鹽漬化草地根際土壤理化性質(zhì)對降水改變和氮添加的響應

趙芳草， 陳鴻飛， 王一昊， 董寬虎， 王常慧， 陳曉鵬*

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院， 山西 太谷 030801； 2. 草地生態(tài)保護與鄉(xiāng)土草種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室， 山西 太谷 030801； 3. 山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 山西 右玉 037200)

在全球氣候變化的背景下，溫度升高引起了陸地降水格局的改變[1]。另外，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥施用量的增加和化石燃料的燃燒等，我國大氣氮沉降量呈逐年增加趨勢[2]。而長期氮沉降和降水格局變化會影響草地土壤理化性質(zhì)[3]。研究表明，降水改變直接影響土壤含水量，從而對土壤氮素有效性與氮礦化作用產(chǎn)生影響[4]。降水改變還會通過影響土壤氮轉(zhuǎn)化過程來影響土壤氮有效性[5]，并影響土壤全碳、全氮含量，改變土壤碳氮比[6-7]。氮沉降增加可降低土壤pH[8]，增加土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量[9]，提高氮礦化潛力[10]，加速土壤中交換性鹽基離子的耗竭[11]，降低全碳、全氮含量[12]。

另外，降水改變和氮沉降增加可通過影響植物根際效應以影響土壤理化性質(zhì)。植物根際效應主要依賴于根際分泌物，其包括有機酸、氨基酸、酚酸等，是造成根際與非根際土壤理化性質(zhì)不同的主要原因[13]。植物的根系分泌物可以活化周圍土壤固定態(tài)養(yǎng)分，也可以改善土壤微團聚體大小、吸附性能、親水性以及pH值等物理性質(zhì)[14-15]。研究表明，根系分泌物是植物對水分條件反應的重要組成部分[16]，降水量的增加會降低根系分泌物的產(chǎn)出率[17]。而氮添加顯著提高根際分泌物數(shù)量(有機酸和氨基酸)和根際銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量[18]，且氮添加可改變根系分泌物的組成和豐度，進而影響根際微生物群落[19]。這些研究結(jié)果基本闡明了氮添加或降水改變對土壤理化性質(zhì)的影響，但降水改變(增水和減水)和氮添加對土壤理化性質(zhì)的交互影響仍不明確。

土壤鹽漬化是我國乃至世界主要的環(huán)境問題之一[20-21]。全世界的鹽堿地面積約占整個陸地面積的7.6%。我國的鹽漬化土地面積約3.46×107hm2。植物可通過根際效應改善土壤結(jié)構(gòu)、激發(fā)微生物釋放土壤養(yǎng)分改良鹽漬化土壤[22-24]。然而有關鹽漬化草地根際和非根際土壤理化性質(zhì)對降水改變和氮添加的響應研究尚不系統(tǒng)[25]。本研究以中國北方農(nóng)牧交錯帶鹽漬化草地為研究對象，設置降水改變和氮添加的交互試驗，采集根際與非根際土壤并測定其理化性質(zhì)，旨在揭示鹽漬化草地土壤根際效應及其對降水改變和氮添加的響應，為深入理解鹽漬化草地生態(tài)系統(tǒng)過程提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

試驗地點位于山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(39°59′ N，112°19′ E，海拔1 348 m)，屬我國北方農(nóng)牧交錯帶。氣候類型屬于典型溫帶大陸性季風氣候，該區(qū)域平均氣溫4.6℃，最高氣溫20.2℃，最低溫度為—14.0℃，最冷月份為1月，最熱月份為7月。年均降水量為435 mm，近60%的降雨發(fā)生在6月至8月(1991—2019年)，無霜期94～146 d，年均日照率為30%。植被類型屬于低地草甸類，植物群落以賴草(Leymussecalinus)、堿茅(Puccinelliadistans)、堿蒿(Artemisiaanethifolia)等耐鹽堿植物為優(yōu)勢種[26]。土壤類型為栗鈣土或鈣質(zhì)土，表層0～10 cm土壤pH值為 8.7，土壤容重為1.34 g·cm-3。研究地點附近土壤(0～100 cm)的砂粒、粉粒和粘粒含量分別為56.2%，24.5%和19.3%[27]。

1.2 試驗設計

試驗平臺為全球變化聯(lián)網(wǎng)實驗平臺(Global Change Network)在中國溫性草原上的觀測點之一，試驗處理從2018 年開始。本研究選擇對照(CK)、增加50%降水(W+50%)、減少 50%降水(W-50%)、氮添加(N)、氮添加與增加50%降水(NW+50%)、氮添加與減少50%降水(NW-50%)，共6個處理。小區(qū)設計采用雙因素隨機區(qū)組設計，每處理設6個重復，單個小區(qū)面積為6 m×6 m，各個小區(qū)間間隔為2 m，使用的氮肥為緩釋尿素，N添加量根據(jù)N沉降臨界負荷及前人研究結(jié)果進行設置[28-29]，添加量為10 g·m-2·a-1，在生長季前期均勻地施撒到樣地中。降水增減量參考了國內(nèi)同類設計[30]，減水處理采用半遮擋式遮雨棚來減少50%的降水，半遮擋式遮雨棚頂部由相同間隔的透明V型塑料槽組成(透光率在90%以上)。增水處理采用人工澆水的方式在每次自然降水后，按照當次降雨量的50%進行灌溉，增加的降水量通過氣象站記錄的數(shù)據(jù)計算得出。

1.3 樣品采集

于2020年8月采集土壤樣品，進行土壤理化性質(zhì)測定(6個重復兩兩混合，組成三個復合樣本)。參照王天[31]的方法并稍作調(diào)整采集根際土壤樣品。在樣地內(nèi)挖取20 cm×20 cm×20 cm具有完整根系的土體，先輕輕抖落大塊的不含根系的土壤，用小刀取下附在根系周圍的土壤作為非根際土，裝入塑料袋中混勻。用刷子刷下距離根面0～2 mm的土壤作為根際土，把其中的根系去除干凈。將新鮮土壤樣品放在4℃的保溫箱內(nèi)保存以測定含水量，過2 mm篩，去除沙礫和植物殘留，用以測定土壤理化指標。

圖1 試驗小區(qū)分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of experimental plots注：虛線框圈出的小區(qū)為本試驗所選小區(qū)。CK，對照；W+50%，增加 50%降水；W-50%，減少 50%降水；N，氮添加；NW+50%，氮添加與增加 50%降水；NW-50%，氮添加與減少50%降水。下同Note:The selected plots in this experiment are circled by dotted lines. CK means Control;W+50% means increasing precipitation by 50%;W-50% means decreasing precipitation by 50%;N means nitrogen addition;NW+50% means increasing precipitation by 50% with nitrogen addition;NW-50% means decreasing precipitation by 50% with nitrogen addition.The same as below

1.4 指標測定及方法

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)對各處理下的土壤理化性質(zhì)進行多重比較(Tukey,P<0.05)；獨立樣本t檢驗以檢測根際與非根際土壤是否存在顯著差異；雙因素方差分析法(Two-Way repeated measures ANOVA)分析降水改變、氮添加及其交互作用對根際和非根際土壤理化性質(zhì)的影響。用SPSS(SPSS statistics 26.0,IBM,U.S.A)進行數(shù)據(jù)分析。用Origin(Origin 2021,Origin Lab,U.S.A)進行柱狀圖繪制，圖中所示數(shù)據(jù)為均值±標準誤(Mean±SE)，并進行冗余分析(RDA)和主成分(PCA)分析。使用SPSS Amos(SPSS Amos 24.0,IBM,U.S.A)進行結(jié)構(gòu)方程模型分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水改變和氮添加對根際和非根際土壤含水量、pH值和交換性Na+含量的影響

與對照相比，W-50%和NW-50%顯著增加根際與非根際土壤交換性Na+含量(圖2a，P<0.05)，W-50%提高了241.3%和598.8%的根際和非根際土壤交換性Na+含量，NW-50%提高了152.2%和302.3%的根際和非根際土壤交換性Na+含量。各處理均未影響根際與非根際土壤pH值(圖2b)與含水量(圖2c)。W-50%和NW-50%處理下根際與非根際土壤交換性Na+含量顯著高于N，W+50%和NW+50%處理；W-50%處理下根際土壤pH值顯著高于N和NW+50%處理，非根際土壤pH值顯著高于N，W+50%和NW+50%處理。根際土壤pH值顯著低于非根際土壤(P<0.05)，但其交換性Na+含量和含水量與非根際土壤相比無顯著差異。降水改變顯著影響根際和非根際土壤交換性Na+含量(P<0.01)及非根際土壤pH值(P<0.05)，氮添加及其與降水改變交互作用對根際和非根際土壤交換性Na+含量、pH值和含水量均無顯著影響。

圖2 降水改變與氮添加對根際與非根際土壤 含水量、pH值和交換性Na+含量的影響Fig.2 Effects of changed precipitation and nitrogen addition on soil moisture,pH and exchangeable Na+ concentration of rhizosphere and non-rhizosphere soils注：N1代表氮添加對根際土壤的影響；P1代表降水改變對根際土壤的影響；N1×P1代表降水改變和氮添加的交互作用對根際土壤的影響；N2代表氮添加對非根際土壤的影響；P2代表降水改變對非根際土壤的影響；N2×P2代表降水改變和氮添加的交互作用對非根際土壤的影響。不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示根際與非根際土壤相比差異顯著(P<0.05)。下同Note:N1 and N2represent the effect of nitrogen addition on rhizosphere and non-rhizosphere soil,P1 and P2represent the effect of changed precipitation on rhizosphere and non-rhizosphere soil,N1×P1 and N2×P2represent the interaction between changed precipitation and nitrogen addition on rhizosphere soil and non-rhizosphere soil,respectively. Different lowercase letters indicated significant difference among treatments at the 0.05 level,different capital letters indicate significant differences between rhizosphere and non-rhizosphere soil at the 0.05 level. The same as below

2.2 降水改變和氮添加對根際和非根際土壤無機氮含量的影響

與對照相比，N添加處理顯著提高了非根際土壤的硝態(tài)氮(圖3a，P<0.05)和無機氮含量(圖3c，P<0.05)，分別提高了208.1%和105.3%，各處理對根際和非根際土壤的銨態(tài)氮含量均無顯著影響(圖3b)。N添加處理下非根際土壤硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理(圖3a，P<0.05)，無機氮含量顯著高于W-50%和W+50%(圖3c，P<0.05)。根際土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮以及無機氮含量均顯著高于非根際土壤(P<0.01)。氮添加顯著提高了根際和非根際土壤的硝態(tài)氮含量(P<0.01)及非根際土壤無機氮含量(P<0.01)，降水改變及其與氮添加的交互作用對根際和非根際土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和無機氮含量均無顯著影響。

圖3 降水改變與氮添加對根際土壤與非根際 土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和無機氮含量的影響Fig.3 Effects of changed precipitation and nitrogen addition on the concentration of nitrate,ammonium and inorganic nitrogen in rhizosphere and non-rhizosphere soils

2.3 降水改變和氮添加對根際和非根際土壤有機酸、氨基酸、全碳和全氮含量的影響

與對照相比，各處理下的根際和非根際土壤有機酸、氨基酸、全碳和全氮含量均無顯著變化(圖4)。各處理間的根際和非根際土壤有機酸、氨基酸、全碳和全氮含量無顯著差異。根際土壤有機酸和氨基酸含量均顯著高于非根際土壤(圖4a和圖4b，P<0.05)，根際土壤全碳和全氮含量顯著高于非根際土壤(圖4c和圖4d，P<0.01)。降水改變、氮添加以及二者的交互作用對根際和非根際土壤的有機酸、氨基酸、全碳和全氮含量均無顯著影響。

圖4 降水改變與氮添加對根際與非根際土壤有機酸、氨基酸、全碳和全氮含量的影響Fig.4 Effects of changed precipitation and nitrogen addition on the concentration of organic acids,amino acids,total carbon and total nitrogen in rhizosphere and non-rhizosphere soils

2.4 降水改變與氮添加處理下各土壤理化性質(zhì)的相關關系

鹽漬化因子(土壤pH值與交換性Na+含量)是衡量鹽漬化草地土壤理化性質(zhì)變化的核心指標，因此以土壤pH值與交換性Na+含量為響應變量，其他指標為解釋變量進行冗余分析，結(jié)果表明：(1)根際土壤pH值與土壤含水量、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及氨基酸含量呈負相關關系；根際土壤交換性Na+與有機酸、全碳含量呈正相關關系，與全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及氨基酸含量呈負相關關系；第一主成分所解釋比例為62.88%，第二主成分所解釋比例為5.23%(圖5a)；(2)非根際土壤pH與全氮含量和含水量呈正相關關系，與氨基酸、銨態(tài)氮和全碳含量呈負相關關系；交換性Na+與全氮、含水量、有機酸含量呈正相關關系，與氨基酸、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和全碳含量呈負相關關系；第一主成分所解釋比例為48.99%，第二主成分所解釋比例為3.97%(圖5b)。根際土壤和非根際土壤理化性質(zhì)對降水改變和氮添加的響應具有明顯差異，第一主成分所解釋比例為46.29%，第二主成分所解釋比例為24.02%(圖5c)。

2.5 土壤酸堿度與其他土壤理化性質(zhì)的關系

為探究水、氮交互作用對土壤鹽漬化因子(土壤pH值變化和與交換性Na+含量)的影響路徑，進行了結(jié)構(gòu)方程模型分析。結(jié)果表明：(1)在根際土壤中，氮添加通過增加硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，減少交換性Na+含量，以降低土壤pH值；降水改變通過減少有機酸降低土壤pH值(增水升高，減水降低)；該模型能解釋根際土壤pH值在降水改變和氮添加下59%的變化(圖6a)；(2)氮添加通過增加硝態(tài)氮、減少交換性Na+含量以降低非根際土壤pH值；但氮添加會降低非根際土壤全氮含量，從而導致土壤pH值的上升；降水改變通過影響硝態(tài)氮含量對非根際土壤pH值產(chǎn)生影響(增水降低，減水升高)，該模型能解釋非根際土壤pH值在降水改變和氮添加下72%的變化(圖6b)。

圖5 降水改變與氮添加對根際與非根際土壤理化性質(zhì)影響的RDA和PCA分析結(jié)果Fig.5 The results of RDA analysis and PCA analysis of the effects of changed precipitation and nitrogen addition on rhizosphere and non-rhizosphere soil properties注：圖(a)為降水改變與氮添加對根際土壤理化性質(zhì)影響的RDA分析結(jié)果，圖(b)為降水改變與氮添加對非根際土壤理化性質(zhì)影響的RDA分析結(jié)果，圖(c)為降水改變與氮添加對根際和非根際土壤理化性質(zhì)影響的PCA分析結(jié)果Note:Figure (a) is the RDA analysis result of the effect of precipitation change and nitrogen addition on the physical and chemical properties of rhizosphere soil,Figure (b) is the RDA analysis result of the effect of precipitation change and nitrogen addition on the physical and chemical properties of non-rhizosphere soil,Figure (c) is PCA analysis results of the effects of precipitation change and nitrogen addition on rhizosphere and non-rhizosphere soil physicochemical properties

圖6 降水改變與氮添加對根際(a)和非根際(b)土壤酸堿度的影響的結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)Fig.6 Structural equation models of the effects of changed precipitation and nitrogen addition on pH of rhizosphere (a) and non-rhizosphere (b) soils(SEM)注：實線代表顯著相關，虛線代表不顯著，紅色箭頭代表正相關，黑色箭頭代表負相關，箭頭旁邊的數(shù)字代表標準化路徑系數(shù)，與線的厚度成正比，R2代表模型的解釋度Note:The solid lines represent significant,while the dotted lines represent insignificant correlation. The red arrows represent positive while the black arrows represent negative correlation. The numbers next to the arrow represent the standardized path coefficient,which are proportional to the thickness of the line. R2 represents the proportion of variation explained by the model

3 討論

3.1 降水改變和氮添加對鹽漬化草地根際和非根際土理化性質(zhì)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，減少降水顯著提高了土壤交換性Na+含量。這是因為減少降水降低了鹽基離子的淋失量(淋溶作用)[34]，而在土壤蒸散發(fā)能力不變的情況下導致土壤表層Na+含量增加。由于在黃土高原典型草原區(qū)，土壤中氮轉(zhuǎn)化過程主要以硝化作用為主[35-36]，使土壤中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，因此氮添加顯著提高了土壤硝態(tài)氮水平，使非根際土壤中無機氮和硝態(tài)氮含量顯著增加，而銨態(tài)氮含量無顯著變化。另外，本研究發(fā)現(xiàn)鹽漬化土壤根際與非根際土壤理化性質(zhì)對增加降水及降水改變與氮添加交互作用的響應不敏感。首先，在鹽漬化草地，較高土壤陽離子含量具有較強的酸緩沖能力[37]，且增加降水會造成氮素的淋失[38]，與氮添加形成拮抗作用，這可能使得鹽漬化草地土壤pH值對氮添加和降水改變交互作用的響應不敏感。另外，王巖等研究表明，氮添加和增水交互作用對草地凈氮礦化速率的影響不顯著[39]，因此，氮添加和增水對無機氮的交互作用不顯著。增加氮輸入能顯著增加根系分泌物的碳、氮輸出速率，而增水會降低根系分泌物的產(chǎn)出率[16]，因此氮添加和增水對于根系分泌物的產(chǎn)出也形成了拮抗作用，導致有機酸和氨基酸含量對增水和氮添加交互作用的響應并不敏感。綜上所述，多數(shù)情況下降水改變與氮添加對植物根際效應、土壤理化性質(zhì)的影響很可能相互抵消，導致水、氮交互作用對鹽漬化草地土壤理化性質(zhì)無顯著影響。

3.2 鹽漬化草地根際和非根際土壤理化性質(zhì)對降水改變和氮添加的響應差異

本研究發(fā)現(xiàn)，鹽漬化草地具有明顯的根際效應。首先，與非根際土壤相比，根際土壤pH值較低。這是由于植物在生長過程中，可通過根系向外排出一些物質(zhì)，如氨基酸和有機酸類物質(zhì)使得根際土壤pH值降低[40]，從而提高植物的耐堿性[41]。另外，根際土壤全碳、全氮和無機氮含量均顯著高于非根際土壤。一方面，植物根產(chǎn)生的分泌物和脫落物為根際區(qū)土壤微生物提供有效C和N源[42]；另一方面，根系分泌的粘膠物質(zhì)，促進土壤水穩(wěn)性團粒結(jié)構(gòu)的形成，從而使根際微域土壤的水、肥、氣、熱得到很好的協(xié)調(diào)[43]，使根際成為植物根系和土壤微生物生長發(fā)育、營養(yǎng)成分吸收和新陳代謝的主要場所、土壤化學和生物學性質(zhì)最為活躍的微域[44]。因此，根際土壤養(yǎng)分含量及其礦化能力比非根際土壤要高。另外，降水改變和氮添加對根際和非根際土壤pH值的影響路徑不同，根際土壤主要通過改變銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機酸和交換性Na+含量來影響土壤pH值，非根際土壤主要通過改變硝態(tài)氮、全氮和交換性Na+含量來影響土壤pH值，這可能是由于相對硝態(tài)氮，植物更喜歡吸收利用銨態(tài)氮[45]，這導致根際銨態(tài)氮減少，銨離子帶正電荷，根吸收銨離子會釋放質(zhì)子[46]，因此降低了根際的pH值。根際在干旱條件下會增加有機酸的分泌，尤其是蘋果酸和琥珀酸在提高植物抗旱性方面發(fā)揮著重要作用[47]，因此降水減少會引起根際有機酸含量的增加，從而降低根際土壤pH值。

4 結(jié)論

減少降水會增加土壤交換性Na+含量，進而增強對生物的鹽脅迫；增水以及增減水與氮添加交互作用對根際和非根際各項土壤理化性質(zhì)均無顯著影響；植物根際效應對鹽漬化草地土壤理化性質(zhì)的影響為降低土壤pH值，提高土壤全碳、全氮、可利用氮、有機酸和氨基酸含量。表明在未來氣候變化情境下，干旱會增強土壤的鹽堿脅迫，但降水增加和大氣氮沉降對鹽漬化草地植物根際效應和土壤理化性質(zhì)的影響有限。