種植年限對設(shè)施土壤微生物熵及生態(tài)化學(xué)計量特征的影響

于淼 池景良

摘要：為明確遼寧省朝陽地區(qū)設(shè)施土壤化學(xué)計量比特征和微生物量熵隨種植年限的變化，解析設(shè)施土壤變化規(guī)律，為該地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)提供理論依據(jù)，以遼寧省朝陽市喀左縣公營子鎮(zhèn)番茄種植大棚0～20 cm耕層土壤為研究對象，采集種植年限分別為0、1、5、10、15、20年以上的土壤樣本進行檢測分析。結(jié)果表明，隨著種植年限的增加，土壤碳氮比（SOC含量/TN含量）和碳磷比（SOC含量/TP含量）在0～15年期間始終在下降，在15～20年略有回升，氮磷比（TN含量/TP含量）呈穩(wěn)定下降的趨勢。土壤微生物量碳氮比（BC含量/BN含量）在10年達(dá)到最低，土壤微生物量的碳磷比（BC含量/BP含量）在15年最低。土壤微生物量的氮磷比（BN含量/BP含量）在20年時達(dá)峰值。種植年限與BN含量/BP含量呈強正相關(guān)，與TN含量/TP含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，BC含量/BN含量與BC含量/BP含量呈強負(fù)相關(guān)。朝陽地區(qū)設(shè)施土壤隨著種植年限的增加，存在磷肥使用過量的問題，應(yīng)合理耕作，減少化肥使用量，保證設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：種植年限;微生物量熵;生態(tài)化學(xué)計量比;相關(guān)性

中圖分類號：S154.36文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0234-04

收稿日期：2021-08-05

基金項目：遼寧省“興遼英才計劃”（編號：XLYC2002048）;遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤微生態(tài)學(xué)科建設(shè)項目（編號：2019DD154522）。

作者簡介：于 淼（1982—），女，遼寧朝陽人，碩士，副研究員，主要從事土壤微生態(tài)調(diào)節(jié)研究。E-mail：52638019@qq.com。

通信作者：池景良，研究員，主要從事土壤微生態(tài)方面的研究。E-mail：chijingliang@sina.com。

遼寧省朝陽地區(qū)屬于典型的半干旱地區(qū)，以低山、丘陵為主要地形特征。氣候干旱，降雨較少，農(nóng)事生產(chǎn)活動受到氣候條件的較大制約。設(shè)施農(nóng)業(yè)以其集約化程度高、產(chǎn)能高效、免受氣候、地形等條件制約等諸多特點，逐漸成為一種重要的耕作方式，受到本地農(nóng)民的認(rèn)可，其耕作面積逐年增加。隨著種植年限的增加，在這種半封閉的生產(chǎn)條件下，棚內(nèi)的環(huán)境呈強濕度、高肥高農(nóng)藥的累積，農(nóng)戶缺乏科學(xué)的管理和施肥指導(dǎo)，導(dǎo)致耕層土壤質(zhì)量出現(xiàn)酸化、鹽漬化、養(yǎng)分失衡等情況，土壤微生態(tài)環(huán)境趨于惡劣等一系列問題^[1-2]，間接導(dǎo)致病蟲害加劇，使本地設(shè)施蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)以及農(nóng)民的收入都受到嚴(yán)重影響。

土壤微生物熵（qMB）是土壤微生物生物量碳、氮、磷占土壤有機碳、全氮、全磷含量的比例，主要受土壤有機質(zhì)質(zhì)量和數(shù)量的影響，用來反映土壤單位資源所能支持的微生物生物量^[3]。qMB可以反映土壤養(yǎng)分及利用效率的差異變化，進而起到預(yù)測土壤環(huán)境微妙變化的作用^[4]。具體體現(xiàn)在qMB越大，該地土壤養(yǎng)分積累就越大，相反則土壤養(yǎng)分損失越大^[5]。qMB的變化在一定程度上會影響土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化、土壤與微生物養(yǎng)分之間的周轉(zhuǎn)速率以及土壤碳的損失^[6]，因此不同生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的積累與恢復(fù)狀況可以通過qMB來探究^[7]。常被用于預(yù)測土壤養(yǎng)分庫的細(xì)微變化、土壤退化程度監(jiān)測及其恢復(fù)效果評價^[8]。

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)（ecological stoichiometry）是一門交叉學(xué)科，它結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的基本原理，為研究碳（C）、氮（N）、磷（P）等元素在生態(tài)系統(tǒng)過程中的變化及動態(tài)平衡提供了一種綜合方法，土壤養(yǎng)分的可獲得性可以通過研究土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征而明了。我國學(xué)者對生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的研究相對缺乏，已有研究主要集中于植物的變化特征方面^[9-10]，對土壤的研究則集中在不同生境的土壤生態(tài)化學(xué)計量特征，如森林、荒漠等具有明顯特征的生境，設(shè)施土壤則研究較少，因此本研究選取土壤微生物量熵和土壤化學(xué)計量特征作為主要研究對象，分析種植年限對它們的影響以及兩者之間的相關(guān)性，以期為當(dāng)?shù)氐脑O(shè)施農(nóng)業(yè)進行合理耕作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤于2020年7月20日采自遼寧省朝陽市喀喇沁左翼蒙古族自治縣六官營子種植大棚，采樣區(qū)選取同一園區(qū)的蔬菜大棚，常年栽培番茄，1年2茬，土壤理化性質(zhì)一致，且不同種植年限的土壤均未換土，確保整個試驗中耕作管理措施以及土壤類型的統(tǒng)一，其施肥主要以有機肥、蔬菜專用肥為主。試驗土樣選取0、1、5、10、15、20年以上不同種植年限的日光溫室，取樣時用內(nèi)徑2 cm的土鉆取0～20 cm土壤，每個年限用“S”形采樣法取6鉆，混合均勻，土樣利用四分法進行區(qū)分，混勻的土樣分為2個部分，一部分正常保存，用于分析土壤理化性狀，其余冷藏保存，用于檢測微生物量。

1.2 測定方法

有機碳（SOC）含量的測定采用重鉻酸鉀容量滴定法;全磷（TP）含量的測定用濃硫酸-高氯酸消煮，全氮（TN）含量的測定用濃硫酸消煮，后期均采用全自動流動分析儀法測定^[11-12]。微生物量碳氮磷含量的測定參照土壤微生物生物量的測定，以熏蒸提取法進行測定^[13]。

1.3 儀器與設(shè)備

AE100S電子分析天平，JY92-2D超聲波細(xì)胞粉碎機，F(xiàn)E20pH計，MILLIQ-AMILLIPORE超純水純化系統(tǒng)，IFTA7-MAC3流動分析儀，HYP-340消化爐，KGN-4C消化器。175467BE-6D46-43F0-8EC6-0CB9ADBBA4E1

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS26.0分析處理，不同處理間的差異顯著性采用LSD法檢驗;用皮爾遜法進行相關(guān)性分析。Microsoft Excel 2016、Origin 2019進行分析處理和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限下土壤微生物量熵的變化

從圖1可以看出，微生物量碳熵（qMBC）在種植5年時最大，隨后呈下降趨勢，說明土壤生態(tài)與農(nóng)事活動在5年時達(dá)到平衡，地力最強。而微生物量氮熵（qMBN）隨種植年限的增加呈下降趨勢，20年時有回升。微生物量磷熵（qMBP）則整體一直呈下降趨勢。

2.2 不同種植年限下土壤養(yǎng)分及微生物量生態(tài)化學(xué)計量特征的變化

從圖2可以看出，土壤養(yǎng)分的碳氮比（SOC含量/TN含量）和碳磷比（SOC含量/TP含量）在 0～15年期間均隨著種植年限的增加呈降低趨勢，在 15～20年期間略有回升，氮磷比（TN含量/TP含量）整體呈一直下降的趨勢。土壤微生物量的碳氮比（BC含量/BN含量）在種植10年時最低，土壤微生物量的碳磷比（BC含量/BP含量）在種植15年時最低，隨后上升。土壤微生物量的氮磷比（BN含量/BP含量）在20年時因為土壤中的微生物量磷嚴(yán)重下降而呈突然上升的趨勢。

2.3 種植年限與土壤微生物量生態(tài)化學(xué)計量特征、微生物量熵相關(guān)性分析

對于Person系數(shù)，相關(guān)系數(shù)r在0.9以上是極顯著相關(guān)，在0.8～0.9是顯著相關(guān)，在0.6～0.8是強相關(guān)，在0.4～0.6是中等程度相關(guān)，0.2～0.4是弱相關(guān)，在0～0.2則是極弱相關(guān)或無相關(guān)。從表1可以看出，種植年限與BN含量/BP含量呈強正相關(guān)，與TN含量/TP含量、qMBP呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，BC含量/BN含量與BC含量/BP含量、qMBN呈強負(fù)相關(guān)，BC含量/BP含量與BN含量/BP含量呈強正相關(guān)，BN含量/BP含量與TN含量/TP含量呈強負(fù)相關(guān)，SOC含量/TN含量與SOC含量/TP含量、qMBN、qMBP呈正相關(guān)，SOC含量/TP含量與TN含量/TP含量、qMBN、qMBP呈強正相關(guān)，TN含量/TP含量與qMBP呈強正相關(guān)，qMBN與qMBP呈強正相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同種植年限對土壤微生物量熵的影響

qMB可以從微生物學(xué)的角度揭示土壤肥力差異，與試驗區(qū)域所在地農(nóng)耕制度、土壤類型、農(nóng)戶習(xí)慣、管理措施等因素關(guān)系密切，其變化范圍一般為0.27%～7.00%，qMB反映土壤養(yǎng)分及養(yǎng)分利用效率的差異變化，可對土壤生態(tài)環(huán)境的微妙變化迅速做出預(yù)測。本研究中qMB的變化與前人的研究結(jié)果（1%～5%）^[14-15]一致。農(nóng)耕活動開始，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施用大量的農(nóng)家肥對新開墾的大棚進行熟化，極大地活化了土壤中的微生物活動，使其數(shù)量和種類得到了極大提高，所以在種植初期，3個微生物量熵均較高，其中qMBC在5年時最高，說明土壤的C累積與消耗在5年時達(dá)到平衡狀態(tài)，之后一直呈下降趨勢。而qMBN和qMBP隨著種植年限的增加一直下降則表明土壤中的N和P的儲備庫一直在損失。究其原因應(yīng)該是隨著種植年限的增加，施肥量的不斷累積，土壤微生物生物量的下降，導(dǎo)致熵值的降低，反映了土壤肥力水平的降低，也側(cè)面反映了當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)存在施肥過量問題。

3.2 不同種植年限對土壤養(yǎng)分及微生物量生態(tài)化學(xué)計量特征的影響

趙海燕等認(rèn)為土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計量比可以作為土壤有機質(zhì)組成和土壤質(zhì)量狀況以及養(yǎng)分供給能力的重要指標(biāo)，也可作為土壤C、N、P礦化與固持轉(zhuǎn)化的評價指標(biāo)^[16]。土壤的SOC含量/TN含量比與有機質(zhì)分解速度成反比^[17]，本研究中設(shè)施土壤的TC含量/TN含量比隨著種植年限的增加呈先下降后上升趨勢，表明15年之前土壤中有機質(zhì)的分解速度一直處在較快的狀態(tài)，而有機質(zhì)的快速分解，使得微生物得到足夠的N元素來構(gòu)成其軀體的重要組成部分，從而加快其繁殖速度^[18]。這也就很好地解釋了上文中qMBC的變化。土壤有機質(zhì)的分解速率決定了磷元素的有效性，較低的SOC含量/TP含量是磷有效性高的一個指標(biāo)。本研究表明種植20年時，磷的有效性開始下降。有學(xué)者認(rèn)為TN含量/TP含量可用作氮飽和的診斷指標(biāo)，被用于確定養(yǎng)分限制的閾值^[19-20]，但對比設(shè)施土壤并沒有相關(guān)的研究，本研究中的TN含量/TP含量說明該地區(qū)磷肥的使用量過大，在土壤中累積嚴(yán)重。

設(shè)施土壤BC含量/BN含量出現(xiàn)先增高后降低的趨勢，說明SMBC在10年之前處在快速增長階段。微生物量的BC含量/BP含量和BN含量/BP含量變化基本一致，先下降后上升再下降，在20年時出現(xiàn)的增長則是因為SMBP的迅速下降導(dǎo)致，推測與磷肥的過量使用導(dǎo)致解磷微生物的活性降低，土壤磷庫遭到破壞有關(guān)。

3.3 不同種植年限與土壤微生物量生態(tài)化學(xué)計量特征、微生物量熵相關(guān)關(guān)系

相關(guān)性分析表明種植年限與微生物量生態(tài)化學(xué)計量比相關(guān)性較低，但與TN含量/TP含量、qMBP呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，說明磷肥施用量累積嚴(yán)重導(dǎo)致qMBP下降，磷的利用率也呈下降趨勢，高投入并沒有得到相應(yīng)的產(chǎn)出。而多個與磷相關(guān)的指標(biāo)都呈顯著相關(guān)，是否可以認(rèn)為磷元素可以被認(rèn)為是當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分的限制元素還需要進一步的研究和認(rèn)證。

本研究僅針對朝陽地區(qū)的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤微生物量熵和生態(tài)化學(xué)計量特征的變化進行了研究。結(jié)果表明，朝陽地區(qū)的設(shè)施土壤磷肥使用過量尤為嚴(yán)重。應(yīng)多用農(nóng)家肥，降低化肥施用量，提高土壤微生物的活性，以改良現(xiàn)狀，保證當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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