盐渍化草地根际土壤理化性质对降水改变和氮添加的响应

赵芳草， 陈鸿飞， 王一昊， 董宽虎， 王常慧， 陈晓鹏*

(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国家定位观测研究站， 山西 右玉 037200)

在全球气候变化的背景下，温度升高引起了陆地降水格局的改变[1]。另外，随着农业生产中氮肥施用量的增加和化石燃料的燃烧等，我国大气氮沉降量呈逐年增加趋势[2]。而长期氮沉降和降水格局变化会影响草地土壤理化性质[3]。研究表明，降水改变直接影响土壤含水量，从而对土壤氮素有效性与氮矿化作用产生影响[4]。降水改变还会通过影响土壤氮转化过程来影响土壤氮有效性[5]，并影响土壤全碳、全氮含量，改变土壤碳氮比[6-7]。氮沉降增加可降低土壤pH[8]，增加土壤硝态氮、铵态氮含量[9]，提高氮矿化潜力[10]，加速土壤中交换性盐基离子的耗竭[11]，降低全碳、全氮含量[12]。

另外，降水改变和氮沉降增加可通过影响植物根际效应以影响土壤理化性质。植物根际效应主要依赖于根际分泌物，其包括有机酸、氨基酸、酚酸等，是造成根际与非根际土壤理化性质不同的主要原因[13]。植物的根系分泌物可以活化周围土壤固定态养分，也可以改善土壤微团聚体大小、吸附性能、亲水性以及pH值等物理性质[14-15]。研究表明，根系分泌物是植物对水分条件反应的重要组成部分[16]，降水量的增加会降低根系分泌物的产出率[17]。而氮添加显著提高根际分泌物数量(有机酸和氨基酸)和根际铵态氮和硝态氮含量[18]，且氮添加可改变根系分泌物的组成和丰度，进而影响根际微生物群落[19]。这些研究结果基本阐明了氮添加或降水改变对土壤理化性质的影响，但降水改变(增水和减水)和氮添加对土壤理化性质的交互影响仍不明确。

土壤盐渍化是我国乃至世界主要的环境问题之一[20-21]。全世界的盐碱地面积约占整个陆地面积的7.6%。我国的盐渍化土地面积约3.46×107hm2。植物可通过根际效应改善土壤结构、激发微生物释放土壤养分改良盐渍化土壤[22-24]。然而有关盐渍化草地根际和非根际土壤理化性质对降水改变和氮添加的响应研究尚不系统[25]。本研究以中国北方农牧交错带盐渍化草地为研究对象，设置降水改变和氮添加的交互试验，采集根际与非根际土壤并测定其理化性质，旨在揭示盐渍化草地土壤根际效应及其对降水改变和氮添加的响应，为深入理解盐渍化草地生态系统过程提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点

试验地点位于山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站(39°59′ N，112°19′ E，海拔1 348 m)，属我国北方农牧交错带。气候类型属于典型温带大陆性季风气候，该区域平均气温4.6℃，最高气温20.2℃，最低温度为—14.0℃，最冷月份为1月，最热月份为7月。年均降水量为435 mm，近60%的降雨发生在6月至8月(1991—2019年)，无霜期94～146 d，年均日照率为30%。植被类型属于低地草甸类，植物群落以赖草(Leymussecalinus)、碱茅(Puccinelliadistans)、碱蒿(Artemisiaanethifolia)等耐盐碱植物为优势种[26]。土壤类型为栗钙土或钙质土，表层0～10 cm土壤pH值为 8.7，土壤容重为1.34 g·cm-3。研究地点附近土壤(0～100 cm)的砂粒、粉粒和粘粒含量分别为56.2%，24.5%和19.3%[27]。

1.2 试验设计

试验平台为全球变化联网实验平台(Global Change Network)在中国温性草原上的观测点之一，试验处理从2018 年开始。本研究选择对照(CK)、增加50%降水(W+50%)、减少 50%降水(W-50%)、氮添加(N)、氮添加与增加50%降水(NW+50%)、氮添加与减少50%降水(NW-50%)，共6个处理。小区设计采用双因素随机区组设计，每处理设6个重复，单个小区面积为6 m×6 m，各个小区间间隔为2 m，使用的氮肥为缓释尿素，N添加量根据N沉降临界负荷及前人研究结果进行设置[28-29]，添加量为10 g·m-2·a-1，在生长季前期均匀地施撒到样地中。降水增减量参考了国内同类设计[30]，减水处理采用半遮挡式遮雨棚来减少50%的降水，半遮挡式遮雨棚顶部由相同间隔的透明V型塑料槽组成(透光率在90%以上)。增水处理采用人工浇水的方式在每次自然降水后，按照当次降雨量的50%进行灌溉，增加的降水量通过气象站记录的数据计算得出。

1.3 样品采集

于2020年8月采集土壤样品，进行土壤理化性质测定(6个重复两两混合，组成三个复合样本)。参照王天[31]的方法并稍作调整采集根际土壤样品。在样地内挖取20 cm×20 cm×20 cm具有完整根系的土体，先轻轻抖落大块的不含根系的土壤，用小刀取下附在根系周围的土壤作为非根际土，装入塑料袋中混匀。用刷子刷下距离根面0～2 mm的土壤作为根际土，把其中的根系去除干净。将新鲜土壤样品放在4℃的保温箱内保存以测定含水量，过2 mm筛，去除沙砾和植物残留，用以测定土壤理化指标。

图1 试验小区分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the distribution of experimental plots注：虚线框圈出的小区为本试验所选小区。CK，对照；W+50%，增加 50%降水；W-50%，减少 50%降水；N，氮添加；NW+50%，氮添加与增加 50%降水；NW-50%，氮添加与减少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 指标测定及方法

1.5 数据处理

采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)对各处理下的土壤理化性质进行多重比较(Tukey,P<0.05)；独立样本t检验以检测根际与非根际土壤是否存在显著差异；双因素方差分析法(Two-Way repeated measures ANOVA)分析降水改变、氮添加及其交互作用对根际和非根际土壤理化性质的影响。用SPSS(SPSS statistics 26.0,IBM,U.S.A)进行数据分析。用Origin(Origin 2021,Origin Lab,U.S.A)进行柱状图绘制，图中所示数据为均值±标准误(Mean±SE)，并进行冗余分析(RDA)和主成分(PCA)分析。使用SPSS Amos(SPSS Amos 24.0,IBM,U.S.A)进行结构方程模型分析。

2 结果与分析

2.1 降水改变和氮添加对根际和非根际土壤含水量、pH值和交换性Na+含量的影响

与对照相比，W-50%和NW-50%显著增加根际与非根际土壤交换性Na+含量(图2a，P<0.05)，W-50%提高了241.3%和598.8%的根际和非根际土壤交换性Na+含量，NW-50%提高了152.2%和302.3%的根际和非根际土壤交换性Na+含量。各处理均未影响根际与非根际土壤pH值(图2b)与含水量(图2c)。W-50%和NW-50%处理下根际与非根际土壤交换性Na+含量显著高于N，W+50%和NW+50%处理；W-50%处理下根际土壤pH值显著高于N和NW+50%处理，非根际土壤pH值显著高于N，W+50%和NW+50%处理。根际土壤pH值显著低于非根际土壤(P<0.05)，但其交换性Na+含量和含水量与非根际土壤相比无显著差异。降水改变显著影响根际和非根际土壤交换性Na+含量(P<0.01)及非根际土壤pH值(P<0.05)，氮添加及其与降水改变交互作用对根际和非根际土壤交换性Na+含量、pH值和含水量均无显著影响。

图2 降水改变与氮添加对根际与非根际土壤 含水量、pH值和交换性Na+含量的影响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代表氮添加对根际土壤的影响；P1代表降水改变对根际土壤的影响；N1×P1代表降水改变和氮添加的交互作用对根际土壤的影响；N2代表氮添加对非根际土壤的影响；P2代表降水改变对非根际土壤的影响；N2×P2代表降水改变和氮添加的交互作用对非根际土壤的影响。不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示根际与非根际土壤相比差异显著(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 降水改变和氮添加对根际和非根际土壤无机氮含量的影响

与对照相比，N添加处理显著提高了非根际土壤的硝态氮(图3a，P<0.05)和无机氮含量(图3c，P<0.05)，分别提高了208.1%和105.3%，各处理对根际和非根际土壤的铵态氮含量均无显著影响(图3b)。N添加处理下非根际土壤硝态氮含量显著高于其他处理(图3a，P<0.05)，无机氮含量显著高于W-50%和W+50%(图3c，P<0.05)。根际土壤硝态氮、铵态氮以及无机氮含量均显著高于非根际土壤(P<0.01)。氮添加显著提高了根际和非根际土壤的硝态氮含量(P<0.01)及非根际土壤无机氮含量(P<0.01)，降水改变及其与氮添加的交互作用对根际和非根际土壤硝态氮、铵态氮和无机氮含量均无显著影响。

图3 降水改变与氮添加对根际土壤与非根际 土壤硝态氮、铵态氮和无机氮含量的影响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 降水改变和氮添加对根际和非根际土壤有机酸、氨基酸、全碳和全氮含量的影响

与对照相比，各处理下的根际和非根际土壤有机酸、氨基酸、全碳和全氮含量均无显著变化(图4)。各处理间的根际和非根际土壤有机酸、氨基酸、全碳和全氮含量无显著差异。根际土壤有机酸和氨基酸含量均显著高于非根际土壤(图4a和图4b，P<0.05)，根际土壤全碳和全氮含量显著高于非根际土壤(图4c和图4d，P<0.01)。降水改变、氮添加以及二者的交互作用对根际和非根际土壤的有机酸、氨基酸、全碳和全氮含量均无显著影响。

图4 降水改变与氮添加对根际与非根际土壤有机酸、氨基酸、全碳和全氮含量的影响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 降水改变与氮添加处理下各土壤理化性质的相关关系

盐渍化因子(土壤pH值与交换性Na+含量)是衡量盐渍化草地土壤理化性质变化的核心指标，因此以土壤pH值与交换性Na+含量为响应变量，其他指标为解释变量进行冗余分析，结果表明：(1)根际土壤pH值与土壤含水量、全氮、铵态氮、硝态氮以及氨基酸含量呈负相关关系；根际土壤交换性Na+与有机酸、全碳含量呈正相关关系，与全氮、铵态氮、硝态氮以及氨基酸含量呈负相关关系；第一主成分所解释比例为62.88%，第二主成分所解释比例为5.23%(图5a)；(2)非根际土壤pH与全氮含量和含水量呈正相关关系，与氨基酸、铵态氮和全碳含量呈负相关关系；交换性Na+与全氮、含水量、有机酸含量呈正相关关系，与氨基酸、硝态氮、铵态氮和全碳含量呈负相关关系；第一主成分所解释比例为48.99%，第二主成分所解释比例为3.97%(图5b)。根际土壤和非根际土壤理化性质对降水改变和氮添加的响应具有明显差异，第一主成分所解释比例为46.29%，第二主成分所解释比例为24.02%(图5c)。

2.5 土壤酸碱度与其他土壤理化性质的关系

为探究水、氮交互作用对土壤盐渍化因子(土壤pH值变化和与交换性Na+含量)的影响路径，进行了结构方程模型分析。结果表明：(1)在根际土壤中，氮添加通过增加硝态氮、铵态氮含量，减少交换性Na+含量，以降低土壤pH值；降水改变通过减少有机酸降低土壤pH值(增水升高，减水降低)；该模型能解释根际土壤pH值在降水改变和氮添加下59%的变化(图6a)；(2)氮添加通过增加硝态氮、减少交换性Na+含量以降低非根际土壤pH值；但氮添加会降低非根际土壤全氮含量，从而导致土壤pH值的上升；降水改变通过影响硝态氮含量对非根际土壤pH值产生影响(增水降低，减水升高)，该模型能解释非根际土壤pH值在降水改变和氮添加下72%的变化(图6b)。

图5 降水改变与氮添加对根际与非根际土壤理化性质影响的RDA和PCA分析结果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：图(a)为降水改变与氮添加对根际土壤理化性质影响的RDA分析结果，图(b)为降水改变与氮添加对非根际土壤理化性质影响的RDA分析结果，图(c)为降水改变与氮添加对根际和非根际土壤理化性质影响的PCA分析结果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

图6 降水改变与氮添加对根际(a)和非根际(b)土壤酸碱度的影响的结构方程模型(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：实线代表显著相关，虚线代表不显著，红色箭头代表正相关，黑色箭头代表负相关，箭头旁边的数字代表标准化路径系数，与线的厚度成正比，R2代表模型的解释度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 讨论

3.1 降水改变和氮添加对盐渍化草地根际和非根际土理化性质的影响

本研究发现，减少降水显著提高了土壤交换性Na+含量。这是因为减少降水降低了盐基离子的淋失量(淋溶作用)[34]，而在土壤蒸散发能力不变的情况下导致土壤表层Na+含量增加。由于在黄土高原典型草原区，土壤中氮转化过程主要以硝化作用为主[35-36]，使土壤中铵态氮转化为硝态氮，因此氮添加显著提高了土壤硝态氮水平，使非根际土壤中无机氮和硝态氮含量显著增加，而铵态氮含量无显著变化。另外，本研究发现盐渍化土壤根际与非根际土壤理化性质对增加降水及降水改变与氮添加交互作用的响应不敏感。首先，在盐渍化草地，较高土壤阳离子含量具有较强的酸缓冲能力[37]，且增加降水会造成氮素的淋失[38]，与氮添加形成拮抗作用，这可能使得盐渍化草地土壤pH值对氮添加和降水改变交互作用的响应不敏感。另外，王岩等研究表明，氮添加和增水交互作用对草地净氮矿化速率的影响不显著[39]，因此，氮添加和增水对无机氮的交互作用不显著。增加氮输入能显著增加根系分泌物的碳、氮输出速率，而增水会降低根系分泌物的产出率[16]，因此氮添加和增水对于根系分泌物的产出也形成了拮抗作用，导致有机酸和氨基酸含量对增水和氮添加交互作用的响应并不敏感。综上所述，多数情况下降水改变与氮添加对植物根际效应、土壤理化性质的影响很可能相互抵消，导致水、氮交互作用对盐渍化草地土壤理化性质无显著影响。

3.2 盐渍化草地根际和非根际土壤理化性质对降水改变和氮添加的响应差异

本研究发现，盐渍化草地具有明显的根际效应。首先，与非根际土壤相比，根际土壤pH值较低。这是由于植物在生长过程中，可通过根系向外排出一些物质，如氨基酸和有机酸类物质使得根际土壤pH值降低[40]，从而提高植物的耐碱性[41]。另外，根际土壤全碳、全氮和无机氮含量均显著高于非根际土壤。一方面，植物根产生的分泌物和脱落物为根际区土壤微生物提供有效C和N源[42]；另一方面，根系分泌的粘胶物质，促进土壤水稳性团粒结构的形成，从而使根际微域土壤的水、肥、气、热得到很好的协调[43]，使根际成为植物根系和土壤微生物生长发育、营养成分吸收和新陈代谢的主要场所、土壤化学和生物学性质最为活跃的微域[44]。因此，根际土壤养分含量及其矿化能力比非根际土壤要高。另外，降水改变和氮添加对根际和非根际土壤pH值的影响路径不同，根际土壤主要通过改变铵态氮、硝态氮、有机酸和交换性Na+含量来影响土壤pH值，非根际土壤主要通过改变硝态氮、全氮和交换性Na+含量来影响土壤pH值，这可能是由于相对硝态氮，植物更喜欢吸收利用铵态氮[45]，这导致根际铵态氮减少，铵离子带正电荷，根吸收铵离子会释放质子[46]，因此降低了根际的pH值。根际在干旱条件下会增加有机酸的分泌，尤其是苹果酸和琥珀酸在提高植物抗旱性方面发挥着重要作用[47]，因此降水减少会引起根际有机酸含量的增加，从而降低根际土壤pH值。

4 结论

减少降水会增加土壤交换性Na+含量，进而增强对生物的盐胁迫；增水以及增减水与氮添加交互作用对根际和非根际各项土壤理化性质均无显著影响；植物根际效应对盐渍化草地土壤理化性质的影响为降低土壤pH值，提高土壤全碳、全氮、可利用氮、有机酸和氨基酸含量。表明在未来气候变化情境下，干旱会增强土壤的盐碱胁迫，但降水增加和大气氮沉降对盐渍化草地植物根际效应和土壤理化性质的影响有限。