环境科学  2022, Vol. 43 Issue (1): 521-529   PDF    
引用本文
吴春晓, 高小峰, 闫本帅, 梁彩群, 陈佳瑞, 王国梁, 刘国彬. 长期施肥对黄土高原梯田土壤养分特征和微生物资源限制的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(1): 521-529.
WU Chun-xiao, GAO Xiao-feng, YAN Ben-shuai, LIANG Cai-qun, CHEN Jia-rui, WANG Guo-liang, LIU Guo-bin. Effects of Long-term Fertilization on Soil Nutrient Characteristics and Microbial Resource Restrictions in a Terrace on the Loess Plateau[J]. Environmental Science, 2022, 43(1): 521-529.
长期施肥对黄土高原梯田土壤养分特征和微生物资源限制的影响
吴春晓1,2, 高小峰1,2, 闫本帅1,2, 梁彩群3, 陈佳瑞3, 王国梁1,3, 刘国彬1,3     
1. 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 712100
收稿日期: 2021-04-26; 修订日期: 2021-06-16
基金项目: 国家自然科学基金项目（42041005）
作者简介: 吴春晓(1996~), 女, 博士, 主要研究方向土壤生态, E-mail: wuchunxiao18@mails.ucas.ac.cn
通信作者: 刘国彬, E-mail: gbliu@ms.iswc.ac.cn
摘要: 长期不同施肥处理会改变土壤的理化性质和微生物生物量，但长期不同施肥对黄土高原梯田土壤微生物胞外酶活性变化和养分特征的影响尚不清楚.本研究以中国科学院安塞水土保持综合试验站长期养分定位试验样地为基础，分析了不施肥（CK）、有机肥与氮肥混施（MN）、有机肥与磷肥混施（MP）、有机肥、氮肥与磷肥混施（MNP）、单施有机肥（M）和氮肥磷肥混施（NP）对土壤微生物生物量以及土壤胞外酶活性的影响.结果表明，与CK相比，所有施肥处理都显著提高了土壤养分含量和土壤胞外酶活性.相关分析表明，土壤胞外酶活性与土壤理化性质成极显著的相关关系，冗余分析显示土壤养分和土壤微生物生物量可以分别解释土壤胞外酶活性及其化学计量比变化的79.66%和74.87%，即施肥主要是通过影响土壤肥力间接影响土壤胞外酶活性.单施有机肥或有机肥配施无机肥（M、MN、MP和MNP）均可以显著提高土壤有机碳（SOC）和土壤总氮（STN）以及碳（C）源酶、氮（N）源酶和磷（P）源酶的含量，但MNP处理会使土壤酸碱度发生改变，对微生物的生命活动产生抑制作用.矢量分析表明，所有处理的微生物群落均处于磷限制状态，MNP处理虽然可以缓解磷限制的程度，但与M和MP处理之间没有显著性差异.本研究表明，长期单施有机肥[7500 kg·（hm2·a）-1]可以满足旱地作物生长的养分需求，长期有机肥与磷肥混施可以缓解土壤微生物面临的资源限制，该结果对改善区域氮肥过量提供了新思路.
关键词: 黄土高原      长期施肥      化学计量      胞外酶活性      梯田     
Effects of Long-term Fertilization on Soil Nutrient Characteristics and Microbial Resource Restrictions in a Terrace on the Loess Plateau
WU Chun-xiao1,2 , GAO Xiao-feng1,2 , YAN Ben-shuai1,2 , LIANG Cai-qun3 , CHEN Jia-rui3 , WANG Guo-liang1,3 , LIU Guo-bin1,3     
1. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
Abstract: Long-term fertilization has an important effect on soil fertility and soil microbial activity. In order to explore the effects of long-term fertilization on soil extracellular enzyme activities and nutrient characteristics in a terrace on the Loess Plateau, we based our investigation on the long-term nutrient localization plot of Ansai Soil and Water Conservation Experimental Station, Chinese Academy of Sciences. We measured the soil physicochemical properties, microbial biomass, and extracellular enzyme activities of six fertilization treatments, which included no fertilization (CK); manure and nitrogen fertilization (MN); manure and phosphate fertilization (MP); manure, nitrogen, and phosphate fertilization (MNP); manure (M); and nitrogen and phosphate fertilization (NP). The results showed that all fertilization treatments significantly increased soil nutrient content and soil extracellular enzyme activities compared with that in CK. Correlation analysis showed that extracellular enzyme activity and soil physicochemical properties had an extremely significant correlation. The redundancy analysis indicated that soil nutrient and soil microbial biomass could explain 79.66% and 74.87% of the variation in soil extracellular enzyme activity and its stoichiometric ratio, respectively. Thus, the effects of fertilization on soil fertility were primarily through influencing soil extracellular enzyme activities indirectly. M, MN, MP, and MNP significantly improved soil organic carbon (SOC); soil total nitrogen (STN); and carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P) source enzyme content; however, MNP changed the soil pH, which had an inhibitory effect on microbial activities. Vector analysis showed that the microbial communities of all treatments were in the condition of P limitation. Although MNP could alleviate the extent of P limitation, there was no significant difference between M and MP. Our study indicated that long-term application of manure[7500 kg·(hm2·a)-1]could meet the nutrient requirements of dryland crop growth, and long-term application of manure combined with phosphorus fertilization could alleviate the resource constraints faced by microorganisms. Consequently, our results provide a new insight into improving regional nitrogen excess.
Key words: Loess Plateau      long-term fertilization      stoichiometry      enzyme activity      terrace     

土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分, 通过生长代谢促进了土壤有机质的降解和腐殖质的形成, 调控着土壤养分的转化和积累[1, 2].土壤微生物产生的胞外酶可以参与土壤中几乎所有的化学反应, 并对外界环境条件的变化保持高度的敏感性[3].因此, 土壤胞外酶活性的变化可以表征土壤养分的动态特征, 在生态系统的生物地球化学平衡过程中起着至关重要的作用[4, 5].

长期施肥可以改变土壤的养分状况和微生物活性, 使土壤胞外酶活性发生改变, 但是不同施肥处理对土壤胞外酶活性的影响并不一致[6].长期施用化肥或有机肥会显著提高土壤胞外酶的活性[7], 但是长期施用磷肥会使土壤中磷(P)源酶活性降低, 氮(N)源酶和碳(C)源酶活性升高[3], 而Dong等[8]的研究发现施用P肥可以提高N源酶和C源酶的活性.施肥种类和施肥制度会对土壤胞外酶活性产生不同的影响, 打破生态系统的养分平衡, 并加剧生态系统的养分限制[9].

生态化学计量学使用元素的化学计量比预测土壤营养的保留状况[10], 土壤胞外酶化学计量学是将元素化学计量学和微生物养分的吸收和生长联系起来[11].Sinsabaugh等[12]的研究提出采用与C、N和P相关的胞外酶化学计量表示对微生物代谢的相对限制, Moorhead等[13]的研究提出利用胞外酶化学计量的矢量长度和矢量角度表征微生物群落的相对资源需求.钟泽坤等[14]对农田撂荒后土壤微生物养分限制状况研究发现: 土壤微生物C限制随撂荒过程逐渐减弱, 且撂荒前期微生物受N限制, 后期受P限制, 崔继文等[15]的研究发现习惯施肥和优化施肥会加剧微生物C限制, 但有机肥替代化学氮肥可以通过提高土壤的养分含量解除土壤微生物的C限制, 并显著减轻土壤微生物的P限制.探究不同施肥处理与土壤微生物资源限制的关系, 对改善农田生态系统功能具有重要意义.

黄土高原位于中国西北部, 水土流失和土地退化严重, 农田肥力低下, 生态环境脆弱.目前对于土壤胞外酶活性的研究多集中在森林、草地生态系统, 对农田生态系统关注较少, 但农田生态系统的质量与土壤胞外酶活性息息相关, 且长期施肥与短期施肥对土壤微生物资源限制的影响不同.因此, 本研究以接近30 a的野外定位施肥试验为平台, 分析长期施肥条件下土壤养分和土壤胞外酶活性的变化特征以及长期施肥对土壤微生物资源限制的影响, 以期为黄土高原农田制定合理的施肥制度提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究在陕西省延安市安塞水土保持研究站(36° 51′31″ N, 109° 19′23″ E)的墩山梯田养分长期定位试验田进行, 该区域位于黄土沟壑区.海拔1 067~1 309 m, 属于暖温带半湿润向半干旱过渡区, 年均温8.8℃, 无霜期为143~174 d, 年平均降雨量540 mm, 主要集中在7~9月.土壤类型为黄绵土(联合国粮农组织的土壤分类标准).试验样地建立于1992年, 采用随机区组设计共24个试验小区, 包括6个处理(CK、MN、MP、MNP、M和NP), 4个区组重复.本试验的供试氮肥为尿素、供试磷肥为过磷酸钙, 供试有机肥为羊粪, 各处理具体施肥情况见表 1.各小区面积为30 m2(8.75 m×3.5 m), 小区之间间距为50 cm, 有水泥和砖堆砌的田埂, 样地四周设置了高1.5 m的铁围栏.样地采用谷子-糜子-谷子-大豆轮作的种植制度, 采用小型机械耕作, 一年一熟, 无灌溉.

表 1 各处理施肥情况/kg·hm-2 Table 1 Fertilization of different treatments/kg ·hm-2

1.2 样品采集

2019年10月中旬, 在每个施肥处理小区, 使用直径为5 cm的土钻按照“S”型采集5钻20 cm的表层土壤, 并将其均匀混合成一个复合样品, 样品经2 mm的筛子筛去根系和其他碎屑, 随后低温运回实验室.一部分冷藏于-20℃用于测定土壤胞外酶活性; 一部分冷藏于4℃用于测定土壤微生物生物量和土壤水溶性养分; 第三部分自然风干后分成两部分, 分别通过1 mm和0.25 mm筛用于测定土壤基本理化性质.

1.3 样品指标测定

本研究测定的指标包括: 土壤含水率(SWC)、土壤容重(SBD)、土壤有机碳(SOC)、土壤总氮(STN)、土壤总磷(STP)、土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤微生物生物量氮(MBN)、土壤微生物生物量磷(MBP)、水溶性有机碳(DOC)、水溶性有机氮(DON)、土壤有效磷(SAP)和土壤胞外酶活性.

SWC采用烘干法测定; SBD采用环刀法测定; 土壤pH采用电位法(水土比=2.5 ∶1)测定[16]; SOC采用H2SO4-K2Cr2 O7氧化容量法测定[16]; STN采用凯氏定氮法测定[16]; STP采用钼锑抗比色法测量[16]; DOC采用元素分析仪(Liqui TOCII, 德国)测定; DON采用紫外分光光度计双波长法测定; SAP采用碳酸氢钠浸提和钼锑抗比色法测定[16]; MBC、MBN和MBP采用氯仿熏蒸法[17, 18]测定; 5种土壤胞外酶活性采用96微孔荧光法测定[19], 具体操作参考German等[20]研究的方法, 土壤胞外酶活性以干土计, 单位为nmol ·(g ·h)-1, 本研究测定的土壤胞外酶活性基本信息见表 2.

表 2 土壤胞外酶基本概况 Table 2 Basic information on the soil extracellular enzymes

1.4 数据分析

土壤胞外酶活力的矢量特征计算[21]: 矢量长度代表土壤微生物所受到的C限制, 矢量角度代表N限制或者P限制, 矢量角大于45°表示P限制, 小于45°表示N限制.

矢量长度=SQRT(X2+Y2)

矢量角度=DEGREES[ATAN2(X, Y)]

X=(BG+CBH) ∶(BG+CBH+AP)

Y=(BG+CBH) ∶(BG+CBH+NAG+LAP)

采用SPSS 20.0软件对各个指标进行单因素方差(one-way ANOVA)分析, 用Duncan法进行多重比较(Multiple comparison, P < 0.05); 并对土壤理化性质、土壤养分、土壤微生物生物量、土壤胞外酶活性进行皮尔逊(Pearson)相关分析; 利用Canoco 5.0软件进行冗余分析(Redundancy Analysis, RDA), 分析土壤胞外酶与土壤理化性质、养分特征和土壤微生物生物量之间的关系; 采用Origin 2021软件作图.

2 结果与分析 2.1 土壤理化性质和养分含量的变化

由表 3和表 4可知, 长期施肥条件下各处理的SOC和STN含量均显著高于CK处理, MN、MP、MNP和M处理的SOC和STN含量之间没有显著差异, 但是显著高于NP处理.所有处理的STP和SAP含量变化一致, 为MP>MNP>NP>M或MN, 且都高于CK, 所有施肥处理的SCN不存在显著性差异, 但是CK、MN、MP和NP处理的DCN显著高于其他处理.CK处理的SCP和SNP显著低于其他处理, 但是CK的DCP和DNP却显著高于其他处理.

表 3 不同处理的土壤理化性质1) Table 3 Soil physicochemical properties of long-term fertilization

表 4 土壤可溶性养分及其计量比1) Table 4 Soil dissolved nutrient properties and stoichiometry of long-term fertilization

2.2 土壤微生物生物量的变化

长期施肥处理对土壤微生物生物量及其化学计量比产生了显著差异(表 5).M和MP处理的MBC含量显著高于其他处理, MN和MNP的MBC含量显著低于M和MP的MBC含量, 显著高于NP和CK的MBC含量.MN处理的MBN含量和MNP处理的MBP含量显著高于其他处理, NP处理和CK处理的MBN含量没有显著性差异.MCN在M处理下最高, CK处理下最低, 对于MCP, MNP处理显著低于其他处理, 其他处理之间没有显著性差异, 但是CK的MBN ∶MBP远远高于其他处理(MN、MP、MNP、M和NP), 除CK之外的其他处理的MBN ∶MBP含量没有显著性差异.

表 5 土壤微生物生物量及其计量比1) Table 5 Soil microbial biomass and stoichiometry of long-term fertilization

2.3 土壤胞外酶活性的矢量分析和微生物资源限制

不同施肥处理下的C、N和P源酶活性都存在显著性差异, MN、MP、MNP和M处理下的BG+CBH和NAG+LAP显著高于NP和CK, MN、MP和M处理的AP没有显著性差异, 但是显著高于NP和CK处理[图 1(a)~1(c)]. CK的酶C ∶N和酶C ∶P均低于其他施肥处理, 各施肥处理的酶C ∶N、酶C ∶P和酶N ∶P均没有显著性差异[图 1(d)~1(f)].土壤胞外酶活性的矢量分析显示: 所有处理的矢量角均大于45°, 即全部处于微生物P限制状态, 但MNP和NP处理所受P限制较弱, CK和MN所受P限制较强.由矢量长度可知, 各处理均处于微生物C限制状态, 但是各处理之间没有显著性差异(图 2).

CK表示不施肥处理, MN表示有机肥和氮肥混施, MP表示有机肥和磷肥混施, MNP表示有机肥、氮肥和磷肥混施, M表示单施有机肥, NP表示氮肥和磷肥混施; 不同小写字母代表处理间差异显著(P < 0.05), 下同; BG表示β-1, 4-葡萄糖苷酶; CBH表示β-D-纤维素酶; NAG表示β-1, 4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶; LAP表示L-亮氨酸-α-氨基肽酶; AP表示酸性磷酸酶; 酶C ∶N表示(NG+CBH) ∶(NAG+LAP); 酶C ∶P表示(BG+CBH) ∶AP; 酶N ∶P表示(NAG+LAP) ∶AP 图 1 土壤胞外酶活性及其计量比 Fig. 1 Soil extracellular enzyme activity and stoichiometry of long-term fertilization

图 2 土壤胞外酶矢量分析 Fig. 2 Vector analysis of soil extracellular enzymes

2.4 土壤胞外酶活性与土壤养分、土壤微生物生物量的关系

相关分析表明, SBD、SOC和TN与MBC、MBN、MBP、BG+CBH、NAG+LAP和AP具有显著相关性(P < 0.05), SCP和SNP与C、N和P源酶活性具有极显著相关关系(P < 0.01)(表 6).冗余分析显示: 土壤碳氮磷及其化学计量比和土壤微生物生物量及其化学计量比可以分别解释土壤胞外酶活性及其化学计量比变化的79.66%和74.87%(图 3), 表明施肥主要通过改变土壤养分以及土壤微生物数量来改变土壤胞外酶活性.

表 6 土壤理化性质与土壤微生物生物量和土壤胞外酶化学计量比的相关分析1) Table 6 Correlation analysis of soil physicochemical properties with microbial biomass and soil extracellular enzymes stoichiometric ratio

图 3 土壤物理性质、土壤养分及其化学计量比、土壤可溶性养分及其化学计量比、土壤微生物生物量及其化学计量比和土壤胞外酶及其化学计量比的冗余分析 Fig. 3 Redundancy analysis (RDA) of soil extracellular enzyme stoichiometry, soil physical properties, soil nutrient stoichiometry, soil dissolved nutrient stoichiometry and soil microbial biomass stoichiometry

3 讨论 3.1 长期不同施肥对土壤养分与微生物量的影响

有机肥具有改善土壤质量、提高作物产量和减少环境污染等优点[22], 因此在农业生产中受到广泛使用.本研究进一步证实了有机肥可以显著提高SWC、SOC、TN、DOC和DON的含量(表 2).这可能是由于有机肥自身含有大量的C和N等营养元素[23], 也有可能是因为有机肥被土壤分解过程中产生了有机酸, 有机酸促进养分的释放和有效性[24].但是, 本研究中M、MN、MP和MNP处理的SOC、STN、SOC ∶STN和DOC含量没有显著差异, 这可能是由于本试验施肥年限较长, 养分累积出现饱和状态.

土壤微生物是土壤养分转化的促进者, 也是养分元素循环利用和有机质矿化的主要调控者, 土壤微生物量高低的变化是反映土壤肥力的重要依据[25].本研究结果表明, M、MN、MP和MNP处理均可以显著提高土壤MBC、MBP和MBN含量.这可能是因为长期施用有机肥能直接向土壤提供大量的C、N和P等元素, 促进了微生物的生长繁殖[26].同时外源氮肥磷肥的施入不仅调节了土壤氮素的供应能力, 也改善了磷素的有效性[27~29], 因此导致4个处理之间的MBN ∶MBP没有差异性.其中, MNP处理的MBC ∶MBP显著小于其他处理可能是因为NP的施入加剧了土壤的相对C限制, 导致MBC含量减少, 其次可能因为作物的生物量和产量加剧了对土壤C源的消耗, 加之P的施入, 导致MBC ∶MBP降低.

3.2 不同施肥处理对酶活性的影响

土壤胞外酶在有机质分解和养分循环过程中发挥着重要作用, 资源分配理论指出[30], 微生物在受到单一元素限制时会增加与该元素对应的胞外酶的合成, 以满足自身养分需求.本研究发现长期施肥处理相比CK能显著提高土壤胞外酶的活性, 这是因为长期的养分输入改变了土壤的理化性质, 增加了土壤真菌和细菌的多样性, 衍生了更多的微生物群落, 从而导致各个施肥处理下胞外酶活性增加[31].其次, 本研究验证了有机肥无机肥混施和化肥混施对土壤酶活性的影响, 即有机肥无机肥混施(MN、MP和MNP)更能提高土壤中的酶活性[7].但是, 本研究发现长期有机肥无机肥混施(MN、MP和MNP)或单施有机肥(M)对C源酶和N源酶的活性没有显著性差异, 这可能是由于长期混施有机肥造成土壤养分环境达到相对一致的水平, 因为有机肥相比化肥可以更明显地促进土壤中团聚体的生成, 改善土壤结构, 增加土壤肥力[32].在本研究中, MNP和NP处理的AP活性显著低于其他处理, 可能是由于P肥的添加对AP活性的抑制作用, 已有研究证实AP活性和SAP之间存在负相关关系[33], 本研究的结果也证实这一结论.此外, CK和NP的N源酶和P源酶活性虽然没有显著差异, 但是两者胞外酶活性的变化机制不同, CK处理是由于养分限制而促进胞外酶活性升高, NP处理则是微生物为了维持稳态而使胞外酶活性升高[34, 35].因此, 有必要增加单施N肥或P肥的处理, 以便于更好地理解长期单施化肥对胞外酶活性的影响以及化肥混施对胞外酶活性影响的复杂机制, 但是本研究仍然为长期施肥对黄土高原农田土壤胞外酶活性变化提供了参考.

3.3 不同施肥处理对微生物资源限制的影响

土壤胞外酶的化学计量学特征, 可以反映微生物代谢情况和营养需求与环境养分有效性之间的平衡, 对实施生态系统养分管理措施具有重要指导意义[12].根据相关研究, 全球尺度上土壤胞外酶活性的ECN、ECP和ENP平均值分别为1.41、0.62和0.44[36], 本研究的矢量分析表明, 所有施肥处理的矢量角大于45°, 因此都处于P限制状态(图 2), 又因为ECP远远低于全球平均值0.62, 因此所有处理也存在相对C限制.MP、MNP、M和NP处理的矢量角度没有显著性差异, 说明存在相同程度的P限制, 其原因可能是每年作物收获带走了土壤养分, 造成当年施入的P没有保存在土壤内, 导致土壤始终处于P素亏缺状态[37, 38].也有可能是因为施P的同时加施N或M会使土壤C ∶P或N ∶P升高, 导致土壤微生物容易受到P限制.因此, 本试验中的P素处理只是在一定程度上减轻了微生物的P限制, 并没有解除微生物P限制.

3.4 影响土壤胞外酶活性及其化学计量比的因素

土壤胞外酶活性对土壤养分循环、能量流动以及生态系统稳定性具有非常重要的作用.本研究发现SOC和STN与土壤C源酶、N源酶和P源酶都具有极显著相关关系(表 6), 并且土壤全养分与土壤微生物生物量对胞外酶活性及其计量比的变异解释分别为79.66%和74.87%, 说明施肥通过改变土壤肥力以及微生物的活性间接影响胞外酶活性.这与Wu等[38]和田静等[39]的研究结果一致, 因为肥料的施入会改变土壤的SWC和SBD等物理性质, 进而改变土壤的无机组分和化学组成, 改变真菌和细菌的群落结构, 提高微生物的活性.但与Zhang等[40]的研究结果不一致, 这可能是由于生态系统类型和土地利用方式的不同.本研究中, 并没有发现可溶性养分与土壤胞外酶活性的密切联系, 这可能是因为养分的有效化过程取决于土壤胶体吸收性离子的有效程度, 而不是可溶性养分的含量.

4 结论

(1) 长期不同施肥处理显著提高了SOC、STN、STP、DOC、DON、SAP、MBC、MBN和MBP的含量, 以及土壤BG+CBH、NAG+LAP和AP的活性.

(2) 所有施肥处理都受到P限制, MNP和NP处理可以显著降低P限制.

(3) 土壤全养分、可溶性养分、土壤微生物生物量可以分别解释土壤胞外酶活性及其计量比变化的79.66%、44.92%和74.87%, SOC和TN含量与胞外酶活性存在极显著性相关关系(P < 0.01), DOC和DON含量与胞外酶活性存在显著性相关关系(P < 0.05).

(4) 长期施用MNP会使土壤pH降低, 抑制微生物活动和土壤胞外酶活性.

(5) 所有处理均处于相对N饱和状态, 每年施用7 500 kg ·hm-2的有机肥可以满足农田作物对C和N的养分需求, 另需外源施加P肥以应对长期缺P的现状, 但是最佳施P量还需要进一步探究.

致谢: 特别感谢安塞农田生态系统国家观测站的吴瑞俊等老师对本研究的长期支持.

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