氮添加对巴音布鲁克高寒湿地土壤无机磷形态的影响

2022-05-26丛孟菲侯天钰愚广灵买迪努尔阿不来孜朱新萍贾宏涛

水土保持学报 2022年3期

胡洋，丛孟菲，陈末，侯天钰，愚广灵，买迪努尔·阿不来孜，朱新萍,3，贾宏涛,3

(1.新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学草业学院，乌鲁木齐 830052；3.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，乌鲁木齐 830052)

磷素是植物生长发育必不可少的元素，也是土壤中除氮素之外的第二大限制性营养元素。土壤无机磷的形态决定了土壤磷素的迁移转化和有效性，仅通过全磷或有效磷含量并不能全面的解释土壤磷的供应潜力和流失状况。故此，已有学者提出一套适用于中性和石灰性土壤中的无机磷分级体系，此方法将土壤无机磷细分为磷酸铁盐(Fe—P)、磷酸铝盐(Al—P)、闭蓄态磷(O—P)、磷酸二钙(Ca—P)、磷酸八钙(Ca—P)和磷灰石(Ca—P)6种形态。其中，Fe—P、Al—P和Ca—P被认为是植物易利用态，而Ca—P、Ca—P和O—P被认为是难利用态。

人为活动致使大气氮沉降速率迅速增加，深刻影响着土壤中诸多元素的转化和循环。以往开展的氮添加研究大多以施用无机氮为主，而忽略了有机氮组分的潜在影响。越来越多的研究表明，有机氮占大气氮沉降量很大的比例(30%左右)，同时有机氮沉降的比例正处于持续增加的状态。更重要的是有机氮和无机氮添加对陆地生态系统养分循环可能产生不同的影响。

氮添加可引起土壤酸化来增加土壤磷酸盐离子的扩散和磷素的有效性。另外，氮添加也可促进或抑制土壤磷酸酶活性来增加或降低土壤有机磷的矿化。Chen等发现，施用无机氮会显著降低土壤中有效磷组分，同时增加中度有效磷组分。但刘津等研究发现，有机氮的添加不会改变土壤无机磷的含量。由此可知，有机氮和无机氮对土壤磷素的影响并不一致，还需要进一步分析。在半干旱草原和农田上的研究发现，有机氮的添加促进了难利用磷转化为低有效磷，显著增加了土壤中低有效性无机磷组分(Fe—P、Al—P、Ca—P)，显著降低了难利用无机磷含量(O—P、Ca—P、Ca—P)。但是，也有研究发现，有机氮的添加对高寒草原土壤全磷和速效磷无显著影响。因此，在不同生态系统上，关于有机氮添加对土壤磷素的影响还存在争议，需进一步明确。且目前研究多集中于森林、草原和农田生态系统，而在全球气候变化敏感区—高寒湿地生态系统上的研究较少，随着全球氮沉降速率的快速增加，研究氮添加对高寒湿地土壤无机磷形态的影响对于高寒湿地生态系统的可持续利用具有重要的指导意义。

巴音布鲁克高寒湿地是中亚干旱区典型的高寒湿地，其独特的自然景观和生态区位，使其成为维护我国西北干旱区生态系统稳定性的重要屏障。故此本研究布设野外原位试验，设置不同施氮量，来揭示短期氮添加对巴音布鲁克高寒湿地土壤无机磷及其各形态含量的影响，可为全球高寒湿地应对气候变化的适应与管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和静县内的巴音布鲁克高寒湿地进行(82°59′00″—84°35′00″E，42°40′00″—43°00′00″N)。研究区面积770 km，海拔2 300～3 042 m，属于温带大陆性干旱气候，年平均气温-4.6 ℃，极端最高气温为28 ℃，最低为-48.1 ℃，年均降水量273 mm，年蒸发量1 250 mm，年均相对湿度60%。根据地表积水和植被类型可划分为沼泽(S)、沼泽草甸(SM)、草甸(M)3种类型。其中，沼泽常年处于淹水状态，水深30～50 cm，优势植被主要有大穗苔草()；沼泽草甸冬季处于覆雪状态，春季冰雪融化及生长季持续降雨后会出现地表积水现象，在干旱季又会出现无积水现象，土壤水分含量50%～70%，地下水位约120 cm，优势植被主要为黑花苔草()和冰草()；草甸在冰雪融化及持续降雨时会出现短暂积水，常年处于干燥状态，土壤水分含量25%～35%，优势植被主要为尖苞薹草()。

1.2 试验设计

选择在植物生长季结束后(2018年10月)，采用原位模拟方法，在巴音布鲁克高寒湿地沼泽、沼泽草甸和草甸区共布设9个小区(9 m×9 m)，并用1 m高的钢质栅栏围护以防止人类及动物干扰。根据2011年巴音布鲁克高寒草原氮沉降量(8 kg/(hm·a))来设置本研究施氮浓度，分别为CK(0 kg·N/(hm·a))、N1(8 kg·N/(hm·a))、N2(16 kg·N/(hm·a))。按照不同氮添加浓度称取所需的尿素用量，后充分溶于蒸馏水中使用喷壶均匀喷洒于各小区，为消除水分的影响，对照也喷洒同样量的蒸馏水。

1.3 样品采集与测定

在2019年10月使用5点取样法采集各区内0—10 cm的土样，一份土样风干后过筛，测定土壤pH、土壤碱解氮、速效磷、速效钾、全磷以及无机磷形态，另一份土样阴干备用。土壤pH采用土水比1∶2.5浸提，使用pH计测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷采用分光光度计进行比色测定；土壤速效钾采用火焰光度计测定；土壤无机磷形态根据顾益初等改进的方法测定，称取土壤样品依次使用NaHCO、NHOAc、NHF、NaCO、柠檬酸钠、HSO浸提，再采用分光光度计测定土壤各无机磷形态(Ca—P、Ca—P、Al—P、Fe—P、O—P、Ca—P)含量。

1.4 数据分析

使用R(version 4.0.2)软件对数据进行分析作图，使用agricolae软件包(version 1.3.3)的LSD来检验差异的显著性(<0.05)，使用SPSS 26.0软件对数据进行双因素方差分析。使用R中vegan软件包(version 2.5.6)，并选择RDA对土壤基础性质和土壤磷形态进行排序，并使用蒙特卡洛置换检验以分析土壤性质的显著性(permu=999)。采用Origin 2018软件对分析后数据进行作图。

2 结果与分析

2.1 氮添加对土壤基础化学性质的影响

由表1可知，SM和M区土壤pH显著高于S区，氮添加对3种湿地类型土壤pH无显著影响。S区土壤有机碳含量显著高于SM和M区，M区最低。与CK相比，N1处理显著降低了SM区土壤有机碳含量(降低了4.19%)，N1、N2处理显著增加了M区土壤有机碳含量(分别增加了19.29%和15.95%)，但是氮添加对S区土壤有机碳含量无显著影响。S区土壤碱解氮含量也显著高于SM和M区，N1、N2处理较CK显著增加了SM和M区土壤碱解氮含量，但是对S区土壤碱解氮含量无显著影响。M区土壤速效钾含量显著高于SM和M区，S区最低，N2处理较CK显著增加了SM区速效钾含量(增加了12.50%)，但是对S和M区无显著影响。可见，不同湿地土壤基础化学性质有着显著差异，且不同湿地类型土壤基础化学性质对氮添加的响应程度不同。

表1 氮添加对高寒湿地土壤基础化学性质的影响

2.2 氮添加对全磷和速效磷含量的影响

由图1可知，SM区土壤全磷和速效磷含量均显著高于S和M区，且S区含量最低。SM区全磷、速效磷含量分别为1.24～1.35 g/kg，77.41～79.63 mg/kg。M区全磷、速效磷含量分别为1.07～1.20 g/kg，67.62～68.38 mg/kg。S区全磷、速效磷含量分别为0.83～0.90 g/kg，55.76～56.14 mg/kg。氮添加对3种湿地类型土壤全磷和速效磷含量均无显著影响。由此可知，不同湿地类型土壤全磷和速效磷含量有着显著差异，但是氮添加对全磷和速效磷含量无显著影响。

注：图柱上方不同大写字母表示不同区域同一施氮浓度在5%水平差异显著；不同小写字母表示同一区域不同施氮浓度处理在5%水平差异显著。下同。

2.3 氮添加对土壤各形态无机磷的影响

由表2可知，氮添加对Ca—P、Al—P、O—P有显著影响，不同湿地类型间各无机磷形态均有显著差异，而氮添加与湿地类型的交互作用对Al—P、Fe—P、O—P和总无机磷有显著影响。M区土壤总无机磷含量最高，SM区次之，S区最低，氮添加显著增加了SM区土壤总无机磷含量，对S和M区无显著影响(>0.05)。且S区中总无机磷含量占全磷46.17%～47.69%，SM区中占37.93%～42.45%，M区中占49.02%～52.61%。

具体分析各无机磷形态的变化发现，SM区土壤Ca—P含量最高，其次是S区，M区最低，与CK相比，N2显著降低了S区Ca—P含量(降低10.31%)，但是氮添加对SM和M区Ca—P无显著影响。SM和M区土壤Ca—P含量较高，与CK相比，N2处理显著降低了S区和SM区Ca—P含量(分别降低9.36%和3.81%)，氮添加对M区Ca—P含量无显著影响。M区土壤Ca—P含量最高，SM区次之，S区最低，氮添加对3种湿地类型Ca10—P含量均无显著影响。S区土壤Al—P含量显著高于SM和M区，与CK相比，N1处理显著增加了S区Al—P含量(增加了9.92%)，N2处理又显著降低21.49%，氮添加显著增加了SM区土壤Al—P含量(增加14.61%～17.35%)，但是对M区无显著影响。S区Fe—P含量也显著高于SM和M区，与CK相比，N1处理显著降低了S区Fe—P含量(降低7.41%)，N2处理显著降低了M区Fe—P含量(降低28.81%)，氮添加对SM区Fe—P含量无显著影响。SM区O—P含量最高，M区次之，S区最低，与CK相比，N1显著增加了SM区土壤O—P含量(增加了25.79%)，氮添加显著增加了S和M区O—P含量(增加了21.83%～25.93%)。

表2 氮添加对高寒湿地土壤无机磷形态的影响单位：mg/kg

由图2可知，3种湿地类型间各无机磷所占比例有所差异，但是氮添加对各无机磷所占比例的影响较小。由聚类分析可知，SM和M区无机磷的组成相似，而与S区有着明显的差异。整体来看，Ca—P所占无机磷比例最高(50.27%～64.69%)，处优势地位。其次是S区的Fe—P(18.10%～18.82%)和SM、M区的Ca—P(14.55%～17.17%)。O—P在3种湿地类型内占7.53%～13.73%。其余所占比例较小(1.97%～11.50%)。

图2 氮添加对高寒湿地土壤各无机磷形态占总无机磷比例的影响

2.4 氮添加影响土壤磷的相关因子分析

使用RDA对土壤性质与各磷形态含量之间进行排序。由图3可知，总体而言，2个维度(RDA1与RDA2)共同解释了土壤磷形态变化的92.42%，揭示了土壤因子对土壤无机磷形态的重要影响。土壤磷形态对氮添加的响应不明显，但是3种湿地类型之间差异显著。RDA分析发现，土壤SOC和AN与AP、Ca—P、Al—P呈正相关关系，与Ca—P呈负相关关系。土壤pH和AK与Ca—P、O—P呈正相关关系，与Fe—P呈负相关关系。由表3蒙特卡洛置换检验可知，各土壤因子(pH、SOC、AN、AK)与不同磷形态之间均存在极显著相关(=0.001)。

3 讨论

磷素是植物生长中主要的限制性营养元素之一，尽管关于土壤磷素在各种陆地生态系统上分布特征的研究已有报道，但是对高寒湿地土壤磷素含量及其形态并没有充分的了解。本研究高寒湿地全磷含量为0.83～1.35 g/kg。在闽江口芦苇湿地、交错带湿地和短叶茳芏湿地土壤上的研究发现，土壤全磷平均含量分别为656.6，775.5，721.9 mg/kg。本研究土壤全磷含量较高的原因可能是，本研究区气温低使得土壤微生物活性降低，从而导致土壤中的磷矿化速率低，植物吸收量少，磷素逐渐积累。由各无机磷形态所占比例可知，土壤总无机磷平均占全磷的46%，土壤中无机磷主要以Ca—P形态存在。而Ca—P中以Ca—P为主，占无机磷50.27%～64.69%。在扎龙湿地的研究发现，土壤中磷素也主要以无机磷形态存在，平均占全磷含量的56%，略高于本研究结果。本研究中，不同湿地类型土壤水分的差异使得SM区土壤全磷和速效磷含量较高，土壤水分可参与土壤中磷素的转化，SM区处于季节性积水区，适宜的水分含量可促进植物生长，利于土壤中磷素的积累，而M区处于临时积水区，土壤较干燥有利于有机磷的矿化，故无机磷含量较高。不同湿地类型土壤pH、有机碳、碱解氮和速效钾含量的差异，可归因于土壤水分含量和植被的差异。S区常年处于淹水状态，土壤处于厌氧环境，植物凋落物很难被矿化分解，常年积累进一步腐殖化后形成弱酸性的腐殖质，导致土壤pH较低。而随着S—SM—M区的变化，土壤有机碳含量显著降低，可归因土壤水分的差异，土壤水分充足则透气性差，有机碳不易矿化分解，随着土壤水分含量的减少，土壤有机碳矿化速率提高。土壤水分含量直接影响着土壤养分的运输、扩散和有效性，也通过植物生长和微生物活性改变土壤养分的有效性。

图3 氮添加下高寒湿地土壤各磷形态与土壤因子之间的冗余分析

有机氮的添加可改变土壤原有氮循环，一方面氮添加可通过改变土壤理化性质来改变土壤磷循环，同时氮添加可能会使土壤氮限制转为磷，导致土壤氮磷比失调；另一方面，土壤氮、磷素之间可通过植物生长和微生物群落来相互影响，所以施用有机氮也可显著改变土壤磷素含量和形态。有研究发现，施氮对土壤全磷无显著影响，但是对土壤无机磷形态有着显著的影响，本研究结果与此一致。本研究中，有机氮的添加对土壤全磷和速效磷含量无显著影响，但不同程度的影响了土壤中各形态无机磷的含量。有研究发现，施氮显著降低Al—P、Fe—P、Ca—P和Ca—P含量，显著增加了O—P含量，但是对各无机磷组分比例变化的影响较小，本研究结果与此相似。但是本研究中氮添加对Ca—P无显著影响，可能是由于氮添加刺激了植物的生长，植物首先利用Ca—P、Ca—P和Fe—P容易吸收的磷形态，而对于植物难以吸收的Ca—P，氮添加对其含量无显著影响。在不同湿地类型中，土壤无机磷组分对氮添加的响应并不一致。氮添加显著降低了S区土壤Ca—P、Ca—P、Fe—P的含量，但是增加了O—P含量。在SM区中，氮添加降低了Ca—P含量，增加了Al—P、O—P含量。而在M区中，氮添加降低了Fe—P含量，增加了O—P含量，这与湿地土壤性质和植被类型的差异有关。氮添加下土壤有机碳含量的增加归因于植物生存力的提高和凋落物数量的增加，速效氮和速效钾的增加是由于氮添加提高了土壤净氮的矿化速率，刺激了土壤解钾菌活性。

表3 蒙特卡洛置换检验

本研究RDA分析证实，土壤各无机磷形态主要与土壤pH、有机碳、碱解氮、速效钾相关。已有研究认为，土壤化学性质可显著影响土壤磷素，土壤中磷素的吸附—解析过程随着土壤pH的变化而变化，而土壤有机碳本身具有吸附作用，可以从土壤中吸附一定的磷素。土壤氮、磷、钾之间存在着密切的关系，影响着其间的协同吸收和运输。

前人在石灰性土壤的研究发现，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间。由此可知，虽然本研究氮添加对土壤全磷和速效磷含量无显著影响，但是降低了土壤中植物易利用无机磷的含量，增加了难利用无机磷的含量，从而降低了土壤的供磷潜力。有研究发现，氮添加易使土壤中可溶性磷向非活性磷酸盐迁移而难以利用，本研究结果与此一致。可能与植物和微生物对磷素的吸收利用有关，施氮可改变植物对磷的吸收，也可通过改变土壤微生物活性影响土壤中无机磷的转化。