响[3],N、P元素作为土壤养分的重要组成部分[17],其含量可以表征土地退化对土壤质量的影响。研究中,随盐渍化程度的加剧,土壤SOC、TN、TP含量逐渐降低,在农田盐渍化过程中土壤养分累积作用逐渐降低。因为随着盐渍化的加剧,农田作物覆盖降低,地表裸露,凋落物的输入减少,导致土壤有机质含量的减少[18]。土壤碳和氮是紧密联系在一起的[19],其中之一发生变化必然引起另一个的变化,农田盐渍化过程中土壤TN的变化与土壤SOC的变化是相似的,降低幅度较大。在研究区,不同盐渍化阶段农田土壤TP含量降低较少,与朱秋莲等[20]的研究结果一致。由于磷主要受土壤风化的影响,由于土壤风化是一个漫长的过程,且风化程度在不同盐渍化阶段农田土壤层中差异不大,因而变异性较小[21]。研究区中,不同盐渍化阶段农田土壤养分含量集中在0～10 cm表层土壤,且土壤SOC、TN、TP含量均随土层深度增加而逐渐降低,土壤养分具有“表聚性”特征,与魏孝荣和邵明安[22]的研究结果一致。因为地表植被通过植物根系分泌物及表层植物残体向土壤输送C、N、P元素[23],表层土壤通气状况良好,养分充足,利于土壤微生物活动[24];而随着土层深度的增加,枯落物及腐殖质对土壤元素的积累影响逐渐降低[25]。

3.2 农田盐渍化过程中土壤养分化学计量比的变化

农田盐渍化过程也会影响到土壤养分化学计量比,而养分化学计量比是用作表征C、N、P矿化和固持作用的重要指标之一[26],各计量比能很好地指示土壤营养元素的限制及其有效性。农田盐渍化过程中C/N>C/P>N/P。

土壤C/N能够影响土壤中有机碳和氮的循环,是土壤质量的敏感指标,标志着土壤有机质矿化速率快慢和释放养分能力的强弱[27]。研究中,大麦地,CK～S40～40 cm土层土壤C/N的平均值分别为9.33,9.50,9.78,8.98,10.50;紫花苜蓿地分别为10.31,10.25,9.25,10.09,10.50。不同盐渍化阶段农田土壤C/N的平均值均低于全国平均值(12.3)[28],有机质具有较快的矿化速率。随盐渍化程度的加剧,在紫花苜蓿地,C/N呈“V”型变化,在中度盐渍化阶段有机质分解速度最快;在大麦地,C/N值表现为波动式增加,土壤有机质矿化速率和释放养分能力逐渐降低。2种作物地,各盐渍化阶段土壤C/N在不同土层间无显著性差异,这是因为土壤C、N之间紧密联系,在元素储存及消耗过程中存在一个较为稳定的比值[29]。同时,在紫花苜蓿地,0～10、10～20、20～40 cm土层土壤C/N在不同盐渍化阶段间未表现出明显差异,这可能与紫花苜蓿生物学属性有关。

土壤C/P是磷有效性的表征参数,低C/P说明土壤P有效性较高。研究中,大麦地,CK～S40～40 cm土层土壤C/P的平均值分别为5.74,5.55,4.91,4.00,3.23;紫花苜蓿地分别为3.32,3.79,4.24,3.40,3.23。不同盐渍化阶段农田土壤C/P的平均值均远低于中国土壤平均水平(60.00)[28]。在农田盐渍化过程中,土壤P有效性较高。与已有研究表明大多数盐碱地对磷的供应是足量的[30]结果一致。

土壤N/P可在一定程度上反映土壤养分的供应能力,是当前限制性养分判断的重要指标之一[31]。研究区,大麦地,CK～S40～40 cm土层土壤N/P的平均值分别为0.63,0.59,0.50,0.45,0.31;紫花苜蓿地分别为0.32,0.37,0.46,0.34,0.31。不同盐渍化阶段农田土壤N/P的平均值均远低于中国土壤(5.10)的研究结果[28]。N/P较低,进一步表明了研究区土壤的N匮乏。在大麦地,随盐渍化程度的加剧,土壤N/P呈直线下降趋势。在大麦地,在农田盐渍化过程中,土壤N含量是持续减少的。在紫花苜蓿地,随盐渍化程度的加剧,土壤N/P呈先增后减的变化,在中度盐渍化阶段比值最高,氮素的匮乏程度是先降低后增加的。2种作物地,在各盐渍化阶段土壤C/P及N/P在不同土层间无显著性差异,这可能与各盐渍化阶段C、N、P元素储存及消耗过程中存在一个较为稳定的比值有关。

4 结 论

4.12种作物地,随盐渍化程度加剧,土壤养分(SOC、TN、TP)含量波动式降低;不同盐渍化阶段土壤养分含量垂直分布上表现出明显的“表聚性”特征。

4.2随盐渍化程度的加剧,在紫花苜蓿地,C/N呈“V”型变化,在中度盐渍化阶段C/N比值最低;C/P和N/P值表现为先增后减的变化趋势,在中度盐渍化阶段C/P和N/P值比值最高。在大麦地,随盐渍化程度加剧,土壤有机质矿化速率和释放养分能力持续降低,氮素逐渐匮乏。研究区,在农田盐渍化过程中土壤SOC与TN是影响土壤养分生态化学计量比的主要因素,TP不是土壤养分限制的主要因素。

4.3土壤养分化学计量特征,在苜蓿地,与土壤含水量、土壤电导率和土壤黏粉粒含量有显著相关关系(P<0.05),与土壤容重和土壤温度没有显著相关性;在大麦地,与土壤含水量、土壤电导率、土壤容重和土壤温度有显著相关关系(P<0.05),与土壤黏粉粒含量没有显著相关性。