2020, Vol. 41
2. 湖南农业大学土壤研究所, 长沙 410128;
3. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125
2. Institute of Soil Science, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;
3. Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China
土壤元素组成及其生物地球化学循环如何调控陆地生态系统结构和服务功能, 一直是地球表层科学研究的核心科学问题之一[1, 2].尽管在复杂的成土因素作用下, 土壤元素的分布具有高度的空间异质性, 但全球、区域或生态系统尺度上的研究显示, 土壤有机碳(C)、氮(N)和磷(P)循环常常存在相互耦合的紧密关系.据统计, 全球0~10 cm表层土壤的C:N:P均值为60:7:1, 中国南方1 069个水田和旱地0~20 cm表层土壤的C:N:P均值为80:7.9:1, 中国2 384个0~250 cm土壤剖面C:N:P均值为60:5:1[3~5].这暗示土壤中可能存在一个类似的、较稳定的C、N和P比值.然而, 自然土壤的C、N和P循环还受到土壤微生物、植被覆盖、母质/母岩及其风化度、地形和气候的综合制约.近10余年来, 室内模拟和野外控制试验表明, 自然环境变化和土地利用可以解耦土壤C、N和P循环[2, 6, 7].特别是在高强度的土地利用背景下, 有关人为土壤C、N和P元素组成、阈值比例和环境调控因素仍有待深入探究[2].因此, 解析不同环境因子对土壤元素组成的调控和反馈作用, 对精确预测土壤圈物质循环过程及其对环境变化的响应具有重要意义.
目前, 有关土壤C、N和P元素组成、计量特征和调控因素的研究主要集中在森林、湿地和草地的自然生态系统, 较少涉及养分高投入的人工生态系统(如稻田)[7~9].与自然生态系统的成土过程不同, 稻田经频繁淹水植稻和人工培育, 长期演变形成特殊的耕作土壤——水稻土.此外, 稻田承接外部养分的投入途径多、数量大且频率高, 还具有氧化-还原过程诱发的特殊生物化学过程, 导致水稻土的元素组成和化学计量特征更具易变性和复杂性[1].近30年来, 水稻土是全球显著的“碳汇”之一, 这一碳汇不仅与外源N投入关系密切, 还受P素的限制[10, 11].外源N和P投入常导致农田土壤C:P和N:P低于自然土壤[12~14].因此, 充分了解水稻土C、N和P生态化学计量特征及其与环境因子的相互作用, 对于深入揭示人为土壤养分的可获得性和限制性, 阐明稻田生态系统养分循环机制和精确预测土壤质量演变趋势具有重要意义.
中国拥有世界上最大面积的稻田生态系统(340多万hm2), 约90%水稻土分布在亚热带双季稻区[11, 15].本研究以中亚热带传统稻作区的湖南省为例, 选取6种不同母质发育的水稻土, 涉及潴育、潜育和淹育这3个亚类、110个水稻土剖面和587个土壤发生层, 野外系统地调查成土环境条件, 描述土壤剖面发生层和划分土壤类型, 室内分析土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量和土壤其他理化性质.目的在于：①阐明不同母质、土类和发生层的水稻土C、N和P化学计量特征；②揭示稻田土壤C、N和P化学计量特征与环境因子的关系；③以期为了解稻田土壤养分的空间分异、限制作用和矿质养分的均衡增效、平衡施肥提供基础数据和科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于长江中下游, 洞庭湖以南的湖南省, 地理坐标介于108°47′~114°15′E、24°39′~30°08′N, 为中国传统稻作核心区, 水稻产量常年居全国首位.研究区面积21.18万km2, 其中植稻土壤面积约4.1万km2, 约占土地总面积的19%[16].研究区东、南和西三面环山, 中部丘岗起伏, 北部洞庭湖平原展布, 湘、资、沅和醴四水贯穿境内, >80%的稻田土壤分布在湘东、湘中和湘北的丘岗、冲积平原区, 多呈原田、树枝、阶梯和镶嵌状的复域分布.区域属亚热带湿润季风气候区, 年平均气温16~18℃, 年平均降水量1 200~1 700 mm, 无霜期260~310 d, 适宜种植双季稻[17].本区是世界上最早人工植稻区之一, 玉蟾岩和彭头山的炭化稻谷最早可追溯到12 000 a以前.据调查, 区域内长期淹水植稻形成的水稻土起源母质主要有板页岩风化物、花岗岩风化物、第四纪红色黏土、河流沉积物、紫色岩风化物和石灰岩风化物, 发育的土壤类型涉及淹育型、潴育型、潜育型和漂白型水稻土4个亚类, 32个土属, 158个土种[18].稻田种植制度以双季稻-冬闲/油菜/绿肥和一季稻-冬闲/油菜为主.
1.2 野外采样和室内分析研究方法2011~2017年冬季, 依据综合地理法, 选取湖南省110个稻田土壤剖面采样点(图 1).按照野外采样手册的要求, 记录采样点成土环境, 挖掘宽度约为1.2 m、深度约为1.5~2 m的土壤剖面, 划分土壤发生层, 分别记录为A层(Ap1-耕作表层及Ap2-犁底层)、B层(Br-水耕氧化还原层)和C层(母质层), 自下而上依次采集各发生层的土壤环刀样和理化分析样品, 带回室内的环刀样烘干后测定容重, 理化分析样品样风干、过筛后置于密封袋备用[19].
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图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Geographical distribution of sampling sites |
土壤SOC、TN和TP分别采用重铬酸钾容量(外加热)法、硒粉-硫酸铜-硫酸消化-蒸馏法和碱熔-钼锑抗比色法测定；土壤pH采用电位法；土壤阳离子交换量(CEC)采用醋酸铵-EDTA交换法；土壤氧化铁采用碳酸锂-硼酸熔融-ICP法；土壤游离氧化铁采用柠檬酸钠-连二亚硫酸钠-重碳酸钠(DCB)浸提-邻菲啰啉比色法；土壤氧化铝采用氟化钾取代-EDTA滴定法；土壤容重采用环刀法；土壤颗粒组成采用吸管法[20].
1.3 数据分析基于Excel 2010软件平台, 计算不同母质、土壤类型(亚类)、土壤发生层SOC、TN、TP含量和C:N、C:P、N:P摩尔比的均值、中值、极值、标准差和变异系数.土壤剖面元素计量比基于不同发生层深度的加权平均值, 以C:N的计算公式为例：
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式中, i为第i层土壤；Ci为第i层SOC(TN或TP)含量(g·kg-1)；Ni为第i层TN含量(g·kg-1)；Pi为第i层的土壤容重(g·cm-3)；Di为第i层发生层厚度(cm).
基于SPSS 22.0软件平台, 应用单因素方差分析(One-way ANOVA), 比较不同母质、土壤类型、发生层的土壤SOC、TN、TP含量和C:N、C:P、N:P的均值差异, 显著性检验采用最小极差法(LSD).应用线性回归分析, 研究土壤C、N和P含量与其生态化学计量比的关系.应用Pearson相关分析, 研究土壤C、N和P生态化学计量特征与土壤-环境因子(经度、纬度、海拔、土壤质地、容重、pH、CEC、盐基饱和度和氧化硅、氧化铝、氧化铁、游离氧化铁含量)的关系.
基于CANOCO 5.0软件平台, 对土壤C、N、P生态化学计量特征和环境因子的趋势分析(DCA)表明, 土壤C、N、P含量及其计量比的排序轴长度(LGA)最大为0.68(< 3), 适合线性排序法, 可应用冗余分析(RDA), 进一步研究土壤C、N和P生态化学计量特征的综合影响因子.由于不同环境因子的样本数有所差异, 单独对氧化铁、游离氧化铁、氧化铝、氧化硅、CEC和盐基饱和度进行冗余分析(RDA1, n=56), 另对经度、纬度、海拔、粉粒、砂粒、黏粒、pH和容重进行冗余分析(RDA2, n=110).所有统计显著水平设为0.05, 极显著水平设为0.01.采用Origin 9.0和Excel 2010软件进行统计制图, 采用Arc GIS软件绘制采样点分布.
2 结果与分析 2.1 稻田土壤有机碳、全氮和全磷含量母质和土壤发生层显著影响稻田土壤SOC、TN和TP含量[图 2(a)~2(c), 2(g)~2(i)].土壤SOC和TN含量均以石灰岩风化物发育的稻田土壤最高, 可能与石灰岩发育水稻土中钙含量较高, 有助于土壤有机质的保存有关.然而, 土壤TP含量以河流沉积物发育的水稻土最高, 反映了河流沉积泥沙中存在大量自然和人为的P素累积.尽管水稻土SOC、TN和TP含量均随土壤剖面深度的增加而降低, 但未观察到土壤类型(亚类)对SOC、TN和TP分布具有一致性的影响[图 2(d)~2(f)].
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同一张图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05) 图 2 不同母质、土壤亚类和发生层的稻田土壤SOC、TN和TP含量 Fig. 2 Soil SOC, TN, and TP contents of in paddy fields with various parent materials, soil subgroups, and horizons |
基于土壤剖面的回归分析表明, SOC与TN含量显著正相关(R2=0.67, P < 0.05), 但SOC与TP含量、TN与TP含量均无显著相关性(图 3).
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图 3 稻田土壤SOC、TN和TP含量之间的关系 Fig. 3 Relationships between soil SOC, TN, and TP contents in paddy fields |
从表 1来看, 土壤发生层的C:N、C:P、N:P和C:N:P平均值分别为12.88、54.62、4.38和41:3.33:1, 略高于整个水稻土剖面的C:N、C:P、N:P和C:N:P加权平均值(12.58、48.71、3.86和38:3.16:1).由于所选水稻土发育于不同的母质且地形、局地小气候和种植制度存在差异, 环境因子变化可能解耦C:N:P.从偏度和峰度看, 水稻土C、N和P比值呈偏正态分布, 特别是C:N呈明显右偏态分布且陡峭(偏度>3、峰度>14).变异系数介于0.3~1.0, 属中等程度的空间变异.
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表 1 稻田土壤C、N和P比值的描述性统计特征 Table 1 Descriptive statistics of paddy soil C, N, and P ratios |
母质类型显著影响稻田土壤C:P和N:P比值, C:P均值以板页岩风化物发育的土壤最高(47.52), N:P以河流沉积物发育的土壤明显最低(1.67), 但母质对C:N无显著影响[图 4(a)~4(c)].在亚类水平上, 土壤类型显著影响C:P和N:P, 以潜育性水稻土最高, 均值分别为76.02和5.82[图 4(d)~4(f)].在土壤剖面上, 土壤SOC、TN、TP含量及其计量比均以A层最高, 随剖面加深显著降低[图 4(g)~4(i)].其中, C:P的降幅(31%)明显高于C:N和N:P的降幅(16%和18%), 这可能与SOC含量的降幅(60%)明显高于TN和TP含量的降幅(54%和34%)有关.
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同一张图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05) 图 4 不同母质、土壤亚类和发生层的稻田土壤C、N和P比值 Fig. 4 Variation of paddy soil C, N, and P stoichiometric characteristics with different parent materials, soil subgroups, and horizons |
Pearson相关分析表明, C:N与海拔呈显著正相关, 与容重、pH和氧化硅含量呈显著负相关；C:P与海拔呈显著正相关, 与经度、容重、砂粒、粉粒、黏粒、氧化铁和游离氧化铁含量呈显著负相关；N:P与经度、砂粒、粉粒、黏粒、氧化铁、游离氧化铁和氧化铝含量呈显著负相关(表 2).
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表 2 稻田土壤C、N和P比值与环境因子的相关系数1) Table 2 Correlation coefficients between paddy soil C, N, P ratios, and environmental factors |
进一步的冗余分析表明, 土壤C、N、P生态化学计量特征与环境因子第1、2轴的相关系数分别介于0.58~0.62和0.40~0.55, 生态化学计量特征与环境因子的累积解释量达到99.80%~99.94%(表 3).显然, 第1、2轴排序轴成分对稻田土壤C、N、P生态化学计量特征起主要控制作用.
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表 3 土壤C、N、P生态化学计量比与环境因子的RDA排序 Table 3 RDA ordination of soil C, N, P stoichiometric characteristics, and environmental factors |
二维排序图显示, 土壤C:P、N:P与土壤氧化铁、游离氧化铁、土壤质地(砂粒、粉粒和黏粒)、经度在排序轴之间夹角的余弦值不仅相对最大, 箭头也明显较长, 反映土壤氧化铁、游离氧化铁含量、土壤质地和地形很好地解释了土壤C、N和P生态化学计量特征的变异(图 5).
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图 5 土壤C、N、P生态化学计量特征与环境因子的RDA分析二维排序 Fig. 5 Two-dimensional sequence diagram of the RDA of the environmental factors and soil C, N, P stoichiometric characteristics |
环境因子对土壤C、N、P生态化学计量特征影响程度大小的排序为：氧化铁＞粉粒>游离氧化铁＞经度＞砂粒＞黏粒＞容重＞海拔>氧化铝＞氧化硅＞pH；其中, 粉粒、砂粒、黏粒、氧化铁、游离氧化铁、经度极显著影响稻田土壤C、N、P生态化学计量特征(表 4).
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表 4 环境因子解释量与显著性检验 Table 4 Explanation rate of the environmental factors and Duncan tests |
3 讨论 3.1 稻田土壤碳、氮、磷是否存在稳定的比值
在全球或区域尺度上, 表土中似乎存在一个相对稳定的C:N.本研究中, 110个稻田表层土壤C:N均值为14.2, 与全球、中国表土C:N均值(分别为14.3和14.4)均非常接近[3, 4].此外, 稻田土壤SOC与TN含量呈极显著正相关关系(R2=0.67, 图 3), 不同母质起源和土壤类型(亚类)的水稻土C:N类似(图 4).这些证据都显示, 稻田土壤中可能存在较稳定的C、N耦合关系.稻田土壤中存在相对稳定的C:N, 反映土壤生物具有改造外界环境条件的能力, 以满足自身的养分需求.在土壤剖面上, 特别是稻田表层土壤有机质含量相对较高, 土壤生物与外部环境的相互作用最为剧烈, 土壤生物与环境的协同进化可能已达到一种相对的准平衡状态.
尽管稻田表土C:N较为稳定, 但是其C:P(50)和N:P(3.5)却远远低于全球、中国表土的C:P和N:P(186和13.1、136和9.3), 暗示环境变化很可能解耦土壤C:N:P[4, 5].统计分析表明, 稻田土壤中SOC与TP、TN与TP含量均无显著的相关关系(图 2), 这一结果与以自然土壤和旱地土壤为主的报道不同, 说明水耕熟化形成的人为土中, P素对C和N的限制可能相对较弱[3, 21~24].此外, 虽然亚热带湿润季风气候下的自然土壤中P素容易淋失, 但是稻田土壤P素容易固持且利用率低, 长期人工施肥下的稻田表土是典型的P素累积系统[25, 26].小流域长期定位试验也表明, 红壤荒地改为水田、旱地和果园的农业用地后, 初期土壤C:N:P类似, 但土地利用方式转换10 a后, 土壤C:P和N:P均明显降低, C:N:P出现解耦现象, 推测主要与长期施肥有关[21].
与土壤C和N不同的是, 土壤P素很大一部分来源于母质和原生矿物的风化, 这也导致深层底土(淀积层或母质层)中C:P和N:P更低(图 4).河流沉积物发育的水稻土C:P和N:P均相对最低(18和1.7, 图 4), 可能与土壤有机质积累较少, 且P素更易吸附和累积有关(图 2)[27].在当前稻田氮肥的高投入背景下, 水稻土较低的C:P、N:P比值也暗示, 稻田土壤生态系统存在着P素的过量累积与总体失衡.据报道, 稻田长期P肥投入引起土壤和微生物的C、N限制；而部分稻田因P素盈余, 利用率低, 土壤有效P含量甚至超出环境临界点, 产生环境污染[26, 28].
另外, 成土环境也能改变土壤C:N:P和土壤养分的限制因子.相关和冗余分析均表明, 地形(经度和海拔)是调控区域尺度上稻田土壤C:N:P的关键因素之一(表 3和表 4).经度是调控水分的关键地带性因子, C:P和N:P与经度均呈显著负相关, 反映稻田土壤C:N:P可能具有经向地带性特征.随着海拔升高, 丘陵山区潜育性水稻土所占比例增加, 土壤C:N和C:P与海拔呈显著正相关.在土壤亚类水平上, 潜育性水稻土多分布在地势相对较低的丘陵山冲、山区沟谷或山前洼地, 无排水出路或山泉水补给但排水困难, 多为冲田、垅田或梯田；由于长期滞水或淹水, 土壤有机C和N分解相对缓慢, 土体P素容易流失, 这可能导致潜育性水稻土C:P和N:P相对最高[29~31].随着海拔升高, 温度降低, 母质风化成土和有机质分解速率减缓, 土体中SOC累积增强, P素积累可能减弱；人为施肥量随海拔升高也相应减少, 随海拔升高, 稻田土壤P素限制作用增强[5, 14, 23].由此看来, 人为养分投入和自然环境变化(起源物质、成土环境因素和土体分异)都可能导致水稻土C:N:P解耦和失稳.
3.2 稻田土壤碳、氮、磷比值与土壤理化性质的关系土壤物理、化学环境制约着土壤有机质和养分的平衡.综合来看, 土壤质地、氧化铁及其游离度和容重是调控区域水稻土C:N:P的关键土壤理化因子(表 4).水稻土C:P和N:P与砂粒、粉粒和黏粒含量均呈显著负相关.在红壤小流域, 旱地和水田土壤C:N:P亦与黏粒含量呈负相关[21].原因在于一方面, 虽然水稻土多为壤质土, 但随着砂粒、粉粒和SiO2含量的提高(表 2), 土壤SOC、N分解与矿化的损失增大, 可能导致C:P和N:P降低；另一方面, 稻田土壤有机质的提升过程常同步伴随土体内黏粒的淋失；与黏粒含量高的母土相比, 初始黏粒含量更低的母土经水耕熟化, SOC提升和达到准平衡态的速度也更快[32].
氧化铁是稻田土壤中的黏粒矿物, 游离氧化铁则是水稻土团聚体的重要矿质胶结物质[33].本研究中, 稻田土壤C:P、N:P与氧化铁、游离氧化铁含量呈显著负相关.据稻田土壤长期定位施肥试验报道, 水稻土SOC含量与无定型氧化铁、氧化铁活度呈显著正相关, 但与游离氧化铁含量呈显著负相关[34].此外, 水稻土中随着氧化铁(特别是无定型铁)、氧化铝含量的提高, 土壤对磷酸根离子的吸附增强, 促进土壤P素的固定[35].
土壤容重反映水稻土的疏松程度, 容重越小, 越有利于稻根的生长、周转和凋落物分解[36].本研究中, 水稻土C:N和C:P与容重呈显著负相关.农田、山地土壤中, C:N和C:P也与容重呈负相关[14, 37].随着土壤容重的下降, 稻田土壤结构和孔隙改善, 有利于水稻土碳库的保存与提升, 但土质疏松也会促进P素的渗漏和淋失, 这可能引起C:N和C:P的升高.此外, 水稻土中仅C:N与pH呈显著负相关.据报道, 湿地土壤有机质含量与pH也呈负相关, 反映土壤C的累积[8].水稻土pH适当升高, 特别是pH朝中性发展, 有利于土壤微生物对土壤有机质分解和转化, 在中性环境下, 土壤P素的有效性也最高.
4 结论在中亚热带区域尺度上, 稻田土壤剖面上所有发生层的C:N、C:P、N:P和C:N:P均值分别为12.9、54.6、4.4和41:3.3:1.不同母质起源、不同亚类和不同发生层的稻田土壤C:N的变异相对较小, 特别是在稻田表土中的生物与外部环境相互作用强烈, C:N相对稳定, 反映稻田表土中C、N素存在紧密的耦合作用.然而, 稻田土壤剖面上C:P和N:P不仅变异很大, 还受到土壤环境因子的显著影响, 指示稻田土壤中C、P和N、P关系的解耦.稻田土壤C:P和N:P也远低于全球、中国土壤的C:P和N:P平均水平, 说明水稻土中存在P素的相对累积, 可能减弱P素的限制作用.本研究表明, 稻田土壤剖面的C:N:P相对不稳定, 自然环境变化和人为养分管理都可能解耦土壤C:N:P.地形、土壤质地、铁氧化物和容重是调控稻田土壤剖面上C:N:P的关键土壤环境因子.
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