1 引言(Introduction)

生态化学计量学作为生态系统养分循环研究的重要工具, 是分析多重元素, 尤其是结构性元素碳(C)与限制性元素氮(N)、磷(P)之间的平衡关系以及生态系统交互影响的理论依据(王绍强等, 2008), 在近年来已成为生态学研究的热点之一(Shi et al., 2016).土壤C、N、P养分的输入/输出之间的平衡耦合及其有效性会影响生态系统碳循环和碳固定效率(区晓琳等, 2018), 而土壤C、N、P的生态化学计量关系能够反映土壤内部生物地球化学循环过程, 如较高的土壤C∶N和较低的C∶P表征生态系统处于初始发育阶段, 进而还可以表征有机质分解程度和土壤肥力状况(王绍强等, 2008；高庆磊等, 2020), N∶P则可以反映土壤养分限制情况(Elser et al., 2014).当前国内对土壤养分生态化学计量学的研究主要集中于湿地、森林、草原、丘陵等生态系统(李占斌等, 2017；陈晓旋等, 2018；徐芷君等, 2019；宁志英等, 2019), 对于农田生态系统, 尤其是南方农田土壤生态化学计量学的研究较少, 因此值得开展进一步的研究.另外, 目前农田生态系统元素生态化学计量关系研究主要是围绕土壤C、N、P 3种元素展开, 其他元素是否存在稳定化学计量关系尚不清楚, 尤其铁元素的生态化学计量学研究鲜见报道.土壤Fe为植物生长提供所需养分, 同时又是土壤中敏感的氧化还原活性金属元素(黎慧娟等, 2011), 在土壤物质循环过程中, 铁(Fe)元素还与C、N、P等元素相互耦合(游萍等, 2016).因此, 应用生态化学计量学原理, 综合研究农田生态系统碳、氮、磷、铁等营养元素之间的平衡关系, 不仅有助于认识农田生态系统的碳汇潜力, 同时对理解农田生态系统如何响应未来全球变暖及人为干扰具有重要意义(李占斌等, 2017).

农田生态系统作为人类活动干扰最频繁的生态系统之一, 耕作活动、灌溉制度和频繁的施肥等关键因素均可能影响其土壤养分和作物生长(高庆磊等, 2020).秸秆还田是我国近年来大力推进的配肥土壤的措施(程娜等, 2020).目前, 作物秸秆作为替代传统有机因素肥的一种农业资源, 直接或间接归还土壤(陈浩等, 2018), 可改善和提高土壤质量, 减少化肥施用量, 为作物生长提供良好的生长环境, 并促进农田生态系统内部的良性循环(龚静静等, 2018).但同时秸秆还田也面临一些问题, 如秸秆还田后只有5.3%~43%的秸秆碳转化为土壤稳定性碳, 而相当一部分秸秆碳会以CO₂或CH₄的形式损失进入大气中, 引起农田温室气体排放增加等一系列的负面效应(蒙世协等, 2012；朱秋丽等, 2017).因此, 选择适宜的配施改良剂增加秸秆还田效果, 对于土壤肥力的提升及固碳减排均具有重要意义.近年来, 有机物料(如木屑、农作物秸秆、动物尸体粪便等)在完全或部分缺氧的情况下通过高温热解反应产生的生物炭在农业上的应用逐渐被关注(张影等, 2019).在农业实践中, 生物炭配合秸秆还田同步施加的研究对象主要侧重于对土壤有机碳及其矿化率(李有兵等, 2019)、土壤团聚体及碳氮磷(朱秋丽等, 2017)、温室气体排放及其综合增温潜势(刘小慧等, 2017)等的影响, 对于土壤碳、氮、磷、铁养分生态化学计量学的研究鲜见报道.此外, 土壤碳动态还可以通过土壤碳库管理指数进行表征, 也是判断有机碳变化的重要依据之一.有研究表明, 秸秆还田能增加土壤活性碳、矿化碳、微生物碳和碳库管理指数(陈尚洪等, 2017)；Kuzyakov等(2014)还认为添加生物炭能有效降低土壤有机碳矿化速率.然而, 秸秆配施生物炭对土壤活性有机碳和碳库管理指数的影响尚不清楚.

福州茉莉花与茶文化系统于2014年4月被授予“全球重要农业文化遗产”称号, 作为福州河滨土地利用的主要类型, 其在护岸促淤、调节气候、保障生物多样性等方面发挥着重要作用(杨文文等, 2017).随着社会经济的快速发展与全球变化加剧, 福州茉莉花遗产地面临诸多威胁与挑战, 因此, 加强茉莉花种植的管理与保护, 对于农业文化遗产传承与茉莉花茶产业发展均具有重要意义.基于此, 本研究综合探讨秸秆还田及其与生物炭配施对福州茉莉花种植园土壤碳、氮、磷、铁含量及其生态化学计量学特征的影响, 并探讨土壤活性有机碳及碳库管理指数的响应, 这对农田有机物资源合理利用、生态环境保护与农业可持续发展均具有重要的现实意义.

2 研究区与研究方法(Study area and methods) 2.1 研究区概况

选取福建省福州市帝封江闽榕茶叶有限公司茉莉种植园(119°20′7″E, 25°59′10″N)作为本试验区(图 1), 试验区属于亚热带季风性湿润气候, 温暖湿润, 雨量充沛, 年平均气温为19.6 ℃, 最冷月为1—2月, 最热月为7—8月, 年均降水量为900~2100 mm, 全年约80%的降雨量集中于5—10月, 全年无霜期为326 d(林贤彪等, 2014；刘旭阳等, 2019).试验样地的土壤质地以粉砂粒为主, 占59%, 砂砾和粘粒的质量分数分别为25%和16%(汪旭明等, 2015).观测期试验区气温变化范围为25.2~34.4 ℃, 相对湿度变化范围为42.0%~83.3%.

茉莉(Jasminum sambac)为多年生灌木, 原产亚热带, 适应高温、沃土的环境条件, 喜温暖湿润, 在通风良好、半阴的环境生长最好, 土壤以含有大量腐殖质的微酸性砂质土壤最为合适(赵银军等, 2011；朱秋丽等, 2016), 茉莉园的土壤种植与其他旱作作物的种植相似, 为垄沟栽培模式.本试验中选取双瓣茉莉为供试品种, 2008年4月由人工扦插进行种植(高10 cm), 茉莉生长阶段分为：枝叶生长期(4月初—5月初)、花蕾萌芽期(5月初—5月下旬)、盛花期(6月初—9月)(Wang et al., 2016).每年3月底—4月初, 气温20 ℃左右时将茉莉剪至7 cm, 剪掉的枝叶一部分用于还田, 一部分运出, 还田量约为3500 kg·hm^-2.此外, 田间施加的肥料类型为俄罗斯产复合肥(N∶P₂Q₅∶K₂O=16%∶16%∶16%), 施肥量为230 kg·hm^-2(Wang et al., 2019).

2.2 试验设计

试验于2015年4月开始, 设置3个处理组, 分别为：对照(无施加)、秸秆、秸秆配施生物炭, 每个处理设置3个重复, 共9个小区, 每个小区面积为10 m², 随机区组排列.为减少大田串水串肥现象, 在小区四周加设保护行, 小区间采用阻止渗透处理, 即在小区四周和田埂插入PVC板(厚0.5 cm), 至地表下20 cm深(Wang et al., 2018).每个试验小区秸秆施加量为3500 kg·hm^-2, 生物炭施加量为8000 kg·hm^-2(朱秋丽等, 2016；Jin et al., 2020), 其中, 秸秆剪成5 cm小段, 生物炭在施加前过2 mm孔筛, 在茉莉移栽前施加到试验田里, 移栽后依据常规统一水肥管理.此外, 供试秸秆来自茉莉花的枝叶, 其碳、氮、磷含量分别为455.73、22.08、1.27 mg·g^-1；生物炭以茉莉的枝叶为原材料, 由江苏省勤丰秸秆科技有限公司制备, 是在相对较低的温度(< 700 ℃)和厌氧条件下热裂解产生的一类富碳产物, 具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和很强的吸附能力等特性.

2.3 土样采集与测定

土样采集：于2015年9月, 在茉莉成熟期采集土壤样品, 在距茉莉植株约10 cm处, 去除表面植被和枯枝落叶后用采土器采集表层0~10 cm深的土壤, 对照、秸秆、秸秆配施生物炭3种样区(各3个重复)共9个土样, 装入自封袋, 并用便携式保温箱密封保存, 带回实验室, 挑去植物残体根系后, 分成2份, 其中一份自然风干后装入自封袋保存待用, 另一份放入4 ℃冰箱冷藏待用.

土样测定：土壤全碳(Total Carbon, TC)和全氮(Total Nitrogen, TN)采用土壤碳氮元素分析仪(Elementar Vario MAX CN, 德国)测定, 全磷(Total Phosphorus, TP)采用硫酸-高氯酸消解后在连续流动分析仪(SKALAR SAN++, 荷兰)上测定(张英利等, 2007).土壤中活性铁(Fe)和二价铁(Fe²⁺)的测定采用邻菲罗啉比色法, 使用紫外可见分光光度计测定, 三价铁(Fe³⁺)为活性铁与二价铁之差(Fe³⁺=Fe-Fe²⁺)(鲁如坤, 1999).土壤活性有机碳(LOC)使用333 mmol·L^-1高锰酸钾氧化法(Blair et al., 1995)提取之后, 采用紫外分光光度计(Shimadzu UV-2450, 日本)测定, 并通过土壤全碳(TC)含量表征土壤总有机碳(SOC)(Sun et al., 2015；王纯等, 2017), 计算土壤活性有机碳占总有机碳的比例(LOC/SOC).土壤容重采用环刀法测定(鲁如坤, 1999)；土壤含水量采用烘干法测定(鲁如坤, 1999)；土壤pH值采用pH计(Starter 300, 美国)测定；土壤盐度(以电导率表征盐度)的测定如下：采用水土质量比为5∶1, 于250 r·min^-1下振荡30 min, 静置30 min后用电导仪(2265FS, 美国)测定.

2.4 土壤碳、氮、磷、铁储量计算方法

土壤表层剖面单位面积一定深度碳、氮、磷、铁储量T(t·km^-2)的计算公式见式(1).

(1)

式中, D为土壤表层容重(g·cm^-3), M为土壤表层碳、氮、磷含量(g·kg^-1), d为土层深度(cm).

2.5 土壤碳库管理指数计算方法

碳库管理指数(CPMI)的计算方法(Zhao et al., 2014)为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中, CPI为碳库指数, CPAI为碳库活度指数, TOC_S为样品总有机碳含量, TOC_R为参考土壤总有机碳含量, CPA_S为样品碳库活度, CPA_R为参考土壤碳库活度, C_N为土壤活性有机碳含量, C_AN为土壤非活性有机碳含量.本文参考土壤选取茉莉园邻近的未进行施加处理的对照土壤作为参考土壤, 并以土壤全碳(TC)含量表征土壤总有机碳(SOC)(Sun et al., 2015；王纯等, 2017).

2.6 数据处理与分析

运用Excel 2016、Origin 2019、SPSS 20.0统计分析软件对测定数据进行整理和绘图.其中, 原始数据的平均值及标准偏差的计算采用Excel 2016软件, 运用Origin 2019软件绘制含量及比值图, 对土壤全碳、全氮、全磷和全铁进行线性拟合并制图.土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、碳铁比(C/Fe)、氮磷(N/P)、氮铁比(N/Fe)、磷铁比(P/Fe)均采用质量比, 施加秸秆与生物炭对茉莉园土壤碳、氮、磷、铁含量及其生态化学计量比的差异性均采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(One-Way ANOVA), 土壤理化性质及碳库管理指数差异性均采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析.采用R语言对土壤理化性质与碳、氮、磷、铁含量及C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe、P/Fe进行相关性分析, 土壤碳、氮、磷、铁储量与C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe、P/Fe也同样进行相关性分析.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 施加秸秆及配施生物炭对茉莉园土壤理化性质的影响

在茉莉园各施加处理下的土壤容重、含水量、pH值、盐度、LOC/SOC比值、Fe²⁺含量、Fe³⁺含量、Fe²⁺/Fe³⁺比值如表 1所示.与对照组相比, 秸秆和秸秆配施生物炭处理土壤容重均显著降低(p < 0.05), 降低比例分别为16.6%和8.4%, 而秸秆和秸秆配施生物炭处理土壤pH和盐度则显著提高(p < 0.05), 其中, 秸秆配施生物炭对土壤pH影响最明显, 较对照显著提高了17.8%；秸秆处理对土壤盐度的影响最明显, 土壤盐度增加至1.62 mS·cm^-1.秸秆和秸秆配施生物炭处理土壤含水量和LOC/SOC比值与对照相比, 变化幅度均较小, 差异不显著(p>0.05).秸秆处理较对照显著增加了土壤Fe²⁺、Fe³⁺含量(p < 0.05), 提高比例分别为38%和19%.此外, 秸秆和秸秆配施生物炭处理土壤Fe²⁺/Fe³⁺比值较对照有所增加, 但差异不显著(p>0.05).

3.2 施加秸秆及配施生物炭对茉莉园土壤碳、氮、磷、铁含量的影响

茉莉园土壤碳、氮、磷、铁含量在不同施加处理下均有不同程度的差异(图 2).土壤全碳含量均值在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为14.26、16.58、22.81 g·kg^-1, 其中, 秸秆配施生物炭处理效果最明显, 较对照显著提高了60.3%(p < 0.05).土壤全氮含量均值在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为1.39、1.68、1.83 g·kg^-1, 秸秆和秸秆配施生物炭处理较对照分别显著提高了20.5%和31.4%(p < 0.05).土壤全磷含量均值在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为0.47、0.61、0.56 g·kg^-1, 秸秆和秸秆配施生物炭处理较对照分别显著提高了29.3%和20.2%.此外, 秸秆处理下土壤活性铁含量较对照提高了21.8%, 差异性达到显著水平(p < 0.05), 而秸秆配施生物炭处理较对照处理的土壤活性铁含量降低幅度较小, 差异不显著(p>0.05).

3.3 土壤碳、氮、磷、铁含量的回归分析

通过对4种土壤碳、氮、磷、铁元素进行回归拟合分析(图 3)发现, 从斜率上来看, 碳与氮之间拟合程度高, 相关性显著(r=0.888, p < 0.01)；氮与磷之间拟合程度较高, 相关性显著(r=0.750, p < 0.05)；此外, 磷与铁之间也呈现良好的线性拟合关系, 相关性显著(r=0.690, p < 0.05), 而碳与磷、碳与铁、氮与铁之间拟合程度相对较低, 离散程度较大, 无明显相关性, 这表明在施加处理下, 碳和氮含量的变化几乎同步, 而氮和磷含量、磷和铁含量也呈现较为同步的变化幅度.

3.4 施加秸秆及配施生物炭对茉莉园土壤碳、氮、磷、铁生态化学计量学特征的影响

不同施加处理下茉莉园土壤碳、氮、磷、铁生态化学计量比特征如图 4所示.由图 4可知, 土壤C/N均值和标准差在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为10.26±0.3、9.88±0.22、12.47±0.03, 变异系数分别为3.48%、0.21%、0.25%, 其中, 秸秆配施生物炭处理下土壤C/N较对照显著提高了21.5%(p < 0.05).土壤C/P均值和标准差在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为30.42±0.42、27.38±0.60、40.48±0.29, 变异系数分别为1.37%、2.20%、0.72%；此外, 相比于对照处理, 秸秆处理土壤C/P显著降低了10.0%(p < 0.05), 而秸秆配施生物炭处理土壤C/P显著提高了33.1%(p < 0.05).土壤C/Fe均值和标准差在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为2.57±0.07、2.46±0.11、4.16±0.11, 变异系数分别为2.78%、4.58%、2.69%, 其中, 秸秆配施生物炭处理下土壤C/Fe较对照显著提高了62.1%.土壤N/P均值和标准差在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为2.97±0.13、2.77±0.06、3.25±0.02, 变异系数分别为4.36%、2.03%、0.64%, 其中, 秸秆配施生物炭处理下土壤N/P较对照显著提高了9.2%(p < 0.05), 而秸秆处理N/P变化幅度较小, 与对照无显著差异(p>0.05).土壤N/Fe均值和标准差在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为0.25±0.01、0.25±0.01、0.33±0.01, 变异系数分别为4.25%、4.50%、2.54%, 其中, 秸秆配施生物炭处理下土壤N/Fe较对照显著提高了33.2%(p < 0.05), 而秸秆处理N/Fe变化幅度较小, 与对照无显著差异(p>0.05).土壤P/Fe均值和标准差在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为0.08±0、0.09±0、0.10±0, 变异系数分别为3.96%、3.10%、1.99%, 其中, 秸秆配施生物炭处理下土壤N/Fe较对照显著提高了21.7%(p < 0.05).综合来看, 秸秆配施生物炭施加处理下的C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe和P/Fe比值均大于对照和秸秆处理, 差异性达到显著水平(p < 0.05).

土壤C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe、P/Fe与土壤C、N、P、Fe含量之间的相关关系见图 5.综合来看, 茉莉园土壤C/N与TC呈显著正相关(r=0.89, p < 0.01)；土壤C/P与TC呈显著正相关(r=0.88, p < 0.01)；土壤C/Fe与TC呈显著正相关(r=0.94, p < 0.01), 与TN呈显著正相关(r=0.70, p < 0.05)；N/P与Fe呈显著负相关(r=-0.70, p < 0.01)；N/Fe与TC呈显著正相关(r=0.91, p < 0.01), 与TN呈显著正相关(r=0.73, p < 0.05)；P/Fe与TC呈显著正相关(r=0.90, p < 0.01), 与TN呈显著正相关(r=0.79, p < 0.05).此外, C/N、C/Fe、N/Fe、P/Fe之间均存在显著正相关关系(p < 0.01), C/P、C/N、C/Fe、N/Fe之间均呈显著正相关(p < 0.01), C/P与P/Fe呈显著正相关(r=0.78, p < 0.05), N/P、C/P、C/Fe、N/Fe之间均存在显著正相关关系(p < 0.01), N/P与C/N呈显著正相关(r=0.69, p < 0.05).

3.5 环境因子对土壤碳、氮、磷、铁含量及其生态化学计量比的影响

为了解环境因子对土壤碳、氮、磷、铁含量及其生态化学计量比的影响, 本研究对TC、TN、TP、Fe及C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe、P/Fe比值分别与环境因子(容重、含水量、pH值、盐度、LOC/SOC比值、Fe²⁺含量、Fe³⁺含量、Fe²⁺/Fe³⁺)进行主成分分析(PCA)(图 6).从图 6a中可以看出, 提取的前2个主成分的方差累计贡献率为77%, 轴1和轴2的解释程度分别为46.1%和30.9%, 说明这两个成分是影响施加处理下土壤碳、氮、磷、铁与环境因子变化的主要贡献者.其中, 对照处理与秸秆处理分别位于PC2轴的两端, 土壤性质的变化幅度相反, 秸秆处理土壤比对照处理土壤具有更高的全磷含量和活性铁含量, 这与秸秆处理较高的土壤盐度、含水量、Fe²⁺含量、Fe³⁺含量、Fe²⁺/Fe³⁺比值有关(图 6a).此外, 秸秆配施生物炭处理相比于对照和秸秆处理有更高的全碳和全氮含量, 这与其较高的pH值有关.图 6b中提取的前2个主成分的方差累计贡献率为78.2%, 轴1和轴2的解释程度分别为53.7%和24.5%, 说明这两个成分是影响施加处理下土壤碳、氮、磷、铁生态化学计量比与环境因子变化的主要贡献者.其中, 秸秆处理与秸秆配施生物炭处理沿PC1轴两端分开, 秸秆配施生物炭处理较秸秆处理趋向于更高的C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe、P/Fe和pH值, 而秸秆处理较对照处理趋向于较高的P/Fe、土壤盐度、含水量、Fe²⁺含量、Fe³⁺含量、Fe²⁺/Fe³⁺比值.

各施加处理下土壤C、N、P、Fe及其生态化学计量比与环境因子的综合相关性分析(图 5)显示, 茉莉园土壤TC与TN、pH呈显著正相关(r=0.89、0.99, p < 0.01)；TN与TP呈显著正相关(r=0.75, p < 0.05)；TP与盐度呈显著正相关(r=0.85, p < 0.01), 与Fe²⁺含量呈显著正相关(r=0.69, p < 0.05), 与容重呈显著负相关(r=-0.88, p < 0.01)；Fe与盐度、Fe²⁺含量、Fe³⁺含量呈显著正相关(r=0.85、0.86、0.98, p < 0.01).此外, 环境因子对C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe和P/Fe比值也存在一定的影响, 综合来看, C/N、C/P、C/Fe、N/Fe、P/Fe与pH呈显著正相关(r=0.83、0.86、0.91、0.89、0.91, p < 0.01)；N/P与LOC/SOC和Fe³⁺含量呈显著负相关(r=-0.73、-0.69, p < 0.05).

3.6 施加秸秆及配施生物炭对茉莉园土壤碳、氮、磷、铁储量的影响

不同施加处理下茉莉园土壤碳、氮、磷、铁储量变化见图 7.茉莉园0~10 cm土壤的碳储量均值和标准差在对照处理、秸秆处理、秸秆配施生物炭处理下分别为(2383.76±60.39)、(2311.16±49.16)、(3492.97±29.77) t·km^-2, 变异系数分别为2.53%、2.13%、0.85%；土壤氮储量均值和标准差分别为(233.17±13.47)、(234.03±5.45)、(280.20±3.04) t·km^-2, 变异系数分别为5.78%、2.33%、1.08%；土壤磷储量均值和标准差分别为(78.33±1.25)、(84.56±3.54)、(86.29±0.98) t·km^-2, 变异系数分别为1.60%、4.19%、1.14%.其中, 秸秆配施生物炭处理土壤碳储量、氮储量、磷储量较对照处理分别显著提高了46.5%、20.2%、10.2%(p < 0.05).此外, 不同施加处理下, 茉莉园土壤铁储量表现为秸秆处理>对照处理>秸秆配施生物炭处理, 但各处理之间变化幅度不大, 差异性不显著(p>0.05).

土壤碳、氮、磷、铁储量与土壤碳、氮、磷、铁生态化学计量比的综合相关关系见图 8.综合来看, 茉莉园土壤碳储量与C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe、P/Fe均呈显著正相关(r=0.93、0.97、0.97、0.82、0.93、0.82, p < 0.01)；土壤氮储量与C/P、N/P、C/Fe、N/Fe均呈显著正相关(r=0.85、0.85、0.84、0.86, p < 0.01), 与C/N和P/Fe均呈显著正相关(r=0.73、0.69, p < 0.01)；土壤铁储量与C/Fe、N/Fe、P/Fe均呈显著负相关(r =-0.72、-0.74、-0.80, p < 0.05).

3.7 施加秸秆及配施生物炭对茉莉园土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数(CPMI)是评价土壤有机碳质量的指标.将茉莉邻近的未进行施加处理的对照作参考土壤, 计算不同施加处理下活性有机碳和碳库管理指数的变化(表 2).由表 2可知, 不同施加处理下, 茉莉园土壤活性有机碳(C_N)均值表现为秸秆处理>秸秆配施生物炭处理>对照处理, 而土壤非活性有机碳即稳态碳(C_NA)均值则表现为秸秆配施生物炭处理>秸秆处理>对照处理, 因此, 土壤碳库活度(CPA)均值表现为对照处理>秸秆处理>秸秆配施生物炭处理, 变异系数分别为29%、10%、12%；秸秆配施生物炭处理土壤碳库活度指数(CPI)较对照处理和秸秆处理分别提高了60.0%、37.6%(p < 0.05).此外, 秸秆处理下土壤碳库活度指数(CPAI)和碳库管理指数(CPMI)与对照土壤相比有所增加, 但差异性不显著(p>0.05), 而秸秆配施生物炭处理下土壤碳库活度指数(CPAI)和碳库管理指数(CPMI)与对照土壤相比显著降低(p < 0.05).

4 讨论(Discussion) 4.1 秸秆和生物炭对土壤碳和养分含量的影响

本试验中, 施加秸秆及其配施生物炭处理均显著增加了0~10 cm表层土壤的碳、氮含量, 土壤碳、氮含量基本表现为秸秆配施生物炭处理>秸秆处理>对照处理.其中, 施加秸秆对土壤碳、氮含量的增加效应主要是因为茉莉秸秆含有丰富的有机质, 作为土壤有机碳的重要来源, 其还田后可以直接增加土壤的碳、氮含量(刘小慧等, 2017)；其次, 本研究中发现秸秆施加后表层土壤容重和含水量显著提高, 这是因为秸秆在土壤中经过腐解过程作为一种有机物料增加了土壤有机质的积累, 同时有利于增加土壤孔隙, 降低土壤容重, 改善土壤通气性和水分状况, 增加土壤微生物多样性与活性, 从而促进土壤碳、氮元素的循环(庞党伟等, 2016；龚静静等, 2018)；此外, 还田到土壤中的茉莉秸秆腐解后释放大量的氮素, 土壤有机质的提高和微生物氮的增加有利于吸附和固持更多的NH₄⁺(Shan et al., 2013；薛斌等, 2017；陈洁等, 2018), 降低或抑制地表土壤全氮的损失, 从而提高土壤的供氮能力(张静等, 2010；钱凤魁等, 2014).与单施秸秆相比, 秸秆还田配施生物炭更加显著地增加了表层土壤碳、氮含量, 施加效果最为明显, 这主要是因为本研究中由茉莉枝叶制备的生物炭富含碳水化合物和长链烯烃等有机大分子, 含碳量高达45.57%(朱秋丽等, 2016), 施加到土中可以直接提高土壤的有机碳含量, 增强土壤肥力；其次, 生物炭的碱性属性使其施入土壤后显著提高了土壤的pH值及盐基饱和度(Gwenzi et al., 2015), 这对于改良茉莉园酸性土壤至更适宜生长的中酸性土壤有显著的效果, 可进一步促进土壤微生物的繁殖与活动, 加速土壤中秸秆分解和养分释放, 从而增加土壤中的碳、氮含量, 促进植物的生长(曲晶晶等, 2012；刘小慧等, 2017)；此外, 生物炭因具有较大的比表面积、发达的孔隙结构、较高的阳离子交换量(Elad et al., 2010; Graber et al., 2010; Lehmann et al., 2011), 施用生物炭可以增加土壤中氮的吸持能力, 增强土壤中有机质含量及养分有效性, 并且削减田面水中氮流失, 更好地固持土壤氮素(冯轲等, 2016；李卓瑞等, 2016；吴蔚君等, 2018).

本研究还发现, 秸秆处理显著增加了茉莉园0~10 cm表层土壤磷含量, 表现为秸秆处理>秸秆配施生物炭处理>对照处理, 这与盖霞普等(2015)及陶军等(2010)的研究结果一致.这是因为秸秆还田使土壤中的微生物获得丰富的碳源, 导致土壤微生物大量繁殖, 而微生物活动明显提升了土壤水溶性磷含量(Lu et al., 2015；Peng et al., 2016), 这一部分属于土壤磷的易溶部分, 可被植物直接吸收利用, 与植物磷营养的相关性最为密切(陆文龙等, 2017), 并且在茉莉园雨季或者是灌水时期, 秸秆的施加也可减少可溶性磷的流失, 在一定程度上提高了土壤全磷的含量(朱坚等, 2016；龚静静等, 2018).此外, 秸秆配施生物炭处理相比于对照土壤全磷含量也显著增加, 这可能是因为生物炭的多孔特性和粗糙表面特性能够为微生物生存提供附着点和较大空间(Han et al., 2020), 且生物炭表面的有机官能团可以提升土壤对HPO₄^2-的吸收能力, 减少磷的流失(陶军等, 2010).另外, 本研究土壤铁含量变化范围为5.49~6.77 g·kg^-1, 这与先前刘旭阳等(2018)在同一样地的试验结果较为一致, 其中, 秸秆处理显著增加了茉莉园表层土壤铁含量.这可能是因为秸秆还田促进了茉莉根系分泌柠檬酸等低分子有机酸, 其对土壤铁有活化作用(曾清如等, 2001), 且促进了土壤中铁形态的迁移, 把铁由土壤中层迁移到土壤表层, 并富集到植物体内.

4.2 不同施加处理下土壤元素生态化学计量学特征及其指示作用

土壤全氮主要来源于土壤中植物残体分解与合成形成的有机质(朱秋丽等, 2016), 因此, 土壤C/N比是表征有机物腐殖化程度的一个指标, C/N比越低, 表明有机物的腐解程度越高(潘剑玲等, 2013).本研究中秸秆处理土壤C/N比要低于秸秆配施生物炭处理, 这是因为秸秆在腐解过程中, C的矿化分解程度大于N的分解程度, 且还田后的秸秆本身会释放较多的氮素(龚静静等, 2018), 因此, 秸秆处理土壤C/N比相对较低, 这也与众多学者的研究一致(Cabiles et al., 2008; Zhang et al., 2015), 即秸秆的腐解速率与秸秆还田到土壤后的C/N比密切相关, C/N比越小, 则秸秆的腐解速率越快.生物炭本身含碳量较高, 具有较高的C/N比, 秸秆配施生物炭施加后可以显著增加土壤的C/N比.

土壤C/P通常被认为是土壤磷素矿化的标志或是从环境中吸收固持磷素潜力的一种指标(区晓琳等, 2018).本研究中秸秆配施生物炭处理土壤磷素迁移速率较高, C/P较高, 说明土壤微生物对土壤有效磷有同化趋势, 易出现微生物与植物竞争性吸收土壤有效磷的现象, 具有较强的固磷潜力(Cleveland et al., 2007; Chen et al., 2012).土壤N/P比可用作氮饱和的诊断指标(刘明辉等, 2010), 也是作为限制性养分判断的重要指标, 其较低的比值一般反映植物受到N限制, 指示着较高的初级生产力(Zhang et al., 2015).土壤N/P比值为秸秆配施生物炭处理>对照处理>秸秆处理, 均值为2.77~3.25, 低于我国土壤N/P比的平均值(3.9)(Tian et al., 2010), 这表明本研究中在施加处理下茉莉的生长主要受到氮的限制, 且秸秆处理下土壤N/P比要低于秸秆配施生物炭处理.这主要是因为相比于秸秆配施生物炭处理, 秸秆处理下土壤的氮元素流失量相对较大, 且由于受到施肥和福州多雨季节的冲刷效应(刘旭阳等, 2019), 全氮流失量会出现一些峰值, 但秸秆处理下土壤的磷元素迁移速率相对较低, 因此, 较低的氮、较高的磷积累模式, 形成较低N/P比.

本研究中, 土壤C/Fe、N/Fe、P/Fe比值均表现为秸秆配施生物炭处理大于对照处理和秸秆处理, 这与秸秆配施生物炭处理有较高的土壤碳、氮、磷含量及较低的铁含量有关, 且土壤C/Fe、N/Fe、P/Fe均与C/N存在显著正相关关系(p < 0.01), 表明C、N元素与Fe元素有较强的耦合关系.有研究表明, 有机质是影响铁转化的重要因素, 这是因为有机质为铁还原菌提供碳源(游萍等, 2016)；同时, 有机质是土壤中电子的主要来源和有效的络合剂, 能够影响土壤的pH和氧化还原电位, 从而影响铁的还原与迁移, 具体机制还需要进一步研究(刘铮等, 1991；廖万有等, 1998).此外, 土壤C/Fe、N/Fe、P/Fe均与pH存在显著正相关关系(p < 0.01), 这可能与生物炭的碱性特性有关.

4.3 秸秆和生物炭对土壤碳库管理指数的影响

在田间生态系统中, 土壤有机碳积累水平主要依赖输入(如田间作物残体和外源有机物添加等)与输出(土壤原有有机质分解)之间的平衡(潘根兴等, 2007；程娜等, 2020).土壤碳库管理指数(CPMI)可作为土壤有机碳总量和质量变化的较为系统和敏感的监测指标, 是土壤管理引起土壤有机质变化的重要依据(Vieira et al., 2007).前人研究表明CPMI值越大, 表征碳库活度和质量也就越高(吴建富等, 2013；张鹏等, 2019).本研究发现, 秸秆施加处理提高了土壤活性有机碳(C_N), 增加了土壤碳库活度指数(CPAI)和土壤碳库管理指数(CPMI)；秸秆配施生物炭处理同样大幅提升了土壤总有机碳含量, 并显著提高了土壤碳库指数(CPI), 但这部分主要是活性较低的稳态碳(C_NA), 因此, 秸秆配施生物炭降低了土壤碳库活度(CPA)、土壤碳库活度指数(CPAI)和土壤碳库管理指数(CPMI).这与王宏燕等(2017)及张影等(2019)的研究结果一致.从土壤肥力角度考虑, 活性有机碳含量高有利于矿化分解, 在短期内可以显著提高土壤有机碳活度和养分含量(彭新华等, 2004), 且尹云锋等(2007)研究指出, 添加玉米秸秆显著促进了红壤原有有机碳和重组有机碳的分解, 土壤原有有机碳分解速率随着秸秆施用量的增多而加快, 这表明秸秆矿化强烈, 在短期内对土壤有机碳储量的提升较小；此外, 已有研究表明, 在短期内, 全量秸秆还田有助于降低总体温室气体的排放量, 但长期进行秸秆还田后的降低幅度会逐渐减小, 而增温潜势却不断增加(陈浩等, 2018), 如表现为农田增加甲烷的温室效应会大幅度抵消土壤固碳的减排效益(逯非等, 2010；张岳芳等, 2012；Pandey et al., 2012), 对环境造成负面影响.因此, 从土壤固碳角度考虑, 稳定性有机碳含量的增加更有利于土壤有机碳固定(李新华等, 2016), 即秸秆配施生物炭是更好的利用措施.这是因为生物炭本身高度芳香化的结构, 使其具有更高的生物化学和热稳定性, 施用生物炭可以显著提高土壤稳定性碳库贮量(姜志翔等, 2013；陈温福等, 2014).有学者研究发现, 生物炭的活性碳库和稳态碳库在土壤中的平均停留时间分别约为108 d和556 d, 碳库大小分别占3%和97%, 其中3%的生物炭是生物可利用性的, 而其余97%则直接在土壤中长期碳封存, 这表明生物炭的施加更有利于增加土壤碳汇, 提升土壤有机碳库的稳定性(Wang et al., 2016; Zheng et al., 2016).此外, 生物炭的多孔隙特性有助于吸附土壤易溶有机碳, 抑制土壤微生物的活性(张影等, 2019), 因而降低了土壤有机碳矿化作用, 提升了土壤“固碳减排”能力(图 9).关于秸秆配施生物炭在茉莉园土壤中的转化、固定及养分循环机制在今后仍然需要做进一步的研究.

5 结论(Conclusions)

1) 不同施加处理下, 茉莉园土壤TC、TN含量均值基本表现为秸秆配施生物炭处理>秸秆处理>对照处理(p < 0.05), TP含量均值表现为秸秆处理>秸秆配施生物炭处理>对照处理(p < 0.05), 土壤Fe含量均值表现为秸秆处理大于对照和秸秆配施生物炭处理, 显著增加了茉莉园表层土壤铁含量(p < 0.05).

2) 秸秆配施生物炭处理较对照和秸秆处理提高了土壤C/N、C/P、C/Fe、N/P、N/Fe、P/Fe(p < 0.05)；茉莉园0~10 cm土壤碳储量、氮储量、磷储量均值基本表现为秸秆配施生物炭处理显著高于对照处理(p < 0.05), 土壤铁储量表现为秸秆处理>对照处理>秸秆配施生物炭处理, 但各处理之间变化幅度不大, 差异性不显著(p>0.05).

3) 秸秆施加处理提高了土壤活性有机碳(C_N), 增加了土壤碳库活度指数(CPAI)和土壤碳库管理指数(CPMI)；秸秆配施生物炭处理同样大幅度提升了土壤总有机碳含量, 并显著提高了土壤碳库指数(CPI), 但这部分主要是活性较低的稳态碳(C_NA), 因此, 秸秆配施生物炭降低了土壤碳库活度(CPA)、土壤碳库活度指数(CPAI)和土壤碳库管理指数(CPMI).从土壤固碳角度考虑, 秸秆配施生物炭是更合理的利用措施.