杜藝，翟鵬輝，賈鎮(zhèn)寧，王一昊，王子量，趙祥

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院，山西 太谷 030801)

天然草地是地球物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，在調(diào)節(jié)氣候、物質(zhì)循環(huán)和水土保持等方面具有重要的生態(tài)學(xué)意義，很大程度上影響著全球的生態(tài)環(huán)境[1-3]。土壤是植物生長(zhǎng)的主要載體，其化學(xué)性質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[4]。近年來，由于農(nóng)藥的使用和化石燃料的燃燒，導(dǎo)致大氣活性氮沉降呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)[5]。由于氮素是陸地植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的限制性因子，大氣氮沉降的增加會(huì)對(duì)植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的提高和土壤固碳具有一定的貢獻(xiàn)[6-7]。土壤自身供應(yīng)的磷不足以平衡增加的氮，從而使磷可能成為許多陸地生態(tài)系統(tǒng)生物生長(zhǎng)和重要生態(tài)過程的限制因子[8-9]。持續(xù)增加的氮沉降將加速草地土壤磷循環(huán)，使草地土壤由氮限制向磷限制轉(zhuǎn)變[10]。而天然草地生態(tài)系統(tǒng)氮、磷的限制效應(yīng)是否一致，氮、磷同時(shí)添加是否導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的改變。盡管已經(jīng)有許多研究探討了外源氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，常規(guī)的單一獨(dú)立試驗(yàn)雖然結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確，但對(duì)于不同氣候不同類型的天然草地不具有普遍性和指導(dǎo)意義，因此還沒有一個(gè)綜合性且具有指示意義的結(jié)果。而 Meta 分析可以通過收集整合已公開發(fā)表文獻(xiàn)，定量化綜合現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從宏觀區(qū)域尺度比較和整合多個(gè)研究結(jié)果，具有分析結(jié)果客觀性強(qiáng)、具有科學(xué)性和指導(dǎo)意義等優(yōu)點(diǎn)。本研究利用國(guó)內(nèi)外公開報(bào)道的氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)影響方面的文獻(xiàn)資料，應(yīng)用 Meta分析方法，綜合分析全球天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)氮磷添加的響應(yīng)特征，旨在為氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)的收集及納入標(biāo)準(zhǔn)

本研究利用Web of Science、維普期刊、中國(guó)知網(wǎng)和谷歌學(xué)術(shù)等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)已發(fā)表的文章進(jìn)行搜集，搜索年限為2000～2020年，搜索關(guān)鍵詞為草地、氮沉降、氮添加、磷添加、氮磷添加、土壤化學(xué)性質(zhì)等。結(jié)合本研究的目的，通過對(duì)文獻(xiàn)的研究目的、研究方法和研究結(jié)果進(jìn)行分析，避免在數(shù)據(jù)搜集與取舍過程中出現(xiàn)遺漏和偏差，將檢索到的文獻(xiàn)按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選[11-13]：1)只搜集進(jìn)行野外原位試驗(yàn)的氮添加、磷添加和氮磷添加的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；2)同一野外試驗(yàn)中，試驗(yàn)組和對(duì)照組必須在試驗(yàn)場(chǎng)所、植被覆蓋類型、土壤質(zhì)地以及氣候特征等方面保持一致；3)試驗(yàn)對(duì)象為天然草地生態(tài)系統(tǒng)；4)對(duì)于多因素處理試驗(yàn)，只選取對(duì)照與氮添加處理，對(duì)照與磷添加處理或者對(duì)照與氮磷添加處理，避免其他交互試驗(yàn)處理數(shù)據(jù)的影響；5) 用于Meta分析的每項(xiàng)研究都是獨(dú)立的，因此每個(gè)獨(dú)立研究中的每個(gè)文獻(xiàn)編號(hào)的每個(gè)處理，只可使用一個(gè)。按照以上標(biāo)準(zhǔn)，共篩選出73篇文獻(xiàn)，獲取了1 960組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)指標(biāo)包括土壤含水量、pH值、土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、 速效磷、可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮和微生物生物量碳。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)了記錄所選試驗(yàn)地的位置、緯度、經(jīng)度、年均溫度以及年均降水量。文獻(xiàn)中沒有給出試驗(yàn)地的年均降水量和年均溫度時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)地的經(jīng)緯坐標(biāo)信息，通過查詢?nèi)驓夂驍?shù)據(jù)庫(kù)(http//www.worldclim.org/)直接獲得。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與Meta分析

為了更加全面客觀地認(rèn)識(shí)在氮磷添加的條件下天然草地生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律，系統(tǒng)地比較分析天然草地生態(tài)系統(tǒng)土壤化學(xué)性質(zhì)在不同養(yǎng)分添加條件下的差異，本研究運(yùn)用Meta分析的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要處理指標(biāo)數(shù)據(jù)方法如下：對(duì)于關(guān)注的指標(biāo)參數(shù)，使用響應(yīng)比的自然對(duì)數(shù)lnRR處理[14]。試驗(yàn)組和對(duì)照組的平均值比值的對(duì)數(shù)值，反映試驗(yàn)處理的影響效應(yīng)，計(jì)算公式如下：

lnRR=ln (Xt/Xc) =ln (Xt)- ln (Xc)

效應(yīng)比值 lnR 的變異系數(shù)(V) 由下式計(jì)算：

式中：st和sc分別為處理組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)誤；nt和nc為處理組和對(duì)照組的樣本數(shù)。

然后利用非參數(shù)權(quán)重因子(w) 對(duì)每個(gè)研究的效應(yīng)值進(jìn)行加權(quán)，權(quán)重因子(w) 為v的倒數(shù)：

w=1/v

通過非參數(shù)權(quán)重加權(quán)后的效應(yīng)值為 lnR′：

lnR′=lnR×w

為了判定氮添加、磷添加或氮磷添加處理對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響是否具有顯著性，本文采用用MetaWin 2.1的固定效應(yīng)模型[15]來計(jì)算平均效應(yīng)值的置信區(qū)間 ( 95% CIs)。如果 95% CIs 的置信區(qū)間沒有跨越 0 ( 均為正或負(fù)值) ，則認(rèn)為這種響應(yīng)具有顯著性差異(P<0.05) ，反之則不顯著。另外，為了便于直觀解釋，通過下面公式把平均效應(yīng)值轉(zhuǎn)化為改變的百分?jǐn)?shù)：

( elnR'-1) ×100%

氮添加、磷添加和氮磷添加下天然草地各化學(xué)性質(zhì)的平均效應(yīng)值均在結(jié)果與分析部分用括號(hào)里的百分?jǐn)?shù)來表示。用SPSS 19.0軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到氮添加、磷添加和氮磷添加下天然草地各化學(xué)性質(zhì)之間以及與年平均溫度和年均降水量的相關(guān)系數(shù)(Person-value)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

氮添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)有顯著影響。土壤在添加氮的條件下，全氮(8.14%)、銨態(tài)氮(13.72%)、硝態(tài)氮(23.80%)、速效磷(6.46%)、微生物生物量碳(10.21%)均顯著增加(P<0.05)，土壤含水量(-6.31%)、pH(-3.92%)、有機(jī)碳(-22.79%)、全磷(-9.55%)、可溶性有機(jī)碳(-6.94%)均顯著減少(P<0.05)。氮添加對(duì)土壤可溶性有機(jī)氮(6.53%)無顯著影響(P>0.05)(圖1)。

圖1 氮添加下天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值Fig.1 Effect value of soil chemical properties of natural grassland under nitrogen addition注：圖中虛線表示平均效應(yīng)值為0。圖內(nèi)右側(cè)括號(hào)內(nèi)的數(shù)字代表該指標(biāo)總的觀測(cè)值個(gè)數(shù)。誤差線代表了95%的置信區(qū)間(CIs)，如果 95%的置信區(qū)間沒有跨過 0，則表明該效應(yīng)具有顯著性,下同

2.2 磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)有顯著影響。在添加磷的條件下，土壤全磷(14.95%)、速效磷(15.17%)、可溶性有機(jī)氮(29.31%)和微生物生物量碳(13.79%)均顯著增加(P<0.05)，而土壤含水量(-2.70%)、pH(-2.71%)和硝態(tài)氮(-26.86%)均顯著減少(P<0.05)。磷添加對(duì)土壤有機(jī)碳(-4.15%)無顯著影響。土壤全氮(0.86%)、銨態(tài)氮(1.17%)和可溶性有機(jī)碳(2.16%)對(duì)磷添加的響應(yīng)均有增加的趨勢(shì)，但影響不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 磷添加下天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值Fig.2 Effect value of soil chemical properties of natural grassland under phosphorus addition

2.3 氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)有顯著影響(圖3)。同時(shí)添加氮和磷，土壤全氮(16.09%)、全磷(29.76%)、速效磷(33.04%)和可溶性有機(jī)碳(7.19%)均顯著增加(P<0.05)，土壤含水量(-4.72%)、pH(-3.97%)、土壤有機(jī)碳(-7.44%)和微生物生物量碳(-13.81%)均顯著減少(P<0.05)。土壤銨態(tài)氮(5.31%)、硝態(tài)氮(3.51%)和可溶性有機(jī)氮(4.58%)對(duì)氮磷添加的響應(yīng)均有增加的趨勢(shì)，但是影響不顯著(P>0.05)。

圖3 氮磷添加下天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值Fig.3 Effect value of soil chemical properties of natural grassland under nitrogen and phosphorus simultaneous addition

2.4 天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值之間的相關(guān)關(guān)系

氮添加、磷添加和氮磷添加的條件下，天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值之間的相關(guān)關(guān)系差異較大(圖4)。在添加氮的條件下，土壤pH的效應(yīng)值與土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮、速效磷和可溶性有機(jī)氮的效應(yīng)值之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤有機(jī)碳的效應(yīng)值與土壤全氮、全磷、硝態(tài)氮和速效磷的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤全氮的效應(yīng)值和全磷的效應(yīng)值，全磷的效應(yīng)值和硝態(tài)氮和速效磷的效應(yīng)值之間均有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤銨態(tài)氮的效應(yīng)值和可溶性有機(jī)碳的效應(yīng)值之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；在添加磷的條件下，土壤全氮的效應(yīng)值和有機(jī)碳的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤速效磷的效應(yīng)值與土壤pH、有機(jī)碳和全磷的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤可溶性有機(jī)碳的效應(yīng)值與硝態(tài)氮的效應(yīng)值之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與速效磷的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤可溶性有機(jī)氮的效應(yīng)值與土壤全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的效應(yīng)值之間均有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；在同時(shí)添加氮和磷的條件下，土壤pH的效應(yīng)值與土壤有機(jī)碳、全氮和可溶性有機(jī)碳的效應(yīng)值之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤有機(jī)碳的效應(yīng)值與土壤全磷的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤可溶性有機(jī)碳的效應(yīng)值與全磷和硝態(tài)氮的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與銨態(tài)氮的效應(yīng)值之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖4 天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值之間的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation among effect values of soil chemical properties in natural grassland

2.5 天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值與氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系

氮添加、磷添加和氮磷添加的條件下，年平均溫度和年平均降水量對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值的影響差異較大(表5)。在添加氮的條件下，隨著年平均溫度的增加，土壤全氮、全磷、硝態(tài)氮和微生物生物量碳的效應(yīng)值均呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05)，可溶性有機(jī)氮的效應(yīng)值呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)(P<0.05)，而對(duì)其他土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值均無顯著影響(P>0.05)；隨著年均降水量的增加，土壤全氮呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05)，土壤有機(jī)碳、全磷、速效磷和可溶性有機(jī)氮均呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)(P<0.05)，而對(duì)其他土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值均無顯著影響(P>0.05)。在添加磷的條件下，隨著年平均溫度的增加，土壤銨態(tài)氮和可溶性有機(jī)氮均呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05)，微生物生物量碳呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)(P<0.05)，而對(duì)其他土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值均無顯著影響(P>0.05)；隨著年均降水量的增加，土壤含水量、pH、可溶性有機(jī)氮和微生物生物量碳均呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05)，而對(duì)其他土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值均無顯著影響(P>0.05)。在同時(shí)添加氮和磷的條件下，土壤pH和微生物生物量碳與年平均溫度有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤pH與年均降水量有著顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而年平均溫度和年均降水量對(duì)其他土壤化學(xué)性質(zhì)的效應(yīng)值均無顯著影響(P>0.05)。

圖5 天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值與年平均溫度和年均降水量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between the effect value of soil chemical properties and annual average temperature and annual precipitation in natural grassland注：括號(hào)外N、P、NP分別代表氮添加、磷添加、氮磷添加；AAT：年平均溫度；AAP：年平均降水量

3 討論

3.1 氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，草地植物從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來維持自身正常的生長(zhǎng)發(fā)育[16-17]。外源氮和磷的添加可以直接改變土壤氮磷庫(kù)，進(jìn)而影響草地的生長(zhǎng)狀況[18]。通過Meta分析整合草地有關(guān)氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷和氮磷添加均顯著降低了天然草地土壤pH，這與已有的研究結(jié)果一致[19-21]。相關(guān)性分析表明，在添加氮的條件下，土壤pH的效應(yīng)值與土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮、速效磷和可溶性有機(jī)氮的效應(yīng)值表現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；在同時(shí)添加氮和磷的條件下，土壤pH的效應(yīng)值與土壤有機(jī)碳、全氮和可溶性有機(jī)碳的效應(yīng)值之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。氮、磷和氮磷添加均降低了天然草地土壤有機(jī)碳的含量，原因是氮和磷的富集增加了土壤的氮磷有效性[22]，降低了土壤的pH，促進(jìn)氮磷循環(huán)相關(guān)的酶活性增強(qiáng)，加快氮磷循環(huán)[23]，與氮循環(huán)密切相關(guān)的全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加，與磷循環(huán)密切相關(guān)的全磷、速效磷含量增加，進(jìn)而改變了天然草地土壤的其他養(yǎng)分含量，而土壤有機(jī)碳的效應(yīng)值在氮、磷、氮磷添加的條件下從大到小依次為氮添加>氮磷添加>磷添加，原因是磷的添加影響了土壤微生物的活性，進(jìn)而影響天然草地植物的生長(zhǎng)和枯落物的分解。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)，氮和磷單獨(dú)添加顯著增加了土壤微生物生物量碳的含量，而在同時(shí)添加氮和磷的條件下，土壤微生物生物量碳卻顯著降低。一方面可能是由于長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)添加氮和磷，造成土壤 pH 值降低，土壤過度酸化，從而影響土壤微生物生物量[24]。另一方面可能是由于長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)添加氮和磷，加快了土壤腐殖質(zhì)的分解，抑制根系分泌物的分泌，從而降低了土壤微生物生物量[25]。

3.2 氣候因子對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值的影響

氣候因子在本研究中主要包括年均溫度和年均降水量。氣候因子作為影響植物生長(zhǎng)的直接因素受到了生態(tài)學(xué)界的廣泛關(guān)注[26]。天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)效應(yīng)值與氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在氮、磷和氮磷同時(shí)添加的條件下，年平均溫度均會(huì)顯著影響土壤微生物生物量碳，這是土壤微生物的溫度敏感性造成的[27]。Blankinship等[28]對(duì) 2009 年之前有關(guān)增溫的控制試驗(yàn)進(jìn)行分析后提出，增溫在低年均溫和低年均降水量的試驗(yàn)地更容易引起土壤微生物的生物量和豐富度的變化。降水量直接影響土壤水分含量，土壤水分又直接影響土壤氣體交換、微生物養(yǎng)分供應(yīng)，溫度直接或間接影響氮的吸收利用率，從而影響微生物的生長(zhǎng)。本研究獲取的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站點(diǎn)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋了各個(gè)地區(qū)各種不同的草地類型，具有較好的代表性。然而，由于研究者經(jīng)驗(yàn)偏好、試驗(yàn)條件限制、研究方法等原因，來自文獻(xiàn)報(bào)道的同類數(shù)據(jù)間也可能存在較強(qiáng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量不一致性，并且這種不一致性很難消除，從而導(dǎo)致Meta 分析獲得的土壤理化性質(zhì)的變化存在一定的不確定性。因此，盡管本研究通過 Meta 分析方法能夠在一定程度上分析氮磷添加對(duì)天然草地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，但其潛在的不確定性仍有待于進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

在氮、磷單獨(dú)添加和氮磷同時(shí)添加的條件下，土壤含水量和pH均顯著降低，土壤全氮和速效磷均顯著增加，而氮磷同時(shí)添加的條件下土壤全氮和速效磷的增加幅度要大于單獨(dú)添加氮和磷的情況。在添加氮的條件下，土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物生物量碳均顯著增加，土壤有機(jī)碳、全磷、可溶性有機(jī)碳均顯著減少。土壤全氮的效應(yīng)值和全磷的效應(yīng)值，全磷的效應(yīng)值和硝態(tài)氮和速效磷的效應(yīng)值之間均有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。在添加磷的條件下，土壤全磷、可溶性有機(jī)氮、微生物生物量碳均顯著增加，土壤硝態(tài)氮顯著減少。土壤可溶性有機(jī)碳的效應(yīng)值與硝態(tài)氮的效應(yīng)值之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與速效磷的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤可溶性有機(jī)氮的效應(yīng)值與土壤全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的效應(yīng)值之間均有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。在同時(shí)添加氮和磷的條件下，土壤全磷和可溶性有機(jī)碳均顯著增加，土壤有機(jī)碳和微生物生物量碳均顯著減少。土壤有機(jī)碳的效應(yīng)值與土壤全磷的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤可溶性有機(jī)碳的效應(yīng)值與全磷和硝態(tài)氮的效應(yīng)值之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系。在氮、磷和氮磷同時(shí)添加的條件下，年平均溫度均會(huì)顯著影響土壤微生物生物量碳。在氮和磷分別添加的情況下，年平均溫度和年均降水量均會(huì)顯著影響土壤可溶性有機(jī)氮。