短期不同水平氮添加對(duì)華北鹽漬化草地土壤磷組分的影響

鄭 慧， 薛江博， 郝 杰， 刁華杰， 陳曉鵬， 王?；?， 董寬虎*

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 山西 太谷 030801； 2. 草地生態(tài)保護(hù)與鄉(xiāng)土草種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太谷 030801；3. 山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站， 山西 右玉 037200)

隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的快速提高，我國(guó)和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家一樣面臨嚴(yán)重的氮沉降問(wèn)題[1-2]。氮沉降的持續(xù)增加可以提高陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，但同時(shí)伴隨了生物地球化學(xué)循環(huán)的問(wèn)題，即影響土壤養(yǎng)分的化學(xué)計(jì)量比[3-4]，進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與功能[5]。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，是草地生態(tài)系統(tǒng)的第二大限制養(yǎng)分[6]。草地土壤磷循環(huán)受到環(huán)境和生物因子的影響，如地形[7]、土壤發(fā)育階段[8]、水分條件[9]、植被覆蓋狀況[10]以及土壤微生物[11]等均會(huì)影響磷的輸入和輸出。但是這些研究地點(diǎn)的環(huán)境條件、氮添加水平和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間均不一致，導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大的差異[12]。在對(duì)內(nèi)蒙古草原土壤磷的研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤全磷含量會(huì)隨著土壤施氮處理強(qiáng)度的不斷提高而下降，土壤有效磷含量隨著氮添加水平的升高而增加[13]；Fang等通過(guò)添加不同水平的尿素發(fā)現(xiàn)，氮添加降低了土壤pH值，但是對(duì)土壤全磷和有效磷含量沒(méi)有顯著影響[14]；Gong等在松嫩草原通過(guò)添加硝酸銨發(fā)現(xiàn)，氮添加使土壤全磷和有效磷含量顯著下降[15]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地位于山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站(39° 59′ N，112° 19′ E)，海拔1 348 m，為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年太陽(yáng)總輻射量598 kJ·cm-2，年日照時(shí)數(shù)2 600～2 700 h，無(wú)霜期100～120 d[21]。該地年均降水量435 mm，年均溫4.6℃，其中，2018-2020年生長(zhǎng)季降水量分別為460.8 mm，255.6 mm及426.6 mm，大氣平均溫度分別為16.9℃，16.0℃及16.4℃。土壤類型為栗鈣土，土壤pH值范圍為9～10，屬于鹽漬化草地，該草地堿性鹽種類為Ca2+，土壤電導(dǎo)率為0.42～1.58 ms·cm-1[22]。優(yōu)勢(shì)種為賴草(Leymussecalinus)，其他伴生種有羊草(Leymuschinensis)、堿蒿(Artemisiaanethifolia)、堿地風(fēng)毛菊(Saussurearuncinata)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)和車前(Plantagoasiatica)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始于2017年5月，選擇地勢(shì)平坦、物種組成和蓋度均勻分布的草地圍欄建設(shè)試驗(yàn)平臺(tái)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置8個(gè)不同水平氮添加[23]，分別為0，1，2，4，8，16，24和32 g N·m-2·a-1，分別用N0，N1，N2，N4，N8，N16，N24和N32表示，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)，共48個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為54 m2(6 m×9 m)，小區(qū)間隔2 m。所添加的肥料為含氮量為34.6%的硝酸銨(NH4NO3)，分別于每年5，6，7，8和9月月初利用肩背式噴霧器，將不同處理總氮添加量的1/5肥料溶于10 L自來(lái)水中(相當(dāng)于1 mm降水)施入樣地中，對(duì)照處理噴灑等量自來(lái)水，每次噴施盡量選擇在陰天或下雨前進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

大氣溫度和降水量通過(guò)小型氣象站記錄(HOBO U30-NRC，美國(guó)，Onset);10 cm土壤溫度利用數(shù)字式地溫計(jì)(M-SP-E-17，北京)測(cè)定；0～10 cm土壤含水量利用TDR-300(Spectrum Technologies，Plainfield，USA)測(cè)定。

其中，土壤微生物量磷計(jì)算公式為：MBP=Epi/(Kp×Rpi)，式中，Epi為熏蒸前后土壤樣品的差值；Kp表示轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.4，Rpi=[(外加KH2PO4溶液土壤樣品的測(cè)定值—未熏蒸土樣的測(cè)定值)/ 25]×100%[25]；微生物生物量碳、氮含量分別為熏蒸浸提液與未熏蒸浸提液中碳氮含量的差值然后分別除以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45[26]和0.54[27]；土壤的磷活化系數(shù)表征土壤全磷轉(zhuǎn)化為有效磷的難易程度，磷活化系數(shù)=土壤有效磷含量/土壤全磷含量[28]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水平氮添加對(duì)土壤pH值的影響

隨著處理年限的增加，土壤pH值隨著氮添加水平的增加顯著下降(圖1)。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間<2年時(shí)，不同水平氮添加對(duì)土壤pH值無(wú)顯著影響，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間≥2年，且氮添加量≥16 g N·m-2·a-1時(shí)可降低表層土壤pH值(P<0.05)。從三年的均值看，高氮添加顯著降低土壤pH值，與對(duì)照相比，0～10 cm土層pH值下降了0.24～0.39，10～20 cm土層土壤pH值下降了0.05～0.43。

2.2 不同水平氮添加對(duì)土壤總磷和微生物生物量磷含量的影響

2018—2020年不同水平氮添加對(duì)不同層次土壤全磷含量沒(méi)有顯著影響，對(duì)0～20 cm土層全磷含量也沒(méi)有顯著影響(圖2)。華北農(nóng)牧交錯(cuò)帶鹽漬化草地0～10 cm土壤全磷含量最大值為0.38 g·kg-1，最小值為0.13 g·kg-1，10～20 cm土壤全磷含量最大值為0.39 g·kg-1，最小值為0.26 g·kg-1。下層土壤的全磷含量略高于表層土壤。

圖2 不同水平氮添加對(duì)土壤全磷含量的影響Fig.2 Effects of different nitrogen addition levels on soil TP concent

不同水平氮添加與年份對(duì)土壤微生物生物量磷含量影響的三因素方差分析結(jié)果表明，該地區(qū)鹽漬化草地土壤微生物生物量磷含量有極顯著的年際差異(P<0.001，表1)。但是不同水平氮添加之間土壤微生物生物量磷含量差異不顯著(圖3)。

圖3 不同水平氮添加對(duì)土壤微生物生物量磷含量的影響Fig.3 Effects of different nitrogen addition levels on soil MBP content注：不同大寫字母表示年際之間差異顯著(P < 0.05)，下同Note:Different capital letters indicate significant differences between years at the 0.05 level,the same as below

表1 不同水平氮添加與處理年對(duì)土壤MBP影響的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA testing the effects of different levels of nitrogen addition and treatment years on soil MBP

2.3 不同水平氮添加對(duì)土壤有效磷含量及磷活化系數(shù)的影響

2018-2020年，0～10，10～20 cm土層的有效磷含量在不同水平氮添加處理下差異不顯著(圖4)，不同水平氮添加對(duì)土壤磷活化系數(shù)無(wú)顯著影響(圖5)。土壤有效磷含量與PAC的年際差異極顯著(P<0.001，表2)，土壤深度對(duì)土壤有效磷含量和PAC影響極顯著(P<0.001，表2)，土壤深度與取樣年的交互作用對(duì)有效磷含量影響顯著(P<0.05，表2)，其余各處理及處理間的交互作用對(duì)土壤有效磷含量沒(méi)有顯著影響(表2)。

表2 不同水平氮添加與處理年對(duì)不同深度土壤有效磷及磷活化系數(shù)影響的三因素方差分析Table 2 Three-way ANOVA testing the effects of nitrogen addition and year on AP and PAC in different soil depth

圖4 不同水平氮添加對(duì)土壤有效磷的影響Fig.4 Effects of different nitrogen addition levels on soil AP

圖5 不同水平氮添加對(duì)土壤磷活化系數(shù)的影響Fig.5 Effects of different nitrogen addition levels on soil PAC

2.4 土壤磷含量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

圖6 土壤磷含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Fig.6 Correlation between soil phosphorus content and soil physical and chemical properties注：*P<0.05;** P<0.01。 TP，AP，MBP，PAC，MBC，MBN，ST和SM分別表示土壤全磷，有效磷，微生物生物量磷，磷活化系數(shù)，微生物生物量碳，微生物生物量氮，土壤溫度和土壤含水量Note:*P<0.05;** P<0.01. TP,AP,MBP,PAC,MBC,MBN,ST and SM represent soil total phosphorus,available phosphorus,microbial biomass phosphorus,phosphorus activation coefficient,microbial biomass carbon,microbial biomass nitrogen,soil temperature and soil water content,respectively

3 討論

3.1 氮添加對(duì)土壤磷組分的影響

本研究結(jié)果表明土壤微生物生物量磷在相對(duì)干旱年份(即2019年)顯著低于降水充沛年份(即2018年和2020年)，這與Dijkstra等對(duì)干旱在短期內(nèi)對(duì)微生物生物量磷吸收影響的研究結(jié)果一致[34]，可能的原因是在相對(duì)干旱年份，土壤含水量相對(duì)較低，從而導(dǎo)致土壤中粘粒吸附磷素的能力不會(huì)降低[35]，因此降低了磷遷移率，限制了無(wú)機(jī)磷對(duì)微生物的供應(yīng)[36]。另外土壤含水量也是影響凋落物分解的重要環(huán)境因子，參與植物和微生物的生命活動(dòng)過(guò)程，影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[37]。本研究結(jié)果表明土壤含水量與土壤全磷、微生物生物量磷含量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤磷的轉(zhuǎn)化在鹽漬化草地也受到水分條件的強(qiáng)烈制約。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤溫度與土壤有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤全磷、微生物生物量磷含量無(wú)顯著相關(guān)性，表明土壤溫度升高雖會(huì)促使微生物活性和分解酶活性的提高，從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解，加快凋落物的分解速率，進(jìn)而加速磷元素的返還，但同時(shí)也使植物和微生物對(duì)磷素的利用效率提高[29]。

3.2 鹽漬化草地與非鹽漬化草地磷含量對(duì)氮添加響應(yīng)的差異

田沐雨等[12]、Deng等[32]通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn)，短期氮添加對(duì)非鹽漬化草地土壤磷含量無(wú)顯著影響，與我們的研究結(jié)果一致。但是鹽漬化草地土壤較高的pH值使得土壤磷的形態(tài)及有效性區(qū)別于非鹽漬化草地，在酸性土壤中，磷容易被Fe，Al氧化物固定，以磷酸鹽、鋁鹽的形態(tài)存在；在堿性土壤中，磷素則更易受到鈣的固定，以Ca-P的形態(tài)存在；而當(dāng)土壤pH值接近中性時(shí)，磷的有效性能達(dá)到最高[38]。有研究表明，土壤pH值影響礦物分解[39]，同時(shí)影響土壤微生物活性及其對(duì)難溶性磷酸鹽的分解[40-41]，因此，磷的有效性及周轉(zhuǎn)與土壤pH值有關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)土壤pH值與全磷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有效磷呈正相關(guān)關(guān)系，表明鹽漬化草地中較高的土壤pH值會(huì)促進(jìn)全磷向有效磷的轉(zhuǎn)化。氮添加降低土壤pH值，因此抑制總磷向有效磷的轉(zhuǎn)化，但是只有高氮添加處理顯著降低土壤pH值。由于磷的循環(huán)同樣是土壤微生物主導(dǎo)[34]，當(dāng)大量的氮輸入降低土壤pH值后并不能緩解鹽漬化草地土壤微生物的鹽脅迫，因此不會(huì)顯著影響土壤磷組分。

4 結(jié)論

短期不同水平氮添加并未顯著影響晉北鹽漬化草地土壤磷組分，雖然高氮添加處理顯著降低了土壤pH值，但是并未顯著影響磷及其組分含量，說(shuō)明鹽漬化草地較高的土壤pH值條件下，土壤鹽分脅迫限制了微生物對(duì)磷的轉(zhuǎn)化。間斷性的氮添加并不能真實(shí)反映自然生態(tài)系統(tǒng)的氮沉降過(guò)程對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的真實(shí)影響，而且氮添加的累積效應(yīng)對(duì)土壤磷組分及其轉(zhuǎn)化的影響是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，因此，長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)并增加土壤磷循環(huán)微生物功能基因的測(cè)定能夠更加完整地揭示鹽漬化草地不同水平氮添加對(duì)土壤磷循環(huán)的影響及可能的內(nèi)在機(jī)制。