施磷对紫花苜蓿土壤呼吸速率及活性有机碳组分的影响

doi:10.11686/cyxb2023124

摘要/Abstract

摘要：

探究施磷对紫花苜蓿土壤呼吸速率及活性有机碳组分含量的影响，明确不同施磷处理条件下苜蓿田土壤呼吸速率及土壤活性有机碳组分之间的关系，以期为人工草地土壤固碳和可持续发展提供数据支撑。本试验采用随机区组设计，设置0（P₀）、50（P₁）、100（P₂）和150 kg·hm^-2（P₃）4种施磷水平，重复3次。研究不同施磷水平下紫花苜蓿0~60 cm土层的土壤有机碳（SOC）、微生物量碳（MBC）、溶解性有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）、易氧化有机碳（EOC）含量、土壤温湿度及呼吸速率（R_S）。结果表明，不同土层SOC、MBC、DOC、POC和EOC含量随施磷量增加而升高，在P₃处理下达到最大，分别为15.77 g·kg^-1、0.42 g·kg^-1、0.34 g·kg^-1、4.68 g·kg^-1和2.06 g·kg^-1，且显著大于P₀处理（P<0.05）。SOC、MBC、DOC、POC及EOC在垂直分布上均以0~20 cm土层含量最高，分别占总含量的38.35%~41.58%、38.31%~39.49%、45.54%~46.65%、46.29%~47.35%和40.40%~44.17%。施磷处理使土壤R_S提高了0.31%~14.90%，且刈割前后差异显著（P<0.05）。随施磷量增加，不同土层MBC、DOC、POC及EOC的敏感指数均呈上升趋势。施磷处理下0~30 cm土层微生物量碳敏感指数最高，30~60 cm土层易氧化有机碳敏感指数最高。建议用微生物量碳指示表层土壤有机碳的变化，而易氧化有机碳可指示深层土壤有机碳的变化。各活性有机碳组分有效率随施磷量增加变化规律不明显。结构方程结果表明，施磷可直接影响SOC含量，也可通过改变MBC、DOC、POC和EOC含量而间接影响SOC含量。综上，施磷提高了土壤R_S，但持续磷输入整体增加了苜蓿田土层内SOC、MBC、DOC、POC和EOC含量，提高了固碳潜力及土壤质量，可为全球磷沉降背景下人工草地生态系统土壤有机碳动态变化及人工草地管理提供科学依据。

关键词: 磷, 苜蓿, 土壤呼吸, 土壤有机碳, 活性有机碳

Abstract:

This research aimed to investigate the effect of phosphorus application on soil respiration rate and active organic carbon content of alfalfa， and to clarify the relationship between soil respiration rate and soil active organic carbon fraction in alfalfa fields under different phosphorus application treatments. It was envisaged these data would support identification of practices to maximize soil carbon sequestration and sustainable development of artificial grassland. The experiment was laid out in a randomized group design with four levels of phosphorus application： 0 （P₀）， 50 （P₁）， 100 （P₂） and 150 kg·hm^-2 （P₃）， and replicated three times. Soil organic carbon （SOC）， microbial carbon （MBC）， dissolved organic carbon （DOC）， particulate organic carbon （POC）， easily oxidized organic carbon （EOC）， soil temperature and humidity and respiration rate （R_S） were studied in under the different levels of phosphorus application for soil horizons to 60 cm depth. It was found that， the contents of SOC， MBC， DOC， POC and EOC increased with increasing phosphorus application across the different soil depths， reaching a maximum of 15.77 g·kg^-1， 0.42 g·kg^-1， 0.34 g·kg^-1， 4.68 g·kg^-1 and 2.06 g·kg^-1， respectively， under the P₃ treatment. These values were significantly （P<0.05） higher than under the P₀ treatment. Vertically， SOC， MBC， DOC， POC and EOC all had the highest distribution in the 0-20 cm soil layer， accounting for 38.35%-41.58%， 38.31%-39.49%， 45.54%-46.64%， 46.29%-47.35% and 40.40%-44.17%， respectively， of the total content. The phosphorus application treatments increased soil R_S by 0.31%-14.90% and the difference was significant before and after mowing （P<0.05）. The sensitivity indices for MBC， DOC， POC and EOC in each soil depth showed an increasing trend with increasing phosphorus application， and the MBC sensitivity index was higher than the DOC， POC and EOC sensitivity indices. The highest sensitivity index of microbial carbon was found in the 0-30 cm soil layer under phosphorus application， and the highest sensitivity index of easily oxidized organic carbon was found in the 30-60 cm soil layer. It is suggested that microbial carbon is an indicator of changes in surface soil organic carbon and oxidizable organic carbon is an indicator of changes in deep soil organic carbon. The efficiency of each reactive organic carbon component does not change significantly with increasing phosphorus application. The results of structural equation models indicate that phosphorus application can affect SOC content directly and also indirectly through changes in MBC， DOC， POC and EOC content. In conclusion， phosphorus application increased soil R_S， but sustained phosphorus input increased the SOC， MBC， DOC， POC and EOC contents in the various soil horizons of the alfalfa field， improving carbon sequestration potential and soil quality. These results provide scientific evidence of the dynamic changes of soil organic carbon in sown grassland ecosystems and will enhance sown grassland management with respect to optimizing phosphorous fertilizer use.

Key words: phosphorus, alfalfa, soil respiration, soil organic carbon, active organic carbon

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图/表 13

表1 试验田耕层土壤理化性质

Table 1 Physical and chemical properties of cultivated soil in the experimental field

土层深度

Soil depth

（cm）

有机质

Organic matter

（g·kg^-1）

容重

Bulk weight

（g·cm^-3）

全氮

Total nitrogen

（g·kg^-1）

全磷

Total phosphorus

（g·kg^-1）

碱解氮

Alkaline nitrogen

（mg·kg^-1）

速效磷

Available phosphorus

（mg·kg^-1）

速效钾

Available potassium

（mg·kg^-1）

表2 施磷水平、土层深度和茬次对各因子影响的方差分析

Table 2 Three-factor variance analysis of influence of phosphorus application level， soil depth and stubble times on each factor

变异指标 Variation	土壤有机碳SOC		微生物量碳MBC		溶解性有机碳DOC		颗粒有机碳POC		易氧化有机碳EOC
变异指标 Variation	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
P	983.27	**	1575.75	**	835.88	**	2034.25	**	3354.33	**
D	4109.20	**	6705.61	**	2324.46	**	18778.21	**	8570.09	**
S	106.16	**	1256.24	**	14998.94	**	156.56	**	2607.10	**
P×D	76.73	**	18.79	**	12.75	**	68.34	**	25.86	**
P×S	18.14	**	63.06	**	41.66	**	28.82	**	176.18	**
D×S	23.07	**	274.55	**	192.70	**	89.71	**	189.73	**
P×D×S	7.55	**	11.49	**	11.19	**	26018.00	**	23.75	**

图1 不同施磷处理下土壤有机碳含量不同小写字母表示相同土层下不同施磷处理之间差异显著（P<0.05），下同。Different lowercase letters indicate significant differences among different phosphorus treatments under the same soil layer （P<0.05）， the same below.

Fig. 1 Soil organic carbon content under different phosphorus treatments

图2 不同施磷处理下土壤颗粒有机碳含量

Fig. 2 Soil particulate organic carbon content under different phosphorus treatments

图3 不同施磷处理下易氧化有机碳含量

Fig. 3 Easily oxidized organic carbon content under different phosphorus treatments

图4 不同施磷处理下土壤溶解性有机碳含量

Fig. 4 Dissolved organic carbon content under different phosphorus treatments

图5 不同施磷处理下土壤微生物量碳含量

Fig. 5 Soil microbial biomass carbon content under different phosphorus treatments

图6 不同施磷处理下土壤活性有机碳有效率及敏感指数

Fig. 6 Efficiency and sensitivity index of soil active organic carbon under different phosphorus treatments

图7 不同施磷处理下土壤呼吸速率不同小写字母表示相同茬次不同施磷处理之间差异显著（P<0.05）；*表示相同施磷处理刈割前后差异显著（P<0.05），ns表示无显著差异。Different lowercase letters indicated significant difference among different phosphorus application treatments under the same stubble （P<0.05）. * indicates significant difference before and after cutting under the same phosphorus application treatment （P<0.05）， ns indicate no significant difference.

Fig.7 Soil respiration rate under different phosphorus treatments

表3 土壤呼吸速率与温度的拟合方程及温度敏感性系数

Table 3 Fitting equation of soil respiration rate and temperature and temperature sensitivity coefficient

处理 Treatment	拟合方程 Fitting equation	拟合系数 Fitting coefficient （R²）	温度敏感性系数 Temperature sensitivity coefficient （Q₁₀）
P₀	R_S=0.100e^0.074T	0.715*	2.096
P₁	R_S=1.125e^0.065T	0.781*	1.916
P₂	R_S=1.327e^0.068T	0.996**	1.973
P₃	R_S=0.082e^0.092T	0.779*	2.510

图8 土壤呼吸速率与土壤温湿度相关性分析**表示极显著相关（P<0.01）。** means extremely significant correlation （P<0.01）.

Fig. 8 Correlation analyse between soil respiration and soil temperature and moisture

表4 测定指标隶属函数分析

Table 4 Analysis of membership function of measurement index

处理 Treatment	有机碳 SOC	颗粒有机碳 POC	溶解性有机碳 DOC	易氧化有机碳 EOC	微生物量碳 MBC	土壤呼吸 R_S	温度 Temperature	湿度 Moisture	平均值 Average	排序 Rank
P₀	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.026	0.000	0.000	0.003	4
P₁	0.478	0.373	0.333	0.295	0.343	0.000	0.356	0.702	0.360	3
P₂	0.807	0.642	0.867	0.636	1.000	1.000	0.731	0.327	0.751	2
P₃	1.000	1.000	1.000	1.000	0.971	0.610	1.000	1.000	0.948	1

图9 土壤活性有机碳与土壤有机碳的结构方程模型P表示施磷水平，D表示土层深度，S表示茬次。红色表示正相关，蓝色表示负相关。虚线表示不显著，实线表示显著。线条粗细表示路径系数大小。*表示P<0.05；**表示P<0.01。P represents phosphorus application， D represents soil depth， S represents stubble times. Red shows a positive correlation and blue shows a negative correlation. The dotted line is not significant， the solid line is significant. The line thickness indicates the path coefficient. * indicates P<0.05； ** indicates P<0.01.

Fig. 9 Structural equation model of soil active organic carbon and soil organic carbon

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