短期不同水平氮添加对华北盐渍化草地土壤磷组分的影响

郑 慧， 薛江博， 郝 杰， 刁华杰， 陈晓鹏， 王常慧*， 董宽虎*

(1. 山西农业大学草业学院， 山西 太谷 030801； 2. 草地生态保护与乡土草种质创新山西省重点实验室， 山西 太谷 030801；3. 山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站， 山西 右玉 037200)

随着工农业的迅猛发展和人民生活水平的快速提高，我国和欧美等发达国家一样面临严重的氮沉降问题[1-2]。氮沉降的持续增加可以提高陆地生态系统生产力，但同时伴随了生物地球化学循环的问题，即影响土壤养分的化学计量比[3-4]，进一步影响生态系统过程与功能[5]。磷是植物生长发育必需的大量营养元素之一，是草地生态系统的第二大限制养分[6]。草地土壤磷循环受到环境和生物因子的影响，如地形[7]、土壤发育阶段[8]、水分条件[9]、植被覆盖状况[10]以及土壤微生物[11]等均会影响磷的输入和输出。但是这些研究地点的环境条件、氮添加水平和试验持续时间均不一致，导致研究结果存在较大的差异[12]。在对内蒙古草原土壤磷的研究发现，表层土壤全磷含量会随着土壤施氮处理强度的不断提高而下降，土壤有效磷含量随着氮添加水平的升高而增加[13]；Fang等通过添加不同水平的尿素发现，氮添加降低了土壤pH值，但是对土壤全磷和有效磷含量没有显著影响[14]；Gong等在松嫩草原通过添加硝酸铵发现，氮添加使土壤全磷和有效磷含量显著下降[15]。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验样地位于山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站(39° 59′ N，112° 19′ E)，海拔1 348 m，为温带大陆性季风气候，全年太阳总辐射量598 kJ·cm-2，年日照时数2 600～2 700 h，无霜期100～120 d[21]。该地年均降水量435 mm，年均温4.6℃，其中，2018-2020年生长季降水量分别为460.8 mm，255.6 mm及426.6 mm，大气平均温度分别为16.9℃，16.0℃及16.4℃。土壤类型为栗钙土，土壤pH值范围为9～10，属于盐渍化草地，该草地碱性盐种类为Ca2+，土壤电导率为0.42～1.58 ms·cm-1[22]。优势种为赖草(Leymussecalinus)，其他伴生种有羊草(Leymuschinensis)、碱蒿(Artemisiaanethifolia)、碱地风毛菊(Saussurearuncinata)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)和车前(Plantagoasiatica)等。

1.2 试验设计

试验开始于2017年5月，选择地势平坦、物种组成和盖度均匀分布的草地围栏建设试验平台，采用完全随机区组设计，共设置8个不同水平氮添加[23]，分别为0，1，2，4，8，16，24和32 g N·m-2·a-1，分别用N0，N1，N2，N4，N8，N16，N24和N32表示，每个处理6个重复，共48个小区，小区面积为54 m2(6 m×9 m)，小区间隔2 m。所添加的肥料为含氮量为34.6%的硝酸铵(NH4NO3)，分别于每年5，6，7，8和9月月初利用肩背式喷雾器，将不同处理总氮添加量的1/5肥料溶于10 L自来水中(相当于1 mm降水)施入样地中，对照处理喷洒等量自来水，每次喷施尽量选择在阴天或下雨前进行。

1.3 测定项目与方法

大气温度和降水量通过小型气象站记录(HOBO U30-NRC，美国，Onset);10 cm土壤温度利用数字式地温计(M-SP-E-17，北京)测定；0～10 cm土壤含水量利用TDR-300(Spectrum Technologies，Plainfield，USA)测定。

其中，土壤微生物量磷计算公式为：MBP=Epi/(Kp×Rpi)，式中，Epi为熏蒸前后土壤样品的差值；Kp表示转换系数，取值0.4，Rpi=[(外加KH2PO4溶液土壤样品的测定值—未熏蒸土样的测定值)/ 25]×100%[25]；微生物生物量碳、氮含量分别为熏蒸浸提液与未熏蒸浸提液中碳氮含量的差值然后分别除以转换系数0.45[26]和0.54[27]；土壤的磷活化系数表征土壤全磷转化为有效磷的难易程度，磷活化系数=土壤有效磷含量/土壤全磷含量[28]。

1.4 数据分析

2 结果与分析

2.1 不同水平氮添加对土壤pH值的影响

随着处理年限的增加，土壤pH值随着氮添加水平的增加显著下降(图1)。当试验时间<2年时，不同水平氮添加对土壤pH值无显著影响，当试验时间≥2年，且氮添加量≥16 g N·m-2·a-1时可降低表层土壤pH值(P<0.05)。从三年的均值看，高氮添加显著降低土壤pH值，与对照相比，0～10 cm土层pH值下降了0.24～0.39，10～20 cm土层土壤pH值下降了0.05～0.43。

2.2 不同水平氮添加对土壤总磷和微生物生物量磷含量的影响

2018—2020年不同水平氮添加对不同层次土壤全磷含量没有显著影响，对0～20 cm土层全磷含量也没有显著影响(图2)。华北农牧交错带盐渍化草地0～10 cm土壤全磷含量最大值为0.38 g·kg-1，最小值为0.13 g·kg-1，10～20 cm土壤全磷含量最大值为0.39 g·kg-1，最小值为0.26 g·kg-1。下层土壤的全磷含量略高于表层土壤。

图2 不同水平氮添加对土壤全磷含量的影响Fig.2 Effects of different nitrogen addition levels on soil TP concent

不同水平氮添加与年份对土壤微生物生物量磷含量影响的三因素方差分析结果表明，该地区盐渍化草地土壤微生物生物量磷含量有极显著的年际差异(P<0.001，表1)。但是不同水平氮添加之间土壤微生物生物量磷含量差异不显著(图3)。

图3 不同水平氮添加对土壤微生物生物量磷含量的影响Fig.3 Effects of different nitrogen addition levels on soil MBP content注：不同大写字母表示年际之间差异显著(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 不同水平氮添加与处理年对土壤MBP影响的双因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA testing the effects of different levels of nitrogen addition and treatment years on soil MBP

2.3 不同水平氮添加对土壤有效磷含量及磷活化系数的影响

2018-2020年，0～10，10～20 cm土层的有效磷含量在不同水平氮添加处理下差异不显著(图4)，不同水平氮添加对土壤磷活化系数无显著影响(图5)。土壤有效磷含量与PAC的年际差异极显著(P<0.001，表2)，土壤深度对土壤有效磷含量和PAC影响极显著(P<0.001，表2)，土壤深度与取样年的交互作用对有效磷含量影响显著(P<0.05，表2)，其余各处理及处理间的交互作用对土壤有效磷含量没有显著影响(表2)。

表2 不同水平氮添加与处理年对不同深度土壤有效磷及磷活化系数影响的三因素方差分析Table 2 Three-way ANOVA testing the effects of nitrogen addition and year on AP and PAC in different soil depth

图4 不同水平氮添加对土壤有效磷的影响Fig.4 Effects of different nitrogen addition levels on soil AP

图5 不同水平氮添加对土壤磷活化系数的影响Fig.5 Effects of different nitrogen addition levels on soil PAC

2.4 土壤磷含量与土壤理化性质的关系

图6 土壤磷含量与土壤理化性质的相关性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分别表示土壤全磷，有效磷，微生物生物量磷，磷活化系数，微生物生物量碳，微生物生物量氮，土壤温度和土壤含水量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 讨论

3.1 氮添加对土壤磷组分的影响

本研究结果表明土壤微生物生物量磷在相对干旱年份(即2019年)显著低于降水充沛年份(即2018年和2020年)，这与Dijkstra等对干旱在短期内对微生物生物量磷吸收影响的研究结果一致[34]，可能的原因是在相对干旱年份，土壤含水量相对较低，从而导致土壤中粘粒吸附磷素的能力不会降低[35]，因此降低了磷迁移率，限制了无机磷对微生物的供应[36]。另外土壤含水量也是影响凋落物分解的重要环境因子，参与植物和微生物的生命活动过程，影响土壤养分循环[37]。本研究结果表明土壤含水量与土壤全磷、微生物生物量磷含量具有极显著正相关关系，说明土壤磷的转化在盐渍化草地也受到水分条件的强烈制约。Pearson相关性分析结果表明，土壤温度与土壤有效磷含量呈极显著负相关关系，与土壤全磷、微生物生物量磷含量无显著相关性，表明土壤温度升高虽会促使微生物活性和分解酶活性的提高，从而促进土壤有机质分解，加快凋落物的分解速率，进而加速磷元素的返还，但同时也使植物和微生物对磷素的利用效率提高[29]。

3.2 盐渍化草地与非盐渍化草地磷含量对氮添加响应的差异

田沐雨等[12]、Deng等[32]通过整合分析发现，短期氮添加对非盐渍化草地土壤磷含量无显著影响，与我们的研究结果一致。但是盐渍化草地土壤较高的pH值使得土壤磷的形态及有效性区别于非盐渍化草地，在酸性土壤中，磷容易被Fe，Al氧化物固定，以磷酸盐、铝盐的形态存在；在碱性土壤中，磷素则更易受到钙的固定，以Ca-P的形态存在；而当土壤pH值接近中性时，磷的有效性能达到最高[38]。有研究表明，土壤pH值影响矿物分解[39]，同时影响土壤微生物活性及其对难溶性磷酸盐的分解[40-41]，因此，磷的有效性及周转与土壤pH值有关，本研究发现土壤pH值与全磷呈负相关关系，与有效磷呈正相关关系，表明盐渍化草地中较高的土壤pH值会促进全磷向有效磷的转化。氮添加降低土壤pH值，因此抑制总磷向有效磷的转化，但是只有高氮添加处理显著降低土壤pH值。由于磷的循环同样是土壤微生物主导[34]，当大量的氮输入降低土壤pH值后并不能缓解盐渍化草地土壤微生物的盐胁迫，因此不会显著影响土壤磷组分。

4 结论

短期不同水平氮添加并未显著影响晋北盐渍化草地土壤磷组分，虽然高氮添加处理显著降低了土壤pH值，但是并未显著影响磷及其组分含量，说明盐渍化草地较高的土壤pH值条件下，土壤盐分胁迫限制了微生物对磷的转化。间断性的氮添加并不能真实反映自然生态系统的氮沉降过程对草地生态系统的真实影响，而且氮添加的累积效应对土壤磷组分及其转化的影响是一个长期过程，因此，长期连续观测并增加土壤磷循环微生物功能基因的测定能够更加完整地揭示盐渍化草地不同水平氮添加对土壤磷循环的影响及可能的内在机制。