賈照杰, 吉德昌, 陳飛, 武立萍, 李銘軒, 于占波, 丁凡*

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 土地與環(huán)境學院, 遼寧 沈陽110866；2.通遼市奈曼旗青龍山國有林場, 內(nèi)蒙古 通遼028314)

磷(P)作為許多生物化合物(如ATP、磷脂、核酸)的基本組成元素之一，在植物的生長和代謝過程中起著重要作用[1]。農(nóng)田土壤磷含量普遍偏低，施用磷肥不僅是緩解土壤磷限制、提高作物產(chǎn)量的主要手段[2]，也是維持和提高土壤磷素水平的根本途徑[3-4]。

施磷可以通過提高土壤和植物器官磷含量[5-6]，改變土壤和植物器官的化學計量學特征，降低C/P和N/P[7]。施磷肥可以改變土壤pH，增加可溶性有機碳含量[8,9]，增加土壤細菌、真菌、放線菌等微生物生物量以及提高磷酸酶、脲酶活性[10]，進而增強土壤呼吸[11-13]；但也有研究表明施用磷肥會降低[14-16]或不影響[17]土壤呼吸。施磷肥還會增強植物光合作用，促進植物生長發(fā)育，增加初級生產(chǎn)力及細根生物量[13,18]，提高作物產(chǎn)量及品質[19-20]。

施磷肥還可能影響土壤有機碳庫的數(shù)量及穩(wěn)定性。土壤有機碳庫的穩(wěn)定性關乎全球氣候變化[21]，根據(jù)尺寸和密度可以將土壤有機碳分為相對易分解、生物活性較高的顆粒有機碳和受土壤黏粒和粉粒保護、難分解的礦質結合態(tài)有機碳[22-24]。文獻中施磷肥對土壤碳庫組分的影響表現(xiàn)不一：王玲莉等[25]在玉米連作棕壤中連續(xù)施加26 a磷肥后顆粒有機碳含量無變化；劉驊等[26]在玉米-冬小麥-春小麥連作灰漠土中長期施用18 a氮磷肥，未增加土壤顆粒有機碳與礦質結合態(tài)有機碳含量(相對于單施磷肥)；Manna等[27]在印度大豆-小麥-玉米輪作土壤中也發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律；而王朔林等[28]在25 a栗褐土長期定位施肥試驗中發(fā)現(xiàn)，施磷肥土壤中顆粒有機碳含量較無磷肥處理有增加的趨勢。張秀蘭等[29]在杉木人工林連續(xù)施加3 a磷肥研究表明，施磷肥會緩解微生物的養(yǎng)分限制，加快微生物及相關酶對顆粒有機碳的分解利用，降低土壤顆粒有機碳含量，但對礦物結合態(tài)碳含量無影響。因此土壤有機碳庫組分對施磷肥的響應差異可能與土壤類型不同、添加時間長短、添加水平不同有關[30]。

目前，關于施用磷肥對農(nóng)田土壤和作物碳(C)∶氮(N)∶磷(P)化學計量學、微生物活性、碳庫數(shù)量及穩(wěn)定性的研究多為短期實驗或者室內(nèi)培養(yǎng)試驗，而長期定位試驗還很少[25,31-33]?；诖耍狙芯恳陨蜿栟r(nóng)業(yè)大學長期定位施肥試驗平臺為依托，選取不同施磷梯度試驗，探討長期施用不同量磷肥對土壤與玉米器官化學計量學、土壤呼吸、土壤碳庫組分的影響，旨在為明確長期施用磷肥對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學棕壤長期定位試驗站(41°49′N，123°34′E)進行。該站建于1987年，海拔75 m，溫帶大陸性季風氣候，年均溫7.2 ℃，年降水量730 mm，土壤類型為棕壤。在試驗站建立之初，0～20 cm耕層土壤基礎理化性質：土壤有機碳(SOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為9.1 g/kg、1.0 g/kg、0.5 g/kg、67.4 mg/kg、8.4 mg/kg和98.3 mg/kg，pH 6.39，砂粒、粉粒和粘粒的比例分別為16.7%、58.4%和24.9%[33]。

1.2 試驗設計

本研究實行玉米連作制度，一年一熟。玉米株距為30 cm，行距60 cm。采用完全隨機設計，包括三個處理：不施磷肥(P0)、低量磷肥(P1，P2O567.5 kg/hm2)、高量磷肥(P2，P2O5135 kg/hm2)。其中，磷肥為磷酸二銨。3種處理均施用135 kg/hm2N當量的尿素，且均未施鉀(該試驗田不缺鉀)。每個處理三個重復，每個小區(qū)面積69 m2。每年4月末播種玉米和施肥，后期不再追肥，玉米生長季內(nèi)進行常規(guī)田間管理，9月底收獲。

1.3 土壤和植物樣品采集

2015年9月底玉米收獲時采集土壤和玉米植株樣品。土壤樣品用土鉆取0～20 cm的耕層土壤，每個小區(qū)按S型取5鉆，混合均勻后帶回實驗室。去除植物殘根、礫石等雜質，一部分放入4 ℃冰箱，測定微生物量碳氮、土壤呼吸速率等，另一部分自然風干，測定土壤基礎理化指標。

每個小區(qū)隨機選取三株玉米，分別收集玉米根茬、莖稈、葉片及籽粒樣品。其中，根茬取樣方法：利用鐵鍬挖取以根系為中心，直徑40 cm、深度40 cm的土壤后，輕輕用手去掉大部分土壤，取出完整根茬裝入自封袋，并帶回實驗室。實驗室清洗根茬后，將玉米根茬、莖稈、葉片和籽粒放在60 ℃烘箱中烘至恒重。每種植物器官選取30～50 g用球磨儀(GT200,Grinder)分別粉碎，測定其碳、氮、磷含量。

1.4 測定項目與方法

土壤pH用pH計(雷磁-PHS3C，中國)測定，水土比為2.5∶1。土壤和植物樣品的碳、氮含量通過元素分析儀(Vario EL III，德國)測定。本試驗供試土壤偏酸性(pH約為5)，因此土壤全碳即為土壤有機碳。土壤經(jīng)濃H2SO4和HClO4消解后，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定。土壤堿解氮和有效磷的測定方法分別為堿解擴散法和鉬銻抗比色法[34]。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-萃取法[35]，利用總有機碳分析儀上機(Elementhigh TOC Ⅱ，德國)測定，未熏蒸土壤浸提液中的碳含量代表土壤可溶性有機碳含量[36]。

土壤呼吸采用CO2釋放量法測定[37,38]，將一定重量的鮮土(相當于10 g干土)放入250 mL棕色玻璃瓶中，水分調節(jié)至田間持水量的60%。立即將玻璃瓶用橡膠塞密封，并放置于25℃黑暗條件下培養(yǎng)。在培養(yǎng)第1、2、4、7、8天，用注射器從玻璃瓶的頂部空間提取20 mL氣體，通入紅外氣體分析儀(EGM-4，PP systems，美國)測定其CO2濃度。每次測定后，充分交換培養(yǎng)瓶內(nèi)和瓶外的新鮮空氣后補充水分，重新密封和培養(yǎng)，以備下一次測量。

土壤有機碳通過物理分組方法分為顆粒有機碳(POC)和礦質結合態(tài)碳(MAOC)[39]。簡言之，稱取相當于10 g風干土重量的鮮土置于100 mL塑料瓶中，加入30 mL 5 g/L化學分散劑六偏磷酸鈉，常溫振蕩18 h后，將分散液和土壤全部置于53 μm孔徑篩上，用大量蒸餾水沖洗，確保粒徑小于53 μm顆粒全部過篩。根據(jù)篩網(wǎng)孔徑大小將土壤有機碳分為顆粒態(tài)有機碳(POC，>53 μm)，礦質結合態(tài)有機碳(MAOC，<53 μm)。將POC和MAOC兩種土壤組分分別置于蒸發(fā)皿中，60 ℃烘干至恒重，稱重后研磨過100目篩。用元素分析儀(Vario EL III，德國)測定兩種組分中的碳含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

土壤微生物量碳的計算公式為：

CMBC=(CF-CnF)/KEC

(1)

式(1)中，CMBC表示土壤微生物量碳(mg/kg)，CF表示熏蒸條件下K2SO4提取液中的可溶性有機碳含量(mg/kg)，CnF表示未熏蒸條件下K2SO4提取液中的可溶性有機碳含量(mg/kg)，KEC表示震蕩過濾后的提取液中有機碳轉換成土壤微生物量碳的轉換系數(shù)0.45。

土壤呼吸速率[37-38]、土壤累計呼吸量的計算公式如下：

Rsoil=ρCO2×(Fs-Fb)×V/(ms×t)

(2)

(3)

式(2)中，Rsoil為土壤呼吸速率[μg CO2/(h·g·soil)]，ρCO2為CO2的密度(g/cm3)，F(xiàn)s和Fb分別為處理和空白的土壤樣品測定CO2濃度(ppm)，V為土壤培養(yǎng)瓶體積(L)，ms為土壤烘干土重(g)，t表示培養(yǎng)時間(h)。式(3)中，TCR為8天土壤累計呼吸量[μg CO2/(g·soil)]，i=1,2,4,7,8。

土壤呼吸熵、土壤微生物熵的計算公式如下：

RQ=TCR/CMBC

(4)

qMB=CMBC/CSOC

(5)

RQ為土壤呼吸熵(μg CO2/g·MBC)；qMB為土壤微生物熵(%)，CSOC為土壤有機碳含量(g/kg)。

采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素和雙因素方差分析，采用Duncan法進行多重比較，顯著性水平為P<0.05。采用Excel 2019軟件繪圖。表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤，樣本量n=3。

2 結果與分析

2.1 土壤基礎理化指標及C∶N∶P化學計量學

相比不施磷肥，施磷提高了土壤全磷、速效磷和堿解氮含量(P<0.05，表1)。其中P2處理提高全磷、速效磷、堿解氮含量的程度最大。P1處理的土壤pH最高。同時，施磷未顯著影響土壤有機碳及全氮含量(P>0.05)。因此，隨施磷量的增加，土壤C/P、N/P顯著降低(P<0.05)，而土壤C/N未發(fā)生顯著改變(P>0.05)。

表1 土壤養(yǎng)分含量及碳、氮、磷化學計量比Table 1 Soil nutrient content and carbon, nitrogen, phosphorus

2.2 玉米器官的碳、氮、磷含量及C∶N∶P化學計量學

對于玉米器官而言，玉米各器官的碳含量沒有顯著差異(P>0.05，表2)，但玉米籽粒的氮、磷含量顯著高于其他器官(P<0.05，表2)。施磷未顯著影響玉米莖稈、葉片、根茬和籽粒中的碳、氮含量(P>0.05，表2)。由于籽粒具有較高的氮、磷含量，其C/N、C/P與N/P顯著低于其他玉米器官(P<0.05，表2)。

對于施磷而言，與P0和P1處理相比，P2處理除顯著增加玉米根茬的磷含量外，未顯著影響玉米其他器官的磷含量。對應地，P2處理的玉米莖稈根茬的N/P也隨之降低(P<0.05，表2)。同時，P1處理葉片C/N顯著高于P0和P2處理，C/P顯著高于P2處理(P<0.05，表2)。

表2 玉米不同器官中碳、氮、磷含量及化學計量比Table 2 The concentrations and ratios of carbon, nitrogen, phosphorus in maize organs

2.3 土壤呼吸速率及累計呼吸量

土壤呼吸速率在一定程度上可以表征微生物活性。不施磷處理在培養(yǎng)第1天與第4天土壤呼吸速率顯著大于施磷處理(P<0.05，圖1)，而施用低量和高量磷肥對土壤呼吸速率無影響(P>0.05)。與土壤呼吸速率結果一致，培養(yǎng)期結束后P0的累計呼吸量高于P1和P2處理(P<0.05)。不同磷肥處理間土壤微生物量碳、可溶性有機碳、微生物熵及呼吸熵無顯著差異(P>0.05，圖2)。以上結果說明，整個培養(yǎng)期內(nèi)，施用磷肥降低了土壤呼吸速率，各處理土壤呼吸速率呈現(xiàn)先減小再增加的變化趨勢。

圖1 土壤呼吸速率和累積呼吸量Figure 1 Soil respiration rate and cumulative respiration

圖2 土壤微生物量碳、可溶性有機碳、微生物熵及呼吸熵Figure 2 Soil microbial biomass carbon, dissolved organic matter, microbial quotient, and respiratory quotient

2.4 土壤有機碳庫組分分布

長期施磷未顯著影響土壤顆粒有機碳和礦質結合態(tài)有機碳含量，以及兩者占總有機碳的比例(P>0.05，圖3)。土壤有機碳以礦質結合態(tài)有機碳為主，占土壤有機碳比例為73%～76%，而顆粒有機碳占土壤有機碳的比例為24%～28%。

圖3 土壤顆粒有機碳與礦質結合態(tài)有機碳含量及兩者占土壤有機碳的比例Figure 3 The contents of POC and MAOC and their proportions in soil organic carbon pool注：POC—顆粒有機碳；MAOC—礦質結合態(tài)有機碳；SOC—土壤有機碳

3 討 論

長期施用磷肥對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響主要通過改變土壤養(yǎng)分化學計量學而提高作物對磷素的吸收量，并改變土壤微生物活性(土壤呼吸)，但是對土壤碳庫穩(wěn)定含量及其穩(wěn)定性并無顯著影響。具體如下：

3.1 施磷對土壤和植物養(yǎng)分化學計量學的影響

磷是植物生長和代謝所需的重要養(yǎng)分，是維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關鍵因子[40-41]。施用磷肥沒有顯著影響土壤有機碳和全氮含量(表1)，牛玉斌等[42]在草原和鄭宛志等[8]在森林中的研究也有類似發(fā)現(xiàn)，這可能因為土壤有機碳和全氮含量對磷肥施入不敏感。其次，施用磷肥可以增加植物對氮的吸收利用，減少硝化和反硝化微生物可利用的氮源[6]，增加了土壤有效氮含量(表1)。隨著施磷量的增加，土壤速效磷和全磷含量顯著增加，C∶P，N∶P隨之下降(表1)。由于土壤中磷含量增加，植株對土壤磷的吸收也相應增加[5,43-45]，本研究發(fā)現(xiàn)不同玉米器官中的磷含量增加18%～89%(表2，P=0.036)。本研究施用的磷酸二銨為弱堿性肥料，有助于減緩土壤pH的降幅。然而pH的增加僅在施低量磷肥時出現(xiàn)，且只有0.2個單位(表1)，這說明在本研究中長期施磷對土壤pH影響有限。

3.2 施磷對碳庫穩(wěn)定性和土壤微生物活性的影響

土壤有機碳分為相對易分解、生物活性較高的顆粒有機碳和受土壤黏粒和粉粒保護、難分解的礦質結合態(tài)有機碳，本研究發(fā)現(xiàn)長期施用磷肥對土壤顆粒有機碳和礦質結合態(tài)含量無影響(圖3)。說明施磷對碳庫穩(wěn)定性無影響。以往研究表明，施加磷肥可以改善土壤速效養(yǎng)分狀況，促進作物根系和地上部分的生長[46]，增加根茬及凋落物的歸還量，從而提高土壤顆粒有機碳含量[28]，這些結果與本研究結果不同。這可能因為本試驗所有小區(qū)所有地上部均被移除，僅有根茬還田，造成秸稈還田量較小，從而導致施加不同量磷肥后土壤有機碳含量、微生物量碳、可溶性有機碳含量無變化(表2，圖2)。而顆粒有機碳含量很大程度上取決于有機碳總儲量[28]，因此土壤顆粒有機碳含量也沒有發(fā)生顯著改變。這一結果暗示了土壤有機碳庫組分對長期施用磷肥不敏感。

土壤呼吸在一定程度上可以代表微生物活性[47,48]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用磷肥抑制了土壤呼吸速率，造成土壤CO2累積呼吸量降低，說明施用磷肥可能抑制了土壤微生物活性(圖1)。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，杉木幼林土壤施磷后會減少細根生物量[49]及細根、菌根菌絲分泌的可溶性有機化合物，造成土壤呼吸平均降低17.1%。但在本研究較為特殊的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，地上生物量全部移除導致土壤有機碳含量在施磷與未施磷條件下保持相同水平。同樣地，施加不同量磷肥對土壤微生物生物量碳、可溶性碳含量、呼吸熵等無影響(圖2)，因此碳源的變化不是施磷肥對土壤呼吸影響的原因。一個可能的原因是，隨著施磷量的增加，土壤堿解氮含量增加(表2)，土壤微生物對獲取氮素的需求得到緩解，微生物分解有機質以獲取氮源(即“氮開采”)的意愿降低，導致土壤異養(yǎng)呼吸降低[50]。

4 結 論

長期施用磷肥顯著增加土壤全磷、速效磷、堿解氮含量，降低土壤C/P和N/P。長期施用磷肥抑制土壤呼吸速率而對土壤有機碳、顆粒有機碳和礦質結合態(tài)有機碳、全氮含量及C/N無影響。此外，長期施用磷肥增加了玉米不同器官磷含量，因而降低玉米根茬、莖稈、葉片N/P，但未顯著影響玉米器官碳、氮含量。