吴传美,何 季,*,吴文珊,蔡 俊,向仰州
(1.贵州大学 农学院,贵州 贵阳 550025; 2.贵州师范学院 地理与资源学院,贵州 贵阳 550018)
刺梨(RosaroxbunghiiTratt.)是我国云贵高原特有的药食两用植物。目前,关于刺梨的研究主要集中在其品质营养[1-3]、药用价值[4-5]、病虫害防治[6]、加工工艺[7]、育种栽培、资源开发[8]等方面。刺梨是贵州省目前大力发展的12个重点特色产业之一,其产业化种植已有一定规模,但在种植方面仍以传统的单作为主,易导致土地质量的严重退化,不仅不利于土地资源的可持续利用,而且会降低刺梨的产量和品质[9]。
间作能够充分挖掘土壤、气象等农业资源的潜力。合理的间作可通过时间、空间等方面的互补,在增加土壤营养元素含量的同时,增加作物产量,改善作物品质[10-11]。研究表明:与玉米单作相比,玉米和苜蓿间作能够降低土壤全磷、全氮的损失量;与马铃薯单作相比,马铃薯与蚕豆间作能显著提升土壤全磷、全氮含量;与茶树单作相比,茶树和板栗间作可有效提升土壤pH值和有机质、氮(N)、磷(P)、钾(K)含量[12-14]。但也有研究发现:油茶间作时,土壤中的有机碳、碱解氮、有效磷含量均低于单作;棉花和萝卜、大豆、花生、辣椒等间作时,其对养分的竞争能力不同[15-16]。这说明,有些作物在进行间作时会存在养分竞争的情况。目前,关于间作在刺梨种植中的应用研究主要集中在刺梨园土壤养分[17]、土壤微生物特征和酶活性[18]、团聚体稳定性[19]等方面,而关于间作对刺梨园土壤团聚体有机碳和养分特征影响的研究还鲜见报道。生态化学计量学是一门研究生态过程中多重化学元素平衡关系的学科[20]。碳(C)、N、P是养分元素循环和转化的核心,研究土壤C、N、P的化学计量特征,对揭示土壤养分的限制情况及其循环和平衡机制具有积极意义[21-22]。不同粒级的团聚体因其物理、化学、生物学性质的差异,会导致土壤C、N、P养分库及其化学计量特征产生差异[23]。为此,本文特开展不同间作模式下刺梨园土壤团聚体生态化学计量特征及其与土壤养分关系的研究,旨在揭示间作模式下刺梨园土壤团聚体中C、N、P的生态化学计量特征及其对土壤养分的贡献率,为调节刺梨园土壤肥力状况、配置合理的种植模式等提供科学依据。
1.1 研究区概况
研究区位于贵州省黔南布依族苗族自治州龙里县(26°10′19″～26°49′33″N,106°45′18″～107°15′1″E)。该区海拔在1 280～1 500 m,年平均气温13.9 ℃,年均无霜期280 d,年均降水量1 088 mm,年均日照时数1 060～1 265 h,属于亚热带季风湿润气候。其土壤质地较黏,类型为黄壤。
本试验所在的刺梨园,其土壤容重为1.42 g·cm-3,总孔隙度46.33%,pH值5.24,有机碳含量18.20 g·kg-1,全氮含量1.79 g·kg-1,全磷含量0.42 g·kg-1,全钾含量16.34 g·kg-1,碱解氮含量101.46 mg·kg-1,有效磷含量16.16 mg·kg-1,速效钾含量153.23 mg·kg-1。
1.2 试验设计
共设置2个间作处理:M1,玉米与刺梨间作;M2,辣椒与刺梨间作。试验另设刺梨单作作为对照(CK)。每个处理均设置3个重复,共划分9个试验小区。刺梨种植的行株距统一为2 m×3 m,辣椒和玉米的行株距统一为0.4 m×0.3 m。
供试刺梨品种为贵农5号。试验期间对所有小区进行统一管理。
1.3 样品采集
于2019年10月采集样品。在每个试验小区,按“S”形布点法选取5个采样点,分层取0～20、20～40 cm深的土壤。用小铲子除去地表物质后,将5个采样点的样品混合后,用四分法取1.5 kg左右土样带回实验室。拣出碎石与根系残茬等,在阴凉处自然风干,备用。
1.4 测定方法
采用湿筛法[19]测定土壤团聚体组成。将烘干后的各粒级的土样研磨过筛,用于测定不同粒级团聚体的有机碳(OC)、全氮(TN)、全磷(TP)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)含量。其中,有机碳含量采用重铬酸钾容量-外加热法测定,全氮含量采用凯氏消煮-半微量法测定,全磷含量采用钼锑抗比色法测定,碱解氮含量采用碱解扩散法测定,有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用乙酸铵浸提-原子吸收法[24]测定。参照郑子成等[25]的方法计算各粒级团聚体对土壤养分的贡献率。
1.5 数据分析
采用SPSS 20.0软件进行数据整理和单因素方差分析(one-way ANOVA),对有显著(P<0.05)差异的,采用LSD法进行多重比较。文中出现的碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P),均系相应元素的质量比。
2.1 不同间作模式下刺梨园土壤的团聚体组成
间作对刺梨园土壤的团聚体分布有显著影响(图1)。在0～20 cm土层,各处理下的土壤团聚体均主要集中在<0.25 mm粒级,占团聚体总量的52.49%～62.38%。M1处理下,>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 mm的团聚体含量分别比CK显著高出60.42%、68.79%、22.64%、17.72%、23.40%;M2处理下,>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 mm团聚体含量分别比CK显著高出17.08%、18.90%、47.06%、9.73%。在20～40 cm土层,M1和CK处理下的土壤团聚体同样主要集中在<0.25 mm粒级,分别占团聚体总量的61.32%和71.44%;M2处理下≥0.25 mm粒级的土壤团聚体增多,占团聚体总量的46.46%。M1处理下,>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 mm的团聚体含量分别比CK显著高出99.29%、47.13%、36.20%、25.25%、17.52%;M2处理下,>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 mm的团聚体含量分别比CK显著高出46.01%、117.95%、154.88%、91.18%、22.51%。
柱上无相同字母的表示同一粒级下不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05 within treatments under the same particle size. The same as below.图1 不同间作模式下刺梨园土壤的团聚体组成Fig.1 Aggregate composition of soil in Rosa roxbunghii Tratt. orchard under different intercropping modes
2.2 不同间作模式下刺梨园土壤团聚体的生态化学计量特征
与CK相比,适宜的间作模式可显著提高刺梨园不同土层土壤各粒级团聚体的OC含量(图2)。总的来看,在同一土层同一粒级的土壤团聚体中,OC含量从高到低依次为M1>M2>CK,且土壤团聚体的粒径越大,OC含量越高。在0～20 cm土层,M1和M2处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 mm粒级团聚体的OC含量分别比CK显著高出140.7%和100.1%、125.3%和95.6%、133.6%和74.5%、90.7%和72.1%、94.2%和66.7%;在20～40 cm土层,M1处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的OC含量分别比CK显著高出62.5%、63.7%、79.8%、78.9%、79.1%、100.1%。
图2 不同处理下土壤团聚体的有机碳含量Fig.2 Organic carbon content in soil aggregates under different treatments
与OC相似,适宜的间作模式同样可较CK处理显著提高刺梨园不同土层各粒级土壤团聚体的TN含量(图3)。总的来看,在同一土层同一粒级的土壤团聚体中,TN含量从高到低依次为M2>M1>CK。在0～20 cm土层,M2处理下>5、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的TN含量分别比CK显著高出27.0%、18.0%、18.3%和20.9%;M1处理下,仅>5 mm和>0.5～1 mm粒级团聚体的TN含量显著高于CK。在20～40 cm土层,M2处理下,>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的TN含量分别比CK显著高出55.2%、74.8%、95.5%、108.9%、114.9%、133.3%;M1处理下,>5、>2～5、0.25～0.5 mm粒级团聚体的TN含量显著高于CK。
图3 不同处理下土壤团聚体的全氮含量Fig.3 Total nitrogen content in soil aggregates under different treatments
适宜的间作模式同样可较CK处理显著提高刺梨园不同土层土壤各粒级团聚体的TP含量(图4)。整体来看,随着土层加深,同一处理下相同粒径土壤团聚体中的TP含量呈下降趋势。在0～20 cm土层,M2处理下,>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的TP含量分别比CK显著高出72.3%、62.6%、66.7%、54.7%、52.5%、82.1%;M1处理下,>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm 粒级团聚体的TP含量分别比CK显著高出41.1%、43.6%、81.3%。在20～40 cm土层,M1和M2处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的TP含量分别比CK显著高出55.2%和60.0%、94.2%和90.8%、137.2%和126.2%、141.4%和119.5%、166.6%和118.3%、180.1%和100.8%。
图4 不同处理下土壤团聚体的全磷含量Fig.4 Total phosphorus content in soil aggregates under different treatments
间作对刺梨园土壤团聚体的C/N有显著影响(表1)。在0～20 cm土层,相同粒径土壤团聚体的C/N在各处理间总体表现为M1>M2>CK。M1处理下,>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的C/N分别比CK显著高出116.6%、143.2%、112.3%、73.1%、80.1%、74.0%;M2处理下,仅>5 mm和0.25～0.5 mm团聚体的C/N分别比CK显著高出58.2%和39.8%。在20～40 cm土层,M1处理下,仅<0.25 mm粒级团聚体的C/N显著高于CK;M2处理下,0.25～0.5 mm和<0.25 mm粒级团聚体的C/N显著低于CK。
表1 不同处理下土壤团聚体的碳氮比(C/N)Table 1 C/N ratio (C/N)of soil aggregates under different treatments
间作对刺梨园土壤团聚体的C/P有显著影响(表2)。在0～20 cm土层,M1处理下,>5、>1～2、>0.5～1 mm粒级团聚体的C/P分别比CK显著高出68.9%、66.1%、37.3%。在20～40 cm土层,M1和M2处理下,>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的C/P显著低于CK。
表2 不同处理下土壤团聚体的碳磷比(C/P)Table 2 C/P ratio (C/P) of soil aggregates under different treatments
间作对刺梨园土壤团聚体的N/P有显著影响(表3)。在0～20 cm土层,M1和M2处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的N/P分别比CK显著低21.7%和25.1%、28.0%和23.7%、20.7%和23.8%、20.0%和21.9%、25.5%和21.5%、40.3%和36.4%。在20～40 cm土层,M1处理下>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的N/P显著低于CK。
表3 不同处理下土壤团聚体的氮磷比(N/P)Table 3 N/P ratio (N/P) of soil aggregates under different treatments
2.3 不同间作模式下刺梨园土壤团聚体的AN、AP、AK含量
在0～20 cm土层,随着团聚体粒径的增加,AN含量总体呈上升趋势(图5)。与CK相比,2种间作模式下0～20 cm土层各粒级团聚体的AN含量均较CK显著增加,M1和M2处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的AN含量分别比CK显著高出54.5%和64.5%、39.6%和62.5%、45.9%和76.5%、72.3%和106.7%、78.3%和137.3%、110.8%和172.9%。在20～40 cm土层,仅M2处理下0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的AN含量显著高于CK。
图5 不同处理下土壤团聚体的碱解氮含量Fig.5 Alkali-hydrolyzable nitrogen content in soil aggregates under different treatments
总的来看,随土层加深,相同处理同一土层同一粒径团聚体的AP含量降低(图6)。在0～20 cm土层,随着团聚体粒径的增加,AP含量总体呈上升趋势,且相同粒径土壤团聚体的AP含量在各处理间总体表现为M2>M1>CK,M1处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、>0.25～0.5 mm粒级团聚体的AP含量分别比CK显著高出208.3%、193.1%、164.4%、127.9%、92.7%,M2处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm粒级团聚体的AP含量分别比CK显著高出302.9%、277.8%、248.5%、223.6%、217.5%、175.8%。在20～40 cm土层,仅M1和M2处理>5 mm和>2～5 mm粒级团聚体的AP含量显著高于CK。
图6 不同处理下土壤团聚体的有效磷含量Fig.6 Available phosphorus content in soil aggregates under different treatments
整体来看,随团聚体粒径增加,AK含量呈上升趋势(图7)。在0～20 cm土层,M1处理下>5 mm和>2～5 mm粒级团聚体的AK含量显著高于CK,M2处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 mm粒级团聚体的AK含量显著高于CK。在20～40 cm土层,M1和M2处理下>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 mm粒级团聚体的AK含量均显著高于CK。
图7 不同处理下土壤团聚体的速效钾含量Fig.7 Available potassium content in soil aggregates under different treatments
2.4 不同间作模式下刺梨园土壤各粒级团聚体对土壤养分的贡献率
在0～20 cm土层,M1和M2处理大团聚体(粒径>0.25 mm)OC对土壤总有机碳的贡献率分别为54.7%和56.8%(图8),而CK处理大团聚体OC对土壤总有机碳的贡献率为31.1%,与M1和M2相比,分别下降了23.6和25.7百分点。在20～40 cm土层,大团聚体OC对土壤总有机碳的贡献率从高到低依次为M2(46.0%)>M1(41.2%)>CK(31.6%),与CK相比,M2和M1处理分别增加了14.4和9.6百分点。
图8 不同处理下土壤团聚体对土壤养分的贡献率Fig.8 Contribution rate of nutrients in aggregates to soil under different treatments
在0～20 cm土层,M1和M2处理大团聚体TN对土壤TN的贡献率分别为48.7%和48.1%,而CK处理大团聚体TN对土壤总氮的贡献率为38.7%,与M1和M2相比分别降低了10.0和9.4百分点。在20～40 cm土层,大团聚体TN对土壤TN的贡献率从高到低依次为M2(58.2%)>M1(44.8%)>CK(30.6%),与CK相比,M2和M1处理分别增加了27.6和14.2百分点。
在0～20 cm土层,M1和M2处理大团聚体TP对土壤TP的贡献率分别为50.8%和51.8%,CK处理大团聚体TP对土壤TP的贡献率为46.4%,与M1和M2相比分别降低了4.4和5.4百分点。在20～40 cm土层,大团聚体TP对土壤TP的贡献率从高到低依次为M2(60.0%)>M1(46.3%)>CK(30.6%),与CK相比,M2和M1处理分别增加了29.4和15.7百分点。
在0～20 cm土层,M1、M2、CK处理大团聚体AN对土壤AN的贡献率分别为57.6%、52.7%和52.8%。在20～40 cm土层,M1、M2、CK处理大团聚体AN对土壤AN的贡献率分别为51.9%、62.3%和37.9%,与CK相比,M1和M2处理分别增加了14.0和24.4百分点。
在0～20 cm土层,M1和M2处理大团聚体AP对土壤AP的贡献率分别为59.4%和54.2%,CK处理大团聚体AP对土壤AP的贡献率为38.9%,与M1和M2相比分别降低了10.5和15.3百分点。在20～40 cm土层,M1、M2、CK处理大团聚体AP对土壤AP的贡献率分别为52.4%、66.3%、30.8%,与CK相比,M1和M2处理分别增加了21.6和35.5百分点。
在0～20 cm土层,大团聚体AK对土壤AK的贡献率从高到低依次为M1(55.0%)>M2(47.9%)>CK(38.6%),与M1和M2相比,CK处理分别降低了16.4和9.3百分点。在20～40 cm土层,大团聚体AK对土壤AK的贡献率从高到低依次为M2(58.9%)>M1(43.5%)>CK(27.2%),与CK相比,M2和M1处理分别增加了31.7和16.3百分点。
3.1 间作对刺梨园土壤团聚体生态化学计量特征和速效养分的影响
团聚体是土壤结构的基本单元,也是养分存储的主要载体[26]。团聚体大小不同,其对土壤养分元素的保持和供应能力也不同[27]。本研究中,刺梨园土壤团聚体大多以粒径<0.25 mm的微团聚体为主,但间作后土壤微团聚体数量降低。分析其原因可能是,间作模式下,植物根系与微生物生物量等增多,大量的有机物输入土壤,使得土壤中的胶结物质增加,因而形成了更多的粒径≥0.25 mm的大团聚体[28]。
有研究表明,油茶和花生间作下,土壤的全磷、全氮、全钾含量均高于油茶单作,但与花生单作之间没有显著差异[29]。也有研究表明,茶园间作会降低茶树对养分的利用能力[30]。由此可见,间作对土壤碳、氮、磷的影响具有不确定性,主要取决于间作农作物的种类及其特性。本研究中,适宜的间作模式能增加刺梨园土壤团聚体的碳、氮、磷含量,其中,间作玉米对增加刺梨园土壤有机碳的作用更明显,而间作辣椒对增加刺梨园土壤全氮的作用更明显。产生这一区别的原因可能是,玉米秸秆和根系主要以难溶性有机物为主,分解较慢,而辣椒的C/N相对较低,其凋落物残体和根系等有机体进入土壤后更易经分解、矿化释放氮等养分[31-32]。
整体而言,间作下0～20 cm土层各粒级团聚体的速效养分含量均明显提高,这与代会会等[11]、王慧敏等[30]、刘鹏飞等[33]的研究结果基本一致;而在20～40 cm土层,>2 mm粒级团聚体的有效磷含量显著提升,≥0.25 mm粒级团聚体的速效钾含量显著提升。这说明,间作对表层土壤和大团聚体速效养分含量的促进作用更明显。间作辣椒处理的团聚体中碱解氮、有效磷含量高于玉米间作,这可能与辣椒根际土壤微生物活性更强有关[34],但具体原因还有待进一步分析验证。本研究中,随着粒径的增加,团聚体中速效养分的含量整体呈增加趋势,推测与大粒径团聚体中养分矿化速率较快有关[35]。
土壤C/N与有机质分解速率、团聚体稳定程度密切相关,一般来说,C/N越低,有机质的矿化速率越高[36-37],C/N越高,土壤团聚体越稳定[38]。本研究中,0～20 cm土层的C/N总体表现为M1>M2>CK,说明间作模式下,尤其是玉米间作下,土壤团聚体的稳定性较好,碳源丰富,但有机质分解和矿化速度相对较慢,有机质表现出积累特征。在20～40 cm土层,M2处理部分粒径团聚体的C/N低于CK,这可能是因为辣椒根系分布较浅,深层土壤有机质积累相对较少,且矿化速度较高。本研究还发现,各处理不同粒径团聚体的土壤C/N差异较大,这可能与碳、氮元素在不同粒级上的分布,以及各粒级团聚体有机碳矿化速率的差异有关,具体原因还有待进一步分析。
土壤C/P是反映磷素矿化能力的指标之一,可用于衡量土壤释放和吸收固持磷的潜力。本研究中,刺梨园0～20 cm土层大团聚体的C/P表现为M1>M2>CK,说明间作模式下表层土壤有机质的积累量大于磷的积累量,而刺梨单作模式下土壤磷表现出较高的矿化率和释放潜力。在20～40 cm土层,≤1 mm粒级团聚体的C/P表现为刺梨单作显著高于间作,说明刺梨单作下深层土壤中的微生物在分解有机质时磷素释放受限,磷的有效性降低。
土壤N/P不但可以反映氮、磷对植物生长的限制情况[39-41],还会直接影响植物的养分利用效率[42-43]。较低的N/P反映植物生长受氮限制,较高的N/P反映植物生长受磷限制[36]。本研究中,0～20 cm土层各粒级团聚体的N/P均表现为刺梨单作显著优于间作。这在一方面说明,长期的单作加速了土壤中磷素的消耗,可能会引起土壤磷素对刺梨生长的制约;但也在另一方面提示,间作可能会增强土壤氮素的限制作用。
3.2 间作对刺梨园土壤团聚体养分贡献率的影响
土壤养分主要由土壤各粒级团聚体的养分供应,研究各粒级团聚体对土壤养分的贡献率,能更全面客观地反映间作不同农作物对土壤养分的改善作用与效果[44]。不同土地利用方式对土壤团聚体养分含量分布和转化特征的影响不同[25]。不同粒级团聚体对土壤养分的保持和供应能力也不同[45]。本研究中,在0～20 cm土层,间作模式下刺梨园土壤的大团聚体OC、TP、AP对土壤相应养分的贡献率高于微团聚体(粒径<0.25 mm),但单作模式下则表现为微团聚体的贡献率高于大团聚体;间作和单作模式下,团聚体TN对土壤TN的贡献率均表现为微团聚体大于大团聚体,而团聚体AN对土壤AN的贡献率均表现为微团聚体小于大团聚体;玉米间作模式下大团聚体AK对土壤AK的贡献率大于微团聚体,而辣椒间作和刺梨单作模式下则表现为微团聚体的贡献率大于大团聚体。总体来看,间作下大团聚体对土壤养分的贡献率大于单作,说明间作有利于大团聚体的形成,有利于提升大团聚体对土壤养分的贡献率。
大团聚体是土壤团粒结构中较好的结构体。间作模式下刺梨园土壤团聚体对土壤养分50%以上的贡献主要集中在≥0.25 mm粒径的团聚体上,说明间作模式下大团聚体是养分供给的主要来源[46]。单作模式下,土壤团聚体对土壤养分的贡献主要集中在<0.25 mm粒级。这可能是因为,团聚体的养分贡献率除了受各粒级团聚体养分含量的影响外,还受到土壤中各粒级团聚体组成的影响[25,45-46]。
(1)间作可有效提高刺梨园表层土壤营养状况和大团聚体中的养分含量,间作玉米对刺梨园土壤各粒级团聚体有机碳的提升效果优于间作辣椒,间作辣椒对刺梨园土壤各粒级团聚体全氮和速效养分的提升效果优于间作玉米。
(2)间作模式下尤其是玉米间作土壤团聚体稳定性较好,有机质表现出积累特征,且有机质的积累量大于磷的积累量;长期刺梨单作可能引起土壤磷素对刺梨生长的制约,长期间作会增强土壤氮素的限制作用。
(3)间作模式下刺梨园土壤大团聚体对土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾的贡献率分别为41.2%～56.8%、44.8%～58.2%、46.3%～60.0%、51.9%～62.3%、52.4%～66.3%和43.5%～58.9%,刺梨单作的贡献率分别为31.1%～31.6%、30.6%～38.7%、30.6%～46.4%、37.9%～52.8%、30.8%～38.9%和27.2%～38.6%。刺梨园间作有利于增加大团聚体含量及其对土壤养分的贡献率,从而提升刺梨园土壤的养分供给能力。
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