盛基峰 ，李垚, ，于美佳, ，韓艷英 , ，葉彥輝 ,

1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室；西藏 林芝 860000；3.西藏高寒植被生態(tài)安全重點實驗室，西藏 林芝 860000；4.西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，氮和磷是限制植物生長的兩種主要元素（Harpole et al.，2011）。在過去的一個世紀(jì)里，由于化石燃料燃燒、農(nóng)業(yè)施肥和粉塵或灰燼的產(chǎn)生等人類活動，全球生態(tài)系統(tǒng)的氮和磷輸入大幅增加（Wang et al.，2015）。據(jù)預(yù)測，到2050年，全球大氣氮沉降將增至 200 Tg（Moorhead et al.，2013）。過量的氮沉降會對氮循環(huán)和平衡產(chǎn)生負(fù)面影響，影響土壤養(yǎng)分狀況、土壤微生物多樣性和植被生產(chǎn)力（Song et al.，2020）。適量的氮添加可以改善土壤環(huán)境，使土壤肥力增強，方運霆等（2004）通過模擬大氣氮沉降發(fā)現(xiàn)，大氣中的氮沉降不僅能夠顯著提高土壤中無機氮的含量，而且伴隨氮沉降時間的延長，土壤中無機氮含量也會呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢。張進(jìn)霞（2014）對紫花苜蓿（Medicago sativa）的NP添加實驗有相同結(jié)論，養(yǎng)分添加顯著提高土壤堿解氮含量。磷是自然界中最重要的元素之一，參與生物細(xì)胞膜的合成和酶的活化（Vance et al.，2003）。土壤中的磷很容易與土壤中的鋁和鐵的氧化物以及氫氧化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，強烈抑制了其從土壤中的釋放，導(dǎo)致磷利用率低（Li et al.，2021）。以往的研究表明，土壤的氮、磷含量在自然界中處于一種動態(tài)平衡過程，大氣氮沉降使土壤中氮元素含量增加，使影響植物生長發(fā)育的限制因素由氮元素轉(zhuǎn)換為磷元素；反之，當(dāng)土壤中磷含量較高時，土壤中就會出現(xiàn)氮限制（Berendse et al.，2001）。近些年來，通過對不同草地生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，施肥處理對磷元素的影響結(jié)果并不一致。Widdig et al.（2020）報告稱，在溫帶草原，氮和磷的添加對土壤全磷濃度沒有顯著影響，而其他研究報告稱，氮的添加顯著降低了溫帶草原的土壤全磷和有效磷（Gong et al.，2020）。

土壤酶作為土壤生物各種生命化學(xué)反應(yīng)的催化物質(zhì)，維持著土壤生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的正常循環(huán)和平衡（Yu et al.，2016）。土壤酶是土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的主要驅(qū)動因子，其活力是衡量土壤肥力和評價土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)（Yang et al.，2017）。一些研究表明，添加氮對細(xì)胞胞外酶活性具有中性影響，但P添加對胞外酶活性有負(fù)面影響（Jing et al.，2016）。Wu et al.（2022）對高寒草地養(yǎng)分添加的研究表明，氮和磷添加顯著降低了葡萄糖苷酶催化效率。吳建波等（2021）對藏北高寒草原土壤氮添加發(fā)現(xiàn)，土壤pH對土壤酶不存在顯著影響，且氮添加降低了碳相關(guān)水解酶活性，提高脲酶活性。

土壤有機碳是指土壤中各種正價態(tài)的含碳有機化合物，是土壤極其重要的組成部分，不僅與土壤肥力密切相關(guān)，而且對地球碳循環(huán)有巨大的影響（曹石榴，2019），既是溫室氣體“源”，也是其重要的“匯”。高寒草地是青藏高原主要分布廣泛的草地類型之一，其有機碳儲量約為3.02 Pg。受青藏高原惡劣的氣候條件和營養(yǎng)物質(zhì)（主要是氮和磷）限制，高寒草地對環(huán)境變化非常敏感，特別是全球變暖和氮磷的增加（Fayiah et al.，2020）。例如，氣候變暖導(dǎo)致冰川急劇退縮和多年凍土快速融化，直接導(dǎo)致高寒草地退化和有機碳儲量減少（Liu et al.，2018）。NP添加顯著影響高寒草地碳循壞和有機碳儲量，與添加N和NP相比，P添加土壤有機碳存儲最低（Luo et al.，2020）。為研究高寒草地土壤有機碳固存的關(guān)鍵驅(qū)動因素及其影響因素，從而防止草地退化或維持高寒草地的穩(wěn)定。本研究通過以藏東南色季拉山高寒草地土壤為研究對象，設(shè)置長期外源養(yǎng)分添加樣地，分析土壤養(yǎng)分含量和酶活性對NP添加的響應(yīng)，同時分析土壤碳、氮、磷與蔗糖酶、葡萄糖苷酶、脲酶之間的交互作用，旨在揭示高寒草地土壤養(yǎng)分和酶活性的內(nèi)在關(guān)系，探究土壤碳氮磷元素在氮沉降背景下如何響應(yīng)，為高寒草地的保護(hù)提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西藏色季拉山位于念青唐古拉山與喜馬拉雅山接合處的林芝縣境內(nèi)，屬念青唐古拉山余脈，山體位于 93°12′—95°35′E，29°10′—30°15′N。山體走向主要為西北-東南，形成較大范圍的東西坡面。本試驗選定色季拉山西坡（29°38′8″N，94°37′26″E，平均坡度 21.4°）海拔 4400 m 高寒草地為試驗樣地，樣地視野開闊，蓋度較大。樣地屬濕潤山地暖溫帶和半濕潤山地溫帶氣候，年平均氣溫為?0.73 ℃，年平均降水為1134.1 mm，降水主要集中在4—10月，無霜期180 d，平均相對濕度60%—80%，土壤以山地棕壤和酸性棕壤為主，草地主要植被為五葉雙花委陵菜（Potentilla bifloravar.lahulensisTh.Wolf）、白心球花報春（Primula atrodentataW.W.Sm.）和藍(lán)鐘花（Cyananthus hookeriC.B.Clarke），占樣地面積80%。施肥前土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗樣地土壤原始狀況Table 1 Original soil conditions of the test plot

1.2 試驗設(shè)計

本試驗樣地所在的草地采用封閉管理，減少外界環(huán)境的干擾。本試驗共有4個處理，分別為CK（對照組，自然環(huán)境條件）、N（硝酸銨NH4NO3，15 kg·hm?2·a?1）、P（過磷酸鈣 Ca(H2PO4)2，75 kg·hm?2·a?1）、NP（NH4NO315 kg·hm?2·a?1N、Ca(H2PO4)275 kg·hm?2·a?1P）。樣地內(nèi)設(shè)置 3 個重復(fù)區(qū)組，每個區(qū)組內(nèi)布設(shè)4個大小為3 m×3 m的樣方，樣方與樣方之間設(shè)置5 m的緩沖帶，區(qū)組與區(qū)組之間設(shè)置10 m的緩沖帶。本試驗研究區(qū)于2019年5月進(jìn)行實地考察布設(shè)，于8月初植被生長旺盛期進(jìn)行施肥處理，施肥時選擇天氣晴朗的早上，每次施加的水量大約相當(dāng)于當(dāng)?shù)?.0 mm的自然降水量，CK添加等量的水。施肥采用人工背負(fù)式噴霧器噴灑的方式，將NH4NO3和Ca(H2PO4)2均勻噴灑在土壤表面。

1.3 土壤取樣與測定

土壤樣品在2020年8月施肥前（施肥1年后）進(jìn)行收集，以便于測定施肥1年后土壤養(yǎng)分和酶活性變化情況。在每個樣方內(nèi)用直徑5 cm的土鉆采用五點取樣法采集0—20 cm表層土壤，將同一樣方內(nèi)5個樣品均勻混合為1個土壤樣品（共12份鮮樣）。利用2 mm的網(wǎng)篩去除土壤樣品中較大的根和石頭，冷藏保存帶回實驗室，將樣品自然風(fēng)干后測定土壤的理化性質(zhì)，測量方法見表2（范珍珍等，2018；文旻等，2021；吳建波等，2021）。

表2 土壤理化性質(zhì)和酶活性測定方法Table 2 Methods for determination of soil physical and chemical properties and enzyme activity

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

應(yīng)用Excel 2019、SPSS 25結(jié)合Sigmaplot 14.0和Origin 2022對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析。采用多因素方差分析檢測N添加、P添加、NP混合添加對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法分別進(jìn)行各試驗處理間差異顯著性檢驗及多重比較。應(yīng)用Origin繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH

本試驗中P和NP添加處理均顯著降低了高寒草地土壤的pH值（P<0.05）（圖1），各添加均使土壤酸化程度加深，其中P添加處理最低（4.8）。

圖1 氮磷添加對土壤pH的影響Figure 1 Effects of nitrogen and phosphorus addition on soil pH

2.2 土壤養(yǎng)分

圖2a顯示，NP添加與對照相比顯著促進(jìn)了土壤有機碳含量（P<0.05），具體表現(xiàn)為在NP處理下有機碳含量最高，提高了63.50%，N、P單獨處理次之，分別提高了50.86%、38.33%，相比于單一添加，只有在氮磷混合添加下對土壤有機碳含量影響最大。圖2b—d顯示，N、P添加與對照相比顯著增加了土壤全氮含量（P<0.05），具體表現(xiàn)為在N添加下全氮最高，提高了59.14%；P、NP添加次之，分別提高了40.86%、11.11%。氮磷共施減弱了氮肥的影響，使N處理下全氮含量顯著高于NP添加。施肥處理下，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著增加（P<0.05）。在N添加下土壤銨態(tài)氮含量與硝態(tài)氮含量均達(dá)到最高，相比于 CK分別增加了47.58%、333.85%。不同處理下銨態(tài)氮含量的整體表現(xiàn)為 N>NP>P>CK，硝態(tài)氮含量整體表現(xiàn)為N>P>NP>CK。圖2e、f顯示，不同處理下土壤全磷含量分別為 0.71、0.74、0.69、0.84 g·kg?1。NP 添加下顯著促進(jìn)全磷含量（P<0.05），提升幅度為19.41%；在N添加下土壤有效磷含量最高，增加了59.68%；P、NP添加下分別增加了 25.25%和38.85%；有效磷含量整體表現(xiàn)為N>NP>P>CK。

圖2 氮磷添加對土壤養(yǎng)分含量的影響Figure 2 Effects of nitrogen and phosphorus addition on soil nutrient content

2.3 土壤酶活性

圖3a、b顯示，不同施肥處理均顯著促進(jìn)蔗糖酶和葡萄糖苷酶活性（P<0.05），與CK相比，P添加下土壤碳相關(guān)酶增幅較小，分別增加了24.96%、20.06%。蔗糖酶活性在 NP添加下最高，增加了92.63%，N添加下增加了81.92%。葡萄糖苷酶活性在N添加下最高，增加了71.94%，NP添加下增加了53.08%。圖3c顯示，在施肥處理下土壤脲酶活性均顯著高于CK處理（P<0.05），且P添加下增幅最大，增加了140.73%，N和NP添加下分別增加了58.13%、115.31%。

圖3 氮磷添加對土壤蔗糖酶、葡萄糖苷酶和脲酶活性的影響Figure 3 Effects of nitrogen and phosphorus addition on activity of soil sucrase, glucosidase and urease

2.4 土壤養(yǎng)分與酶活性的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明（表3），pH與全氮、有機碳與全磷和有效磷、全氮與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與葡萄糖苷酶呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05）。pH與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、葡萄糖苷酶，有機碳與蔗糖酶和葡萄糖苷酶，全氮與硝態(tài)氮，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮、有效磷和葡萄糖苷酶，硝態(tài)氮與有效磷，葡萄糖苷酶與有效磷、蔗糖酶，均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P<0.01）。脲酶與pH、有機碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、葡萄糖苷酶呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。

表3 不同處理后土壤性質(zhì)Pearson相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation analysis of soil properties after different treatments

3 討論

3.1 氮磷添加對土壤pH和養(yǎng)分的影響

土壤酸堿度是影響土壤肥力的因素之一，與土壤中的大部分化學(xué)反應(yīng)以及各種生物過程均有極大的關(guān)聯(lián)，其值大小主要由土壤水溶液中氫氧根離子與氫離子的濃度決定（Li et al.，2021）。本研究中施肥處理均降低了高寒草地土壤的pH值（圖1），與大多數(shù)實驗結(jié)果一致（蘇潔瓊等，2014；劉紅梅等，2018），可能是由于銨態(tài)氮通過細(xì)菌硝化作用向土壤中釋放更多的氫離子，從而降低了土壤的pH值。

有機碳是植物生長發(fā)育的必需元素，是植物有機質(zhì)的重要組分之一。研究表明土壤中施加有機物可以給微生物供給足夠的底物，加速有機碳的礦化，釋放更多的活性碳組分促進(jìn)土壤碳循環(huán)（趙曉琛等，2016）。本研究中，施肥處理均顯著增加土壤有機碳含量（圖2a），且NP合施處理有機碳含量最高，這與翟珈瑩（2020）在青藏高原0—20 cm土層研究結(jié)果相一致，可能由于氮、磷含量處于一種動態(tài)平衡過程，氮添加下土壤氮含量增加，打破了氮磷平衡，使磷限制更加明顯，說明NP合施可以緩解由于單獨施氮造成的磷素限制。史曉鵬（2018）研究了 N（70 kg·hm?2·a?1）、P（17、34 kg·hm?2·a?1）和 NP 混合添加處理對苜蓿的影響，發(fā)現(xiàn)施肥均增加了有機碳含量。然而，Luo et al.（2019）和Li et al.（2020）研究均表明，氮磷富集加速青藏高原高寒草地土壤有機碳分解，降低了土壤總有機碳庫。

土壤全氮包括有機氮和無機氮，是土壤中各種形態(tài)氮元素含量總和（王?；鄣?，2004）。硝態(tài)氮與銨態(tài)氮在植物生長和發(fā)育過程中以離子的形式直接被植物所吸收利用，其在土壤中含量將直接影響植物群落生產(chǎn)力的變化趨勢（Liu et al.，2022）。葉彥輝等（2017）在高寒草地進(jìn)行的氮添加試驗與本研究結(jié)果一致，一定量的氮添加可以提高土壤中全氮含量。相關(guān)性分析表明，pH與全氮呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，養(yǎng)分添加后pH的改變是氮元素含量變化的原因之一。本研究中不同施肥處理下全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮變化趨勢相似（圖2b—d），均在N添加下增幅最大，氮輸入對土壤環(huán)境改變較大。此外，在N添加下硝態(tài)氮變化較銨態(tài)氮變化大，F(xiàn)u et al.（2017）對高寒草地綜合分析得出一致結(jié)論，其原因有兩種可能，一是高寒植物對銨態(tài)氮的利用率要高于硝態(tài)氮，二是不同植物類型對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮養(yǎng)分吸收不同，當(dāng)銨態(tài)氮含量達(dá)到植物需求后多余的量通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。本研究發(fā)現(xiàn)，氮磷混施下土壤全氮和硝態(tài)氮含量低于氮和磷添加處理，這可能是氮磷混施下植物生長加快，消耗了土壤中無機氮（蘇渝欽等，2016）。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤全磷含量僅在NP添加下顯著增加（圖2e），高寒草地氮元素缺乏且氮磷比失衡，單獨的N、P添加對土壤全磷無顯著影響，與劉姝萱等（2022）對荒漠草原和Widdig et al.（2020）在溫帶草原研究結(jié)果一致。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，本研究中有效磷變化顯著，各處理均呈現(xiàn)增加趨勢（圖2f），原因可能是養(yǎng)分輸入提高了微生物和磷相關(guān)酶的活性，磷相關(guān)分解酶活性的提高增強了微生物對土壤有機質(zhì)的分解，加快了土壤中磷元素的轉(zhuǎn)換過程，從而提高有效磷含量（魏金明等，2011）。Hu et al.（2022）通過Mate分析發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素中 pH、海拔、年平均溫度和年平均降水量顯著影響有效磷含量，因此，環(huán)境因素是不同地區(qū)磷元素研究結(jié)果不同的重要原因。對鄱陽湖苔草研究表明，N添加對濕地土壤全磷及有效磷含量影響均不明顯，研究區(qū)的土壤周期性淹水使土壤有機質(zhì)分解相對較緩，土壤磷含量相對較高（文旻等，2021）。本研究中N、P添加下全磷含量變化指示了高寒草地養(yǎng)分限制因素，有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，有效磷含量變化表明高海拔下進(jìn)行施肥處理有利于地上植被生長。

3.2 氮磷添加對土壤酶活性的影響

土壤蔗糖酶和葡萄糖苷酶均是主要的碳獲得酶，是土壤碳循環(huán)過程的主要指標(biāo)。蔗糖酶能通過水解形成果糖和葡萄糖，葡萄糖苷酶可以通過水解作用生成葡萄糖（Zi et al.，2022）。本研究各處理下蔗糖酶和葡萄糖苷酶變化趨勢相同，均在N和NP添加下促進(jìn)效果最大，P添加對土壤碳獲取酶影響較小。相關(guān)性分析結(jié)果表明（表3），蔗糖酶和葡萄糖苷酶均與有機碳呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是由于養(yǎng)分增加，植物根系生長，導(dǎo)致土壤碳有效性不足，增加了微生物對碳的需求，改變了微生物對養(yǎng)分獲取策略，增加了蔗糖酶活性和葡萄糖苷酶活性，從而提高酶活性，然而，由于施肥量不同導(dǎo)致促進(jìn)效果不同（Liu et al.，2022；趙曉琛等，2016）。碳獲取酶活性研究有不同結(jié)論，孫亞男等（2016）在高寒草地研究結(jié)果與本研究不同，4年NP添加下各處理對0—10 cm和10—20 cm土層蔗糖酶活性均沒有顯著影響，這與施肥時引入碳元素有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，施肥處理顯著促進(jìn)脲酶活性，這與宋學(xué)貴等（2009）和涂利華等（2009）在不同森林生態(tài)系統(tǒng)中的研究結(jié)論相類似。N和NP添加對脲酶活性影響較大，N添加下脲酶活性增加，而在NP共同添加下其活性則進(jìn)一步顯著增加。從相關(guān)性分析結(jié)果可知，脲酶活性與pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、葡萄糖苷酶呈極顯著負(fù)相關(guān)。脲酶主要來自植物根系的分泌物，而氮添加促進(jìn)了植株根系的生長，導(dǎo)致根系分泌物增加，增強脲酶活性。本研究中施肥處理中P添加下脲酶活性最高，表明P添加使土壤銨態(tài)氮含量和葡萄糖苷酶活性降低導(dǎo)致有機氮的礦化速率升高，從而使土壤微生物群落對土壤脲酶的分泌增加，其活性也隨之增高，與Zi et al.（2022）在 P添加下脲酶活性增高結(jié)果一致。馮慧芳等（2022）對 5種不同密度大葉相思（Acacia auriculiformisA.Cunn.ex Benth.）研究結(jié)果有不同結(jié)論，N和NP添加對脲酶活性均有顯著抑制現(xiàn)象，P添加對高密度林分脲酶活性有顯著促進(jìn)作用，這可能與N添加量植被類型、N添加時間長短不同有關(guān)。

土壤酶主要來自于土壤微生物的釋放，還包括植物根系分泌物以及土壤動植物殘體腐解過程的釋放（Yang et al.，2017）。本研究中，各施肥處理對蔗糖酶、葡萄糖苷酶和脲酶活性均表現(xiàn)出顯著促進(jìn)作用（圖3a—c），這與Xiao et al.（2021）的施氮試驗結(jié)果一致，施氮顯著提高轉(zhuǎn)化酶活性，NP添加通過改變表層土壤養(yǎng)分條件，改變植物對養(yǎng)分的吸收利用，影響高寒草地土壤有機層細(xì)菌的生長活力和營養(yǎng)有效性，使植物、微生物群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量發(fā)生變化，進(jìn)而不同程度提高有關(guān)碳氮獲取酶的含量。

4 結(jié)論

本研究中施肥處理相比于對照處理顯著改變了高寒草地土壤養(yǎng)分和酶活性條件，降低了土壤pH。氮和氮相關(guān)（NP添加）添加對碳含量有顯著的促進(jìn)作用，主要表現(xiàn)為N添加后顯著促進(jìn)土壤有機碳含量，并增加蔗糖酶和葡萄糖苷酶活性，水解更多大分子含碳有機物供植物吸收利用。N添加和P添加顯著促進(jìn)土壤氮含量，N添加顯著促進(jìn)土壤氮元素含量，增幅較大，P添加促進(jìn)土壤脲酶活性，水解含氮物質(zhì)，給植物提供養(yǎng)分。然而，NP添加下氮元素并沒有促進(jìn)跡象，具體表現(xiàn)為氮素含量較單獨的 N和P添加下顯著降低。本研究未對磷相關(guān)酶和地上地下生物量進(jìn)行研究，今后應(yīng)進(jìn)一步研究。