韓 菲, 蘇 原, 楊倩雯, 王 袼, 常 婕,趙芳草, 刁華杰, 董寬虎*, 王常慧*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 山西 太谷 030801; 2.草地生態(tài)保護(hù)與鄉(xiāng)土草種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太谷 030801;3.山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 山西 右玉 037200)

氮(N)和磷(P)是生命元素,參與陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程,同時(shí)也是限制植物生長(zhǎng)的大量元素[1]。氮磷養(yǎng)分的平衡對(duì)于養(yǎng)分限制地區(qū)植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要,同時(shí)氮、磷可用性的高低對(duì)于維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用[2]。根據(jù)最新報(bào)道,全球氮沉降量持續(xù)增加,已經(jīng)超過(guò)了90 Tg N·a-1[3]。土壤中合適的氮磷比可以維持較高的生產(chǎn)力[4]。大量的研究已經(jīng)報(bào)道了外源氮添加引起的氮磷失衡通過(guò)影響土壤微生物[5]影響生物地球化學(xué)過(guò)程[6],以及土壤氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程[7]。但是單獨(dú)的外源磷輸入和氮磷的交互作用如何影響農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程目前還不清楚,由于農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地氮沉降的量高于天然牧區(qū)草地[8],同時(shí)受農(nóng)田P輸入的影響,因此研究農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地外源N,P輸入對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化速率的影響對(duì)于科學(xué)管理和利用該區(qū)域草地具有重要意義。

土壤中N素可利用性的高低可以用土壤凈N礦化速率表征[9]。已有的大量研究表明早期N添加促進(jìn)土壤凈N礦化速率[10-13],長(zhǎng)期N添加對(duì)凈N礦化速率無(wú)顯著影響[14-16],或抑制凈N礦化[17]。外源P輸入可以通過(guò)影響土壤微生物的活性和功能直接影響土壤無(wú)機(jī)氮庫(kù)和氮的礦化過(guò)程[18]。在熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)[19]、草原生態(tài)系統(tǒng)[20]、和濕地生態(tài)系統(tǒng)中的研究結(jié)果表明P添加促進(jìn)了土壤凈氮礦化速率[19-22]。也有研究報(bào)道在熱帶低地雨林生態(tài)系統(tǒng)P添加對(duì)土壤凈N礦化速率沒(méi)有顯著影響[23],新西蘭草地生態(tài)系統(tǒng)P添加導(dǎo)致凈N礦化速率降低[24]。但是,目前關(guān)于農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地土壤凈N礦化作用對(duì)P添加及N和P同時(shí)添加響應(yīng)方面的研究仍非常有限,限制了我們對(duì)不同區(qū)域、不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的認(rèn)知和管理水平的提升。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地受人為干擾影響較大,同時(shí)對(duì)氣候變化極其敏感[25]。有關(guān)外源N,P添加對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地土壤凈N礦化速率影響的研究報(bào)道還不多見(jiàn),由于其所處地理位置的特殊性,因此需要深入了解農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地受氮沉降和農(nóng)田P輸入的影響,從而科學(xué)管理該區(qū)域的草地。我們依托2018年在山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站建立的全球變化聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)——養(yǎng)分添加試驗(yàn)平臺(tái),研究N,P添加及其交互作用對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地土壤凈N礦化速率的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究依托山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站(112.29°E,39.28°N) 2018年建立的全球變化聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)(右玉站)展開(kāi),該實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)海拔 1 348 m,年平均降水量425 mm,年平均蒸發(fā)量1 000～1 500 mm,年平均氣溫4.6℃,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,位于北方典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶,植物群落以賴草(Leymussecalinus)、堿茅(Puccinelliadistans)、堿蒿(Artemisiaanethifolia)等植物為優(yōu)勢(shì)種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)處理6個(gè)重復(fù),包括4個(gè)處理,對(duì)照(CK)、N添加(N)、P添加(P)和N,P同時(shí)添加(NP),共計(jì)24個(gè)小區(qū),小區(qū)面積6 m×6 m,小區(qū)間間隔為2 m。土壤N礦化速率測(cè)定時(shí)間分為非生長(zhǎng)季(2020年10月至2021年4月)和生長(zhǎng)季(2021年5月至2021年9月)。在生長(zhǎng)季初期(5月初)將10 g·m-2·a-1的緩釋尿素和10 g·m-2·a-1的Ca(H2PO4)2分別均勻的撒施到處理小區(qū)。

1.3 取樣與處理

Δt=t1-t0

采用收獲法測(cè)定植物地上生物量,2021年8月在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取0.2 m ×1 m的固定樣方,用剪刀將植物地上部分齊地面剪下,裝入信封并收集凋落物,帶回實(shí)驗(yàn)室在65℃烘箱中烘干48小時(shí)候稱重,計(jì)為地上生物量。

使用便攜式土壤水分速測(cè)儀(TDR-300,Spectrum)測(cè)定土壤含水量,將探針插入土壤10 cm處記錄數(shù)值;土壤溫度用數(shù)字顯示溫度計(jì)(JM-224,天津今明)測(cè)定,將探針插入土壤10 cm處測(cè)定并記錄數(shù)值,生長(zhǎng)季每周測(cè)定一次,同時(shí)測(cè)定土壤含水量與土壤溫度。空氣溫度及降雨量數(shù)據(jù)從實(shí)驗(yàn)站的小型氣象站獲得(HOBO U30-NRC,USA,Onset)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析法(Two-way repeated ANOVA)分析N添加和P添加對(duì)土壤溫度、土壤含水量、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無(wú)機(jī)氮,凈銨化速率、凈硝化速率、凈氮礦化速率的影響。采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)檢驗(yàn),分析不同月份、生長(zhǎng)季與非生長(zhǎng)季N添加和P添加對(duì)無(wú)機(jī)氮,凈氮礦化速率的影響,N添加和P添加對(duì)植物地上凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。采用相關(guān)性分析檢驗(yàn)無(wú)機(jī)氮、凈氮礦化速率與地上凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性,數(shù)據(jù)分析使用SPSS 16.0(SPSS,Chicago,USA),用Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子

2021年生長(zhǎng)季(5—9月)月平均空氣溫度呈單峰曲線,最高值出現(xiàn)在7月(24.7℃),最低溫出現(xiàn)在5月(6.7℃)。2021年降雨量分布不均勻,八月降雨量最高為94.6 mm(圖1)。

圖1 2021年空氣溫度、降雨量、土壤溫度和土壤水分的季節(jié)變化

0～10 cm的土壤溫度和土壤含水量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)波動(dòng)(圖1),季節(jié)之間差異顯著(P<0.01;表1)。N,P單獨(dú)添加和同時(shí)添加顯著降低了生長(zhǎng)季土壤的平均溫度(P<0.05;圖1)。土壤含水量月份之間無(wú)顯著差異(表1),2021年生長(zhǎng)季平均土壤含水量為19.84%。各處理間土壤含水量無(wú)顯著差異(表1)。

表1 氮磷添加對(duì)土壤溫度、土壤含水量、無(wú)機(jī)氮含量、氮轉(zhuǎn)化速率月份變化影響的雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果

2.2 氮、磷添加對(duì)土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮含量的影響

表2 生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季氮磷添加對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量、氮轉(zhuǎn)化速率季節(jié)變化影響的雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果

圖2 2021年不同處理下土壤無(wú)機(jī)氮含量的季節(jié)變化

圖3 2021年不同處理下土壤氮轉(zhuǎn)化速率的季節(jié)變化

氮添加極顯著地影響土壤無(wú)機(jī)氮含量(P<0.001;表1),P添加對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量影響不顯著(表1)。NP添加對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量影響顯著(P<0.05;表1),8,9月N添加顯著增加了土壤無(wú)機(jī)氮含量(P<0.05),比對(duì)照分別增加了298.4%,194.9%。不同的N,P添加處理在非生長(zhǎng)季和生長(zhǎng)季對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量的影響差異顯著(P<0.05;表2)。非生長(zhǎng)季P添加處理的土壤無(wú)機(jī)氮含量顯著低于生長(zhǎng)季(P<0.05),低于生長(zhǎng)季205%。

2.3 氮、磷添加對(duì)土壤凈銨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率的影響

凈銨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)(圖2),生長(zhǎng)季(5月—9月)內(nèi)單獨(dú)N,P添加處理對(duì)土壤凈銨化速率沒(méi)有顯著影響(表1)。7月N添加顯著增加了土壤凈銨化速率(P<0.05);5月P添加顯著降低了土壤凈銨化速率(P<0.05);6月氮磷添加使得土壤凈銨化速率顯著提高了327.5%(P<0.05)。不同的N,P添加處理在非生長(zhǎng)季和生長(zhǎng)季對(duì)土壤凈銨化速率的影響顯著(P<0.01;表2)。生長(zhǎng)季NP同時(shí)添加處理的土壤凈銨化速率顯著高于非生長(zhǎng)季(P<0.05)。

氮添加極顯著地提高了土壤凈硝化速率(P<0.001;表1)。P添加、NP同時(shí)添加對(duì)土壤凈硝化速率沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響(表1)。非生長(zhǎng)季、5、7月N添加顯著提高了土壤凈硝化速率(P<0.05);生長(zhǎng)季末期的9月,氮磷同時(shí)添加顯著提高了土壤凈硝化速率(P<0.05);非生長(zhǎng)季和生長(zhǎng)季土壤凈硝化速率的差異在單獨(dú)N,P添加處理下達(dá)到極顯著水平(P<0.001;表2)。在生長(zhǎng)季,不同處理的土壤凈硝化速率均顯著高于非生長(zhǎng)季(P<0.05)。

N添加極顯著地提高了土壤凈氮礦化速率(P<0.001;表1)。但是單獨(dú)P添加和N,P同時(shí)添加對(duì)土壤凈N礦化速率影響不顯著(表1)。7月N添加顯著提高了土壤凈N礦化速率(P<0.05)。6月和9月NP處理顯著增加了土壤凈N礦化速率,比對(duì)照分別增加了1 195.8%,469.8%(P<0.05)。單獨(dú)的N,P添加處理在非生長(zhǎng)季和生長(zhǎng)季對(duì)土壤凈N礦化速率的影響差異顯著(P<0.001;表2)。生長(zhǎng)季單獨(dú)添加N,P和NP同時(shí)添加處理的土壤凈N礦化速率均顯著高于非生長(zhǎng)季(P<0.05)。

2.4 氮、磷添加對(duì)地上凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響

不同處理之間的土壤凈初級(jí)生產(chǎn)力差異顯著(P<0.05),單獨(dú)的N,P添加處理均對(duì)地上凈初級(jí)生產(chǎn)力沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響,但是N,P同時(shí)添加處理顯著增加了地上凈初級(jí)生產(chǎn)力(P<0.05,圖4)。N添加處理下,土壤銨態(tài)氮的含量與地上凈初級(jí)生產(chǎn)力呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05,圖5),土壤硝態(tài)氮含量與土壤無(wú)機(jī)氮含量與地上凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)性均不顯著(圖5)。且在N添加處理下,土壤凈銨化速率與地上凈初級(jí)生產(chǎn)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05,圖5);N,P同時(shí)添加處理下,土壤凈硝化速率與凈N礦化速率與地上凈初級(jí)生產(chǎn)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)。

圖4 2021年氮磷添加處理對(duì)植物地上生物量的影響

圖5 地上生物量與氮轉(zhuǎn)化速率的相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 氮添加對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響

我們發(fā)現(xiàn)N添加顯著增加了生長(zhǎng)季土壤無(wú)機(jī)氮含量,尤其是硝態(tài)氮含量,且凈硝化速率、凈氮礦化速率顯著增加,這與大部分草地生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致[10]。在受氮限制的生態(tài)系統(tǒng)中,氮沉降能夠直接提高土壤可利用氮含量[27],增強(qiáng)硝化作用[28],刺激土壤氮礦化[23],在松嫩平原[26]和南非稀樹(shù)草原[12]的研究也得出相同的結(jié)論。一方面N添加導(dǎo)致土壤氮富集,當(dāng)土壤中的無(wú)機(jī)氮相對(duì)于微生物的需要量過(guò)剩時(shí),可能短暫增加了土壤微生物活性[29],土壤微生物釋放無(wú)機(jī)氮[30],導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化。另一方面N添加導(dǎo)致土壤C:N比減少,尤其是當(dāng)基質(zhì)碳氮比趨于微生物量碳氮比時(shí),凈氮礦化量顯著增加[31]。也有研究表明N添加對(duì)土壤凈氮礦化速率無(wú)顯著影響,或起抑制作用[31]。我們的試驗(yàn)處理開(kāi)始于2018年,在進(jìn)行試驗(yàn)處理之前,沒(méi)有外源養(yǎng)分輸入。由于短期N添加與長(zhǎng)期N添加對(duì)土壤凈N礦化速率的影響存在差異[19],隨著N添加時(shí)間的不斷延長(zhǎng),土壤凈氮礦化速率逐漸降低[32]。

3.2 磷添加對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響

3.3 氮磷交互作用對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響

在本研究中,NP同時(shí)添加對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量均沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響,與對(duì)照相比N,P同時(shí)添加導(dǎo)致土壤凈N礦化速率和凈硝化速率增強(qiáng),但低于單獨(dú)N添加的處理。該研究結(jié)果與已有的研究結(jié)果不一致,氮磷的互作效應(yīng)使土壤氮礦化和硝化速率顯著高于單獨(dú)N添加處理[1]。造成這種差異的原因:當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到N飽和時(shí),P成為植物和土壤微生物的主要限制因子[32];植物生長(zhǎng)和微生物代謝從氮限制轉(zhuǎn)向P限制時(shí),尤其是當(dāng)植物生長(zhǎng)的氮素限制解除后,土壤磷酸酶活性可以通過(guò)N添加而提高,因此,添加P會(huì)增加植物生長(zhǎng)和土壤微生物活性[38]。植物生長(zhǎng)的加快會(huì)刺激植物對(duì)氮的吸收,微生物生物量和活性的增加會(huì)增加氮的礦化和其他轉(zhuǎn)化過(guò)程。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)氮含量較低時(shí),即使同時(shí)添加氮和磷,植物生長(zhǎng)[24]和微生物代謝仍可能受氮限制[39],PII(2015)等的研究也得出相似的結(jié)論,在氮限制的生態(tài)系統(tǒng)中,N添加主要用來(lái)維持植物和微生物的生長(zhǎng),而不是磷酸酶的產(chǎn)生[40]。我們研究區(qū)土壤養(yǎng)分貧瘠,不僅受氮限制,同時(shí)也受到磷的限制。在酸性土壤中的研究發(fā)現(xiàn),在氮磷同時(shí)添加和單獨(dú)磷添加的處理小區(qū),土壤pH值高于單獨(dú)N添加小區(qū),表明P添加減輕了N添加引起的土壤酸化,土壤酸化的降低為微生物和植物的生長(zhǎng)提供了更有利的條件[19]。另外,N添加導(dǎo)致的土壤pH值降低有助于金屬離子如鋁、鈣、鐵等激發(fā)磷的活性,從而隨著時(shí)間的推移減輕磷限制,但是對(duì)植物和微生物沒(méi)有影響[41],所以磷限制的減緩只是暫時(shí)的[21]。Luisin等[42]在巴塔哥尼亞草原的實(shí)驗(yàn)證明了這一觀點(diǎn)。另一方面本研究P添加的量較低或添加時(shí)間較短,短期氮磷添加還不能完全反映出其對(duì)土壤凈氮礦化速率的影響[11],需要進(jìn)一步研究揭示草地土壤氮素凈礦化量特征及其影響機(jī)理。值得注意的是,氮磷同時(shí)添加顯著增加了植物凈初級(jí)生產(chǎn)力,這與何利元等2015年在內(nèi)蒙古溫帶草地發(fā)現(xiàn)氮磷同時(shí)添加提高了植物地上生物量90%以上的研究結(jié)果相似[43]。一方面可能是磷添加緩解了植物對(duì)氮素吸收的限制[44],Eisele和Crews等發(fā)現(xiàn)增加氮的可利用性,導(dǎo)致植物生產(chǎn)力顯著增加[45-46]。另一方面可能是磷添加提高了土壤磷的供給能力,緩解了氮沉降而引起的土壤和植物間養(yǎng)分不平衡[47]。同時(shí)在氮磷交互作用下,地上凈初級(jí)生產(chǎn)力與凈硝化速率和凈氮礦化速率呈負(fù)相關(guān)。這與Schleuss等發(fā)現(xiàn)植物生物量與凈氮礦化速率呈負(fù)相關(guān)相似,分析原因,土壤可溶性碳(DOC)與地上凈初級(jí)生產(chǎn)力呈正相關(guān),當(dāng)土壤碳氮比過(guò)高時(shí),土壤微生物對(duì)氮的固定增強(qiáng)[30]。

4 結(jié)論

單獨(dú)N添加顯著提高了晉北農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地土壤無(wú)機(jī)氮含量及土壤氮轉(zhuǎn)化速率;單獨(dú)P添加對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量和氮轉(zhuǎn)化速率均沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響;而N和P同時(shí)添加雖然顯著增加了土壤無(wú)機(jī)氮含量,但沒(méi)有顯著影響土壤氮轉(zhuǎn)化速率,增加了地上凈初級(jí)生產(chǎn)力。表明該地區(qū)草地土壤受N、P同時(shí)限制。未來(lái)需要在長(zhǎng)的時(shí)間尺度研究N和P的互作效應(yīng)對(duì)該類型草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響,為農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地管理提供科學(xué)依據(jù)。