氮添加對黃土丘陵區(qū)草地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳庫的影響

摘要：研究基于黃土丘陵區(qū)草地氮添加長期定位試驗，測定土壤團(tuán)聚體碳組分、理化性質(zhì)，分析養(yǎng)分化學(xué)計量比和碳庫相關(guān)指數(shù)，探究團(tuán)聚體水平土壤碳庫對氮添加的響應(yīng)。結(jié)果表明：氮添加顯著影響了不同粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、β-1，4-葡萄糖苷酶及pH值等指標(biāo)；與對照相比，80 kg·ha^-1·a^-1水平氮添加下小、中、大粒級土壤團(tuán)聚體中高活性有機(jī)碳分別增加了59.90%，108.16%和138.88%（Plt;0.05）；在高氮添加下中、小粒級團(tuán)聚體土壤碳庫指數(shù)和固碳指數(shù)均顯著高于大粒級團(tuán)聚體（Plt;0.05）；土壤pH值、C∶P等理化指標(biāo)對碳庫相關(guān)指數(shù)和活性有機(jī)碳組分變異的解釋率分別為61.84%和42.06%，氮添加后土壤理化性質(zhì)對碳庫管理指數(shù)和活性有機(jī)碳的影響關(guān)系在不同粒級團(tuán)聚體中存在差異（Plt;0.05）。綜上所述，氮添加促進(jìn)了大粒級團(tuán)聚體碳庫活性，而增加了小粒級團(tuán)聚體碳庫穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：氮添加；土壤團(tuán)聚體；碳組分；碳庫管理指數(shù)；草地

中圖分類號：S812.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0435（2023）07-2031-10

Effect of Nitrogen Addition on the Organic Carbon Pool of Grassland Soil Aggregates in Loess Hilly Region

ZHANG Dan1， DENG Jian^1，2*， ZHU Yun1， WANG Ya-nan1， CHEN Zi-yue1， ZHAO Xue1， HU Wen-ying1

（1. College of Life Sciences， Yan’an University， Yanan， Shaanxi Province 716000， China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Chinese Jujube， Yan’an University， Yanan， Shaanxi Province 716000， China）

Abstract：In order to explore the response of soil carbon pool to nitrogen addition at the aggregate level，the soil carbon composition，physicochemical properties，nutrient stoichiometry，and carbon pool correlation index of soil aggregates were measured and analyzed based on a long term In-situ experiment of nitrogen addition in a grassland in the Loess Hilly Region. The results showed that nitrogen addition significantly affected the indicators of soil organic carbon content，β-1，4-Glucosidase activity and pH value in different sized aggregates. Compared to the control，the high active organic carbon in micro aggregates，medium aggregates，and macro aggregate under 80 kg·ha^-1·a^-1 nitrogen addition level increased by 59.90%，108.16%，and 138.88% respectively （Plt;0.05）. The soil carbon pool index and carbon recalcitrant index were higher in medium aggregates and micro aggregates than those in macro aggregates under a high nitrogen addition level （Plt;0.05）. The explanation rates of soil physicochemical properties （e.g. soil pH value and C∶P ratio） on the variation of carbon pool correlation index and active organic carbon component were 61.84% and 42.06%，respectively. The effects of the soil physical and chemical properties on carbon pool management index and active organic carbon after nitrogen addition varied among different sized aggregates （Plt;0.05）. As conclusion，the nitrogen addition promoted the activity of the macro aggregate carbon pool and increased the stability of the micro aggregates carbon pool.

Key words：Nitrogen addition;Soil aggregate;Carbon component;Carbon pool management index;Grassland

工業(yè)革命以來，人類活動導(dǎo)致大氣氮沉降逐年加劇^[1]。由于生態(tài)系統(tǒng)碳氮的強(qiáng)烈耦合關(guān)系，氮沉降增加導(dǎo)致更多的氮輸入可能會對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生影響，如改變初級生產(chǎn)力或生態(tài)系統(tǒng)碳轉(zhuǎn)化過程，而這些影響最終都會影響到土壤有機(jī)碳庫^[2]。土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫^[3]，氮沉降引起土壤有機(jī)碳庫微小的變化都可能引起大氣二氧化碳含量的改變，進(jìn)而影響著氣候變化^[4]。因此，氮沉降對土壤有機(jī)碳庫的影響是全球氣候變化背景下研究的熱點問題。

前人關(guān)于氮沉降對土壤有機(jī)碳庫的影響研究結(jié)論存在較大差異。如氮沉降可以通過促進(jìn)植物生長加速生物量的積累增加土壤固碳量，或者通過改變微生物群落特征抑制土壤異養(yǎng)呼吸、降低或增加土壤碳分解酶活性而改變碳庫穩(wěn)定性^[5]；然而也有研究認(rèn)為氮沉降促進(jìn)土壤呼吸進(jìn)而加快了有機(jī)碳的分解，最終減少了土壤碳固存^[6-7]，F(xiàn)ang等的研究發(fā)現(xiàn) 20 kg·ha^-1·a^-1和40 kg·ha^-1·a^-1的氮添加降低了土壤有機(jī)碳含量和碳固存量^[8]；此外也有研究認(rèn)為氮添加對土壤有機(jī)碳儲量的影響不顯著^[9]。由于土壤團(tuán)聚體是土壤碳的主要儲存場所，表土中近90%的土壤碳都存在于團(tuán)聚體中^[10]，但不同粒級團(tuán)聚體中的有機(jī)碳儲量、穩(wěn)定性及理化性質(zhì)差異較大^[11]，因此土壤團(tuán)聚體可能是引起土壤有機(jī)碳庫對氮添加差異化響應(yīng)結(jié)果的重要原因。王?；鄣劝l(fā)現(xiàn)小團(tuán)聚體內(nèi)的惰性碳含量更高，更有利于碳固存，而大團(tuán)聚體中的碳庫更加活躍^[12]，且大團(tuán)聚體中微生物過程活躍導(dǎo)致其中碳庫周轉(zhuǎn)更快，碳庫更加不穩(wěn)定^[13]。外部氮輸入不僅會引起不同粒級土壤團(tuán)聚體比例的變化^[14]；更重要的是，由于不同粒級團(tuán)聚體理化性質(zhì)（如養(yǎng)分有效性、pH值等）和微生物特征的差異，導(dǎo)致其中的土壤碳組分和周轉(zhuǎn)過程對氮添加的響應(yīng)也可能不同^[15]。因此，有必要從團(tuán)聚體水平上明確氮添加對土壤有機(jī)碳庫的影響特征。

草地是我國北方干旱半干旱地區(qū)最主要的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型，對維持區(qū)域生態(tài)功能具有重要作用^[16]。但近年來草地受到氮沉降的影響愈加強(qiáng)烈^[17]，這可能會加劇草地養(yǎng)分不平衡問題和改變土壤碳循環(huán)過程，增加草地退化風(fēng)險。尤其是在黃土丘陵區(qū)等生境脆弱地區(qū)，草地約占植被面積的40%以上^[18]，養(yǎng)分、水分限制導(dǎo)致其土壤碳庫對氮沉降的響應(yīng)更加敏感，然而目前關(guān)于氮沉降對草地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳庫的影響特征尚不清楚。因此，本研究選取黃土丘陵區(qū)典型草地為研究對象，基于多年原位氮添加試驗，研究不同水平氮添加對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分及碳庫穩(wěn)定性的影響，以期為氮沉降背景下半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)評估和植被固碳功能管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞區(qū)五里灣流域（109°13′E，36°46′N），該流域?qū)俚湫偷狞S土丘陵地貌，暖溫帶半干旱氣候，年均氣溫8.8℃，多年平均降雨量505 mm，降水主要集中在6—9月份。區(qū)域地帶性土壤為黃土母質(zhì)發(fā)育而來的黃綿土。該區(qū)因大面積開荒種地導(dǎo)致原生植被破壞嚴(yán)重，自20世紀(jì)50年代以來開展人工植被恢復(fù)和封山禁牧，現(xiàn)有植被主要為原有農(nóng)田退耕形成的人工林地和草地，其中草地約占植被面積的42%，草地植物主要有鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、大針茅（Stipa grandis）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、長芒草（Stipa bungeana）、茵陳蒿（Artemisia capillaris）等。

1.2 試驗設(shè)計和采樣

在研究區(qū)內(nèi)選擇自然恢復(fù)30年、群落基本穩(wěn)定的草地作為研究樣地。研究采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，設(shè)置五個氮添加梯度水平分別為0，10，20，40，80 kg·ha^-1·a^-1（以純N計算，分別用N0，N1，N2，N3，N4代表），小區(qū)面積9 m²（3 m×3 m），小區(qū)設(shè)置間隔1 m以防相互干擾，每個處理水平重復(fù)3次。2017年起開始處理，每年分4次將添加劑（尿素，CH₄ N₂O）溶解到水中均勻噴灑在小區(qū)內(nèi)，每年6月和9月分別施入全年添加量的1/3；3月和12月分別施入全年添加量的1/6以模擬不同季節(jié)有差異的氮沉降量，對照小區(qū)噴灑等量的水。氮添加處理3年后生長季采樣，每個樣方沿對角線選擇3個樣點，用4 cm土鉆采集0～10 cm土壤樣品，將同一樣方的土壤混勻并去除動植物殘體、石塊等雜物后作為該樣方的土壤樣品帶回實驗室稱重后分為3份，將用于測定土壤微生物量和酶活性指標(biāo)的樣品裝入塑封袋后放入4℃冷藏保存；將用于測定土壤其他理化性質(zhì)的團(tuán)聚體樣品風(fēng)干后保存；另一份樣品放入105℃烘干后稱重，測定水分含量用于計算各粒級團(tuán)聚體干重。

1.3 指標(biāo)測定

選擇最佳濕度篩分法^[19]（Optimal moisture sieving procedures，OMSP）（篩分濕度10%）進(jìn)行土壤樣品團(tuán)聚體分組：首先于4℃的條件下將土壤鮮樣進(jìn)行冷卻干燥以達(dá)到10%的含水率，再將干燥后的土壤放置于2 mm和0.25 mm孔徑土篩組成的往復(fù)式套篩上震蕩篩分3 min，最終獲得大粒級（gt;2 mm）、中粒級（0.25～2 mm）和小粒級（lt;0.25 mm）的團(tuán)聚體樣品。

土壤碳組分測定和碳庫穩(wěn)定性計算：土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤可溶性有機(jī)碳（Dissolved organic carbon，DOC）采用超純水0.45 μm濾膜過濾后用總有機(jī)碳分析儀（TOC，日本島津）測定；土壤不同活性有機(jī)碳測定采用土樣與333，167和33 mmol·L^-1 KMnO₄反應(yīng)后在分光光度計565 nm處比色的方法^[20]，33 mmol·L^-1 KMnO₄測得的活性碳含量記為C1，167 mmol·L^-1 KMnO₄測得的活性碳減去33 mmol·L^-1 KMnO₄測得的活性碳后記為C2，333 mmol·L^-1 KMnO₄測得的活性碳減去167 mmol·L^-1 KMnO₄測得的活性碳后記為C3，SOC含量減去C1，C2和C3后記為C4。其中C1為高活性碳組分，C2為中活性碳組分，C3為低活性碳組分，C4為穩(wěn)定性碳組分?；钚杂袡C(jī)碳（Active organic carbon，AOC）為C1，C2之和，惰性有機(jī)碳（Recalcitrant organic carbon，ROC）為C3，C4之和。計算碳庫指數(shù)（Carbon pool index，CPI）、碳庫活度指數(shù)（Carbon pool active degree，CPAI）、碳庫管理指數(shù)（Carbon pool management index，CPMI）和固碳指數(shù)（Recalcitrant index，RI）和用于反映氮添加水平變化下土壤團(tuán)聚體碳庫穩(wěn)定性特征，以N0土壤為參考土壤，具體計算方法^[21]如下：

土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)測定：土壤容重（Soil bulk density，SBD）采用環(huán)刀法、水分含量采用烘干法、pH采用pH計測定（水土比5∶1）。土壤全氮、全磷用濃硫酸－高氯酸消煮后分別用全自動凱氏定氮儀和鉬銻抗比色法測定。

測定土壤β-1，4-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，BG）和微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）用于微生物對碳的利用特征，其中BG活性采用微孔板熒光法，用多功能酶標(biāo)儀（Synergy H4，BioTek）進(jìn)行測定；MBC經(jīng)氯仿熏蒸后用K₂SO₄浸提，利用總有機(jī)碳分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

養(yǎng)分計量比采用質(zhì)量比計算。采用R軟件進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較，研究氮添加和不同粒級團(tuán)聚體對各項指標(biāo)的影響；采用冗余分析（RDA，R軟件‘vegan’軟件包）和相關(guān)分析（R軟件‘cor（）’函數(shù)包）研究指標(biāo)之間的相互關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加后草地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和理化性質(zhì)

氮添加顯著影響了土壤團(tuán)聚體理化性質(zhì)，且不同團(tuán)聚體粒級中指標(biāo)的響應(yīng)有所差異（表1）。總體上不同團(tuán)聚體粒級對土壤SOC，TP，C∶N和C∶P有顯著影響，氮添加與團(tuán)聚體的交互作用對TN和N∶P有顯著影響（Plt;0.05）。其中SOC，BG和C∶P總體隨著粒級大小的增加而降低（Plt;0.05）；土壤TN在小粒級（lt;0.25 mm）團(tuán)聚體中隨著氮添加水平的增加先降低后增加，但在大粒級（gt;2 mm）和中粒級（0.25～2 mm）團(tuán)聚體中總體呈逐漸增加的趨勢（Plt;0.05）；pH值在各粒級中均隨著氮添加水平的增加而顯著降低（Plt;0.05），但在各粒級之間差異不顯著。TP和C∶N在各粒級團(tuán)聚體中均無顯著變化。

2.2 氮添加后撂荒草地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分和活性特征變化

氮添加顯著影響了土壤團(tuán)聚體碳組分中活性、惰性有機(jī)碳和微生物有機(jī)碳的含量（Plt;0.05，圖1），其中微生物生物量碳、土壤惰性有機(jī)碳在各粒級均隨氮添加水平的增加先降低后增加，惰性有機(jī)碳含量總體隨團(tuán)聚體粒級的增加逐漸降低（Plt;0.05），微生物生物量碳在各粒級中差異不顯著。土壤活性有機(jī)碳含量在小粒級和中粒級團(tuán)聚體中總體隨氮添加水平的增加逐漸增加，而在大粒級中先降低后增加（Plt;0.05），除N2處理外，其他處理下各粒級之間活性有機(jī)碳含量差異不顯著。N2處理下，小粒級團(tuán)聚體中可溶性有機(jī)碳含量顯著高于中粒級和大粒級（Plt;0.05），而其他處理下氮添加和團(tuán)聚體粒級對可溶性有機(jī)碳含量均無顯著影響。

氮添加和團(tuán)聚體粒級對土壤不同活性有機(jī)碳有顯著影響（Plt;0.05，圖2）。高活性有機(jī)碳在小、中、大粒級團(tuán)聚體中的含量從N0到N4分別顯著增加了59.90%，108.16%和138.88%（Plt;0.05），但不同粒級間除N0處理外差異均不顯著。中活性有機(jī)碳含量在不同粒級中均隨著氮添加濃度的增加先降低后增加，且在N1到N4處理均表現(xiàn)為小粒級或中粒級顯著高于大粒級（Plt;0.05）。低活性有機(jī)碳含量在小粒級和中粒級從N0到N1有所增加，但從N1到N2顯著降低，隨后從N2到N4逐漸增加；在大粒級團(tuán)聚體中隨著氮添加水平的增加逐漸增加（Plt;0.05）；在N0和N1處理下小粒級和中粒級含量顯著高于大粒級，而在N2處理下相反（Plt;0.05）；N3和N4處理下不同粒級間差異不顯著。

2.3 氮添加后草地土壤團(tuán)聚體碳庫指數(shù)變化

不同氮添加水平和團(tuán)聚體粒級對土壤碳庫相關(guān)指數(shù)均有顯著影響（Plt;0.05，圖3）。隨氮添加濃度的增加，各粒級團(tuán)聚體CPI均呈先降低后上升的趨勢，且不同粒級之間表現(xiàn)為隨粒徑增加逐漸降低的趨勢（Plt;0.05）。CPAI在各粒級團(tuán)聚體中均隨著氮添加濃度的增加先增加后降低，且在N2到N4處理下在大粒級中顯著高于中、小粒級團(tuán)聚體（Plt;0.05）。CPMI總體隨著氮添加濃度的增加逐漸增加，N0和N1處理下在小粒級或中粒級中顯著高于大粒級，而在N2處理下相反（Plt;0.05），N3和N4處理下粒級間差異不顯著。RI在各粒級中均隨氮添加濃度的增加呈現(xiàn)先降低后增加趨勢，在N2和N4處理下在大粒級中顯著低于中粒級和小粒級（Plt;0.05）。

2.4 氮添加后團(tuán)聚體土壤理化性質(zhì)與土壤活性有機(jī)碳、碳庫管理指數(shù)的關(guān)系

RDA分析結(jié)果表明土壤理化性質(zhì)對不同活性有機(jī)碳（圖4a）和碳庫管理指數(shù)（圖4b）均有顯著的影響。土壤理化性質(zhì)對不同活性有機(jī)碳變化的前兩軸解釋率分別為21.45%和20.61%，主要的影響因子是C∶P，pH和MBC，單獨(dú)解釋率分別為18.8%，16.1%和5.8%（Plt;0.05）。土壤理化性質(zhì)對碳庫管理指數(shù)變化的前兩軸解釋率分別為54.83%和7.10%，其中主要的影響因子是C∶P、pH值和TP，單獨(dú)解釋率分別為48.1%，7.0%和4.7%（Plt;0.05）。

氮添加后土壤理化性質(zhì)與碳庫管理指數(shù)和活性有機(jī)碳的相關(guān)關(guān)系在不同粒級團(tuán)聚體中存在差異（Plt;0.05）。小、中粒級團(tuán)聚體中（圖5a，5b），ROC，CPI，RI均與SOC，C∶N，C∶P，BG等指標(biāo)正相關(guān)，但CPAI與上述指標(biāo)負(fù)相關(guān)（Plt;0.05）；HLOC，AOC與pH負(fù)相關(guān)（Plt;0.05）。大粒級團(tuán)聚體中，MLOC，AOC，ROC，CPI與SOC，C：N，C：P，MBC，BG等指標(biāo)顯著正相關(guān)；pH與HLOC，LLOC，CPMI，CPAI負(fù)相關(guān)，而與RI正相關(guān)（Plt;0.05）；但CPMI，CPAI和RI與除pH以外的其他土壤理化指標(biāo)關(guān)系不顯著。

3 討論

3.1 氮添加對土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳的影響

氮添加會通過多種途徑影響土壤理化性質(zhì)和碳循環(huán)過程^[22]。氮添加直接向土壤輸入氮元素，改變了土壤本身的氮素含量和有效性，引起微生物代謝底物養(yǎng)分特征的變化^[23]。本研究中隨著氮添加濃度的增加，土壤TN總體表現(xiàn)為增加趨勢，而C∶P，N∶P也發(fā)生了顯著變化（表1），這與前人的研究結(jié)論一致。這種變化會改變微生物代謝特征，表現(xiàn)在MBC，BG均隨氮添加濃度的變化而顯著變化。此外，黃土高原地區(qū)植物生長通常受到N，P等養(yǎng)分限制^[24]，因而外源氮輸入能有效促進(jìn)植物生長，并會通過增加凋落物向土壤輸入更多的有機(jī)質(zhì)。然而本研究中土壤SOC在低濃度氮添加下有所降低，而在高濃度氮添加下顯著增加，說明土壤有機(jī)碳對氮添加的響應(yīng)并非線性關(guān)系。這可能是因為土壤有機(jī)碳由植物生長介導(dǎo)的凋落物輸入碳和微生物介導(dǎo)的礦化損失輸出碳兩個途徑綜合決定，氮添加對有機(jī)碳含量的影響取決于兩個途徑的平衡^[25-26]。通常氮添加會顯著促進(jìn)植物生長，增加凋落物和根系殘體的輸入并造成植物來源的碳輸入增加，植物生產(chǎn)力隨氮添加梯度的非線性響應(yīng)可能導(dǎo)致土壤總有機(jī)碳庫呈現(xiàn)“先增加后飽和”的變化趨勢^[27]，進(jìn)而引起有機(jī)碳庫和總碳庫的積累。但同時氮添加也會通過改變代謝底物養(yǎng)分平衡特征或其他作用改變微生物對土壤碳的礦化分解過程，如產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)刺激土壤呼吸、改變土壤微生物有機(jī)碳量或者導(dǎo)致土壤酸化減弱了礦物對土壤有機(jī)碳的保護(hù)作用進(jìn)而加速礦物結(jié)合態(tài)碳庫的分解。由于不同氮添加水平下兩種途徑的相對變化程度不同，由此導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳對氮添加的非線性響應(yīng)關(guān)系。除了影響有機(jī)物輸入和養(yǎng)分特征外，氮添加還顯著降低了土壤pH值，主要是因為外源氮素的輸入致使土壤中NH+₄，NO-₃含量增加，而植物吸收在NH+₄后，根際向土壤中釋放多余陽離子，即H+；同時，NO^3-在淋失的過程中也會帶走土壤中的Ca²⁺，Mg²⁺等鹽基離子，使可交換陽基離子Al³⁺，Mn²⁺的濃度大量增加^[28-29]，最終導(dǎo)致土壤pH值降低。

3.2 氮添加對土壤團(tuán)聚體碳庫的影響

土壤有機(jī)碳主要儲存在團(tuán)聚體中，也是構(gòu)成團(tuán)聚體的重要膠結(jié)劑^[30]，由于不同粒級團(tuán)聚體中的土壤理化性質(zhì)和微生物特征差異較大，導(dǎo)致其有機(jī)碳的組分及穩(wěn)定性有所不同。本研究中，微生物生物量碳和活性有機(jī)碳在大團(tuán)聚體中比例更高，而惰性碳含量則在小團(tuán)聚體中更高，與此前研究一致^[31]。這種差異可能來自于團(tuán)聚體本身特征的異質(zhì)性，在大團(tuán)聚體中有較多的根系和菌絲，空隙較大，微生物活動快，而處于分解狀態(tài)的根系和菌絲可以提高大團(tuán)聚中活性有機(jī)碳的濃度^[32]；小團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)包裹在團(tuán)聚體內(nèi)，并與金屬氧化物和氫氧化物以及鋁硅酸鹽相互膠結(jié)形成穩(wěn)定的有機(jī)礦物復(fù)合結(jié)構(gòu)^[33]，可促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定并防止微生物捕獲，因而小團(tuán)聚體中惰性碳含量更高。氮添加引起了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分和碳庫指數(shù)的變化，其中低水平氮添加（N1，N2）降低了土壤微生物生物量碳、惰性有機(jī)碳含量和固碳指數(shù)，而提高了碳庫指數(shù)和碳庫活度指數(shù)；而高水平氮添加（N3，N4）則會增加微生物生物量碳、惰性有機(jī)碳、固碳指數(shù)，而降低碳庫活度指數(shù)（Plt;0.01）。說明低水平氮添加不利于土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的積累和穩(wěn)定，而高水平氮添加則能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，并提高其穩(wěn)定性。低水平氮添加提高了土壤有效性氮含量，使得微生物對土壤碳的分解增加，因而促進(jìn)了有機(jī)碳的分解^[34]，抵消甚至超過了因氮添加引起的外部碳輸入增加量，由此也導(dǎo)致了低氮添加處理下土壤SOC的降低；而高水平氮添加不僅促進(jìn)了地上生物量的大量增加，而且增加了木質(zhì)素等難分解碳的含量，因此能夠提高土壤碳庫的穩(wěn)定性^[35]。氮添加對土壤碳庫的分解過程也會產(chǎn)生影響，這主要通過改變微生物分泌的碳分解酶活性實現(xiàn)，此前有研究結(jié)果認(rèn)為氮添加會提高土壤碳分解酶活性^[36]，從而增加碳的分解；但也有研究發(fā)現(xiàn)氮添加會顯著抑制土壤碳分解酶活性^[37]，這可能與試驗區(qū)域氣候、土壤和植物群落特征有關(guān)系。通常在如本研究這樣的氮限制地區(qū)，氮添加對植物群落初級生產(chǎn)力的影響可能更大，從而更大程度上提高了土壤難分解有機(jī)物的輸入，并表現(xiàn)為碳庫穩(wěn)定性的增加。氮添加對土壤團(tuán)聚體碳庫穩(wěn)定性的影響在大、小團(tuán)聚體中同樣有所差異，氮添加處理后小團(tuán)聚體固碳指數(shù)顯著高于大、中團(tuán)聚體，而活性有機(jī)碳有效率顯著低于大、中，但對照則相反，即小團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳含量更高，且更加穩(wěn)定，說明氮添加增強(qiáng)了小團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的保護(hù)。氮添加后中活性有機(jī)碳在不同團(tuán)聚體中差異顯著（Plt;0.05），中活性有機(jī)碳在小團(tuán)聚體中隨氮添加水平升高呈上升趨勢，在大團(tuán)聚體中呈先下降后上升趨勢?？傮w上，相同氮添加處理后大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量低于與中、小團(tuán)聚體，這可能主要來自于微生物活動^[38]，本研究中微生物生物量碳和活性有機(jī)碳在大團(tuán)聚體中比例更高，且氮添加后大團(tuán)聚體碳庫活度指數(shù)更大也能夠間接反應(yīng)這一特征。

3.3 氮添加后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳庫的影響因素

RDA結(jié)果分析表明，氮添加后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分和碳庫相關(guān)指數(shù)的變化受到土壤理化性質(zhì)的影響，其中C∶P和pH值是關(guān)鍵的影響因素。pH值對土壤碳庫的影響在此前研究中已經(jīng)得到證實^[39-40]，如氮添加導(dǎo)致的土壤pH值降低可能通過改變微生物群落結(jié)構(gòu)、降低土壤水解酶活性、限制微生物生長和活動等過程增加碳庫穩(wěn)定性，緩解有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量^[41]。此前研究表明研究區(qū)土壤微生物受到磷限制^[42]，而氮添加雖然對土壤磷的影響十分有限，但改變了C∶P和N∶P，進(jìn)而引起了微生物代謝底物養(yǎng)分平衡特征的變化，由此改變了其碳轉(zhuǎn)化特征，因此MBC對土壤不同活性有機(jī)碳組分也有顯著影響。在不同粒級中土壤C∶N，C∶P均對碳庫相關(guān)指標(biāo)影響較大，進(jìn)一步支持了以上觀點。進(jìn)一步相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤理化指標(biāo)對團(tuán)聚體碳庫的影響存在較強(qiáng)的粒級效應(yīng)。尤其是pH在小粒級和中粒級團(tuán)聚體中僅與HLOC，AOC顯著正相關(guān)，而在大粒級團(tuán)聚體中與HLOC，LLOC，CPMI和CPAI等指標(biāo)正相關(guān)，而與RI負(fù)相關(guān)。此外，微生物生物量碳在大粒級團(tuán)聚體中與MLOC，AOC，CPI等指標(biāo)正相關(guān)，但在中粒級和小粒級中與大部分指標(biāo)不存在顯著關(guān)系，這可能是由于大團(tuán)聚體中更加疏松的結(jié)構(gòu)使得其中的微生物更易受到外部環(huán)境的影響^[43]。由此看出，氮添加后土壤有機(jī)碳庫在團(tuán)聚體水平上受到土壤理化性質(zhì)和微生物特征的影響，但是影響規(guī)律在不同粒級團(tuán)聚體中差異較大。

4 結(jié)論

草地不同粒級土壤團(tuán)聚體碳庫穩(wěn)定性對氮添加的響應(yīng)存在差異，主要表現(xiàn)為氮添加促進(jìn)了大粒級團(tuán)聚體碳庫活性，而增加了小粒級碳庫穩(wěn)定性。氮添加改變了不同粒級團(tuán)聚體的理化性質(zhì)，pH值在各粒級中均隨著氮添加水平的增加而顯著降低，土壤SOC含量、β-1，4-葡萄糖苷酶活性在各粒級團(tuán)聚體中均隨著氮添加水平的增加先降低后增加；TN對氮添加的響應(yīng)在不同粒級團(tuán)聚體中有差異。氮添加引起的土壤理化性質(zhì)變化對土壤團(tuán)聚體碳庫穩(wěn)定性有顯著影響，土壤pH值，C∶P是關(guān)鍵指標(biāo)，但影響特征在不同粒級的團(tuán)聚體中有差異。因此，在研究氮添加對土壤碳庫穩(wěn)定的影響時，也應(yīng)關(guān)注不同粒級團(tuán)聚體之間的差異。

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（責(zé)任編輯 劉婷婷）