利用方式對珠江三角洲耕層土壤團聚體分布及碳氮磷化學計量特征的影響

王超，熊凡，盧瑛，2，3*，李博，唐賢，董玉清

（1.華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣州 510642；2.農業(yè)農村部華南耕地保育重點實驗室，廣州 510642；3.廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣州 510642）

土地利用是人為因素影響土壤最直接的活動，能夠長期持續(xù)改變土壤結構、養(yǎng)分特征以及土壤微生物的代謝活動[1-2]，使得土壤物理、化學及生物特性發(fā)生改變。不同利用方式的農田地表覆蓋物、種植制度及人為干擾程度不同，容易造成耕層土壤結構和碳氮磷養(yǎng)分的差異。因此，了解不同利用方式農田的土壤結構和養(yǎng)分特性，有利于改善農田質量和發(fā)展可持續(xù)性農業(yè)。

團聚體作為土壤結構的基本單位，其形成發(fā)育是土壤動物、微生物、植物根系等與一系列復雜的生物化學反應綜合作用的結果。良好的團聚體結構具有較好的通氣透水性，能改善土壤生物的生存環(huán)境，調控植物生長，固持土壤碳氮磷養(yǎng)分，提高土壤肥力水平。榮勤雷等[3]和孫萌等[4]研究表明，各粒徑團聚體的養(yǎng)分含量及有效性存在差異，影響土壤肥力特性，因此在了解土壤團聚體組成分布的同時，明確各粒徑團聚體C、N、P 的化學計量特征是十分必要的。生態(tài)化學計量學是一門綜合生態(tài)學和化學計量學基本原理，利用生物、化學、物理過程中多種元素之間的耦合平衡機制，分析各種元素（特別是C、N、P）對生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)交互的理論科學[5]。土壤化學計量特征對植物生長和土地利用具有良好的表征作用，能夠揭示土壤圈生態(tài)系統(tǒng)C、N、P 養(yǎng)分循環(huán)和平衡機制[6-7]。近年來，國內外關于土壤團聚體化學計量特征的研究較多，主要研究生態(tài)林種類、種植年限及植被恢復對林地團聚體化學計量特征的影響[8-10]，以及不同耕作方式、施肥方式和植物殘體還田對土壤團聚體化學計量特征的影響[11-13]，但對于珠江三角洲地區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)不同利用方式的土壤，特別是不同粒徑土壤的C、N、P化學計量特征及影響機制的研究鮮見報道。

珠江三角洲地區(qū)是廣東省重要的農業(yè)生產基地。近年來，隨著城市化進程的推進，珠江三角洲耕地面積急劇減少，加上對土地資源的不合理利用，農田復種指數增加，造成了土壤養(yǎng)分供應不足，土壤結構嚴重破壞[14]，限制了耕地質量的提高。鑒于此，研究珠江三角洲農田3 種主要利用方式（水田、旱地和水旱輪作）對耕層團聚體和碳氮磷含量影響的差異，探討土壤團聚體碳氮磷含量與其化學計量特征之間的關系，以期為珠三角農田養(yǎng)分管理、土壤培肥和降低農業(yè)面源污染等方面提供科學依據和理論指導。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

珠江三角洲位于廣東省中南部，屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均降雨量約1 800 mm，年平均氣溫為21.4～22.4 ℃，雨熱同季。成土母質為三角洲沉積物，土壤類型為水耕人為土。主要種植作物為水稻、木薯、甘蔗和蔬菜。本研究根據種植歷史和種植制度挑選試驗樣點，基本信息見表1。

按照土壤發(fā)生層次采集耕作層土壤。采用五點取樣法，將土壤樣品混合后帶回實驗室自然風干，取一部分樣品研磨過0.149 mm 篩，用于測定土壤有機碳、全氮和全磷含量；另取一部分測定土壤團聚體分布。

1.2 測定方法

土壤團聚體采用團聚體篩分儀（TPF-100，上海托莫斯科學儀器有限公司）進行濕篩處理，篩出粒級大小為＞2、2～0.5、0.5～0.25 mm 和＜0.25 mm 的團聚體；土壤pH采用電位法測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測定[15]。供試土壤基本理化性質見表2。

1.3 數據分析

土壤團聚體碳氮磷含量、化學計量特征的敏感性指標采用以下公式[16]計算：

敏感性指標=（變量最大值-變量最小值）/變量最小值

土壤碳氮比（C∶N）、碳磷比（C∶P）和氮磷比（N∶P）均采用元素質量比。采用Excel 2016對數據進行整理和統(tǒng)計分析，Origin 2018 對數據進行繪圖，SPSS 22.0進行單因素方差分析和相關性分析，差異顯著水平（α=0.05）通過最小顯著性差異法（LSD法）進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同利用方式下耕層土壤團聚體分布特征

從耕層土壤團聚體含量統(tǒng)計結果（表3）發(fā)現，水田團聚體以＞2 mm 粒級的大團聚體為主，0.5～0.25 mm 團聚體占比最??；旱地和水旱輪作土壤團聚體以＜0.25 mm粒級的微團聚體為主，＞2 mm團聚體占比最小。水田和旱地各粒級團聚體含量差異顯著，水旱輪作土壤＜0.25 mm 微團聚體含量顯著高于其他粒級團聚體。＞2 mm 和2～0.5 mm 團聚體均表現為水田＞旱地＞水旱輪作，其中水田與水旱輪作差異顯著（P＜0.05）；0.5～0.25 mm 粒級團聚體含量表現為旱地＞水田＞水旱輪作，但在三種利用方式間差異不顯著（P＞0.05）。＜0.25 mm粒級團聚體表現為水旱輪作＞旱地＞水田，三種利用方式之間均差異顯著（P＜0.05）。耕層土壤各粒級團聚體含量明顯不同，而且利用方式對團聚體含量影響較大。

表1 土壤樣點基本信息Table 1 Basic information of the soil sampling sites

表2 土壤樣品基本理化性質Table 2 Basic physical and chemical properties of the sampling soil

表3 不同利用方式下耕層土壤團聚體分布（%）Table 3 The distribution of topsoil aggregates under different utilization modes（%）

2.2 不同利用方式下耕層土壤團聚體C、N、P分布特征

不同利用方式下耕層土壤團聚體有機碳和全氮含量變化范圍分別為14.04～38.59 g·kg-1和1.20～2.68 g·kg-1（圖1），團聚體有機碳和全氮含量總體表現為水田顯著高于旱地和水旱輪作（P＜0.05），而旱地土壤和水旱輪作土壤之間無顯著差異（P＞0.05）。土壤團聚體全磷含量變化范圍為2.05～10.43 g·kg-1，＞2 mm和2～0.5 mm團聚體全磷含量表現為水旱輪作土壤顯著高于水田和旱地土壤（P＜0.05），0.5～0.25 mm和＜0.25 mm團聚體全磷含量表現為旱地＞水旱輪作＞水田，其中旱地土壤團聚體全磷含量顯著高于水田（P＜0.05），而水旱輪作與水田、旱地土壤之間無顯著差異。

水田土壤團聚體有機碳和全氮含量在2～0.5 mm團聚體中最高，在＜0.25 mm 團聚體中最低，而全磷含量隨粒徑減小而降低，其中各粒級團聚體有機碳和全磷含量無顯著差異，＞2 mm 和2～0.5 mm 團聚體全氮含量顯著高于＜0.25 mm 團聚體（P＜0.05）。旱地和水旱輪作耕層土壤團聚體有機碳、全氮和全磷含量也隨著粒徑減小呈下降趨勢，旱地土壤＞2 mm 團聚體有機碳和全氮含量顯著高于0.5～0.25 mm和＜0.25 mm團聚體（P＜0.05），其各粒級團聚體全磷含量無顯著差異；水旱輪作土壤＞2 mm 團聚體全氮和全磷含量顯著高于0.5～0.25 mm 和＜0.25 mm 團聚體（P＜0.05），其各粒徑團聚體有機碳含量無顯著差異。

2.3 不同利用方式下耕層土壤化學計量特征

不同利用方式下耕層土壤團聚體化學計量特征C∶N、C∶P 和N∶P 變化范圍分別為10.84～13.89、2.03～18.08和0.16～1.30（圖2）。

土壤各粒級團聚體C∶N 無顯著差異，＞2 mm 和＜0.25 mm 粒級團聚體表現為水旱輪作＞水田＞旱地，2～0.5 mm 和0.5～0.25 mm 粒級團聚體為水田＞旱地＞水旱輪作。各粒級團聚體C∶P 水田均顯著高于旱地和水旱輪作（P＜0.05），＞2 mm和2～0.5 mm粒級團聚體表現為旱地＞水旱輪作，0.5～0.25 mm和＜0.25 mm粒級團聚體為水旱輪作＞旱地。土壤團聚體N∶P的規(guī)律與C∶P一致。

水田土壤各粒級團聚體C∶N、C∶P 和N∶P 均無顯著差異，最大值均出現在2～0.5 mm 粒級。旱地土壤各粒級團聚體C∶N、C∶P 和N∶P 均隨著粒徑減小而呈現下降趨勢，各粒級土壤團聚體C∶N 無顯著差異，但旱地土壤＞2mm 團聚體C∶P 和N∶P 顯著高于0.5～0.25 mm 和＜0.25 mm 土壤團聚體（P＜0.05），最大值出現在＞2 mm粒級。水旱輪作土壤（C∶N＞2 mm粒徑除外）各粒級團聚體C∶N、C∶P 和N∶P 規(guī)律與旱地土壤相反，隨粒徑減小呈上升趨勢，各粒級土壤團聚體C∶N 無顯著差異，＞2 mm 團聚體C∶P 顯著低于0.5～0.25 mm和＜0.25 mm，＞2 mm 團聚體N∶P 顯著低于其他粒級（P＜0.05）。

圖1 不同利用方式下耕作層土壤團聚體的C、N和P含量Figure 1 The content of C，N and P in topsoil aggregates under different land uses

圖2 不同利用方式下耕層土壤團聚體的碳氮磷化學計量特征Figure 2 Stoichiometric characteristics of C，N and P in topsoil aggregates under different land uses

2.4 土壤團聚體碳氮磷含量及化學計量特征的敏感性分析

耕層團聚體碳氮磷含量及化學計量特征的敏感性分析見表4，其對不同利用方式下耕層土壤團聚體的敏感性（均值）排序為C∶PA＞N∶PA＞PA＞CA＞NA＞C∶NA，土壤團聚體C∶P 即C∶PA對利用方式的響應最為明顯，宜作為利用方式對耕層團聚體碳氮磷含量及化學計量特征影響的良好指標。

表4 不同利用方式下耕層土壤團聚體碳氮磷含量及化學計量特征敏感性指標Table 4 Sensitivity index of C，N，P and stoichiometric characteristics in topsoil aggregates under different land uses

2.5 土壤碳氮磷含量與化學計量特征的相關性分析

對不同利用方式下土壤團聚體養(yǎng)分與化學計量指標進行相關性分析（表5），結果表明，全土與團聚體有機碳、全氮和全磷含量呈現不同程度的相關性，全土有機碳、全氮、全磷與團聚體有機碳、全氮、全磷呈顯著正相關（P＜0.05，＞2 mm 和2～0.5 mm 團聚體全磷除外），且隨著粒徑減小相關系數逐漸增大（P＜0.01）。

各粒級團聚體有機碳與全氮含量均呈極顯著正相關（P＜0.01），在2～0.5 mm 粒級時團聚體有機碳和團聚體全磷呈極顯著負相關（P＜0.01），2～0.5 mm 和0.5～0.25 mm 粒級團聚體全氮和團聚體全磷呈極顯著負相關（P＜0.01）。僅2～0.5 mm 粒級團聚體有機碳、全氮與團聚體C∶N 呈顯著相關關系，團聚體有機碳、全磷均與團聚體C∶P 呈顯著相關關系（＞2 mm 粒級團聚體全磷除外），各粒徑團聚體全氮、全磷均與團聚體N∶P呈顯著相關關系。

3 討論

3.1 利用方式對耕層土壤團聚體分布特征的影響

土壤團聚體組成作為土壤結構重要評價指標，影響著土壤質量的好壞。本研究發(fā)現，水田利用方式以大團聚體為主，而旱地與水旱輪作以＜0.25 mm 微團聚體為主，這與前人的研究結果一致[17-18]，主要是由于水田的種植作物為水稻，水稻收割后會留有大量殘茬或稻稈還田，使得水田土壤有機碳來源增加，能夠膠結微團聚體形成大團聚體，而旱地和水旱輪作有機殘體歸還量較少，與本研究中水田土壤耕作層有機碳含量明顯高于旱地和水旱輪作的結論相一致。Wei等[19]研究表明旱地和水旱輪作利用方式人為擾動大，定期耕作破壞了土壤結構，使得大團聚體含量減少，微團聚體含量升高。

3.2 利用方式對農田耕層土壤團聚體C、N、P 含量的影響

張晗等[2，20]研究表明，利用方式受自然環(huán)境條件和人為活動綜合影響，是土壤圈生態(tài)系統(tǒng)和元素地球化學循環(huán)過程的變化，顯著影響農田碳氮磷含量及其空間分布特征。Cleveland 等[21]研究發(fā)現，土壤團聚體有機碳、全氮和全磷含量可反映出土壤有機碳和有效養(yǎng)分的分布狀況。本研究中，團聚體中的有機碳和全氮含量均表現為水田高于旱地和水旱輪作，這是由于利用方式通過土壤養(yǎng)分的輸入和輸出來控制土壤碳氮的固存和釋放。土壤養(yǎng)分輸入方面，水稻種植留有殘茬和稻稈，有機殘體分解速率快，導致輸入土壤的有機碳量較多，再加上有機物質腐殖化系數高，表現出高有效性的土壤養(yǎng)分[22]。土壤養(yǎng)分輸出方面，旱地、水旱輪作復種指數較高，作物生長吸收了大量的碳氮而土壤未得到及時補充，導致土壤養(yǎng)分的缺失；此外旱作時，頻繁的作業(yè)破壞了土壤結構，滲漏和地表徑流帶走表層土壤的C、N[19]。團聚體全磷含量在不同利用方式之間存在差異性，＞0.5 mm 和＜0.5 mm團聚體分別表現為水旱輪作和旱地含量最高。旱地種植蔬菜，生長周期短，施肥次數較多，土壤肥料是較大的P 輸入源，同時受到地表動植物殘體分解的影響，這些有機殘體的分解會加速磷的積聚，因而水旱輪作團聚體磷含量也較高。

土壤團聚體C、N、P 在不同粒級團聚體中的分配存在差異性。瞿晴等[23]對黃土高原不同植被帶的研究發(fā)現，團聚體有機碳、全氮和全磷含量隨著粒徑的減小呈現“V”字形變化趨勢。潘俊等[24]對退化紅壤植被恢復過程的研究發(fā)現，團聚體有機碳、全氮和全磷含量總體上隨著粒徑的減小而呈增加趨勢。而本研究中，水田（＜0.25 mm 團聚體全氮除外）各粒級團聚體有機碳、全氮和全磷含量無顯著差異，說明養(yǎng)分均衡分配在不同大小的團聚體中。而旱地和水旱輪作C、N、P含量均隨著團聚體粒徑的減小而呈下降趨勢，這是因為大團聚體吸附有機碳能力強，不易被微生物分解，對土壤養(yǎng)分具有較強的固持能力[23，25]。

不同利用方式團聚體養(yǎng)分的分配特征可能與母質的組成、成土過程、地表覆蓋物、侵蝕狀況和人為擾動等因素有關。相關性分析可知，耕層土壤C、N、P含量總體上與團聚體C、N、P 含量顯著相關，表明團聚體C、N、P 含量對土壤C、N、P 含量具有很好的指示作用，這與區(qū)曉琳等[26]的研究結果相同，且隨著粒徑的減小相關系數越高，對土壤C、N、P 含量的指示作用越強烈。

3.3 利用方式對農田耕層土壤化學計量特征的影響

土壤化學計量特征是土壤養(yǎng)分元素的平衡耦合機制，反映土壤礦化養(yǎng)分的能力，決定土壤養(yǎng)分有效性及生態(tài)化學循環(huán)。王紹強等[27]研究表明，土壤C、N、P之間的比值往往趨近于定值，對植物生長限制最強的因子決定其他養(yǎng)分的循環(huán)速度，可以反映出該地區(qū)的生態(tài)利用模式。土地利用方式的不同對表層土壤的影響最為直接，對團聚體C∶N、C∶P 和N∶P 具有不同程度的影響。

C∶N表明土壤碳氮“匯”的能力，較低的C∶N意味著土壤有機碳礦化快，養(yǎng)分周期短，不利于土壤碳氮養(yǎng)分的固存[1]。團聚體C∶N 總體上表現為水田、水旱輪作大于旱地，因為種植水稻使得土壤長期處于淹水狀態(tài)，導致微生物活性降低，有機碳的礦化速率減緩[28]，加上植物殘茬為土壤提供了豐富的有機碳源，土壤處于高C∶N 狀態(tài)。而旱地土壤通氣透水性相對較好，孔隙度高，好氧型細菌活性增強[29]，加速了有機碳的礦化，導致土壤固存的C減少。不同利用方式的農田土壤C∶N之間差異不大，這是由于土壤C、N循環(huán)聯系緊密，空間分布規(guī)律表現出一致性，C∶N 相對穩(wěn)定[21，27]。

土壤C∶P 通常被認為是土壤磷元素礦化能力的指標，可以反映從生態(tài)系統(tǒng)中吸收固持磷的潛在能力[30]。團聚體C∶P 表現為水田大于旱地、水旱輪作，說明水田耕層土壤具有較強的固磷潛力。水田長期淹水，土壤溫度較低、通氣透水性較差，處于強還原狀態(tài)，微生物活性降低，土壤C、P礦化速率慢，而有機碳來源豐富，造成水田C∶P較高；而旱地土壤通氣性好，微生物和土壤酶活性高，磷礦化作用強，造成旱地C∶P 較低。不同利用方式下土壤團聚體指標的敏感指數C∶P最高，宜作為利用方式對耕層土壤團聚體碳氮磷含量及化學計量特征影響的敏感性指標。

N、P 是植物生長必需的營養(yǎng)元素，是土壤中常見的限制性養(yǎng)分。N、P空間分布的不一致性導致不同利用方式下土壤團聚體N∶P存在明顯差異。團聚體N∶P表現為水田顯著大于旱地和水旱輪作，主要是由于水田有機殘體歸還量多，碳氮具有同質效應，導致水田氮含量較高。相關性分析結果顯示，團聚體N∶P與全氮呈極顯著正相關（P＜0.01），相關程度高于磷，說明N∶P 主要受到氮素的影響。此外，研究區(qū)N∶P 整體水平低于熱帶-亞熱帶土壤N∶P平均水平[31]，理論上是由于氮素限制了土壤養(yǎng)分的供應，但珠江三角洲農田磷肥施用普遍，土壤高磷量也會導致N∶P變低。因此，關于氮素是否為珠三角農田的限制性元素還有待進一步研究。

4 結論

（1）珠江三角洲農田耕層土壤團聚體碳氮磷含量主要集中在＞2 mm 和2～0.5 mm 團聚體中，大團聚體保蓄養(yǎng)分能力強；全土碳氮磷與團聚體碳氮磷總體呈顯著正相關，團聚體碳氮磷對土壤養(yǎng)分具有良好的指示性，且粒徑越小，指示作用越強。

（2）珠江三角洲農田耕層土壤碳氮耦合性較好，團聚體C∶P 可作為該區(qū)域土壤團聚體碳氮磷含量及化學計量特征的敏感性指標。

（3）珠江三角洲水田土壤大團聚體及其碳氮磷含量較高，土壤結構良好，有利于團聚體對土壤養(yǎng)分的物理保護和碳氮磷的積累。