長期種植紫花苜蓿對復墾土壤碳氮磷養分轉化的影響

明玉飛,朱桃川,張金豪,李傳福,高 舒,徐家林,李永強,焦樹英① (.山東農業大學資源與環境學院/土肥高效利用國家工程研究中心,山東 泰安 708;.德州市園林綠化服務中心,山東德州 53000)

土壤是陸地生態系統重要的組成部分,也是人類賴以生存與發展的物質基礎,土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物生長、發育及物質循環過程中重要的化學元素[1],對土壤養分循環和轉化起著重要作用,調控和驅動著土壤生態系統的演替過程[2]。生態化學計量特征是表征有機質含量和土壤質量的重要指標,反映有機質分解中養分礦化和固持間的平衡關系,代表土壤養分的有效性,是決定陸地生態系統養分限制和植物生產力的重要因素,對植物生長和土地利用具有良好的表征作用,已經成為當前生態學研究的熱點之一[3]。

土壤有機碳(SOC)作為土壤肥力的核心,是評價土壤質量高低的重要指標,可溶性有機碳(DOC)、易氧化有機碳(ROC)、顆粒有機碳(POC)和微生物生物量碳(MBC)是土壤活性碳庫的重要組分,直接或間接參與物質轉化和養分循環,對人類活動和土地利用類型等干擾十分敏感。土壤有機氮是土壤氮素的重要組成部分,作為土壤中礦質氮的源和庫[4],影響土壤有機氮礦化難易程度,其化學形態和賦存狀況決定著土壤氮素的有效性,對維持土壤氮素肥力和供氮能力起著重要作用[5]。土壤碳、氮活性組分是陸地生態系統生物地球化學過程的主要催化劑,是土壤碳、氮庫中最活躍的部分,周轉快,易被生物利用,在土壤養分循環中扮演著關鍵角色,快速響應外界環境對土壤有機質組分和質量的影響,常被用作土壤質量變化的重要監測指標,對維持土壤肥力和碳氮平衡具有十分重要的作用[6]。因此,研究不同土地利用類型對土壤生態系統中碳氮磷化學計量特征和有機碳氮組分的影響,對評價土壤肥力和質量狀況具有重要意義[7]。

近年來,許多研究表明氣候因素、人類活動、植被類型以及種植年限會直接影響土壤碳氮磷化學計量比[8]。土地利用類型改變土壤結構和肥力狀況,影響碳氮磷養分含量,從而影響其化學計量比特征[9],對草地、棄耕地和農耕地的化學計量比研究發現,草地C/N和C/P均高于農耕地[10];對林地、灌木地、草地和耕地的研究發現C/N以耕地為最高。碳氮活性組分含量受碳/氮源、立地條件和利用模式等因素影響,不同植被來源的葉片和根系凋落物作為土壤碳、氮主要來源[11],經過土壤微生物和酶等生物分解轉化后,以可溶性化合物等形式進入土壤,導致不同植被類型土壤碳氮活性組分產生差異。土地利用對土壤碳氮活性組分影響顯著,研究發現林地、撂荒地、果園和耕地利用中土壤微生物生物量碳氮和可溶性碳氮含量存在顯著差異,耕地MBC含量顯著高于其他土地利用類型[12]。草地土壤微含量生物量碳氮含量高于林地和耕地以及土地利用對土壤耕層有機氮組分有較大影響。因此,植被類型和土地利用會對土壤碳氮磷化學計量和碳氮活性組分有不同程度的影響。

紫花苜蓿是一種優質的多年生豆科牧草,兼具生態效應和經濟效應,常被用作退化草地的植被恢復和退化土壤生態修復的優良先鋒植物,其共生固氮和生物改土功能已得到廣泛證實[13]。大量研究表明,種植紫花苜蓿可以提高土壤質量,增加土壤中碳氮含量,對土壤中活性有機碳氮的固存效果顯著,對撂荒地、農田和礦區等土壤具有一定的改良作用。有研究表明,輪作紫花苜蓿能不同程度地提高土壤總有機碳、輕重組有機碳、顆粒有機碳和微生物生物量碳含量,但有關在建筑復墾地長期種植紫花苜蓿對土壤碳氮磷化學計量和活性組分變化影響的報道尚鮮見。

因此,該研究以連續種植15年紫花苜蓿的建筑復墾地作為研究對象,以相同種植年限的小麥-玉米作物地和撂荒地為對照,對3種不同土地利用類型土壤碳氮磷含量及其化學計量特征以及碳氮活性組分進行取樣分析,以期為長期種植紫花苜蓿對退化土壤修復以及礦區土壤修復和生物改土效果提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地位于山東省泰安市山東農業大學資源與環境學院試驗站(36°08′ N,106°08′ E,海拔高度為178.5 m),屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,全年平均氣溫為12.9 ℃,年均降水量為697 mm,年均日照時長約為2 611 h,太陽輻射總量約為508.7 kJ·cm-2,年均≥0 ℃ 積溫為4 731 ℃,≥10 ℃積溫為4 213 ℃,無霜期為195 d,試驗地土壤類型為棕壤。

1.2 試驗設計

試驗地于2007年由建筑廢棄地復墾而成,復墾前用地為山東農業大學南校區農場倉庫,拆除建筑物后翻耕土地,將其改為試驗用地。種植紫花苜蓿WL354(Medicagosativa)并實施小麥-玉米輪作,總面積約為600 m2,苜蓿和作物均采用小區條播,行距為40 cm,小區面積為7 m×2.5 m=17.5 m2,分為16個小區。小麥-玉米輪作采用傳統施肥耕作模式,冬小麥每年10月初播種,6月初收割,夏玉米6月中旬播種,9月下旬收割,小麥越冬期和拔節期以及玉米出苗期和拔節期分別進行2次人工灌溉,灌溉定額為每次90 mm。小麥-玉米施肥量分別為N-P2O5-K2O(240-120-90 kg·hm-2和225-75-90 kg·hm-2),小麥-玉米秸稈均采用不還田處理。每年5月下旬、7月上旬、8月下旬和10月上旬對紫花苜蓿進行4次刈割,用作牲畜飼料來源,苜蓿初始播種時施基肥N-P2O5-K2O(86-140-140 kg·hm-2),播種后澆水確保出苗并正常生長,種植期間小區內不施肥、不灌溉,定期人工除草,生長5～6年翻耕后重新播種。撂荒地選取苜蓿和作物地周邊相鄰地塊,叢生雜草每年季末進行定期清除。2021年采樣年度降水量為966.7 mm,比年平均降水量高38.69%。

2021年6月小麥收獲后對紫花苜蓿地(AL)、小麥-玉米輪作地(CL)和撂荒地(WL)進行土壤樣品采集,3種土地利用類型具有相同的地形條件和坡度,母質相同。采樣時兼顧代表性和均勻性原則,于AL、CL和WL樣地中選擇代表性小區地塊,根據“S”形布點法布設5個采樣點,3次重復,用直徑為5 cm的土壤采樣器由上往下采集0～20和>20～40 cm土樣,每個“S”形采樣點按相同土層充分混合均勻,去除較大石塊、植物根系和雜質后裝入自封袋中作為一個土壤樣品。土壤樣品帶回實驗室后分成2份:一份土壤于4 ℃冰箱中冷藏保存用于土壤硝態氮、銨態氮、可溶性有機碳和微生物生物量碳氮指標的測定;另一份土樣經自然風干、研磨,分別過2 mm孔徑篩用于測定土壤pH和電導率,過1 mm孔徑篩用于測定有效磷和速效鉀含量,過0.15 mm孔徑篩用于測定土壤有機碳、全氮以及顆粒有機碳(POC)、顆粒有機氮(PON)、易氧化有機碳等碳氮活性組分含量。

1.3 指標測定方法

土壤基本理化性質:土壤容重(BD)采用100 cm3環刀鉆取原狀土于105 ℃條件下采用烘干法測定;土壤pH〔V(水)∶m(土)為2.5∶1〕和電導率(EC)〔V(水)∶m(土)為5∶1〕經振蕩浸提后分別采用pH計(上海雷磁PHSJ-3F)和電導率儀(上海雷磁DDS-307A)測定;土壤含水量(SWC)采用烘干法測定;硝態氮(NO3--N)和銨態氮(NH4+-N)采用新鮮土樣用1 mol·L-1KCl浸提后再用流動分析儀測定;土壤全磷(TP)采用H2SO4-HClO4消解法測定;有效磷(AP)采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀(AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定。具體測定方法參照《土壤農化分析》[14]。

土壤有機碳、氮及組分測定:土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定;全氮(TN)采用濃H2SO4消煮-凱氏定氮法測定;顆粒有機碳氮采用5 g·L-1六偏磷酸鈉分散,沖洗后過0.05 mm孔徑篩,烘干研磨后測定,易氧化有機碳(ROC)采用333 mmol·L-1KMnO4氧化法測定,可溶性有機碳(DOC)〔V(K2SO4溶液)∶m(土)為5∶1〕經振蕩浸提,過0.45 μm濾膜后用TOC分析儀測定[15]。酸解有機氮采用Bremner法[16]測定,其中,酸解總氮(HTN)采用凱氏定氮法測定;酸解氨態氮(AMN)采用MgO氧化蒸餾法測定;酸解氨基糖態氮(ASN)采用磷酸-硼砂緩沖液蒸餾法測定;酸解氨基酸態氮(AAN)采用茚三酮氧化、磷酸-硼砂緩沖液蒸餾法[16]測定。微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[11]測定。

選擇撂荒地土壤為參考土壤[17]。相關指標的計算如下:碳庫活度(A)為活性有機碳含量與非活性有機碳含量比值;碳庫活度指數(AI)為土壤碳庫活度與參考土壤碳庫活度比值;碳庫指數(CPI)為土壤有機碳含量與參考土壤有機碳含量比值;碳庫管理指數(CPMI)為碳庫指數與碳庫活度指數乘積的100倍;土壤非活性有機碳(NLOC)含量為土壤有機碳含量與土壤活性有機碳含量差值。

1.4 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel統計,采用SPSS 22.0進行差異顯著性分析,采用Origin 2018制作圖表,采用Canoco 5進行冗余分析(RDA),所有數據均以3次重復的平均值±標準誤差表示。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤基本理化性質的影響

3種土地利用類型中,苜蓿地0～20和>20～40 cm土層電導率均顯著低于作物地和撂荒地(P<0.05),對于0～20 cm土層,撂荒地電導率高于作物地;而對于>20～40 cm土層,作物地高于撂荒地(P<0.05,表1)。不同土地利用類型土壤容重由大到小依次為撂荒地、作物地和苜蓿地,但差異不顯著(P>0.05)。苜蓿地0～20 cm土壤含水量高于作物地,而>20～40 cm土層則相反,且苜蓿地>20～40 cm土壤含水量顯著降低。與作物地相比,苜蓿地pH有所提高,在0～20 cm土層,苜蓿地土壤有效磷和速效鉀含量顯著高于作物地和撂荒地(P<0.05),在>20～40 cm土層,苜蓿地和作物地差異不顯著,均顯著高于撂荒地。在0～40 cm土層,作物地土壤硝態氮和銨態氮含量顯著高于苜蓿地和撂荒地(P<0.05),苜蓿地硝態氮和銨態氮含量較低。

表1 土壤基本理化性質Table 1 Soil basic physical and chemical properties

2.2 不同土地利用方式對土壤碳氮磷含量及其化學計量的影響

3種土地利用類型SOC、TN和TP含量均隨著土層的加深而降低(圖1)。苜蓿地土壤SOC和TN含量最高,分別達11.36和1.56 g·kg-1,顯著高于作物地和撂荒地(P<0.05),作物地和撂荒地間碳氮含量差異不顯著;其中,對于0～20 cm土層苜蓿地SOC含量比作物地和撂荒地分別高9.55%和20.59%(P<0.05),對于>20～40 cm土層分別比作物地和撂荒地高34.46%和26.36%(P<0.05);在0～20和>20～40 cm土層,苜蓿地TN含量分別比作物地和撂荒地高36.84%、39.29%和35.00%、44.64%(P<0.05)。在0～20 cm土層,作物地TP含量最高,分別比苜蓿地和撂荒地高14.04%和17.11%(P<0.05),在>20～40 cm土層,TP含量在3種土地利用方式間無顯著差異(P>0.05)。不同土地利用方式顯著影響C/N、C/P和N/P(圖1),苜蓿地、作物地和撂荒地C/N隨著土壤深度的增加而增加,而C/P和N/P隨著土壤深度的增加而減小。在0～20 cm土層苜蓿地C/N顯著低于作物地和撂荒地(P<0.05),在>20～40 cm土層則差異不顯著(P>0.05)。在0～20 cm土層苜蓿地C/P和N/P顯著高于撂荒地和作物地(P<0.05),在>20～40 cm土層苜蓿地N/P顯著高于撂荒地,其余差異不顯著。

相同土層柱子上方英文小寫字母不同表示處理間某指標差異顯著(P<0.05)。圖1 不同土地利用類型土壤碳氮磷含量及其化學計量特征Fig.1 Carbon, nitrogen and phosphorus contents and their stoichiometric characteristics in soils of different land use types

2.3 不同土地利用方式對土壤碳氮組分的影響

土地利用方式對土壤有機碳組分含量產生顯著影響(圖2),在0～20和>20～40 cm土層,苜蓿地土壤POC、ROC、DOC和MBC含量最高,顯著高于作物地和撂荒地(P<0.05),其中,作物地DOC最低,撂荒地MBC最低,POC、ROC均表現為苜蓿地>作物地>撂荒地,且3種土地利用類型活性碳組分含量均隨土層的加深而降低;3種土地利用類型有機碳組分中,土壤DOC含量占比最大,其中,苜蓿地0～20 cm土層DOC含量達645.42 mg·kg-1,POC含量占比最小。

土壤有機氮組分含量隨著土地利用類型的不同表現出差異性(圖3),苜蓿地、作物地和撂荒地土壤氮組分含量均隨土層的增加呈現遞減趨勢。在0～20和>20～40 cm土層,土壤有機氮組分以苜蓿地為最高,基本表現為苜蓿地>作物地>撂荒地,其中,苜蓿地PON顯著高于作物地和撂荒地(P<0.05),MBN和AAN與作物地差異顯著(P>0.05),但顯著高于撂荒地,HTN、AMN含量在3種土地利用類型間差異顯著,AAN在苜蓿地和作物地間差異顯著,但兩者顯著高于撂荒地。在0～20 cm土層ASN含量在3種土地利用類型間差異顯著,但在>20～40 cm土層,表現為苜蓿地>作物地>撂荒地。土地利用方式的改變使得土壤有機氮組分含量發生改變,種植紫花苜蓿對有機氮組分影響最顯著。

相同土層柱子上方英文小寫字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3 不同土地利用類型土壤有機氮組分含量Fig.3 The contents of soil nitrogen fraction of different land use types

2.4 土壤碳氮磷含量、化學計量比與理化性質和碳氮組分的相關關系

土壤碳氮磷含量、化學計量比與理化性質間的相關關系(圖4)表明,TN和SOC與pH、AP、SWC夾角為銳角,表明呈正相關關系,TP與EC、BD、NH4+-N和NO3--N之間夾角度數依次減小,說明TP與之關系越來越密切且呈現正相關關系,SOC與NH4+-N和NO3--N夾角基本為直角,說明SOC與NH4+-N、NO3--N之間無明顯相關關系;同理,C/N與NO3--N、EC、BD和NH4+-N所呈夾角度數逐漸減小,表明其與NH4+-N關系最為密切,而C/N與pH以及C/P與BD夾角呈直角,表明無明顯相關關系,C/P和N/P與AP、pH和SWC箭頭方向一致,表明呈正相關關系,相反,C/P和N/P與EC、NH4+-N和NO3--N箭頭方向相反,表明呈負相關關系。

圖4 土壤碳氮磷含量、化學計量比與理化性質的冗余分析(RDA)Fig.4 Redundancy analysis of soil carbon, nitrogen and phosphorus content, stoichiometry and physical and chemical properties

土壤TN與土壤ROC、DOC、PON和AMN之間存在極顯著正相關(P<0.01),TN與POC、MBC和MBN之間呈顯著正相關(P<0.05,表2);土壤SOC與土壤ROC、HTN、AMN和AAN之間呈極顯著正相關(P<0.01),SOC與MBC、PON和MBN之間呈顯著正相關(P<0.05)。生態化學計量比與有機碳、氮組分之間也存在一定的相關關系,C/N與DOC呈極顯著負相關關系(P<0.01),C/N與PON呈顯著負相關關系(P<0.05),C/P和N/P均與ROC呈顯著正相關(P<0.05),DOC和PON與C/P和N/P關系密切,存在極顯著正相關關系(P<0.01)。

表2 土壤碳氮和化學計量與有機碳氮組分間的相關性分析Table 2 Correlation analysis between soil C, N, stoichiometric ratio and organic carbon and nitrogen fractions

2.5 不同土地利用方式對土壤碳庫管理指數的影響

不同土地利用類型不同土層各項碳庫管理指數計算結果顯示,碳庫活度(A)隨土層加深的變化因土地利用類型不同而不同(表3),苜蓿地、作物地和撂荒地均表現為隨土層加深而降低;在0～20 cm土層,苜蓿地碳庫活度指數(AI)、碳庫指數(CPI)和碳庫管理指數(CPMI)均顯著高于作物地和撂荒地(P<0.05),說明土地利用類型對土壤CPMI會有影響,且紫花苜蓿的種植有效增加CPMI。

表3 不同土地利用類型土壤碳庫管理指數Table 3 The soil CPMI of different land use types

3 討論

3.1 不同土地利用方式對土壤基本理化性質的影響

不同土地利用類型對土壤基本理化性質均有顯著影響。苜蓿地0～20 cm土壤含水量高于作物地,>20～40 cm土壤含水量顯著降低,這是因為苜蓿較高的植被覆蓋度減少了土壤水分的蒸發,對表層土壤具有良好的保水效果,但苜蓿根系發達,耗水較多,長期種植會導致土壤旱化,因此深層土壤水分含量較低[18]。在3種土地利用類型中,苜蓿地電導率最低,由于苜蓿地較長時期的地表覆蓋使得土壤蒸發作用減弱,苜蓿致密的根系對土壤結構的改善,增加了土壤滲透性,使土壤鹽分表聚作用減弱;同時紫花苜蓿具有生物脫鹽作用,在生長過程中會吸收鹽分從而抑制土壤鹽漬化。作物地土壤容重略高于苜蓿地,可能是由于受耕作層翻耕、植物根系的共同影響,不斷播種收獲所致[19]。作物地在耕作過程中施用大量化肥,使得作物地積累大量NO3--N和NH4+-N,兩者含量顯著高于苜蓿地,而pH值有所降低。苜蓿地0～20 cm土壤有效磷、速效鉀含量最高,說明長期種植紫花苜蓿可以提高速效養分含量,減少氮肥投入。

3.2 不同土地利用類型土壤碳氮磷含量及其化學計量特征

土壤碳氮磷含量及其化學計量可以反映土壤有機質含量和質量特征,是衡量土壤有機質、養分循環和平衡的重要指標。筆者研究中,種植紫花苜蓿顯著提高0～40 cm土層SOC和TN含量,土壤碳和氮主要來源于植物地上部和地下凋落物的分解,其含量受植物枯落物、微生物殘體和根系分泌物的影響較大[20]。紫花苜蓿作為優質豆科牧草,其根瘤固氮作用可以滿足自身需求,根系分泌物改善土壤結構,并且種植多年生紫花苜蓿可以減少對土壤的擾動,增加腐殖質的轉化,減少有機質分解[21],使土壤中有機質和氮素含量得到提高。而作物地受到耕作、開墾等人為影響,土壤呼吸作用加強,加速了有機碳的礦化分解,且耕作施肥等人為活動對TP含量產生一定影響[10]。土壤C/N和C/P是反映土壤碳氮礦化速率元素有效性的關鍵指標,體現土壤吸收固持磷的潛在能力,N/P是用于判斷土壤營養限制的指標,用于衡量微生物對有機質的礦化[22]。研究發現,就作物地與苜蓿地相比較而言,耕作破壞了土壤團聚體,增加通氣,加快碳礦化,導致土壤碳氮流失,施肥則導致土壤磷素含量增加[23];而苜蓿地由于長期植被覆蓋使得凋落物向表層土壤的輸入增加,同時發達的根系分解后產生更多的有機物[20],增加了土壤中有機碳含量,生物固氮作用增加了氮素含量,氮素增加幅度大于有機碳的增加。因此苜蓿地C/N降低,而C/P、N/P則均高于作物地和撂荒地。在垂直分布上,土壤C/N隨土層深度增加總體趨于上升,C/P和N/P隨土層加深而減小,因為枯落物將更多養分釋放到表層土壤中[24];而隨著土壤深度的增加土壤有機質的積累大于微生物的礦化分解速率,可能是由于深層土壤中微生物群落活性和數量降低所致。RDA分析表明,土壤碳氮磷含量和生態化學計量比與土壤理化性質之間存在一定的相關關系,土壤含水量、pH、電導率和土壤容重對其貢獻率較大,說明土壤生態化學計量比除受各自元素比例影響外,還受到電導率、pH、土壤容重等因子的調控[24],通過影響植物生長及殘體的礦化分解,影響碳氮磷的積累和遷移。從3種土地利用類型來看,種植紫花苜蓿是保持土壤養分高水平狀態的良好利用方式。

3.3 不同土地利用類型土壤碳氮組分及與化學計量和碳庫管理的關系

土壤碳氮組分作為土壤的活性指標,周轉快,易被生物利用,可及時反映土壤有機碳、氮庫總量的變化。研究發現,不同土地利用類型對土壤活性碳、氮組分有顯著影響,長期種植紫花苜蓿土壤碳氮組分均有一定程度增加。紫花苜蓿作為多年生豆科牧草,人為活動對土壤的擾動較少,減少了活性有機碳組分的暴露和分解。同時大量的植物凋落物和殘茬輸入土壤,土壤表層根系發達,根系分泌物成為微生物的能源物質,使得微生物群落聚集,促使微生物增長和MBC含量增加[25]。微生物活性提高,凋落物分解加快,根系分泌物增多,有利于苜蓿地ROC的累積。紫花苜蓿生物固氮的根瘤脫落在土壤中,微生物將其及有機質分解轉化為腐殖質,腐殖質又與其他復合體經酸解作用釋放AMN和AAN,因此,苜蓿地酸解有機氮組分含量提高。而作物地具有較高的耕作強度和干擾頻率,有機碳、氮組分低于苜蓿地。SOC與組分ROC和MBC呈極顯著或顯著正相關,在一定程度上可以表征SOC的累積程度,TN與PON、MBN和AMN之間表現為極顯著或顯著正相關,表明土壤有機碳、氮組分與碳、氮含量之間關系密切[26]。PON與化學計量C/N、C/P、N/P之間呈極顯著或顯著相關。由于PON是土壤有機氮中易轉化、非穩定部分,指示一定的供氮潛能,因此,PON礦化分解影響微生物活動,間接影響有機碳分解,其與化學計量比之間呈現相關關系,這與有關研究結果[27]一致。土壤CPMI是表征養分供應能力和SOC變化的敏感性指標,能夠有效反映農業生產對土壤肥力及碳庫動態變化的影響。ROC含量影響CPMI變化,CPMI上升說明ROC和SOC含量增高,表明土壤肥力朝有利方向發展[28]。研究結果顯示,與作物地相比,種植紫花苜蓿有利于土壤質量改善和肥力提高,顯著提高CPMI,為生物改土和增強固碳提供可能。

4 結論

(1)長期種植紫花苜蓿可以有效改善復墾土壤肥力,提高土壤質量,增加土壤中碳氮含量。

(2)不同土地利用方式顯著影響土壤碳氮化學計量關系,長期種植紫花苜蓿土壤C/N顯著減小,N/P和C/P高于作物地和撂荒地,為土壤恢復和生物改土提供可能。

(3)長期種植紫花苜蓿顯著提高復墾土壤活性有機碳、氮組分含量,對土壤活性有機碳、氮的積累有積極作用,碳庫管理指數增加,有益于提升土壤碳氮固持能力。