1、湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）2023 年 2 月38-土壤肥料 资源环境湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）引用格式：文丽，李超，程凯凯，等.不同农田模式下土壤有机碳、氮、磷及化学计量比的垂直分布特征 J.湖南农业科学，2023（2）：38-42.DOI:10.16498/ki.hnnykx.2023.002.0092023（2）：38-42生态恢复对退化土地的土壤碳固持、石漠化治理和土壤肥力提升方面都有很重要的影响1-2。土壤养分，尤其是有机碳、氮和磷，是评判退化土地是否得到恢复的理想指标3。土壤微生物主导着土壤有机
2、质分解与矿化过程，土壤微生物量是衡量土壤质量、维持土壤肥力和作物生产力的一个重要指标，具有高度的敏感性，更能反映土壤养分的利用情况4-5。土壤碳、氮、磷生态化学计量比可以反应土壤中碳、氮、磷元素的矿化程度及固持效果6-7。因此，研究不同生态恢复模式下土壤养分、微生物及化学计量学特征有助于更好地掌握土壤关键养分状况、了解不同生态恢复模式的限制性养分，为遴选适宜的生态恢复模式提供科学依据。在喀斯特山区，前期研究已经发现，传统的玉米大豆轮作能加剧土地退化和养分流失，不利于土地生态恢复8。因此，当地陆续发展了一些取代玉米大豆轮作模式的新的种植模式，如种植桑、甘蔗和牧草等。但这些不同农田转换模式对土壤养
3、分的研究大部分聚焦于土壤表层，关于深层土壤的研究不多8。基于此，对不同农田转换模式下土壤养分，如有机碳、氮和磷等，在土壤剖面中的垂直分布特征研究，更有助于评估不同农田模式对减缓土地退化效果。1材料与方法1.1试验地概况研究区位于广西环江毛南族自治县（10751 10843E，24442533N），属亚热带季风气候区，多年平均气温为 16.921.5，最低气温在 1 月（3.4 8.7），最高气温在 7 月（23.026.7）；年均降水量 1 4001 600 mm，其中 49 月为湿季，10 月次年 3 月为干季。研究区属于典型的岩溶峰丛洼地。根据联合国粮农组织和教育、科学及文化组织（FAO/
4、不同农田模式下土壤有机碳、氮、磷及化学计量比的垂直分布特征 文丽1，李超1，程凯凯1，唐海明1，肖小平1，肖彦资2，郭勇3（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业信息与工程研究所，湖南 长沙 410125；3.湖南农业大学，湖南 长沙 410128）摘要：为了探讨土地利用方式的改变是否会影响土壤养分的垂直分布，以次生林地为对照，研究了西南喀斯特山区玉米大豆轮作地、甘蔗地、桑园和牧草地等不同农田利用模式下 050 cm 土层中土壤 SOC、N、P、MBC、MBN 及其化学计量指标的变化。结果表明：研究区域内土壤 SOC、N 和 P 含量的表层积聚程度显著低于土壤 MB
5、C 和 MBN，森林土壤养分表层积聚效果优于农田土壤；土壤 SOC 含量是影响土壤养分表层积聚的重要因子。关键词：养分；有机碳；化学计量比；微生物量 中图分类号：S158文献标识码：A文章编号：1006-060X（2023）02-0038-05Vertical Distribution Characteristics of Soil Organic Carbon,Nitrogen and Phosphorus and Their Stoichiometric Ratios in Different Types of Cropland WEN Li1，LI Chao1，CHENG Kai-kai
6、1，TANG Hai-ming1，XIAO Xiao-ping1，XIAO Yan-zi2，GUO Yong3（1.Hunan Soil and Fertilizer Institute,Changsha 410125,PRC;2.Hunan Institute of Agricultural Information and Engineering,Changsha 410125,PRC;3.Hunan Agricultural University,Changsha 410128,PRC）Abstract：To explore whether cropland use patterns wi
7、ll affect the vertical distribution of soil nutrients,the changes of SOC,N,P,MBC,MBN and their stoichiometric ratios in 0-50 cm soil layers under different cropland use patterns(corn-soybean rotation,sugarcane field,mulberry field and pasture)in the southwest karst mountainous area were studied with
8、 secondary forest as the control.The results showed that within the research regions,the surface accumulation degree of SOC,N and P contents in soil was significantly lower than that of MBC and MBN in soil,and the surface accumulation of forest soil nutrients was better than that of cropland soil nu
9、trients.Soil organic carbon content is a major factor affecting the surface accumulation of soil nutrients.Key words：soil nutrient;soil organic carbon;stoichiometric ratio;soil microbial biomass收稿日期：2022-11-08基金项目：国家自然科学基金青年项目（31901129）作者简介：文丽（1990），女，湖南衡东县人，助理研究员，主要从事耕作生态与土壤培肥。文丽等：不同农田模式下土壤有机碳、氮、磷及
10、化学计量比的垂直分布特征39-土壤肥料 资源环境UNESCO）系统分类，土壤类型为石灰土（calcareous lithosols）。1.2试验设计及采样在野外调查的基础上，2019 年 10 月在研究区采取随机区组设计，共选取甘蔗地，桑园和牧草地3 种典型的农田利用类型样地，并以玉米大豆轮作地和次生林作为对照，尽量选择下坡和坡谷样地，每个处理各设置 4 各重复，每个处理类型样地面积为 20 m20 m，其中甘蔗地、桑园和牧草地均有玉米大豆地转化而来且已种植 1520 a。各个处理的作物类型、耕作频率、施肥等信息已在前期研究中描述8-9。1.3土壤样品测定及方法采用五点取样法在每个样方内取样，
11、取样深度依次划分为 010、1020、2030、3050 cm。去除掉表层的枯枝落叶后充分混匀后立即带回实验室分析测定，土壤样品分为两部分，一部分自然风干后分别过 20 目和 100 目筛测定土壤 pH 值 和土壤养分含量；剩余的一部分过 10 目筛后至于 4冰箱保存用于分析土壤微生物量碳、氮含量。土壤有机碳采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定（GB88341988）。土壤全磷采用 NaOH 熔融-钼锑抗比色-紫外光风光光度计测定。土壤 pH 值采用pH 计（FE20K，Mettler-Toledo，Switzerland）测 定（土水=1 2.5）。土壤全氮含量采用元素分析仪测定。土壤微生物量碳、
12、氮含量采用氯仿熏蒸培养-硫酸钾浸提测定。1.4数据分析试验地内土壤有机碳、全氮、全磷、微生物量碳、氮及其化学计量比随土层深度的变化采用渐近函数方程公式（1）表示：y=1-d （1）其中：d 代表土层深度（cm)，代表土壤有机碳等指标随土壤深度的垂直变化幅度，无单位，范围为 01。y 代表土壤土壤有机碳等指标在给定土层与土壤剖面中所有土层综合的累积比例，y 是无单位的，范围为 0110-11。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)对研究区内土壤有机碳、全氮、全磷、微生物量碳、氮及化学计量比的 值进行差异显著性检验（P 0.05）。采用皮尔逊线性相关性分析 值与其它指标的相关性。所有的图
13、均用 Sigmaplot 16.0 作图。所有数据的计算分析均由 SPSS 21.0 软件完成。2结果与分析2.1土壤有机碳、全氮和全磷垂直分布特征从图 1 可以看出，试验地土壤 SOC、N 含量均随土层深度增加增加而降低，大约有 63.24%和60.63%的土壤有机碳和氮主要集中在 020 cm 土层中，这与前人的研究结果一致8。土壤有机碳和氮的水平主要由有机质的输入量和分解速率决定的12。在农田生态系统中，除了外源肥的添加，土壤凋落物和残根量的累积是土壤有机质输入的重要来源。与深土壤层相比，表层土壤作物根系更丰富，根系分泌物输入更多，因此有机碳和氮更易在土壤表层累积。土壤磷素主要来源于母质
14、风化且迁移率很 低12，因此，土壤 P 含量的垂直分布变异很小，基本不受土层深度的影响（图 1c，P 0.05）。土壤 C N、C P 和 N P 比是表征土壤养分耦合和限制机制的重要指标13-14。它们在土壤中的垂直分布特征能反映土壤不同深度中碳、氮和磷元素的盈缺状态。研究中，土壤 C N、C P 和 N P 比值范围分别为 9.231.76、21.481.38 和 2.320.14，远低于全国陆地土壤平均值（C N=12.34，C P=52.70 和 N P=4.20）15和 全 球 陆 地 土 壤 平 均 值（C N=12.25，C P=72.07 和 N P=13.0）7，侧面反映了该
15、退化区土壤碳含量普遍偏低，固碳潜力较大，一旦进行生态恢复有助于提升该区土壤有机质水平。与传统玉米大豆轮作相比，部分研究已经发现种植牧草大约能提升 56.3%和 29.4%土壤有机碳、氮储量8。土壤有机碳、氮储量土壤 C N 比随土层深度增加呈下降状态，而土壤 C P 和 N P在不同土层间差异不显著，呈较稳定的状态（图1df），反映了土壤 C N 比随土层深度增加降低的幅度超过了土壤 N P 和 N P 比。这主要是由土壤 SOC 含量的垂直变化系数高于土壤 N、P 含量造成的。2.2土壤微生物量碳、氮含量的垂直分布特征土壤 MBC 和 MBN 含量随土层深度增加呈现相同的递减变化（图 2ab
16、，P 0.05)。表层土壤（010 cm）MBC 和 MBN 含量显著高于 1020、2030 和3050 cm，且土壤 MBC 和 MBN 含量在后 3 个土层中无显著变化，这表明MBC和MBN存在表聚现象。主要原因一方面可能是由于表层矿化土壤对 MBC 具有吸附作用，阻碍其向下渗透至深层土壤。另一方面表层土壤根系较多，分泌物给微生物提供了充足的养分，有利于碳氮的固定。土壤微生物量的生态化学计量比能在一定程度上反应物质循环在微生物影响下的动态特征，进一步反应土壤养分的丰缺状况16。土壤 MBC MBN湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）2023 年 2 月40-土壤肥料 资源环境图 1土壤有机碳、氮、磷含量及其化学计量比的垂直分布特征 不同小写字母表示不同土层深度之间的显著性差异（P 0.05），下同 图 2土壤微生物量碳、氮含量及其比值的垂直分布特征是反应土壤可利用氮素供应能力的重要指标，其比值较小时土壤氮的有效性比较高。研究中土壤MBC MBN 比值受土壤深度的影响，表层土壤（020 cm）显著低于 2030 cm 和 3050 cm 土壤（图2