短期氮磷添加对荒漠草原土壤活性有机碳的影响

张雅柔,安慧*,刘秉儒,文志林, 吴秀芝, 李巧玲, 杜忠毓

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021;2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021;3.盐池县草原实验站，宁夏 盐池 751506)

由于全球气候变化和人类活动的加剧，我国各类型草地处于不同程度的退化。对于退化草地的恢复和重建，关键在于适当的改变草地的土壤结构，提高退化草地的土壤肥力[1]。氮(nitrogen, N)和磷(phosphorus, P)是草地生态系统生产力的主要限制因子[2]。N沉降可以缓解土壤N含量不足的状况，促进植物生长，增加土壤有机碳的输入，从而影响生态系统碳循环[3-4]。草地施肥通过补充土壤所需养分，改善土壤肥力，进而增加草地初级生产力[5]。目前，合理的N、P添加已成为保护草地资源、维护草地生态系统养分平衡、恢复退化草地的重要管理措施。N或P添加能促进植物生长而增加植物总生物量[6-9]，而NP共同添加在草地生态系统表现出强的正协同效应[6,10]，导致草地生产力增加显著高于N或P添加。尤其是在N沉降下，随着N的限制作用越来越小，P的作用增大，因此开展N、P添加试验对于研究N沉降对草地生态系统结构和功能的影响十分重要[6]。

土壤活性有机碳是土壤有机质中具有较高有效性的物质，对外界干扰反应敏感，能够在土壤总有机碳变化之前反映土壤碳含量微小的变化[11]，因此成为评价土壤管理的一个重要指标。其中，土壤溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和易氧化有机碳(easily oxidized organic carbon, EOC)对施肥的响应较快，能反映土壤微生物和土壤肥力状况[12]。目前，关于N、P添加对土壤活性有机碳及其组分产生影响的研究诸多。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机碳含量[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区草地土壤溶解性有机碳含量[16-17]，增加水稻(Oryzasativa)田土壤易氧化有机碳含量[18]。也有研究表明，N添加降低了温带典型草原土壤溶解性有机碳含量[19]；P添加降低了人工林土壤微生物生物量碳含量[20]；NP共同添加对林地土壤溶解性有机碳没有影响[21]。总之，N或P添加以及NP共同添加对土壤活性有机碳的影响十分复杂，而且关于大气N沉降对土壤碳库的影响主要集中在森林和农田生态系统[22-23]，对北方草地生态系统土壤有机碳的影响研究较少[24-25]，有必要进一步研究土壤活性有机碳各组分对多种限制性养分(N、P)添加的响应程度和响应机制。

荒漠草原是干旱、半干旱区生态系统的主体部分[26]，荒漠草原生态系统中植被的繁殖、发育和生长受养分限制较为突出，尤其是N、P等营养元素[6,27]。目前，荒漠草原N、P添加的相关研究主要集中在草地生产力和化学计量特征等方面[28-31]，而N、P添加对荒漠草原土壤活性有机碳影响的研究较少。因此，本研究以宁夏荒漠草原不同养分添加处理的土壤为研究对象，研究N、P添加对荒漠草原土壤活性有机碳含量和有效率的影响，分析N、P添加后土壤碳库管理指数和敏感指数的变化，探讨N、P添加后的土壤溶解性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳对碳库管理指数的表征特征，以期为评估全球变化对生态脆弱区土壤碳库的影响以及对退化荒漠草原生态系统的恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区盐池县南部(37.31′ N, 106.93′ E, 海拔1523 m)，地处鄂尔多斯台地向黄土高原过渡地带，是荒漠草原向典型草原的过渡地带。气候属于中温带大陆性气候，年均气温为7.6 ℃，年均无霜期为165 d。年降水量300 mm，其中70%以上降水集中在6-9月，降水年际变化率大；年蒸发量2384 mm。地带性土壤主要以灰钙土(淡灰钙土)为主，非地带性土壤主要有风沙土和草甸土等。土壤结构松散，肥力较低。土壤基本理化性状为：pH 8.4，有机碳含量6.17 g·kg-1，全氮0.63 g·kg-1，全磷0.30 g·kg-1，全钾14.35 g·kg-1，碱解氮36.14 mg·kg-1，有效磷4.25 mg·kg-1，速效钾174.1 mg·kg-1。

该区植被类型有草原、沙地植被和荒漠植被，群落中常见植物种类以旱生和中旱生类型为主。荒漠草原植被主要由禾本科、菊科和豆科组成，其次为藜科、蔷薇科和百合科等。其建群种主要有长芒草(Stipabungeana)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、短翼岩黄耆(Hedysarumbrachypterum)、短花针茅(Stipabreviflora)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、砂珍棘豆(Oxytropispsamocharis)、米蒿(Artemisiadalailamae)、银灰旋花(Convolvulusammannii)、委陵菜(Potentillachinensis)等。由于干旱少雨以及基质较差，植物生长矮小，群落层片结构不明显，多呈单层。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择及试验设计 本试验依托盐池县草原实验站的荒漠草原野外观测站，选择地势平坦的区域作为试验样地。养分添加试验包括N、P添加处理，每种养分设置2个水平(添加和对照)，采用随机区组试验设计，共4种处理(CK、N添加、P添加和NP共同添加)，每种处理样地面积6×6 m2，每个处理4次重复，共16个6 m×6 m的样方(每个样方之间设置2 m缓冲带)。N、P添加试验采用草地生态系统营养物研究网络(nutrient network, NutNet; http://nutnet.umn.edu)的试验设计进行[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)。养分添加试验于2018年5月初进行施肥。选择降水前一天将肥料均匀撒施。

1.2.2土壤样品采集 2018年8月底在每个样方内采用4点取样法，按0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的层次，用直径9 cm的土钻采集土壤样品，每个样方内同层土壤混合均匀分为2份，1份装入自封袋后立即低温保存，去除枯枝和石砾，过2 mm土壤筛，用于测定土壤微生物生物量碳和溶解性有机碳；另1份带回实验室风干，去除枯枝和石砾后研磨，用于测定土壤有机碳和易氧化有机碳。

1.2.3土壤样品测定 采用重铬酸钾容量法-外加热法[33]测定土壤有机碳含量。

土壤溶解性有机碳：取20 g鲜土于盛有100 mL蒸馏水的三角瓶中，按照5∶1的比例将水土混匀，在恒温摇床振荡浸提1 h(25 ℃，250 r·min-1)后离心15 min(5500 r·min-1)，取上清液过0.45 μm微孔滤膜，用总有机碳分析仪(Vario TOC, Elementar, Langenselbold, Germany)测定其含量[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硫酸钾浸提经过24 h氯仿熏蒸与未熏蒸土样后，抽滤通过0.45 μm微孔滤膜，根据熏蒸和未熏蒸处理土壤提取液中有机碳之差除以转换系数为微生物生物量碳含量。

MBC=FC/kC

式中:FC为熏蒸与未熏蒸土壤(对照)在培养期间CO2释放量的差值；kC为转换系数(kC=0.45)。

土壤易氧化有机碳：采用KMnO4氧化法[35]。称取2 g风干土样，加入333 mmol·L-1的高锰酸钾溶液25 mL，密封振荡1 h后离心5 min(4000 r·min-1)，同时做空白对照。将上清液与去离子水按1∶250比例稀释，用分光光度计测定其在565 nm波长下的吸光度值，根据消耗的KMnO4量计算土壤易氧化有机碳的含量。

1.2.4数据的计算与处理 碳素有效率作为碳库质量的敏感指示因子可以推断碳素有效性，对评价土壤有机质和土壤肥力状况有重要意义[35-36]。

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

以对照的土壤为参考土壤，计算N、P添加处理的土壤碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI)[33,37]，进一步提高对土壤肥力的监控和管理水平[36]：

碳库指数(carbon pool index, CPI)=样品有机碳含量/参考土壤有机碳含量
碳库活度(activity, A)=活性有机碳含量/非活性有机碳含量
碳库活度指数(activity index, AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度
碳库管理指数(CPMI)=碳库指数×碳库活度指数×100=CPI×AI×100
敏感指数[38](sensitivity index, SI)=(活性有机碳含量-参考活性有机碳含量)/参考活性有机碳含量

1.3 数据分析

利用SPSS 20.0软件进行数据统计与分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)分析土壤活性有机碳含量、土壤活性有机碳有效率、土壤碳库活度和碳库管理指数在不同养分添加处理和不同土层的差异显著性。采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)分析养分添加和土壤层次对土壤活性有机碳的影响以及不同养分添加的交互作用对土壤活性有机碳的影响。用Pearson相关系数分析土壤有机碳与土壤活性有机碳各组分间的关系。

2 结果与分析

2.1 N、P添加对荒漠草原土壤活性有机碳的影响

N、P添加和土层深度及其交互作用对土壤溶解性有机碳均有极显著影响；N、P添加和土层深度对微生物生物量碳和易氧化有机碳有极显著影响，而其交互作用对土壤微生物生物量碳的含量有显著影响(表1)。P添加对0～10 cm土层土壤溶解性有机碳有极显著影响，N添加和NP交互作用对0～10 cm土层土壤微生物生物量碳含量均有极显著影响(表2)。

短期N、P添加对荒漠草原0～30 cm土层土壤有机碳、土壤溶解性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳影响显著(P<0.05，表3和图1)。10～30 cm土层土壤有机碳随着土壤深度的增加显著降低；N添加和NP共同添加显著增加0～10 cm土层土壤有机碳；P添加显著降低20～30 cm土层土壤有机碳(表3)。0～20 cm土层N添加的土壤溶解性有机碳显著高于20～30 cm土层；0～10 cm土层P添加和NP共同添加的土壤溶解性有机碳显著高于10～30 cm土层；N添加使10～30 cm土层土壤溶解性有机碳增加了54.8%～153.4%；P添加使0～20 cm土层土壤溶解性有机碳增加了75.9%～118.8%；NP共同添加使0～10 cm土层土壤溶解性有机碳增加了103.5%(图1a)。0～10 cm土层N和P添加的土壤微生物生物量碳显著高于10～30 cm土层；0～20 cm土层NP共同添加的土壤微生物生物量碳显著高于20～30 cm土层；NP共同添加使0～10 cm土层土壤微生物生物量降低了37.4%；N添加、P添加和NP共同添加分别使20～30 cm土层土壤微生物生物量碳显著降低了34.2%、30.2%和54.5%(图1b)。0～10 cm土层易氧化有机碳显著高于20～30 cm土层；NP共同添加使0～10 cm土层土壤易氧化有机碳增加了69.8%(图1c)。

表1 养分添加与土层深度对活性有机碳含量影响的双因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of the effects of nutrient addition and soil depth on soil labile organic carbon concentration

注：P<0.05表示显著，P<0.01表示极显著；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添加对0～10 cm土层土壤活性有机碳含量影响的双因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of the effects of nitrogen and phosphorous additions on soil labile organic carbon concentration

表3 N、P添加对土壤有机碳含量的影响Table 3 Effects of N and P addition on soil organic carbon concentration (g·kg-1)

注：不同大写字母表示同一土层不同养分添加处理差异显著，不同小写字母表示同一养分添加处理不同土层间差异显著(P<0.05)；平均值±标准误差；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.

图1 N、P添加对土壤活性有机碳含量的影响Fig.1 Effects of N and P addition on soil labile organic carbon concentration

图2 N、P添加对土壤活性有机碳有效率的影响Fig.2 Effects of N and P addition on soil labile organic carbon efficiency

不同大写字母表示同一土层不同养分添加处理差异显著，不同小写字母表示同一养分添加处理不同土层间差异显著(P<0.05)；平均值±标准误差；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添加对荒漠草原土壤活性有机碳有效率的影响

短期N、P添加对荒漠草原0～30 cm土层土壤溶解性有机碳有效率、微生物生物量碳有效率和易氧化有机碳有效率影响显著(P<0.05，图2)。0～10 cm土层P添加、NP共同添加的土壤溶解性有机碳有效率均显著高于其他处理；10～20 cm土层N添加、P添加的土壤溶解性有机碳有效率分别是对照的3.2和2.9倍(图2a)。0～20 cm土层土壤微生物生物量碳有效率显著高于20～30 cm；0～30 cm土层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土层NP共同添加的土壤微生物生物量碳有效率显著低于其他处理(图2b)。10～20 cm土层N添加、P添加的土壤易氧化有机碳有效率分别是对照的1.8和2.0倍(图2c)。

2.3 土壤溶解性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳对土壤碳库的表征作用

短期N、P添加对0～30 cm土层土壤溶解性有机碳活度的影响与土壤溶解性有机碳有效率一致(图2a，表4)。N添加和P添加的AI和CPMI随土层深度的增加先升高后降低。10～20 cm土层N添加和P添加的AI分别是NP共同添加的2.2和2.1倍。10～20 cm土层N添加和P添加的CPMI分别是NP共同添加的1.7和1.6倍，20～30 cm土层N添加和NP共同添加的CPMI显著高于P添加。

短期N、P添加对0～30 cm土层土壤微生物生物量碳活度的影响与土壤微生物生物量碳有效率一致(图2b，表5)。除10～20 cm外，0～30 cm土层N添加和P添加CPMI随土层深度的增加显著降低。0～30 cm土层N添加和P添加的AI分别是NP共同添加的1.6～1.7倍和1.8～2.1倍。0～30 cm土层N添加和P添加的CPMI分别是NP共同添加的1.2～1.7倍和1.3～1.9倍。

短期N、P添加对0～30 cm土层土壤易氧化有机碳活度的影响与土壤易氧化有机碳有效率一致(图2c，表6)。0～20 cm土层N添加和P添加的CPI随土层深度的增加显著降低。10～20 cm土层NP共同添加的CPI是N添加的1.3倍。10～30 cm土层NP共同添加的CPI是P添加的1.3～1.4倍。

表4 土壤溶解性有机碳对土壤碳库管理指数的表征Table 4 Characterization of soil dissolved organic carbon on carbon pool management index

2.4 N、P添加对荒漠草原土壤活性有机碳敏感指数的影响

土壤溶解性有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳均与土壤有机碳显著正相关(表7)。土壤溶解性有机碳与微生物生物量碳、易氧化有机碳显著正相关，土壤微生物生物量碳与土壤易氧化有机碳显著正相关。

活性有机碳含量的敏感指数及活性有机碳碳库活度的敏感指数、碳库管理指数的敏感指数分析表明(图3)，N添加的土壤溶解性有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数均高于土壤微生物生物量碳；10～30 cm土层N添加的土壤溶解性有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数均高于土壤易氧化有机碳；除20～30 cm外，0～30 cm土层N添加的土壤易氧化有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数均高于土壤微生物生物量碳。P添加0～20 cm土层土壤溶解性有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数均高于土壤微生物生物量碳和易氧化有机碳，而且P添加的土壤易氧化有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数均高于土壤微生物生物量碳。0～20 cm土层NP共同添加的土壤溶解性有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数高于土壤微生物生物量碳；20～30 cm土层NP共同添加的土壤易氧化有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数高于土壤微生物生物量碳和溶解性有机碳。

表5 土壤微生物生物量碳对土壤碳库管理指数的表征Table 5 Characterization of soil microbial biomass carbon on carbon pool management index

表6 土壤易氧化有机碳对土壤碳库管理指数的表征Table 6 Characterization of soil easily oxidized organic carbon on carbon pool management index

注：**表示在0.01水平上显著相关。

Note:**indicate significant correlation at 0.01 level.

图3 不同养分添加和土层深度的活性有机碳的敏感指数Fig.3 The sensitivity index of labile organic carbon in different nutrient additions and soil depths

3 讨论

土壤溶解性有机碳和微生物生物量碳来源于动植物残体、土壤腐殖质以及根系分泌物。土壤溶解性有机碳含量的变化取决于其来源和消耗之间的平衡关系。大量研究表明，养分添加能够显著提高植物的光合速率，促进植物生长，提高进入到土壤中枯枝落叶的量和根系分泌物的量，从而导致土壤溶解性有机碳含量增加[39-41]。本研究中，N添加对荒漠草原10～30 cm土层土壤溶解性有机碳的累积量有明显促进作用，与典型草原的研究结果一致[19]；P添加显著增加了荒漠草原0～10 cm土层土壤溶解性有机碳含量，但NP共同添加对其无显著影响。表明N或P添加在一定程度上促进了荒漠草原表层土壤溶解性有机碳的积累。研究发现，N添加、P添加和NP共同添加显著降低了20～30 cm土层土壤微生物生物量碳含量，且NP交互作用对0～10 cm土层土壤微生物生物量碳影响显著。土壤微生物生物量碳随着N沉降的增加而减少，与黄土丘陵区天然草地的研究结果一致[42]，这是由于在N有效性较低时，N沉降可以直接增加土壤有效N浓度，促进植物根系对碳的消耗，抑制微生物对碳的吸收，导致微生物活性降低，进而造成土壤微生物生物量碳含量降低[20,43]。此外，研究区土壤含有大量碳酸钙，P添加后易与碳酸钙作用形成难溶的三钙磷酸盐，即磷素固定[44]。添加的P有80%～95%被土壤固定后缓慢释放[44]，同时P添加促进了土壤有机碳矿化释放CO2[45]，显著增加土壤活性碳组分的分解[46]，导致微生物生物量碳含量下降。易氧化有机碳的变化取决于进入土壤的植物残体等有机碳的输入与微生物分解造成有机碳损失之间的平衡[3,47]。N添加、P添加通过影响土壤微生物群落活性和组成直接影响土壤有机质分解[48]，或通过促进地上生物量，导致易氧化有机碳的输入高于损失，增加了荒漠草原10～20 cm土层土壤易氧化有机碳有效率，表现出表层富集，与人工草地和农田施肥的研究结果一致[3,18,49]。但N或P添加对易氧化有机碳含量影响不显著，这可能与养分添加处理年限、添加量、试验地原有的养分有效性以及植被类型有关[50]。

碳库管理指数(CPMI)是反映土壤碳库动态变化的量化指标，能够较全面和动态地反映外界条件对土壤肥力和土壤质量的影响，是养分添加引起土壤有机质变化的预警指标[51-52]。利用易氧化有机碳和微生物生物量碳表征的土壤碳库管理指数随土层深度的增加整体呈下降趋势，且0～10 cm土层N添加和P添加的碳库管理指数均有提高，与施肥对半干旱地区农田碳库变化的特征一致[53-54]。本研究土壤属于碱性土壤(pH 8.4)，N、P添加不仅可以适当降低土壤的pH，改善了土壤的基本理化性状，使土壤向良性方向发展；还可以增强土壤微生物活性和胞外酶的分泌，产生正激发效应促进土壤有机质分解[48]。利用易氧化有机碳和溶解性有机碳计算N、P添加的碳库管理指数，与对照相比分别增加了9.6%～38.5%和32.3%～59.8%。说明N、P添加能提高土壤有机质的含量，改善土壤肥力，促进荒漠草原土壤恢复。

土壤溶解性有机碳、易氧化有机碳和微生物生物量碳易受植物、微生物、土壤管理措施、外界干扰的影响，能客观地反映土壤质量，成为土壤管理的良好评价指标。本研究发现，较土壤易氧化有机碳而言，N、P添加和土层深度及其交互作用对土壤溶解性有机碳和微生物生物量碳含量的影响更显著；通过各组分间的相关性分析可知，土壤活性有机碳各组分间显著正相关，其中MBC、DOC与SOC关系更为紧密，表明MBC和DOC能较好地反映出SOC的变化情况。其可能原因是，土壤微生物生物量碳是变化幅度最大的活性有机碳组分[55-56]，与土壤微生物的数量和活度密切相关，既能反映土壤有机质矿化程度和土壤养分循环状况，又能更加灵敏准确的反映养分添加对土壤有机碳的影响[21,52]；土壤溶解性有机碳的淋溶占土壤有机碳损耗的23.2%～43.8%[57]，而干旱、半干旱地区降水量较少，土壤溶解性有机碳损失较小能较好地留在土壤中。因此微生物生物量碳和溶解性有机碳能较好地反应土壤有机碳的变化。利用敏感指数可确定土壤有机碳中对养分添加反应最灵敏的碳组分[58]。本研究中0～30 cm土层土壤溶解性有机碳的各项敏感指数均高于土壤微生物生物量碳和易氧化有机碳，因此可将DOC作为宁夏荒漠草原短期N、P添加土壤中有机碳变化的指示物，与长期施肥对耕层土壤有机碳的研究结果一致[59]。主要原因可能是DOC作为土壤微生物主要的能量来源，可以缓冲土壤腐殖质的分解和根系分泌物的释放，对土壤有机质的流失有较高的敏感度[60]。

4 结论

1)短期N或P添加能显著增加荒漠草原10～20 cm土壤溶解性有机碳含量和有效率，并在一定程度上促进荒漠草原表层土壤易氧化有机碳的积累。

2)短期N、P添加能提高碳库管理指数，增加土壤有机质的含量，促进荒漠草原土壤恢复。

3)土壤溶解性有机碳对短期N、P添加反应最敏感，可作为荒漠草原短期N、P添加对土壤中有机碳变化的指示物。