種植年限對設施土壤微生物熵及生態化學計量特征的影響

于淼 池景良

摘要：為明確遼寧省朝陽地區設施土壤化學計量比特征和微生物量熵隨種植年限的變化，解析設施土壤變化規律，為該地區設施農業的可持續提供理論依據，以遼寧省朝陽市喀左縣公營子鎮番茄種植大棚0～20 cm耕層土壤為研究對象，采集種植年限分別為0、1、5、10、15、20年以上的土壤樣本進行檢測分析。結果表明，隨著種植年限的增加，土壤碳氮比（SOC含量/TN含量）和碳磷比（SOC含量/TP含量）在0～15年期間始終在下降，在15～20年略有回升，氮磷比（TN含量/TP含量）呈穩定下降的趨勢。土壤微生物量碳氮比（BC含量/BN含量）在10年達到最低，土壤微生物量的碳磷比（BC含量/BP含量）在15年最低。土壤微生物量的氮磷比（BN含量/BP含量）在20年時達峰值。種植年限與BN含量/BP含量呈強正相關，與TN含量/TP含量呈極顯著負相關，BC含量/BN含量與BC含量/BP含量呈強負相關。朝陽地區設施土壤隨著種植年限的增加，存在磷肥使用過量的問題，應合理耕作，減少化肥使用量，保證設施農業的可持續發展。

關鍵詞：種植年限;微生物量熵;生態化學計量比;相關性

中圖分類號：S154.36文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0234-04

收稿日期：2021-08-05

基金項目：遼寧省“興遼英才計劃”（編號：XLYC2002048）;遼寧省農業科學院土壤微生態學科建設項目（編號：2019DD154522）。

作者簡介：于 淼（1982—），女，遼寧朝陽人，碩士，副研究員，主要從事土壤微生態調節研究。E-mail：52638019@qq.com。

通信作者：池景良，研究員，主要從事土壤微生態方面的研究。E-mail：chijingliang@sina.com。

遼寧省朝陽地區屬于典型的半干旱地區，以低山、丘陵為主要地形特征。氣候干旱，降雨較少，農事生產活動受到氣候條件的較大制約。設施農業以其集約化程度高、產能高效、免受氣候、地形等條件制約等諸多特點，逐漸成為一種重要的耕作方式，受到本地農民的認可，其耕作面積逐年增加。隨著種植年限的增加，在這種半封閉的生產條件下，棚內的環境呈強濕度、高肥高農藥的累積，農戶缺乏科學的管理和施肥指導，導致耕層土壤質量出現酸化、鹽漬化、養分失衡等情況，土壤微生態環境趨于惡劣等一系列問題^[1-2]，間接導致病蟲害加劇，使本地設施蔬菜的產量和品質以及農民的收入都受到嚴重影響。

土壤微生物熵（qMB）是土壤微生物生物量碳、氮、磷占土壤有機碳、全氮、全磷含量的比例，主要受土壤有機質質量和數量的影響，用來反映土壤單位資源所能支持的微生物生物量^[3]。qMB可以反映土壤養分及利用效率的差異變化，進而起到預測土壤環境微妙變化的作用^[4]。具體體現在qMB越大，該地土壤養分積累就越大，相反則土壤養分損失越大^[5]。qMB的變化在一定程度上會影響土壤有機質的轉化、土壤與微生物養分之間的周轉速率以及土壤碳的損失^[6]，因此不同生態系統養分的積累與恢復狀況可以通過qMB來探究^[7]。常被用于預測土壤養分庫的細微變化、土壤退化程度監測及其恢復效果評價^[8]。

生態化學計量學（ecological stoichiometry）是一門交叉學科，它結合了生物學、化學和物理學的基本原理，為研究碳（C）、氮（N）、磷（P）等元素在生態系統過程中的變化及動態平衡提供了一種綜合方法，土壤養分的可獲得性可以通過研究土壤生態化學計量學特征而明了。我國學者對生態化學計量學的研究相對缺乏，已有研究主要集中于植物的變化特征方面^[9-10]，對土壤的研究則集中在不同生境的土壤生態化學計量特征，如森林、荒漠等具有明顯特征的生境，設施土壤則研究較少，因此本研究選取土壤微生物量熵和土壤化學計量特征作為主要研究對象，分析種植年限對它們的影響以及兩者之間的相關性，以期為當地的設施農業進行合理耕作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

設施農業土壤于2020年7月20日采自遼寧省朝陽市喀喇沁左翼蒙古族自治縣六官營子種植大棚，采樣區選取同一園區的蔬菜大棚，常年栽培番茄，1年2茬，土壤理化性質一致，且不同種植年限的土壤均未換土，確保整個試驗中耕作管理措施以及土壤類型的統一，其施肥主要以有機肥、蔬菜專用肥為主。試驗土樣選取0、1、5、10、15、20年以上不同種植年限的日光溫室，取樣時用內徑2 cm的土鉆取0～20 cm土壤，每個年限用“S”形采樣法取6鉆，混合均勻，土樣利用四分法進行區分，混勻的土樣分為2個部分，一部分正常保存，用于分析土壤理化性狀，其余冷藏保存，用于檢測微生物量。

1.2 測定方法

有機碳（SOC）含量的測定采用重鉻酸鉀容量滴定法;全磷（TP）含量的測定用濃硫酸-高氯酸消煮，全氮（TN）含量的測定用濃硫酸消煮，后期均采用全自動流動分析儀法測定^[11-12]。微生物量碳氮磷含量的測定參照土壤微生物生物量的測定，以熏蒸提取法進行測定^[13]。

1.3 儀器與設備

AE100S電子分析天平，JY92-2D超聲波細胞粉碎機，FE20pH計，MILLIQ-AMILLIPORE超純水純化系統，IFTA7-MAC3流動分析儀，HYP-340消化爐，KGN-4C消化器。175467BE-6D46-43F0-8EC6-0CB9ADBBA4E1

1.4 數據分析

試驗數據采用SPSS26.0分析處理，不同處理間的差異顯著性采用LSD法檢驗;用皮爾遜法進行相關性分析。Microsoft Excel 2016、Origin 2019進行分析處理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限下土壤微生物量熵的變化

從圖1可以看出，微生物量碳熵（qMBC）在種植5年時最大，隨后呈下降趨勢，說明土壤生態與農事活動在5年時達到平衡，地力最強。而微生物量氮熵（qMBN）隨種植年限的增加呈下降趨勢，20年時有回升。微生物量磷熵（qMBP）則整體一直呈下降趨勢。

2.2 不同種植年限下土壤養分及微生物量生態化學計量特征的變化

從圖2可以看出，土壤養分的碳氮比（SOC含量/TN含量）和碳磷比（SOC含量/TP含量）在 0～15年期間均隨著種植年限的增加呈降低趨勢，在 15～20年期間略有回升，氮磷比（TN含量/TP含量）整體呈一直下降的趨勢。土壤微生物量的碳氮比（BC含量/BN含量）在種植10年時最低，土壤微生物量的碳磷比（BC含量/BP含量）在種植15年時最低，隨后上升。土壤微生物量的氮磷比（BN含量/BP含量）在20年時因為土壤中的微生物量磷嚴重下降而呈突然上升的趨勢。

2.3 種植年限與土壤微生物量生態化學計量特征、微生物量熵相關性分析

對于Person系數，相關系數r在0.9以上是極顯著相關，在0.8～0.9是顯著相關，在0.6～0.8是強相關，在0.4～0.6是中等程度相關，0.2～0.4是弱相關，在0～0.2則是極弱相關或無相關。從表1可以看出，種植年限與BN含量/BP含量呈強正相關，與TN含量/TP含量、qMBP呈顯著或極顯著負相關，BC含量/BN含量與BC含量/BP含量、qMBN呈強負相關，BC含量/BP含量與BN含量/BP含量呈強正相關，BN含量/BP含量與TN含量/TP含量呈強負相關，SOC含量/TN含量與SOC含量/TP含量、qMBN、qMBP呈正相關，SOC含量/TP含量與TN含量/TP含量、qMBN、qMBP呈強正相關，TN含量/TP含量與qMBP呈強正相關，qMBN與qMBP呈強正相關。

3 結論與討論

3.1 不同種植年限對土壤微生物量熵的影響

qMB可以從微生物學的角度揭示土壤肥力差異，與試驗區域所在地農耕制度、土壤類型、農戶習慣、管理措施等因素關系密切，其變化范圍一般為0.27%～7.00%，qMB反映土壤養分及養分利用效率的差異變化，可對土壤生態環境的微妙變化迅速做出預測。本研究中qMB的變化與前人的研究結果（1%～5%）^[14-15]一致。農耕活動開始，當地農民習慣施用大量的農家肥對新開墾的大棚進行熟化，極大地活化了土壤中的微生物活動，使其數量和種類得到了極大提高，所以在種植初期，3個微生物量熵均較高，其中qMBC在5年時最高，說明土壤的C累積與消耗在5年時達到平衡狀態，之后一直呈下降趨勢。而qMBN和qMBP隨著種植年限的增加一直下降則表明土壤中的N和P的儲備庫一直在損失。究其原因應該是隨著種植年限的增加，施肥量的不斷累積，土壤微生物生物量的下降，導致熵值的降低，反映了土壤肥力水平的降低，也側面反映了當地設施農業存在施肥過量問題。

3.2 不同種植年限對土壤養分及微生物量生態化學計量特征的影響

趙海燕等認為土壤C、N、P生態化學計量比可以作為土壤有機質組成和土壤質量狀況以及養分供給能力的重要指標，也可作為土壤C、N、P礦化與固持轉化的評價指標^[16]。土壤的SOC含量/TN含量比與有機質分解速度成反比^[17]，本研究中設施土壤的TC含量/TN含量比隨著種植年限的增加呈先下降后上升趨勢，表明15年之前土壤中有機質的分解速度一直處在較快的狀態，而有機質的快速分解，使得微生物得到足夠的N元素來構成其軀體的重要組成部分，從而加快其繁殖速度^[18]。這也就很好地解釋了上文中qMBC的變化。土壤有機質的分解速率決定了磷元素的有效性，較低的SOC含量/TP含量是磷有效性高的一個指標。本研究表明種植20年時，磷的有效性開始下降。有學者認為TN含量/TP含量可用作氮飽和的診斷指標，被用于確定養分限制的閾值^[19-20]，但對比設施土壤并沒有相關的研究，本研究中的TN含量/TP含量說明該地區磷肥的使用量過大，在土壤中累積嚴重。

設施土壤BC含量/BN含量出現先增高后降低的趨勢，說明SMBC在10年之前處在快速增長階段。微生物量的BC含量/BP含量和BN含量/BP含量變化基本一致，先下降后上升再下降，在20年時出現的增長則是因為SMBP的迅速下降導致，推測與磷肥的過量使用導致解磷微生物的活性降低，土壤磷庫遭到破壞有關。

3.3 不同種植年限與土壤微生物量生態化學計量特征、微生物量熵相關關系

相關性分析表明種植年限與微生物量生態化學計量比相關性較低，但與TN含量/TP含量、qMBP呈極顯著或顯著負相關，說明磷肥施用量累積嚴重導致qMBP下降，磷的利用率也呈下降趨勢，高投入并沒有得到相應的產出。而多個與磷相關的指標都呈顯著相關，是否可以認為磷元素可以被認為是當地設施農業土壤養分的限制元素還需要進一步的研究和認證。

本研究僅針對朝陽地區的設施農業土壤微生物量熵和生態化學計量特征的變化進行了研究。結果表明，朝陽地區的設施土壤磷肥使用過量尤為嚴重。應多用農家肥，降低化肥施用量，提高土壤微生物的活性，以改良現狀，保證當地設施農業的可持續發展。

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