张大庚，栗 杰，董 越，肖柄政，黄怡婷，杨思雨

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 100866)

生态化学计量学是研究生物系统的能量和碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素平衡及其耦合关系的科学[1]。C、N、P作为土壤的基本化学组成元素，其计量比直接影响了土壤中C、N、P循环对全球生态系统化学变化的响应[2]。不同类型土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)及全磷(TP)的生态化学计量特征存在一定的差异，重庆市紫色土土壤 C ∶N ∶P约为17 ∶2 ∶1[3]，吉林地区黑土土壤 C ∶N ∶P约为36 ∶3.6 ∶1[4]，中国2 384个0～25 cm土壤剖面 C ∶N ∶P 均值为60 ∶5 ∶1[5]。近年来，有关林地、湿地、草地、耕地等土壤碳氮磷生态计量学的研究不断增加，从新的视角探讨了土壤养分循环、土壤微生物、有机质矿化等相关方面的内容[6-9]。但涉及养分高投入设施菜田土壤C、N、P生态计量比的研究相对较少。与自然生态系统不同，设施栽培过程中盲目和过量施肥现象普遍，再加上相对封闭的特殊环境，导致设施栽培土壤出现次生盐渍化、土壤板结、养分失调、微生物区系失调等诸多退化问题[10]，使其具有特殊的生物化学过程，设施菜田土壤的C、N、P化学计量特征呈现一定的多变性和复杂性。因此，有必要充分了解设施菜田土壤C、N和P生态化学计量特征及其与不同因子之间的相互作用，对阐明设施菜田系统养分循环机制和预测土壤质量演变趋势具有重要的意义。

设施蔬菜是辽宁省农业支柱产业之一，全省蔬菜生产设施面积超过26.67万hm2，种植番茄、茄子、黄瓜、辣椒为主[11]，产量和产值均占全国的15%以上。因此，本试验以辽宁省设施菜田土壤为研究对象，选取种植面积相对较大的大连市瓦房店市、鞍山市海城市和台安县、朝阳市北票市、凌源市和喀喇沁左翼蒙古族自治县、葫芦岛市南票区和绥中县、锦州市凌海市、铁岭市铁岭县、沈阳市辽中区和新民市等12个设施蔬菜种植区，采集165个塑料大棚0～20 cm表层土壤。在室内分析土壤有机碳含量、全氮含量、全磷含量和土壤其他理化性质的基础上，阐明辽宁省不同地区设施蔬菜土壤的C、N、P化学计量特征，揭示影响设施菜田土壤C、N、P生态化学计量比的主体因素，以期为设施菜田土壤养分的均衡增效、平衡施肥提供基础数据和科学依据。

1.1 研究区域概况

研究区为辽宁省主要设施蔬菜产区，共采集12个地区165个塑料大棚，包括辽宁省东部地区大连市14个和鞍山市41个、西部地区朝阳市17个、葫芦岛市14个和锦州市28个以及中部地区铁岭市20个和沈阳市31个。2018年10月调查了各产区设施蔬菜种植年限、施肥方式、肥料类型、施肥数量、作物种类等基本信息。调查区设施蔬菜的栽培年限为2～38年，其中海城和凌海两地设施蔬菜栽培历史较长，建棚时间最长均超过了30年。不同建造年限的设施大棚现均为钢骨架结构，一些建造较早的大棚基本都进行了改建。施肥类型主要是有机肥和化肥，包括少量生物肥料。设施蔬菜种植施入的化肥以氮磷钾复合肥为主，随水施入，施入量为750～1 050 kg/hm2，有些农户会配施一定量的磷酸二铵。有机肥在种植作物前作为底肥施入，施入量为300～375 m3/hm2，有机肥包括牛粪、羊粪、猪粪等不同种类。大多数大棚采用滴灌的方式，并覆有地膜，2015年后新建的大棚一般有自动放风设备。种植的蔬菜以番茄、黄瓜、茄子、辣椒为主。

1.2 土壤样品的采集

在每个设施蔬菜产区选择建设规模相近，种植蔬菜种类具有代表性的大棚采集土样。为减少采用误差，在每个设施蔬菜棚内采用“S”形随机五点采样法，在2棵作物之间采集5个表层土壤(0～20 cm)，混合均匀后取约1 kg装入自封袋中，共165个土样。采集的土样经风干后，剔除石块、植物根茎等杂物，过20目筛备用。

1.3 测定项目与方法

土壤有机碳(SOC)含量测定采用K2Cr2O7-H2SO4消煮法；
全氮(TN)含量测定采用硫酸消煮凯氏定氮法；
全磷(TP)含量测定采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法；
全钾(TK)含量的测定采用NaOH熔融-火焰光度计法；
碱解氮(AN)含量测定采用碱解扩散法；
有效磷(AP)含量测定采用Olson法；
速效钾(AK)含量测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法；
酸碱度(pH值)测定采用电位法(水土比2.5 ∶1)；
土壤电导率(EC)测定采用电导率仪法。

1.4 数据处理

采用SPSS软件进行数据统计和比较分析，用单因方差分析(one-way ANVOA)进行差异显著性分析。土壤碳、氮、磷等因子与全量养分的C/N、C/P、N/P数据作图采用Excel和Origin进行。

2.1 设施菜田土壤有机碳、全氮和全磷含量

由图1可知，受各地区初始土壤类型、施肥量、施肥方式及作物类型差异的影响，辽宁省各地区设施菜田土壤SOC、TN和TP含量分布均存在一定的差异，变异系数均较大。除了朝阳地区TP的变异系数为9.71%，其他地区各指标均高于20%，最高达50.91%。土壤平均SOC含量最高的是大连瓦房店地区，为(35.22±11.26) g/kg(图1-a)。但差异较大的是朝阳和鞍山地区，变异系数均高于40%，其中朝阳地区变异系数达到了47.93%，SOC含量极差达到了54.03 g/kg。变异系数最小的是锦州地区，也达到了27.69%。土壤TN与SOC的分布规律相似，大连瓦房店地区TN含量最高，平均值为(3.61 ±1.05) g/kg(图1-b)。朝阳和鞍山两地变异系数较大，分别为46.26%和45.33%。沈阳地区的TN含量平均值最低，仅为(1.52±0.57) g/kg。设施菜田土壤TP含量的分布与SOC含量和TN含量有一定的差异(图1-c)。其中，鞍山地区土壤TP含量相对较高，平均值为(4.90±0.79) g/kg，中位值在各地区也是最高的，变异系数达33.80%。土壤TP含量最特别的是朝阳地区，TP含量的变异系数仅为9.71%，极差仅为0.63 g/kg，平均值最低，仅为(1.83±0.18) g/kg。

从辽宁省整体来看，设施菜田土壤SOC含量的变化幅度较大，为5.21～68.40 g/kg。从正态分布图(图2-a)来看属于偏态分布，其中偏度为1.056，分布在右侧的数据相对较多(表1)。峰度值为0.922，相对较小，数据分布较平缓，SOC主要分布在10～35 g/kg范围内。土壤TN含量的分布与SOC相似，也属于偏态分布，偏度和峰度值均大于0(表2)，主要集中分布在1～4 g/kg范围内(图2-b)。与土壤SOC含量和TN含量相比，TP含量分布的偏度和峰值最小，均大于0，但小于1，在0.5～7.5 g/kg范围内接近于正态分布(图2-c)。

表1 设施菜田土壤SOC含量、TN含量、TP含量及C、N、P比值的变异系数

表2 设施菜田土壤C、N、P及其比值正态分布统计特征

2.2 辽宁省各地区设施蔬菜土壤C、N、P的比值

从总体来看，辽宁省设施菜田土壤的C/N、C/P和N/P平均值分别为9.92±0.85、8.74±4.21和0.90±0.51。由图3可知，辽宁省各地区设施菜田土壤C/N分布存在一定的差异，但差异相对较小，大部分分布在10.00左右。其中朝阳地区C/N差异最小，变异系数仅为3.53%，差值为1.1。沈阳地区变异系数为13.49%，差值最大，为4.72。其他地区的C/N的变异系数则均低于10.00%。从各地区平均值来看，葫芦岛地区最高，平均值为10.46±0.43，沈阳地区最低，平均值为9.30±1.26。

与C/N相比，设施菜田土壤C/P和N/P变化范围较大，各地区的变异系数均在20.00%以上，最高接近50.00%。其中朝阳地区C/P和N/P相对较高，平均为18.89±4.90和1.92±0.87，变异系数分别是45.60%和47.13%，变化幅度较大。变异系数最小的是铁岭地区，C/P为21.46%，N/P为20.93%。但C/P和N/P平均值最小的是鞍山地区，分别为6.56±1.20和0.65±0.12 。

从正态分布图来看，C/N、C/P和N/P这3个参数分布相对集中(图4)。由表2可知，C/N分布的偏度值为负值，分布偏左，但偏移程度相对较小，峰度值为4.736，分布相对较陡峭，主要集中在9.0～10.0之间。C/P和N/P分布的偏度值则均大于2，因此均属于偏度分布，且偏右。峰度值均相对较高，分布陡峭，特别是N/P的峰度值达到了10.915，分布主要集中在0.48～1.10之间。

2.3 设施菜田土壤生态化学计量比随种植年限的变化

为减少土壤类型对生态化学计量比的影响，以铁岭市铁岭县不同种植年限设施菜田土壤为研究对象(该地原始土壤类型为发育于黄土性母质的棕壤，性质差异相对较小)，进一步分析了土壤C、N、P计量比随种植年限的变化。所选择的大棚种植蔬菜种类以黄瓜和番茄为主，施肥以猪粪和氮磷钾复合肥为主，种植年限为2～28年。从图5可以看出，C/N随种植年限的增加，在设施栽培2～20年之间呈波动变化，无明显变化趋势，在栽培第28年达到了最高值12.03。N/P随种植年限增加呈逐渐降低的趋势，种植2年N/P最高，为1.17，在种植28年时，则降为0.65。C/P随种植年限的增加略有降低，但波动较大，趋势不明显。

2.4 土壤碳、氮、磷比值与理化性质的关系

相关分析结果(表3)表明，设施菜田土壤C/N受土壤理化性质的影响较小，仅与SOC含量呈极显著正相关关系，与有效磷(AP)含量和TP含量呈显著正相关关系，与其他指标之间的相关性均未达到显著水平。C/P则与土壤pH值、碱解氮(AN)含量、SOC含量及TN含量之间均呈极显著正相关关系，与TP含量和AP含量则极显著负相关。N/P与土壤pH值、AN含量、速效钾(AK)、SOC含量及TN含量呈极显著正相关关系，与TP含量呈极显著负相关关系。土壤电导率对C、N、P比值的影响较小，与各比值之间的相关性均未达到显著水平。因此，从相关系数分析，设施菜田土壤中的有机碳含量和土壤全磷含量对C、N、P比值的影响较大。

表3 设施菜田土壤C、N和P比值与理化性质的相关性

3.1 设施菜田土壤SOC含量、TN含量和TP含量特征

土壤中有机碳、全氮和全磷的含量是表征土壤肥力水平的重要元素，是研究土壤生产力元素平衡和生物系统能量平衡过程的重要因素[12-13]。本研究发现，在辽宁省不同地区的设施菜田土壤以及同一地区不同采样点土壤的SOC、TN和TP含量均有较大的差异。在7个采样地区SOC含量的变异系数在27.69%～47.96%之间，TN在29.22%～46.26%之间，TP在9.71%～50.91%之间。除了朝阳地区TP含量的变异系数低于15%，其他地区均高于20%。按照第2次土壤普查土壤养分分级标准，辽宁省设施菜田土壤中的165个采样点SOC含量的平均值为26.56 g/kg，70%以上的采样点土壤有机质处于相对较丰富水平以上；
TN含量的平均值为2.67 mg/kg，83%左右土壤TN含量达到了较丰富的水平以上；
TP含量的平均值为3.32 mg/kg，96%的设施土壤全磷含量处于丰富水平，剩余4%为较丰富水平。辽宁省设施菜田土壤有机质、全氮和全磷的含量均较丰富，其中磷素在土壤中的累积量相对较高。因此，随着种植年限的增加，设施土壤出现了养分富集的状况，这与许多有关设施菜田土壤养分的研究结果[14-16]一致。

由于在设施栽培特殊的环境条件下，蔬菜复种率较高，有机肥和化肥施用量高且频繁，这正是土壤有机碳和氮磷的重要输入途径，从而增加了土壤中C、N、P的含量。据统计，我国典型设施栽培生产基地，每年N、P养分的平均投入量为 4 088、3 656 kg/hm2，且施肥比例(1 ∶0.9)与作物需求比例(1 ∶0.3)严重失衡，造成N、P的养分利用率非常低，仅为24%和8%[17-18]。设施蔬菜种植中常施入大量有机肥作为底肥，约18 000 kg/hm2[19]，由于大棚室内温度较高，加速了土壤中有机肥分解速率，同时由于蔬菜对水分需求较多，土壤湿度大，一定程度上会影响土壤中微生物活性，进而影响有机碳的矿化速率。大量化肥和有机肥的施入加速了土壤中C、N、P的积累，各地区不同施肥量、施肥种类及不同蔬菜品种等均可引起设施菜田土壤SOC、TN和TP含量的差异。

基于165个点设施蔬菜土壤SOC含量、TN含量和TP含量回归拟合分析(图6)表明，SOC含量、TN含量和TP含量之间的拟合程度均较高，相关性均达极显著水平。其中，SOC含量和TN含量的拟合程度最高，r值达到了0.989 8，而 SOC含量和TP含量、TN含量和TP含量之间的拟合程度相对较低，r值分别为0.600 9和0.592 3。说明设施菜田土壤C、N、P间存在一定的耦合关系。

3.2 设施菜田土壤C、N、P生态化学计量比特征

已有研究表明，土壤C、N、P生态化学计量比是反映土壤养分平衡的重要指标[20-21]，能够进一步揭示土壤中养分的转化和循环过程，分析土壤养分之间的耦合关系。土壤C、N、P生态化学计量比的大小不仅受到水热条件、土壤类型和地形地貌等自然因素的影响，同时也受到施肥、耕作方式等人类活动的显著影响[22]。设施菜田土壤在人为活动的强烈影响下，C、N、P计量比必然发生一定的变化。从正态分布图可知，辽宁省设施菜田土壤C/N、C/P和N/P的分布相对集中，C/N主要集中在9.00～11.00之间，共143个采样点，占总采样点的86.7%；
C/P主要集中在4.75～10.00之间，共122个采样点，占总采样点的73.9%；
N/P则主要集中在0.48～1.10之间，共127个采样点，占总采样点的77.0%。其中，设施菜田土壤C/N的变异系数最小，仅为4.7%。因此，虽然受典型设施环境和施肥的影响，不同年限设施菜田土壤全量C、N、P有一定的波动，但C、N、P比值保持相对稳定的状态。

C/N在一定程度上可以反映出土壤中有机物质的分解和矿化程度以及有机物质对土壤肥力的潜在贡献。当C/N大于25时，土壤有机碳含量相对较高，有机质处于积累的过程；
当C/N在12～16之间时，则表示部分有机碳被土壤微生物分解，已发生矿化过程[23]。辽宁省设施菜田土壤C/N均值为9.92±0.85，万欣等研究发现，山东省设施土壤C/N平均值仅为8.4[24]。2个地区的设施菜田土壤的C/N均低于我国农田土壤(11.3)、湿地土壤(18.2)、稻田土壤(14.2)[3，25]。本研究设施菜田土壤C/N与土壤有机碳含量呈极显著正相关，与全氮含量无显著相关性，由此认为土壤中有机碳含量限制C/N的大小。从另一角度也说明了不同类型土壤中有机碳含量的稳定性，湿地和稻田土壤处于还原状态，因此土壤有机碳含量相对稳定，C/N相对较高。而在设施栽培条件下，虽然施入高量的有机肥，但高温高湿的环境条件促进了有机碳的矿化，降低了土壤的C/N。经统计，辽宁省设施蔬菜SOC 与TN 含量呈极显著正相关关系(r=0.989 8，图6)，不同地区不同土壤类型的设施土壤的C/N 较接近(图3)。而且随着种植年限的增加，设施蔬菜土壤的C/N也未发生较大的变化，因此在调查的区域范围内设施蔬菜土壤存在较稳定的C、N 耦合关系。在设施栽培条件下，土壤生物与典型的设施环境之间的相互作用较为剧烈，在多年的种植过程中，虽然人为干扰较强烈，但经过多年的种植土壤生物与环境的协同进化可能已达到一种相对的准平衡状态。土壤C/N与SOC含量呈极显著正相关关系，因此SOC含量一定程度上限制了土壤C/N的大小。

林丽等研究认为，土壤C/P是土壤P素矿化能力的标志，并且在一定程度上对植物生长发育产生重要影响[26]。当C/P较低时，有利于微生物进一步分解有机质释放养分，促进土壤P素的有效化；
当C/P较高时，土壤P素相对较少，不同程度限制微生物对土壤有机物质的分解。辽宁省设施菜田土壤C/P平均值达到8.74±4.21，高于云南省设施土壤C/P(5.33)[27]，但明显低于我国平均水平(136)和全球平均水平(186)[28]，土壤SOC含量与TP含量呈极显著正相关关系。在本研究范围内，C/P与土壤SOC含量呈极显著正相关关系，与TP含量和AP含量均呈极显著负相关关系。在设施蔬菜栽培条件下，P素的施入量高而利用率相对较低，造成了土壤中P素的积累。在设施蔬菜栽培条件下，C/P值过低一方面是因为设施土壤P素过量积累，另一方面在设施条件下土壤有机质分解速度较快，一定程度上也可导致土壤C/P值较低。

土壤N/P是表示土壤有机质的一个有效指标，并且可以判断土壤养分限制情况。辽宁省设施土壤N/P平均值达到0.90±0.51，明显低于全国平均水平9.3和全球平均水平13.1[28]，与山东温室土壤N/P(0.88)[29]接近。在设施栽培过程中，长期施用N、P肥料已证明显著增加了土壤TN和TP含量[30-31]。分析可知，设施土壤N/P与N和P均存在显著相关性。由于设施菜田土壤N/P含量相对较低，也进一步说明了设施土壤中P素的大量累积对N/P的影响相对较大。在当前设施蔬菜栽培N、P肥的高投入背景下，设施蔬菜土壤较低的C/P、N/P 也表明设施蔬菜土壤生态系统存在着P 素的过量累积与总体失衡[32]。长期P 肥投入一定程度上会引起土壤和微生物的C、N 限制，设施蔬菜土壤因P 素盈余，导致P素利用率低，土壤有效P 含量甚至超出环境临界点，产生环境污染。

综上所述，本研究可得出如下结论：(1)辽宁省设施菜田土壤有机碳、全氮和全磷含量平均值分别达到(26.56±7.97)、(2.67±0.79)、(3.32±0.69) g/kg，按照第二次土壤普查土壤养分分级标准，养分含量均处于丰富水平，土壤全量C、N、P之间的相关性均呈极显著正相关。(2)辽宁省设施菜田土壤C/N、C/P、N/P平均值分别为9.92±0.85、8.74±4.21、0.90±0.51，均低于我国农田土壤的平均水平。随着种植年限的增加，设施菜田土壤中C/N保持相对稳定，C/P和N/P则呈略有降低趋势。在设施条件下，有机碳矿化和磷素的累积是影响菜田土壤生态化学计量比的重要因素。

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