荒漠綠洲農田鹽漬化過程中的土壤碳、氮、磷生態化學計量特征

王 燕,武興寶,秦新惠,張永久,楊 麗,趙哈林

(1.酒泉職業技術學院,甘肅酒泉 735000;2.中國科學院西北生態環境資源研究院,蘭州 730000)

0 引 言

【研究意義】生態化學計量學是一種研究碳(C)、氮(N)、磷(P)元素在多種生態系統過程中其比例隨外界影響因子產生變化規律的重要方法[1-2],C、N、P化學計量比是土壤質量與有機質組成的重要指標[3],可以反映土壤內部碳氮磷循環,具有重要的生態指示作用[4]。而土壤作為組成生態系統的重要部分,通過改善土壤質量,能夠有效地促進植被恢復,穩定生態系統平衡[5]。C、N、P元素是組成土壤養分的重要部分[6],其養分含量及化學計量比,是影響土壤生態系統恢復,調控土壤養分循環,增強土壤肥力的重要因素[7]。通過對土壤C、N、P化學計量比值的掌握,能夠有效地為土壤養分存留、元素循環及土地管理提供理論依據[8]。土地鹽漬化是世界范圍內面臨的重要環境問題,尤其在干旱半干旱地區。土地鹽漬化導致農田減產、土壤理化性質惡化,制約農業的可持續發展[9]。采用生態化學計量學的方法,定量分析農田鹽漬化過程中土壤C、N、P等元素的變化、養分限制及其影響機制,對于制定科學合理的鹽漬化農田土壤養分管理措施,改良利用鹽堿地有重要意義。【前人研究進展】目前,有關土壤C、N、P生態化學計量學研究多集中在草地[10]、濕地[11]、森林[12]和山地[13]等生態系統。寧志英等[12]研究表明,草地沙化過程中土壤N:P較全N、全P含量更能反映土壤養分對生產力的限制作用;郭其強等[10]研究揭示了高原山地馬尾松人工林土壤養分的供給狀況、利用規律及反饋作用機制,深化了對森林生態系統養分循環機制的認識和理解。【本研究切入點】不同程度鹽漬化農田對農作物生長發育影響不盡相同,進而影響到進入土壤的動植物殘體和土壤微生物量,導致不同鹽漬化梯度間及土層間土壤養分含量存在差異,進一步影響到鹽漬化農田的土壤肥力狀況。目前對鹽漬化生態系統土壤生態化學計量學的研究較少。生態化學計量學對于養分限制性有一定的指示作用[14]。但由于環境條件對生態化學計量特征影響的差異,目前尚不存在統一的生態化學計量學標準來判斷養分限制[15]。因此,基于生態化學計量學的特定生態系統養分限制及其影響機制仍需深入研究。尤其需研究鹽漬化過程中土壤C、N、P等元素的變化規律、養分限制及其影響機制。【擬解決的關鍵問題】采用空間代替時間的方法,以河西走廊綠洲鹽漬化農田2種主要種植作物(紫花苜蓿和大麥)地不同梯度的鹽漬化農田為研究對象,研究鹽漬化過程對土壤養分特征的影響,結合生態化學計量學的手段,分析不同鹽漬化水平下土壤養分差異及其限制元素,為精準指導河西地區鹽漬化農田合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設計輕度(S1)、中度(S2)、重度(S3)和極重度(S4)4個鹽漬化梯度,其對應的土壤孔隙電導率(ECp)值分別為2～4 dS/m,4～8 dS/m,8～16 dS/m和>16 dS/m;非鹽漬化農田為對照處理(CK)。2021年4月結合0～10 cm土層土壤孔隙電導率(ECp)選定各梯度樣地,并隨機排列樣地,每個梯度3個重復,共27塊樣地。

大麥的播種量為225 kg/hm2,播種期為2021年3月12日,收獲期7月22日。各梯度播前施磷酸二銨375 kg/hm2,尿素(N≥46%)75 kg/hm2,播后4～8周,追施尿素(N≥46%)300 kg/hm2。紫花苜蓿的播種量為45 kg/hm2,播種期為2020年9月20日,分別于2021年6月22日,7月14日和9月16日刈割3茬。各梯度播種前施磷酸二銨225 kg/hm2,尿素(N≥46%)75 kg/hm2。田間管理與大田一致。2020年11月,大麥和紫花苜蓿地各梯度灌冬水100 m3/hm2。2021年生長季,大麥地僅于5月下旬～6月上旬灌水1次,灌水量為100 m3/hm2。紫花苜蓿地分別于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,每次灌水量為100 m3/hm2。

1.2.2 土壤采樣

于2021年7月9～14日、9月14～19日(第三茬)2種作物成熟期采集土壤。在不同鹽漬化梯度的每塊樣地隨機設9個取樣點,每個取樣點用土鉆分別取0～10、10～20、20～40 cm層土壤,分層混合在一起,在室內將土壤樣品風干,過2 mm篩分析土壤理化性狀。在每個鹽漬化梯度上使用環刀法測定土壤容重,每個樣地5個重復;用取土器分別取各層土壤,用高精度HH2Delta-T Devices Moisture Meter(英國)的WET Sensor土壤鹽分計采集各層土壤電導率和土壤溫度。土壤質地的測定采用濕篩加吸管法。土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的測定方法為常規方法[16]。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS23.0進行數據分析和處理。利用單因素方差分析(One-way ANOVA)進行不同鹽漬化梯度和不同土層土壤養分和化學計量比的差異分析,利用Person相關系數評價土壤環境因子與土壤SOC、N、P化學計量特征之間所存在的內在關聯。數據用“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 2種作物地農田鹽漬化過程中土壤SOC、TN、TP含量的變化

研究表明,在紫花苜蓿地,0～40 cm土層土壤SOC含量表現為S1>S2>CK>S3>S4;TN含量表現為S2>S1>CK>S3>S4;TP含量表現為輕度鹽漬化農田最高,隨鹽漬化程度的加劇,波動式降低。在0～40 cm土層,土壤SOC在S1分別與S3和S4間、S2與S4間存在顯著差異;土壤TN在S2分別與S3和S4間、S1分別與S3和S4間存在顯著差異;土壤TP在CK和S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異。在大麥地,土壤SOC含量、TN和TP含量表現為輕度鹽漬化農田最高,隨鹽漬化程度加劇,土壤SOC含量、TN和TP含量逐漸降低。S4土壤SOC、TN含量與CK、S2差異性顯著,而土壤TP在S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異。表1

表1 兩種作物地不同鹽漬化階段0～40 cm土層C、N、P含量均值及其化學計量比特征

在紫花苜蓿地,不同鹽漬化階段土壤SOC、TN及TP含量具有“表聚”特征,0～10 cm表層土壤SOC、TN及TP含量最高,且土壤SOC、TN、TP含量均隨土層深度增加而降低。在0～10 cm土層,SOC和TN含量在CK、S1、S2分別與S4間存在顯著差異(P<0.05),且S1土壤SOC和TN含量顯著高出S462.82%、57.18%;TP含量在CK、S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異,其中CK、S1土壤TP含量分別顯著高出S436.07%、43.09%。在大麥地,CK～S3土壤SOC、TN含量隨土層深度增加變化無顯著性差異(P<0.05),S4土壤SOC、TN含量在各土層間存在顯著差異。TP含量隨土層深度增加,在S3和S4,不同土層間存在顯著差異(P<0.05),其他鹽漬化階段農田各土層間差異不顯著。在0～10 cm土層,SOC含量在S1分別與S3和S4間存在顯著差異,TN含量在CK～S2分別與S4間存在顯著差異,TP含量在CK、S1分別與S2、S3、S4間存在顯著差異(P<0.05)。圖1

注:不同大寫字母表示同土層不同鹽漬化階段間差異顯著,小寫字母表示同鹽漬化階段不同土層間差異顯著(P<0.05)

2.2 2種作物地農田鹽漬化過程中土壤碳氮磷生態計量學特征的變化

研究表明,在0～40 cm土層,在紫花苜蓿地,隨鹽漬化的加劇,C/N呈“V”型變化,在中度鹽漬化階段C/N比值最低。S2分別與CK、S1、S4間土壤C/N比值差異顯著(P<0.05)。C/P和N/P值表現為隨鹽漬化的加劇,呈先增后減的變化趨勢,在中度鹽漬化階段C/P和N/P值比值最高。S2分別與CK、S3、S4間土壤C/P值差異顯著(P<0.05);S2與其他各鹽漬化階段農田間、S1與S4間土壤N/P值差異顯著(P<0.05)。在大麥地,C/N值表現為隨鹽漬程度的加劇,波動式增加。S4分別與CK、S1、S3間C/N值差異顯著。C/P值和N/P值表現為隨鹽漬化程度加劇而降低(P<0.05)。S3分別與CK和S1間、S4分別與CK、S1、S2間土壤C/P值差異顯著;CK分別與S3、S4間、S4分別與CK、S1、S2間土壤N/P值差異顯著。表1

在紫花苜蓿地,0～10、10～20、20～40 cm土層土壤C/N在不同鹽漬化階段間無顯著性差異。2種作物地,在各鹽漬化階段土壤C/N、C/P及N/P在不同土層間也無顯著性差異。表2

表2 2種作物地不同鹽漬化階段不同土層土壤養分化學計量比特征

2.3 農田鹽漬化過程中土壤環境因子對土壤C、N、P生態化學計量比的影響

研究表明,土壤SOC與土壤TN、土壤TP、C/P、N/P有顯著的正相關關系(P<0.05),在紫花苜蓿地,相關系數分別為0.939、0.675、0.763、0.682;在大麥地,相關系數分別為0.977、0.590、0.951、0.898。TN與C/N呈顯著負相關關系(P<0.05),與C/P、N/P呈極顯著正相關關系(P<0.01)。在紫花苜蓿地,TN與C/N、C/P、N/P的相關系數分別為-0.569、0.783、0.824;在大麥地,TN與C/N、C/P、N/P的相關系數分別為-0.573、0.971、0.961。土壤C/N與N/P有極顯著負相關關系,C/P與N/P有極顯著正相關關系(P<0.01),在紫花苜蓿地,相關系數分別為-0.696、0.930;在大麥地,相關系數分別為-0.683、0.979。在2種作物田,TP與C/N、C/P、N/P沒有顯著相關性。表3

表3 鹽漬化農田土壤SOC、TN、TP含量與化學計量比的相關性

在紫花苜蓿地,土壤含水量、土壤電導率和土壤黏粉粒影響土壤SOC、TN、TP含量及化學計量特征。土壤含水量與土壤C/P、N/P呈極顯著正相關(P<0.01),相關系數為0.655、0.687;土壤孔隙電導率與土壤SOC、TN、TP呈極顯著負相關(P<0.01),相關系數為-0.676、-0.642、-0.623;土壤黏粉粒含量與土壤SOC、TN、TP呈顯著正相關(P<0.05),相關系數為0.600、0.589、0.833。在大麥地,土壤含水量與土壤SOC呈顯著負相關(P<0.05);土壤電導率與土壤SOC、TN、C/P、N/P呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤C/N呈顯著正相關;土壤容重與土壤SOC和TN呈顯著負相關;土壤溫度與土壤TP呈顯著負相關。表4

表4 鹽漬化農田土壤環境因子與SOC、TN、TP化學計量特征的相關性

3 討 論

3.1 2種作物地農田鹽漬化過程中土壤碳、氮、磷含量的變化

不同土地退化類型對土壤養分有不同程度的影響[3],N、P元素作為土壤養分的重要組成部分[17],其含量可以表征土地退化對土壤質量的影響。研究中,隨鹽漬化程度的加劇,土壤SOC、TN、TP含量逐漸降低,在農田鹽漬化過程中土壤養分累積作用逐漸降低。因為隨著鹽漬化的加劇,農田作物覆蓋降低,地表裸露,凋落物的輸入減少,導致土壤有機質含量的減少[18]。土壤碳和氮是緊密聯系在一起的[19],其中之一發生變化必然引起另一個的變化,農田鹽漬化過程中土壤TN的變化與土壤SOC的變化是相似的,降低幅度較大。在研究區,不同鹽漬化階段農田土壤TP含量降低較少,與朱秋蓮等[20]的研究結果一致。由于磷主要受土壤風化的影響,由于土壤風化是一個漫長的過程,且風化程度在不同鹽漬化階段農田土壤層中差異不大,因而變異性較小[21]。研究區中,不同鹽漬化階段農田土壤養分含量集中在0～10 cm表層土壤,且土壤SOC、TN、TP含量均隨土層深度增加而逐漸降低,土壤養分具有“表聚性”特征,與魏孝榮和邵明安[22]的研究結果一致。因為地表植被通過植物根系分泌物及表層植物殘體向土壤輸送C、N、P元素[23],表層土壤通氣狀況良好,養分充足,利于土壤微生物活動[24];而隨著土層深度的增加,枯落物及腐殖質對土壤元素的積累影響逐漸降低[25]。

3.2 農田鹽漬化過程中土壤養分化學計量比的變化

農田鹽漬化過程也會影響到土壤養分化學計量比,而養分化學計量比是用作表征C、N、P礦化和固持作用的重要指標之一[26],各計量比能很好地指示土壤營養元素的限制及其有效性。農田鹽漬化過程中C/N>C/P>N/P。

土壤C/N能夠影響土壤中有機碳和氮的循環,是土壤質量的敏感指標,標志著土壤有機質礦化速率快慢和釋放養分能力的強弱[27]。研究中,大麥地,CK～S40～40 cm土層土壤C/N的平均值分別為9.33,9.50,9.78,8.98,10.50;紫花苜蓿地分別為10.31,10.25,9.25,10.09,10.50。不同鹽漬化階段農田土壤C/N的平均值均低于全國平均值(12.3)[28],有機質具有較快的礦化速率。隨鹽漬化程度的加劇,在紫花苜蓿地,C/N呈“V”型變化,在中度鹽漬化階段有機質分解速度最快;在大麥地,C/N值表現為波動式增加,土壤有機質礦化速率和釋放養分能力逐漸降低。2種作物地,各鹽漬化階段土壤C/N在不同土層間無顯著性差異,這是因為土壤C、N之間緊密聯系,在元素儲存及消耗過程中存在一個較為穩定的比值[29]。同時,在紫花苜蓿地,0～10、10～20、20～40 cm土層土壤C/N在不同鹽漬化階段間未表現出明顯差異,這可能與紫花苜蓿生物學屬性有關。

土壤C/P是磷有效性的表征參數,低C/P說明土壤P有效性較高。研究中,大麥地,CK～S40～40 cm土層土壤C/P的平均值分別為5.74,5.55,4.91,4.00,3.23;紫花苜蓿地分別為3.32,3.79,4.24,3.40,3.23。不同鹽漬化階段農田土壤C/P的平均值均遠低于中國土壤平均水平(60.00)[28]。在農田鹽漬化過程中,土壤P有效性較高。與已有研究表明大多數鹽堿地對磷的供應是足量的[30]結果一致。

土壤N/P可在一定程度上反映土壤養分的供應能力,是當前限制性養分判斷的重要指標之一[31]。研究區,大麥地,CK～S40～40 cm土層土壤N/P的平均值分別為0.63,0.59,0.50,0.45,0.31;紫花苜蓿地分別為0.32,0.37,0.46,0.34,0.31。不同鹽漬化階段農田土壤N/P的平均值均遠低于中國土壤(5.10)的研究結果[28]。N/P較低,進一步表明了研究區土壤的N匱乏。在大麥地,隨鹽漬化程度的加劇,土壤N/P呈直線下降趨勢。在大麥地,在農田鹽漬化過程中,土壤N含量是持續減少的。在紫花苜蓿地,隨鹽漬化程度的加劇,土壤N/P呈先增后減的變化,在中度鹽漬化階段比值最高,氮素的匱乏程度是先降低后增加的。2種作物地,在各鹽漬化階段土壤C/P及N/P在不同土層間無顯著性差異,這可能與各鹽漬化階段C、N、P元素儲存及消耗過程中存在一個較為穩定的比值有關。

4 結 論

4.12種作物地,隨鹽漬化程度加劇,土壤養分(SOC、TN、TP)含量波動式降低;不同鹽漬化階段土壤養分含量垂直分布上表現出明顯的“表聚性”特征。

4.2隨鹽漬化程度的加劇,在紫花苜蓿地,C/N呈“V”型變化,在中度鹽漬化階段C/N比值最低;C/P和N/P值表現為先增后減的變化趨勢,在中度鹽漬化階段C/P和N/P值比值最高。在大麥地,隨鹽漬化程度加劇,土壤有機質礦化速率和釋放養分能力持續降低,氮素逐漸匱乏。研究區,在農田鹽漬化過程中土壤SOC與TN是影響土壤養分生態化學計量比的主要因素,TP不是土壤養分限制的主要因素。

4.3土壤養分化學計量特征,在苜蓿地,與土壤含水量、土壤電導率和土壤黏粉粒含量有顯著相關關系(P<0.05),與土壤容重和土壤溫度沒有顯著相關性;在大麥地,與土壤含水量、土壤電導率、土壤容重和土壤溫度有顯著相關關系(P<0.05),與土壤黏粉粒含量沒有顯著相關性。