張雅柔,安慧*,劉秉儒,文志林, 吳秀芝, 李巧玲, 杜忠毓

(1.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021;3.鹽池縣草原實(shí)驗(yàn)站，寧夏 鹽池 751506)

由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的加劇，我國(guó)各類型草地處于不同程度的退化。對(duì)于退化草地的恢復(fù)和重建，關(guān)鍵在于適當(dāng)?shù)母淖儾莸氐耐寥澜Y(jié)構(gòu)，提高退化草地的土壤肥力[1]。氮(nitrogen, N)和磷(phosphorus, P)是草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制因子[2]。N沉降可以緩解土壤N含量不足的狀況，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加土壤有機(jī)碳的輸入，從而影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[3-4]。草地施肥通過(guò)補(bǔ)充土壤所需養(yǎng)分，改善土壤肥力，進(jìn)而增加草地初級(jí)生產(chǎn)力[5]。目前，合理的N、P添加已成為保護(hù)草地資源、維護(hù)草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡、恢復(fù)退化草地的重要管理措施。N或P添加能促進(jìn)植物生長(zhǎng)而增加植物總生物量[6-9]，而NP共同添加在草地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)的正協(xié)同效應(yīng)[6,10]，導(dǎo)致草地生產(chǎn)力增加顯著高于N或P添加。尤其是在N沉降下，隨著N的限制作用越來(lái)越小，P的作用增大，因此開展N、P添加試驗(yàn)對(duì)于研究N沉降對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響十分重要[6]。

土壤活性有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)中具有較高有效性的物質(zhì)，對(duì)外界干擾反應(yīng)敏感，能夠在土壤總有機(jī)碳變化之前反映土壤碳含量微小的變化[11]，因此成為評(píng)價(jià)土壤管理的一個(gè)重要指標(biāo)。其中，土壤溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)、微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和易氧化有機(jī)碳(easily oxidized organic carbon, EOC)對(duì)施肥的響應(yīng)較快，能反映土壤微生物和土壤肥力狀況[12]。目前，關(guān)于N、P添加對(duì)土壤活性有機(jī)碳及其組分產(chǎn)生影響的研究諸多。其中有研究表明，N添加可提高人工林土壤微生物生物量碳和溶解性有機(jī)碳含量[13-14]；P添加可提高草地土壤微生物生物量碳含量[15]；NP共同添加可降低喀斯特地區(qū)草地土壤溶解性有機(jī)碳含量[16-17]，增加水稻(Oryzasativa)田土壤易氧化有機(jī)碳含量[18]。也有研究表明，N添加降低了溫帶典型草原土壤溶解性有機(jī)碳含量[19]；P添加降低了人工林土壤微生物生物量碳含量[20]；NP共同添加對(duì)林地土壤溶解性有機(jī)碳沒(méi)有影響[21]。總之，N或P添加以及NP共同添加對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響十分復(fù)雜，而且關(guān)于大氣N沉降對(duì)土壤碳庫(kù)的影響主要集中在森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[22-23]，對(duì)北方草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的影響研究較少[24-25]，有必要進(jìn)一步研究土壤活性有機(jī)碳各組分對(duì)多種限制性養(yǎng)分(N、P)添加的響應(yīng)程度和響應(yīng)機(jī)制。

荒漠草原是干旱、半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主體部分[26]，荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中植被的繁殖、發(fā)育和生長(zhǎng)受養(yǎng)分限制較為突出，尤其是N、P等營(yíng)養(yǎng)元素[6,27]。目前，荒漠草原N、P添加的相關(guān)研究主要集中在草地生產(chǎn)力和化學(xué)計(jì)量特征等方面[28-31]，而N、P添加對(duì)荒漠草原土壤活性有機(jī)碳影響的研究較少。因此，本研究以寧夏荒漠草原不同養(yǎng)分添加處理的土壤為研究對(duì)象，研究N、P添加對(duì)荒漠草原土壤活性有機(jī)碳含量和有效率的影響，分析N、P添加后土壤碳庫(kù)管理指數(shù)和敏感指數(shù)的變化，探討N、P添加后的土壤溶解性有機(jī)碳、微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)的表征特征，以期為評(píng)估全球變化對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)土壤碳庫(kù)的影響以及對(duì)退化荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣南部(37.31′ N, 106.93′ E, 海拔1523 m)，地處鄂爾多斯臺(tái)地向黃土高原過(guò)渡地帶，是荒漠草原向典型草原的過(guò)渡地帶。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶詺夂颍昃鶜鉁貫?.6 ℃，年均無(wú)霜期為165 d。年降水量300 mm，其中70%以上降水集中在6-9月，降水年際變化率大；年蒸發(fā)量2384 mm。地帶性土壤主要以灰鈣土(淡灰鈣土)為主，非地帶性土壤主要有風(fēng)沙土和草甸土等。土壤結(jié)構(gòu)松散，肥力較低。土壤基本理化性狀為：pH 8.4，有機(jī)碳含量6.17 g·kg-1，全氮0.63 g·kg-1，全磷0.30 g·kg-1，全鉀14.35 g·kg-1，堿解氮36.14 mg·kg-1，有效磷4.25 mg·kg-1，速效鉀174.1 mg·kg-1。

該區(qū)植被類型有草原、沙地植被和荒漠植被，群落中常見(jiàn)植物種類以旱生和中旱生類型為主。荒漠草原植被主要由禾本科、菊科和豆科組成，其次為藜科、薔薇科和百合科等。其建群種主要有長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、短翼巖黃耆(Hedysarumbrachypterum)、短花針茅(Stipabreviflora)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、砂珍棘豆(Oxytropispsamocharis)、米蒿(Artemisiadalailamae)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)、委陵菜(Potentillachinensis)等。由于干旱少雨以及基質(zhì)較差，植物生長(zhǎng)矮小，群落層片結(jié)構(gòu)不明顯，多呈單層。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇及試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)依托鹽池縣草原實(shí)驗(yàn)站的荒漠草原野外觀測(cè)站，選擇地勢(shì)平坦的區(qū)域作為試驗(yàn)樣地。養(yǎng)分添加試驗(yàn)包括N、P添加處理，每種養(yǎng)分設(shè)置2個(gè)水平(添加和對(duì)照)，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共4種處理(CK、N添加、P添加和NP共同添加)，每種處理樣地面積6×6 m2，每個(gè)處理4次重復(fù)，共16個(gè)6 m×6 m的樣方(每個(gè)樣方之間設(shè)置2 m緩沖帶)。N、P添加試驗(yàn)采用草地生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物研究網(wǎng)絡(luò)(nutrient network, NutNet; http://nutnet.umn.edu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行[32]：N添加[(NH2)2CO, 10 g N·m-2·yr-1]、P添加[Ca(H2PO4)2·H2O, 10 g P·m-2·yr-1]、NP共同添加(10 g N·m-2·yr-1+10 g P·m-2·yr-1)。養(yǎng)分添加試驗(yàn)于2018年5月初進(jìn)行施肥。選擇降水前一天將肥料均勻撒施。

1.2.2土壤樣品采集 2018年8月底在每個(gè)樣方內(nèi)采用4點(diǎn)取樣法，按0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的層次，用直徑9 cm的土鉆采集土壤樣品，每個(gè)樣方內(nèi)同層土壤混合均勻分為2份，1份裝入自封袋后立即低溫保存，去除枯枝和石礫，過(guò)2 mm土壤篩，用于測(cè)定土壤微生物生物量碳和溶解性有機(jī)碳；另1份帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，去除枯枝和石礫后研磨，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳。

1.2.3土壤樣品測(cè)定 采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[33]測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

土壤溶解性有機(jī)碳：取20 g鮮土于盛有100 mL蒸餾水的三角瓶中，按照5∶1的比例將水土混勻，在恒溫?fù)u床振蕩浸提1 h(25 ℃，250 r·min-1)后離心15 min(5500 r·min-1)，取上清液過(guò)0.45 μm微孔濾膜，用總有機(jī)碳分析儀(Vario TOC, Elementar, Langenselbold, Germany)測(cè)定其含量[34]。

土壤微生物生物量碳：采用氯仿熏蒸-浸提法[20]。用0.5 mol·L-1硫酸鉀浸提經(jīng)過(guò)24 h氯仿熏蒸與未熏蒸土樣后，抽濾通過(guò)0.45 μm微孔濾膜，根據(jù)熏蒸和未熏蒸處理土壤提取液中有機(jī)碳之差除以轉(zhuǎn)換系數(shù)為微生物生物量碳含量。

MBC=FC/kC

式中:FC為熏蒸與未熏蒸土壤(對(duì)照)在培養(yǎng)期間CO2釋放量的差值；kC為轉(zhuǎn)換系數(shù)(kC=0.45)。

土壤易氧化有機(jī)碳：采用KMnO4氧化法[35]。稱取2 g風(fēng)干土樣，加入333 mmol·L-1的高錳酸鉀溶液25 mL，密封振蕩1 h后離心5 min(4000 r·min-1)，同時(shí)做空白對(duì)照。將上清液與去離子水按1∶250比例稀釋，用分光光度計(jì)測(cè)定其在565 nm波長(zhǎng)下的吸光度值，根據(jù)消耗的KMnO4量計(jì)算土壤易氧化有機(jī)碳的含量。

1.2.4數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理 碳素有效率作為碳庫(kù)質(zhì)量的敏感指示因子可以推斷碳素有效性，對(duì)評(píng)價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤肥力狀況有重要意義[35-36]。

溶解性有機(jī)碳有效率(%)=溶解性有機(jī)碳含量/土壤有機(jī)碳含量×100%
微生物生物量碳有效率(%)=微生物生物量碳含量/土壤有機(jī)碳含量×100%
易氧化有機(jī)碳有效率(%)=易氧化有機(jī)碳含量/土壤有機(jī)碳含量×100%

以對(duì)照的土壤為參考土壤，計(jì)算N、P添加處理的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(carbon pool management index, CPMI)[33,37]，進(jìn)一步提高對(duì)土壤肥力的監(jiān)控和管理水平[36]：

碳庫(kù)指數(shù)(carbon pool index, CPI)=樣品有機(jī)碳含量/參考土壤有機(jī)碳含量
碳庫(kù)活度(activity, A)=活性有機(jī)碳含量/非活性有機(jī)碳含量
碳庫(kù)活度指數(shù)(activity index, AI)=樣品碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度
碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)=碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×100=CPI×AI×100
敏感指數(shù)[38](sensitivity index, SI)=(活性有機(jī)碳含量-參考活性有機(jī)碳含量)/參考活性有機(jī)碳含量

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析土壤活性有機(jī)碳含量、土壤活性有機(jī)碳有效率、土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)管理指數(shù)在不同養(yǎng)分添加處理和不同土層的差異顯著性。采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)分析養(yǎng)分添加和土壤層次對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響以及不同養(yǎng)分添加的交互作用對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響。用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤有機(jī)碳與土壤活性有機(jī)碳各組分間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 N、P添加對(duì)荒漠草原土壤活性有機(jī)碳的影響

N、P添加和土層深度及其交互作用對(duì)土壤溶解性有機(jī)碳均有極顯著影響；N、P添加和土層深度對(duì)微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳有極顯著影響，而其交互作用對(duì)土壤微生物生物量碳的含量有顯著影響(表1)。P添加對(duì)0～10 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳有極顯著影響，N添加和NP交互作用對(duì)0～10 cm土層土壤微生物生物量碳含量均有極顯著影響(表2)。

短期N、P添加對(duì)荒漠草原0～30 cm土層土壤有機(jī)碳、土壤溶解性有機(jī)碳、微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳影響顯著(P<0.05，表3和圖1)。10～30 cm土層土壤有機(jī)碳隨著土壤深度的增加顯著降低；N添加和NP共同添加顯著增加0～10 cm土層土壤有機(jī)碳；P添加顯著降低20～30 cm土層土壤有機(jī)碳(表3)。0～20 cm土層N添加的土壤溶解性有機(jī)碳顯著高于20～30 cm土層；0～10 cm土層P添加和NP共同添加的土壤溶解性有機(jī)碳顯著高于10～30 cm土層；N添加使10～30 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳增加了54.8%～153.4%；P添加使0～20 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳增加了75.9%～118.8%；NP共同添加使0～10 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳增加了103.5%(圖1a)。0～10 cm土層N和P添加的土壤微生物生物量碳顯著高于10～30 cm土層；0～20 cm土層NP共同添加的土壤微生物生物量碳顯著高于20～30 cm土層；NP共同添加使0～10 cm土層土壤微生物生物量降低了37.4%；N添加、P添加和NP共同添加分別使20～30 cm土層土壤微生物生物量碳顯著降低了34.2%、30.2%和54.5%(圖1b)。0～10 cm土層易氧化有機(jī)碳顯著高于20～30 cm土層；NP共同添加使0～10 cm土層土壤易氧化有機(jī)碳增加了69.8%(圖1c)。

表1 養(yǎng)分添加與土層深度對(duì)活性有機(jī)碳含量影響的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of the effects of nutrient addition and soil depth on soil labile organic carbon concentration

注：P<0.05表示顯著，P<0.01表示極顯著；下同。

Note:P<0.05 indicate significant differences at levelP=0.05,P<0.01 indicate significant differences at levelP=0.01; The same below.

表2 N、P添加對(duì)0～10 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量影響的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of the effects of nitrogen and phosphorous additions on soil labile organic carbon concentration

表3 N、P添加對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響Table 3 Effects of N and P addition on soil organic carbon concentration (g·kg-1)

注：不同大寫字母表示同一土層不同養(yǎng)分添加處理差異顯著，不同小寫字母表示同一養(yǎng)分添加處理不同土層間差異顯著(P<0.05)；平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；下同。

Note: Different capital letters indicate significant difference between different nutrient addition treatments at the same soil depth, while different lowercase letters indicate significant difference between different soil depth at same nutrient addition treatment (P<0.05); mean±SE; The same below.

圖1 N、P添加對(duì)土壤活性有機(jī)碳含量的影響Fig.1 Effects of N and P addition on soil labile organic carbon concentration

圖2 N、P添加對(duì)土壤活性有機(jī)碳有效率的影響Fig.2 Effects of N and P addition on soil labile organic carbon efficiency

不同大寫字母表示同一土層不同養(yǎng)分添加處理差異顯著，不同小寫字母表示同一養(yǎng)分添加處理不同土層間差異顯著(P<0.05)；平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；下同。Different capital letters indicate significant difference between different nutrient addition treatments at the same soil depth, while different lowercase letters indicate significant difference between different soil depth at same nutrient addition treatment (P<0.05); mean±SE; The same below.

2.2 N、P添加對(duì)荒漠草原土壤活性有機(jī)碳有效率的影響

短期N、P添加對(duì)荒漠草原0～30 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳有效率、微生物生物量碳有效率和易氧化有機(jī)碳有效率影響顯著(P<0.05，圖2)。0～10 cm土層P添加、NP共同添加的土壤溶解性有機(jī)碳有效率均顯著高于其他處理；10～20 cm土層N添加、P添加的土壤溶解性有機(jī)碳有效率分別是對(duì)照的3.2和2.9倍(圖2a)。0～20 cm土層土壤微生物生物量碳有效率顯著高于20～30 cm；0～30 cm土層P添加的土壤微生物生物量碳有效率是NP共同添加的1.6～2.1倍；除10～20 cm外，0～30 cm土層NP共同添加的土壤微生物生物量碳有效率顯著低于其他處理(圖2b)。10～20 cm土層N添加、P添加的土壤易氧化有機(jī)碳有效率分別是對(duì)照的1.8和2.0倍(圖2c)。

2.3 土壤溶解性有機(jī)碳、微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳對(duì)土壤碳庫(kù)的表征作用

短期N、P添加對(duì)0～30 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳活度的影響與土壤溶解性有機(jī)碳有效率一致(圖2a，表4)。N添加和P添加的AI和CPMI隨土層深度的增加先升高后降低。10～20 cm土層N添加和P添加的AI分別是NP共同添加的2.2和2.1倍。10～20 cm土層N添加和P添加的CPMI分別是NP共同添加的1.7和1.6倍，20～30 cm土層N添加和NP共同添加的CPMI顯著高于P添加。

短期N、P添加對(duì)0～30 cm土層土壤微生物生物量碳活度的影響與土壤微生物生物量碳有效率一致(圖2b，表5)。除10～20 cm外，0～30 cm土層N添加和P添加CPMI隨土層深度的增加顯著降低。0～30 cm土層N添加和P添加的AI分別是NP共同添加的1.6～1.7倍和1.8～2.1倍。0～30 cm土層N添加和P添加的CPMI分別是NP共同添加的1.2～1.7倍和1.3～1.9倍。

短期N、P添加對(duì)0～30 cm土層土壤易氧化有機(jī)碳活度的影響與土壤易氧化有機(jī)碳有效率一致(圖2c，表6)。0～20 cm土層N添加和P添加的CPI隨土層深度的增加顯著降低。10～20 cm土層NP共同添加的CPI是N添加的1.3倍。10～30 cm土層NP共同添加的CPI是P添加的1.3～1.4倍。

表4 土壤溶解性有機(jī)碳對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的表征Table 4 Characterization of soil dissolved organic carbon on carbon pool management index

2.4 N、P添加對(duì)荒漠草原土壤活性有機(jī)碳敏感指數(shù)的影響

土壤溶解性有機(jī)碳、微生物生物量碳、易氧化有機(jī)碳均與土壤有機(jī)碳顯著正相關(guān)(表7)。土壤溶解性有機(jī)碳與微生物生物量碳、易氧化有機(jī)碳顯著正相關(guān)，土壤微生物生物量碳與土壤易氧化有機(jī)碳顯著正相關(guān)。

活性有機(jī)碳含量的敏感指數(shù)及活性有機(jī)碳碳庫(kù)活度的敏感指數(shù)、碳庫(kù)管理指數(shù)的敏感指數(shù)分析表明(圖3)，N添加的土壤溶解性有機(jī)碳敏感指數(shù)、活度敏感指數(shù)和管理指數(shù)的敏感指數(shù)均高于土壤微生物生物量碳；10～30 cm土層N添加的土壤溶解性有機(jī)碳敏感指數(shù)、活度敏感指數(shù)和管理指數(shù)的敏感指數(shù)均高于土壤易氧化有機(jī)碳；除20～30 cm外，0～30 cm土層N添加的土壤易氧化有機(jī)碳敏感指數(shù)、活度敏感指數(shù)和管理指數(shù)的敏感指數(shù)均高于土壤微生物生物量碳。P添加0～20 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳敏感指數(shù)、活度敏感指數(shù)和管理指數(shù)的敏感指數(shù)均高于土壤微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳，而且P添加的土壤易氧化有機(jī)碳敏感指數(shù)、活度敏感指數(shù)和管理指數(shù)的敏感指數(shù)均高于土壤微生物生物量碳。0～20 cm土層NP共同添加的土壤溶解性有機(jī)碳敏感指數(shù)、活度敏感指數(shù)和管理指數(shù)的敏感指數(shù)高于土壤微生物生物量碳；20～30 cm土層NP共同添加的土壤易氧化有機(jī)碳敏感指數(shù)、活度敏感指數(shù)和管理指數(shù)的敏感指數(shù)高于土壤微生物生物量碳和溶解性有機(jī)碳。

表5 土壤微生物生物量碳對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的表征Table 5 Characterization of soil microbial biomass carbon on carbon pool management index

表6 土壤易氧化有機(jī)碳對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的表征Table 6 Characterization of soil easily oxidized organic carbon on carbon pool management index

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

Note:**indicate significant correlation at 0.01 level.

圖3 不同養(yǎng)分添加和土層深度的活性有機(jī)碳的敏感指數(shù)Fig.3 The sensitivity index of labile organic carbon in different nutrient additions and soil depths

3 討論

土壤溶解性有機(jī)碳和微生物生物量碳來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w、土壤腐殖質(zhì)以及根系分泌物。土壤溶解性有機(jī)碳含量的變化取決于其來(lái)源和消耗之間的平衡關(guān)系。大量研究表明，養(yǎng)分添加能夠顯著提高植物的光合速率，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高進(jìn)入到土壤中枯枝落葉的量和根系分泌物的量，從而導(dǎo)致土壤溶解性有機(jī)碳含量增加[39-41]。本研究中，N添加對(duì)荒漠草原10～30 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳的累積量有明顯促進(jìn)作用，與典型草原的研究結(jié)果一致[19]；P添加顯著增加了荒漠草原0～10 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳含量，但NP共同添加對(duì)其無(wú)顯著影響。表明N或P添加在一定程度上促進(jìn)了荒漠草原表層土壤溶解性有機(jī)碳的積累。研究發(fā)現(xiàn)，N添加、P添加和NP共同添加顯著降低了20～30 cm土層土壤微生物生物量碳含量，且NP交互作用對(duì)0～10 cm土層土壤微生物生物量碳影響顯著。土壤微生物生物量碳隨著N沉降的增加而減少，與黃土丘陵區(qū)天然草地的研究結(jié)果一致[42]，這是由于在N有效性較低時(shí)，N沉降可以直接增加土壤有效N濃度，促進(jìn)植物根系對(duì)碳的消耗，抑制微生物對(duì)碳的吸收，導(dǎo)致微生物活性降低，進(jìn)而造成土壤微生物生物量碳含量降低[20,43]。此外，研究區(qū)土壤含有大量碳酸鈣，P添加后易與碳酸鈣作用形成難溶的三鈣磷酸鹽，即磷素固定[44]。添加的P有80%～95%被土壤固定后緩慢釋放[44]，同時(shí)P添加促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化釋放CO2[45]，顯著增加土壤活性碳組分的分解[46]，導(dǎo)致微生物生物量碳含量下降。易氧化有機(jī)碳的變化取決于進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w等有機(jī)碳的輸入與微生物分解造成有機(jī)碳損失之間的平衡[3,47]。N添加、P添加通過(guò)影響土壤微生物群落活性和組成直接影響土壤有機(jī)質(zhì)分解[48]，或通過(guò)促進(jìn)地上生物量，導(dǎo)致易氧化有機(jī)碳的輸入高于損失，增加了荒漠草原10～20 cm土層土壤易氧化有機(jī)碳有效率，表現(xiàn)出表層富集，與人工草地和農(nóng)田施肥的研究結(jié)果一致[3,18,49]。但N或P添加對(duì)易氧化有機(jī)碳含量影響不顯著，這可能與養(yǎng)分添加處理年限、添加量、試驗(yàn)地原有的養(yǎng)分有效性以及植被類型有關(guān)[50]。

碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)是反映土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化的量化指標(biāo)，能夠較全面和動(dòng)態(tài)地反映外界條件對(duì)土壤肥力和土壤質(zhì)量的影響，是養(yǎng)分添加引起土壤有機(jī)質(zhì)變化的預(yù)警指標(biāo)[51-52]。利用易氧化有機(jī)碳和微生物生物量碳表征的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)隨土層深度的增加整體呈下降趨勢(shì)，且0～10 cm土層N添加和P添加的碳庫(kù)管理指數(shù)均有提高，與施肥對(duì)半干旱地區(qū)農(nóng)田碳庫(kù)變化的特征一致[53-54]。本研究土壤屬于堿性土壤(pH 8.4)，N、P添加不僅可以適當(dāng)降低土壤的pH，改善了土壤的基本理化性狀，使土壤向良性方向發(fā)展；還可以增強(qiáng)土壤微生物活性和胞外酶的分泌，產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解[48]。利用易氧化有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳計(jì)算N、P添加的碳庫(kù)管理指數(shù)，與對(duì)照相比分別增加了9.6%～38.5%和32.3%～59.8%。說(shuō)明N、P添加能提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，改善土壤肥力，促進(jìn)荒漠草原土壤恢復(fù)。

土壤溶解性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和微生物生物量碳易受植物、微生物、土壤管理措施、外界干擾的影響，能客觀地反映土壤質(zhì)量，成為土壤管理的良好評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，較土壤易氧化有機(jī)碳而言，N、P添加和土層深度及其交互作用對(duì)土壤溶解性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量的影響更顯著；通過(guò)各組分間的相關(guān)性分析可知，土壤活性有機(jī)碳各組分間顯著正相關(guān)，其中MBC、DOC與SOC關(guān)系更為緊密，表明MBC和DOC能較好地反映出SOC的變化情況。其可能原因是，土壤微生物生物量碳是變化幅度最大的活性有機(jī)碳組分[55-56]，與土壤微生物的數(shù)量和活度密切相關(guān)，既能反映土壤有機(jī)質(zhì)礦化程度和土壤養(yǎng)分循環(huán)狀況，又能更加靈敏準(zhǔn)確的反映養(yǎng)分添加對(duì)土壤有機(jī)碳的影響[21,52]；土壤溶解性有機(jī)碳的淋溶占土壤有機(jī)碳損耗的23.2%～43.8%[57]，而干旱、半干旱地區(qū)降水量較少，土壤溶解性有機(jī)碳損失較小能較好地留在土壤中。因此微生物生物量碳和溶解性有機(jī)碳能較好地反應(yīng)土壤有機(jī)碳的變化。利用敏感指數(shù)可確定土壤有機(jī)碳中對(duì)養(yǎng)分添加反應(yīng)最靈敏的碳組分[58]。本研究中0～30 cm土層土壤溶解性有機(jī)碳的各項(xiàng)敏感指數(shù)均高于土壤微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳，因此可將DOC作為寧夏荒漠草原短期N、P添加土壤中有機(jī)碳變化的指示物，與長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤有機(jī)碳的研究結(jié)果一致[59]。主要原因可能是DOC作為土壤微生物主要的能量來(lái)源，可以緩沖土壤腐殖質(zhì)的分解和根系分泌物的釋放，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的流失有較高的敏感度[60]。

4 結(jié)論

1)短期N或P添加能顯著增加荒漠草原10～20 cm土壤溶解性有機(jī)碳含量和有效率，并在一定程度上促進(jìn)荒漠草原表層土壤易氧化有機(jī)碳的積累。

2)短期N、P添加能提高碳庫(kù)管理指數(shù)，增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量，促進(jìn)荒漠草原土壤恢復(fù)。

3)土壤溶解性有機(jī)碳對(duì)短期N、P添加反應(yīng)最敏感，可作為荒漠草原短期N、P添加對(duì)土壤中有機(jī)碳變化的指示物。