季节增温对内蒙古半干旱草地土壤化学计量特征的影响

魏雯琳，邱晓杰，王文瑞，柴诗杰，刘银占，吴大付

（1.河南科技学院资源与环境学院, 河南 新乡 453000；2.河南大学生命科学学院, 河南 开封 475000）

受人为因素和自然因素的影响，全球气候变暖已经严重威胁到全球生态环境的安全。联合国气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出，2011－2020 年的全球地表年均温比1850－1900 年以来的年均温上升了约1.09 ℃[1]。气候变暖造成的生物多样性锐减、生态系统失衡等环境问题已严重影响着生态系统的发展[2]。土壤是陆地生态系统的重要组成部分，是植物生长所需养分的物质基础，对植物具有重要的调节和支撑作用[3]。其中，土壤中的碳(C)、氮(N)、磷(P)等营养元素及其化学计量比是衡量土壤质量的重要指标[4]，可以体现土壤养分元素的供给能力，还能表示元素间的耦合关系[5]。同时也是影响植物生长发育和生理代谢的重要因子，土壤养分有效性的变化会影响植物对养分的吸收而影响自身的生长[6]。全球气候变暖与生态系统的生态化学计量学相互作用，并通过对生态系统生态化学计量学的影响，间接地改变全球生态系统的结构和功能[7]。因此，研究全球气候变暖对生态系统土壤养分元素含量及其化学计量比变化的影响具有重要的理论和现实意义。

前期研究结果表明，气候变暖对土壤的C、N、P 生态化学计量学造成的影响并不一致。温度作为影响土壤养分的重要因素，影响着土壤的各种生理生化过程[8]。大部分的研究表明增温使土壤有机碳含量减少。Schaeffer 等[9]和Su 等[10]的研究发现增温下微生物呼吸增加，加速了微生物对有机质的分解，导致了土壤有机碳的损失。而刘永万等[11]对长江源区高寒沼泽草甸的研究发现，温度升高增加了整个生长季土壤表层中的有机碳含量。除此之外，增温对土壤有机碳的影响还有不显著的效应。Fröberg等[12]发现增温对瑞典北部云杉林土壤有机碳没有显著影响，这表明气候变暖不会对该森林生态系统中的有机碳淋失产生重大影响。增温对N 和P 的影响同样具有差异性。江肖洁等[13]发现增温促进了土壤N、P 的矿化，使苔原土壤N 和P 的含量增加，有利于植物的生长。然而贝昭贤等[14]发现增温使土壤总磷呈降低趋势，表明增温促进了植物对磷的吸收，这与秦瑞敏等[15]研究结论一致。Zhang 等[16-17]发现人工增温不影响土壤总氮、总磷含量，但对无机氮和硝态氮的影响不一。尽管目前关于土壤生态化学计量学对气候变暖的响应已经有大量研究，但主要集中于全年升温的影响，关于气候变化的季节非对称性升温对生态化学计量学影响的研究却鲜有开展[18]。目前全球冬季温度的升温幅度大于夏季升温幅度[19]。这种全球性气候变化的季节非对称性升温会对陆地生态系统土壤养分元素产生影响，进而会对生态系统碳氮循环产生不一样的影响[20]。

草地是地球表面最为重要的植被类型之一，占陆地面积的40%以上，储存了陆地生态系统中近三分之一的有机碳，在调控全球碳循环方面具有非常重要的作用[21]。其中内蒙古草地占我国草地面积的四分之一左右，是我国北方重要的生态屏障[22]。本研究点选在内蒙古自治区多伦县中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验与恢复研究站十三里滩试验基地，通过在内蒙古草地开展模拟全球气候变化试验，研究非生长季与生长季增温对我国北方温带草原生态系统土壤养分含量及生态化学计量比的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点在内蒙古自治区多伦县中国科学院植物研究所多伦恢复生态学实验与恢复研究站十三里滩试验基地(161°17′ E，42°02′ N)，海拔1 324 m，属中温带半干旱大陆性气候。该地区干旱少雨，年均降水量385.5 mm，平均气温1.6 ℃，土壤类型为栗钙土，肥力较低。植被为半干旱草原。主要优势植物有冷蒿(Artemisia frigida)、苔草(Carexspp.)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、细叶葱(Allium tenuissimum)、丝叶小苦荬(Ixeridium graminifolium)、达乌里胡枝子(Lespedeza daurica)等。

1.2 试验设计

试验采取随机区组设计的方法，在内蒙古草地设置4 种处理：对照(全年不进行增温，CK)、非生长季增温(NW)、生长季增温(GW)、全年增温(生长季增温 + 非生长季增温，AW)。根据内蒙古草原当地的物候观测结果[23-24]，确定生长季为每年4 月16 日到10 月15 日，非生长季为每年10 月16 日到第2 年4 月15 日。每种处理4 个重复。共计16 块样地。每个样地为直径3 m 的圆形。相邻样地间隔2 m。采用开顶箱(OTC)在每个样地对应的时间段进行增温。OTC 的底部直径、顶部直径及高度分别为3、2、1 m。骨架采用不锈钢材质，上附高强度、高透光度塑料布进行增温。为了抵消OTC 对光照和昆虫等的影响，自然温度样地放置采用不锈钢骨架及不锈钢窗纱作为材料制成的另一种OTC 作为对照。由于OTC 会阻碍一部分降雨或降雪，每次降水事件发生后都按照换算，立即进行水分补充。试验样地于2016 年10 月设置并开始，持续进行试验处理。前期结果表明[25]，该OTC 增温装置在非生长季增温处理下可以提升年均温1.11 ℃，在生长季增温处理下可以提升年均温0.98 ℃。

非生长季增温处理包括非生长季增温和全年增温中的非生长季增温部分，生长季增温处理包括生长季增温和全年增温中的生长季增温部分。因此，非生长季增温(非生长季增温 + 全年增温)和生长季增温(生长季增温 + 全年增温)增加或减少的效应由后面两个公式计算得到：非生长季增温增加(减少)的效应 = (非生长季增温 + 全年增温)/2 - (生长季增温 +对照)/2；生长季增温增加(减少)的效应 = (生长季增温 + 全年增温)/2 - (非生长季增温 + 对照)/2。考虑非生长季增温和生长季增温交互的情况，在非生长季没有增温的情况下，生长季增温的效应由后式计算得到：生长季增温增加(减少)的效应 = (生长季增温 - 对照)/对照。在非生长季增温的情况下，生长季增温的效应由后式计算得到：生长季增温增加(减少)的效应 = (全年增温 - 非生长季增温)/非生长季增温。

1.3 土壤样品采集与测定

在2021 年8 月，用直径5 cm 土钻在每块样地上随机选取3 点，采集20 cm 深度的土壤，分为0－10 和10－20 cm 两层。每个样地用2 mm 孔径土壤筛去除根系和石块，然后带回实验室进行风干、过筛、研磨等处理后进行理化性质的测定分析。其中，空气温度和地下10 cm 处土壤温度采用纽扣温度计(I-button，美国)测定，测定频度为2 h 自动记录一次。利用纽扣温度计记录到的数据先计算日平均气温，再统计并计算出土壤采集月份(2021 年8 月)的温度平均值。土壤含水量采用烘干法；土壤碳、氮含量利用燃烧法，采用半常量元素分析仪(varioMACRO，德国)测定；土壤磷含量采用高氯酸-硫酸-钼锑抗比色法，利用分光光度计(波长700 nm)测定；土壤有效氮含量包括硝态氮、铵态氮，利用比色法，使用全自动化学分析仪(SmartChem200，法国)测定；土壤有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，采用分光光度计(波长700 nm)测定。

1.4 数据处理

所有数据处理用Excel 进行整理后，使用SPSS 26 软件(IBM 公司)进行统计分析，采用双因素方差分析(two-way ANOVA)分析非生长季增温与生长季增温及其交互作用对土壤养分含量及化学计量比的影响。通过Pearson 相关分析来描述土壤养分各指标之间的关系。

2 结果与分析

2.1 空气温度、土壤温度与土壤含水量的变化

在取土当月，非生长季增温使空气温度显著增加了0.16 ℃ (P< 0.05)，生长季增温处理下，空气温度显著增加了1.08 ℃ (表1、图1)。在非生长季增温和生长季增温处理下，土壤温度分别增加了0.01、0.34 ℃，变化未达到显著水平(P> 0.05)。非生长季增温和生长季增温对0－10 和10－20 cm 土壤的含水量均无显著影响。

图1 空气温度、土壤温度与不同土层土壤含水量的变化Figure 1 Variation in air temperature, soil temperature, and soil moisture content in different soil layers

表1 非生长季增温和生长季增温对空气温度、土壤温度和含水量影响的方差分析结果 (P值)Table 1 Variance analysis results of non-growing-season and growing-season warming on air temperature, soil temperature, and water content (Pvalue)

2.2 非生长季增温和生长季增温对土壤C、N、P 的影响

在0－10 cm 土层，非生长季增温使土壤SOC含量显著增加了10.84% (P< 0.05)，而生长季增温对土壤SOC 含量影响不显著(P> 0.05) (图2)。此外非生长季增温和生长季增温的交互作用对0－10 cm土层土壤的SOC 含量存在显著影响(表2)，单独进行非生长季增温使SOC 含量增加了21.71%，但是在考虑生长季增温的情况下，非生长季增温使SOC含量增加0.92%。10－20 cm 土层，非生长季增温对土壤SOC 含量的影响不显著，而生长季增温使土壤SOC 含量降低了16.33% (图2)。

图2 内蒙古草地不同季节增温处理下土壤养分含量Figure 2 Soil nutrient contents for Inner Mongolia grassland under different warming treatments in different seasons

表2 不同增温处理对不同土层土壤理化性质及化学计量比的影响Table 2 Effects of different warming treatments on physical and chemical properties and stoichiometric ratio of different soil layers

在0－10 cm 土层，非生长季增温和生长季增温处理下，土壤TN 含量均呈增加趋势，增幅均为1.03%，但未达到显著水平(P> 0.05) (图2)。但非生长季增温和生长季增温对土壤TN 含量无显著交互影响(表2)。在土壤10－20 cm 土层范围中，非生长季增温和生长季增温对土壤TN 含量的影响不显著且交互影响不显著(表2、图2)。

在0－10 cm 土层，非生长季增温对土壤NH4+-N含量影响不显著(P> 0.05)，而生长季增温使土壤NH4+-N 含量显著增加了20.59% (P< 0.05)。非生长季增温和生长季增温的交互作用对0－10 cm土层土壤的NH4+-N 含量存在极显著影响(P< 0.01)(表2)；单独进行非生长季增温使NH4+-N 含量降低了13.30%。在考虑生长季增温的情况下，非生长季增温使土壤NH4+-N 含量增加了40.22% (图2)。在土壤10－20 cm 土层范围中，非生长季增温对NH4+-N含量无显著影响，而生长季增温使土壤NH4+-N 含量显著增高了31.55% (图2)。

在0－10 cm 土层，NO3--N 含量在非生长季增温和生长季增温处理下均呈显著降低的趋势，降幅分别为33.39%和43.82%。但在土壤10－20 cm 土层中，非生长季增温和生长季增温对土壤NO3--N含量无显著影响(P> 0.05) (图2)。此外非生长季增温和生长季增温交互作用对0－20 cm 土层NO3--N含量无显著影响(表2)。

在0－10 cm 土层，非生长季增温和生长季增温对土壤TP 含量均影响不显著(P> 0.05) (表2)。但非生长季增温和生长季增温的交互作用对0－10 cm土层土壤的TP 含量存在极显著影响(P< 0.01)；单独进行非生长季增温使土壤TP 含量降低了20.95%(图2)，在考虑生长季增温的情况下，非生长季增温使土壤TP 含量增加了18.99%。在土壤10－20 cm土层范围中，非生长季增温使土壤TP 含量增加了19.44% (P< 0.05)，而生长季增温对土壤TP 含量的影响不显著(表2)。

在0－20 cm 土层，非生长季增温和生长季增温对土壤AP 含量的影响不显著(P> 0.05)且无显著交互影响(P> 0.05) (表2、图2)。

2.3 非生长季增温和生长季增温对土壤C、N、P 化学计量比的影响

在0－10 cm 土层中，非生长季增温和生长季增温对C ： N 影响不显著(P> 0.05) (表2)。而非生长季增温和生长季增温的交互作用对C ： N 存在显著影响(P< 0.05)；单独进行非生长季增温使C ： N 增加了19.85% (图3)，在考虑生长季增温的情况下，非生长季增温使C ： N 降低了1.02%。在10－20 cm 土层中，非生长季增温和生长季增温的交互作用对C ： N存在显著影响(表2)；单独进行非生长季增温使C ： N增加了24.91%，在考虑生长季增温的情况下，非生长季增温使C ： N 降低了2.48% (图3)。

图3 内蒙古草地不同季节增温处理下土壤化学计量比Figure 3 Soil stoichiometric ratio under different seasonal warming treatments for Inner Mongolia grassland

在0－10 cm 土层中，C ： P 对非生长季增温和生长季增温的响应与C ： N 具有一致性，非生长季增温和生长季增温对C ： N 影响不显著(P> 0.05)(表2)。非生长季增温和生长季增温的交互作用对C ： P有极显著的影响(P< 0.01)；单独进行非生长季增温使C ： P 增加了56.14%，在考虑生长季增温的情况下，非生长季增温使C ： P 降低了17.79% (图3)。在土壤10－20 cm 土层范围中，非生长季增温和生长季增温对C ： P 的影响不显著且无显著交互作用(表2)。

在0－10 cm 土层中，非生长季增温和生长季增温对N ： P 影响不显著(P> 0.05)。而非生长季增温和生长季增温的交互作用对N ： P 存在显著影响(P<0.05) (表2)；单独进行非生长季增温使N ： P 增加了30.09% (图3)，在考虑生长季增温的情况下，非生长季增温使N ： P 降低了16.84%。在10－20 cm 土层中，非生长季增温使N ： P 显著降低了11.35%，而生长季增温对N ： P 无显著影响。非生长季增温和生长季增温的交互作用对N ： P无显著影响(表2)。

2.4 土壤养分含量及其化学计量比之间的相关性

不同土层土壤养分含量及其化学计量比之间的相关分析表明(表3、表4)，0－10 cm 土壤中，土壤SOC 与C ： P 呈极显著正相关(P< 0.01)，与土壤TN和N ： P 显 著 正 相 关(P< 0.05)；土 壤TN 与N ： P显著正相关，与C ： N 显著负相关；土壤TP 与C ： P和N ： P 极显著负相关；土壤NO3--N 与AN ： AP 显著正相关；土壤AP 与C ： N 极显著正相关，与AN ： AP极显著负相关。10－20 cm 土壤中，土壤SOC 与土壤TN 和TP 极显著正相关，与土壤NH4+-N 呈显著负相关；土壤TN 与土壤TP 极显著正相关；土壤NH4+-N 与C ： N 显 著 负 相 关；土 壤NO3--N 与 土 壤AP 显著正相关；土壤AP 与C ： P 显著正相关。

表3 0－10 cm 土壤养分及其化学计量比间的相关性Table 3 Correlation between 0 - 10 cm soil nutrients and their stoichiometric ratios

表4 10－20 cm 土壤养分及其化学计量比间的相关性Table 4 Correlation between 10 - 20 cm soil nutrients and their stoichiometric ratios

3 讨论

3.1 非生长季增温和生长季增温对土壤C、N、P 的影响

本研究结果表明，非生长季增温使0－10 cm土层SOC 显著提高了10.84%，而生长季增温使10－20 cm 土层的SOC 显著降低了16.33%。说明SOC对温度变化响应敏感。上述非生长季增温的结果与毛瑾等[26]的研究趋势基本一致。但是本研究中非生长季增温对SOC 的增幅小于毛瑾等[26]的研究，这可能是因为生态系统本底的差异导致的，毛瑾等[26]的研究中SOC 含量在23%～30%，本研究中对照样地的有机质含量不到20%。李娜等[27]发现生长季增温降低了表层有机碳含量，提高了深层有机碳含量，主要归因于表层有机碳分解速率的增加与深层根系分泌物的降低。而本研究生长季增温的结果与李娜等[27]在青藏高原的研究趋势不同。本研究所选择的生态系统与青藏高原高寒草甸最大的区别就是土壤含水量非常低，导致植被盖度与生物量较低。本地表层土壤含水量低于深层，因此表层微生物活性对增温的响应可能受到含水量的限制。深层土壤含水量较高，增温以后微生物分解速率可能会升高，导致土壤有机质含量降低。总之，土壤有机碳含量取决于有机碳的输入与输出过程，输入主要是植物残体形成和分解，输出主要决定有机碳分解和淋溶[28]。增温导致的土壤温度升高，可以改变凋落物和植物残体向土壤中的输入，而增温使微生物呼吸增加，会加速微生物对有机质的分解[29]。表层土壤中凋落物和植物残体的输入大于微生物对有机质的分解，从而造成土壤有机碳含量增加；10－20 cm 土层土壤微生物对有机质的分解大于植物凋落物的分解，从而造成土壤有机碳含量减少。上述结果表明不同土层SOC 对气候变暖的响应机理还需进一步研究。本研究中，非生长季增温和生长季增温对土壤总氮含量的影响均不显著，但在0－10 cm 土层土壤中呈增加趋势，在10－20 cm 土层土壤中呈减少趋势。土壤中总氮来源于土壤中植物残体分解和合成的有机质，因此，土壤中总氮含量的变化趋势与总有机碳大体上一致[15]。本研究中，硝态氮对非生长季增温和生长季增温的响应主要集中在0－10 cm 土层的土壤中，呈降低的趋势；而铵态氮在生长季增温的处理下，在0－20 cm 土层中整体呈增加的趋势。增温处理下土壤硝态氮含量的降低可能是由于增温处理加速了植物的生长，硝态氮作为植物重要的氮源，消耗增加[30]；铵态氮含量的提高可能是由于在一定温度范围内，增温促进了土壤中氨基酸转化成铵态氮的进程[31]。本研究发现，非生长季增温显著增加了10－20 cm 土层土壤的总磷含量。土壤中总磷含量的变化主要取决于植物的吸收量和凋落物的归还量。因此，增温促进了植物对P 元素的吸收，同时土壤微生物活性则因升温而增强，从而加强了凋落物的分解。大量的磷返回到土壤中，导致土壤总磷含量有所增加[17]。本研究中，非生长季增温和生长季增温提高了土壤有效磷的含量，但均未达到显著的水平。这可能归因于温度升高促进了微生物对有机质的矿化作用，从而增加了土壤中有效磷的含量[32]。

3.2 非生长季增温和生长季增温对土壤C、N、P 化学计量比的影响

碳、氮、磷含量之间的化学计量比是反映土壤养分供给能力的重要指标[33]。土壤的C ： N 可以用来衡量土壤氮矿化能力和土壤有机质分解速率[34]。土壤C ： P 可以判断土壤磷元素的矿化能力[35]。土壤N ： P 和植物N ： P 相同，可以作为判断养分限制情况的指标[36]。在本研究中，非生长季增温和生长季增温对C ： N 存在显著的交互作用，非生长季增温 提 高 了0－10 和10－20 cm 土 层 土 壤 的C ： N。但增温后的C ： N 值仍低于中国草地平均水平(11.8)[37]。有研究表明，土壤的C ： N 值和有机质的分解速率成反比，因此，C ： N 处于较低的水平时，有机质分解较快，有利于氮的矿化[38]。本研究发现，非生长季增温和生长季增温对C ： P 的影响主要集中在0－10 cm 土层的土壤中，呈增加的趋势，与C ： N 一致。增温后的C ： P 值略高于中国草地平均水平(64.3)。可能会导致土壤微生物与植物竞争土壤无机P，从而不利于植物的生长[39]。在本研究中，非生长季增温和生长季增温对N ： P 的影响主要集中在10－20 cm 土层的土壤中，总体呈降低的趋势，非生长季增温显著降低了N ： P 值。增温后的N ： P值略高于中国草地平均水平(5.6)。但该研究区土壤N ： P < 14，说明该区域土壤可能处于N 限制，氮素供应不足，会影响植被生长[40]。同时略高的C ： P值可能会导致该区域土壤会受到N 和P 的共同限制[41]。但由于本研究中土壤总氮含量变化趋势不大，总磷含量在总体趋势上降低，表明在全球变暖过程中，植物生长受磷元素的限制高于氮[40]。

4 结论

综上所述，本研究以内蒙古草地为研究对象，开展模拟全球气候变化试验。通过对该地区土壤养分含量及生态化学计量比对非生长季与生长季增温的响应，得出以下结论：

非生长季增温和生长季增温改变了内蒙古草地土壤的养分含量及生态化学计量比，且对部分指标有显著的交互作用。非生长季增温对土壤养分含量的影响主要集中在0－10 cm 土层的土壤中，非生长季增温显著提高了0－10 cm 土壤总有机碳含量和10－20 cm 土壤总磷含量，显著降低了0－10 cm 土壤硝态氮含量。而生长季增温显著提高了0－20 cm土壤铵态氮含量，显著降低了0－10 cm 土壤硝态氮含量和10－20 cm 土壤总有机碳含量。此外，非生长季增温与生长季增温对0－10 cm 土壤总有机碳、总磷和铵态氮含量存在显著交互影响。

非生长季增温显著降低了10－20 cm 土层土壤中的N ： P (P< 0.05)。而生长季增温对C、N、P 之间的化学计量比无显著影响(P> 0.05)。此外，非生长季增温与生长季增温对0－10cm 土壤C ： N、C ： P、N ： P 和10－20 cm 土壤C ： N 存在交互显著影响。这表明，非生长季气候变暖对我国北方典型草地土壤化学计量特征的影响跟生长季气候变暖同样重要，在未来全球变化研究中，应重点关注气候变暖的季节差异。

本研究中土壤N ： P < 14，说明内蒙古草地土壤可能处于氮限制，氮素供应不足，会影响植被生长。同时略高的C ： P 可能会导致可能会导致土壤微生物与植物竞争土壤无机磷，不利于植物的生长。进而内蒙古草地土壤会受到氮和磷的共同限制。但由于本研究中土壤总氮含量变化趋势不大，总磷含量在总体趋势上降低，这表明在全球变暖过程中，植物生长受磷元素的限制高于氮。