水分梯度对麦冬种植土壤碳氮磷生态化学计量的影响

摘要 通过麦冬盆栽试验，控制土壤水分（10%、30%、70%、100%，W/W），对麦冬生长特性、土壤碳氮磷生态化学计量特征、磷素形态以及磷酸酶活性等进行测定，并分析各测定参数之间的相关性。结果表明，随着水分含量的增加麦冬种植土壤总有机碳、全氮呈降低趋势，但是全磷含量呈上升趋势，土壤磷素各形态占比对水分梯度响应差异性不明显；土壤C/N、C/P、N/P分别为8.79～10.46、15.95～18.68和1.53～2.15，对水分梯度响应特性不同，均属于弱变异；30%水分处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于其他3种水分处理（P<0.05），可以直接利用磷比例为52.76%，略高于其他水分组；在30%水分组中，麦冬生物量、总根长、叶片全磷含量显著高于其他处理组（P<0.05），根面积、叶绿素含量略高于70%水分组（P>0.05）且显著高于10%和100%水分组（P<0.05），100%水分组麦冬生长被显著抑制。30%水分梯度利于麦冬改善土壤质量，提高麦冬对土壤碳氮磷的利用，增加土壤对氮素的累积，利于其生长。

关键词 水分梯度；土壤碳氮磷；生态化学计量；麦冬

中图分类号 X173  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）17-0061-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.17.013

Effect of Water Gradient on the Ecological Stoichiometry of Soil Carbon， Nitrogen and Phosphorus in Ophiopogon japonicus Plant

SHUI Jun-hua1，2， SHAO Zhe-wen1， XIANG Ke-xin1 et al

（1.Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region， Ministry of Education， China Three Gorges University， Yichang， Hubei 443002;2.Environmental Monitoring Station of Zigui， Yichang，Hubei 443699）

Abstract The experimental water gradient （10%， 30%， 70%， 100%，W/W） was controlled by the potted plant test， and the growth characteristics of Ophiopogon japonicus， and the soil carbon （C）， nitrogen （N） and phosphorus （P） ecological stoichiometry，phosphorus forms and phosphatase activity were measured， and the correlation relationships between different measurement parameters were analyzed.The results showed that with the soil moisture content increasing， the total organic carbon and total nitrogen decreased in the soil， while total phosphorus increased， and the phosphorus forms had no significant correlation with the soil moisture content. The C/N， C/P， N/P were 8.79-10.46， 15.95-18.68 and 1.53-2.15， respectively， and their response characteristics to water gradient， belong to weak variants， were variant.The soil alkaline phosphatase activity under 30% water treatment was significantly higher than that under other groups （P<0.05）， and the proportion of directly available phosphorus was 52.76%， which was higher than other water groups. The biomass， total root length and total phosphorus in the leaf of Ophiopogon japonicus under 30% water treatment were significantly higher than other treatment groups （P<0.05）. The root area and chlorophyll content were slightly higher than those in the 70% water group （P>0.05） and significantly higher than those in the 10% and 100% water group （P<0.05），and the growth of Ophiopogon japonicus was inhibited under 100% water gradient.30% water gradient was conductive to improving soil quality and the utilization of soil carbon， nitrogen and phosphorus， increasing soil nitrogen accumulation and conductive to Ophiopogon japonicus growth.

Key words Water gradient;Soil carbon，nitrogen and phosphorus;Ecostoichiometry;Ophiopogon japonicus

基金项目 宜昌市森林资源监测站项目（SDHZ2020313）；高等学校学科创新引智计划项目（D20015）；三峡大学高等教育研究项目（GJ2223）。

作者简介 税军华（1972—），男，湖北宜昌人，工程师，从事水环境保护与治理研究。

通信作者，讲师，博士，从事土壤安全利用研究。

收稿日期 2023-10-22；修回日期 2023-11-28

土壤生态化学计量学主要是研究土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）元素动态收支平衡关系，它们的含量及比值能够影响土壤生态系统过程［1-3］，其研究可以明确土壤养分丰度、植物养分有效性，能够判断群落生产力过程的限制性因素［4］，对于探讨植物-土壤养分循环的调控机制具有重要意义［5-6］。考虑作物种类、土层以及海拔等因素影响，调研了农田［7］、荒漠［8］、沙化地区［9］、草原［10］、湿地［11］、喀斯特地貌区［12］等区域的土壤C、N、P含量及生态化学计量特征，其影响规律仍然不明确。研究表明，通过合理人工措施如施肥［13］、秸秆还田［14］、免耕补播恢复方式［15］等能够改善作物对土壤C、N、P的利用，并促进土壤内稳性与固碳。其中，水分条件是影响土壤养分供应与作物生长的重要条件之一。适当水分调控对土壤结构改善、肥力提高、作物生长以及品质提升具有重要意义。开展水分梯度控制对土壤C、N、P生态化学计量特征的影响，为土壤水分有效管理提供依据。

水分充足时，土壤磷素的迁移速率较高，有效性较好［16］；水量较低时，土壤磷素的固定较快，有效性降低，同时影响了土壤C、N、P生态化学计量比，并限制了植物对养分的吸收利用［17］；土壤比较干燥时，有效磷含量降低，需要通过追肥补充作物对磷的需求。有研究表明，芦苇种植高/中水分梯度土壤C、N、P有效养分较高［18］；80%田间持水量（高水分梯度）显著促进玉米根际磷素的转化［19］，因此土壤养分循环受到水分梯度的影响，还与作物种类相关。合理的水分管理能够提高植物对土壤养分的利用率，减少土壤养分流失产生的环境问题。该研究选择园林绿化常用草本植物麦冬（Ophiopogon japonicus），测定不同水分梯度（10%、30%、70%、100%，W/W）控制下麦冬生长特征、土壤C、N、P生态化学计量比以及磷形态，并进行相关性分析，明确麦冬种植土壤C、N、P生态化学计量及磷形态对水分梯度的响应特征，以期为园林植被选择、水分合理利用以及土壤养分供应等管理过程提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验土壤基本理化性质见表1。该试验共设置4个不同的水分处理组，分别为10%、30%、70%、100%（重量法W/W）。试验麦冬来自三峡大学植物繁育基地，选择生物量一致的麦冬苗进行盆栽试验，每个盆栽内种植5株麦冬，每个组设置3个对照组。每2～3 d浇水一次，通过称重法进行浇水（第1次浇水量为土壤干重的10%、30%、70%、100%）。试验周期为90 d，试验结束时测定麦冬叶绿素含量、生长量（干重）、根长、土壤C、N、P含量、各磷形态（有机磷OP、无机磷IP、铁铝结合态磷Fe/Al-P、钙磷Ca-P）含量、麦冬根部和叶片磷含量。

1.2 测定方法

pH采用酸度计法测定（水土比为2.5∶1）；总有机碳采用总有机碳分析仪测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤全磷采用NaOH碱熔钼锑抗比色法测定。各磷形态的含量用SMT分级法［20］测定，该方法将土壤中的磷分为有机磷、无机磷、铁铝结合态磷、钙磷。麦冬叶绿素采用叶绿素计（SPAD-502）测定，总根长、根面积采用LA-S根系分析系统测定。

1.3 统计分析

试验数据表示为平均值±标准误。采用Origin软件对试验数据进行整理及图表制作；相关性分析采用SPSS软件进行。土壤C、N、P生态化学计量比采用质量比来表示。参数变异系数计算公式为CV = SD/X，式中，CV为变异系数，SD为标准差，X为平均值。

2 结果与分析

2.1 不同水分梯度土壤碳氮磷含量特征

从不同水分梯度下土壤总有机碳、全氮、全磷含量（图1）可以看出，麦冬种植后，土壤总有机碳、全氮和全磷含量分别为3.84～4.91、0.40～0.56和0.20～0.32 g/kg，土壤总有机碳变异性大于全氮和全磷，均属于弱变异。与未种植前相比，麦冬种植土壤总有机碳、全磷含量分别降低了24.92%～41.28%、25.58%～53.49%，土壤全氮含量增加了14.28%～60.00%。随着水分的增加，总有机碳、全氮含量呈下降趋势，全磷含量呈增加趋势。不同水分梯度土壤生态化学计量比值如表2所示，随着水分增加，C/N为8.79～10.46，先降低后增加；C/P为15.95～18.68，呈降低趋势；N/P为1.53～2.15，先增加后降低。试验中土壤C/N、C/P和N/P均属于弱变异。与未种植麦冬前相比，土壤化学计量特征C/N显著降低（P<0.05），C/P略有升高（P>0.05），而N/P显著升高（P<0.05）。

2.2 不同水分梯度土壤磷形态及碱性磷酸酶活性

试验前土壤有机磷（OP）、无机磷（IP）、铁铝结合态磷（Fe/Al-P）和钙磷（Ca-P）占比分别为8.82%、45.59%、7.35%和38.24%，可以直接利用磷含量（OP+IP）比例为54.41%。从不同水分梯度下土壤磷形态含量占比（图2）可以看出，与试验前比较，不同水分梯度组土壤OP和Fe/Al-P占比增加，土壤IP和Ca-P占比降低，可以直接利用磷含量比例降低，不同水分梯度组（10%、30%、70%、100%）可以直接利用磷含量比例分别为50.93%、52.76%、51.64%和52.51%；土壤Fe/Al-P占比随着土壤水分的增加呈增加趋势，Ca-P占比随着土壤水分的增加而降低。30%水分处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于其他3种水分处理（P<0.05），水淹土壤（100%水分处理）碱性磷酸酶活性最低，与10%和70%水分处理没有显著差异（P>0.05）。