有机肥和生物炭添加对亚热带人工草地土壤微生物碳、磷限制的缓解作用

doi:10.11686/cyxb2025170

草业学报 ›› 2026, Vol. 35 ›› Issue (4): 54-66.DOI: 10.11686/cyxb2025170

有机肥和生物炭添加对亚热带人工草地土壤微生物碳、磷限制的缓解作用

刘畅¹^,²^,³(), 陈积山²^,³, 朱瑞芬²^,³, 孙万斌²^,³, 姚博²^,³, 董世魁¹^,⁴()

^1.青海大学畜牧兽医科学院，青海省畜牧兽医科学院，青海西宁 810016
^2.重庆市畜牧科学院，重庆 402460
^3.重庆市草业工程技术研究中心，重庆 402460
^4.北京林业大学草业与草原学院，北京 100083

收稿日期:2025-04-30 修回日期:2025-07-01 出版日期:2026-04-20 发布日期:2026-02-07
通讯作者: 董世魁
作者简介:Corresponding author. E-mail： dongshikui@bjfu.edu.cn
刘畅（1996-），女，辽宁盘锦人，在读博士。E-mail： liuchang-0904@qq.com
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFD1300805);重庆市级财政资金-畜牧科技研究与推广项目（酸性土壤主要饲草PGPR菌筛选及促生性能比较）资助

Mitigation of soil microbial carbon and phosphorus limitations through organic fertilizer and biochar inputs in subtropical cultivated grassland

Chang LIU¹^,²^,³(), Ji-shan CHEN²^,³, Rui-fen ZHU²^,³, Wan-bin SUN²^,³, Bo YAO²^,³, Shi-kui DONG¹^,⁴()

^1.Veterinary Medicine and Qinghai Academy of Animal Science，Veterinary Medicine and Academy of Animal Science，Qinghai University，Xining 810016，China
^2.Chongqing Academy of Animal Science，Chongqing 402460，China
^3.Pratacultural Engineering and Technology Research Center of Chongqing，Chongqing 402460，China
^4.School of Grassland Science，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China

Received:2025-04-30 Revised:2025-07-01 Online:2026-04-20 Published:2026-02-07
Contact: Shi-kui DONG

摘要/Abstract

摘要：

为了探究施肥对亚热带人工草地土壤酶活性以及酶化学计量特征的影响，通过施加有机肥和生物炭，探究土壤理化指标的变化以及对土壤酶活性及酶化学计量指标的影响，并通过土壤胞外酶活性计量特征来评估微生物养分限制。结果表明，施加有机肥和生物炭显著增加亚热带人工草地土壤有机碳、全氮含量和pH（P<0.05）。施加有机肥显著增加0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层β-葡萄糖苷酶活性（βG）36.18%、37.21%、59.30%（P<0.05），增加0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层β-1，4-N-乙酰葡萄糖苷酶活性（NAG）21.16%、17.25%、30.24%（P<0.05），生物炭显著增加各土层亮氨酸氨基肽酶（LAP）和NAG活性（P<0.05）。亚热带人工草地土壤C∶N∶P获取酶的平均比例为1∶1.31∶1.72，偏离了1∶1∶1，表明微生物受磷限制。施肥后矢量长度、矢量夹角降低，说明施肥可以缓解碳、磷限制。研究结果为亚热带人工草地改良与管理提供理论依据，适当施加有机肥或生物炭，有助于亚热带人工草地的改善与恢复，以缓解碳、磷限制。

关键词: 土壤酶活性, 土壤酶化学计量, 养分限制, 有机肥, 生物炭

Abstract:

The aim of this research was to investigate the effects of fertilization on soil enzyme activities and soil enzyme stoichiometry in subtropical cultivated grassland. We conducted a field experiment in which organic fertilizer and biochar were applied to subtropical grassland. Then， changes in soil physicochemical properties were monitored and the impacts of these inputs on soil enzyme activities and enzyme stoichiometric indices were determined. Additionally， microbial nutrient limitations were assessed through determination of the stoichiometric characteristics of soil extracellular enzyme activities. The results show that the application of organic fertilizer and biochar to subtropical cultivated grassland significantly increased the soil organic carbon and total nitrogen contents， as well as soil pH （P<0.05）. The application of organic fertilizer significantly increased β-1，4-glucosidase activity in the 0-10 cm， 10-20 cm， and 20-30 cm soil layers by 36.18%， 37.21%， and 59.30%， respectively （P<0.05）. It also increased β-1，4-N-acetyl aminidinidase activity in the 0-10 cm， 10-20 cm， and 20-30 cm soil layers by 21.16%， 17.25%， and 30.24%， respectively （P<0.05）. Application of biochar significantly increased leuine ameptiase and β-1，4-N-acetyl aminidinidase activity in all three soil layers （P<0.05）. The average ratio of C∶N∶P for enzyme acquisition in subtropical cultivated grassland soil was 1∶1.31∶1.72， deviating from 1∶1∶1， indicating that microorganisms in this area are phosphorus-limited. After fertilization， the vector length and vector angle decreased， suggesting that fertilization can alleviate carbon and phosphorus limitations in the soil of subtropical grassland. These findings provide a theoretical basis for the improvement and management of subtropical cultivated grassland. Our results show that the appropriate application of organic fertilizers or biochar can contribute to the enhancement and restoration of subtropical artificial grassland， thereby alleviating carbon and phosphorus limitation in soil.

Key words: soil enzyme activity, soil enzyme stoichiometry, nutrient limitation, organic fertilizer, biochar

刘畅, 陈积山, 朱瑞芬, 孙万斌, 姚博, 董世魁. 有机肥和生物炭添加对亚热带人工草地土壤微生物碳、磷限制的缓解作用[J]. 草业学报, 2026, 35(4): 54-66.

Chang LIU, Ji-shan CHEN, Rui-fen ZHU, Wan-bin SUN, Bo YAO, Shi-kui DONG. Mitigation of soil microbial carbon and phosphorus limitations through organic fertilizer and biochar inputs in subtropical cultivated grassland[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2026, 35(4): 54-66.

图/表 7

表1 施肥对不同土层土壤理化性质的影响

Table 1 Effect of fertilizer application on soil physical and chemical properties of different soil layers

项目 Item	0~10 cm			10~20 cm			20~30 cm
项目 Item	CK	O	B	CK	O	B	CK	O	B
土壤含水量Soil moisture content （%）	34.05±0.35c	35.52±0.09b	37.01±0.37a	28.50±0.30b	33.07±0.28a	32.85±0.24a	26.38±0.07c	34.77±0.20a	29.37±0.40b
土壤容重Soil bulk density （g·cm^-3）	1.46±0.01a	1.43±0.01b	1.42±0.02c	1.51±0.02a	1.50±0.03b	1.50±0.02b	1.52±0.03a	1.49±0.02c	1.50±0.03b
pH	4.88±0.01c	6.01±0.03a	5.06±0.02b	5.00±0.01b	5.74±0.01a	5.01±0.02b	4.93±0.06c	5.70±0.02a	5.13±0.04b
土壤铵态氮Soil ammonia nitrogen （mg·kg^-1）	5.19±0.01c	6.54±0.02a	5.50±0.01b	3.39±0.04a	3.20±0.05b	3.33±0.06ab	3.51±0.11b	4.70±0.03a	2.62±0.06c
土壤硝态氮Soil nitric nitrogen （mg·kg^-1）	8.77±0.08b	4.89±0.05c	11.34±0.06a	6.44±0.26b	7.76±0.12a	8.28±0.05a	5.54±0.07b	5.06±0.01c	5.88±0.01a
全氮Total nitrogen （g·kg^-1）	1.92±0.02c	2.11±0.01b	2.25±0.01a	1.65±0.02c	1.78±0.02b	1.91±0.02a	1.58±0.03b	1.61±0.01b	1.65±0.02a
全磷Total phosphorus （g·kg^-1）	0.63±0.01c	0.87±0.01a	0.79±0.01b	0.50±0.01c	0.60±0.03b	0.64±0.03a	0.48±0.03c	0.60±0.01a	0.52±0.01b
全钾Total potassium （g·kg^-1）	14.02±0.06c	14.78±0.04b	15.34±0.05a	14.55±0.01c	15.73±0.03a	15.58±0.02b	14.53±0.02c	14.98±0.04b	15.54±0.03a
碳氮比Carbon to nitrogen ratio	9.05±0.04b	9.21±0.02b	11.22±0.17a	8.48±0.04c	9.24±0.12a	8.81±0.05b	7.95±0.05b	8.36±0.03a	8.39±0.08a
碳磷比Carbon to phosphorus ratio	27.70±0.05b	22.36±0.01c	31.86±0.86a	27.85±0.07a	27.27±0.12b	26.17±0.09c	26.18±0.20a	22.40±0.22b	26.71±0.27a
氮磷比Nitrogen to phosphorus ratio	3.06±0.01a	2.43±0.01c	2.84±0.03b	3.28±0.01a	2.95±0.03b	2.97±0.01b	3.29±0.01a	2.68±0.03b	3.18±0.06a
土壤有机碳Soil organic carbon （g·kg^-1）	17.41±0.05c	19.38±0.01b	25.27±0.46a	14.03±0.04c	16.42±0.19b	16.86±0.07a	12.55±0.08c	13.45±0.07b	13.83±0.05a

表1 施肥对不同土层土壤理化性质的影响

Table 1 Effect of fertilizer application on soil physical and chemical properties of different soil layers

项目 Item	0~10 cm			10~20 cm			20~30 cm
项目 Item	CK	O	B	CK	O	B	CK	O	B
土壤含水量Soil moisture content （%）	34.05±0.35c	35.52±0.09b	37.01±0.37a	28.50±0.30b	33.07±0.28a	32.85±0.24a	26.38±0.07c	34.77±0.20a	29.37±0.40b
土壤容重Soil bulk density （g·cm^-3）	1.46±0.01a	1.43±0.01b	1.42±0.02c	1.51±0.02a	1.50±0.03b	1.50±0.02b	1.52±0.03a	1.49±0.02c	1.50±0.03b
pH	4.88±0.01c	6.01±0.03a	5.06±0.02b	5.00±0.01b	5.74±0.01a	5.01±0.02b	4.93±0.06c	5.70±0.02a	5.13±0.04b
土壤铵态氮Soil ammonia nitrogen （mg·kg^-1）	5.19±0.01c	6.54±0.02a	5.50±0.01b	3.39±0.04a	3.20±0.05b	3.33±0.06ab	3.51±0.11b	4.70±0.03a	2.62±0.06c
土壤硝态氮Soil nitric nitrogen （mg·kg^-1）	8.77±0.08b	4.89±0.05c	11.34±0.06a	6.44±0.26b	7.76±0.12a	8.28±0.05a	5.54±0.07b	5.06±0.01c	5.88±0.01a
全氮Total nitrogen （g·kg^-1）	1.92±0.02c	2.11±0.01b	2.25±0.01a	1.65±0.02c	1.78±0.02b	1.91±0.02a	1.58±0.03b	1.61±0.01b	1.65±0.02a
全磷Total phosphorus （g·kg^-1）	0.63±0.01c	0.87±0.01a	0.79±0.01b	0.50±0.01c	0.60±0.03b	0.64±0.03a	0.48±0.03c	0.60±0.01a	0.52±0.01b
全钾Total potassium （g·kg^-1）	14.02±0.06c	14.78±0.04b	15.34±0.05a	14.55±0.01c	15.73±0.03a	15.58±0.02b	14.53±0.02c	14.98±0.04b	15.54±0.03a
碳氮比Carbon to nitrogen ratio	9.05±0.04b	9.21±0.02b	11.22±0.17a	8.48±0.04c	9.24±0.12a	8.81±0.05b	7.95±0.05b	8.36±0.03a	8.39±0.08a
碳磷比Carbon to phosphorus ratio	27.70±0.05b	22.36±0.01c	31.86±0.86a	27.85±0.07a	27.27±0.12b	26.17±0.09c	26.18±0.20a	22.40±0.22b	26.71±0.27a
氮磷比Nitrogen to phosphorus ratio	3.06±0.01a	2.43±0.01c	2.84±0.03b	3.28±0.01a	2.95±0.03b	2.97±0.01b	3.29±0.01a	2.68±0.03b	3.18±0.06a
土壤有机碳Soil organic carbon （g·kg^-1）	17.41±0.05c	19.38±0.01b	25.27±0.46a	14.03±0.04c	16.42±0.19b	16.86±0.07a	12.55±0.08c	13.45±0.07b	13.83±0.05a

图1 不同施肥处理土壤酶活性变化不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。Different lowercase letters indicate significant differences in the same soil layer among different treatments （P<0.05）. CK：未施肥No fertilizer； O：施加有机肥Organic fertilizer； B：施加生物炭Biochar；下同The same below.

Fig.1 Changes in soil enzyme activity under different fertilization treatments

图2 不同施肥处理下土壤胞外酶化学计量比

Fig.2 Soil extracellular enzyme stoichiometric ratios under fertilization treatments

图3 酶化学计量特征与土壤碳氮和碳磷获取酶化学计量比的相对比例

Fig.3 Enzyme stoichiometric characteristics and the reative ratio of soil carbon-nitrogen and carbon-phosphorus acquiring enzyme stoichiometries

图4 碳氮磷相关酶活性的标准主轴回归黑色虚线表示斜率为1.0的参考线，黑色实线表示线性拟合方程。The black dotted line represents a reference lines with a slope of 1.0， and the solid black line represent the linear fitting equation.

Fig.4 Standard major axial regression of enzyme activities related to carbon， nitrogen， and phosphorus

图5 土壤酶活性及其化学计量特征与土壤理化性质的相关性SM：土壤含水量Soil moisture； BD：土壤容重Soil bulk density； pH：土壤pH； NH4+-N：土壤铵态氮Soil ammonia nitrogen； NO3--N：土壤硝态氮Soil nitric nitrogen； TN：土壤全氮Soil total nitrogen； TP：土壤全磷Soil total phosphorus； TK：土壤全钾Soil total potassium； C∶N：土壤碳氮比Soil carbon nitrogen ratio； C∶P：土壤碳磷比Soil carbon phosphorus ratio； N∶P：土壤氮磷比Soil nitrogen phosphorus ratio； SOC：土壤有机碳Soil organic carbon； βG： β-葡萄糖苷酶活性β- glucosidase activity； NAG： β-1，4-N-乙酰葡萄糖苷酶β-1，4-N-acetyl glucosidase； LAP：亮氨酸氨基肽酶Leucine aminopeptidase； ACP：碱性磷酸酶Alkaline phosphatase activity； eC∶N：酶碳氮比Enzyme C∶N； eC∶P：酶碳磷比Enzyme C∶P； eN∶P：酶氮磷比Enzyme N∶P； VL：矢量长度Vector length； VA：矢量角度Vector angle；下同The same below；方框中的绿色和紫色分别代表两个变量之间的正相关和负相关Green and violet in the square represent positive and negative correlations between the two variables， respectively。颜色越深，关系越强The deeper the color， the stronger the relationship. *： P<0.05； **： P<0.01； ***： P<0.001.

Fig.5 Correlation of soil enzyme activities and their stoichiometric characteristics with soil physicochemical properties

图6 土壤理化性质与（a）土壤酶活性以及（b）酶化学计量比的冗余分析

Fig.6 Redundancy analysis of soil enzyme activity， stoichiometry， and physicochemical properties

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有机肥和生物炭添加对亚热带人工草地土壤微生物碳、磷限制的缓解作用

Mitigation of soil microbial carbon and phosphorus limitations through organic fertilizer and biochar inputs in subtropical cultivated grassland

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