2021, Vol. 38
2. 农业农村部华南耕地保育重点实验室, 广州 510642;
3. 广东省土地利用与整治重点实验室, 广州 510642
2. Laboratory of Arable Land Conservation in South China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Guangzhou 510642, China;
3. Guangdong Province Key Laboratory of Land Use and Consolidation, Guangzhou 510642, China
土地利用是人为因素影响土壤最直接的活动，能够长期持续改变土壤结构、养分特征以及土壤微生物的代谢活动[1-2]，使得土壤物理、化学及生物特性发生改变。不同利用方式的农田地表覆盖物、种植制度及人为干扰程度不同，容易造成耕层土壤结构和碳氮磷养分的差异。因此，了解不同利用方式农田的土壤结构和养分特性，有利于改善农田质量和发展可持续性农业。
团聚体作为土壤结构的基本单位，其形成发育是土壤动物、微生物、植物根系等与一系列复杂的生物化学反应综合作用的结果。良好的团聚体结构具有较好的通气透水性，能改善土壤生物的生存环境，调控植物生长，固持土壤碳氮磷养分，提高土壤肥力水平。荣勤雷等[3]和孙萌等[4]研究表明，各粒径团聚体的养分含量及有效性存在差异，影响土壤肥力特性，因此在了解土壤团聚体组成分布的同时，明确各粒径团聚体C、N、P的化学计量特征是十分必要的。生态化学计量学是一门综合生态学和化学计量学基本原理，利用生物、化学、物理过程中多种元素之间的耦合平衡机制，分析各种元素（特别是C、N、P）对生态系统循环交互的理论科学[5]。土壤化学计量特征对植物生长和土地利用具有良好的表征作用，能够揭示土壤圈生态系统C、N、P养分循环和平衡机制[6-7]。近年来，国内外关于土壤团聚体化学计量特征的研究较多，主要研究生态林种类、种植年限及植被恢复对林地团聚体化学计量特征的影响[8-10]，以及不同耕作方式、施肥方式和植物残体还田对土壤团聚体化学计量特征的影响[11-13]，但对于珠江三角洲地区农田生态系统不同利用方式的土壤，特别是不同粒径土壤的C、N、P化学计量特征及影响机制的研究鲜见报道。
珠江三角洲地区是广东省重要的农业生产基地。近年来，随着城市化进程的推进，珠江三角洲耕地面积急剧减少，加上对土地资源的不合理利用，农田复种指数增加，造成了土壤养分供应不足，土壤结构严重破坏[14]，限制了耕地质量的提高。鉴于此，研究珠江三角洲农田3种主要利用方式（水田、旱地和水旱轮作）对耕层团聚体和碳氮磷含量影响的差异，探讨土壤团聚体碳氮磷含量与其化学计量特征之间的关系，以期为珠三角农田养分管理、土壤培肥和降低农业面源污染等方面提供科学依据和理论指导。
1 材料与方法 1.1 供试土壤珠江三角洲位于广东省中南部，属亚热带海洋性季风气候，年平均降雨量约1 800 mm，年平均气温为21.4~22.4 ℃，雨热同季。成土母质为三角洲沉积物，土壤类型为水耕人为土。主要种植作物为水稻、木薯、甘蔗和蔬菜。本研究根据种植历史和种植制度挑选试验样点，基本信息见表 1。
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表 1 土壤样点基本信息 Table 1 Basic information of the soil sampling sites |
按照土壤发生层次采集耕作层土壤。采用五点取样法，将土壤样品混合后带回实验室自然风干，取一部分样品研磨过0.149 mm筛，用于测定土壤有机碳、全氮和全磷含量；另取一部分测定土壤团聚体分布。
1.2 测定方法土壤团聚体采用团聚体筛分仪（TPF-100，上海托莫斯科学仪器有限公司）进行湿筛处理，筛出粒级大小为>2、2~0.5、0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm的团聚体；土壤pH采用电位法测定；有机碳含量采用重铬酸钾- 浓硫酸外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定；全磷含量采用钼锑抗比色法测定[15]。供试土壤基本理化性质见表 2。
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表 2 土壤样品基本理化性质 Table 2 Basic physical and chemical properties of the sampling soil |
土壤团聚体碳氮磷含量、化学计量特征的敏感性指标采用以下公式[16]计算：
敏感性指标=（变量最大值-变量最小值）/变量最小值
土壤碳氮比（C∶N）、碳磷比（C∶P）和氮磷比（N∶P）均采用元素质量比。采用Excel 2016对数据进行整理和统计分析，Origin 2018对数据进行绘图，SPSS 22.0进行单因素方差分析和相关性分析，差异显著水平（α=0.05）通过最小显著性差异法（LSD法）进行检验。
2 结果与分析 2.1 不同利用方式下耕层土壤团聚体分布特征从耕层土壤团聚体含量统计结果（表 3）发现，水田团聚体以>2 mm粒级的大团聚体为主，0.5~0.25 mm团聚体占比最小；旱地和水旱轮作土壤团聚体以 < 0.25 mm粒级的微团聚体为主，>2 mm团聚体占比最小。水田和旱地各粒级团聚体含量差异显著，水旱轮作土壤 < 0.25 mm微团聚体含量显著高于其他粒级团聚体。>2 mm和2~0.5 mm团聚体均表现为水田>旱地>水旱轮作，其中水田与水旱轮作差异显著（P < 0.05）；0.5~0.25 mm粒级团聚体含量表现为旱地>水田>水旱轮作，但在三种利用方式间差异不显著（P> 0.05）。< 0.25 mm粒级团聚体表现为水旱轮作>旱地>水田，三种利用方式之间均差异显著（P < 0.05）。耕层土壤各粒级团聚体含量明显不同，而且利用方式对团聚体含量影响较大。
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表 3 不同利用方式下耕层土壤团聚体分布（%） Table 3 The distribution of topsoil aggregates under different utilization modes(%) |
不同利用方式下耕层土壤团聚体有机碳和全氮含量变化范围分别为14.04~38.59 g·kg-1和1.20~2.68 g·kg-1（ 图 1），团聚体有机碳和全氮含量总体表现为水田显著高于旱地和水旱轮作（P < 0.05），而旱地土壤和水旱轮作土壤之间无显著差异（P>0.05）。土壤团聚体全磷含量变化范围为2.05~10.43 g·kg-1，>2 mm和2~0.5 mm团聚体全磷含量表现为水旱轮作土壤显著高于水田和旱地土壤（P < 0.05），0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm团聚体全磷含量表现为旱地>水旱轮作>水田，其中旱地土壤团聚体全磷含量显著高于水田（P < 0.05），而水旱轮作与水田、旱地土壤之间无显著差异。
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不同大写字母表示不同利用方式下相同粒级团聚体差异显著（P < 0.05）；不同小写字母表示相同利用方式下不同粒级团聚体差异显著（P < 0.05）。下同 Different capital letters indicate significant differences among utilization modes in the same aggregate size(P < 0.05); Different small letters indicate significant differences among aggregate sizes under the same utilization mode(P < 0.05). The same below 图 1 不同利用方式下耕作层土壤团聚体的C、N和P含量 Figure 1 The content of C, N and P in topsoil aggregates under different land uses |
水田土壤团聚体有机碳和全氮含量在2~0.5 mm团聚体中最高，在 < 0.25 mm团聚体中最低，而全磷含量随粒径减小而降低，其中各粒级团聚体有机碳和全磷含量无显著差异，>2 mm和2~0.5 mm团聚体全氮含量显著高于 < 0.25 mm团聚体（P < 0.05）。旱地和水旱轮作耕层土壤团聚体有机碳、全氮和全磷含量也随着粒径减小呈下降趋势，旱地土壤>2 mm团聚体有机碳和全氮含量显著高于0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm团聚体（P < 0.05），其各粒级团聚体全磷含量无显著差异；水旱轮作土壤>2 mm团聚体全氮和全磷含量显著高于0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm团聚体（P < 0.05），其各粒径团聚体有机碳含量无显著差异。
2.3 不同利用方式下耕层土壤化学计量特征不同利用方式下耕层土壤团聚体化学计量特征C∶N、C∶P和N∶P变化范围分别为10.84~13.89、2.03~ 18.08和0.16~1.30（图 2）。
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图 2 不同利用方式下耕层土壤团聚体的碳氮磷化学计量特征 Figure 2 Stoichiometric characteristics of C, N and P in topsoil aggregates under different land uses |
土壤各粒级团聚体C∶N无显著差异，>2 mm和 < 0.25 mm粒级团聚体表现为水旱轮作>水田>旱地，2~0.5 mm和0.5~0.25 mm粒级团聚体为水田>旱地>水旱轮作。各粒级团聚体C∶P水田均显著高于旱地和水旱轮作（P < 0.05），>2 mm和2~0.5 mm粒级团聚体表现为旱地>水旱轮作，0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm粒级团聚体为水旱轮作>旱地。土壤团聚体N∶P的规律与C∶P一致。
水田土壤各粒级团聚体C∶N、C∶P和N∶P均无显著差异，最大值均出现在2~0.5 mm粒级。旱地土壤各粒级团聚体C∶N、C∶P和N∶P均随着粒径减小而呈现下降趋势，各粒级土壤团聚体C∶N无显著差异，但旱地土壤>2mm团聚体C∶P和N∶P显著高于0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm土壤团聚体（P < 0.05），最大值出现在>2 mm粒级。水旱轮作土壤（C∶N>2 mm粒径除外）各粒级团聚体C∶N、C∶P和N∶P规律与旱地土壤相反，随粒径减小呈上升趋势，各粒级土壤团聚体C∶N无显著差异，>2 mm团聚体C∶P显著低于0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm，>2 mm团聚体N∶P显著低于其他粒级（P < 0.05）。
2.4 土壤团聚体碳氮磷含量及化学计量特征的敏感性分析耕层团聚体碳氮磷含量及化学计量特征的敏感性分析见表 4，其对不同利用方式下耕层土壤团聚体的敏感性（均值）排序为C∶PA>N∶PA>PA>CA>NA>C∶NA，土壤团聚体C∶P即C∶PA对利用方式的响应最为明显，宜作为利用方式对耕层团聚体碳氮磷含量及化学计量特征影响的良好指标。
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表 4 不同利用方式下耕层土壤团聚体碳氮磷含量及化学计量特征敏感性指标 Table 4 Sensitivity index of C, N, P and stoichiometric characteristics in topsoil aggregates under different land uses |
对不同利用方式下土壤团聚体养分与化学计量指标进行相关性分析（表 5），结果表明，全土与团聚体有机碳、全氮和全磷含量呈现不同程度的相关性，全土有机碳、全氮、全磷与团聚体有机碳、全氮、全磷呈显著正相关（P < 0.05，>2 mm和2~0.5 mm团聚体全磷除外），且随着粒径减小相关系数逐渐增大（P < 0.01）。
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表 5 土壤团聚体碳氮磷含量及化学计量指标相关性 Table 5 Correlations of C, N, P and stoichiometry index in soil aggregates |
各粒级团聚体有机碳与全氮含量均呈极显著正相关（P < 0.01），在2~0.5 mm粒级时团聚体有机碳和团聚体全磷呈极显著负相关（P < 0.01），2~0.5 mm和0.5~0.25 mm粒级团聚体全氮和团聚体全磷呈极显著负相关（P < 0.01）。仅2~0.5 mm粒级团聚体有机碳、全氮与团聚体C∶N呈显著相关关系，团聚体有机碳、全磷均与团聚体C∶P呈显著相关关系（>2 mm粒级团聚体全磷除外），各粒径团聚体全氮、全磷均与团聚体N∶P呈显著相关关系。
3 讨论 3.1 利用方式对耕层土壤团聚体分布特征的影响土壤团聚体组成作为土壤结构重要评价指标，影响着土壤质量的好坏。本研究发现，水田利用方式以大团聚体为主，而旱地与水旱轮作以 < 0.25 mm微团聚体为主，这与前人的研究结果一致[17-18]，主要是由于水田的种植作物为水稻，水稻收割后会留有大量残茬或稻秆还田，使得水田土壤有机碳来源增加，能够胶结微团聚体形成大团聚体，而旱地和水旱轮作有机残体归还量较少，与本研究中水田土壤耕作层有机碳含量明显高于旱地和水旱轮作的结论相一致。Wei等[19]研究表明旱地和水旱轮作利用方式人为扰动大，定期耕作破坏了土壤结构，使得大团聚体含量减少，微团聚体含量升高。
3.2 利用方式对农田耕层土壤团聚体C、N、P含量的影响张晗等[2, 20]研究表明，利用方式受自然环境条件和人为活动综合影响，是土壤圈生态系统和元素地球化学循环过程的变化，显著影响农田碳氮磷含量及其空间分布特征。Cleveland等[21]研究发现，土壤团聚体有机碳、全氮和全磷含量可反映出土壤有机碳和有效养分的分布状况。本研究中，团聚体中的有机碳和全氮含量均表现为水田高于旱地和水旱轮作，这是由于利用方式通过土壤养分的输入和输出来控制土壤碳氮的固存和释放。土壤养分输入方面，水稻种植留有残茬和稻秆，有机残体分解速率快，导致输入土壤的有机碳量较多，再加上有机物质腐殖化系数高，表现出高有效性的土壤养分[22]。土壤养分输出方面，旱地、水旱轮作复种指数较高，作物生长吸收了大量的碳氮而土壤未得到及时补充，导致土壤养分的缺失；此外旱作时，频繁的作业破坏了土壤结构，渗漏和地表径流带走表层土壤的C、N[19]。团聚体全磷含量在不同利用方式之间存在差异性，>0.5 mm和 < 0.5 mm团聚体分别表现为水旱轮作和旱地含量最高。旱地种植蔬菜，生长周期短，施肥次数较多，土壤肥料是较大的P输入源，同时受到地表动植物残体分解的影响，这些有机残体的分解会加速磷的积聚，因而水旱轮作团聚体磷含量也较高。
土壤团聚体C、N、P在不同粒级团聚体中的分配存在差异性。瞿晴等[23]对黄土高原不同植被带的研究发现，团聚体有机碳、全氮和全磷含量随着粒径的减小呈现“V”字形变化趋势。潘俊等[24]对退化红壤植被恢复过程的研究发现，团聚体有机碳、全氮和全磷含量总体上随着粒径的减小而呈增加趋势。而本研究中，水田（< 0.25 mm团聚体全氮除外）各粒级团聚体有机碳、全氮和全磷含量无显著差异，说明养分均衡分配在不同大小的团聚体中。而旱地和水旱轮作C、N、P含量均随着团聚体粒径的减小而呈下降趋势，这是因为大团聚体吸附有机碳能力强，不易被微生物分解，对土壤养分具有较强的固持能力[23, 25]。
不同利用方式团聚体养分的分配特征可能与母质的组成、成土过程、地表覆盖物、侵蚀状况和人为扰动等因素有关。相关性分析可知，耕层土壤C、N、P含量总体上与团聚体C、N、P含量显著相关，表明团聚体C、N、P含量对土壤C、N、P含量具有很好的指示作用，这与区晓琳等[26]的研究结果相同，且随着粒径的减小相关系数越高，对土壤C、N、P含量的指示作用越强烈。
3.3 利用方式对农田耕层土壤化学计量特征的影响土壤化学计量特征是土壤养分元素的平衡耦合机制，反映土壤矿化养分的能力，决定土壤养分有效性及生态化学循环。王绍强等[27]研究表明，土壤C、N、P之间的比值往往趋近于定值，对植物生长限制最强的因子决定其他养分的循环速度，可以反映出该地区的生态利用模式。土地利用方式的不同对表层土壤的影响最为直接，对团聚体C∶N、C∶P和N∶P具有不同程度的影响。
C∶N表明土壤碳氮“汇”的能力，较低的C∶N意味着土壤有机碳矿化快，养分周期短，不利于土壤碳氮养分的固存[1]。团聚体C∶N总体上表现为水田、水旱轮作大于旱地，因为种植水稻使得土壤长期处于淹水状态，导致微生物活性降低，有机碳的矿化速率减缓[28]，加上植物残茬为土壤提供了丰富的有机碳源，土壤处于高C∶N状态。而旱地土壤通气透水性相对较好，孔隙度高，好氧型细菌活性增强[29]，加速了有机碳的矿化，导致土壤固存的C减少。不同利用方式的农田土壤C∶N之间差异不大，这是由于土壤C、N循环联系紧密，空间分布规律表现出一致性，C∶N相对稳定[21, 27]。
土壤C∶P通常被认为是土壤磷元素矿化能力的指标，可以反映从生态系统中吸收固持磷的潜在能力[30]。团聚体C∶P表现为水田大于旱地、水旱轮作，说明水田耕层土壤具有较强的固磷潜力。水田长期淹水，土壤温度较低、通气透水性较差，处于强还原状态，微生物活性降低，土壤C、P矿化速率慢，而有机碳来源丰富，造成水田C∶P较高；而旱地土壤通气性好，微生物和土壤酶活性高，磷矿化作用强，造成旱地C∶P较低。不同利用方式下土壤团聚体指标的敏感指数C∶P最高，宜作为利用方式对耕层土壤团聚体碳氮磷含量及化学计量特征影响的敏感性指标。
N、P是植物生长必需的营养元素，是土壤中常见的限制性养分。N、P空间分布的不一致性导致不同利用方式下土壤团聚体N∶P存在明显差异。团聚体N∶P表现为水田显著大于旱地和水旱轮作，主要是由于水田有机残体归还量多，碳氮具有同质效应，导致水田氮含量较高。相关性分析结果显示，团聚体N∶P与全氮呈极显著正相关（P < 0.01），相关程度高于磷，说明N∶P主要受到氮素的影响。此外，研究区N∶P整体水平低于热带-亚热带土壤N∶P平均水平[31]，理论上是由于氮素限制了土壤养分的供应，但珠江三角洲农田磷肥施用普遍，土壤高磷量也会导致N∶P变低。因此，关于氮素是否为珠三角农田的限制性元素还有待进一步研究。
4 结论（1）珠江三角洲农田耕层土壤团聚体碳氮磷含量主要集中在>2 mm和2~0.5 mm团聚体中，大团聚体保蓄养分能力强；全土碳氮磷与团聚体碳氮磷总体呈显著正相关，团聚体碳氮磷对土壤养分具有良好的指示性，且粒径越小，指示作用越强。
（2）珠江三角洲农田耕层土壤碳氮耦合性较好，团聚体C∶P可作为该区域土壤团聚体碳氮磷含量及化学计量特征的敏感性指标。
（3）珠江三角洲水田土壤大团聚体及其碳氮磷含量较高，土壤结构良好，有利于团聚体对土壤养分的物理保护和碳氮磷的积累。
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