氮、磷添加对青藏高寒草甸土壤碳氮磷化学计量特征影响的Meta分析

林伟山， 德科加*， 张 琳， 向雪梅， 冯廷旭， 钱诗祎， 魏希杰， 耿晓平

(1.青海大学畜牧兽医科学院， 青海省畜牧兽医科学院， 青海 西宁 810016； 2. 青海省称多县气象局， 青海 玉树州 815199)

青藏高原是我国天然草地分布面积最大的一个区，约占全国草地面积的1/3[1]。高寒草甸是青藏高原最主要的植被类型，青藏高原“高”“寒”的自然环境使得其生态系统极为脆弱[2-3]，过度放牧、人类对草地的不合理利用、气候变化加剧等多重因素的影响造成青藏高原出现大面积黑土滩，草地严重退化[5]。青藏高原草地的退化由地面“草”的退化和地下“土”的退化二者共同作用导致，但土壤退化的影响要远大于植被退化，土壤严重退化导致水土流失，养分平衡被打破[6-7]。土壤作为植被生长发育所需养分的供应者，土壤养分含量的高低在一定程度上反映土壤肥力。土壤养分中的碳(Carbon，C)、氮(Nitrogen，N)、磷(Phosphorus，P)三种重要营养元素的含量及分布影响整个草地生态系统的构建与功能。其中，有机质含量不但影响土壤供肥能力[6]，而且也是土壤结构的关键影响因子[8]。另外，氮素是草地植被生长和发育所需的三大元素之一，是调节草地生态系统植被生产力、群落结构及其多样性的关键性元素，在草地生态系统氮循环中扮演着重要角色。P作为草地生态系统除氮素之外影响植被生长及产量的重要营养元素[9]，与植被构建、光合作用等息息相关，同时也与C，N耦合，在草地生态系统中是至关重要的[10]。土壤C/P是衡量磷有效性的指标之一[11]，C/N是土壤氮素矿化能力的标志[12]，N/P反映土壤肥沃程度，影响养分的生物利用有效性[13]。青藏高原高寒草甸土壤养分储存、供应能力及养分动态可由土壤C，N，P生态化学计量特征来表示。

自然状态下,很多生态系统生产力都表现为氮限制、磷限制或者氮、磷共限制[14-15]。青藏高原高寒草甸地处高海拔地区[16]，尽管土壤中含有一定量的有机氮和有机磷，但由于常年低温，土壤微生物活性较低，土壤矿化速率慢，青藏高原高寒草甸可利用氮、磷含量极低，植被的生长发育容易受到氮、磷元素的限制[17]。土壤是一个复杂的自然综合体，其内部影响表现在土壤团聚体、容重、土壤含水量、渗透率等方面，土壤系统存在的复杂性和滞后性使得土壤理化性质的变化也不尽相同[6]。因此，国内外学者对此进行了大量试验研究，主要集中在氮磷添加对土壤微生物及化学计量特征[18]、群落结构生物量[19]、增温与施肥对土壤[20]等，旨在恢复高寒草甸草地植被生产力、群落多样性及提高土壤肥力，其中，氮、磷添加是增加青藏高原草地生态系统土壤养分的主要方式。

前人的研究表明，养分添加对草地生态系统的影响主要是通过改变土壤C，N，P含量变化导致土壤养分分配及草地生态系统的物质循环[21]。有研究表明，养分对高寒草地土壤氮磷比的影响并不显著[22]，可能是与土壤的滞后性导致土壤内部的反应缓慢有关，也可能与草地土壤C，N，P含量受气候因子、母质、土壤冻土层、地形等因素有关[23]。同时，全球气候变化导致高海拔、高纬度地区的N，P限制模式已有从N限制转向P限制的趋势[24]。C，N，P在植被-土壤间互相转化，其循环方式与分配机制严重影响到整个草地生态系统。上述研究结果仅仅针对高寒草地土壤C，N，P含量对外界因素干扰的响应，氮、磷添加的对整个青藏高原高寒草甸土壤的C，N，P影响机制却尚不清楚。C，N和P是草地生态系统的三大主要元素，其含量、动态对草地的健康与持续发展至关重要。

因此，本研究通过Meta分析展开青藏高原高寒草甸土壤有关化学计量特征对施肥的研究数据进行定量综述，分析氮、磷单独施肥及氮磷混合施肥对高寒草甸土壤C，N，P化学计量特征的影响。

1 材料与方法

1.1 数据集构建

本研究以Web of Science数据库和中国知网文献数据库(CNKI)为检索数据来源，在英文数据库中以“Fertilization” “Nutrient addition” “Qinghai-Tibetan Plateau” “Alpine Meadows” “Carbon,Nitrogen and Phosphorus” “Carbon Bank” “Nitrogen deposition”“Degraded Grassland” “Artificial regulation” “Exogenous nitrogen” “Grassland”为关键词进行检索；在中文数据库以“高寒草甸”“青藏高原”“施肥”“养分添加”“碳氮磷输入”“草地”“三江源”“碳氮磷”“碳”“氮”“磷”为关键词进行检索；检索2010年至今的相关文献，检索截止日期为2021年12月31日，共检索出4 809篇文献。在进行Meta分析之前需要对文章进行严格的筛选，设置的筛选标准如下：(1)试验数据基于青藏高原高寒草甸本年度施肥的野外试验；(2)试验包括试验组和对照组，且有3次以上重复试验；(3)各项试验必须是相互独立试验；(4)试验数据为具体数值或图表，必须包括平均值、标准差或标准误。经严格筛选，最后纳入不同区域和时空的文献21篇[21,25-44]，共计612项数据。收集文献中氮添加、磷添加及氮磷添加情况下，高寒草地生态系统中土壤的全C，N，P，C/N，C/P，N/P数据，并根据文献内容将养分添加量划分为轻度施肥(L)、中度施肥(M)和重度施肥(H)。由于青藏高原高寒草地类型多样，地理位置独特，土壤肥力存在差异，各研究试验点、氮磷添加量的标准及方法各有不同(图1)。因此很难设定某一数值界定选取文献中施肥量的大小，鉴于此，本研究参考向雪梅[21]、刘颖楠[45]等人试验的施肥梯度划分为：轻度施肥(施肥量20 g·m-2以下)、中度施肥(20～45 g·m-2)、重度施肥(45 g·m-2以上)。为便于描述，将氮添加、磷添加及氮磷混合添加统称为养分添加方式。通过施肥量大小的划分不仅可以准确描述养分添加对高寒草地土壤的影响，还能方便的比较青藏高原不同海拔及区域草地间养分添加的试验结果差异。

图1 文献研究地理分布Fig.1 Geographical distribution of literature studies

1.2研究方法

参考刘玉祯[10]文献，采集文献数据时，若文献中数据以正文或表格形式列出，直接读取；数据以图的形式呈现，则使用Web Plot Digitizer提取[46]。若文献中提供的数据为标准误(SE)，使用如下计算公式将其换算成标准差(SD)

(1)

式中n为试验的重复次数。采用自然对数响应比(RR)来量化天然草地土壤C，N，P化学计量特征变化对施肥的响应程度。

RR计算公式如下：

(2)

与RR对应的研究内方差(v)计算公式如下：

(3)

式中nt和nc分别为实验组与对照组的样本量；SDt和SDc分别为实验组与对照组的标准差。

基于随机效应模型的累积效应值及置信区间进行计算，其中单个研究的权重计算公式如下:

(4)

(5)

式中wi为单个研究的权重；RRi为单个研究的自然对数响应比。RR++的总体标准误S(RR++)计算公式如下:

(6)

式中：wi为单个研究的权重；k为RR的个数。RR++95%的置信区间计算公式如下:

95%CI=RR++±1.96×S(RR++)

(7)

式中：CI为置信区间。

RR++的百分比变化率计算公式如下：

PC=(eRR++-1)×100

(8)

式中：PC为百分比变化率。

1.3 数据处理

所有数据分析均在Review Manager 5.4.1中完成。由于文中纳入的各项施肥试验受到时空、区域及实验者主观因素的影响而存在差异，不同研究结果间的差异是由随机误差引起，故采用随机效应模型进行Meta分析。用Origin Pro 2021作图。

2 结果与分析

2.1 土壤C，N，P化学计量特征对养分添加方式的响应

由图2可知，氮添加极显著增加了土壤C含量(264%)、N含量(286%)、P含量(282%)、C/N(295%)、C/P(238%)，显著增加了N/P(254%)。

图2 不同养分添加方式对土壤C，N，P化学计量特征的影响Fig.2 Effects of different nutrient additions on the stoichiometric characteristics of soil C,N and P注：图中*表示P<0.05，**表示P<0.01。下同Note：In the figure,* indicates P < 0.05 and ** indicates P < 0.01. The same as below

磷添加极显著增加了土壤C含量(285%)、N含量(275%)、P含量(242%)和C/N比值(288%)，显著增加了C/P(252%)，N/P(242%)。

氮、磷添加极显著增加了土壤C含量(296%)、N含量(309%)、P含量(270%)和C/N(296%)，显著增加了C/P(244%)，N/P(217%)。

2.2 不同养分添加强度下土壤C，N，P化学计量特征对添加方式的响应

草地土壤碳氮磷化学计量特征变化与养分添加方式及强度密切相关(图3)。不同添加方式均会增加土壤C/N，磷添加、氮磷添加在轻度施肥处理对其增加效应最明显，氮添加时土壤C/N的增加效应与轻、中度施肥处理的变化趋势成正比。不同施肥方式均增加土壤P含量、C/N，施氮肥的增加效应与施肥量大小成正比，P添加、N，P添加在施肥量较小时对土壤P含量的增加效应最明显。不同养分添加均增加土壤C/P，N添加时土壤C/P的增加效应与中度、重度施肥量成正比，P添加、N磷添加在较小的施肥量时对其增加效应最明显。不同养分添加方式均增加土壤N/P，氮添加的增加效应与施肥量大小成正比。同时，N，P添加下，土壤中C，N，P含量及C/N，C/P和N/P随施肥量的增加均呈现“V”型增加趋势。

图3 不同养分添加方式下养分添加强度对土壤碳、氮、磷化学计量特征的影响Fig.3 Effects of nutrient addition intensity on the stoichiometric characteristics of soil carbon,nitrogen and phosphorus under different nutrient addition methods注：图中***表示P<0.001，L表示轻度施肥，M表示中度施肥，H表示重度施肥Note：In the figure *** indicates P < 0.001,L indicates light fertilization,M indicates moderate fertilization;H indicates heavy fertilization

2.3 气候变量对C,N,P化学计量的影响

高寒草甸土壤C，N含量及C/N，N/P存在明显的变化特征(图4，图5)，分别受到年均温度和年均降雨量的影响。其中，C含量、C/N与年均温度均存在相关关系(R2=0.07，P<0.05；R2=0.06，P<0.05)；N含量、N/P与年均降雨量存在相关关系(R2=0.09，P<0.05；R2=0.05，P<0.05)。高寒草甸土壤C，N，P含量之间均存在正相关关系(图6)。

图4 年均温度对碳氮磷添加对碳、氮、磷化学计量模式的响应Fig.4 Response of annual mean temperature to carbon,nitrogen and phosphorus additions on the stoichiometric pattern of carbon,nitrogen and phosphorus

图5 年均降雨量对氮磷添加对碳、氮、磷化学计量模式的响应Fig.5 Response of average annual rainfall to nitrogen and phosphorus additions on carbon,nitrogen and phosphorus stoichiometry patterns

图6 以响应比为基础的碳氮磷的相关性Fig.6 Correlations among C,N,and P on the basis of response ratio

3 讨论

3.1 氮、磷添加方式对土壤C,N,P化学计量特征的影响

养分添加是改变青藏高原高寒草甸土壤C，N，P生态化学循环[46]、利用养分策略[47]的主要方式之一。本研究发现，养分添加、不同养分添加方式均显著增加了土壤C，N，P含量，这与向雪梅[26]、德科加[41]的研究结果相似。青藏高原由于过度放牧[48]，植被生产力下降，土壤表层结构破坏，土壤中的有机碳和全氮会以气体的方式损失(如CO2，N2O和N2等)[49]；再加上人类不健康管理，导致青藏高原草地生态系统中C,N,P输出大于输入。土壤养分匮缺导致草地结构和功能发生变化，优势种的牧草由禾本科、莎草科逐渐转变为毒杂草(一、二年生)[10]，严重影响到草地生态系统的健康发展。赖炽敏等[50]研究发现草地退化造成土壤呼吸作用大幅下降，导致氮的矿化速率降低；尚占环等[51]研究发现草地退化导致土壤微生物反硝化作用增加，氮损失加剧。上述研究并没有得出统一的结论,可能是因为研究区土壤质地、区域跨度大及试验方法等方面存在差异导致。笔者认为氮、磷添加造成土壤C，N，P化学计量特征改变的原因可能如下：(1)植被枯落物及根系是土壤C的主要来源，也是土壤全N的重要提供者，施肥增加了植被生物量，有机残体输入量的增加土壤分解反应加剧，土壤磷的固定来源是岩石风化[52]，有机质分解也可增加部分土壤磷含量，因此，土壤C/N，C/P随植被生物量增加而增加；(2)植被得到外养分添加，叶片的胞间CO2浓度改变，光合速率增加，进而在营养生长阶段大量积累并将非结构性碳储存于土壤中[53]；(3)人为添加的一部分养分进入土壤便被土壤微生物所吸收利用，微生物呼吸及活性增强，土壤矿化能力增加，磷元素迁移率低，进而增加了土壤N/P；(4)养分添加改变草地生态系统的碳、氮、磷含量，全球气温上升可能导致土壤冻土层发生了改变，进而向土壤释放了一定量的碳、氮、磷。同时，施肥可改善土壤微生物的生存环境、土壤pH值和容重，微生物总量增加，增加其体内C，N含量。施肥缓解了地下土壤与植被之间对于养分的激烈竞争，利于青藏高原草地生态系统的健康发展。

青藏高原地域辽阔，地形、水文、温度等在小尺度上存在差异，土壤内部结构不一，并且青藏高原正在经历气温上升的过程[54]，土壤矿化速率增加，有机质分解加快，与本研究结果年均气温与C含量、C/N存在负相关性不一致。这一方面可能是全球氮沉降明显[55]造成的，氮沉降量由1860年的15 Tg到2005年的25～40 Tg[56]，大气氮沉降改变了青藏高原高寒草甸土壤养分分配及平衡状态；另一方面，可能是数据集构建时符合氮磷添加对高寒草甸土壤碳氮磷化学计量的相关文献较少导致。本研究结果表明，N含量、N/P与年均降雨量存在相关性，与刘禹[57]、孟亚妮[58]等研究结果相似。青藏高原小气候复杂，年均温度和年均降雨量是影响高寒草甸草地土壤肥力的主要气候因子。然而草地生态系统对于水分及其他养分耦合的机制及其对水肥添加的响应机制尚不清晰。因此，青藏高原高寒草甸土壤养分的动态、分配及循环机制需考虑诸多因素的影响，需进一步探索。

3.2 氮、磷添加强度对土壤C，N，P化学计量特征的影响

养分添加能提高生态系统的土壤养分含量，降低植被资源限制，是草地有效的管理方式之一[59]。草地土壤C，N，P受不同施肥方式下不同养分添加强度的调控。本研究结果表明，土壤P含量、C/N，C/P，N/P的增加效应与氮添加的增加量成正比(图3)，氮肥中度施肥量下土壤C，N含量最大，这与德科加[60]、Liebisch[61]和Vitousek[62]等人的研究结果一致。可能是氮、磷添加增加了土壤中的有效资源水平，降低了物种对限制资源的竞争强度[63]。由于氮素以硝态氮、铵态氮的形式被利用，适宜施肥能科学的、合理的补充土壤及植被所需养分，这与王长庭[36]、徐明岗[64]的研究结果相似。说明养分添加时施肥量并非越大越好，青藏高原草地类型多样，土壤质地、团聚体、黏粒、土壤pH值、土壤含水量均存在差异，养分添加试验需根据土壤理化性质开展准确性、科学性的试验。本研究结果表明，磷轻度施肥(20 g·m-2以下)处理下土壤C，N，P含量及C/N，C/P，N/P的增加效果最明显，这与魏金明等[65]的研究结果一致。磷添加增加了土壤微生物内稳性，微生物解除了养分限制。根据资源分配理论，土壤微生物得到充分的养分时，整个群落的养分处于平衡状态，进而维持自身乃至土壤化学计量关系的内稳性[66]。同时，土壤中磷元素的迁移率低，大量施肥导致磷元素累积从而打破土壤内部的稳定性。

氮、磷添加可在一定程度上反映土壤环境资源对养分添加的响应及土壤内部稳定的维持机制[67]。本研究结果表明，氮、磷添加下，土壤C，N，P含量及C/N，C/P，N/P均明显增加，中度施肥处理下增幅小于轻度、重度施肥处理，这与施瑶等[68]、田沐雨等[69]研究结果不一致，却与常继方等[70]研究结果相似。笔者认为P作为植被生长发育所需的主要元素，对植被的限制仅次于N，适量的P添加有助于缓解土壤P限制，并且过量的N，P添加会打破土壤C∶N∶P化学计量比的平衡。青藏高原由于受到气象因子(光照强度、日照时数、温度、降雨量等)和环境因子(地形地貌、海拔等)的影响[71]，草地生态系统的限制元素逐渐由N向P过渡，因此，磷添加对青藏高原高寒草甸生态系统而言利大于弊。土壤C，N，P化学计量比有利于了解土壤养分循环，养分循环与土壤呼吸及生态系统功能紧密耦合[72]。从整个青藏高原来看，土壤微生物、土壤表层必然存在某种固定的C∶N∶P比值[73]。在全球气候变化及人为干扰会破坏养分相互作用原有的平衡，再加上氮沉降和频繁的冻融交替循环会降低草地生态系统C∶N∶P的耦合[74]。青藏高原草地土壤质地，土壤微生物群落及数量、地形地貌、土壤团聚体、容重均存在巨大差异，草地植被物种多样性、群落结构及优势种有所不同，因此，养分添加时需了解土壤理化性质及其土壤内部养分分配策略，同时，成土母质及环境因子、气象因子均应考虑，这样才有利于青藏高原草地生态系统的健康及青藏高原的永续利用。

4 结论

本文基于数据整合的Meta分析，以全面评估施肥对高寒草地土壤C，N，P化学计量特征的影响。试验结果表明养分的添加方式及强度均对草地土壤C，N，P存在显著影响。氮添加对土壤C，N，P生态化学计量的增加效应与施肥强度成正比，与中度(20～45 g·m-2)、重度(45 g·m-2以上)相比，磷添加在轻度施肥(20 g·m-2以下)处理下对青藏高原高寒草甸土壤C，N，P化学计量比的正向效应效果最佳。在未来的青藏高原的管理措施中，建议依据土壤实际土壤肥力进行养分添加，以有效维持草-畜平衡，保证草地的可持续性利用。