施肥對黃土高原農地土壤碳氮磷生態化學計量比的影響

宋亞輝, 艾澤民, 喬磊磊, 翟珈瑩, 李袁澤, 李秧秧1,

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院大學, 北京 100049; 3.西安科技大學 測繪科學與技術學院, 西安 710054; 4.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 5.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100)

作為生態化學計量學的重要分支學科，土壤生態化學計量學是一門主要研究土壤內部養分(碳、氮、磷等)循環和平衡的學科，其化學計量比可以反映土壤肥力狀況、土壤有機質構成、質量狀況和養分供給能力，以及土壤碳、氮、磷等養分的礦化狀態[1-2]。土壤養分(碳、氮、磷等)是影響生態系統結構和功能的主要因素之一，其含量狀況對植物的生長和生產力水平有著重要影響作用[3]，因此，土壤碳、氮和磷含量及其元素化學計量比對維持生態系統的可持續性和生產力起著關鍵性作用[4]。研究土壤碳、氮和磷含量及其化學計量比對揭示土壤養分的有效性及碳、氮、磷等元素的循環與平衡作用具有重要意義，了解土壤碳、氮和磷元素化學計量比狀態有助于提高我們理解陸地生態系統的養分循環和生物過程[5-6]。黃土高原農業區是我國西北地區重要的耕地資源，是我國重要的潛在糧食生產區之一，該地區降雨量小，水土流失嚴重，土壤肥力低下，其土壤肥力和水分是限制該地區農作物生產力的主要因素，因此，提高土壤肥力是提高黃土高原地區糧食作物產量的主要手段之一[7]。20世紀80年代以來，由于采取肥料投入、品種改良、水土治理等多種措施，該地區土壤生產力明顯提高[8]。作為提高土壤肥力、增產糧食作物產量的主要手段，施肥對該地區土壤養分含量和作物產量影響的研究已有大量報道。研究結果表明，單施化肥[9-12]、單施有機肥[9,11-13]、化肥配施[11,13]或有機肥與化肥配施[9,11-13]會顯著提高農地耕作層土壤碳、氮、磷含量和作物產量。這與其他地區農地施肥研究結果一致，施肥對土壤碳、氮、磷含量和作物生產力有顯著提高作用[14-21]。也有研究發現，單施化肥或有機肥沒有提高土壤有機碳含量，土壤碳含量反而降低[14,22-23]。施肥對土壤碳、氮、磷含量的影響會因土壤類型、種植作物、地區氣候、輪作方式等不同而產生差異[21,24]。當前對農地的研究多集中在施肥對作物產量和土壤碳、氮、磷含量等土壤肥力方面，較少研究施肥對土壤碳、氮、磷化學計量比的影響。本文以黃土高原地區的中國科學院安塞水土保持綜合試驗站開展長期定位研究試驗的川地為基礎，系統分析2011—2013年川地施肥試驗對土壤碳、氮、磷含量及其化學計量比的影響，揭示土壤生態功能對農地施肥的響應，以期為該地區合理施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

本試驗于2011—2013年在中國科學院安塞水土保持綜合試驗站進行，該試驗站位于中國西北部的黃土高原中部地區(36°31′—37°20′N,108°52′—109°26′E)，海拔1 068～1 309 m。屬于溫帶半干旱氣候，年均溫8.8℃，年降雨量大約505 mm，多暴雨，70%的降雨集中在每年的7—9月，無霜期157 d左右。土壤類型為典型黃綿土。土壤養分貧瘠，缺氮少磷。因受灌溉條件所限，主要靠天然降水，屬雨養農業地區，農作物一年一熟，以秋收作物為主。

1.2 試驗設計

試驗地設置在中國科學院安塞水土保持綜合試驗站的墩灘川地養分長期定位試驗地，試驗地從1997年開始布設，1998年開始施肥處理，作物輪作方式為玉米—玉米—大豆，3年輪作一次，2011年、2012年、2013年種植的分別是玉米、玉米和大豆。試驗地總面積為378 m2，每個試驗小區的面積為14 m2。試驗地共設9個試驗處理，分別為氮肥(N)處理、磷肥(P)處理、有機肥(M)處理、氮肥+磷肥(NP)處理、有機肥+氮肥(MN)處理、有機肥+磷肥(MP)處理、有機肥+氮肥+磷肥(MNP)處理、有作物不施肥(CK)處理和無作物不施肥(BL)處理，每個處理均設置3個試驗小區重復，完全隨機區組排列。氮肥施用的是尿素，磷肥是過磷酸鈣，有機肥是羊糞。折算后的施肥量分別是：N，97.5 kg/hm2；P，75.0 kg/hm2；M，7 500 kg/hm2。施肥方法：P肥和M肥作為種肥一次性施入，N肥20%作種肥，N肥剩余80%作追肥。本試驗在長期定位試驗地上，于2011—2013年，開展了為期3 a的研究結果。

1.3 樣品采集和分析

試驗在農作物收獲后，于每年的10月份在每個試驗小區分表層(0—20 cm)和表下層(20—40 cm)兩層采集土壤樣品，每個試驗小區各土層土樣采集時均按多點采樣后混勻為一個土壤樣品。土壤樣品在實驗室自然風干后去除植物根系、植物殘體、小石子等，然后粉碎過0.25 mm篩后保存起來用于土壤有機碳、全氮和全磷的測定。土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定[25]。

1.4 數據處理

采用Excel 2010對試驗數據進行整理，統計軟件SPSS 20.0對數據進行統計分析，多重比較采用LSD(Least Significant Difference)法，顯著水平為α=0.05。采用SigmaPlot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 施肥對土壤有機碳、全氮、全磷含量及碳∶氮∶磷的影響

2.1.1 土壤碳、氮和磷含量 2011—2013年表層(0—20 cm)土壤碳、氮和磷含量分別為7.86～16.80，0.48～0.94，0.63～0.89 g/kg(圖1)。各年限施肥處理對表層土壤碳、氮和磷含量均有顯著影響，MP和MNP處理表層土壤碳、氮和磷含量均顯著高于其CK處理，分別為29.4%～55.2%，33.2%～57.5%，28.5%～42.5%(圖1)。研究表明，MP或MNP肥配施均能顯著提高農地表層土壤碳、氮和磷含量。

表下層(20—40 cm)土壤碳、氮和磷含量分別為5.41～8.89，0.36～0.53，0.57～0.65 g/kg，施肥處理對表下層土壤碳、氮和磷含量均有顯著影響(圖2)。除2011年外，2012年、2013年的M和MP處理表下層土壤碳和氮含量均顯著高于其CK處理(圖2A和B)。不同于土壤碳和氮含量，2011年P和MN處理表下層土壤磷含量均顯著高于其CK處理；2012年、2013年則是MP和MNP處理(圖2C)。研究結果表明，MP肥配施能顯著提高表下層土壤碳、氮和磷含量。

圖1 不同施肥處理和施肥年限表層土壤碳、氮、磷含量

注：不同小寫字母表示同一施肥年限不同處理間差異顯著(p=0.05)；不同大寫字母表示同一處理不同施肥年限間差異顯著(p=0.05)，下同。
圖2 不同施肥處理和施肥年限表下層土壤碳、氮、磷含量

2.1.2 土壤碳氮磷比 與其CK相比，除2013年M和NP處理外，2011年、2012年施肥處理對表層土壤C∶N均無顯著影響(圖3A)。施肥處理對各年限表層土壤C∶P和N∶P均具有顯著影響，與其CK相比，各施肥年限M和MN處理表層土壤C∶P和N∶P均顯著增高了28.0%～42.7%，30.0%～35.3%和34.3%～39.3%，33.7%～37.6%，P和NP處理均顯著降低(圖3B—C)。結果表明，單施M或MN肥配施顯著提高表層土壤C∶P和N∶P，單施P或NP肥配施均顯著降低表層土壤C∶P和N∶P。

各施肥年限中，僅2013年P和MN處理表下層土壤C∶N顯著低于其CK處理(圖4A)。除2011年外，2012年、2013年的M和MP處理土壤C∶P均顯著高出其CK處理17.8%～24.3%和14.2%～18.8%(圖4B)。土壤N∶P僅2013年的M，MN和MP處理顯著高出其CK處理27.6%，14.6%，15.7%(圖4C)。研究結果表明，MP肥配施時會顯著影響表下層土壤C∶P和N∶P。

2.2 施肥年限對土壤碳、氮、磷含量及C∶N∶P影響

2.2.1 土壤碳、氮和磷含量 施肥年限對表層土壤部分處理碳含量具有顯著影響，其中，M和NP處理表層土壤碳含量均以2012年最大，分別比2013年顯著高出20.7%，11.2%；MNP處理則以2013年最大，比2011年顯著高出12.8%(圖1A)。不同于表層土壤碳含量，施肥年限對表層土壤氮和磷含量均無顯著影響(圖1B—C)。

除M和MNP處理外，施肥年限對其他各施肥處理表下層土壤碳含量均有顯著影響，均以2012年碳含量最大(圖2A)。施肥年限對P和MN處理表下層土壤氮含量有顯著影響，均以2012年最大(圖2B)。對于表下層土壤磷含量而言，施肥年限對M，NP，MP和MNP處理均有顯著影響，其中，除MP處理以2012年最大，其他處理均以2013年最大(圖2C)。研究表明，表下層土壤碳、氮和磷含量比表層土壤受施肥年限的影響更為明顯。

圖3 不同施肥處理和施肥年限表層土壤碳∶氮∶磷

2.2.2 土壤C∶N∶P 施肥年限對M處理表層土壤C∶N和C∶P均具有顯著影響，以2012年最大，分別比2013年顯著高出10.9%，16.7%(圖3A—B)。施肥年限對各施肥處理表層土壤N∶P無顯著影響(圖3C)。研究表明，單施M肥的處理表層土壤C∶N和C∶P受施肥年限的影響較為顯著。

MN處理表下層土壤C∶N，C∶P和N∶P均以2012年最大，比2013年分別顯著高出13.2%，30.3%和15.1%。NP處理同樣對土壤C∶N，C∶P和N∶P均具有顯著影響，C∶N以2013年最大，C∶P以2012年最大，分別比2011年顯著高出11.8%和7.4%；N∶P則以2012年最大，比2013年顯著高出14.0%(圖4)。研究表明，相比于表層土壤，表下層土壤C∶N∶P則受施肥年限影響更為明顯，以NP或MN肥配施時效果更為顯著。

2.3 施肥對不同土層土壤碳、氮、磷含量及C∶N∶P之間差異的影響

各年限不同處理表層土壤和表下層土壤的碳、氮、磷含量之間均具有顯著差異，其中，2011年表層土壤和表下層土壤碳、氮和磷含量之間的差異均以MP處理最大；2012年碳含量以M處理差異最大，氮含量以MP處理最大，磷含量則以P處理最大；2013年碳含量則以MN處理最大，氮含量以MNP處理最大，磷含量則以MP處理最大(表1)。結果表明，MP處理對各年限表層和表下層土壤碳、氮和磷含量之間差異的影響最為明顯。

圖4 不同施肥處理和施肥年限表下層土壤碳∶氮∶磷

除N處理外，2011年各施肥處理表層土壤和表下層土壤C∶N之間并無顯著差異；2012年、2013年只有部分施肥處理表層土壤和表下層土壤C∶N之間具有顯著差異，其中P和M處理均有顯著差異(表1)。除2012年P和NP處理外，各年限施肥處理表層和表下層土壤C∶P均具有顯著差異(表1)。各年限施肥處理表層土壤與表下層土壤N∶P之間差異并不一致，其中，各年限N，M和MN處理的表層與表下層土壤N∶P之間均具有顯著差異(表1)。總的來說，單施M肥時會造成表層和表下層土壤C∶N，C∶P和N∶P之間的顯著差異，表層土壤分別比表下層土壤高出14.5%～16.2%，56.6%～71.9%，46.5%～52.2%。

表1 表層與表下層土壤碳、氮、磷含量及其化學計量比差異

注：NS表示p>0.05；*表示p<0.05；**表示p<0.01；***表示p<0.001。

3 討 論

3.1 施肥對土壤碳、氮和磷含量影響

本文研究表明，施肥處理對農地表層(0—20 cm)和表下層(20—40 cm)土壤碳、氮和磷含量均有顯著影響，這與前人研究結果一致[9-21]。有研究發現，單施化肥或有機肥對農地土壤碳含量影響不顯著[14,22-23,26]，本文2011年、2012年的施肥試驗也發現，單施N或P肥或NP配施處理的土壤碳含量與CK土壤碳含量之間并沒有顯著差異。胡誠等[14]認為單施有機肥對表層(0—20 cm)土壤碳含量沒有顯著影響，這與本文研究結果不一致。產生這種結果差異的原因可能是農地土壤類型、作物種類、區域氣候等不同[24]。再者，本研究中的有機肥是羊糞，有機肥本身碳含量的差異也可能會造成這種差異。研究發現，在該地區農地進行MP肥配施，可以顯著提高農地表層和表下層土壤碳、氮和磷含量，這與Guo等[9]在陜西長武的研究結果一致，可見MP肥配施，可以有效提高農地土壤碳、氮和磷含量。

施肥年限對部分施肥處理的表層土壤碳含量有顯著影響，而對表層土壤的氮和磷含量無顯著影響；施肥年限對部分施肥處理的表下層土壤的碳、氮和磷含量均有顯著影響。有研究發現，長期施用無機或有機肥料可以顯著提高表層土壤碳、氮和磷含量[9,11-12,16,18-19,21]；也有研究表明長期施用無機肥對表層土壤碳含量影響并不顯著[14,17,27]，或長期施用有機肥會導致土壤磷含量的顯著降低[26]。研究結果因研究地區氣候、土壤條件、施肥方式、耕作制度等不同具有較大差異[21]。本文施肥試驗的研究結果是源于長期施肥試驗的一部分，這種短期內的施肥效應可能與長期施肥結果有一定的差異。

研究發現各施肥年限的不同施肥處理表層土壤碳、氮和磷含量均顯著高于表下層土壤。由于土壤養分的提高主要途徑是外源養分的輸入，對農地而言，作物的光合產物[13]有機物，光合產物輸入首先影響的就是表層土壤養分含量[16]。土壤氮、磷含量，尤其是磷，主要來源于肥料的輸入，而肥料輸入得累積也會首先發生在表層土壤[28]，因此，與表下層土壤相比，表層土壤擁有更高的碳、氮和磷含量。這與他人研究結果一致[21]。但不同施肥處理的影響并不一致，當MP配施時，表層與表下層土壤碳、氮、磷含量之間的差異更為明顯。

3.2 施肥對土壤C∶N∶P的影響

3.2.1 施肥對土壤C∶N的影響 土壤C∶N可以敏感地反映土壤質量狀況，如土壤有機質狀態、養分有效性、碳沉降、供氮水平和微生物數量及活性，并影響到土壤碳和氮的循環[5,29]。土壤C∶N與有機碳的分解速度成反比[2]。C∶N較低時，微生物活性相對較高，土壤有機碳的礦化速率就會加快，則有機碳含量下降[2]；C∶N較高時，土壤有機碳含量處于增加狀態[29]。本文研究發現，相比CK處理，2013年M和NP處理的表層土壤C∶N顯著降低；在表下層土壤，P和MN處理的土壤C∶N顯著低于CK處理。因此，施M肥可能會降低土壤C∶N，提高微生物活性，從而降低了土壤有機碳含量。施用有機肥有利于微生物生長繁殖[30]，因此微生物量的提高可能會造成土壤有機碳含量的降低[14]。相比2013年、2011年和2012年施肥處理土壤C∶N與其CK處理之間并無顯著差異，可能是因為作物種類或氣候差異不同所引起的。

土壤C∶N較低時表明土壤有機碳礦化較快，隨著土層深度的增加，C∶N一般會降低[2]。本研究中，2012年、2013年的施肥處理中，P和M肥處理表層土壤C∶N顯著高于其表下層土壤。但總體上，本文表層土壤C∶N與表下層土壤C∶N之間的差異并不顯著，可能是因為表下層土壤采樣深度過淺，未達礦物層的緣故，同時，不同生態系統土壤的C∶N維持會在一個相對穩定的范圍[31-32]。這也與化學計量學的基本原則一致，有機物質是由一定數量的氮和其他養分及相對固定比率的碳而構成[33]。本文研究發現，只有配施NP肥的表層土壤和表下層的C∶N在不同施肥年限間具有顯著差異。總的來說，不同施肥處理、不同施肥年限和不同土層的土壤C∶N變異性并不大。考慮到碳和氮元素作為結構性元素，它們積累和消耗過程處于一個相對固定的比率[32]，因此土壤C∶N一般相對穩定。

3.2.2 施肥對土壤C∶P的影響 土壤C∶P常被用來表征土壤有機碳的分解和積累，其磷富集程度和有效性可以在一定范圍內指示土壤的肥力，也可以影響植物養分的積累和分布[34]。土壤C∶P是判斷有機碳礦化過程中磷素的釋放或吸收的一個的重要指標，其與微生物釋放磷元素的潛力呈反比關系，C∶P較低時會有較強的磷素釋放能力；C∶P較高時會引發同化作用，土壤微生物和植物之間是競爭關系，將吸收后的磷固持在土壤中[35]。C∶P比C∶N擁有更大的變異范圍，這是土壤磷的來源造成的[36]。這與本文研究結果一致。本文研究發現，不同施肥年限的表層土壤C∶P均以P和NP處理顯著低于CK處理，以M和MN處理顯著高于CK處理。除2011年外，2012年、2013年表下層土壤C∶P均以M和MP處理顯著高于CK處理。因此，在該地區單施P肥或NP肥配施，可以明顯促進表層土壤中的微生物對磷的釋放能力，為作物生長提供磷元素；當MN或MP肥配施時，則會明顯提高土壤微生物固存磷的能力，提高土壤中磷儲量，降低了磷活性。

不同施肥年限表層土壤的C∶P基本上均顯著高于表下層土壤，這也從側面說明了表層土壤對磷的固存能力要明顯高于表下層土壤。不同土層間C∶P的差異顯著，可能是因為土壤磷含量相對較為穩定，其比值主要受土壤碳含量影響，而表層土壤與表下層土壤碳含量具有較大差異，因而不同土層C∶P具有較大的差異性[6]。本文研究發現施肥年限對表層和表下層土壤微生物活動和磷素固存具有重要影響。但表層和表下層土壤C∶P在不同施肥年限對同一施肥處理的不同響應，可能因為作物種類不同或氣候條件變化造成的。

3.2.3 施肥對土壤N∶P的影響 土壤N∶P低，土壤磷活性高[37]。本文研究發現，各施肥年限M和MN處理表層土壤N∶P均顯著高于其CK處理；2012年、2013年N和NP處理表層土壤的N∶P則顯著低于其CK處理；而表下層土壤只有2013年的M，MN和MP處理顯著高于其CK處理。表明單施M肥或MN肥配施時，土壤中的磷活性降低；單施N肥或NP肥配施時，土壤中的磷具有較高活性。磷作為作物生長和微生物活動不可缺少的元素，其活性的提高是有利于作物生長，且會提高微生物活性從而改善土壤品質。各年限不同土層之間只有在單施N或M肥或MN肥配施時，表層土壤的N∶P均顯著高于其表下層土壤，說明在單施N或M肥或MN肥配施時表層與表下層土壤氮和磷狀況并不一致。而不同施肥年限對表層土壤N∶P并無影響，這可能是因為施肥年限對表層土壤氮、磷含量均無顯著影響，因此表層土壤的N∶P變化不大。不同于表層土壤，表下層土壤N∶P在NP或MN肥配施時受施肥年限影響顯著，但二者對表下層土壤氮、磷狀況影響并不一致，NP處理主要影響土壤磷的狀態，MN處理則主要影響土壤氮。因此，NP肥配施主要提高了土壤磷活性，MN肥配施會相對降低磷活性。

4 結 論

施肥對農地表層土壤碳、氮、磷含量的影響作用要明顯大于表下層土壤，相對于磷含量而言，施肥年限主要影響表層土壤碳、氮含量。農地施肥對土壤C∶N有一定影響，但主要影響的是土壤C∶P和N∶P；施肥會引起表層和表下層土壤C∶N∶P差異變大，尤其是土壤C∶P；施肥年限對土壤的C∶N∶P有明顯影響，且對表下層土壤的影響更為顯著。在該地區農地進行MP肥配施有利于土壤對碳、氮、磷的積累，增加土壤碳、氮、磷庫；NP肥配施有利于土壤中活性磷的提高，為作物生長提供必須的磷元素。本文只是從土壤養分的角度考慮施肥方式對土壤碳、氮、磷積累和土壤質量的影響，而農地主要作用是糧食生產，其作物產量和質量是考慮選擇施肥方式的主要因子。綜合考慮施肥對作物生長和土壤生態環境的影響，從而選擇適合該地區的施肥方式。