連續(xù)氮添加14年對(duì)溫帶典型草原土壤碳氮組分及物理結(jié)構(gòu)的影響

賀 佩,李 悅,江明兢,劉穎慧,*,杜 薇,張家琦,景海超

1 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875 2 中國(guó)科學(xué)院退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院華南植物園, 廣州 510650 3 六盤(pán)水市第一中學(xué), 六盤(pán)水 553000

礦物燃料燃燒、化學(xué)肥料生產(chǎn)使用以及畜牧農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展等人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排放了大量的活性氮化合物,生態(tài)系統(tǒng)因此由氮限制狀態(tài)過(guò)渡到氮飽和狀態(tài)[1]。從1980年到2010年我國(guó)氮沉降處于增加趨勢(shì)[2],現(xiàn)如今我國(guó)已發(fā)展成為繼歐美之后的世界第三大高氮沉降地區(qū)之一[3],總氮沉降年平均值已經(jīng)達(dá)到20.4 kg N/hm2[4],其中在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟太仆寺旗已經(jīng)達(dá)到 34.3 kg N/hm2[5]。目前草地生態(tài)系統(tǒng)氮沉降研究主要集中于氮添加對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、生態(tài)系統(tǒng)碳和氮素循環(huán)等方面的影響[6],對(duì)土壤理化性質(zhì)的長(zhǎng)期研究還不夠全面。中國(guó)內(nèi)蒙古草原占全國(guó)草原總面積的22%,具有典型的草原生態(tài)系統(tǒng)特征[7],相比植物群落和生產(chǎn)力等植物學(xué)特征的緩慢響應(yīng),土壤能夠控制生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的循環(huán)、分布格局以及供給植被養(yǎng)分[8],土壤理化性質(zhì)對(duì)氮素增加的響應(yīng)可能更加直接和迅速[9]。因此需要更詳細(xì)地研究氮添加對(duì)草原土壤的影響,以了解草原土壤理化性質(zhì)對(duì)當(dāng)?shù)睾腿颦h(huán)境變化的響應(yīng)。

研究表明不同濃度、種類(lèi)氮添加能夠顯著增加無(wú)機(jī)氮離子[9- 10],無(wú)機(jī)氮離子的硝化作用是導(dǎo)致氮添加對(duì)各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)土壤不同程度酸化的主要原因[11]。關(guān)于氮添加對(duì)土壤有機(jī)碳的影響機(jī)理尚未清楚,由于不同地區(qū)背景、施氮種類(lèi)等有差異導(dǎo)致對(duì)土壤有機(jī)碳含量有抑制[12]、不顯著[13]、促進(jìn)[14]的影響,對(duì)土壤中的全氮含量大多數(shù)研究無(wú)顯著影響[12]。氮添加對(duì)微生物量碳氮含量有促進(jìn)[15]、不顯著[16]和抑制[17]的影響,也有研究表明氮添加對(duì)微生物量碳含量成單峰曲線變化[18]。土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)的變化緩慢,目前研究表明氮添加對(duì)土壤質(zhì)地的影響差異不顯著[19],而土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)主要是依靠土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)施氮的變化影響不同土層膠體數(shù)量及其穩(wěn)定性從而促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體含量,也有研究[20]認(rèn)為增水對(duì)形成團(tuán)聚體的影響大于施氮的作用,而施氮對(duì)團(tuán)聚體組分并沒(méi)有顯著影響。

土壤剖面能很好地記錄土壤理化性質(zhì)變化[21],草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮含量一般隨土壤深度的增加而下降[22],具有表聚現(xiàn)象[23]。生物和非生物因子會(huì)隨著土壤深度變化,對(duì)氮添加的響應(yīng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[24],例如周紀(jì)東等[13]發(fā)現(xiàn)氮添加對(duì)表層土壤的酸化速率高于下層土壤,土壤表層植被及微生物較多,且礦化、硝化作用等依靠微生物活動(dòng)的循環(huán)過(guò)程主要發(fā)生在土壤表層[13],隨土壤深度增加環(huán)境趨于穩(wěn)定[22]。Heitkotter等[25]發(fā)現(xiàn)氮添加增加表層土和上層底土的碳循環(huán),對(duì)底層土沒(méi)有影響,而降低10—20 cm土層全氮含量,對(duì)表層土無(wú)影響[26]。也有研究發(fā)現(xiàn)氮添加對(duì)不同土層影響差異不大,例如蘇潔瓊等[9]研究發(fā)現(xiàn)氮添加均提高荒漠草原不同土層有機(jī)質(zhì)、全氮和無(wú)機(jī)氮離子含量；氮添加提高各層土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體,改善土壤侵蝕狀況[8]。

氮添加時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響也出現(xiàn)不一樣的結(jié)果,短時(shí)間的氮添加在一定程度能夠緩解氮限制從而顯著地促進(jìn)微生物量碳氮含量[15],而長(zhǎng)時(shí)間的氮添加會(huì)通過(guò)導(dǎo)致土壤的酸化等原因從而減少土壤微生物量[12,27]。在全球氣候變化的大背景下,由于氣候條件不同以及年際變化等因素,土壤理化性質(zhì)對(duì)氮添加種類(lèi)及水平[10]、時(shí)間[12]、頻率[13]的響應(yīng)都具有不確定性。然而目前研究多評(píng)估短期氮添加試驗(yàn)對(duì)表層土壤性質(zhì)的影響,因此通過(guò)長(zhǎng)期控制試驗(yàn)來(lái)分析氮添加對(duì)土壤理化性質(zhì)沿土壤剖面的垂直變化來(lái)反映溫帶典型草原土壤對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)能夠在一定程度上排除偶然因素,其研究結(jié)果更具有說(shuō)服力[12]。

綜上,本文通過(guò)在內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行14年的氮添加試驗(yàn)研究氮添加對(duì)溫帶草原不同土層碳氮組分及物理結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響效應(yīng),進(jìn)一步為草原土壤理化性質(zhì)對(duì)全球氮沉降的響應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。本文提出兩點(diǎn)科學(xué)假設(shè)：(1)長(zhǎng)期氮添加會(huì)酸化土壤降低微生物量從而影響土壤碳氮組分和物理結(jié)構(gòu)；(2)長(zhǎng)期氮添加對(duì)土壤碳氮組分及物理結(jié)構(gòu)的影響隨土壤深度增加而減弱。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟多倫縣(115°50′—116°55′E,41°46′—42°39′N(xiāo))城南30 km處的中國(guó)科學(xué)院植物研究所多倫恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗(yàn)示范研究站十三里灘基地。十三里灘基地海拔在1150—1800 m之間,年平均氣溫為2.1 ℃,年平均降水量為385.5 mm,年平均風(fēng)速為3.65 m/s,屬于溫帶半干旱向半濕潤(rùn)過(guò)渡的典型大陸性氣候。土壤類(lèi)型主要是栗鈣土,占土地總面積的70%,砂、粉砂和粘土分別占比62.7%、20.3%和17.0%。土壤有機(jī)質(zhì)含量為1%—3%,平均土壤容重1.31 g/cm3,土壤pH為6.84。天然植被主要以典型草原植被為主,優(yōu)勢(shì)植物包括克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncristatum)和冷蒿(Artemisiafrigida)等[28]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古多倫縣中國(guó)科學(xué)院植物研究所多倫恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗(yàn)示范研究站十三里灘基地于2003年7月設(shè)置施肥樣地,每個(gè)施肥處理小區(qū)面積為15 m×10 m,各樣地間緩沖帶為4 m。運(yùn)用拉丁方設(shè)計(jì)的方法設(shè)置8個(gè)樣地施氮梯度,分別為0、1、2、4、8、16、32和64 g N m-2a-1,在每年的生長(zhǎng)季中下旬施1次尿素。本研究選取N0(0 g N m-2a-1)、N2(2 g N m-2a-1)、N4(4 g N m-2a-1)、N8(8 g N m-2a-1)、N16(16 g N m-2a-1)和N32(32 g N m-2a-1)共6種施氮濃度,每種濃度選取4個(gè)重復(fù)樣地。

圖1 樣地示意圖Fig.1 Sample plotsN0, N1, N2, N4, N8, N16, N32, N64分別表示施氮濃度0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 g N m-2 a-1

1.3 樣品采集及分析

2017年7月在每個(gè)樣地隨機(jī)選取4個(gè)樣點(diǎn)使用直徑3 cm的土鉆獲取地表0—40 cm土壤,將四個(gè)土樣分成0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm三層,不同土層的土樣分別混合,過(guò)2 mm篩后放入-20 ℃冷凍保存,于室內(nèi)進(jìn)行碳氮組分、物理結(jié)構(gòu)等指標(biāo)的測(cè)定。

土壤pH值用pH計(jì)(PB- 10, China, Sartorius)測(cè)定；土壤經(jīng)雙氧水消煮后用貝克曼激光粒度分析儀(LS13 320,USA, Beckman Coulter)測(cè)定土壤粒徑[29],通過(guò)分形維數(shù)的計(jì)算來(lái)表征土壤質(zhì)地的粗細(xì)程度；用薩維諾夫干篩法,使用震蕩分析儀(As450 control, Germany,Retsch Technology)測(cè)定2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和0.053—0 mm的土壤團(tuán)聚體組分[30]；土壤經(jīng)過(guò)10%鹽酸浸泡、洗酸后用元素分析儀(vario MAX CN, Germany, Elementar)測(cè)定總有機(jī)碳、全氮[31]；土壤經(jīng)40 mL 0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提,浸提液經(jīng)振蕩、離心、過(guò)濾后用于流動(dòng)分析儀(XY- 2 Sampler, Germany, Seal)測(cè)定土壤無(wú)機(jī)氮離子；土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法,浸提液于TOC分析儀(TOC-L CPN,日本島津)測(cè)定,土壤微生物量碳轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.45,土壤微生物量氮轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.54[32]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析；數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean ± SE)的方式表示；各指標(biāo)不同深度以及不同氮添加濃度之間進(jìn)行單因素方差分析,土壤深度和氮添加對(duì)各指標(biāo)的影響進(jìn)行雙因素方差分析,使用相關(guān)分析來(lái)探討土壤酸堿度、土壤養(yǎng)分等各項(xiàng)指標(biāo)與氮添加濃度、土壤深度之間的關(guān)系,顯著水平采用P<0.05；使用Sigma Plot 12.0軟件進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對(duì)土壤酸堿度及碳氮組分的影響

土壤剖面整體上pH值隨氮添加濃度增加從6.62降低到5.87(圖2),N32比N0下降了11.40%,pH值與氮添加濃度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。其中0—10 cm土層pH值N32相比N0下降了27.63%,且與氮添加濃度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),10—40 cm土層不同梯度氮添加處理pH值差異不顯著,pH均值為6.51。隨氮添加濃度增加酸化程度逐漸加強(qiáng),且酸化效應(yīng)主要發(fā)生在0—10 cm土層。

圖2 氮添加對(duì)不同土層土壤酸堿度的影響Fig.2 Effect of nitrogen addition on soil pH in different soil layers不同大寫(xiě)字母表示相同土層深度不同氮添加濃度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫(xiě)字母表示相同氮添加濃度不同土層深度之間差異顯著(P<0.05)

由圖3可見(jiàn),同一土壤深度不同氮添加處理對(duì)土壤總有機(jī)碳含量影響不顯著。但相較于N0而言,N2、N4、N8、N16和N32土壤總有機(jī)碳平均含量分別上升了17.07%、17.74%、15.25%、12.93%和9.65%。而0—10 cm土層的總有機(jī)碳含量平均為21.80 g/kg,是20—40 cm土層的5.07倍。土壤全氮含量變化趨勢(shì)與總有機(jī)碳相似,0—10 cm土層全氮含量平均為2.05 g/kg,是20—40 cm土層含量的3.87倍。同一土壤深度不同梯度氮添加處理土壤TOC/TN差異不顯著,0—10 cm土層TOC/TN平均為10.61,顯著高于20—40 cm土層(平均為8.08)。

圖3 氮添加對(duì)不同土層土壤總有機(jī)碳、全氮及微生物量碳、氮的影響Fig.3 Effects of nitrogen addition on total organic carbon, total nitrogen and microbial biomass carbon and nitrogen in different soil layers不同大寫(xiě)字母表示相同土層深度不同氮添加濃度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫(xiě)字母表示相同氮添加濃度不同土層深度之間差異顯著(P<0.05)

0—10 cm土層N16、N32濃度氮添加顯著抑制微生物量碳含量,10—40 cm土層不同梯度氮添加處理土壤微生物量碳差異不顯著。微生物量碳含量在整體平均水平上,相比于N0,N2、N4、N8、N16和N32氮添加分別下降了1.17%、0.03%、29.07%、39.28%和44.62%。0—10 cm土層微生物量碳平均含量為499.53 mg/kg,是10—40 cm土層的8.41倍。同一土壤深度不同梯度氮添加處理土壤微生物量氮含量、MBC/MBN差異不顯著,但氮添加在整體上有抑制微生物量氮含量和MBC/MBN的趨勢(shì)(表2)。

氮添加顯著促進(jìn)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量(圖4),N32處理下的銨態(tài)氮含量整體上比N0顯著增加了49.06%,0—10 cm土層銨態(tài)氮含量平均為4.26 g/kg,顯著高于20—40 cm土層(2.23 g/kg)；硝態(tài)氮含量整體上N32比N0增加了11.21倍,與氮添加濃度顯著正相關(guān)(P<0.05),0—10 cm土層硝態(tài)氮含量平均為5.88 g/kg,顯著低于20—40 cm土層(11.43 g/kg),與土壤深度顯著正相關(guān)(P<0.05)。無(wú)機(jī)氮離子總量與氮添加濃度顯著正相關(guān),整體上N32比N0上升17.90%,0—10 cm土層無(wú)機(jī)氮含量平均為10.14 g/kg,顯著低于20—40 cm土層(平均為13.67 g/kg)。銨態(tài)氮硝態(tài)氮比值隨氮添加濃度增加而減小,隨土壤深度增加不同土層相關(guān)系數(shù)分別為-0.150(P>0.05)、-0.501(P<0.05)和-0.633(P<0.01)。

圖4 氮添加對(duì)不同土層土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無(wú)機(jī)氮離子及銨態(tài)氮硝態(tài)氮比值的影響Fig.4 Effects of nitrogen addition on ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, inorganic nitrogen ion and ratio in different soil layers不同大寫(xiě)字母表示相同土層深度不同氮添加濃度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫(xiě)字母表示相同氮添加濃度不同土層深度之間差異顯著(P<0.05)

2.2 氮添加對(duì)土壤粒徑、團(tuán)聚體的影響

對(duì)土壤粒徑分析得到小于2 mm的七個(gè)粒徑組成區(qū)間百分含量(表1),同一土壤深度不同梯度氮添加處理土壤粒度分形維數(shù)D差異不顯著(P>0.05),土壤剖面從上到下土壤黏粒從3.60%—1.42%遞減、砂粒從53.34%—78.86%遞增、粉粒從43.06%—19.72%遞減,土壤質(zhì)地從砂質(zhì)壤土到壤質(zhì)砂土變化,同一氮添加處理下上層土壤粒度分形維數(shù)D顯著大于下層土壤,從2.54減少至2.40(P<0.05)。

表1 不同土層深度與不同氮添加濃度下土壤粒徑組成

同一土壤深度不同梯度氮添加處理土壤團(tuán)聚體組分差異不顯著(P>0.05)(圖5),0—10 cm土層N16、N32氮濃度處理土壤的黏粉粒含量相比于對(duì)照組分別上升了12.8%、22.5%,而20—40 cm土層N32黏粉粒含量比N0低27.2%。0—10 cm土層中大團(tuán)聚體(2—0.25 mm)占比53.13%、小團(tuán)聚體(0.25—0.053 mm)占比34.35%、粉黏粒(0.053—0 mm)占比12.52%；各團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)從大到小分別占整體的55.7%、34.7%和9.6%,本研究區(qū)內(nèi)主要以大團(tuán)聚體(2—0.25 mm)為主。

圖5 氮添加對(duì)不同土層土壤團(tuán)聚體組分的影響Fig.5 Effect of nitrogen addition on soil aggregate composition in different soil layers不同大寫(xiě)字母表示相同土層深度不同氮添加濃度之間差異顯著 (P<0.05)

2.3 氮添加后土壤理化性質(zhì)相互關(guān)系

Pearson相關(guān)分析表明,土壤酸堿度、微生物量碳與氮添加濃度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),無(wú)機(jī)氮離子含量、硝態(tài)氮與氮添加濃度顯著正相關(guān)(P<0.01),銨態(tài)氮與氮添加濃度顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤酸堿度與土壤總有機(jī)碳、全氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),而總有機(jī)碳、全氮與銨態(tài)氮含量顯著正相關(guān)(P<0.01)、與硝態(tài)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。對(duì)于長(zhǎng)期不同氮添加濃度處理的土壤,物理性質(zhì)與土壤深度顯著相關(guān)(表4),隨土壤深度增加,氮添加對(duì)土壤酸化程度也顯著減弱。

不同土層中土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系表明微生物量碳與氮添加濃度僅在0—10 cm土層顯著負(fù)相關(guān),不同土層土壤無(wú)機(jī)氮含量與氮添加濃度均顯著正相關(guān)(P<0.01)(表3),但其中銨態(tài)氮與氮添加濃度僅在0—10 cm土層顯著相關(guān)(P<0.01),而硝態(tài)氮含量與氮添加濃度在不同土層均顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量主要表現(xiàn)在無(wú)機(jī)氮與土壤酸堿度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),但在0—10 cm土層土壤酸堿度與銨態(tài)氮硝態(tài)氮比值正相關(guān)關(guān)系不顯著。土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量與土壤粒度分形維數(shù)表征無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,但在10—20 cm、20—40 cm土層中黏粉粒含量與總有機(jī)碳及全氮顯著正相關(guān)。

表2 土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

表3 不同土層理化性質(zhì)相互關(guān)系

2.4 氮添加與土壤深度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

關(guān)于氮添加、土壤深度對(duì)土壤理化性質(zhì)的雙因素方差分析表明,氮添加與土壤深度對(duì)土壤酸堿度、土壤無(wú)機(jī)氮、微生物量碳具有顯著的交互效應(yīng)(P<0.01)。其中土壤深度對(duì)各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)均有影響,而氮添加則對(duì)土壤酸堿度、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤無(wú)機(jī)氮、微生物量碳和MBC/MBN具有顯著影響(P<0.01),且氮添加對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量、硝態(tài)氮的影響具有主效應(yīng)(表4)。

表4 土壤理化性質(zhì)與土層深度、氮添加濃度的雙因素方差分析(F值)

通過(guò)對(duì)土壤整體剖面理化性質(zhì)與氮添加處理進(jìn)行相關(guān)分析并建立回歸方程(圖6),結(jié)果表明：在氮添加處理下,土壤酸堿度、微生物量碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及氨態(tài)氮硝態(tài)氮比值與氮添加有顯著的指數(shù)回歸關(guān)系(P<0.05),R2在0.66—0.97,土壤粒度維數(shù)和土壤黏粉粒含量與氮添加濃度回歸關(guān)系不顯著。氮添加對(duì)土壤總有機(jī)碳、全氮含量有先增后降低的趨勢(shì),對(duì)TOC/TN有增加趨勢(shì),但均不顯著,氮添加顯著抑制微生物量碳含量,對(duì)微生物量氮、MBC/MBN抑制效應(yīng)不顯著,氮添加顯著增加無(wú)機(jī)氮含量,其中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與氮添加顯著正回歸、氨態(tài)氮硝態(tài)氮比值與氮添加有顯著負(fù)回歸關(guān)系。

圖6 氮添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Fig.6 Effects of soil physical and chemical properties to nitrogen addition

本研究取樣時(shí)間為氮添加14年后,為了進(jìn)一步分析氮添加時(shí)長(zhǎng)對(duì)于土壤理化性質(zhì)的影響,本文補(bǔ)充了氮添加2年(2005年)、7年(2010年)、11年(2014年)0—10 cm土層相關(guān)指標(biāo)的數(shù)據(jù)[33- 35],對(duì)比氮添加不同時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤碳氮組分的影響(圖7)。在不同時(shí)間氮添加處理下,隨氮添加濃度增加土壤酸堿度、微生物量碳及微生物量氮含量下降,銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量上升。其中土壤酸堿度、微生物量碳隨施氮時(shí)間及施氮量的增加均顯著降低,微生物量氮含量與氮添加濃度在2005年、2010年顯著負(fù)相關(guān),2017年不顯著負(fù)相關(guān)。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與氮添加濃度在不同年份均顯著正相關(guān)(P<0.05),與施氮年份不顯著正相關(guān)(P>0.05)。土壤總有機(jī)碳、全氮含量與氮添加濃度在2005年顯著正相關(guān)(R2=0.908,R2=0.953,P<0.05),在2010年與2014年不顯著正相關(guān),在2017年不顯著負(fù)相關(guān)。

圖7 不同年限氮添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Fig.7 Effects of nitrogen addition in different years on soil physical and chemical properties

3 討論

3.1 長(zhǎng)期氮添加對(duì)土壤酸堿度及碳氮組分的影響

在全球氮沉降加劇的背景下,研究環(huán)境的不同對(duì)相應(yīng)研究結(jié)論造成一定差異。土壤酸堿度是影響微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的主要因素[13],大量氮添加試驗(yàn)表明[12]不同年份氮肥添加顯著酸化土壤,本研究施氮處理顯著降低了土壤酸堿度,且對(duì)表層土壤的酸化程度高于下層土,可能是氮添加通過(guò)降低可交換性陽(yáng)離子含量以及抑制有效陽(yáng)離子交換能力來(lái)減弱土壤酸緩沖能力從而酸化土壤[36]。

土壤碳、氮組分是草地生態(tài)系統(tǒng)表征土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的重要指標(biāo),本研究中相比對(duì)照組,14年氮添加處理對(duì)土壤總有機(jī)碳、全氮有不顯著促進(jìn)作用,且大于7年氮添加處理影響差異均不顯著,可能是因?yàn)槭┑却龠M(jìn)了地上植被生物量及初級(jí)生產(chǎn)力,也促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解。同樣周紀(jì)東等[13]研究表明氮添加對(duì)溫帶草原土壤全碳、全氮含量無(wú)顯著影響。鄭海霞等[37]、魏金明等[38]研究認(rèn)為施氮加快土壤有機(jī)氮分解的同時(shí)也促進(jìn)植物對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的吸收和利用,所以施氮對(duì)全氮并沒(méi)有顯著的影響。

土壤微生物量碳、氮是土壤有機(jī)元素中最活躍的部分,能夠反映土壤微生物的數(shù)量,體現(xiàn)土壤微生物活性[39]。研究表明在高寒草地施氮降低微生物量碳[32],而大于7年的高濃度氮添加(N16、N32)對(duì)微生物量碳具有顯著抑制作用,與王長(zhǎng)廷等[18]在青海高寒草甸研究發(fā)現(xiàn)隨施肥濃度的增加,微生物量碳含量先增后減相似。短期施氮能夠滿足氮限制狀態(tài)的土壤微生物對(duì)氮素的需求,在氮添加初期增強(qiáng)微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解活動(dòng),長(zhǎng)期施氮通過(guò)降低土壤酸堿度從而會(huì)降低土壤微生物酶活性,導(dǎo)致在氮添加末期降低微生物及其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解[40]。而王志瑞等[16]研究認(rèn)為微生物對(duì)短期氮添加不敏感可能是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量較高,因此適宜濃度的長(zhǎng)期氮添加能夠促進(jìn)土壤營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán),從而加速了各環(huán)節(jié)的能量流動(dòng),過(guò)量氮添加會(huì)顯著地抑制微生物活性[18]。

占土壤全氮95%的土壤有機(jī)氮是氮庫(kù)中的主要存在形態(tài),有機(jī)氮需要礦化成無(wú)機(jī)氮才容易被植物吸收利用[41],氮添加通過(guò)自身氮素的分解以及促進(jìn)有機(jī)氮的礦化作用從而增加銨態(tài)氮含量[41]。研究表明氮添加能夠顯著增加銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量,如王晶等研究表明退化草原中土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與氮添加濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系[42]。不同年份氮添加均顯著增加無(wú)機(jī)氮含量[33,43],本研究氮添加土壤表層主要增加銨態(tài)氮含量,而在氮添加深層土壤以增加硝態(tài)氮為主。由于本研究中施加的氮肥是尿素,尿素能夠分解釋放增加土壤中銨態(tài)氮含量,同時(shí)在微生物群落的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生硝化反應(yīng)從而增加硝態(tài)氮含量[11]。

3.2 長(zhǎng)期氮添加對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的影響

不同級(jí)別土粒含量的組合構(gòu)成了不同的土壤質(zhì)地類(lèi)型,通過(guò)影響土壤水力、肥力以及侵蝕狀況等影響土壤的理化生過(guò)程[44]。研究認(rèn)為施肥并沒(méi)有對(duì)土壤顆粒產(chǎn)生影響[44],而土壤的耕作方式[45]以及不同的植物群落[46]是造成土壤侵蝕情況及養(yǎng)分流動(dòng)從而改變土壤結(jié)構(gòu)的主要原因。本研究中長(zhǎng)期施氮處理降低了土壤粒度分形維數(shù),但不同濃度氮處理下的土壤粒度分形維數(shù)差異不顯著,表明土壤顆粒的均勻程度并未受到氮添加的影響,可能是由于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且變化緩慢,氮肥添加還不足以改變土壤的質(zhì)地結(jié)構(gòu)。

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)有利于養(yǎng)分的積累,是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[47],郭虎波等[48]研究發(fā)現(xiàn)適量濃度的氮添加能提高大團(tuán)聚體(>0.25 mm)的含量以及團(tuán)聚體平均重量直徑,在森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)的大量輸入可能是氮添加促進(jìn)團(tuán)聚體形成的主要原因。李明等[49]研究表明氮添加增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,可能會(huì)通過(guò)促進(jìn)植物根系、土壤粘粒和菌絲粘連從而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[50]。本研究大、小團(tuán)聚體含量在各氮添加濃度之間差異不顯著,與Wang等[51]研究相似,可能是草原植物根系對(duì)氮添加的響應(yīng)和土壤真菌活性降低共同作用的結(jié)果,也可能是由于草原植被產(chǎn)生的枯落物轉(zhuǎn)換成腐殖質(zhì)較少,降低了植物根系及共生菌對(duì)土壤的機(jī)械纏繞作用從而影響團(tuán)聚體的形成[52]。因此今后氮添加對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)土壤物理結(jié)構(gòu)影響的因素可以進(jìn)一步研究腐殖層有機(jī)質(zhì)及植物群落對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響。

3.3 長(zhǎng)期氮添加對(duì)不同土層土壤理化性質(zhì)的影響

氮添加增加無(wú)機(jī)氮離子,在硝化反應(yīng)等作用下產(chǎn)生的氫離子與土壤膠體表面吸附的鹽基離子發(fā)生交換,導(dǎo)致氫離子吸附聚集在土壤膠體表面[13],改變植物對(duì)離子的吸收以及改變土壤中鹽基離子濃度從而導(dǎo)致土壤的酸化[53]。硝化作用往往發(fā)生在微生物較多土壤表層,所以本研究中土壤酸化程度隨土壤深度增加而減弱,這與周紀(jì)東等[13]在內(nèi)蒙古溫帶草原的施氮結(jié)果相同。土壤pH的降低與氮素分解及銨態(tài)氮氧化硝化緊密相關(guān),適宜濃度的氮添加能夠?qū)Φ拗茽顟B(tài)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行氮素補(bǔ)充并調(diào)節(jié)土壤pH,從而更加適應(yīng)植物群落及土壤微生物群落的活動(dòng),相反高濃度氮添加時(shí)植物群落對(duì)無(wú)機(jī)氮的需求會(huì)達(dá)到飽和。本研究整體上隨氮添加濃度增加銨態(tài)氮增加量小于硝態(tài)氮增加量且硝態(tài)氮與土壤深度正相關(guān),可能是銨態(tài)氮進(jìn)一步硝化氧化成硝態(tài)氮,隨水分下滲增加深層土壤硝態(tài)氮[54],雙因素分析進(jìn)一步證明了氮添加與土壤深度對(duì)無(wú)機(jī)氮離子具有顯著的交互影響效應(yīng)。

在草地生態(tài)系統(tǒng)中,植被根系集中分布在土壤表層,地表凋落物的分解也主要發(fā)生在土壤表層[23],從而使土壤總有機(jī)碳、全氮和微生物量碳等元素含量隨土壤深度增加而減少,本研究的這種表聚現(xiàn)象與李占斌等[55]的研究相似。而土壤碳、氮庫(kù)是一個(gè)較為穩(wěn)定、變化緩慢的過(guò)程[13],氮添加并未改變土壤總有機(jī)碳、全氮的垂直分布規(guī)律,可能是有機(jī)碳不同來(lái)源對(duì)氮可利用性變化響應(yīng)存在一定的差異[23],而土壤總有機(jī)碳、全氮的不顯著增加或許說(shuō)明氮添加在一定程度上能夠促進(jìn)土壤理化性質(zhì)的改良。本研究土壤深度是土壤微生物量碳氮含量減少的主效應(yīng),氮添加對(duì)微生物量碳氮的抑制作用在0—10 cm土層要大于10—40 cm土層,也表明土壤表層微生物的活躍程度會(huì)被高濃度氮添加導(dǎo)致的土壤酸化而抑制。

長(zhǎng)期氮添加對(duì)不同土層的粒度分形維數(shù)及團(tuán)聚體比例的影響不顯著,但在0—10 cm土層黏粉粒含量與銨態(tài)氮顯著正相關(guān),在20—40 cm土層黏粉粒含量與總有機(jī)碳顯著正相關(guān),可能是粘粉粒對(duì)銨態(tài)氮、有機(jī)碳元素起到吸附和隔離的作用從而產(chǎn)生相互關(guān)系[56]。土壤物理結(jié)構(gòu)的變化需要經(jīng)過(guò)十分復(fù)雜而又緩慢的過(guò)程,氮沉降通過(guò)改變植物生長(zhǎng)、微生物活性劑有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量等眾多因素而影響土壤物理作用[52],因此氮素添加對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)影響的因素還需要進(jìn)一步長(zhǎng)期的研究。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)連續(xù)14年對(duì)內(nèi)蒙古溫帶典型草原進(jìn)行長(zhǎng)期氮添加試驗(yàn),研究氮沉降對(duì)溫帶典型草原土壤理化性質(zhì)的影響。長(zhǎng)期氮添加通過(guò)增加土壤無(wú)機(jī)氮離子顯著地酸化表層土壤,降低土壤表層微生物量碳含量；氮添加對(duì)土壤碳氮組分的影響在表土比在深層土更大,對(duì)硝態(tài)氮含量增加的影響深層土要比表層土大,土壤碳氮組分在適宜濃度氮添加的增加趨勢(shì)說(shuō)明氮添加在一定程度上可能促進(jìn)土壤理化性質(zhì)的改良；氮添加對(duì)各土層土壤粒度分形維數(shù)及土壤團(tuán)聚體影響不顯著,由于土壤結(jié)構(gòu)的變化相對(duì)緩慢,氮添加對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的影響還需要長(zhǎng)時(shí)間的深入研究。此外,本研究關(guān)注的是尿素添加對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響,今后的研究可關(guān)注不同氮素種類(lèi)添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的長(zhǎng)期影響。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院植物研究所多倫恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗(yàn)示范研究站對(duì)本研究野外試驗(yàn)工作的支持。

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