梁元也,張玲雪,周小龍,范連連,毛潔菲,李耀明

1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011

2 新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830046

3 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046

4 中國(guó)科學(xué)院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心,烏魯木齊 830011

5 中國(guó)科學(xué)院巴音布魯克草原生態(tài)系統(tǒng)研究站,巴音布魯克 841314

6 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有涵養(yǎng)水源、保持水土、固碳、維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等重要生態(tài)功能,草地土壤在生態(tài)系統(tǒng)功能和動(dòng)態(tài)中起著主導(dǎo)作用[1—3]。土壤團(tuán)聚體是土壤顆粒在有機(jī)與無(wú)機(jī)膠結(jié)物質(zhì)作用下形成的聚合體[4],目前通常以<0.053 mm、0.053—0.25 mm、0.25—2 mm和>2 mm作為土壤團(tuán)聚體常用粒徑分區(qū)[5]。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[6],其穩(wěn)定性在一定程度上反映了土壤的孔隙度、滲透性、持水性、抗侵蝕能力等物理性質(zhì)[7—8]。土壤團(tuán)聚體還可以改變不同土壤組分間的養(yǎng)分分布,主導(dǎo)土壤養(yǎng)分積累的變化,尤其是作為土壤固碳功能的載體而影響土壤肥力[7—8]。因此,土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性是土壤質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一,提高土壤團(tuán)聚體的含量和穩(wěn)定性是改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力的關(guān)鍵途徑[6]。

近幾十年來(lái),全球人口的增長(zhǎng)和工業(yè)化的發(fā)展等一系列問(wèn)題極大增加了大氣氮、磷沉降[9]。在全球范圍內(nèi),自20世紀(jì)初至今大氣氮沉降使陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素增加了3到5倍[10],而2000年的磷沉積是其自然本底值的2.5到5倍[11]。其中,中國(guó)的氮磷沉降增長(zhǎng)幅度最大[9]。土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性受到氣候因素、土壤碳含量、土壤關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素可利用性、土壤微生物、植物根系等因素的共同影響[12]。氮磷沉降通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、植物群落特征與植物功能性狀以及全球氣候來(lái)影響土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分承載能力,進(jìn)而影響土壤質(zhì)量[12—14]。

國(guó)內(nèi)外已廣泛開(kāi)展有關(guān)氮磷添加對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體影響的研究,然而關(guān)于氮添加對(duì)土壤團(tuán)聚體影響的研究結(jié)果并不一致[15]。有研究發(fā)現(xiàn)氮添加顯著提高了>0.25 mm團(tuán)聚體比例與穩(wěn)定性及其有機(jī)碳含量[12,16—17];也有研究表明氮添加并未顯著影響草地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)或土壤碳庫(kù)[18—19]。有關(guān)磷添加和氮磷交互添加對(duì)草地土壤團(tuán)聚體影響的研究與氮添加相比相對(duì)較少,研究表明磷添加和氮磷交互添加也會(huì)對(duì)草地土壤團(tuán)聚體產(chǎn)生積極[20]、消極[12]或中性[15]的影響。相比于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)[21—23],氮磷添加對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體影響的研究相對(duì)較少。在農(nóng)田或氮素限制的生態(tài)系統(tǒng)中,氮添加對(duì)有機(jī)碳的促進(jìn)作用主要通過(guò)植物生產(chǎn)力的增加;而在森林和草地生態(tài)系統(tǒng)中,微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解作用以及植物輸入是調(diào)節(jié)土壤碳庫(kù)發(fā)生改變的主要因素[15]。關(guān)于氮磷添加對(duì)草地土壤團(tuán)聚體的研究目前主要集中在典型草原[17,20]、荒漠草原[24]兩種草地類型,對(duì)高寒草原的研究較少。因此,氮磷添加對(duì)高寒草原土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性與養(yǎng)分含量有何影響有待于進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。

巴音布魯克草原位于新疆天山南麓,是中國(guó)著名的亞高山高寒草原[25]。它是全疆尤其是南疆的重要生態(tài)屏障,承載著重要的生態(tài)功能,也是新疆最大的畜牧業(yè)基地,決定著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[26]。同時(shí),又因特殊的地理位置與高寒的氣候條件,巴音布魯克草原是生態(tài)脆弱區(qū)和全球變化的敏感區(qū)[27]。氮磷沉降導(dǎo)致的植物、土壤、微生物以及氣候變化對(duì)巴音布魯克草原土壤團(tuán)聚體的影響尚不明確。因此,本實(shí)驗(yàn)以巴音布魯克高寒草原為研究對(duì)象,以全球營(yíng)養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)(https://nutnet.org/)為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),研究短期(4年)氮磷添加對(duì)不同土壤層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其養(yǎng)分含量的影響,為預(yù)測(cè)未來(lái)草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、承載力、土壤質(zhì)量等的變化趨勢(shì)提供數(shù)據(jù)支持與理論基礎(chǔ),以期實(shí)現(xiàn)草地可持續(xù)利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院巴音布魯克草原生態(tài)系統(tǒng)研究站(42°52′—42°53′ N,83°42′—83°43′ E)(圖1),研究地點(diǎn)海拔約2470 m,年平均氣溫約-4.8 ℃,年平均降水量約260 mm,年蒸發(fā)量1022—1247 mm,全年積雪天數(shù)150—180 d,屬典型的高寒氣候,主要土壤類型為栗鈣土。研究地點(diǎn)是以羊茅(Festucaovina)為優(yōu)勢(shì)種的高寒草原,其他主要伴生物種為冰草(Agropyroncristatum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、莓葉委陵菜(Potentillafragarioides)等。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 研究方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究依托全球營(yíng)養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)在巴音布魯克站點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展。于2018年選擇常年禁牧、生境均勻和植被長(zhǎng)勢(shì)良好的高寒草地進(jìn)行圍封作為研究對(duì)象,通過(guò)使用尿素[CO(NH2)2]、磷酸二氫鈣[Ca(H2PO4)2],換算為實(shí)際氮、磷含量,以10 g m-2a-1為養(yǎng)分添加量單位進(jìn)行添加。共設(shè)置4個(gè)處理,分別為對(duì)照(CK),N添加、P添加、NP交互添加處理,每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù),共計(jì)12個(gè)樣方。實(shí)驗(yàn)布局采用隨機(jī)區(qū)組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,共設(shè)有3個(gè)面積為25 m2(5 m×5 m)的處理樣區(qū),每個(gè)樣區(qū)包含4個(gè)面積為4 m2(2 m×2 m)的樣方,樣方間留有1 m間隔。于每年5月中旬,選擇在陰雨天氣,將預(yù)先稱好的顆粒狀肥料一次性均勻?yàn)⒃跇臃絻?nèi)。該地區(qū)2013年N的平均沉降量為0.8 g N m-2a-1,P的平均沉降量為0.01 g P m-2a-1[9]。

1.2.2植物樣品采集、處理與測(cè)定

2021年8月初在植物生長(zhǎng)旺盛期采集植物地上部分樣品。在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置一個(gè)0.4 m×0.4 m的小樣方,采集小樣方內(nèi)所有植物的地上部分,裝入信封帶回實(shí)驗(yàn)室于105 ℃烘箱中殺青30 min,然后將溫度調(diào)至65 ℃烘干至恒重,用精度為0.001 g的天平稱重獲取植物干重,通過(guò)換算獲取植物地上生物量(Aboveground biomass,AGB),單位為g/m2。

1.2.3土壤樣品采集、處理與測(cè)定

采集植物樣品的同時(shí)獲取土壤樣品。在每個(gè)2 m×2 m樣方內(nèi)按“S”型隨機(jī)取樣法選取3個(gè)點(diǎn),用直徑為10 cm的土鉆采集0—10 cm土層與10—20 cm土層的土壤樣品,并將每層土壤的三個(gè)樣品混勻?yàn)橐粋€(gè)混合土樣。隨后去除土壤樣品中的根、石塊等雜質(zhì),把每個(gè)混合土樣分為3份保存:1份保存于4 ℃的冰箱中用于后續(xù)土壤微生物量碳、氮的測(cè)定;1份自然風(fēng)干后過(guò)篩,用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì);1份自然風(fēng)干后,用于土壤團(tuán)聚體篩分。

土壤團(tuán)聚體的測(cè)定采用濕篩法[28]:稱取約50 g的風(fēng)干土放置于土壤團(tuán)聚體濕篩分析儀套篩(從上到下依次為2 mm、0.25 mm和0.053 mm孔徑)的最上層,水浸15 min后震蕩15 min(振幅為5 cm,頻率為每分鐘30次),以實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚體的分級(jí)。震蕩結(jié)束后將每個(gè)篩上保留的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體沖洗到容器中,靜置2 h,小心去掉上清液后將其放置于60 ℃烘箱中烘干至恒重。烘干后用精度為0.001 g的天平稱重,以獲取<0.053 mm、0.053—0.25 mm、0.25—2 mm和>2 mm四個(gè)粒級(jí)的團(tuán)聚體重量。稱重完成后測(cè)定0.053—0.25 mm、0.25—2 mm、>2 mm三個(gè)粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)、總氮(Total nitrogen,TN)、總磷(Total phosphorus,TP)、速效氮(Available nitrogen,AN)、速效磷(Available phosphorus,AP)含量。

土壤pH采用電極法測(cè)定,SOC采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定,土壤TN采用凱氏定氮法測(cè)定,土壤TP采用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤AN采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,土壤AP采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測(cè)定[29]。土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)與土壤微生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)采用氯仿熏蒸法測(cè)定[30]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1數(shù)據(jù)處理

各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體百分比含量(Wi)計(jì)算方法為公式(1)[31];土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性用平均重量直徑(Mean weight diameter,MWD)來(lái)表示,計(jì)算方法為公式(2)[32]:

(1)

(2)

N有效率和P有效率計(jì)算方法分別為公式(3)和公式(4)[33]:

(3)

(4)

1.3.2數(shù)據(jù)分析

利用單因素方差分析及多重比較(LSD)研究氮磷添加對(duì)土壤全土理化性質(zhì)、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其養(yǎng)分含量的影響。利用Pearson相關(guān)分析來(lái)研究AGB與團(tuán)聚體AN、AP含量間的相關(guān)性以及氮磷添加背景下團(tuán)聚體養(yǎng)分含量與其N、P有效率間的相關(guān)性。本研究運(yùn)用IBM Statistics SPSS 25.0以及Origin 2022軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 2022軟件作圖。所有數(shù)值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷添加對(duì)土壤理化性質(zhì)和地上生物量的影響

通過(guò)圖2可知,連續(xù)4年氮磷添加后,巴音布魯克高寒草原土壤理化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化。0—10 cm土壤層SOC濃度范圍為28.53—63.54 g/kg,TN為3.62—4.52 g/kg,TP為0.71—0.92 g/kg;10—20 cm土壤層SOC濃度范圍為19.70—42.15 g/kg,TN為2.38—4.03 g/kg,TP為0.63—0.80 g/kg。氮磷添加對(duì)兩土壤層SOC、TN、TP及AN含量影響整體上不顯著。與對(duì)照相比,10—20 cm土壤層N添加處理下土壤SOC含量顯著降低31.60%(P<0.05);P添加和NP交互添加顯著提高了0—10 cm土壤層AP含量,P添加顯著提高了10—20 cm土壤層AP含量(P<0.05)。氮磷添加沒(méi)有顯著改變兩土壤層pH值。

圖2 氮磷添加處理對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物量以及植物地上生物量的影響Fig.2 Effects of N and P addition on soil physical and chemical properties,soil microbial biomass and aboveground biomassCK:對(duì)照處理;N:氮添加;P:磷添加;NP:氮磷交互添加;不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)

氮磷添加對(duì)土壤微生物量碳、氮含量有顯著影響(P<0.05)。在0—10 cm土壤層,與對(duì)照相比,P添加顯著降低了土壤MBC含量(P<0.05);在10—20 cm土壤層,P添加和NP交互添加處理下土壤MBC含量均顯著高于對(duì)照(P<0.05)。與對(duì)照相比,氮磷添加處理降低了兩土壤層MBN含量。N添加處理下植物AGB高于對(duì)照,但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不顯著。

2.2 氮磷添加對(duì)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)組成及穩(wěn)定性的影響

通過(guò)圖3可知,氮磷添加顯著影響土壤團(tuán)聚體粒級(jí)組成(P<0.05)。0—10 cm與10—20 cm土壤層團(tuán)聚體粒級(jí)組成相似,兩土層各粒級(jí)團(tuán)聚體比例平均值從低到高依次為:0.053—0.25 mm(9.23%)、<0.053 mm(14.24%)、0.25—2 mm(15.76%)和>2 mm(60.75%)。在0—10 cm土壤層中,N添加處理下>2 mm團(tuán)聚體比例顯著低于對(duì)照和其他處理,其中P添加處理下>2 mm團(tuán)聚體比例比N添加高36.7%(P<0.05)。在10—20 cm土壤層中,P添加處理下>2 mm團(tuán)聚體比例顯著低于對(duì)照和其他處理(P<0.05)。

圖3 土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性對(duì)氮磷添加的響應(yīng)Fig.3 The response of soil aggregate structure and stability to N and P addition

圖3表明,氮磷添加顯著影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性(P<0.05)。相比于對(duì)照,N添加處理下0—10 cm土壤層團(tuán)聚體MWD顯著降低;P添加處理下10—20 cm土壤層團(tuán)聚體MWD顯著降低(P<0.05)。

2.3 氮磷添加對(duì)土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分含量與氮、磷有效率的影響

通過(guò)圖4可知,氮磷添加處理顯著影響土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分含量(P<0.05)。相比于對(duì)照,0—10 cm土壤層中,N添加使>2 mm、0.25—2 mm與0.053—0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量分別提高了19.33%、19.77%和11.69%,P添加和NP交互添加降低了SOC含量,但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不顯著。10—20 cm土壤層各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量顯著低于0—10 cm土壤層(P<0.05)。氮磷添加對(duì)0—10 cm土壤層團(tuán)聚體TN含量沒(méi)有顯著影響;相比于對(duì)照,N添加、P添加顯著提高了10—20 cm土壤層團(tuán)聚體TN含量,NP處理顯著降低了10—20 cm土壤層團(tuán)聚體TN含量(P<0.05)。氮磷添加對(duì)團(tuán)聚體TP影響總體上不顯著。與對(duì)照相比,N添加顯著提高了0—10 cm土壤層各粒級(jí)團(tuán)聚體AN含量,降低了AP含量(P<0.05)。

圖4 氮磷添加處理對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、總氮、總磷、速效氮、速效磷的影響Fig.4 Effects of N and P addition on aggregate-associated organic carbon,total nitrogen,total phosphorus,available nitrogen and available phosphorus不同大寫(xiě)字母表示同一處理不同土層間差異顯著(P<0.05)

通過(guò)表1可知,0—10 cm土壤層N添加處理下各粒級(jí)團(tuán)聚體N有效率顯著高于對(duì)照和其他處理(P<0.05);兩土層中N添加處理下各粒級(jí)團(tuán)聚體P有效率均低于對(duì)照;NP交互添加處理下10—20 cm土壤層各粒級(jí)團(tuán)聚體P有效率顯著低于對(duì)照(P<0.05)。

表1 氮磷添加處理對(duì)土壤團(tuán)聚體氮、磷有效率的影響Table 1 Effects of N and P addition on percentage of available N and P in total N and P of soil aggregates

2.4 土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分及其氮、磷有效率、地上生物量間的相關(guān)性

0—10 cm土壤層中,0.25—2 mm和0.053—0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體AN含量與AGB均顯著正相關(guān)(圖5)。由直線斜率可知,隨著AGB的增加,>2 mm團(tuán)聚體的AN含量增量最大。然而0—10 cm土壤層各粒級(jí)團(tuán)聚體AP含量與AGB沒(méi)有顯著的相關(guān)性。

圖5 0—10 cm土層不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體速效氮、速效磷含量與地上生物量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between aggregate-associated available nitrogen,available phosphorus in the soil layer of 0—10 cm and aboveground biomass NS:不顯著;*:顯著性水平P<0.05;**:顯著性水平P<0.01;***:顯著性水平P<0.001

通過(guò)圖6 可知,連續(xù)4年氮磷添加背景下兩土層團(tuán)聚體內(nèi)養(yǎng)分與N、P有效率間有顯著的相關(guān)性。0—10 cm土壤層中團(tuán)聚體SOC含量與AN含量、N有效率顯著正相關(guān),與AP含量、P有效率顯著負(fù)相關(guān);AN含量與AP含量、P有效率顯著負(fù)相關(guān);AN含量與N有效率顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.526;AP含量與P有效率顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.963;AP含量與N有效率顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。10—20 cm土壤層中,SOC與P有效率顯著正相關(guān);TN含量與N有效率顯著負(fù)相關(guān);TP含量、AN含量、AP含量、N有效率、P有效率之間分別顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖6 土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分及其N、P有效率間的相關(guān)分析Fig.6 Correlation analysis between aggregate-associated nutrients and percentage of available N and P in total N and P SOC:土壤有機(jī)碳;TN:全氮;TP:全磷;AN:速效氮;AP:速效磷

3 討論

3.1 氮磷添加對(duì)不同土壤層團(tuán)聚體粒級(jí)組成與穩(wěn)定性的影響

作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)組成可以直接影響土壤的孔隙結(jié)構(gòu),改變土壤的通氣性和滲透性,決定土壤對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,并影響土壤生產(chǎn)力[8]。而團(tuán)聚體的穩(wěn)定性代表著土壤的固碳和抗侵蝕能力[3]。MWD是評(píng)估土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo),MWD值越大,土壤平均粒徑的團(tuán)聚度越高,穩(wěn)定性越好,土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)[8]。

巴音布魯克高寒草原0—10 cm和10—20 cm土壤層均以>2 mm團(tuán)聚體占主導(dǎo),該結(jié)果與馬盼盼等[34]的研究結(jié)果相類似。土壤中>2 mm團(tuán)聚體比例越高,越利于維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[8]。但是,N添加卻顯著降低了0—10 cm土層中>2 mm團(tuán)聚體比例及團(tuán)聚體MWD(圖3),這些結(jié)果與郭虎波等[35]、Huang等[23]的研究結(jié)果一致。之所以出現(xiàn)這種結(jié)果,主要與土壤中SOC的動(dòng)態(tài)平衡有關(guān)[15]。SOC被視為土壤團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì),可以通過(guò)吸附在有機(jī)或無(wú)機(jī)粘土表面形成土壤團(tuán)聚體[12]。高N添加會(huì)加速SOC礦化分解,不利于SOC的積累,進(jìn)而阻礙土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[17]。而N添加處理下AGB的提高會(huì)增加凋落物質(zhì)量,進(jìn)而提高土壤SOC含量,可以在一定程度上抵消高N添加引起的SOC加速礦化分解[15],所以全土和各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量未發(fā)生顯著變化。N添加對(duì)>2 mm團(tuán)聚體比例和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響主要集中在0—10 cm土壤層,對(duì)10—20 cm土壤層沒(méi)有顯著影響。

本研究發(fā)現(xiàn),10—20 cm土層中,相比于對(duì)照,P添加顯著降低了>2 mm團(tuán)聚體比例以及團(tuán)聚體MWD(圖3)。這與Huang等[23]和Du等[36]的研究結(jié)果一致,即P添加會(huì)促進(jìn)大團(tuán)聚體分解為微團(tuán)聚體。Huang等[23]的研究表明P添加會(huì)改變植物的養(yǎng)分獲取策略,減少植物對(duì)地下養(yǎng)分獲取的投資,導(dǎo)致根系生物量較少,從而降低土壤碳含量。本研究中,0—10 cm土壤層P添加處理下各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC濃度低于對(duì)照,可能是P添加導(dǎo)致根系生物量與根系分泌物的減少,從而降低了表土中有機(jī)質(zhì)含量向深處輸入,不利于土壤顆粒的團(tuán)聚。另外,根據(jù)微生物N挖掘理論[37],在N有限的情況下,有些微生物通過(guò)分解土壤中難降解有機(jī)質(zhì)來(lái)滿足其對(duì)N的需求?；谶@一理論,P添加會(huì)刺激微生物生長(zhǎng),增加微生物對(duì)N的需求,增加微生物的采N量,這可能會(huì)造成對(duì)>0.25 mm團(tuán)聚體的破壞[38]。本研究中,0—10 cm土壤層P添加處理下土壤MBC含量顯著高于對(duì)照(圖2),說(shuō)明P添加增加了土壤微生物生物量,刺激了微生物生長(zhǎng),進(jìn)而有可能增加微生物對(duì)N的需求,導(dǎo)致大粒級(jí)團(tuán)聚體比例的下降。然而具體的解釋還需要量化氮磷添加下土壤團(tuán)聚體形成、穩(wěn)定和分解的轉(zhuǎn)化過(guò)程,并深入研究微生物活性的變化。

3.2 氮磷添加對(duì)不同土壤層團(tuán)聚體養(yǎng)分分布的影響

作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,土壤團(tuán)聚體主導(dǎo)著土壤養(yǎng)分積累的變化[8]。土壤團(tuán)聚體與SOC存在反饋調(diào)節(jié)機(jī)制:一方面,SOC可以作為膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定;另一方面,團(tuán)聚體可以作為SOC的物理屏障,減少微生物降解和干擾[12]。

本研究結(jié)果表明0—10 cm與10—20 cm土壤層團(tuán)聚體SOC含量存在顯著差異(圖4)。0—10 cm土壤層水熱條件好,有較高的凋落物輸入與植物根系,且微生物生物量高[12]。因此,0—10 cm土壤層各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量明顯高于10—20 cm土壤層,這與凌小莉等[12]的研究結(jié)果相同。本研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照相比,N添加處理下0—10 cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量有一定程度提高,但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不顯著(圖4)。我們推測(cè)N添加處理下土壤團(tuán)聚體SOC含量取決于初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)SOC的輸入和微生物對(duì)SOC的分解礦化作用之間的相對(duì)平衡[15]。本研究中,0—10 cm土壤層N處理下各粒級(jí)團(tuán)聚體AN含量及N有效率顯著高于對(duì)照,說(shuō)明N添加提高了土壤N有效性。而團(tuán)聚體AN含量與AGB呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5),說(shuō)明N添加通過(guò)提高AGB增加了團(tuán)聚體AN含量[39]。植物的生長(zhǎng)和凋落物的積累會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體SOC輸入的增加[40]。然而過(guò)高濃度的N添加會(huì)加速SOC的礦化,導(dǎo)致土壤中積累的SOC總量減少,抵消了植物生產(chǎn)力增加帶來(lái)的SOC含量的提高,最終使土壤中SOC含量沒(méi)有顯著變化[17]。

0—10 cm土壤層P添加處理和NP交互添加下各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量低于對(duì)照(圖4)。Li等[41]將P添加下SOC含量的降低歸因于植物細(xì)根生物量的減少,其研究認(rèn)為,在施肥條件下植物會(huì)減少對(duì)地下養(yǎng)分獲取的投入[42],導(dǎo)致根系生物量及根系分泌物的減少。0—10 cm土層P添加處理下MBC顯著低于對(duì)照,說(shuō)明P添加改變了土壤微環(huán)境,降低了土壤微生物量。P元素添加導(dǎo)致的0—10 cm土壤層團(tuán)聚體SOC和全土MBC含量的下降都表明P添加不利于土壤碳含量的提高[43]。本研究還發(fā)現(xiàn),0—10 cm土壤層團(tuán)聚體SOC含量對(duì)氮磷添加的響應(yīng)相比于10—20 cm土壤層更強(qiáng)烈。

氮磷添加未顯著改變0—10 cm土壤層各粒級(jí)團(tuán)聚體TN含量(圖4),這可能是因?yàn)榈滋砑釉黾恿酥参锖臀⑸飳?duì)無(wú)機(jī)N的吸收利用,使得土壤團(tuán)聚體TN沒(méi)有顯著變化[44]。但在10—20 cm土壤層,相比于對(duì)照,N添加和P添加顯著提高了各粒級(jí)團(tuán)聚體TN含量(圖4)。這可能是因?yàn)?相比于0—10 cm土壤層,10—20 cm土壤層植物根系少且土壤微生物量較低,植物和土壤微生物對(duì)無(wú)機(jī)N的吸收利用程度更小,使氮素在10—20 cm土壤層得以積累[44]。團(tuán)聚體中TP含量比較穩(wěn)定(圖4),對(duì)氮磷添加的響應(yīng)很小,這與Yang等[45]的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)橥寥繲P含量主要受土壤母質(zhì)的影響,而受外界影響較小[46]。

本研究還發(fā)現(xiàn),相比于對(duì)照,N添加顯著降低了各粒級(jí)團(tuán)聚體AP含量與P有效率(圖4,表1),這一作用也表現(xiàn)在圖6中0—10 cm土壤層團(tuán)聚體AN與AP,AN與P有效率,AP與N有效率,N有效率與P有效率的負(fù)相關(guān)關(guān)系中;且由于團(tuán)聚體SOC含量與AN、N有效率呈顯著正相關(guān),所以SOC與P有效性也呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)楦邼舛萅添加增加了土壤團(tuán)聚體AN的含量,促進(jìn)了植物生產(chǎn)力的提高,土壤所提供的P不足以平衡增加的N,植物需要吸收更多的P才能達(dá)到養(yǎng)分平衡[47]。N添加對(duì)團(tuán)聚體P有效性的削弱還可能與土壤酶活性、土壤微生物、植物根系分泌物等因素有關(guān),具體原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究依托全球營(yíng)養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院巴音布魯克草原生態(tài)系統(tǒng)研究站,開(kāi)展短期(4年)氮磷添加對(duì)高寒草原土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其養(yǎng)分含量的影響研究,得出以下結(jié)論:巴音布魯克高寒草原土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體整體以>2 mm粒級(jí)占主導(dǎo),有利于維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;氮磷添加對(duì)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)組成和穩(wěn)定性影響不同,N添加主要作用于0—10 cm土壤層,而P添加則主要作用于10—20 cm土壤層;0—10 cm土壤層各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量顯著高于10—20 cm土壤層;N添加加速了SOC礦化分解,降低了0—10 cm土壤層>2 mm團(tuán)聚體比例和團(tuán)聚體穩(wěn)定性,但增加了植物生物量,導(dǎo)致SOC含量沒(méi)有顯著變化;N添加驅(qū)動(dòng)了土壤N元素和P元素的再分配,分別顯著提高和降低了土壤團(tuán)聚體AN和AP的含量,P添加總體上對(duì)團(tuán)聚體養(yǎng)分影響不顯著。