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刈割是一种人为的草地干扰方式，对于天然草地生态系统的各组分产生一定的影响[1]。刈割对土壤水分状况、土壤硬度等物理性状，以及氮（N）、磷（P）、钾（K）元素的化学性状变化等均有不同程度的影响[2-4]。割草利用和放牧利用对草地的影响不同，割草地退化是一个渐进的过程，不会在短期内出现草地产草量迅速下降，因而天然割草地的退化程度常常被低估[5]。长期连年刈割致使草地生态系统的长期物质循环被打破，养分的输入与输出已经失去平衡，造成土壤贫瘠[6]。土壤养分是植物生长的主要养分来源，施肥（养分添加）是通过人为的方式弥补和增加土壤养分供给能力，进而成为促进植物生长的有效手段[7-9]。氮、磷是植物生长的主要元素，土壤肥力与土壤中的氮、磷含量密切相关[10]。土壤养分含量的变化受肥料种类及浓度的影响，其中最易受影响的是土壤磷，其次是土壤氮[11]。传统观点认为陆地生态系统大多受氮限制多于受磷限制[12]。土壤氮添加通常会影响土壤有效磷含量变化，氮添加会引起土壤一定程度的酸化，进而减缓土壤磷的流动性。氮添加影响了土壤根系磷酸酶和根际微生物，进而间接影响土壤磷素的有效性[11]。因此，氮、磷配施除了可以满足作物生长所需，还可以保持磷素养分的平衡[12]。长期定位施肥研究表明，单一种类施肥对土壤养分含量的增加效果不及多种合施[13-15]。合理的施肥制度对促进草地健康和可持续发展有积极的作用，土壤养分平衡是草地可持续管理的重要保证，也是生态系统服务和功能的基础。
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土壤碳（C）、氮、磷含量受气候差异、地理因素、植被条件和土壤因子等因素的影响很大[16-19]。生态化学计量学为研究植物和土壤相互作用与氮、磷、钾循环提供了一种新的综合方法[16]。土壤 C∶N 是检验土壤氮素矿化能力的重要指标，反映了土壤受外源氮输入的影响程度，土壤 N∶P 能够检验土壤是否受氮或者磷的限制[20]。一般来说，N∶P 较低表明土壤受氮限制，而 N∶P 较高表明土壤受磷限制[21]。我国温带土壤中的 C∶N 稳定在 10 到 12 之间。热带与亚热带地区土壤 C∶N 最高可达到 20∶1，而一般耕作表层土壤 C∶N 平均在 10～12 之间[22-23]。短期氮添加对荒漠草原土壤 C∶N∶P 计量影响较小，这是因为施氮缓解了氮限制[24-25]。尽管国内外做了很多关于施肥对土壤养分和化学计量特征影响的研究，可是施肥与土壤养分和化学计量之间关系的结果各不相同。大多数研究主要集中于对不同类型的天然草地群落、某些养分元素的添加等试验研究[24-26]，而对于退化割草场土壤养分和化学计量特征的响应，是否因施肥造成化学计量学特征的变化而形成限制因子的改变等研究明显不足。本研究着重于在不同施肥制度干扰下，综合评价土壤养分和化学计量学特征的变化状况。基于呼伦贝尔羊草割草地连续 4 年的施肥试验，研究不同施肥处理下温性草甸草原地上土壤养分和化学计量学特征的变化，旨在探讨施肥干扰对土壤养分-化学计量学特征关系的影响，探讨退化割草地生态恢复过程和恢复途径，制定合理的施肥制度，为退化天然割草地的改良和生态恢复以及草地畜牧业的可持续发展提供理论依据和数据支撑。
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1 材料与方法
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1.1 试验区概况
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试验地位于内蒙古自治区呼伦贝尔市海拉尔行政区内的谢尔塔拉镇，中国农业科学院呼伦贝尔草原生态研究站。试验样地位于北纬 49°23′13″、东经 120°02′47″，平均海拔 631 m，地势起伏较为平缓。试验区属于中温带半干旱大陆性气候，年均气温-2.4℃左右，无霜期 80～110 d，年平均降水量 350 mm，多集中在 7～9 月，且变化较大。本研究试验期间（2014～2017 年）和近 9 年（2009～2017 年）的年平均气温分别为-0.3 和-0.5℃，差异很小，较为稳定（图1）。2014、 2015、2016、2017 年和近 9 年的平均降水量分别为 416.8、464.16、449.4、523.44 和 413.18 mm，其中生长季（5～8 月）降水量分别为 227.7、323.4、 197.7、288.7 和 254.7 mm。
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图1 试验地 2014～2017 年和近 9 年（2009～2017 年）月平均气温（折线图）和月总降水量（柱状图）
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1.2 试验设计
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试验地为长期连年刈割的中度退化半干旱天然羊草割草地，每年 8 月中旬进行一次刈割，刈割年限已经超过 20 年。2013 年 8 月，选择生境条件一致（地势平坦、草地密度均匀、避开群落边缘）的地块划定为试验小区，并用网围栏进行围封保护。试验采用随机区组设计，设置 4 个处理，重复 3 次，共 12 个试验小区。每个小区面积为 6 m×10 m，每个小区间距 2 m。2014～2017 年每年 6 月初进行施肥试验。根据查阅文献和土壤基底调查结果（0～30 cm 土壤全氮为 2.86 g·kg-1、全磷为 0.49 g·kg-1、全钾为 22.96 g·kg-1），设置 4 个处理[7]。确定最适施肥量为中浓度施肥量（尿素 15.0 g·m-2、过磷酸钙 9.0 g·m-2），氮、磷混施比例为 2∶1，其中氮肥选择尿素（CON2H4，N 含量 ≥46.4%），磷肥选择过磷酸钙（P2O5 含量≥16%）。 4 个处理设置施肥浓度分别为 CK（对照）、F1（N 3.5 g·m-2+P 1.7 g·m-2）、F2（N 7.0 g·m-2+P 3.4 g·m-2）、F3（N 10.5 g·m-2+P 5.1 g·m-2），括号内为折算后的 N、P 元素添加量，施肥方法为地表撒施。
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1.3 试验内容与方法
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于 2014～2017 年在每个试验小区进行土壤采集，使用直径为 5 cm 的土钻随机选取 3 点采样，土层分别为 0～10、10～20 和 20～30 cm，去除杂物后使用球磨仪研磨，然后进行土壤养分含量的测定。土壤全碳和全氮含量采用元素分析仪测定； 土壤全磷含量采用钼锑钪比色法测定；土壤全钾和速效钾含量采用火焰光度法测定；土壤速效氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤有效磷含量采用分光光度法测定。
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1.4 数据统计
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采用双因素方差分析的方法检验施肥处理和施肥年份对土壤特征和化学计量是否具有显著性交互作用，并用 Duncan 法进行多重比较。运用 SPSS 21.0 对数据进行分析，采用 R 语言（R 3.6.1）进行相关分析和主成分统计分析及绘图。其中，相关系数大于等于 0.8 为高度相关，相关系数变化范围 0.5～0.8 为中度相关，相关系数变化范围 0.3～0.5 为低度相关，相关系数小于 0.3 相关关系极弱，可视为不相关[2]。
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2 结果与分析
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2.1 土壤全量养分含量
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不同施肥年份下，不同土层土壤全量养分含量差异显著（P<0.05，表1）。随着土壤深度的增加，土壤全碳含量逐层递减。不同土层全碳含量逐年递减，2014 年土壤全碳含量显著高于其他年份 （P<0.05，图2）。土壤全氮含量随着土壤深度的增加而减少。与施肥第一年相比，不同年份土壤全氮含量均有不同程度的增加，其中 2015 年 0～10 cm 土层土壤全氮含量显著高于其他年份（P<0.05）。不同年份土壤全磷含量均高于施肥第一年，其中 2015 年 0～10 cm 土层土壤全磷含量显著高于其他年份，而 2017 年 20～30 cm 土层土壤全磷含量高于其他年份（P<0.05）。土壤全钾含量逐年递减，2014 年不同土层全钾含量显著高于 2017 年 （P<0.05）。在不同施肥浓度下，土壤全量养分发生了变化（图3）。研究发现高浓度施肥处理有利于增加 0～10 cm 土层土壤全氮和 20～30 cm 土层土壤全钾含量（P<0.05），而低浓度化肥处理有利于增加 0～10 cm 土层土壤全碳和全磷、10～20 cm 土层土壤全碳、20～30 cm 土层土壤全氮和全磷含量。综合分析，肥料积累效应造成土壤全氮和全钾含量逐年降低，低浓度施肥处理有利于土壤全碳和全磷的增加。施肥初期高浓度施肥处理有利于增加土壤表层全氮含量，施肥后期低浓度施肥处理有利于土壤全氮含量增加。
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图2 不同施肥年份下土壤全量元素含量的变化
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注：不同小写字母表示不同年份之间存在显著性差异（P<0.05）。
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图3 不同施肥处理下土壤全量元素含量的变化
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注：柱上不同小写字母表示不同处理之间存在显著性差异（P<0.05）。
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2.2 土壤速效养分含量
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不同施肥处理和年份对 20～30 cm 土层土壤速效氮含量和 10～20 cm 土层土壤有效磷含量有显著性的交互作用（P<0.05，表2）。随着施肥年份的增加，不同土层中速效氮含量逐年增加，其中低浓度和高浓度施肥处理下 10～20 和 20～30 cm 土层土壤速效氮含量显著增加（P<0.05，图4）。不同土层中土壤有效磷含量逐年缓慢增加，中浓度施肥和高浓度施肥处理显著增加 0～10 cm 土层土壤有效磷含量，而低浓度施肥处理对 10～20 和 20～30 cm 土层土壤有效磷含量有显著增加作用 （P<0.05）。2015 年不同土层土壤有效磷含量最高，低浓度施肥处理下不同土层土壤速效钾含量最高 （P<0.05）。综合分析，肥料积累效应造成土壤速效氮和有效磷含量逐年增加，低浓度施肥处理有利于土壤速效养分的增加。
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图4 不同处理下土壤速效养分含量的变化
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注：不同小写字母表示年份之间（折线图）和不同年份下所有处理之间（柱状图）存在显著性差异，不同小写字母表示年份之间存在显著性，不同大写字母表示处理之间存在显著性，P<0.05。
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2.3 土壤化学计量学特征
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不同施肥年份对不同土层土壤 C∶N 和 C∶P 有显著性差异，0～10 cm 土层土壤 N∶P 在不同施肥年份差异显著（P<0.05，表3）。随着施肥年份的增加，不同土层土壤 C∶N 逐年显著降低，2017 年不同土层土壤 C∶N 最低（图5），其中高浓度施肥处理下土壤 C∶N 显著低于对照处理（图6，P<0.05）。与土壤 C∶N 变化规律相似，土壤 C∶P 逐年显著降低，其中 2016 年 0～10 cm 土层土壤 C∶P 显著低于其他年份（图5， P<0.05）。土壤 N∶P 年份变化相对平稳，施肥后期 0～10 和 20～30 cm 土层土壤 N∶P 显著低于第一年 （图5，P<0.05）。综合分析，肥效积累降低了土壤化学计量比，高浓度施肥处理有利于降低土壤 C∶N。
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图5 不同施肥年份下土壤化学计量特征的变化
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注：不同小写字母表示不同年份之间存在显著性差异（P<0.05）。
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将不同处理下土壤养分和化学计量比的评价指标进行标准化处理后，再进行相关分析，结果见图7。土壤全碳与土壤全氮存在中度正相关（0.62），与土壤速效钾存在中度正相关（0.51）。土壤全氮与土壤有效磷存在中度正相关（0.58），与土壤速效钾存在中度正相关（0.64）。土壤速效氮与土壤全钾存在中度负相关（-0.54），与土壤有效磷存在中度正相关（0.58）。土壤 C∶N 与土壤全碳存在高度正相关（0.84），与土壤速效氮存在中度负相关（-0.51）。土壤 C∶P 与土壤全碳存在高度正相关 （0.84），与土壤全磷存在中度负相关（-0.55）。土壤 N∶P 与土壤全碳存在中度正相关（0.51），与土壤全磷存在中度负相关（-0.53）。综合分析，土壤化学计量比的变化主要受土壤全碳影响，其他元素对化学计量比影响程度相对较小。
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图6 不同施肥处理下 20～30 cm 土壤化学计量特征的变化
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注：不同小写字母表示不同处理之间存在显著性差异（P<0.05）。
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图7 土壤养分和化学计量相关分析
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注：TN、TP、TK、TC 表示土壤全氮、全磷、全钾和全碳；AN、AP、 AK 表示土壤速效氮、有效磷和速效钾；CN、CP、NP 表示土壤 C∶N、 C∶P 和 N∶P。下同。蓝色圆圈代表指标之间为正相关，红色圆圈代表指标之间为负相关，颜色越深，相关系数越大。
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为了更直观地了解土壤养分和土壤化学计量比之间的关系，通过主成分分析法（PCA）进行综合分析，并提取其主成分（图8）。通过观察，其中第一主成分解释了全部变异的 41.3%，第二主成分解释了全部变异的 30.1%，前 2 个主成分的累积贡献率为 71.4%。
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图8 土壤养分和化学计量的主成分分析
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注：contrib 表示贡献率，颜色深浅和线段长度大小表示变量对所在区间主成分影响大小。
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3 讨论
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关于施肥对土壤全碳的研究有 2 个观点，一个观点认为短期施肥对土壤全碳含量并无显著的影响，只是在一定程度上提高了土壤全碳含量[27]。另一种观点认为，随着氮素添加浓度的增大，土壤全碳含量显著增加[28]。本研究结果表明，经过 4 年的试验，低浓度施肥显著增加了土壤全碳含量，但未随施肥浓度的增加土壤全碳含量持续增加。本研究中，土壤全碳和土壤全氮存在中度正相关，原因是施肥对土壤全碳催化作用更为明显，土壤全碳获得途径主要靠动植物残体、根系分泌物及微生物固碳等，其效果远大于施肥作用[29]。氮元素在土壤中的含量可以作为判定土壤肥力的标准，氮素添加后土壤全氮含量变化不一[11，15]。与前人研究结果相似，本研究中低浓度施肥处理下土壤全氮和土壤速效氮含量相对较高[12]。氮是植物吸收利用主要元素之一，其变化大多以速效养分含量为主[30]。通过观察试验期间和近 9 年生长季（5～8 月）总降水量可以看出，2016 年生长季总降水量明显偏低（图1）。虽然 2017 年总降水量较高，但多集中在 7 和 8 月，5 和 6 月降水量较低，极大的降水分布差异影响了草地植物对土壤氮素的吸收，导致添加的氮素更多地留在土壤中，土壤速效氮含量逐年显著增加。在降水量充沛的年份，施肥促使植物的生长速率加快，同时加快了消耗土壤氮素，氮素的增加量与吸收量相互抵消。在降水匮乏的年份，植物在土壤中吸收能力减弱，导致更多的氮素留在土壤中，土壤全氮含量增加[31-32]。有研究显示，水分充足时施磷，土壤全磷含量增加，而水分匮乏时施磷，全磷含量降低[17]。本研究与前人研究结果不同，降水量的大小并未直接关系到土壤全磷含量的多少。这可能是因为试验中化肥添加对试验结果的影响，氮磷配施可能存在交互作用并且相互制约，土壤全磷含量的变化受两者共同控制。土壤中的磷素是以有效磷为主，土壤全磷含量无法直接用以表明土壤中实际磷素利用量的大小[33]。在本研究中，土壤有效磷含量逐年增加，原因可能是试验地土壤磷元素相对匮乏，施肥的第一年降水量相对充沛，促进了有效磷的吸收。施磷肥导致土壤磷矿化，植被吸收了土壤中的有效磷，使得施肥第一年土壤有效磷含量较低[34]。由于 2015～2017 年降水量匮乏和分布不均匀，植被吸收土壤养分受到限制，施肥增加了土壤对磷的吸附强度和吸附量，土壤中磷以无机态存在，有效磷含量有所增加[35]。在植物生长过程中需要钾素，但是试验中没有外源钾素的及时补充，所以导致土壤中全钾含量有逐年降低趋势[36]。钾素作为植物必需的三大元素之一，在植物生长阶段，需要及时关注并补充适量钾肥。
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土壤中的各元素并不是单独发挥作用的，它们之间存在着复杂的相关关系，是影响草地生态系统稳定性的关键因素[37]。土壤元素间化学计量比可以作为检验土壤限制元素和肥力变化的重要指标[38]。有研究指出，C∶N 是土壤质量的敏感指标，会影响到土壤中碳、氮 2 种元素的循环[37]。本研究中，土壤 C∶N 随着施肥年份增加显著降低。在施肥第一年，施肥处理下土壤 C∶N 均介于 18.2～19.5 之间，而施肥第二年土壤 C∶N 均介于 11.2～13.0 之间，到了施肥第三年和第四年，土壤 C∶N 均介于 10.3～11.5 之间。我国土壤 C∶N 的平均值为 10.1～12.1 之间，而王绍强等[22]认为腐殖质较高的土壤 C∶N 大致为 14.1。土壤腐殖质是土壤有机质的一部分，有机质含量为 1%～9% 的土壤中有利于植物生长，但随着有机质持续的提高土壤的生产力反而下降[3]。在本研究中，施肥前期土壤 C∶N 较高，含有腐殖质较高，而试验后期土壤 C∶N 降低，主要与干旱年份的低降水量有关。干旱环境不利于土壤对氮磷元素的吸收，限制了草地土壤肥力的提高[9]。本研究中，施肥第一年土壤C∶P 介于 70.5～102.2 之间，随着施肥年份增加 C∶P 显著降低，施肥第四年 C∶P 介于 32.1～43.2 之间，低于我国土壤 C∶P 的平均值 61.0，这主要是由于不同年份降水量差异造成的[21]。本研究发现，施肥第一年土壤 N∶P 介于 3.8～5.4 之间，平均值为 4.6，与我国土壤 N∶P 的平均值 5.2 相近[39]。土壤 N∶P 随着施肥年份的增加显著下降，在施肥第四年土壤 N∶P 介于 2.9～4.0 之间。土壤 N∶P 可以指示土壤氮或磷限制，一般可以接受的观点是，较低的土壤 N∶P 较为适合群落的生长，它反映出植物受氮限制，而较高的 N∶P 则反映植物受磷限制[39]。综合分析，氮素仍是限制本地区植物生长的一个主要因素，尤其在降水匮乏的年份里。
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4 结论
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（1）肥料积累效应造成土壤全氮和全钾含量逐年降低，速效氮和有效磷含量逐年增加，低浓度施肥处理有利于土壤全碳、全磷和速效养分的增加。综合考虑，低浓度施肥处理（N 3.5 g·m-2+P 1.7 g·m-2）更有利于提高土壤养分含量。
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（2）土壤 C∶N、C∶P 和 N∶P 随着施肥年份的增加而降低。施肥第四年土壤 C∶N、C∶P 和 N∶P 与我国土壤 C∶N、C∶P 和 N∶P 的平均值接近，说明施肥有利于降低土壤化学计量特征，即对草原进行适度施肥干扰有利于草原的可持续发展。
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（3）土壤 C∶P 和 N∶P 与土壤全碳存在正相关关系，与土壤全磷存在负相关关系。土壤化学计量比的变化主要受土壤全碳影响，其他元素对化学计量比的影响程度相对较小。氮素仍是限制本地区植物生长的一个主要因素，尤其在降水匮乏的年份里。
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摘要
长期连年刈割导致草地生态系统物质循环被打破，养分的输入与输出失去平衡，造成土壤贫瘠。以呼伦贝尔羊草草甸草原天然割草地为研究对象，研究不同施肥处理对羊草割草地土壤养分和化学计量学的变化规律，探求施肥对退化羊草割草地改良效果的最优方案，为退化草地的恢复和改良提供理论指导。研究结果表明，随着施肥年份的增加，土壤全碳、全钾含量逐年递减，土壤速效氮和有效磷逐年递增。高浓度施肥处理有利于增加 0 ～ 10 cm 土层土壤全氮和 20 ～ 30 cm 土层土壤全钾含量（P<0.05），而低浓度化肥处理下 0 ～ 10 cm 土层土壤全碳和全磷含量、10 ～ 20 cm 土层土壤全碳、20 ～ 30 cm 土层土壤全氮和全磷含量最高；中浓度施肥和高浓度施肥处理显著增加 0 ～ 10 cm 土层土壤有效磷含量，而低浓度施肥处理对 10 ～ 20 和 20 ～ 30 cm 土层土壤有效磷含量有显著增加作用（P<0.05）；随着施肥年份的增加，不同土层土壤 C∶N 逐年显著降低，2017 年不同土层土壤 C∶N 最低，其中高浓度施肥处理下土壤 C∶N 显著低于对照处理（P<0.05）；土壤 C∶P 逐年显著降低，其中 2016 年 0～10 cm 土层土壤 C∶P 显著低于其他年份（P<0.05）；土壤 N∶P 年份变化相对平稳，施肥后期 0 ～ 10 和 20 ～ 30 cm 土层土壤 N∶P 显著低于第一年（P<0.05）。施肥以补充土壤中限制性元素含量而影响土壤和植物的化学计量学特征，并且确定植被的最适化学计量比值和判定其限制元素类型。高浓度施肥处理（N 10.5 g·m-2+P 5.1 g·m-2）有利于降低土壤 C∶N，同时氮素仍是限制本地区植物生长的一个主要因素。
Abstract
The long-term mowing has broken the long-term material cycle of the grassland ecosystem，and the nutrient input and output have been out of balance，causing the soil to become barren．This paper took natural mowing of Leymus chinensis meadow grassland in Hulunbeier as the research object to study the changes of soil nutrients and stoichiometry of different fertilization treatments on Leymus chinensis mowing grassland，and to explore the optimal plan for improving the effect of fertilization on degraded Leymus chinensis mowing grassland．It could provide theoretical guidance and reference for the restoration and improvement of degraded grasslands．The results of the study showed that as the year of fertilization increased，the total carbon and total potassium content of the soil decreased year by year，while the soil available nitrogen and available phosphorus increased year by year．High-concentration fertilization treatment was beneficial to increase 0 ～ 10 cm layer soil total nitrogen and 20 ～ 30 cm layer soil total potassium content（P<0.05），while 0 ～ 10 cm layer soil total carbon and total phosphorus content，10 ～ 20 cm layer soil total carbon，20 ～ 30 cm layer soil total nitrogen and total phosphorus content of the low-concentration fertilizer treatments were the highest；medium-concentration fertilization and high-concentration fertilization treatments significantly increased the soil available phosphorus content of 0 ～ 10 cm layer，while low-concentration fertilization treatments significantly increased the soil available phosphorus content of 10 ～ 20 and 20 ～ 30 cm layer（P<0.05）；With the increase of fertilization years，the soil C∶N of different soil layers decreased significantly year by year．In 2017，the soil C∶N of different soil layers was the lowest．Among them，the soil C∶N under the high-concentration fertilization treatment was significantly lower than that of the control treatment（P<0.05）；soil C∶P decreased significantly year by year，of which the soil C∶P of 0 ～ 10 cm layer in 2016 was significantly lower than other years（P<0.05）；the change of soil N∶P was relatively stable in the late fertilization period，0 ～ 10 and 20 ～ 30 cm layer soil N∶P was significantly lower than the first year（P<0.05）．Fertilization is used to supplement the content of restricted elements in the soil and affects the stoichiometric characteristics of soil and plants，and determine the optimal stoichiometric ratio of vegetation and determine the types of restricted elements．The accumulation of fertilizer efficiency reduced the soil stoichiometric ratio，and high-concentration fertilization treatment（N 10.5 g·m-2+P 5.1 g·m-2）was beneficial to reduce soil C∶N．Nitrogen is still a major factor restricting the growth of plants in this area，especially in years when rainfall is scarce.