施肥對農田土壤碳氮磷化學計量特征及相關酶活變化的影響

平懷香，崔建宇，陳 碩，魏露露，陳 清，張德龍

(1.中國農業大學 資源與環境學院，北京 100193；2.上海農樂生物制品股份有限公司，上海 201419)

生態化學計量學利用生態學和化學計量學研究活性有機體及生態系統中碳氮磷(CNP)養分計量關系以探求其化學元素平衡和能量流通關系，可用來分析有機體的功能特性、生理行為等[1]和限制性養分元素的判定[2]。土壤有機碳、全氮、全磷比值作為評估土壤中養分狀況的潛在指標[3]，可以準確判斷土壤中有機質的分解程度、磷素礦化能力等，常用于自然生態系統的研究[4]。王晶苑等[5]探究了4種森林生態系統中植物與凋落物 CNP 比率。化學計量學在環境因子與生物體結構元素之間計量關系的應用也是屢見不鮮[6]。有研究對比了不同海拔山地雨林C/P和N/P[7]，以及不同植被區的土壤化學計量演變特征[8]。耕地土壤具有較大的空間異質性，使土壤中養分的化學計量特征更加復雜，微生物量也會相應發生變化，其中施肥方式是導致這種異質性的重要原因之一。有研究表明，長期有機無機肥配施條件下C/N值降低，磷肥施用下C/P值降低，撂荒處理N/P值則顯著高于其他處理[9]。這可能是因為施肥改變了土壤酸堿度，抑制微生物生命活動，從而影響了土壤微生物量碳氮磷的化學計量學特征[10]。

土壤微生物量碳氮磷(MBC、MBN、MBP)參與養分有機-無機轉化過程，表征土壤中物質代謝強度[10]。土壤微生物代謝和動植物殘體分解產生的胞外酶能夠參與土壤生化反應和物質循環過程，其活性也對農業管理措施存在響應，所以也經常用于指示土壤質量變化。不同的施肥制度會改變土壤微生物量、區系組成和代謝過程產生的酶數量和活性[11-16]。蔗糖酶活性反映土壤有機碳累積與分解轉化規律[17]；磷酸酶將有機磷酯水解為無機磷后被植物利用；脲酶將酰胺態有機氮化物水解為無機氮，其活性高低取決于土壤微生物及土壤有機質含量，與土壤肥力密切相關；過氧化氫酶活性表征土壤總的生物學活性和肥力狀況[18]。

在農田生態系統中，土壤養分-微生物量-土壤酶活性之間相互作用，聯系緊密。但目前少有研究將土壤養分、微生物量化學計量比和相關酶活變化聯系起來。本研究通過文獻整合分析我國耕地土壤中不同施肥制度對土壤養分、微生物量CNP化學計量比和與之相關的土壤酶活變化之間的關系，探究施肥對土壤養分平衡關系的影響，明確土壤養分-微生物-酶活性體系對不同施肥制度的響應情況，旨在為科學施肥、減少化肥污染提供新思路。

1 材料和方法

1.1 數據收集

檢索2000—2020年公開發表的關于耕地土壤施肥后養分變化情況的中英文數據庫(中文數據庫包括中國知網、萬方數據庫和百度學術，英文數據庫為Web of Science)。中文檢索關鍵詞為“耕地土壤、施肥、微生物量碳氮磷、土壤酶活性、碳氮磷化學計量比”，英文檢索關鍵詞為“soil microbial biomass、CNP stoichiometry、soil enzyme activity、fertilizer”，獲得相關文獻328篇(中文文獻63篇，英文文獻13篇)。

直接從文獻中獲取不同施肥處理下作物成熟期土壤碳氮磷和微生物量化學計量比數據，或通過收集土壤性質的數據(土壤有機碳(SOC)、土壤全氮(TN)、土壤全磷(TP)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP))，計算出質量比。由于各地施肥情況復雜，故將不同的施肥情況分為三類：單一化肥(SF，氮肥、磷肥、鉀肥)、復合肥(CF，氮肥和磷肥、氮肥和鉀肥、磷肥和鉀肥、氮磷鉀復合肥)、化肥有機肥配施(MF)。此外，還收集蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性。輪作制度、土地利用類型、土壤酸堿度也是影響施肥對微生物碳氮磷化學計量特征及酶活性的重要指標，故同時納入數據庫。

所納入文獻必須符合以下標準：

①只選擇耕地土壤的試驗，包括農田、溫室大棚和盆栽等。②在肥料施用試驗中只添加相應的肥料(氮磷鉀肥、有機肥等)，不添加其他元素調理劑或罕見的改良劑。③報告了土壤碳氮磷、土壤微生物量碳氮磷、土壤酶活性或其中一種的平均值、樣本量、標準誤差或標準偏差。④主要包括作物成熟期采集的表層土壤(0～20 cm)的數據。⑤原始數據可以從原稿中獲得(從圖表中直接獲取或通過GetData Graph Digitizer軟件提取)，若原始數據中有機碳用有機質表示，則將土壤有機質除以1.724轉化為有機碳含量。

去重后獲得文獻224篇，然后閱讀文題和摘要進行初步篩選剩余116篇，閱讀全文和質量評價后剩余文獻76篇。

1.2 研究方法

統計學指標采用權重響應比(Response ratios，RR)表示，并計算其 95%的置信區間(95%CI)，計算公式為：

RR=Mt/Mc

①

式①中，Mt和Mc分別代表處理組和對照組的平均值。在分析過程中，需要將RR自然對數化：

②

另外，平均值的變異系數V(Variance)、權重(Weighted factor，Wij)、 權重響應比(Weighted response ration，RR++)、RR++的標準誤(S)以及其 95%CI可按如下公式計算：

③

Wij=1/V

④

⑤

⑥

95%CI=RR++±1.96S(RR++)

⑦

式③中，SDt2和SDc2分別代表處理組和對照組的標準差；nt和nc分別代表處理組和對照組的樣本數。式⑤中，m是分組數，ki是第i分組的總比較對數。95%CI可以通過(eRR++-1)×100%來轉化，若95%CI全部大于 0，說明該變量對其因變量具有顯著的正效應；若全部小于 0，說明該變量對其因變量具有顯著的負效應；若包含 0，則說明該變量中處理與對照沒有顯著差異。

1.3 數據分析

試驗數據利用Excel 2016進行基本處理和匯總，利用 MetaWin 2.1 軟件進行整合分析，然后采用SPSS 22.0軟件對數據進行單因素方差(ANOVA)分析，采用 Origin 2016 繪圖。

2 結果與分析

2.1 施肥對農田土壤CNP化學計量特征的影響

不同施肥措施對土壤CNP化學計量關系均有一定影響(圖1)，施用單一化肥、復合肥、化肥有機肥配施土壤中C/N平均值分別為14.1，14.8和23.2。化肥有機肥配施土壤中C/N顯著高于化肥(單一或復合)；C/P平均值分別為20.4，15.3和14.8，與C/N呈相反趨勢； N/P值普遍較低且無顯著差異，范圍在3.10～5.03，其中單一化肥(5.03)>復合肥(4.43)>化肥有機肥配施(3.10)。與施用單一化肥相比，化肥有機肥配施顯著提高了土壤C/N(P<0.05)(圖1)。

不同小寫字母代表不同施肥的土壤C/N、C/P、N/P的差異顯著性(P<0.05)。Different letters indicate significant difference(P<0.05)of C/N，C/P and C/P with different fertilization.

圖2顯示了不同土地利用類型、土壤酸堿度、輪作制度下施肥對土壤C/N、C/P、N/P的影響。不同土地利用類型中施肥對土壤C/P、N/P影響顯著，尤其在水田中施肥會顯著降低土壤C/P、N/P(P<0.05)。在酸性土壤中，施肥會提高C/N，在中堿性環境中，施肥則降低土壤C/N。對于C/P和N/P，無論是在酸性還是堿性土壤中，施肥都會導致其比值下降。一年兩熟的輪作制度下施肥會顯著降低土壤養分化學計量比，但這也可能是因為這種輪作制度對土壤環境的人為擾動較大，養分通過其他途徑損失了一部分。

括號內數字為樣本數。圖4，6同。Numbers in brackets indicate the number of samples.The same as Fig.4，6.

2.2 施肥對農田土壤微生物量CNP化學計量特征的影響

施肥土壤的MBC/MBP值排序為：化肥有機肥配施>單一化肥>復合肥。化肥有機肥配施土壤MBC/MBP為57.4，與施用化肥時MBC/MBP差異顯著(P<0.05)(圖3)。單一化肥和復合肥土壤MBC/MBP也存在顯著差異。不同施肥措施下MBC/MBN、MBN/MBP比值較低且無顯著差異。

不同小寫字母代表不同施肥處理MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP的差異顯著性(P<0.05)。Different letters indicate significant difference(P<0.05)of MBC/MBN，MBC/MBP and MBC/MBP with different fertilization.

施肥土壤的微生物量化學計量比在不同土地利用類型、土壤酸堿度和輪作制度均存在顯著差異(圖4)。與不施肥相比，水田中施肥顯著降低MBC/MBN(P<0.05)；旱地中施肥則顯著降低MBC/MBP和MBN/MBP(P<0.05)。堿性環境下施肥土壤MBC/MBP、MBN/MBP與不施肥相比差異顯著(P<0.05)。一年一熟時施肥顯著降低MBC/MBP，一年兩熟時施肥顯著降低MBC/MBN，MBN/MBP在2種輪作制度下均顯著降低。

圖4 不同施肥制度、利用類型、土壤酸堿度和輪作制度下土壤MBC/MBN、MBC/MBP和MBN/MBP的權重響應比Fig.4 Weight response ration(RR++)of MBC/MBN，MBC/MBP and MBN/MBP with different fertilization，land use types，soil pH and rotation systems

2.3 施肥對農田土壤酶活性的影響

不同施肥制度均能提高土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性，但增幅有所不同，蔗糖酶和脲酶活性增幅最大(圖5)。與施用單一化肥相比，化肥配施有機肥顯著提高土壤中蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性，其中蔗糖酶活性增幅可高達100%。磷酸酶活性在單一化肥土壤中增幅為0.23 mg/(g·d)，在化肥有機肥配施土壤中增幅為0.65 mg/(g·d)。過氧化氫酶在不同施肥制度中活性穩定，增幅不超過0.28 mg/(g·d)。

不同小寫字母代表不同施肥處理蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶增量的差異顯著性(P<0.05)。Different letters indicate significant difference(P<0.05)of the increment of theactivities of sucrase，phosphatase，urease and catalase with different fertilization.

與不施肥相比，土地利用類型、土壤酸堿度和輪作制度均顯著提高土壤酶活性。除了 pH>8和一年兩熟條件下，施肥對過氧化氫酶活性無顯著影響(圖6)。

圖6 不同施肥制度利用類型土壤酸堿度和輪作制度下土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性的權重響應比Fig.6 Weight response ration(RR++)of sucrase，phosphatase，urease and catalase activities with different fertilization，land use types，soil pH and rotation systems

2.4 農田土壤養分化學計量-微生物量化學計量-土壤酶活性相關性分析

表1顯示了土壤養分、微生物量和土壤酶活性的相關性。其中，有機碳(SOC)與微生物量碳氮磷均呈極顯著正相關(P<0.01)，與磷酸酶呈極顯著正相關(P<0.01)，與過氧化氫酶呈顯著負相關(P<0.05)。全氮(TN)與微生物量碳氮磷和脲酶活性也呈極顯著正相關(P<0.01)，其中與MBP的相關系數為0.85。全磷(TP)與MBN、MBP和脲酶活性呈極顯著正相關，其中與MBP的相關系數為0.72。微生物量碳氮磷與土壤酶活性也具有一定的相關相關性。MBC與磷酸酶活性極顯著正相關(P<0.05)；MBN與過氧化氫酶活性呈極顯著正相關，與蔗糖酶、脲酶活性呈顯著負相關(P<0.05)；MBP與過氧化氫酶活性呈極顯著正相關，與脲酶活性呈顯著正相關，與蔗糖酶活性呈極顯著負相關。

表1 土壤養分、微生物量化學計量比和酶活性相關性Tab.1 Correlation between soil nutrients, stoichiometry ratio of microbial biomass, and enzyme activity

3 討論與結論

3.1 不同施肥下土壤和微生物養分化學計量特征

不同施肥條件對土壤C/N、C/P、N/P均有影響，這與許多研究結果[3，9]一致。單一化肥和化肥有機肥配施分別對土壤C/N、C/P影響最大。單施氮肥可以向土壤提供大量的氮素，且外源氮磷肥的施用加速了土壤中穩定有機碳組分的分解，導致穩定碳庫向活性碳庫的轉變[19]，更快地被作物利用，使得土壤中總有機碳減少。另一方面，化肥有機肥配施會改變土壤團粒結構和理化性質，為土壤中的微生物提供充足的碳源和能源，微生物數量和活性增強會加速土壤中有機碳的礦化分解。與化肥和不施肥處理相比，長期化肥有機肥配施C、N的積累速率比P的積累速率慢[4]，導致土壤磷積累過剩，降低了土壤C/N、C/P和N/P[3]。施加單一化肥提高土壤中N/P，N/P作為反映土壤磷素礦化能力的指標，其比值越高，說明磷的礦化能力越強。磷作為作物生長和微生物活動不可缺少的元素，其活性的提高有利于作物生長，且會提高微生物活性從而起到改良土壤的作用。

長期不同施肥處理下養分投入狀況的差異，會對土壤微生物的養分供應造成不同程度的影響，從而影響微生物生物量碳氮磷的化學計量比[9]。王傳杰等[9]研究結果表明，不同施肥制度下土壤MBC/MBP均顯著低于撂荒處理，李春越等[10]研究也發現，長期施肥處理的MBC/MBP顯著低于不施肥處理，這與薈萃分析結果一致。一方面，長期施肥使土壤酸化板結，通氣性差，土壤C/N降低，土壤有機碳礦化加速而使得土壤中積累的有機碳量減少，而作物生長過程中消耗大量碳源卻沒有及時得到補充，微生物只能釋放體內固持的碳素以供作物生長，導致MBC含量降低。但合理的化肥有機肥配施可以提高土壤養分的有效性和保水能力，為微生物提供豐富的碳源，從而提高MBC。Guo等[20]發現，有機肥處理下二氧化碳排放量、潛在礦化碳和周轉速率常數顯著增加。另一方面，因為磷肥的施用提供了一個富磷環境，這時微生物生長速率高。根據生長速率理論，微生物會促進富含磷元素的核糖體RNA運作。因此，不同施肥方式下MBC/MBP均降低。在農田生態系統中，長期單施有機肥(糞肥)和長期單施化肥時MBC、MBN與不施肥處理相比均略有增加，而在施用化肥基礎上配合養分循環再利用，MBC、MBN均顯著提高[21]。薈萃分析顯示，施用單一化肥和化肥有機肥配施時MBC/MBN降低，而施用復合肥時MBC/MBN升高。這是因為無機氮肥和有機肥向土壤提供了大量的氮能夠調節土壤氮素的供應能力，加強微生物對氮素的固持作用，而復合肥提供的營養較為均衡，這種優勢作用則不明顯。但是施肥對微生物量的影響還與肥料種類、施肥數量、施肥處理時間等有關[22]。長期施肥顯著改變了微生物的整體功能結構。施用化肥顯著增加了參與碳、氮、磷和硫循環的大多數基因的多樣性和豐度[23]，這也是微生物量化學計量變化的原因之一。

水田和旱地是中國主要產糧區的2種主要農業生態系統。與自然生態系統相比，旱地通常會導致土壤碳和氮的流失，而水田由于長期處于淹水條件，限制了與有機物分解和C礦化相關的微生物活動，使其土壤碳積累量較高。密集的氮肥施用和緩慢的N礦化和微生物生物量周轉是水田含N較高的原因。本研究中，水田和旱地這2種常見的利用方式對土壤養分化學計量比的影響模式相似，均降低了土壤C/N、C/P和N/P，這與Zheng等[24]的部分研究結果類似。在旱地，耕作會提高土壤孔隙度，增加通氣和碳礦化造成高碳損失，而作物收獲后殘體不能就地返回也造成了低碳輸入和高碳輸出。同時，旱地土壤中密集的磷肥施用和較低的生物有效性使得大量磷素殘留在土壤中。旱地土壤中的低碳和高磷含量是降低C/N、C/P和N/P的主要原因。淹水條件限制了水田中與較慢的有機質分解和秸稈碳礦化相關的微生物活動，促進了碳積累。但是集約化管理措施(氮和磷施肥、耕作、灌溉等)以及作物殘留體的清除會干擾碳、氮的耦合，導致水稻土中氮和磷的積累高于碳，C/N和C/P相對較低。耕作制度與氣候條件息息相關。熱帶和亞熱帶等較溫暖和較濕潤的地區通常為一年兩熟，而一年一熟在暖溫帶和中溫帶地區(特點是溫度和降雨量較低)更為常見。本研究中除了一年兩熟會提高MBC/MBP外，不同輪作制度均會降低土壤養分和微生物量化學計量比，但一年兩熟的土壤變化更加強烈。這是因為溫暖潮濕地區初級生產力較高，母質高度風化，再加上磷淋失量較高，導致養分變化趨勢大。不同pH值環境下土壤養分和微生物量化學計量比具有相同的變化趨勢，說明pH值可能會通過調控土壤中的養分循環而影響微生物活動。尤其是長期施肥處理后土壤酸堿度發生變化，會對微生物的生命活動產生抑制作用[10]。

3.2 不同施肥下土壤酶活性變化及相關性分析

土壤酶主要來源于土壤微生物代謝和動植物的分解，土壤中的所有生化反應都是在土壤酶的參與下完成的，所以土壤酶活性水平可以反映土壤生物活性和土壤生化反應強度[25]。不同的施肥處理措施均提高了土壤中蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性，這與陳桂芬等[18]的研究結果一致。因為施肥，尤其是化肥配施有機肥可以改善土壤物理結構和通氣性，為微生物提供一個適宜的生長繁殖條件，另外有機肥中的微生物釋放的酶隨著肥料一同進入耕地中，增加了土壤酶的數量，從而提高了土壤酶活性。柳開樓等[26]研究表明，化肥有機肥配施比化肥單施更有利于提高土壤酶活性，這與本研究中有機無機配施顯著提高土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性結果一致。

脲酶是表征土壤速效養分和作物養分吸收的關鍵酶活性因子[27-28]，不同施肥下脲酶活性的增量無顯著差異，是因為在肥料投入的過程中首先要保證作物對N的需求，豐富的氮源使脲酶活性一直保持在較高水平。脲酶活性還與溶磷細菌數量密切相關[18]，本研究中，脲酶活性與TP和MBP呈顯著正相關也間接證實了這一點。磷酸酶活性是反映土壤有機磷轉化能力的指標，與土壤pH值關系密切，有機無機配施可通過調節土壤pH值來增加其活性。磷酸酶活性與土壤OC和MBC呈極顯著相關性，說明土壤中C轉化過程也影響其活性高低。蔗糖酶是水解酶，其活性高低反映土壤有機碳分解與轉化的規律。因此，磷酸酶活性與蔗糖酶活性呈極顯著正相關。過氧化氫廣泛存在于土壤中對土壤具有一定的毒害作用，而土壤中的微生物和作物根系分泌的過氧化氫酶可以將其分解為水和氧氣等無毒物質。本研究發現，施肥提高了過氧化氫酶活性，這與曲杰等[29]的結果不一致，這可能是由于土地利用類型、土壤酸堿度、輪作制度以及肥料用量和施肥時間不同造成的差異。但與其他酶活性相比，過氧化氫酶活性在不同施肥土壤中趨于穩定。過氧化氫酶活性與土壤磷素的轉化關系密切，對土壤中氮素的轉化也具有重要作用[30]，但過氧化氫酶活性與土壤TN和TP無顯著相關性而與MBN、MBP呈極顯著正相關，這說明影響過氧化氫酶活性的主要是土壤中的生物過程。

農田生態系統具有較大的空間異質性，土壤養分狀況、微生物活動或酶活變化單一過程很難反映土壤質量狀況、評估某一田間管理方式的科學性。土壤養分-微生物-酶活性體系搭建有助于理解土壤CNP大量元素的周轉和循環，從而改善農業措施。

本研究通過數據整合分析，明確土壤和微生物量CNP化學計量特征及土壤酶活變化對不同施肥方式的響應。結果表明：①化肥有機肥配施能夠顯著影響土壤中CNP化學計量比，使其處于適合微生物活動的范圍，促使微生物釋放更多有利于土壤養分礦化的酶。因此，化肥有機肥配施可作為農業生產中提高作物產量并保證土壤健康的有效途徑。②土壤酶活性受到土壤養分狀況和微生物生物量周轉過程的共同影響。③CNP化學計量比還受到土地利用類型、土壤酸堿度和輪作制度等因素的影響。肥料類型及施用量、土壤耕種年限等也是影響研究結果的重要因素，如果要得出更加精確的結論，還需結合各地實際情況。因此，本研究旨在從土壤-微生物-酶活性體系和化學計量比的角度為科學施用肥料提供一條新思路。