氮添加對(duì)巴音布魯克高寒濕地土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響

胡 洋， 叢孟菲， 陳 末， 侯天鈺， 愚廣靈，買迪努爾·阿不來孜， 朱新萍,3， 賈宏濤,3

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052)

磷素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的元素，也是土壤中除氮素之外的第二大限制性營(yíng)養(yǎng)元素。土壤無機(jī)磷的形態(tài)決定了土壤磷素的遷移轉(zhuǎn)化和有效性，僅通過全磷或有效磷含量并不能全面的解釋土壤磷的供應(yīng)潛力和流失狀況。故此，已有學(xué)者提出一套適用于中性和石灰性土壤中的無機(jī)磷分級(jí)體系，此方法將土壤無機(jī)磷細(xì)分為磷酸鐵鹽(Fe—P)、磷酸鋁鹽(Al—P)、閉蓄態(tài)磷(O—P)、磷酸二鈣(Ca—P)、磷酸八鈣(Ca—P)和磷灰石(Ca—P)6種形態(tài)。其中，F(xiàn)e—P、Al—P和Ca—P被認(rèn)為是植物易利用態(tài)，而Ca—P、Ca—P和O—P被認(rèn)為是難利用態(tài)。

人為活動(dòng)致使大氣氮沉降速率迅速增加，深刻影響著土壤中諸多元素的轉(zhuǎn)化和循環(huán)。以往開展的氮添加研究大多以施用無機(jī)氮為主，而忽略了有機(jī)氮組分的潛在影響。越來越多的研究表明，有機(jī)氮占大氣氮沉降量很大的比例(30%左右)，同時(shí)有機(jī)氮沉降的比例正處于持續(xù)增加的狀態(tài)。更重要的是有機(jī)氮和無機(jī)氮添加對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)可能產(chǎn)生不同的影響。

氮添加可引起土壤酸化來增加土壤磷酸鹽離子的擴(kuò)散和磷素的有效性。另外，氮添加也可促進(jìn)或抑制土壤磷酸酶活性來增加或降低土壤有機(jī)磷的礦化。Chen等發(fā)現(xiàn)，施用無機(jī)氮會(huì)顯著降低土壤中有效磷組分，同時(shí)增加中度有效磷組分。但劉津等研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)氮的添加不會(huì)改變土壤無機(jī)磷的含量。由此可知，有機(jī)氮和無機(jī)氮對(duì)土壤磷素的影響并不一致，還需要進(jìn)一步分析。在半干旱草原和農(nóng)田上的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)氮的添加促進(jìn)了難利用磷轉(zhuǎn)化為低有效磷，顯著增加了土壤中低有效性無機(jī)磷組分(Fe—P、Al—P、Ca—P)，顯著降低了難利用無機(jī)磷含量(O—P、Ca—P、Ca—P)。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)氮的添加對(duì)高寒草原土壤全磷和速效磷無顯著影響。因此，在不同生態(tài)系統(tǒng)上，關(guān)于有機(jī)氮添加對(duì)土壤磷素的影響還存在爭(zhēng)議，需進(jìn)一步明確。且目前研究多集中于森林、草原和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，而在全球氣候變化敏感區(qū)—高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)上的研究較少，隨著全球氮沉降速率的快速增加，研究氮添加對(duì)高寒濕地土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響對(duì)于高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用具有重要的指導(dǎo)意義。

巴音布魯克高寒濕地是中亞干旱區(qū)典型的高寒濕地，其獨(dú)特的自然景觀和生態(tài)區(qū)位，使其成為維護(hù)我國(guó)西北干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要屏障。故此本研究布設(shè)野外原位試驗(yàn)，設(shè)置不同施氮量，來揭示短期氮添加對(duì)巴音布魯克高寒濕地土壤無機(jī)磷及其各形態(tài)含量的影響，可為全球高寒濕地應(yīng)對(duì)氣候變化的適應(yīng)與管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和靜縣內(nèi)的巴音布魯克高寒濕地進(jìn)行(82°59′00″—84°35′00″E，42°40′00″—43°00′00″N)。研究區(qū)面積770 km，海拔2 300～3 042 m，屬于溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫-4.6 ℃，極端最高氣溫為28 ℃，最低為-48.1 ℃，年均降水量273 mm，年蒸發(fā)量1 250 mm，年均相對(duì)濕度60%。根據(jù)地表積水和植被類型可劃分為沼澤(S)、沼澤草甸(SM)、草甸(M)3種類型。其中，沼澤常年處于淹水狀態(tài)，水深30～50 cm，優(yōu)勢(shì)植被主要有大穗苔草()；沼澤草甸冬季處于覆雪狀態(tài)，春季冰雪融化及生長(zhǎng)季持續(xù)降雨后會(huì)出現(xiàn)地表積水現(xiàn)象，在干旱季又會(huì)出現(xiàn)無積水現(xiàn)象，土壤水分含量50%～70%，地下水位約120 cm，優(yōu)勢(shì)植被主要為黑花苔草()和冰草()；草甸在冰雪融化及持續(xù)降雨時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫積水，常年處于干燥狀態(tài)，土壤水分含量25%～35%，優(yōu)勢(shì)植被主要為尖苞薹草()。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇在植物生長(zhǎng)季結(jié)束后(2018年10月)，采用原位模擬方法，在巴音布魯克高寒濕地沼澤、沼澤草甸和草甸區(qū)共布設(shè)9個(gè)小區(qū)(9 m×9 m)，并用1 m高的鋼質(zhì)柵欄圍護(hù)以防止人類及動(dòng)物干擾。根據(jù)2011年巴音布魯克高寒草原氮沉降量(8 kg/(hm·a))來設(shè)置本研究施氮濃度，分別為CK(0 kg·N/(hm·a))、N1(8 kg·N/(hm·a))、N2(16 kg·N/(hm·a))。按照不同氮添加濃度稱取所需的尿素用量，后充分溶于蒸餾水中使用噴壺均勻噴灑于各小區(qū)，為消除水分的影響，對(duì)照也噴灑同樣量的蒸餾水。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在2019年10月使用5點(diǎn)取樣法采集各區(qū)內(nèi)0—10 cm的土樣，一份土樣風(fēng)干后過篩，測(cè)定土壤pH、土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、全磷以及無機(jī)磷形態(tài)，另一份土樣陰干備用。土壤pH采用土水比1∶2.5浸提，使用pH計(jì)測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷采用分光光度計(jì)進(jìn)行比色測(cè)定；土壤速效鉀采用火焰光度計(jì)測(cè)定；土壤無機(jī)磷形態(tài)根據(jù)顧益初等改進(jìn)的方法測(cè)定，稱取土壤樣品依次使用NaHCO、NHOAc、NHF、NaCO、檸檬酸鈉、HSO浸提，再采用分光光度計(jì)測(cè)定土壤各無機(jī)磷形態(tài)(Ca—P、Ca—P、Al—P、Fe—P、O—P、Ca—P)含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用R(version 4.0.2)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖，使用agricolae軟件包(version 1.3.3)的LSD來檢驗(yàn)差異的顯著性(<0.05)，使用SPSS 26.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析。使用R中vegan軟件包(version 2.5.6)，并選擇RDA對(duì)土壤基礎(chǔ)性質(zhì)和土壤磷形態(tài)進(jìn)行排序，并使用蒙特卡洛置換檢驗(yàn)以分析土壤性質(zhì)的顯著性(permu=999)。采用Origin 2018軟件對(duì)分析后數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對(duì)土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)的影響

由表1可知，SM和M區(qū)土壤pH顯著高于S區(qū)，氮添加對(duì)3種濕地類型土壤pH無顯著影響。S區(qū)土壤有機(jī)碳含量顯著高于SM和M區(qū)，M區(qū)最低。與CK相比，N1處理顯著降低了SM區(qū)土壤有機(jī)碳含量(降低了4.19%)，N1、N2處理顯著增加了M區(qū)土壤有機(jī)碳含量(分別增加了19.29%和15.95%)，但是氮添加對(duì)S區(qū)土壤有機(jī)碳含量無顯著影響。S區(qū)土壤堿解氮含量也顯著高于SM和M區(qū)，N1、N2處理較CK顯著增加了SM和M區(qū)土壤堿解氮含量，但是對(duì)S區(qū)土壤堿解氮含量無顯著影響。M區(qū)土壤速效鉀含量顯著高于SM和M區(qū)，S區(qū)最低，N2處理較CK顯著增加了SM區(qū)速效鉀含量(增加了12.50%)，但是對(duì)S和M區(qū)無顯著影響?？梢?，不同濕地土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)有著顯著差異，且不同濕地類型土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)對(duì)氮添加的響應(yīng)程度不同。

表1 氮添加對(duì)高寒濕地土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2 氮添加對(duì)全磷和速效磷含量的影響

由圖1可知，SM區(qū)土壤全磷和速效磷含量均顯著高于S和M區(qū)，且S區(qū)含量最低。SM區(qū)全磷、速效磷含量分別為1.24～1.35 g/kg，77.41～79.63 mg/kg。M區(qū)全磷、速效磷含量分別為1.07～1.20 g/kg，67.62～68.38 mg/kg。S區(qū)全磷、速效磷含量分別為0.83～0.90 g/kg，55.76～56.14 mg/kg。氮添加對(duì)3種濕地類型土壤全磷和速效磷含量均無顯著影響。由此可知，不同濕地類型土壤全磷和速效磷含量有著顯著差異，但是氮添加對(duì)全磷和速效磷含量無顯著影響。

注：圖柱上方不同大寫字母表示不同區(qū)域同一施氮濃度在5%水平差異顯著；不同小寫字母表示同一區(qū)域不同施氮濃度處理在5%水平差異顯著。下同。

2.3 氮添加對(duì)土壤各形態(tài)無機(jī)磷的影響

由表2可知，氮添加對(duì)Ca—P、Al—P、O—P有顯著影響，不同濕地類型間各無機(jī)磷形態(tài)均有顯著差異，而氮添加與濕地類型的交互作用對(duì)Al—P、Fe—P、O—P和總無機(jī)磷有顯著影響。M區(qū)土壤總無機(jī)磷含量最高，SM區(qū)次之，S區(qū)最低，氮添加顯著增加了SM區(qū)土壤總無機(jī)磷含量，對(duì)S和M區(qū)無顯著影響(>0.05)。且S區(qū)中總無機(jī)磷含量占全磷46.17%～47.69%，SM區(qū)中占37.93%～42.45%，M區(qū)中占49.02%～52.61%。

具體分析各無機(jī)磷形態(tài)的變化發(fā)現(xiàn)，SM區(qū)土壤Ca—P含量最高，其次是S區(qū)，M區(qū)最低，與CK相比，N2顯著降低了S區(qū)Ca—P含量(降低10.31%)，但是氮添加對(duì)SM和M區(qū)Ca—P無顯著影響。SM和M區(qū)土壤Ca—P含量較高，與CK相比，N2處理顯著降低了S區(qū)和SM區(qū)Ca—P含量(分別降低9.36%和3.81%)，氮添加對(duì)M區(qū)Ca—P含量無顯著影響。M區(qū)土壤Ca—P含量最高，SM區(qū)次之，S區(qū)最低，氮添加對(duì)3種濕地類型Ca10—P含量均無顯著影響。S區(qū)土壤Al—P含量顯著高于SM和M區(qū)，與CK相比，N1處理顯著增加了S區(qū)Al—P含量(增加了9.92%)，N2處理又顯著降低21.49%，氮添加顯著增加了SM區(qū)土壤Al—P含量(增加14.61%～17.35%)，但是對(duì)M區(qū)無顯著影響。S區(qū)Fe—P含量也顯著高于SM和M區(qū)，與CK相比，N1處理顯著降低了S區(qū)Fe—P含量(降低7.41%)，N2處理顯著降低了M區(qū)Fe—P含量(降低28.81%)，氮添加對(duì)SM區(qū)Fe—P含量無顯著影響。SM區(qū)O—P含量最高，M區(qū)次之，S區(qū)最低，與CK相比，N1顯著增加了SM區(qū)土壤O—P含量(增加了25.79%)，氮添加顯著增加了S和M區(qū)O—P含量(增加了21.83%～25.93%)。

表2 氮添加對(duì)高寒濕地土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響 單位：mg/kg

由圖2可知，3種濕地類型間各無機(jī)磷所占比例有所差異，但是氮添加對(duì)各無機(jī)磷所占比例的影響較小。由聚類分析可知，SM和M區(qū)無機(jī)磷的組成相似，而與S區(qū)有著明顯的差異。整體來看，Ca—P所占無機(jī)磷比例最高(50.27%～64.69%)，處優(yōu)勢(shì)地位。其次是S區(qū)的Fe—P(18.10%～18.82%)和SM、M區(qū)的Ca—P(14.55%～17.17%)。O—P在3種濕地類型內(nèi)占7.53%～13.73%。其余所占比例較小(1.97%～11.50%)。

圖2 氮添加對(duì)高寒濕地土壤各無機(jī)磷形態(tài)占總無機(jī)磷比例的影響

2.4 氮添加影響土壤磷的相關(guān)因子分析

使用RDA對(duì)土壤性質(zhì)與各磷形態(tài)含量之間進(jìn)行排序。由圖3可知，總體而言，2個(gè)維度(RDA1與RDA2)共同解釋了土壤磷形態(tài)變化的92.42%，揭示了土壤因子對(duì)土壤無機(jī)磷形態(tài)的重要影響。土壤磷形態(tài)對(duì)氮添加的響應(yīng)不明顯，但是3種濕地類型之間差異顯著。RDA分析發(fā)現(xiàn)，土壤SOC和AN與AP、Ca—P、Al—P呈正相關(guān)關(guān)系，與Ca—P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤pH和AK與Ca—P、O—P呈正相關(guān)關(guān)系，與Fe—P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由表3蒙特卡洛置換檢驗(yàn)可知，各土壤因子(pH、SOC、AN、AK)與不同磷形態(tài)之間均存在極顯著相關(guān)(=0.001)。

3 討 論

磷素是植物生長(zhǎng)中主要的限制性營(yíng)養(yǎng)元素之一，盡管關(guān)于土壤磷素在各種陸地生態(tài)系統(tǒng)上分布特征的研究已有報(bào)道，但是對(duì)高寒濕地土壤磷素含量及其形態(tài)并沒有充分的了解。本研究高寒濕地全磷含量為0.83～1.35 g/kg。在閩江口蘆葦濕地、交錯(cuò)帶濕地和短葉茳芏濕地土壤上的研究發(fā)現(xiàn)，土壤全磷平均含量分別為656.6，775.5，721.9 mg/kg。本研究土壤全磷含量較高的原因可能是，本研究區(qū)氣溫低使得土壤微生物活性降低，從而導(dǎo)致土壤中的磷礦化速率低，植物吸收量少，磷素逐漸積累。由各無機(jī)磷形態(tài)所占比例可知，土壤總無機(jī)磷平均占全磷的46%，土壤中無機(jī)磷主要以Ca—P形態(tài)存在。而Ca—P中以Ca—P為主，占無機(jī)磷50.27%～64.69%。在扎龍濕地的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中磷素也主要以無機(jī)磷形態(tài)存在，平均占全磷含量的56%，略高于本研究結(jié)果。本研究中，不同濕地類型土壤水分的差異使得SM區(qū)土壤全磷和速效磷含量較高，土壤水分可參與土壤中磷素的轉(zhuǎn)化，SM區(qū)處于季節(jié)性積水區(qū)，適宜的水分含量可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，利于土壤中磷素的積累，而M區(qū)處于臨時(shí)積水區(qū)，土壤較干燥有利于有機(jī)磷的礦化，故無機(jī)磷含量較高。不同濕地類型土壤pH、有機(jī)碳、堿解氮和速效鉀含量的差異，可歸因于土壤水分含量和植被的差異。S區(qū)常年處于淹水狀態(tài)，土壤處于厭氧環(huán)境，植物凋落物很難被礦化分解，常年積累進(jìn)一步腐殖化后形成弱酸性的腐殖質(zhì)，導(dǎo)致土壤pH較低。而隨著S—SM—M區(qū)的變化，土壤有機(jī)碳含量顯著降低，可歸因土壤水分的差異，土壤水分充足則透氣性差，有機(jī)碳不易礦化分解，隨著土壤水分含量的減少，土壤有機(jī)碳礦化速率提高。土壤水分含量直接影響著土壤養(yǎng)分的運(yùn)輸、擴(kuò)散和有效性，也通過植物生長(zhǎng)和微生物活性改變土壤養(yǎng)分的有效性。

圖3 氮添加下高寒濕地土壤各磷形態(tài)與土壤因子之間的冗余分析

有機(jī)氮的添加可改變土壤原有氮循環(huán)，一方面氮添加可通過改變土壤理化性質(zhì)來改變土壤磷循環(huán)，同時(shí)氮添加可能會(huì)使土壤氮限制轉(zhuǎn)為磷，導(dǎo)致土壤氮磷比失調(diào)；另一方面，土壤氮、磷素之間可通過植物生長(zhǎng)和微生物群落來相互影響，所以施用有機(jī)氮也可顯著改變土壤磷素含量和形態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)，施氮對(duì)土壤全磷無顯著影響，但是對(duì)土壤無機(jī)磷形態(tài)有著顯著的影響，本研究結(jié)果與此一致。本研究中，有機(jī)氮的添加對(duì)土壤全磷和速效磷含量無顯著影響，但不同程度的影響了土壤中各形態(tài)無機(jī)磷的含量。有研究發(fā)現(xiàn)，施氮顯著降低Al—P、Fe—P、Ca—P和Ca—P含量，顯著增加了O—P含量，但是對(duì)各無機(jī)磷組分比例變化的影響較小，本研究結(jié)果與此相似。但是本研究中氮添加對(duì)Ca—P無顯著影響，可能是由于氮添加刺激了植物的生長(zhǎng)，植物首先利用Ca—P、Ca—P和Fe—P容易吸收的磷形態(tài)，而對(duì)于植物難以吸收的Ca—P，氮添加對(duì)其含量無顯著影響。在不同濕地類型中，土壤無機(jī)磷組分對(duì)氮添加的響應(yīng)并不一致。氮添加顯著降低了S區(qū)土壤Ca—P、Ca—P、Fe—P的含量，但是增加了O—P含量。在SM區(qū)中，氮添加降低了Ca—P含量，增加了Al—P、O—P含量。而在M區(qū)中，氮添加降低了Fe—P含量，增加了O—P含量，這與濕地土壤性質(zhì)和植被類型的差異有關(guān)。氮添加下土壤有機(jī)碳含量的增加歸因于植物生存力的提高和凋落物數(shù)量的增加，速效氮和速效鉀的增加是由于氮添加提高了土壤凈氮的礦化速率，刺激了土壤解鉀菌活性。

表3 蒙特卡洛置換檢驗(yàn)

本研究RDA分析證實(shí)，土壤各無機(jī)磷形態(tài)主要與土壤pH、有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀相關(guān)。已有研究認(rèn)為，土壤化學(xué)性質(zhì)可顯著影響土壤磷素，土壤中磷素的吸附—解析過程隨著土壤pH的變化而變化，而土壤有機(jī)碳本身具有吸附作用，可以從土壤中吸附一定的磷素。土壤氮、磷、鉀之間存在著密切的關(guān)系，影響著其間的協(xié)同吸收和運(yùn)輸。

前人在石灰性土壤的研究發(fā)現(xiàn)，Ca—P生物有效性最高，而O—P和Ca—P生物有效性最低，Ca—P、Al—P、Fe—P生物有效性介于二者之間。由此可知，雖然本研究氮添加對(duì)土壤全磷和速效磷含量無顯著影響，但是降低了土壤中植物易利用無機(jī)磷的含量，增加了難利用無機(jī)磷的含量，從而降低了土壤的供磷潛力。有研究發(fā)現(xiàn)，氮添加易使土壤中可溶性磷向非活性磷酸鹽遷移而難以利用，本研究結(jié)果與此一致。可能與植物和微生物對(duì)磷素的吸收利用有關(guān)，施氮可改變植物對(duì)磷的吸收，也可通過改變土壤微生物活性影響土壤中無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化。

4 結(jié) 論

(1)高寒濕地3種濕地類型土壤全磷、總無機(jī)磷分別為0.83～1.35 g/kg，391.68～582.57 mg/kg(平均占全磷的45.67%)。土壤無機(jī)磷中主要以Ca—P形態(tài)存在，而Ca—P中又以Ca—P為主，占總無機(jī)磷含量的50.27%～64.69%。

(2)氮添加顯著影響了3種濕地類型土壤無機(jī)磷形態(tài)?？傮w上，氮添加降低了土壤中易被利用無機(jī)磷含量，主要通過增加土壤難被利用O—P含量(較CK增加21.83%～25.94%)，使土壤供磷潛力降低。

(3)土壤pH、有機(jī)碳、堿解氮和速效鉀是影響高寒濕地土壤無機(jī)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的重要因子。