土壤是生态系统的重要组成部分, 是植物生长发育的基础[1], 碳(C)、氮(N)、磷(P)和钾(K)等化学元素是植物生长的必需元素, 直接影响植物的生长发育、土壤微生物的活动以及土壤的养分循环[2].生态化学计量学是一门研究生态系统中多种化学元素(主要是C、N和P)平衡关系和相互作用的科学[3, 4], 其认为有机体的元素组成(C、N和P)比例是稳定的, 其中任何一种元素的变化都会改变这个比值[5], 可以用于研究土壤生态系统中养分循环和判断其养分限制因子[6].目前, 生态化学计量学理论已在植物组织、森林群落、植物对环境的响应、土壤的养分循环、微生物元素的动态变化等方面得到广泛应用[7~10].我国土壤受区域水热条件及成土作用的影响, C、N和P含量差异较大[11], 且人类活动也显著改变土壤C、N和P含量及其化学计量比, 并影响其相互间的耦合关系[12, 13].施肥和耕作是农业生产活动最主要的方式, 但关于长期不同施肥和耕作方式下土壤C、N、P和K含量及化学计量比变化特征的研究还较少见, 且上述元素及其化学计量比间的耦合机制也尚不清楚[14].

紫色土是在亚热带气候条件下由紫色砂、页岩发育而来的一种岩性土, 其养分含量丰富, 肥力高, 但其质地松软, 结构松散, 极易发生土壤侵蚀, 导致养分大量流失, 土地生产力急剧下降[15].目前, 已有大量研究报道了紫色土坡耕地养分流失、产流产沙等方面的特征[16~19], 而针对长期施肥和耕作对土壤C、N、P和K含量及化学计量比变化特征的研究却还较少见.因此, 本文基于紫色土坡耕地长期不同施肥水平和耕作方式的定位试验, 分析土壤C、N、P和K含量及其化学计量比变化特征, 揭示它们间的耦合关系, 并明确该区土壤养分限制因子, 以期为紫色土坡耕地土壤施肥管理及农业面源污染防治提供科学依据.

本试验位于重庆市西南大学后山水土保持试验基地(106°24′20″E, 29°48′42″N).该试验基地是农业部南方山地丘陵区种植业面源污染地表径流监测试验点之一.试验区属亚热带季风气候区, 年平均降雨量1 100 mm, 且降雨主要集中在5~9月.该区年平均气温18.3℃, 平均日照时数1 270 h, 无霜期334 d.试验基地土壤类型为紫色土, 成土母质为中生代侏罗纪沙溪庙组紫色砂泥岩.

在坡度为15°的紫色土坡面上, 建立15个小区, 规格为32 m2(长8 m×宽4 m), 各小区之间用水泥田埂隔开, 埂宽25 cm, 埂体高出地面20 cm, 小区内垄高5~8 cm, 垄宽40~50 cm, 垄距40 cm.各小区均为冬小麦-夏玉米轮作, 开展长期定位施肥和耕作试验(始于2008年).试验共设置5个处理(每个处理设置3个重复, 图 1)：顺坡无施肥对照处理(CK)、顺坡复合施用有机肥和化肥处理(T1)、顺坡单施化肥处理(T2)、顺坡单施化肥增量处理(T3)和横坡单施化肥处理(T4).试验执行期间每年施肥量保持一致, 具体施肥量见表 1.其中, 氮、磷、钾肥分别采用尿素、过磷酸钙、氯化钾.尿素含N≥46.4%, 过磷酸钾含P2O5≥12%, 氯化钾含K2O≥60%, 有机肥为农家肥(猪粪尿), 含有机C 4.31%、N 0.24%、P2O5 0.17%和K2O 0.21%.

施肥方法：施肥方式为撒施, 冬小麦播种前施底肥, 次年2月施追肥；夏玉米播种前施底肥, 同年5月下旬施追肥.

轮作模式：试验小区为冬小麦-夏玉米轮作模式.冬小麦采用穴播的方式, 固定30 cm×30 cm的株行距；夏玉米则采用移栽的方式, 固定40 cm×150 cm的株行距.

播种及收获时间：冬小麦播种时间为上年11月上旬, 当年5月中旬收获；夏玉米为当年3月开始育苗, 4月中旬移栽, 8月上旬收获.

作物品种：冬小麦的品种为“渝麦7号”；夏玉米的品种为“中糯309”.

本研究于2018年玉米收获后采集土样.采用梅花形布点法, 在各小区分别选取5个点, 共计75个点(5个处理×3个重复×5个点).采用直径5 cm不锈钢土钻在每个点分别采集0~10 cm和10~20 cm土层的土样, 将同一小区相同土层不同点位的土壤混合均匀, 用四分法剔除多余土壤, 并采集1 kg左右的混合样品带回实验室, 弃除砾石、草根等杂物, 风干后研磨过0.25 mm筛以备化学分析.C、N、P和K含量均采用常规方法测定[20]：土壤有机C采用重铬酸钾容量法测定, 全N采用半微量开氏蒸馏法测定, 全P采用钼蓝比色法测定, 全K采用火焰光度法测定.

土壤C、N、P和K的化学计量比均采用摩尔质量比[14, 21].利用SPSS 18.0软件进行数据处理和分析.采用单因素方差(One-way ANOVA)对不同处理土壤的C、N、P和K的含量及化学计量比进行分析, 用Duncan法进行多重比较；采用独立样本t检验比较相同处理不同土层间的C、N、P和K的含量及化学计量比的差异性.利用Pearson相关分析探究C、N、P和K含量与化学计量之间的关系.本文显著水平为：P < 0.05为差异显著, P < 0.01为差异极显著.采用变异系数(CV)评价试验区C、N、P和K的含量及化学计量比的变异程度, 当CV < 15%时为弱变异, 15% < CV < 75%之间为中等变异, CV>75%时为强变异[22, 23].采用AutoCAD 2014和Originlab 2018绘图.

长期施肥和耕作下, 各处理不同土层C、N、P和K含量如图 2所示.可以看出, 除T3下N和P以及T4下N含量在不同土层(0~10 cm和10~20 cm)间差异不显著(P>0.05)以外, 其他处理下0~10 cm土层的C、N和P含量显著高于10~20 cm土层(P < 0.05).相同处理下各土层K含量差异不显著(P>0.05).

0~10 cm土层中, 各施肥处理间C、N和P含量差异显著(P < 0.05), 且均显著高于CK(P < 0.05)；各施肥处理间K含量差异不显著(P>0.05), 但显著高于CK(P < 0.05).与CK相比, T1、T2、T3和T4处理下C含量分别增加了176.05%、36.48%、82.06%和61.98%, N含量增加了173.07%、26.55%、57.22%和49.03%, P含量增加了102.40%、47.84%、76.83%和65.97%, K含量增加了10.56%、11.64%、12.81%和13.20%.试验区0~10 cm土层C、N和P含量的CV值分别为38.56%、41.32%和24.24%, 为中等变异, K含量CV值为5.01%, 为弱变异. 10~20 cm土层中, 各施肥处理间C、N和P含量差异显著(P < 0.05), 且均显著高于CK(P < 0.05)；各施肥处理间K含量差异不显著(P>0.05), 但显著高于CK(P < 0.05).与CK相比, T1、T2、T3和T4处理下C含量分别增加了190.23%、60.84%、141.21%和126.55%, N含量增加了191.13%、22.61%、75.41%和39.13%, P含量增加了114.37%、54.67%、97.67%和90.98%, K含量增加了10.92%、11.47%、12.86%和13.34%.试验区10~20 cm土层C、N和P含量的CV值分别为36.44%、36.50%和26.45%, 为中等变异, K含量的CV值为5.04%, 为弱变异.

长期施肥和耕作下, 各处理不同土层土壤C、N、P和K化学计量比如图 3所示.可以看出, 在各土层之间(0~10 cm和10~20 cm), CK处理下C:N、C:P、N:P和P:K差异不显著(P>0.05), C:K和N:K差异显著(P < 0.05)；T1处理除了N:P和P:K差异不显著(P>0.05)外, 其他化学计量比差异显著(P < 0.05)；T2处理C:N、C:K和N:K差异显著(P < 0.05), C:P、N:P和P:K差异不显著(P>0.05)；T3处理除了C:N和C:K差异显著外(P < 0.05), 其他化学计量比差异都不显著(P>0.05)；T4处理仅C:K差异显著(P < 0.05), 其他化学计量比差异均不显著(P>0.05).

0~10 cm土层中, 各施肥处理间除了C:N间差异不显著(P>0.05), 其他化学计量比均差异显著(P < 0.05).与CK相比, T2、T3和T4处理下C:N分别增加了6.38%、14.39%和7.49%, T1处理降低了0.25%；T1和T3处理下C:P分别增加了35.75%和3.46%, T2和T4处理分别降低了8.05%和3.06%；T1、T2、T3和T4处理下C:K分别增加了150.66%、23.04%、62.15%和43.79%；T1处理的N:P增加了36.39%, T2、T3和T4处理分别降低了13.64%、9.95%和9.85%；T1、T2、T3和T4处理下N:K分别增加了142.65%、11.60%、37.03%和29.35%；T1、T2、T3和T4处理下P:K分别增加了81.19%、31.75%、55.22%和45.22%.C:N、C:P、C:K、N:P、N:K和P:K的变化范围分别7.62~8.74、14.59~21.54、0.59~1.48、1.80~2.84、0.08~0.19和0.04~0.07, 平均值分别为8.07、16.76、0.92、2.09、0.11和0.05.C:N的CV值为5.73%, 为弱变异, C:P、C:K、N:P、N:K和P:K的CV值分别为16.44%、36.98%、20.52%、39.96%和21.34%, 为中等变异.

10~20 cm土层中, 各施肥处理间C:P差异不显著(P>0.05), C:N、C:K、N:P、N:K和P:K间差异显著(P < 0.05).与CK相比, T1、T3和T4处理下C:N分别增加了0.31%、7.86%和21.62%, T2处理降低了2.34%；T1、T2、T3和T4处理下C:P分别增加了35.37%、4.25%、22.61%和18.70%；T1、T2、T3和T4处理下C:K分别增加了160.35%、43.56%、112.49%和98.80%；T1、T2和T3处理的N:P增加了35.73%、7.62%和14.65%, T4处理降低了1.46%；T1、T2、T3和T4处理下N:K分别增加了142.65%、11.60%、37.03%和29.35%；T1、T2、T3和T4处理下P:K分别增加了94.51%、39.61%、76.20%和69.68%.C:N、C:P、C:K、N:P、N:K和P:K的变化范围分别6.05~7.54、11.66~15.78、0.33~0.86、1.84~2.54、0.05~0.14和0.03~0.05, 平均值分别为6.54、13.84、0.60、2.08、0.09和0.04.C:N、C:P和N:P的CV值分别为9.30%、12.31%和13.58%, 为弱变异, C:K、N:K和P:K的CV值分别为34.25%、34.51%和23.44%, 为中等变异.

由表 2可以看出, 土壤C与N、N:K、P:K呈极显著正相关(P < 0.01).土壤N与C:K呈极显著正相关(P < 0.01), 与C:P、P:K呈显著正相关(P < 0.05).土壤P与K呈显著正相关(P < 0.05).C:K与N:P、N:K呈显著正相关(P < 0.05), 与P:K呈极显著正相关(P < 0.01).N:P与P:K呈极显著正相关(P < 0.01).N:K与P:K呈显著正相关(P < 0.05).

本研究结果表明, 长期施肥有利于提高土壤的C、N、P和K含量, 这主要是因为施肥增加了土壤外源养分输入[24].与顺坡耕作相比, 横坡耕作对C、N和P提高的效果更好, 这可能是因为横坡耕作改变了地形条件, 减少了水土流失带走的C、N和P含量, 因而使横坡耕作中土壤C、N和P流失较少.该结果与张怡等[25]和付斌等[26]的研究结论一致.复合施用有机肥和化肥处理的C、N和P含量显著大于单施化肥处理, 这是因为外源有机肥可以更加直接增加土壤的N和P含量, 且有机肥中的有机物也有助于增加土壤C含量；此外, 长期单施化肥可能会使土壤供氮不具有渐进性和持续性, 尽管化肥施用提高了作物产量, 但在无外源有机氮补充的情况下, 其也可能加速作物对土壤N的消耗[27~29].顺坡单施化肥增量处理与顺坡单施化肥处理相比, 土壤C和N含量相对更丰富, 这是因为增施化肥不仅增加了外源N输入, 同时也促进了土壤中有机物的分解, 从而增加C含量[6].尽管施肥处理下K含量均显著高于对照处理, 但各施肥处理间K含量变异较弱.这主要是因为一方面, 紫色土母岩的钾素风化释放作用突出, 土壤中K含量变化不大；另一方面, 施肥中钾主要以离子态的形式进入土壤, 虽可增加速效钾的含量, 但使总钾含量相差不大[30~32].

在本试验中, 紫色土坡耕地土壤C、N和P含量随着土层的加深而显著降低, 而K含量变化相对稳定, 这可能是因为施肥和耕作活动直接作用于0~10 cm土层, 加之外界环境因素(水、热等)及小麦、玉米植株残留物的影响, 养分首先在土壤上层聚集, 其后则随水分进行垂直迁移至下层, 因此使不同土层间C、N和P含量差异较大, 而K受母岩风化及施肥双重影响, 各土层间含量差异不显著[6, 33].

土壤中的C:N比是影响土壤中碳氮循环的重要因素[8].本研究中的C:N(平均值为8.07), 低于黄泥田的C:N(平均值为10.83)[29], 黑土区的C:N(平均值为13.39)[34], 以及西南黄壤的C:N(平均值为16.96)[35], 同时, 低于中国土壤的C:N平均值(11.9)[11], 且比全球C:N平均水平(14.3)[36]低43.57%.一般地, 较低C:N的土壤, 其有机质分解速率快.本研究结果表明相比于其他类型土壤, 紫色土坡耕地土壤有机质的矿化作用速率相对较快[6].此外, 顺坡单施化肥处理的C:N高于顺坡复合施用有机肥和化肥处理, 这可能是因为一方面, 在单施化肥与复合施用有机肥和化肥条件下, C和N含量均有所增加, 但增加比例不一致；另一方面可能是因为施用化肥处理的作物产量大于复合施用有机肥和化肥处理, 作物产量的提高加快作物对N素的消耗, 降低了土壤的N素含量, 使得土壤C:N较高.本研究中土壤的C:N属于弱变异, 相对稳定, 可能与有机物质中含有一定数量的氮和其他营养成分与其相应的相对固定的比率的碳有关[37], 这与朱秋莲等[6]和王传杰等[34]的研究结果一致.横坡耕作下各元素化学计量比均大于顺坡耕作, 表明横坡耕作虽增加了土壤的C、N、P和K含量, 但各元素的增加幅度不成比例.本研究中0~10 cm土层的C:N值大于10~20 cm土层, 这可能是因为农作物植株残留物以及施肥多集中在表土层, 因此土壤养分随着土壤深度的增加而递减, 该结果与朱秋莲等[6]的研究结果相似.

土壤C:P比是衡量土壤有机质矿化释放磷或吸收固持磷潜力的重要指标[38].本研究中C:P的平均值为16.76, 低于黄泥田C:P平均值(116.74)[29]、黑土C:P平均值(64.64)[34]、黄壤C:P平均值(40.79)[35], 且远低于中国陆地(136)[11]以及全球(186)[36]的土壤C:P值.本试验区C:P低的原因可能是一方面紫色土坡耕地中的微生物在有机质矿化分解过程中能更多地释放P, 增加土壤有效磷的含量[39], 另一方面可能是作物对C和P吸收比例不一致以及水土流失引起C和P元素不成比例地流失, 从而影响到土壤的C:P值.本研究中, 复合施用有机肥和化肥能显著提高紫色土坡耕地的C:P, 可能是因为有机肥的投入直接增加了土壤C含量, 这与孙立青[40]的研究结果一致.而0~10 cm土层的C:P高于10~20 cm土层, 这可能与试验区小麦、玉米的残留物积累在表层, 分解释放更多的C有关[41].

N:P常用于土壤养分限制因子的诊断和养分限制阈值的确定[38].本研究中紫色土坡耕地土壤N:P平均值为2.09, 分别比黄泥田、黑土和黄壤平均值低80.17%[29]、58.77%[34]和17.06%[35], 且比中国土壤平均水平(9.3)低77.53%[11], 比世界土壤平均水平(13.1)低84.05%[36], 这可能是紫色土磷背景值较高, 而氮素较为缺乏的缘故[42].施肥处理中仅顺坡复合施用有机肥和化肥处理的土壤N:P显著高于对照处理, 这表明相比于单施化肥处理, 复合施用有机肥和化肥可以有效补充土壤有机氮源, 促进微生物分解, 从而增加土壤中N素的积累[34].而顺坡单施化肥及增施处理下0~10 cm土层N:P低于10~20 cm土层, 这与朱秋莲[6]的结果有差异, 一方面可能是因为上层N以溶解态形式存在而更易发生流失和淋失, 而P则多附着于泥沙而流失, 因此N损失强度相对更高；另一方面可能是因为这两种施肥处理下, 小麦、玉米生长相对旺盛, 加速了上层土壤的N、P元素的消耗, 且两种养分消耗比例不一致, 从而导致上层土壤的N:P低于下层.

不同处理间C:K和N:K差异显著, 这是因为试验区土壤中K含量相对稳定, C:K和N:K主要受土壤C或者N含量的影响, 因而呈现较大的差异性.本研究中, 土壤C与N, P与K, C与N:K、P:K、N与C:P、C:K、P:K以及P与K均呈显著正相关.有研究表明, 阐明土壤养分元素之间的耦合关系有助于揭示土壤生态系统中养分元素动态变化特征[12, 13].朱秋莲等[6]的研究发现在黄土丘陵沟壑区不同植被土壤中, C与N、P、N:P及N:K呈显著正相关, N与C:P、C:K呈显著正相关, 且P与C:K、N:K呈显著正相关.陶冶等[43]的研究表明在伊犁河谷野果林浅层土壤中, C和N之间呈幂函数关系, C、N、P和K与其化学计量比之间则呈二次函数关系.可以看出, 在不同类型生态系统中, 土壤C、N、P和K与其化学计量比间的耦合关系显著不同, 这可能与自然环境(土壤类型、植被类型等)及人为扰动(施肥、耕作等)不同有关, 后期还需要更多数据来阐明不同养分及其化学计量比间的耦合特征及影响因素[43].

长期施肥和耕作显著影响了紫色土坡耕地土壤C、N、P和K含量、化学计量比及其耦合关系.施肥可以显著增加紫色土坡耕地土壤C、N、P和K含量, 其中有机无机肥配施对提高土壤C、N和P含量的效果最好；横坡耕作比顺坡耕作更有利于土壤C、N、P和K含量的积累.土壤C:N、C:P、C:K、N:K和P:K在不同施肥和耕作间均表现出显著差异.试验区土壤C、N和P含量及C:K、N:P、N:K和P:K属中等变异, K含量及C:N和C:P属弱变异；土壤C与N, P与K, C与N:K、P:K以及N与C:P、C:K、P:K均呈显著正相关.试验区土壤N:P平均值为2.09, 远均低于中国(9.3)及世界(13.1)土壤平均水平.本研究结果表明紫色土坡耕地土壤氮素为养分限制因子, 但复合施用有机肥和化肥可以有效缓解土壤N素缺乏的状况.