黄土高原不同种植年限苜蓿草地土壤与植物化学计量特征

赵如梦，张炳学，王晓霞，韩凤朋,

（1. 西北农林科技大学资源环境学院 / 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

黄土高原地区水土流失及土地沙化问题日益突出，生态环境极其脆弱。紫花苜蓿(Medicago sativa)作为植被的主要物种之一，由于其耐干旱、耐冷热、产量高及能够改良土壤已被认为是植被恢复的优良先锋植物[1-2]。自退耕还林(草)工程实施以来，紫花苜蓿在不同时期均有大面积种植。近年来，由于生态化学计量学不仅可以表征土壤对植物生长的养分供应状况，也可作为评价植物健康与否的重要指标[3-4]，因此受到了越来越多专家学者的关注。人们利用生态化学计量学对植物的研究主要集中在树木上，而对紫花苜蓿这种优质多年生豆科牧草的研究相对较少[5]，已有的研究主要集中在不同施肥措施及10年以内时间序列生态化学计量特征研究。例如，李新乐[6]连续6年研究灌水和施磷肥下土壤C、N、P和紫花苜蓿C、N、P生态化学计量变化特征，发现随着磷肥用量的增加，土壤和苜蓿植株的N∶P、C∶P均下降，土壤C∶N则升高，但施磷肥对苜蓿C∶N没有影响；Wang等[7]在黄土高原地区研究发现，苜蓿绿叶和枯叶中的N、P含量随苜蓿年龄增加呈先增加后降低的趋势，N∶P随苜蓿年龄增加呈先降低后增加的趋势；杨菁等[8]测定并分析了不同种植年限(种植1、3、4、5及8年)苜蓿叶片，茎秆及0-20 cm土壤中C、N、P含量及其化学计量比，其研究结果表明，苜蓿叶片N∶P及C∶P与叶片P含量显著负相关(P＜ 0.05)，与叶片N含量无显著相关性 (P＞ 0.05)，土壤P与茎的 C、N、P及化学计量比均有一定相关性。

为了更好地研究不同种植年限下土壤-植物生态化学计量特征，本研究在前人研究的基础上，以黄土高原地区多年生栽培苜蓿草地(1、10、20、30年)为研究对象，分析土壤-植物C、N、P含量，明确不同年限苜蓿草地土壤-植物叶片生态化学计量特征，为黄土高原紫花苜蓿种植及可持续利用管理机制提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于神木县神木侵蚀与环境试验站，属于沙漠丘陵地区，地理位置为 38°47′ N、110°21′ E，平均海拔为1209.95 m， 样地坡度为 20°～ 23°。该区属于温带大陆性气候，寒暑剧烈，气候干燥，四季长短不等，年降水量为436.7 mm，年均无霜期为168 d，年平均温度为8.5 ℃。土壤类型以黄绵土和风沙土为主，间有淡栗钙土和黑垆土并存。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择

研究样地的选择主要通过查阅苜蓿相关文献资料以及走访相关部门和当地农户，确定不同生长年限的栽培苜蓿草地，综合考虑海拔、坡度以及基本土壤状况相对接近的立地条件，从中遴选出合适的样地，以保证样地间具有良好的可比性。选择4个不同生长年限(1、10、20、30年)的紫花苜蓿‘中苜一号’于2015年7月进行试验，样地大小为 2 m × 6 m，间隔 10 m，每个年限重复 3 次，所选地块均未施肥，其中生长1和10年苜蓿草地为相邻地块。试验样地基本概况如表1所列。

表1 试验样地基本概况Table 1 Basic properties of test plots

1.2.2 土壤与植物样品的采集和测定

在每个样地中随机选取 3 个 1 m × 1 m 样方，采用五点混合法，随机选取5个采样点，利用直径7 cm的土钻采集0-200 cm土样。其中0-100 cm以10 cm 为一层，100-200 cm 以 20 cm 为一层，进行分层采样。土壤样品自然风干，剔除植物根系等杂物，采用四分法取适量土壤样品，分别过0.25、1 mm筛，用于养分含量的测定。同时，植物取样点与土壤取样点一一对应，每个样地分别设置东西南北中5个位置共选取8～10株生长良好的苜蓿，采集每株植物健康部位的成熟叶片，然后将所采下的叶片混匀后装入牛皮纸袋，带回实验室在65 ℃下烘干、粉碎后进行叶片C、N、P含量的测定。

土壤和植物有机C含量采用H2SO4-KCr2O7氧化-外加热法测定；土壤和植物全N含量采用半微量凯氏定氮法测定；土壤全P含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；植物全P含量采用H2SO4-H2O2溶液消解，钒钼黄比色法测定[9]。

1.3 数据处理

本研究中土壤与植物C、N、P比均采用元素质量比，所有试验数据利用Origin 8.0进行作图，用 SPSS 22.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)中单因素方差分析(one-way ANOVA)以及最小显著性检验法(LSD)，检验了不同年限间土壤和植物C、N、P含量及其化学计量比之间的差异，并对各个指标之间采用Pearson相关系数法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限苜蓿草地土壤 C、N、P 化学计量特征

研究区不同种植年限苜蓿草地土壤有机C含量变化范围为 0.73～4.95 g·kg-1，种植 10 年时最高，30年时最低，种植10与30年之间存在显著性差异(P＜ 0.05)，但种植1与20年间差异不显著 (P＞ 0.05)。全N含量变化由高到低依次为10年 ＞ 1年≈20年 ＞30年，种植1与20年之间无显著性差异(P＞ 0.05)，10与30年之间存在显著性差异(P＜ 0.05)。全P含量变化范围为0.42～0.59 g·kg-1，种植10年时最高，种植20年时最低，种植10年与种植20、30年间均存在显著差异 (P＜ 0.05)(表2)。

从整体来看，土壤C∶N在不同种植年限之间的差异较大，其中种植10年最大，种植20年最小，种植10年和种植20年之间差异显著(P＜ 0.05)。土壤C∶P与N∶P在不同种植年限之间的差异较小。LSD分析表明，种植1、10、20及30年间差异不显著(P＞ 0.05)，C∶P在种植10年时达到最大值，N∶P在种植10与20年接近一致。

2.2 不同种植年限苜蓿草地 0-200 cm 土壤 C、N、P剖面分布

不同种植年限苜蓿草地土壤剖面有机C含量、全N含量主要集中在0-30 cm，较其他各土层明显偏高，且随着种植年限的增加呈波动式降低趋势(图1)，在0-30 cm表层，土壤含C量依次表现为种植 10年 ＞1年≈20年 ＞ 30年。不同种植年限土壤全N含量变化与土壤有机C含量变化趋势相同。而随着土层深度的增加，不同年限间土壤全P含量波动范围较小。

表2 不同种植年限苜蓿草地土壤C、N、P化学计量特征Table 2 Stoichiometric characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in different years

不同种植年限土壤C∶N随土层深度的增加在一定范围内波动(图1)，波动范围为5.21～11.06。方差分析表明，同一种植年限0-10、10-20、20-30 cm 与其他各土层均存在显著差异 (P＜ 0.05)，30-200 cm 土层间无明显差异 (P＞ 0.05)。C∶P、N∶P与土壤有机C、全N变化趋势相似，随土层深度的增加逐渐减少，在0-30 cm土层，土壤C∶P表现为种植 10年 ＞ 1年≈20年 ＞ 30年；土壤 N∶P表现为种植 10 年 ＞ 20 年≈30 年 ＞ 1 年。

2.3 不同种植年限苜蓿叶片 C、N、P 化学计量学特征

不同种植年限之间苜蓿叶片C含量具有显著差异 (P＜ 0.05)(表3)，种植 1年的苜蓿 C 含量最低，种植10年最高。叶片N含量由高到低依次为10年 ＞30 年 ＞ 20 年 ＞ 1 年 ，20 与 30 年 之间无 显著差 异(P＞ 0.05)，但与1、10 年之间差异显著(P＜ 0.05)。叶片P 含量范围为 1.54～2.08 g·kg-1，种植 10 年时最高，种植1年时最低，10与1年和20年间存在显著差异(P＜0.05)，10 与 30 年间无明显差异 (P＞ 0.05)。

不同种植年限苜蓿叶片化学计量特征不同，C∶N随种植年限的增加表现为先降低后增加的趋势；叶片 C∶P 表现为 1 年 ＞ 20 年 ＞ 10 年 ＞ 30 年；而叶片N∶P的变化范围为17.61～21.13，表现为20 年 ＞ 1 年 ＞ 10 年 ＞ 30 年。

图1 不同种植年限苜蓿草地0-200 cm土壤C、N、P及C∶N、C∶P、N∶P剖面分布Figure 1 Distribution of soil C, N, and P and C∶N, C∶P, and N∶P in alfalfa grasslands in different years

表3 不同种植年限苜蓿叶片C、N、P化学计量特征Table 3 Stoichiometric characteristics of leaf carbon, nitrogen, and phosphorus in different years

2.4 土壤与植物叶片 C、N、P 含量相关性分析

土壤C与土壤N、土壤C∶N、土壤C∶P、土壤N∶P 极显著正相关 (P＜ 0.01)(表4)；土壤 N 与土壤C∶P、土壤 N∶P极显著正相关 (P＜ 0.01)；土壤C∶N与土壤 C∶P极显著正相关 (P＜ 0.01)；土壤C∶P与土壤 N∶P极显著正相关 (P＜ 0.01)；叶片C 与叶片 N、P 极显著正相关 (P＜ 0.01)；与叶片C∶N、C∶P极显著负相关 (P＜ 0.01)；叶片 N与叶片 P极显著正相关 (P＜ 0.01)，与叶片 C∶N 极显著负相关 (P＜ 0.01)；叶片 P与叶片 C∶N、C∶P极显著负相关 (P＜ 0.01)；叶片 C∶N与叶片 C∶P显著正相关(P＜ 0.05)；土壤C、N、P含量与植物叶片 C、N、P含量无明显相关性 (P＞ 0.05)。

3 讨论

3.1 不同种植年限对土壤 C、N、P 化学计量特征的影响

研究表明，随生长年限的增加，土壤中C含量呈先增加后减少变化趋势，种植10年时最高，表明种植苜蓿对土壤C的累积作用有时间阈值，超过一定的时间，将不再累积。土壤全N含量与土壤有机C含量变化趋势相同，由高到低依次为10年＞ 1年≈20年 ＞ 30年。研究表明，紫花苜蓿对土壤有机质及全N含量的影响受种植年限长短的作用较大，紫花苜蓿种植年限越长，对土壤有机质及全N含量的提高越明显，但这种正效应只有达到一定的种植年限后才明显[10-12]。这是由于苜蓿生长初期固氮能力低，其生长发育需要消耗大量的土壤养分，随着苜蓿生长年限的延长和生长发育的进行，苜蓿根部形成大量的根瘤菌，固氮功能增强，能将空气中的氮素固定到土壤中，同时根系产生一些有机分泌物和部分腐烂根系，可增加土壤中的有机养分[13]，但苜蓿生长年限不宜过长，因为生长年限过长，紫花苜蓿生长缓慢，覆盖度降低，进入土壤的凋落物减少，将不利于土壤养分的积累[14-15]。另外土壤有机C和全N含量随土层深度的增加而降低，在0-30 cm表层土壤中有机C和全N含量均高于下层土壤，具有明显的“表聚现象”，这与前人的研究结果一致[16-20]。随着紫花苜蓿的不断生长，表层土壤有机C和全N不仅受地表土壤通气性、结构性、枯枝落叶、动物残体及粪便等的影响[21-22]，还受生长年限的影响，由于生长年限过长，紫花苜蓿对土壤的归还量仅能维持较浅土层，到30-40 cm乃至更深土层时已无多余有机物质积累，加上紫花苜蓿生长需要，还需消耗一部分有机物质，使得有机物质分解较快，因此土壤养分在表层大量积累[15]。

由于P是一种沉积性矿物，在土壤中的迁移率较低，因此全P在整个空间中分布较为均匀[15,23]，本研究结果符合这一规律，土壤全P随土层深度的增加无明显变化，空间变异性低于有机C和全N，但不同年限间土壤全P存在差异。分析原因有如下两方面：1)由于N和P存在相互协同作用，苜蓿生长至10年之后N的不断下降导致了P含量缺乏。2)苜蓿根瘤菌不断将土壤有机P和无机P转化为有效P供给苜蓿生长，造成了P亏缺[24]。另外苜蓿作为一种大量需P的作物[25]，随着种植年限的增加，土壤全P含量呈先升后降的趋势[26-27]，也有研究表明连续种植苜蓿年份越长，土壤全P含量越低[28]，而陈志怡和李金月[29]对不同生长年限对紫花苜蓿产量及土壤养分的影响的研究表明，各生长年限紫花苜蓿草地土壤全P和有效P含量差异并不显著(P＞ 0.05)，这种差异可能与试验处理、土壤类型、采样时间和采样部位有关[30]。

表4 土壤与植物叶片 C、N、P 含量的相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil and plant leaves for C, N, P contents

土壤C∶N反映了C、N之间的平衡关系，是土壤有机质组成和质量程度的一个重要指标[31]。C∶N在5.6～11.3时，促进有机N的矿化，能显著增加微生物体C，当这一数值显著低于11.3时，土壤有机质处于加速分解状态，土壤有机N处于矿化水平[32-33]。本研究发现，不同年限C∶N均低于11.3，表明本研究区土壤有机质的矿化分解加速，这与姜红梅[34]对半干旱黄土高原苜蓿草地土壤C∶N的研究结果相似。但杨菁等[8]丰富对不同种植年限栽培苜蓿草地土壤化学计量特征的研究结果表明，土壤C∶N均高于11.3，这是由于不同区域的气候及土壤条件差异造成的。而同一年限土壤C∶N随土层深度的增加没有明显的变化，主要是因为土壤C和N的垂直分布具有一致性。Tian等[35]在对全国土壤C∶N∶P的研究中指出，虽然C、N含量具有明显的空间变异性，但C∶N相对稳定，本研究结果验证了这一规律，反映了C、N作为结构性成分，二者的积累和损耗过程紧密相关，且比值稳定[36]。

土壤C∶P是衡量微生物矿化土壤有机物质释放P或从环境中吸收固持P潜力的一个重要指标[37-38]。低C∶P有利于促进土壤中有效P的增加；而C∶P较高则会导致微生物在分解有机质的过程中受到P限制，使得与植物存在对土壤无机P的竞争，不利于植物的生长[39]。当C∶P ＜ 200时将会出现土壤微生物碳的短暂增加和有机磷的净矿化，当C∶P ＞200时微生物碳大幅增加，微生物竞争土壤中的速效磷，出现有机磷的净固持现象[40]。本研究区土壤C∶P整体上均小于200，这表明该区土壤P的净矿化率较高，微生物分解有机质过程中受P限制的可能性较小，土壤P表现出较高的有效性。而不同年限苜蓿草地土壤C∶P表现为10年(3.66) ＞ 20年 (3.16) ＞ 1 年 (3.08) ＞ 30 年 (2.39)。这表明，随着苜蓿生长后期土壤微生物将加大土壤有效P的供应。另外本研究中土壤N∶P均值大小依次为10年≈20 年＞ 1 年 ＞ 30 年，由于苜蓿作为豆科植物之一能够进行生物固氮作用，随着生长年限的增加，在一定生长时期内，土壤中N含量增加，而土壤P的来源较单一，且在土壤中分布较均匀，因此10年生苜蓿草地土壤N∶P最大。

3.2 不同种植年限对植物叶片 C、N、P 化学计量特征的影响

植物叶片元素特征与自身结构特点和生长节律有密切关系，随种植年限的增加，苜蓿叶片C、N、P含量在不同生长年限间的差异较大，均在10年达到最大值。这可能是由于苜蓿生长初期，生长速度极迅速，叶片生物量迅速增加，光合作用较强，使得糖类在叶片中得到了有效的积累[41]。但10年之后苜蓿生长逐渐进入衰败期，叶片生物量不断减少，因此呈现该趋势。苜蓿生长环境的差异可能导致不同的研究有不同的发现，如在黄土高原雨养农区，不同时间尺度苜蓿草地叶片有机C含量随种植年限的增加呈增加的趋势，但增加不显著，叶片全N含量随年限的增加基本呈无显著变化，而叶片全P含量随年限呈显著降低的趋势[42]，这与杨恒山等[43]对不同生长年限紫花苜蓿P的积累与分配规律的研究结果相同；葛选良等[26]与杨菁等[8]认为苜蓿叶片P含量随种植年限的增加呈先升后降的趋势。众多研究表明，苜蓿生长年限会对苜蓿叶片养分含量产生一定的影响，这是由于不同研究区特殊的地理位置、气候条件或植物吸收差异等因素[44]，导致随着苜蓿生长年限的增加，土壤养分的供应量和植物对土壤养分的需求量存在一定的差异。

叶片C∶N∶P化学计量比随种植年限的变化呈现出不同规律。有研究发现，叶片C∶N随年龄增加无显著变化，叶片C∶P受自身有机C、全P含量的影响表现随年龄增加的趋势[42]。不同地区，苜蓿叶片的N∶P随年龄增加呈先降低后增加的趋势[7,45]。本研究中苜蓿叶片C∶N、C∶P、N∶P随种植年限的增加呈先降低后增加的趋势。叶片C∶N降低至10年之后无显著变化，这说明苜蓿生长至一定程度之后，同化N素与固定C素会趋于一种稳定的状态[42]。N∶P作为判断环境对植物生长的养分供应状况的指标，Braakhekke[46]指出，当N∶P＜ 14时，植物生长主要受N限制，当N∶P ＞ 16时，主要受P限制。本研究结果表明，平均N∶P从30年的17.68到20年的20.86不等，表明在不同种植年限中苜蓿生长主要受到P的限制，这与国内很多研究表明植物叶片P含量偏低的规律一致[47]。

3.3 土壤 C、N、P 含量与植物叶片化学计量学的相关关系

土壤性质的变化直接影响植物的生长、发育及演替过程[8]，植物的变化也改变着土壤的特征，因此探讨植物多样性与土壤营养元素定量关系具有重要意义。本研究表明，土壤养分与植物叶片养分之间没有明显相关关系，这与祁建等[48]研究了辽东栎(Quercus liaotungensis)叶片特性沿海拔梯度的变化中发现叶养分与土壤养分之间没有明显的相关关系这一结论类似。这说明不同年限土壤与植物叶片的化学计量特征变化规律并不同步，土壤与叶片之间无显著相关关系，表明二者之间并不是简单的线性关系，植物对土壤中营养元素的吸收和利用是一个极其复杂的过程[49]，因此需要进行更具针对性的试验研究来探讨土壤与植物叶片化学计量特征受生物与非生物因素及管理措施的影响。

4 结论

本研究以黄土高原多年生紫花苜蓿为研究对象，分析了不同生长年限 (种植 1、10、20、30年)苜蓿草地土壤与植物养分含量变化及生态化学计量学特征。结果表明，1)随着种植年限的增加，土壤C、N、P含量先上升后降低，在种植10年时最高。不同年限苜蓿草地土壤有机C和全N含量的垂直分布具有一致性，表层含量明显高于下层，在0-30 cm含量逐渐减少，30 cm以下趋于稳定，全P在整个空间中的分布较为均匀，其空间变异性低于有机C和全N。2)在1-30年的生长期内，随着种植时间的增加，研究区苜蓿叶片C、N、P含量先上升后下降，叶片C∶N、C∶P、N∶P均先下降后回升，N∶P ＞ 16表明，黄土高原地区苜蓿生长主要受P限制，在种植到10年之后，应适当增施P肥，以保证植株的良好生长，促进土壤与植物中营养物质的良性循环。本研究为黄土高原紫花苜蓿种植及可持续利用管理机制提供了依据。