不同形式氮添加对草甸草原土...和碳氮磷化学计量特征的影响_汪梦寒.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0427汪梦寒，闫雨欣，李富翠，董利利，张亚楠，韩烈保.不同形式氮添加对草甸草原土壤磷素含量和碳氮磷化学计量特征的影响.草业科学,2023,40(7):1793-1801.WANGMH,YANYX,LIFC,DONGLL,ZHANGYN,HANLB.Effectsofaddingdifferenttypesofnitrogenonsoilphosphoruscontentandstoichiometriccarbon,nitrogen,andphosphoruscharacteristicsinmeadowgrassland.PrataculturalScience,2023,40(7):1793-1801.不同形式氮添加对草甸草原土壤磷素含量和碳氮磷化学计量特征的影响汪梦寒，闫雨欣，李富翠，董利利，张亚楠，韩烈保（北京林业大学草业与草原学院,北京100083）摘要：由无机氮和有机氮沉降共同构成的大气氮沉降已成为全球变化的重要现象之一，影响着草原土壤磷循环过程。以内蒙古额尔古纳草甸草原为研究对象，进行了 5 年不同形式氮添加试验，设置的无机氮和有机氮比例分别为100(N1)、73(N2)、55(N3)、37(N4)、010(N5)和对照处理 00(CK)。通过测定土壤有效磷含量、全磷含量及酸性磷酸酶活性，结合生态化学计量学来探究不同形式氮添加对草甸草原不同土层磷素含量和碳氮磷化学计量特征的影响。结果表明，不同形式氮添加对土壤全磷含量和酸性磷酸酶活性无显著影响(P 0.05)；010cm 表层土壤有效磷含量在 N2处理下显著高于对照和其他氮添加处理(P0.05)(图 1)。土壤全磷含量在氮添加处理下较对照处理有增加的趋势，010cm 表土层和 1020cm 次表土层施氮处理的平均全磷含量较对照分别提高了 37%和 20%，但差异不显著(P0.05)。对于010cm 表土层而言，氮添加处理的全磷含量变化范围为 298.1460.5mgkg1，其中 N1处理下的全磷处理 TreatmentCKN1N2N3N4N5全磷含量Total phosphorus content/(mgkg1)0100200300400500600010 cm 1020 cm aaaaaaaaaaaa图 1 不同形式氮添加对土壤全磷含量的影响Figure 1 Effect of different types of added nitrogen on soiltotal phosphorus contentCK、N1、N2、N3、N4、N5分别代表无机氮有机氮=00、100、73、55、37、010；不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著(PN2N3N5N4，其中 N1、N2、N3处理全磷含量高于对照，分别较对照增加 69%、34%和 33%；N4、N5处理全磷含量低于对照，分别较对照降低 23%和 13%。不同深度土层之间，010cm 土层平均全磷含量高于1020cm 土层。2.1.2 土壤有效磷含量不同形式氮添加对表层 010cm 土壤有效磷含量有显著影响(图 2)。010cm 表土层土壤有效磷含量变化范围为 29.053.5mgkg1，N2处理下表层土壤有效磷含量显著高于对照及其他氮添加处理，较对照增加 21.0mgkg1，增幅达 65%，其他施氮处理中，与对照相比，土壤有效磷含量在 N1、N4处理下较高，而在 N3和 N5处理下偏低，但差异不显著。对于 1020cm 次表土层，土壤有效磷含量变化范围为 28.845.8mgkg1，不同形式氮添加对土壤有效磷含量无显著影响；各施肥处理的土壤有效磷含量由大到小排序为 N2N1N5N3N4，其 在 N1和 N2处 理 下 较 对 照 分 别 增 加11%和 35%；而在 N3、N4和 N5处理下较对照分别降低 13%、15%和 4%。不同深度土层之间，010cm表土层平均有效磷含量高于 1020cm 次表土层；在两个土层中，N2处理下的土壤有效磷含量均为最高值。2.1.3 土壤酸性磷酸酶活性不同形式氮添加对土壤酸性磷酸酶活性没有产生显著影响(图 3)。对于 010cm 表土层，氮添加处理下的土壤酸性磷酸酶活性变化范围为 796883nmol(gh)1。各施肥处理的土壤酸性磷酸酶活性由大到小排序为 N1N5N2N3N4，其中土壤酸性磷酸酶活性在 N1和 N5处理下，较对照分别增加 7%和 3%；在 N2、N3和 N4处理下分别降低 1%、2%和 3%。对于 1020cm 次表土层，氮添加处理下的土壤酸性磷酸酶活性变化范围为 472597nmol(gh)1，均高于对照平均增幅 21%。各氮添加处理由大到小排序为 N3N1N4N5N2，分别较 CK 增加 31%、30%、26%、17%和 4%。不同深度土层之间，表土层酸性磷酸酶活性高于次表土层。处理 TreatmentCKN1N2N3N4N5酸性磷酸酶活性Acid phosphatase activity/nmol/(gh)102004006008001 0001 200010 cm 1020 cm aaaaaaaaaaaa图 3 不同形式氮添加对土壤酸性磷酸酶活性的影响Figure 3 Effect of different types of nitrogen addition on soilacid phosphatase activity 2.2 不同形式氮添加对土壤碳氮磷化学计量特征的影响对不同形式氮添加下的草原土壤化学计量特征进行分析，不同形式氮添加对土壤 C/N、C/P 以及N/P 没有显著影响(表 1)。从土壤 C/N 来看，010cm表层土壤 C/N 变化范围为 10.6312.13。在氮添加处理下土壤平均 C/N 较对照略低。1020cm 次表土层 C/N 变化范围为 10.9311.75，其中 N3处理比值最大，N1处理比值最小。土壤 C/P 在 010cm 土层的变化范围为 73.21128.97，氮添加处理下的土壤平均 C/P 小于对照，降幅为 5%。表土层各施肥处理中，除 N1处理下土壤处理 TreatmentCKN1N2N3N4N5有效磷含量Available phosphorus content/(mgkg1)0204060010 cm 1020 cm bbabbbaaaaaa图 2 不同形式氮添加对土壤有效磷含量的影响Figure 2 Effect of different types of nitrogen addition on soilavailable phosphorus content1796草业科学第40卷http:/C/P 高于对照外，其余施肥处理的 C/P 均低于对照。在 1020cm 次表土层中，土壤 C/P 变化范围为64.59119.46，氮添加处理下的土壤平均 C/P 大于对照，增幅为 10%。各施肥处理中，N1、N2、N3处理下比值低于对照，分别降低 20%、11%和 6%；N4和 N5处理的比值高于对照处理，分别高出 37%和 48%。土壤N/P 在010cm 表土层的变化范围为6.2311.87，氮添加处理下的土壤平均 N/P 小于对照，降幅为 4%。020cm 次表土层的土壤 N/P 变化范围为 5.98 10.36，氮 添 加 处 理 下 的 土 壤 平 均 N/P大于对照，增幅为 9%。各施肥处理的 N/P 变化趋势和 C/P 相似，均表现出：表土层除 N1处理下比值高于对照外，其余施肥处理的比值均低于对照；次表土层 N1、N2、N3处理下比值低于对照，N4和 N5处理的比值高于对照。3 讨论 3.1 不同形式氮添加对土壤磷素含量和磷酸酶活性的影响氮添加能够增强土壤氮素有效性，加速植物生长，提高地上植被生产力。植被生长需要一定的氮磷比来维持正常生命过程，氮添加在增加地上植被生物量的同时也增加了对土壤磷素的供给需求，使得磷素逐渐成为植物生长的限制因素22。另外，随着土壤中氮素的增加，生态系统中的微生物活性也可能受到磷素的限制23。本研究中不同形式氮添加对土壤全磷含量没有产生显著影响(图 1)，无论是氮添加处理还是空白对照处理，不同深度土层的土壤全磷含量变化范围均小于 800mgkg1，表明该地区土壤磷素缺乏12。Fang 等16在内蒙古温带草原的 7 年有机氮添加试验同样显示土壤全磷含量不受氮添加的影响。在对土壤有效磷的研究中，本研究结果表明氮添加处理影响了表层土壤的有效磷含量，N2处理下的表层土壤有效磷含量显著高于其他处理。Fang 等16的有机氮添加试验以及 Ren 等24的无机氮添加试验也显示土壤有效磷含量在施氮处理下有所增加。全球范围内大量的氮素添加试验显示无论是有机氮沉降还是无机氮沉降都能够在一定程度上降低土壤 pH，导致土壤酸化25-26。贾晓彤27关于土壤酸碱度的研究也显示，除 N5处理外的其余氮添加处理 pH 均显著低于无氮对照，氮添加下土壤进一步酸化。有研究表明，土壤 pH 降低会加速无机磷溶解为有机磷的速率，使得土壤有效表 1 土壤化学计量特征Table 1 Soil stoichiometric characteristics深度Depth/cm处理Treatment化学计量比StoichiometricratiosC/NC/PN/P010CK11.590.60a95.8310.03a8.351.08aN111.070.50a128.9719.73a11.872.40aN212.130.14a86.084.46a7.100.42aN311.900.29a73.2115.26a6.231.47aN410.630.55a84.939.30a8.020.94aN511.850.41a83.1413.42a7.081.34a1020CK11.161.10a80.6512.31a7.230.81aN110.930.71a64.597.43a5.980.81aN211.150.44a71.7610.04a6.521.16aN311.750.57a75.6718.35a6.381.33aN411.120.53a110.155.68a10.000.94aN511.570.08a119.4631.46a10.362.76a不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著(P0.05)。Differentlowercaselettersindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentswithinthesamesoillayeratthe0.05level.第7期汪梦寒等：不同形式氮添加对草甸草原土壤磷素含量和碳氮磷化学计量特征的影响1797http:/磷含量增加28。此外，土壤有效磷主要来源于植物凋落物和土壤有机质分解，前期针对地上植被的研究显示植被地上生物量和凋落物含量受到了不同形式氮添加的刺激，氮素添加在增强地上植被生产力的同时也使得更多的植被凋落物归还土壤，通过微生物分解作用参与到土壤磷素循环过程中，有效磷含量也可能因此进一步增加27。土壤磷水解酶活性受土壤酸碱度水平、土壤有机质含量、根系微生物活性等多种因素的共同影响28。在大部分草地生态系统中，氮添加可以缓解地上植被和根际微生物的氮限制29，当土壤氮素饱和时，微生物会利用多余的氮素进行磷酸酶合成，加速磷素矿化进而减轻磷的限制30。针对不同的氮素类型，有研究显示有机氮(尿素)添加对磷循环水解酶活性有显著负作用；无机氮(硝酸铵)添加对磷循环水解酶活性有显著正作用23。本研究结果显示不同形式氮添加下土壤酸性磷酸酶活性平均值有所提升，但没有产生显著差异，这与 Shi 等31在内蒙古草原开展的有机氮沉降研究结果一致。但也有研究发现 3 年的无机氮添加试验显著增加了高寒湿地草地土壤酸性磷酸酶活性32。氮添加试验周期长短、氮素类型、氮素添加量等多种因素都会对氮沉降模拟试验下土壤磷酸酶活性的研究产生影响。通过对以往 74 个氮添加模拟试验中磷酸酶活性变化的分析发现，随着试验周期的不断增加(大于 3 年)，土壤酸性磷酸酶活性因氮素不断施入显著降低23。本试验进行了 5 年的不同形式氮添加研究，土壤酸性磷酸酶活性没有显著变化的原因可能是长期氮素添加引起的土壤酸化使与磷酸酶活性正相关的微生物生物量及活性受到抑制，进而影响了磷素利用相关酶的分泌13。本研究中，土壤全磷含量、有效磷含量和土壤酸性磷酸酶活性均表现出 010cm 表层土壤高于1020cm 次表层土壤，这与前人的研究结果33一致。表明该地区表层土壤有机质含量较为丰富，微生物活性高，受到地上植被生物量、大气环境变化、人工施肥处理等外界环境扰动较为明显，因此磷素含量和磷酸酶活性较下层土壤更为突出。3.2 不同形式氮添加对土壤碳氮磷化学计量特征的影响土壤碳氮磷化学计量元素比是评价土壤有机质和土壤质量状况以及生态系统健康状况的重要指标34。本研究显示土壤 C/N、C/P、N/P 均不受氮添加形式的影响，这与岳泽伟等35在高山草原土壤有机氮素添加试验中“氮添加提高了氮素有效性，但土壤 C/N、C/P、N/P 没有显著变化”的结论一致。C/N与土壤微生物的状态密切相关，能够影响有机质分解过程，在一定程度上反映土壤肥力。当土壤中的C/N 较高时，可能需要外源氮的输入来满足微生物生长需求；土壤 C/N 低往往表示土壤中有机碳的快速分解和土壤氮元素的相对富足。C/N 越小，有机质分解的越快34,36。我国大陆表层土壤 C/N 均值为14.437，本研究显示 010cm表层土壤 C/N 均值为11.5，低于全国土壤平均值，显示此样地土壤有机质矿化作用较好。不同形式氮添加处理下的土壤C/N 在 010cm 表土层有降低趋势，在 1020cm次表土层土壤有增加趋势，但差异均不显著。刘红梅等19在贝加尔针茅草原的氮素添加试验同样显示土壤 C/N 不受氮添加的影响。土壤 C/P 可以衡量土壤中微生物对土壤磷元素的固持作用；土壤 C/P 较低时，表明有效磷在土壤中的含量相对较多，磷素的微生物固持能力较强38。本研究中表层土壤 C/P 的变化范围为 73.21128.97，低于我国 010cm 土壤平均水平(136)，表明此地区磷素有效性较高，利于磷素矿化。刘红梅等19针对贝加尔针茅草原的 6 年无机氮添加试验同样显示土壤 C/P 含量低于全国水平。本研究样地在前期针对地上植物部分的研究显示地上生物量没有受到不同形式氮添加的显著影响，但是较对照有增加的趋势27，这可能是因为该样地较低的 C/P 使得微生物对磷素的利用分解在氮素输入下变得活跃，进而促进了地上植物的生长。土壤 N/P 往往用于预测与地上植被和地下微生物密切相关的养分限制状况34。本研究中 010cm土层土壤平均 N/P 同样低于全国平均水平(9.3)37，表明氮素添加虽然一定程度上提高了土壤氮素水平，但研究区草原植被的生长仍可能受到土壤氮元素的限制。虽然不同深度土层土壤 N/P 均没有显著变化，但是氮添加下 010cm 表土层 N/P 均值高于对照，而 1020cm 土层 N/P 均值低于对照。此样地前期氮循环的相关研究或许能够解释导致这种趋势差异的原因：氮素施入对 010cm 表土层氮素1798草业科学第40卷http:/有效性的影响更为剧烈和直接，促进表土层氮素含量的同时提高了 N/P 水平39。4 结论不同形式氮添加下草甸草原 010cm 表层土壤有效磷含量在 N2处理下显著高于对照和其他施肥处理，且表土层 C/N、C/P、N/P 均值低于全国平均水平，表明此地区土壤有机质矿化作用较好；但不同土层土壤中的全磷含量、酸性磷酸酶活性、C/N、C/P 及 N/P 没有受到氮添加的显著影响，5 种不同比例氮素配施处理之间的变化也没有一致性。考虑到陆地生态系统对全球气候变化的响应较为缓慢，因此有必要在更长的时间尺度上继续跟进不同形式氮添加对草原土壤磷循环的影响。参考文献 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