设施菜田土壤碳氮磷生态化学计量学特征_张大庚.pdf

张大庚，栗杰，董越，等 设施菜田土壤碳氮磷生态化学计量学特征 J 江苏农业科学，2023，51(4):232 238doi:10 15889/j issn1002 1302 2023 04034设施菜田土壤碳氮磷生态化学计量学特征设施菜田土壤碳氮磷生态化学计量学特征张大庚，栗杰，董越，肖柄政，黄怡婷，杨思雨(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 100866)摘要:为探明在设施栽培条件下菜田土壤碳氮磷的生态化学计量学特征及其影响的主导因子，在调查辽宁省设施菜田栽培现状的基础上，以辽宁省东部、中部和西部共 12 个设施蔬菜产区 165 个蔬菜大棚表层土壤为研究对象，测定分析了土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量及生态化学计量学比。结果表明，辽宁省设施土壤 SOC、TN、TP含量平均值分别达到(26 56 7 97)、(2 67 0 79)、(3 32 0 69)g/kg，养分含量均处于相对丰富水平。辽宁省设施菜田土壤 C/N、C/P、N/P 频率分布相对集中，平均值分别为 9 92 0 85、8 74 4 21、0 90 0 51，均低于我国农田土壤的平均水平。随着种植年限的增加，设施菜田土壤 C/N 变化幅度较小，N/P 和 C/P 则略有降低。设施栽培条件下，菜田土壤 C、N、P 生态化学计量比频率分布较集中，存在一定的耦合关系，土壤 C、N、P 生态化学计量学特征受土壤中有机碳的矿化和磷素积累的影响相对较大。关键词:设施菜田土壤;碳;氮;磷;生态化学计量学中图分类号:S158 2文献标志码:A文章编号:1002 1302(2023)04 0232 07收稿日期:2022 05 10基金项目:国家重点研发计划(编号:2016YFD0201004)。作者简介:张大庚(1975)，女，辽宁凌海人，博士，副教授，主要从事土壤肥力和农业环境与生态方面的研究。E mail:zhangdagengsyau edu cn。生态化学计量学是研究生物系统的能量和碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素平衡及其耦合关系的科学1。C、N、P 作为土壤的基本化学组成元素，其计量比直接影响了土壤中 C、N、P 循环对全球生态系统化学 变 化 的 响 应2。不 同 类 型 土 壤 有 机 碳(SOC)、全氮(TN)及全磷(TP)的生态化学计量特征存在一定的差异，重庆市紫色土土壤 C N P 约为 17 2 13，吉林地区黑土土壤 C N P 约为36 3 6 14，中国 2 384 个 0 25 cm 土壤剖面C N P 均值为 60 5 15。近年来，有关林地、湿地、草地、耕地等土壤碳氮磷生态计量学的研究不断增加，从新的视角探讨了土壤养分循环、土壤微生物、有机质矿化等相关方面的内容6 9。但涉及养分高投入设施菜田土壤 C、N、P 生态计量比的研究相对较少。与自然生态系统不同，设施栽培过程中盲目和过量施肥现象普遍，再加上相对封闭的特殊环境，导致设施栽培土壤出现次生盐渍化、土壤板结、养分失调、微生物区系失调等诸多退化问题10，使其具有特殊的生物化学过程，设施菜田土壤的 C、N、P 化学计量特征呈现一定的多变性和复杂性。因此，有必要充分了解设施菜田土壤 C、N 和P 生态化学计量特征及其与不同因子之间的相互作用，对阐明设施菜田系统养分循环机制和预测土壤质量演变趋势具有重要的意义。设施蔬菜是辽宁省农业支柱产业之一，全省蔬菜生产设施面积超过 26 67 万 hm2，种植番茄、茄子、黄瓜、辣椒为主11，产量和产值均占全国的15%以上。因此，本试验以辽宁省设施菜田土壤为研究对象，选取种植面积相对较大的大连市瓦房店市、鞍山市海城市和台安县、朝阳市北票市、凌源市和喀喇沁左翼蒙古族自治县、葫芦岛市南票区和绥中县、锦州市凌海市、铁岭市铁岭县、沈阳市辽中区和新民市等 12 个设施蔬菜种植区，采集 165 个塑料大棚 0 20 cm 表层土壤。在室内分析土壤有机碳含量、全氮含量、全磷含量和土壤其他理化性质的基础上，阐明辽宁省不同地区设施蔬菜土壤的 C、N、P 化学计量特征，揭示影响设施菜田土壤 C、N、P生态化学计量比的主体因素，以期为设施菜田土壤养分的均衡增效、平衡施肥提供基础数据和科学依据。1材料与方法1 1研究区域概况研究区为辽宁省主要设施蔬菜产区，共采集 12个地区 165 个塑料大棚，包括辽宁省东部地区大连232江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期市 14 个和鞍山市 41 个、西部地区朝阳市 17 个、葫芦岛市 14 个和锦州市 28 个以及中部地区铁岭市20 个和沈阳市 31 个。2018 年 10 月调查了各产区设施蔬菜种植年限、施肥方式、肥料类型、施肥数量、作物种类等基本信息。调查区设施蔬菜的栽培年限为 2 38 年，其中海城和凌海两地设施蔬菜栽培历史较长，建棚时间最长均超过了 30 年。不同建造年限的设施大棚现均为钢骨架结构，一些建造较早的大棚基本都进行了改建。施肥类型主要是有机肥和化肥，包括少量生物肥料。设施蔬菜种植施入的化肥以氮磷钾复合肥为主，随水施入，施入量为 750 1 050 kg/hm2，有些农户会配施一定量的磷酸二铵。有机肥在种植作物前作为底肥施入，施入量为 300 375 m3/hm2，有机肥包括牛粪、羊粪、猪粪等不同种类。大多数大棚采用滴灌的方式，并覆有地膜，2015 年后新建的大棚一般有自动放风设备。种植的蔬菜以番茄、黄瓜、茄子、辣椒为主。1 2土壤样品的采集在每个设施蔬菜产区选择建设规模相近，种植蔬菜种类具有代表性的大棚采集土样。为减少采用误差，在每个设施蔬菜棚内采用“S”形随机五点采样法，在 2 棵作物之间采集 5 个表层土壤(0 20 cm)，混合均匀后取约1 kg 装入自封袋中，共165个土样。采集的土样经风干后，剔除石块、植物根茎等杂物，过 20 目筛备用。1 3测定项目与方法土壤有机碳(SOC)含量测定采用 K2Cr2O7H2SO4消煮法;全氮(TN)含量测定采用硫酸消煮凯氏定氮法;全磷(TP)含量测定采用硫酸 高氯酸消煮 钼锑抗比色法;全钾(TK)含量的测定采用NaOH 熔融 火焰光度计法;碱解氮(AN)含量测定采用碱解扩散法;有效磷(AP)含量测定采用 Olson法;速效钾(AK)含量测定采用醋酸铵浸提 火焰光度法;酸碱度(pH 值)测定采用电位法(水土比2.5 1);土壤电导率(EC)测定采用电导率仪法。1 4数据处理采用 SPSS 软件进行数据统计和比较分析，用单因方差分析(one way ANVOA)进行差异显著性分析。土壤碳、氮、磷等因子与全量养分的 C/N、C/P、N/P 数据作图采用 Excel 和 Origin 进行。2结果与分析2 1设施菜田土壤有机碳、全氮和全磷含量由图 1 可知，受各地区初始土壤类型、施肥量、施肥方式及作物类型差异的影响，辽宁省各地区设施菜田土壤 SOC、TN 和 TP 含量分布均存在一定的差异，变异系数均较大。除了朝阳地区 TP 的变异系数为 9 71%，其他地区各指标均高于 20%，最高达 50 91%。土壤平均 SOC 含量最高的是大连瓦房店地区，为(35 22 11 26)g/kg(图 1 a)。但差异较大的是朝阳和鞍山地区，变异系数均高于40%，其中朝阳地区变异系数达到了 47 93%，SOC含量极差达到了 54 03 g/kg。变异系数最小的是锦州地区，也达到了 27 69%。土壤 TN 与 SOC 的分布规律相似，大连瓦房店地区 TN 含量最高，平均值为(3 61 1 05)g/kg(图1 b)。朝阳和鞍山两地变异系数较大，分别为 46 26%和 45 33%。沈阳地区的 TN 含量平均值最低，仅为(1 52 0 57)g/kg。设施菜田土壤 TP 含量的分布与 SOC 含量和 TN 含量有一定的差异(图 1 c)。其中，鞍山地区土壤TP 含量相对较高，平均值为(4 90 0 79)g/kg，中位值在各地区也是最高的，变异系数达 33 80%。土壤 TP 含量最特别的是朝阳地区，TP 含量的变异系数仅为 9 71%，极差仅为 0 63 g/kg，平均值最低，仅为(1 83 0 18)g/kg。332江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期从辽宁省整体来看，设施菜田土壤 SOC 含量的变化幅度较大，为 5 21 68 40 g/kg。从正态分布图(图2 a)来看属于偏态分布，其中偏度为1 056，分布在右侧的数据相对较多(表 1)。峰度值为0.922，相对较小，数据分布较平缓，SOC 主要分布在10 35 g/kg 范围内。土壤 TN 含量的分布与 SOC相似，也属于偏态分布，偏度和峰度值均大于 0(表2)，主要集中分布在 1 4 g/kg 范围内(图 2 b)。与土壤 SOC 含量和 TN 含量相比，TP 含量分布的偏度和峰值最小，均大于0，但小于 1，在 0 5 7 5 g/kg范围内接近于正态分布(图 2 c)。表 1设施菜田土壤 SOC 含量、TN 含量、TP 含量及 C、N、P 比值的变异系数采样点变异系数(%)SOC 含量TN 含量TP 含量C/NC/PN/P鞍山442545 33338049528602958铁岭350135 60473474621462093大连313929 22249263642984301朝阳479346 2697135347134560锦州276931 60308191127862990葫芦岛344733 59215343340533953沈阳375837 165091134922972314表 2设施菜田土壤 C、N、P 及其比值正态分布统计特征变量SOC 含量TN 含量TP 含量C/NC/PN/P偏度1 0561 0940782128820572896峰度0 9220 98907884736501510915变异系数(%)5004492450 90857481756672 2辽宁省各地区设施蔬菜土壤 C、N、P 的比值从总体来看，辽宁省设施菜田土壤的 C/N、C/P和 N/P 平均值分别为 9 92 0 85、8 74 4 21 和0 90 0 51。由图 3 可知，辽宁省各地区设施菜田土壤 C/N 分布存在一定的差异，但差异相对较小，大部分分布在 10 00 左右。其中朝阳地区 C/N 差异最小，变异系数仅为 3 53%，差值为 1 1。沈阳地区变异系数为 13 49%，差值最大，为 4 72。其他地区的 C/N 的变异系数则均低于 10 00%。从各地区平均值来看，葫芦岛地区最高，平均值为 10 46 0.43，沈阳地区最低，平均值为 9 30 1 26。与 C/N 相比，设施菜田土壤 C/P 和 N/P 变化范围较大，各地区的变异系数均在 20 00%以上，最高接近50 00%。其中朝阳地区 C/P 和 N/P 相对较高，平均为 18 89 4 90 和 1 92 0 87，变异系数分别是 45 60%和 47 13%，变化幅度较大。变异系数最小的是铁岭地区，C/P 为 21 46%，N/P 为20.93%。但 C/P 和 N/P 平均值最小的是鞍山地区，分别为 6 56 1 20 和 0 65 0 12。从正态分布图来看，C/N、C/P 和 N/P 这 3 个参数分布相对集中(图 4)。由表 2 可知，C/N 分布的偏度值为负值，分布偏左，但偏移程度相对较小，峰432江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期度值为 4 736，分布相对较陡峭，主要集中在 9 0 10 0 之间。C/P 和 N/P 分布的偏度值则均大于 2，因此均属于偏度分布，且偏右。峰度值均相对较高，分布陡峭，特别是 N/P 的峰度值达到了 10 915，分布主要集中在 0 48 1 10 之间。2 3设施菜田土壤生态化学计量比随种植年限的变化为减少土壤类型对生态化学计量比的影响，以铁岭市铁岭县不同种植年限设施菜田土壤为研究对象(该地原始土壤类型为发育于黄土性母质的棕壤，性质差异相对较小)，进一步分析了土壤