不同種植年限人工苜蓿草地植物和土壤化學(xué)計(jì)量特征

楊菁，謝應(yīng)忠,2*，吳旭東，徐坤

(1.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究所，寧夏 銀川 750021)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(ecological stoichiometry)結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等基本原理，包括了生態(tài)學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本原理，是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素(主要是碳、氮、磷)平衡的科學(xué)，以及元素平衡對(duì)生態(tài)交互作用影響的一種理論，這一研究領(lǐng)域使得生物學(xué)科不同層次的研究理論能夠有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)[1]。C、N、P是植物生長(zhǎng)的主要化學(xué)元素，C是構(gòu)成植物體內(nèi)干物質(zhì)的最主要元素[2]，而N和P是各種蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)的重要組成元素。作為重要的生理指標(biāo)，C∶N和C∶P反映了植物生長(zhǎng)速度[3]，并與植物對(duì)N和P的利用效率有關(guān)，N∶P可以作為對(duì)生產(chǎn)力起限制性作用的營(yíng)養(yǎng)元素的指示劑[4]。土壤作為植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的主要來(lái)源，對(duì)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)具有重要作用[5]。因此，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的提出為探究植物與土壤之間的C、N、P相關(guān)性及植物生長(zhǎng)與養(yǎng)分供應(yīng)的關(guān)系提供了有效手段[6]。

紫花苜蓿(Medicagosativa) 有“牧草之王”的美稱[7]，其對(duì)于保持水土、改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力等方面發(fā)揮著極為重要的作用[8]，尤其在西北生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)修復(fù)和畜牧業(yè)發(fā)展中具有重要意義[9]。

目前，國(guó)內(nèi)外在生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方面的研究已取得了一系列成果和進(jìn)展，但研究大多集中在對(duì)植物C、N、P生態(tài)化學(xué)特征的一些研究，以及不同演替階段優(yōu)勢(shì)物種植物C、N、P及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[4]的研究等方面。而對(duì)探究土壤養(yǎng)分與植物養(yǎng)分之間的關(guān)系及規(guī)律方面研究較少。由此本文對(duì)不同種植年限人工苜蓿地植物和土壤C、N、P及化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行分析，以期揭示C、N、P隨著年限的變化在植物與土壤中的交換過(guò)程和格局，從而為該區(qū)域科學(xué)施肥，制定合理的輪作周期以及評(píng)價(jià)高產(chǎn)栽培條件下紫花苜蓿改良土壤的效應(yīng)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)為典型的溫帶半干旱氣候，年平均氣溫8.5～9.0℃，≥10℃有效年積溫3135～3272℃，晝夜溫差10～15℃，年平均降水量在180～200 mm，無(wú)霜期150 d左右，年日照時(shí)數(shù)3030 h，日照率67%，為賀蘭山東麓沖積扇與黃河沖積平原之間的寬闊地帶。試驗(yàn)在賀蘭山農(nóng)牧場(chǎng)進(jìn)行，地理坐標(biāo)為38°32′ N，106°05′ E，土壤為淡灰鈣土，為當(dāng)?shù)刂饕寥李愋汀Ｍ寥廊}含量0.76 g/kg，全氮含量0.84 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量11.04 g/kg，堿解氮73.68 mg/kg，速效磷13.80 mg/kg，速效鉀111.76 mg/kg，pH 8.42。農(nóng)場(chǎng)目前種植苜蓿面積約2.7萬(wàn)hm2，種植年齡最長(zhǎng)的為8年，最短的為1年，生長(zhǎng)季內(nèi)每月中旬刈割，共刈割4次，全部采用揚(yáng)黃灌溉，每年苜蓿地均施40 kg/hm2尿素,12 kg/hm2磷肥,3.5 kg/hm2鉀肥。

1.2 樣地選取

于2012年7月選取賀蘭山農(nóng)牧場(chǎng)不同種植年限的紫花苜蓿地(1，3，4，5，8年)，供試紫花苜蓿品種為阿爾岡金(Algonquin)，由美國(guó)引進(jìn)。試驗(yàn)田為2004，2007，2008，2009，2011 年春播的紫花苜蓿地，地力及栽培管理一致(表1)。

表1 土壤采樣點(diǎn)0～20 cm基本信息Table 1 Characteristics of soil sampling sites

1.3 土壤和植物的取樣方法

2012年7月下旬在各個(gè)樣地內(nèi)(表1)，采用土鉆法，按“S”形取土壤樣品，每塊樣地為3個(gè)重復(fù)，取樣深度為0～20 cm，每10 cm一層。每層均為5點(diǎn)混合樣，每個(gè)采樣點(diǎn)取樣3個(gè)重復(fù)。同時(shí)，在上述5個(gè)樣地內(nèi)進(jìn)行了植物樣品的采集，每塊樣地隨機(jī)選取3個(gè)50 cm×50 cm的樣方進(jìn)行取樣，為了消除取樣誤差,植物樣品均是采集的當(dāng)年生成熟健康葉片。所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.4 土壤和植物的測(cè)定方法

在測(cè)定前，土壤樣品自然風(fēng)干，剔除植物根系等雜物，采用四分法取適量土壤樣品，過(guò)0.25 mm 篩,用于測(cè)定土壤有機(jī)碳、土壤全氮及土壤全磷，每一測(cè)定項(xiàng)目做3個(gè)重復(fù)。植物樣品是將每個(gè)樣地20株植株上的新鮮葉片和莖分別裝入牛皮紙信封袋內(nèi)自然風(fēng)干至恒重。土壤和植物樣品的有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[10]，全氮采用半微量凱氏法[10]，全磷采用鉬銻抗比色法[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，用統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS 8.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比

土壤C、N、P含量在各種植年限間均存在顯著差異(P<0.05)(圖1A)。隨著苜蓿種植年限增加，土壤C、N含量呈先升后降的趨勢(shì)，土壤C含量在種植5年時(shí)最高(29.69 g/kg)，種植8年時(shí)最低(22.69 g/kg)，土壤N含量由高到低依次為3年>1年>4年>5年>8年。土壤P含量與土壤C、N含量變化規(guī)律相反，在種植8年時(shí)最高(2.90 g/kg)，種植4年時(shí)最低(1.17 g/kg)。

土壤C∶N在各年限間無(wú)顯著性差異(圖1B)，土壤C∶N與C∶P在種植1～5年時(shí)呈“金字塔”式分布；土壤C∶P除種植1年外， 種植8年與其他年限間有顯著性差異；N∶P在3～8年間呈“倒金字塔”分布模式，在種植8年時(shí)最低(0.52)，種植3年與4年、5年與8年間有顯著性差異，其余年份間無(wú)顯著性差異(圖1B)。

圖1 不同種植年限苜蓿地土壤碳、氮、磷含量及化學(xué)計(jì)量比Fig.1 C, N and P concentrations and stoichiometry of soil at different plantation ages柱狀圖頂部的不同字母表示存在顯著性差異(P<0.05)。 Different letters indicate significant difference at P<0.05.

2.2 苜蓿葉片C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比

不同種植年限苜蓿葉片C含量范圍為336.43～383.23 g/kg，種植1年時(shí)最高，3年時(shí)最低，種植1年與4年、5年間無(wú)顯著性差異，與3年、8年間有顯著性差異。葉片N含量由高到低依次為5年>3年>4年>8年>1年，3年、4年與5年之間無(wú)顯著性差異，其與1年有顯著性差異。葉片P含量范圍為1.53～2.57 g/kg，種植3年時(shí)最高，種植5年時(shí)最低，5年與8年間無(wú)顯著性差異，與其他年份有顯著性差異，3年與4年間無(wú)顯著性差異。

不同種植年限苜蓿葉片C∶N由高到低依次為1年>4年>5年>8年>3年，3年與其他年份間有顯著性差異，1年與4年無(wú)顯著性差異。苜蓿葉片C∶P和N∶P的變化趨勢(shì)一致，均是種植5年最高，種植3年最低。葉片C∶P中，3年與其他年份有顯著性差異；葉片N∶P中，5年與8年間無(wú)顯著性差異，與其他年份有顯著性差異(表2)。

表2 植物C、N、P 含量及化學(xué)計(jì)量比Table 2 C, N, P concentrations and stoichiometry of plant at different plantation ages

注：不同小寫字母表示不同種植年限差異顯著(P<0.05)。

Note： Different small letters indicate significant difference atP<0.05.

2.3 苜蓿莖C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比

不同種植年限苜蓿莖的C含量從高到低依次為：4年>5年>3年>8年>1年，4年與其他年份間有顯著性差異，1年與8年間無(wú)顯著性差異。苜蓿莖N含量與葉片N含量的變化規(guī)律相反，種植1年時(shí)最高，種植3年時(shí)最低，1年與8年無(wú)顯著性差異，與其他年份有顯著性差異。苜蓿莖的P含量范圍為1.34～2.32 g/kg，種植8年時(shí)最高，種植5年時(shí)最低，除了8年外，其余年份間無(wú)顯著性差異，8年與3年、4年間有顯著性差異。

不同種植年限苜蓿莖的C∶N呈先升后降的變化規(guī)律，種植4年時(shí)最高，種植1年時(shí)最低，4年與3年、5年間無(wú)顯著性差異，與1年、8年間有顯著性差異。苜蓿莖的C∶P和N∶P變化規(guī)律一致，在種植5年時(shí)最高，種植8年時(shí)最低，且均是5年與其他年限有顯著性差異，而其他年份間無(wú)顯著性差異(表2)。

2.4 植物與土壤C、N、P 間的關(guān)系

2.4.1植物葉片與土壤C、N、P間的關(guān)系 通過(guò)對(duì)不同種植年限苜蓿葉片與土壤C、N、P及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)分析，從表3可以看出：土壤C與土壤P顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，土壤N與葉片P顯著正相關(guān)(P<0.05)，與葉片C∶P顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；土壤N∶P與葉片N顯著正相關(guān)(P<0.05)；葉片C∶P與葉片N∶P極顯著正相關(guān)(P<0.01)；葉片P與葉片C∶P及葉片N∶P極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表3 不同種植年限苜蓿葉片與土壤C、N、P的關(guān)系Table 3 Relationships of C， N， P between leaf and soil at different plantation ages

注：**相關(guān)性在0.01水平上顯著，*在0.05水平上顯著，下同。

Note： ** shows the significant correlation at the 0.01 level, and * means at the 0.05 level, the same as below.

2.4.2植物莖與土壤C、N、P間的關(guān)系 通過(guò)對(duì)不同種植年限苜蓿莖與土壤C、N、P及化學(xué)計(jì)量比間的相關(guān)分析，從表4可以看出：土壤C與莖稈P極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與莖稈C、莖稈C∶N、莖稈C∶P及莖稈N∶P顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤P與莖稈N和莖稈C∶N分別顯著正相關(guān)(P<0.05)和顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。土壤C∶P與莖稈C、莖稈C∶N及莖稈C∶P顯著正相關(guān)(P<0.05)，與莖稈N顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。莖稈C∶P與莖稈N∶P呈極顯著正相關(guān)性(P<0.01)。

3 結(jié)論與討論

植物枯落物是苜蓿草地土壤C的重要來(lái)源，土壤C含量隨種植年限的增加而增加，在5年時(shí)達(dá)到峰值，這表明種植苜蓿對(duì)土壤C有累積作用，能夠改良土壤，提高土壤肥力，而在8年時(shí)降低是由于種植年限過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致苜蓿平均蓋度下降，高頻刈割造成枯落物還田減少[11]，以及實(shí)驗(yàn)期間適宜的水熱條件加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解等綜合因素的作用。土壤N含量的變化受苜蓿根際土壤固氮力的影響顯著，邰繼承等[12]研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿的根際土壤固氮力隨種植年限的增加呈先增后減的趨勢(shì)，并在3年時(shí)達(dá)到最大值，本文的研究結(jié)果與此一致。苜蓿作為一種大量需P的作物[13]，隨著種植年限的增加，土壤P含量呈先降后升的趨勢(shì)，這主要受苜蓿生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)P的吸收規(guī)律影響。

表4 不同種植年限苜蓿莖與土壤C、N、P的關(guān)系Table 4 Relationships of C， N， P between stem and soil at different plantation ages

苜蓿葉片P含量隨種植年限的增加呈先升后降的趨勢(shì)，這與葛選良等[13]對(duì)不同生長(zhǎng)年限紫花苜蓿需磷規(guī)律研究結(jié)果相同。植物的C∶N和C∶P除與植物體中養(yǎng)分含量高低有關(guān)，也與植物的生長(zhǎng)速度改變有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中在苜蓿生長(zhǎng)旺盛的1～4年，葉片的C∶P明顯下降，而隨著植株逐漸進(jìn)入平穩(wěn)到衰老期的5～8年，葉片的C∶P明顯上升，這也與Agren[3]關(guān)于較低的C∶P反映了分配到rRNA中P的增加，用以滿足植物快速生長(zhǎng)需要的結(jié)論相佐證。按照對(duì)歐洲濕地植物[14]和Güsewell[15]的植物N∶P限制性養(yǎng)分判斷標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)苜蓿地均為N限制，或N和P共同作用。但是本實(shí)驗(yàn)中苜蓿葉片N∶P和C∶P與葉片P含量呈顯著負(fù)相關(guān)，而與葉片N含量無(wú)顯著相關(guān)性(表3)，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中苜蓿生長(zhǎng)主要受到P含量的影響。這是由于苜蓿的生物固氮作用能有效保證其對(duì)N的需求[16]，而P以多種方式參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝[17]的同時(shí)，連年的高頻刈割導(dǎo)致大量磷素被轉(zhuǎn)移出農(nóng)田系統(tǒng)，造成P元素的供需矛盾。另外，包括我國(guó)草地在內(nèi)的中國(guó)區(qū)域的植被普遍受到P限制[18]，也是一個(gè)很好的佐證。苜蓿莖作為連接土壤和葉片的中間部分，其各養(yǎng)分含量基本均高于土壤而低于葉片，變化趨勢(shì)與土壤養(yǎng)分變化規(guī)律相似，變化幅度小于葉片養(yǎng)分。土壤P與莖的C、N、P及化學(xué)計(jì)量特征均有一定的相關(guān)性，這也都印證苜蓿生長(zhǎng)受到P元素的影響。所以在寧夏賀蘭山東麓淡灰鈣土區(qū)的人工苜蓿草地，在種植到一定年限或頻繁刈割后，應(yīng)適當(dāng)增施P肥，以保證植株的良好生長(zhǎng)，促進(jìn)土壤與植物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的良性循環(huán)。