环境科学  2023, Vol. 44 Issue (5): 2746-2755   PDF    
引用本文
姚志霞, 周怀平, 解文艳, 杨振兴, 陈浩宁, 文永莉, 程曼. 黄土旱塬24 a不同秸秆还田土壤碳、氮、磷和胞外酶计量特征[J]. 环境科学, 2023, 44(5): 2746-2755.
YAO Zhi-xia, ZHOU Huai-ping, XIE Wen-yan, YANG Zhen-xing, CHEN Hao-ning, WEN Yong-li, CHENG Man. Effects of 24 Years Different Straw Return on Soil Carbon, Nitrogen, Phosphorus, and Extracellular Enzymatic Stoichiometry in Dryland of the Loess Plateau, China[J]. Environmental Science, 2023, 44(5): 2746-2755.
黄土旱塬24 a不同秸秆还田土壤碳、氮、磷和胞外酶计量特征
姚志霞1, 周怀平2, 解文艳2, 杨振兴2, 陈浩宁1, 文永莉1, 程曼1     
1. 山西大学黄土高原研究所, 太原 030006;
2. 山西农业大学资源环境学院, 晋中 030031
收稿日期: 2022-05-17; 修订日期: 2022-07-27
基金项目: 山西省自然科学研究项目（202203021211317，202103021224124）；国家科技基础资源调查专项（2021FY00501-1）；耕地质量长期监测数据整编项目；国家重点研发计划项目（2021YFD1900705）
作者简介: 姚志霞(1997~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤元素的生物地球化学循环, E-mail: yzx13513695804@163.com
通信作者: 程曼, E-mail: chengman@sxu.edu.cn
摘要: 探索黄土旱塬区农田土壤碳、氮和磷生物地球化学循环特征，可为农作物高效生产和土地可持续利用提供科学依据和技术支撑.以山西寿阳24 a玉米旱作试验田为对象，研究长期秸秆覆盖还田、直接还田、过腹还田和不还田对土壤元素和胞外酶活性化学计量比的影响，并计算向量角度和长度用于指示微生物面临的资源限制情况，向量角大于45°和小于45°分别表示微生物受磷限制和氮限制，偏离45°越大表示限制程度越大，向量长度越长表示微生物受碳限制越严重.结果表明：①长期秸秆还田土壤C/N和C/P分布在9.81~14.28和14.58~21.92之间，均值分别为12.36和17.51，分别较试验初期降低了6.0%和4.2%；土壤N/P分布在1.27~1.57之间，均值为1.42，较初期提高了2.2%.土壤C/N和C/P均呈现出先降低后升高的变化趋势，土壤N/P基本呈现出持平趋势，且不同秸秆还田处理之间土壤元素计量比均无显著性差异.②相比24 a长期不还田处理，长期秸秆覆盖还田处理土壤β-1，4-葡萄糖苷酶（BG）和β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶（NAG）活性显著提高了134.4%和107.5%（P < 0.05），长期秸秆直接还田土壤BG和碱性磷酸酶（AP）活性显著降低了59.3%和59.5%（P < 0.05），长期过腹还田下土壤NAG活性显著提高了102.8%（P < 0.05）.长期秸秆还田处理下土壤微生物整体面临碳限制和磷限制，长期秸秆覆盖还田加剧了微生物碳限制，秸秆过腹还田处理可以缓解碳限制程度.相比24 a长期不还田处理，过腹还田处理可以显著降低土壤酶计量碳氮比（EEAC/N，P < 0.05），直接还田处理可以显著提高土壤酶计量碳磷比（EEAC/P，P < 0.05），3种秸秆还田方式对土壤酶计量氮磷比（EEAN/P）均无显著影响.向量角度整体大于45°，向量长度较初期增加了3.8%~20.1%.③相关性分析表明，碳、氮投入与BG活性显著负相关；有效氮与NAG、AP活性和EEAC/N存在显著相关；C/P与EEAC/N显著正相关；N/P与NAG活性、AP活性、EEAC/N和EEAC/P之间存在显著相关性；EEAN/P与任何环境因子之间都不存在显著相关性.长期不同秸秆还田处理下土壤N、P元素的有效性、N/P对土壤胞外酶活性和其化学计量特征均产生了显著的影响，在以后的土壤高效培育和农业生产活动中，应更多关注农田土壤中有机碳的提升和氮、磷有效性的促进.
关键词: 长期秸秆还田      土壤养分      胞外酶活性      化学计量比      资源限制     
Effects of 24 Years Different Straw Return on Soil Carbon, Nitrogen, Phosphorus, and Extracellular Enzymatic Stoichiometry in Dryland of the Loess Plateau, China
YAO Zhi-xia1 , ZHOU Huai-ping2 , XIE Wen-yan2 , YANG Zhen-xing2 , CHEN Hao-ning1 , WEN Yong-li1 , CHENG Man1     
1. Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China;
2. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Jinzhong 030031, China
Abstract: Exploring the biogeochemical cycle characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in farmland in the dryland of the loess plateau can provide scientific basis and technical support for efficient crop production and sustainable land use. Here, based on a long-term (24 year) straw return field experiment in Shouyang, Shanxi province, the effects of different straw return regimes, i.e., straw mulching (SM), direct straw return (DS), animal-digested straw return (AS), and non-straw return (CK), on the stoichiometric ratio of soil elements and extracellular enzyme activities were studied. The vector angle and length were calculated to indicate the resource constraints faced by microorganisms. The vector angle was greater than 45° and less than 45°, indicating that microorganisms were limited by phosphorus and nitrogen, respectively. The greater the deviation from 45°, the greater the degree of limitation, and the longer the vector length, the more severely limited by carbon. The results showed that ① the soil C/N and C/P of long-term straw returning ranged from 9.81 to 14.28 and from 14.58 to 21.92, with the mean values of 12.36 and 17.51, respectively, which were 6.0% and 4.2% lower than that at the initial stage of the experiment. The soil N/P was distributed between 1.27 and 1.57, with an average of 1.42, which was 2.2% higher than that in the initial stage. The soil C/N and C/P ratios showed a trend of first decreasing and then increasing, the soil N/P ratio basically showed a flat trend, and there was no significant difference in soil element metering ratios between different straw returning treatments. ② Compared with the 24-year long-term non-straw return treatment, the activities of β-1, 4-glucosidase (BG) and β-1, 4-N-acetylglucosaminidase (NAG) in the soil of the long-term straw mulching treatment increased by 134.4% and 107.5% (P < 0.05), the activities of BG and alkaline phosphatase (AP) in the soil of the long-term straw mulching treatment decreased by 59.3% and 59.5% (P < 0.05), respectively, and the activities of NAG in the soil of the long-term straw mulching treatment increased by 102.8% (P < 0.05). Under the long-term straw returning treatment, soil microorganisms were faced with carbon and phosphorus limitation as a whole. Long-term straw mulching aggravated microbial carbon limitation, and animal-digested straw return could alleviate the degree of carbon limitation. Compared with that in the 24-year long-term non-straw return treatment, soil EEAC/N could be significantly reduced by the animal-digested straw return treatment, and soil EEAC/P could be increased by the direct straw return treatment. The three straw returning methods had no significant indigenous effect on soil EEAN/P. The overall vector angle was greater than 45°, and the vector length increased by 3.8%-20.1% compared with that in the initial stage. ③ Correlation analysis showed that C and N inputs were significantly negatively correlated with BG activity; available nitrogen was significantly correlated with NAG activity, AP activity, and EEAC/N; C/P was significantly positively correlated with EEAC/N; there were significant correlations between N/P and NAG activity, AP activity, EEAC/N, and EEAC/P; and there was no significant correlation between EEAN/P and any environmental factors. In conclusion, the availability of soil nitrogen and phosphorus elements and N/P ratio had significant effects on soil extracellular enzyme activity and stoichiometric characteristics under different long-term straw returning treatments. In the future, more attention should be paid to the improvement of organic carbon and the promotion of nitrogen and phosphorus availability in farmland soil in soil-efficient cultivation and agricultural production activities.
Key words: long-term straw return      soil nutrient      extracellular enzyme activity      stoichiometric ratio      resource constraints     

土壤酶活性是反映土壤肥力和养分循环的重要生物学指标之一[1], 作为水解酶代表的β-1, 4-葡萄糖苷酶(BG)、β-1, 4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和碱性磷酸酶(AP)与土壤中C、N、P元素的周转与代谢密切相关.生态化学计量学是研究生态系统中各元素间平衡的科学, 研究土壤C、N、P生态化学计量特征对于揭示土壤养分的有效性、限制性、循环和平衡机制等具有重要指示作用[2, 3].近年来, 随着生态化学计量研究的深入, 土壤中与元素循环相关的水解酶活性之间的比值日益受到研究者们的重视[4].Sinsabaugh等[5]在全球尺度上研究发现, 参与土壤C、N、P循环的土壤酶化学计量比lnBG ∶[ln(NAG+LAP)] ∶lnAP趋于1 ∶1 ∶1, 这意味着在全球尺度上土壤酶C ∶N ∶P相对稳定.然而, 在特定的生态系统中, 土壤微生物的生长受到环境胁迫和养分限制等的影响, 进而影响酶的表达和活性, 土壤酶化学计量比可能不遵循1 ∶1 ∶1的关系[6].“资源分配理论”指出, 微生物会将更多的能量和养分分配于获取限制性资源酶的生产[7].Yuan等[8]在中国北方半干旱草原上进行氮添加试验发现, 氮添加使微生物由氮限制转为碳限制, 从而导致土壤BG活性显著提高(P＜0.001), NAG和LAP活性降低, 土壤BG ∶(NAG+LAP)值从0.91变为1.08.可见, 分析特定环境条件下土壤胞外酶的化学计量特征, 对土壤生态系统养分周转和限制状况非常重要.

作物秸秆作为可再生资源, 主要由纤维素、木质素和半纤维素等组成, 其氮、磷和钾等矿质营养元素含量比较丰富[9].秸秆还田是农业废弃物再利用的有效措施, 对农业生产和土壤高效利用具有重要的价值.徐虎等[10]经过22 a定位试验表明, 长期秸秆还田可显著提高0~20 cm土壤有机碳含量.李守华[11]经过10 a长期定位试验发现, 连续秸秆还田可有效增加15~20 cm土壤有效磷含量.Zhao等[12]经过30 a定位试验表明, 长期秸秆还田可以显著提高土壤全氮含量和土壤C/N.江叶枫等[13]研究表明, 与不还田相比, 秸秆还田处理土壤N/P显著提高.同时, 有研究表明, 长期秸秆还田可以显著提高土壤BG、NAG活性[12, 14]和AP活性[15].长期秸秆还田中, 外源有机物的持续输入和作物消耗养分等势必会改变土壤元素计量, 并使得土壤胞外酶与底物之间的互馈关系变得非常复杂.基于生态化学计量学, 从微生物资源限制角度出发, 研究长期秸秆还田土壤元素计量与酶计量, 可以深入探索农田土壤元素平衡和限制状况.目前, 秸秆还田方式和年限对土壤胞外酶化学计量特征的影响的研究还鲜见报道.本研究依托山西寿阳国家野外观测试验站, 分析长期秸秆覆盖还田、直接还田、过腹还田和不还田处理下土壤C、N、P和胞外酶活性及其化学计量特征, 深入探讨土壤元素及其计量比、胞外酶活性及其计量比与土壤有效养分的关联, 以期为玉米秸秆科学资源化利用提供理论支撑, 并为旱地土壤的长期可持续管理及高效利用提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

长期定位试验位于山西省寿阳县野外科学观测试验站内(113°06′E, 37°58′N), 海拔1 130 m, 年均气温7.4℃, ≥10℃积温3 400℃, 无霜期约130 d, 年蒸发量1 600~1 800 mm, 年日照时长2 858.3 h, 年均降水量501.1 mm, 70%左右的降水集中在6~9月, 干燥度1.3, 属暖温带半湿润偏旱区.试验地块基本平坦, 土层深厚, 地下水埋深在50 m以下.土壤为褐土性土, 成土母质为马兰黄土, 属黄土旱塬地.试验初始时耕层土壤基本性质为：ω[有机碳(SOC)]13.81 g ·kg-1, ω[全氮(TN)]1.05 g ·kg-1, ω[全磷(TP)]0.76g ·kg-1, ω[有效氮(AN)]117.69 mg ·kg-1, ω[有效磷(AP)]4.84 mg ·kg-1, pH 8.3.

1.2 试验设计

本试验设置以下4个处理：①秸秆覆盖还田：在前茬玉米收获后, 将上茬覆盖未腐解的秸秆铡碎, 结合秋季深耕翻直接还田, 次年整地直接播种再进行整秆均匀覆盖; ②秸秆直接还田：在前茬玉米收获后, 将玉米秸秆铡碎为15 cm长, 结合秋季深耕翻直接还田, 次年整地后直接播种; ③秸秆过腹还田：在前茬玉米收获后, 将腐熟湿牛粪均匀撒在地面, 结合秋季深耕翻直接还田, 次年整地后直接播种; ④秸秆不还田, 空白对照, 在前茬玉米收获后, 将秸秆全部移出.每个处理小区面积54 m2.

本试验从1992年4月开始, 1993~1997年玉米品种为“烟单14号”, 1998~2003年为“晋单34号”, 2004~2011年为“强盛31号”, 2012~2016年为“晋单81号”.玉米播种时间在4月15~25日, 收获时间为9月20日至10月10日, 种植密度为49 500~52 500株·hm-2.各小区栽培管理措施一致, 田间管理措施主要是除草和防治病虫害.各小区统一施肥, 在前茬玉米收获后结合秋季深耕翻施肥, 玉米生长期间不施肥, 无补充灌溉.所有处理施肥量为N 150 kg ·hm-2、P2O5 84 kg ·hm-2, 施用氮肥为尿素(含N 46%), 磷肥为普通过磷酸钙(含P2O5 14%); 秸秆还田量为6 000 kg ·hm-2, 过腹还田牛粪(湿)45 000 kg ·hm-2.所有处理均采用秋施肥, 结合秋深耕翻地, 条施深施肥, 施肥深度10~30 cm, 化肥全部底施, 不追肥.

1.3 样品采集及测定方法

每个试验处理区分为3个小区, 每个小区18 m2, 每年10月5日左右收获玉米.分别于2001、2006和2016年将玉米收获后, 在各处理的小区内, 使用直径为5 cm的土钻采用对角线法采集0~20 cm土层土壤混合样品.将采集的样品装入封口袋, 带回实验室, 去除石块、动植物残体等, 分为两份, 一份过2 mm筛后, 于-20℃的冰箱内保存, 供土壤酶活性测定; 另一份置于实验室内自然风干、去杂、过0.149 mm筛后供土壤SOC、TN和TP等的测定.

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定, 土壤全氮采用凯氏定氮法测定, 有效氮采用扩散法, 土壤全磷采用硫酸高氯酸消煮-钼锑抗比色法, 土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[16].与碳循环相关的土壤β-1, 4-葡萄糖苷酶(BG)、与氮循环相关的土壤β-1, 4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)以及与磷转化相关的碱性磷酸酶(AP)均采用微孔板荧光法[17], 其底物分别为4-Methylumbelliferyl-β-D-glucopyranoside、4-Methylumbelliferyl N-acetyl-β-D-glucosaminide和4-Methylumbelliferyl phosphate.酶活性计算参考Deforest[18]的研究, 单位为nmol ·(h ·g)-1.土壤元素碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)和氮磷比(N/P)分别通过SOC ∶TN、SOC ∶TP和TN ∶TP计算得到, 土壤胞外酶计量比EEAC/N、EEAC/P和EEAN/P分别采用lnBG ∶lnNAG、lnBG ∶lnAP和lnNAG ∶lnAP计算得出.酶化学计量比的向量长度(Vector L)和角度(Vector A)用于量化微生物受碳限制和受氮或磷限制的相对情况, Vector L越长, 表示微生物受碳限制越大; Vector A＜45°和Vector A＞45°分别表示土壤微生物受氮限制和磷限制的相对程度, 偏离程度越大, 限制越强.

向量角(Vector A)和向量长度(Vector L)的计算公式[19]如下：

(1)
(2)

式中, SQRT为开方运算函数：Degrees为角度转换函数; Atan2为反正切函数.

本研究中外源有机碳、氮和磷输入主要来自作物残茬(根系+秸秆残茬)秸秆还田及有机粪肥.除了秸秆直接还田外, 其他管理方式下在作物收获时地上部分均随籽粒全部移走, 其有机碳和氮、磷投入主要来自作物地下部分根系、残茬和肥料.表 1为长期不同秸秆还田处理在初始年至2001、2006和2016年的碳、氮、磷投入量.其中, 作物来源的有机碳、氮和磷投入计算公式[20]为：

表 1 长期不同秸秆还田处理土壤碳、氮、磷投入量/kg ·hm-2 Table 1 Input amount of soil carbon, nitrogen, and phosphorus under different long-term straw returning treatments/kg ·hm-2

(3)

式中, Einput为作物来源的有机碳、氮和磷投入, kg ·hm-2, Yg为作物籽粒产量, kg ·hm-2, Ys为秸秆产量, kg ·hm-2; R为光合作用进入地下部分的碳的比例; Dr为玉米根系生物量平均分布在0~40 cm土层的比例; Rs为作物收割留茬占秸秆的比例; W为玉米地上部分风干样的含水量, g ·kg-1; Ecrop为玉米地上部分风干样的含碳量、含氮量和含磷量, g ·kg-1.

本文中所有数据利用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行处理, 作图用Origin 2018完成.采用Duncan多重比较分析土壤化学性质和酶活性及计量比的差异显著性, 所有结果均以“平均值±标准误差”表示.利用Pearson相关分析进行土壤元素及其计量比、胞外酶活性及其计量比与土壤有效养分的相关性分析.

2 结果与分析 2.1 不同秸秆还田处理土壤元素计量比变化特征

1992年为试验初始年, 于2001年、2006年和2016年测定各还田处理土壤的有机碳、全量和有效氮、磷含量, 结果如表 2所示.

表 2 长期不同秸秆还田处理土壤养分含量1) Table 2 Variation characteristics of soil nutrients under different long-term straw returning treatments

图 1为长期不同秸秆还田对土壤碳、氮和磷计量比的影响.试验初期(1992年)土壤C/N和C/P分别为13.15和18.28.长期不同秸秆还田处理土壤C/N和C/P范围分别为9.81~14.28和14.58~21.92, 均值分别为12.36和17.51.不同秸秆还田方式下土壤C/N和C/P随时间推移均呈现出先降低后升高的变化趋势, 土壤C/N和C/P均值在4种还田处理间均无显著性差异.试验初期土壤N/P为1.39, 长期秸秆还田处理土壤N/P变化范围在1.27~1.57之间, 均值为1.42.长期不同秸秆还田处理土壤N/P随时间推移基本保持不变, 且土壤N/P均值在不同还田处理间均无显著性差异.由以上可知, 长期不同秸秆还田处理, 可以提高土壤C/N和C/P, 对土壤N/P的影响较小.

不同小写字母表示不同还田处理间差异显著(P < 0.05) 图 1 长期不同秸秆还田对土壤碳、氮和磷计量比的影响 Fig. 1 Effects of different long-term straw returning on the ratios of soil carbon, nitrogen, and phosphorus

2.2 不同秸秆还田处理土壤胞外酶及计量比变化特征

从图 2中可知, 长期不同秸秆还田处理土壤BG活性为16.88~97.20 nmol ·(h ·g)-1, 秸秆直接还田和过腹还田处理土壤BG活性随时间推移呈下降趋势, 秸秆覆盖还田土壤BG表现为2016年显著高于其他两个年份. 2016年覆盖还田处理土壤BG活性为97.20 nmol ·(h ·g)-1, 显著高于其他3种还田处理.不同秸秆还田处理土壤NAG和AP活性范围分别为2.02~19.14 nmol ·(h ·g)-1和2.36~19.38 nmol ·(h ·g)-1, 二者在秸秆直接还田处理和过腹还田处理均随时间的推移呈下降趋势, 土壤AP活性在秸秆覆盖还田表现为2001年显著高于2016年.2016年土壤NAG活性表现为覆盖还田和过腹还田处理显著高于直接还田和不还田处理, 土壤AP活性为直接还田处理显著低于其他3种处理.综上, 与不还田相比, 长期秸秆覆盖还田显著提高了土壤BG活性和NAG活性(P < 0.05), 长期秸秆直接还田显著降低了土壤BG活性和AP活性(P < 0.05), 长期过腹还田可以显著提高土壤NAG活性(P < 0.05).

不同大写字母表示同一年份不同秸秆还田处理间差异显著(P < 0.05), 不同小写字母表示相同还田方式不同年份间差异显著(P < 0.05), 下同 图 2 长期不同秸秆还田对土壤胞外酶活性的影响 Fig. 2 Effects of different long-term straw returning on soil extracellular enzyme activities

长期不同秸秆还田处理土壤酶化学计量比的变化如图 3所示.1992年土壤EEAC/N、EEAC/P和EEAN/P分别为1.34、1.81和1.36, 长期不同秸秆还田处理EEAC/N、EEAC/P和EEAN/P分布在1.48~4.02、1.34~3.29和0.59~1.06之间, 均值分别为2.35、1.93和0.84.不同年份之间, 秸秆覆盖还田和过腹还田土壤EEAC/N、EEAC/P和EEAN/P均无显著性差异.长期秸秆直接还田和不还田处理土壤EEAC/N和EEAC/P均为2016年显著高于处理前期, 其中长期秸秆直接还田2016年土壤EEAC/N分别是2006年和2001年的2.20倍和2.66倍, 2016年EEAC/P分别是2006年和2001年的1.91倍和2.06倍, 土壤EEAN/P在时间上变化无显著差异.经过24 a长期秸秆还田, 2016年土壤EEAC/N表现为直接还田和不还田处理较高, 覆盖还田次之, 过腹还田最低; 土壤EEAC/P则表现为直接还田显著高于其他3种处理; 土壤EEAN/P在4种处理方式下无显著差异.综上可看出, 过腹还田可以显著降低土壤EEAC/N(P < 0.05), 直接还田可以显著提高土壤EEAC/P(P < 0.05), 3种秸秆还田方式对土壤EEAN/P均无显著影响.

图 3 长期不同秸秆还田对土壤胞外酶化学计量比的影响 Fig. 3 Effect of different long-term straw returning on the stoichiometric ratio of soil extracellular enzymes

2.3 不同秸秆还田处理土壤胞外酶计量的向量变化特征

图 4表明, 1992年土壤酶化学计量的向量角度小于45°, 经过长期不同秸秆还田处理向量角度总体大于45°, 且不同处理不同年份之间向量角度均无显著性差异, 这说明本研究区域试验前土壤微生物主要受氮的限制, 实施秸秆还田后, 土壤微生物整体受磷的限制[图 4(a)]. 图 4(b)显示, 秸秆覆盖还田土壤酶计量的向量长度表现为：2016年>2006年>2001年, 这说明在秸秆覆盖还田处理随着时间的推移, 土壤微生物受到碳的限制增强.土壤酶计量的向量长度在2001年表现为, 覆盖还田处理最高, 直接还田和过腹还田处理居中, 不还田处理最低; 2006年表现出直接还田和过腹还田处理显著低于不还田处理; 2016年秸秆覆盖还田、直接还田和不还田处理基本一致, 过腹还田处理较不还田处理显著降低11.4%.以上结果表明, 长期秸秆还田土壤微生物整体面临碳限制和磷限制, 秸秆覆盖还田处理土壤微生物受碳的限制程度逐渐增强, 秸秆过腹还田处理微生物代谢受碳的限制程度相对减弱.

图 4 长期不同秸秆还田土壤酶化学计量的向量变化特征 Fig. 4 Vector variation characteristics of soil enzyme stoichiometry with different long-term straw returning treatments

2.4 土壤元素及其计量比、胞外酶活性及其计量比与土壤有效养分的关联分析

对土壤元素及其计量比、胞外酶活性及其计量比与土壤有效养分进行Pearson相关分析, 结果如表 3所示.BG活性与碳投入和氮投入呈显著负相关, NAG和AP活性与土壤有效氮呈显著正相关, 与土壤N/P呈显著或极显著负相关.EEAC/N与有效氮呈极显著负相关, 相关系数为-0.741; 与C/P和N/P均呈显著正相关, 相关系数分别为0.616和0.596. EEAC/P与有效氮呈显著负相关, 相关系数为0.630; 与N/P呈显著正相关, 相关系数为0.595.

表 3 土壤元素及其计量比、胞外酶活性及其计量比与土壤有效养分的相关性分析1) Table 3 Correlation analysis of soil elements, soil extracellular enzyme activities, and their stoichiometric ratios

3 讨论 3.1 土壤元素化学计量比对不同秸秆还田方式的响应

土壤C/N可以衡量土壤碳氮矿化能力、有机质分解速率和营养平衡状况, 是反映土壤质量变化的敏感指标[3].C、N和P不平衡性增加或降低会引起土壤C/N、C/P和N/P的变化[21].本研究24 a秸秆还田试验土壤C/N为12.36(均值), 高于中国土壤平均值(11.9)[22], 符合我国农田土壤C/N变化范围(7~13)[23], 并且土壤有机质矿化速率表现出相对缓慢的特点[24].长期秸秆还田下土壤C/N低于试验初期(13.15), 这说明长期不同秸秆还田促进了土壤有机质分解.土壤C/P是P有效性高低或可获得性大小的表征参数, C/P越小, 土壤中P的有效性就越高[25].本研究区长期秸秆还田土壤C/P均值(17.51)低于全国平均水平(61)[22], 说明本区域土壤微生物分解有机质释放有效磷的潜力较大, 提高了土壤有效磷含量[26].在整个还田过程中, 土壤中C的含量先降低后升高, 而土壤N和P含量变化微小, 相对稳定(表 2), 所以土壤C/N和C/P呈现出先降低后升高的变化趋势.土壤N/P可以有效预测养分限制类型[25].长期不同秸秆还田处理土壤N/P差异不显著, 说明随着秸秆还田的推进, 有机物料的输入、N肥P肥的施用和作物吸收等, N和P的输入和输出过程对土壤中N和P的影响基本一致, 土壤中N和P的变化基本协同.综上, 长期来看, 将秸秆以过腹还田、覆盖还田和直接还田等方式归还土壤中, 可以改变土壤养分结构, 提高土壤C/N和C/P, 促进土壤有机质分解.

3.2 土壤胞外酶及其化学计量比对不同秸秆还田的响应

土壤酶活性可以反映微生物对代谢资源的需求状况, 而土壤胞外酶化学计量比通常用来表征土壤微生物的相对资源限制[27].本研究中土壤酶C ∶N ∶P大致为2.35 ∶1.00 ∶1.22, 而全球尺度土壤酶C ∶N ∶P约为1 ∶1 ∶1[5], 表明长期秸秆还田处理下研究区土壤中可利用的C、P元素相对缺乏, 土壤微生物为获取限制性养分以满足自身生长和代谢需求而对特定胞外酶的分泌势必会改变土壤酶计量比[28].本文结果显示, 与不还田处理相比, 2016年秸秆覆盖还田处理提高了土壤BG活性和NAG活性, 且加剧了土壤微生物的碳限制程度.这一方面可能是秸秆覆盖过程随着淋溶等作用进入土壤中的可溶性有机物质促进微生物的生长[29], 进而增加了土壤相关酶的活性; 另一方面是秸秆覆盖过程中土壤温度和水分条件相对良好[30], 间接地改变了土壤微生物生长条件, 进而影响土壤酶活性.这与王元基[31]对果园中13 a的玉米秸秆覆盖研究结果相契合.长期秸秆过腹还田处理提高了土壤NAG活性, 显著降低了土壤EEAC/N.牛粪C/N较低, N素含量丰富, 作为有机肥输入农田土壤, 分解后增加了土壤微生物的数量, 提高了微生物的活性[32], 刺激了土壤中的NAG活性.另外, 在图 4中发现过腹还田处理微生物碳限制有回缓趋势, 且根据表 2来看, 过腹还田处理土壤有机碳含量在不同处理间最高, 这可能与牛粪的持续输入显著提高了土壤有机碳含量有关[15], 从而降低了BG活性, 进而导致土壤EEAC/N降低.

相比于不还田处理, 2016年秸秆直接还田处理降低了土壤BG活性和AP活性, 提高了土壤EEAC/P.图 2显示, 直接还田处理下土壤BG和AP活性均显著低于不还田处理, 根据图 4可知本区域微生物整体受C和P的限制, 由此可以确定, 长期秸秆直接还田过程中, 土壤微生物C源和与C和P循环相关的酶促反应底物供应不足, 土壤微生物的生长受限, 最终使土壤BG和AP活性降低[33].另一方面, 土壤酶活性的表达是微生物群落响应底物计量变化的策略, 秸秆中木质素和纤维素等其他化学组成可能会导致微生物群落结构发生改变[34], 从而干扰酶计量与元素计量之间的关系, 导致土壤EEAC/P发生变化.此外, 近来也有研究指出, 编码水解酶的微生物功能基因相对丰度的变化也可以调整特定的细胞外酶活性[31, 35].本文中长期不同秸秆还田对土壤EEAN/P无显著影响, 可能是土壤中的微生物群落结构和功能并未发生很大变化, 微生物释放的与N和P循环相关的水解酶能够适应不同还田方式产生的特殊生境, 从而使EEAN/P无明显差异.也可能是这两种酶活性的变化相对一致, 并未使土壤酶计量比发生显著的变化.综上, 由胞外酶活性及其化学计量和向量特征可知, 长期秸秆还田土壤微生物整体面临磷限制和碳限制, 长期秸秆覆盖还田加剧了微生物碳限制, 秸秆过腹还田可以缓解碳限制程度.

另外, 土壤酶活性与土壤其它生物化学性质间的关系表现为：施肥影响甚至改变土壤养分循环, 同时也影响在这些转化过程中起作用的酶的活性和数量[36].施有机肥增加了土壤微生物量与酶活性, 这些增加的酶活性在土壤生态系统中会促进养分循环[31].施无机肥则是通过增加养分投入, 提高作物生产力, 增加作物根系分泌物, 从而向微生物提供一定量C源, 且化肥中无机氮能调节土壤C/N, 为提高酶活性创造条件[37].长期施用无机肥对土壤酶活性的影响存在一定的不确定性, 有的是负的, 有的是正的.农药对土壤酶活性也有不同程度的抑制作用[36].施肥对土壤酶活性的影响一般只能维持几个月, 只有长期施用肥料和农药导致土壤的化学性质发生较大变化时, 才会对土壤酶活性产生持久影响.

3.3 秸秆还田下土壤酶计量变化的驱动机制

土壤养分可通过影响微生物的生长而间接作用于土壤酶, 使不同的土壤养分和土壤酶活性间存在不同程度的相关性[38].本研究中, 土壤BG活性与C投入和N投入呈显著负相关, 其原因可能是C和N是微生物组成的主要元素, 它们之间一定的比例有利于微生物生长, 进而有利于外源C的固定.土壤NAG和AP活性均与有效氮呈显著正相关, 这与吕来新等[39]的研究结果一致, 表明N的有效性与NAG和AP活性是协同增加的; 而NAG和AP活性均与土壤N/P呈显著或极显著负相关, 说明N/P可能是控制土壤NAG和AP活性的重要因素之一, 这与以往的研究结果相契合[6, 40].生长速率理论指出[41], 土壤中充足的P素有助于微生物的快速生长.N/P降低将意味着土壤P素的补充, 这可以有效缓解本区域由于长期秸秆还田而造成的P限制, 生物生长速率提高也将增加对养分的需求, 这也将促进更高的NAG和AP活性.EEAC/N和EEAC/P均与有效氮存在负相关关系, 有效氮的含量增加时, NAG和AP活性会间接提升, 说明微生物群落结构和功能受土壤N的有效性的控制, 酶活性随之发生改变.EEAC/N与C/P和N/P均呈显著正相关, EEAC/P与N/P呈显著正相关, 这与张鹏等[40]的研究结果一致, 而乔航等[42]的研究发现EEAC/N与N/P呈正相关, EEAC/P与C/N呈正相关, 原因可能是其研究样地土壤类型为红壤, 与本研究区域土壤性质存在差异.可见, 不同秸秆还田处理下, 土壤胞外酶化学计量特征会受到土壤中N、P有效性的调控, 这将为今后的农业活动提供更为科学的理论依据.

4 结论

(1) 长期不同秸秆还田处理土壤C/N和C/P先降低后升高, 土壤N/P基本持平.不同还田处理间土壤元素计量比差异不显著.

(2) 土壤胞外酶计量比和向量特征揭示, 长期秸秆还田处理下土壤微生物整体面临磷限制和碳限制, 长期秸秆覆盖还田加剧了微生物碳限制, 秸秆过腹还田处理可以缓解碳限制程度.

(3) 相关性分析结果表明, 长期不同秸秆还田处理下N、P有效性、N/P对土壤胞外酶活性及其化学计量特征均产生了显著的影响.

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