陳繼輝，李炎朋，熊 雪,2，成 月，孫 逍

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 江蘇 南京 210000； 2.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193)

氮磷添加對(duì)草地土壤酸度和化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響

陳繼輝1，李炎朋1，熊 雪1,2，成 月3，孫 逍1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 江蘇 南京 210000； 2.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193)

以?xún)?nèi)蒙古溫帶草原為對(duì)象，研究了不同比例和水平的氮磷輸入對(duì)土壤pH和化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響。結(jié)果表明，與不添加氮磷的對(duì)照相比，添加氮磷的土壤pH在氮輸入大于30 g·m-2的情況下顯著降低(P<0.05)，而在不施加磷肥只施加氮肥的情況下，10 g·m-2氮輸入也顯著降低了土壤pH(P<0.05)，而且顯著低于添加磷肥的處理(P<0.05)。另外，與高比例和水平的氮磷輸入相比，低比例和水平的氮磷輸入顯著降低土壤大量元素(鉀、鈣和鎂)、微量元素(鐵、錳、銅和鋅)和毒性元素(鋁和錳)(P<0.05)，而且還降低土壤N∶P?？赡苁怯捎谠摰貐^(qū)土壤磷含量低，低氮高磷輸入緩解植物生長(zhǎng)受磷限制，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的同時(shí)，降低土壤養(yǎng)分。由此可見(jiàn)，根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分和氮輸入的量，適量添加磷可以緩解外源氮輸入對(duì)土壤pH和化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響。

土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)；外源氮輸入；土壤酸化；磷肥；微量元素；有毒元素

3.Department of Grassland Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

由于能源需求的驅(qū)動(dòng)，全球范圍內(nèi)，人類(lèi)生產(chǎn)的活性氮已經(jīng)從1860年的約1 500萬(wàn)t上升到2005年的1.87億t[1]。大量的活性氮進(jìn)入到全球的氮循環(huán)，給全球生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的威脅[2]。因而，近年來(lái)有很多學(xué)者對(duì)于氮輸入帶來(lái)的影響進(jìn)行了大量的研究。這些研究多數(shù)集中在氮輸入對(duì)陸地和海洋生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和人類(lèi)食品安全的影響[3-5]。此外，氮輸入還會(huì)引起植物生長(zhǎng)受到磷的限制，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力降低[6]。例如，郭虎波等[7]通過(guò)7年的氮添加試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮輸入增加了土壤中的總氮含量，卻造成了土壤中磷含量的降低，成為植物生長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一部分，植物和微生物等都與其存在密切聯(lián)系。因此，氮輸入對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響主要是通過(guò)其對(duì)土壤中的理化性質(zhì)和養(yǎng)分的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)內(nèi)蒙古溫帶草原的氮沉降監(jiān)測(cè)表明，當(dāng)?shù)氐牡两盗靠蛇_(dá)3.43 g·(m2·a)-1[8]。過(guò)量的氮輸入將會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，進(jìn)而影響物種多樣性和生產(chǎn)力。目前關(guān)于溫帶草原氮沉降的研究主要集中在氮輸入對(duì)土壤pH、養(yǎng)分含量、化學(xué)計(jì)量學(xué)、土壤微生物、酶活性及碳庫(kù)的影響方面[9-13]。但是，關(guān)于不同氮磷輸入對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)研究較少，而且是否合適的磷輸入會(huì)降低過(guò)多氮輸入帶來(lái)的影響也不完全清楚。

過(guò)多的氮輸入除了會(huì)引起植物生長(zhǎng)受土壤可利用磷限制[14-16]，還會(huì)引起土壤累積過(guò)多的H+。土壤會(huì)釋放一些堿性陽(yáng)離子，例如Ca2+、Mg2+和K+等，來(lái)緩沖氮輸入帶來(lái)的H+。這些失去土壤膠體束縛的陽(yáng)離子一旦遇到降水，會(huì)隨著雨水一起淋溶到地下水中。而當(dāng)土壤中這些陽(yáng)離子耗盡，土壤會(huì)釋放一些酸性陽(yáng)離子，如Al3+、Mn2+和Fe3+等來(lái)緩沖持續(xù)增加的氮沉降引起的土壤酸化，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)鋁毒和錳毒[11]。與此同時(shí)，還伴隨著土壤K、Ca和Mg等元素含量的降低[17-18]。由此可見(jiàn)，氮輸入帶來(lái)土壤H+累積是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分變化的“罪魁禍?zhǔn)住?。由于植物?duì)氮、磷的吸收存在耦合，磷肥的添加能夠調(diào)控氮沉降帶來(lái)的磷限制，促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[19]，在不同氮輸入下合理添加磷肥，在緩解植物磷限制的同時(shí)，可以促進(jìn)植物對(duì)多余氮素的吸收，可能會(huì)緩解土壤酸化[20]。因此，在使用磷肥來(lái)緩解磷限制的同時(shí)，是否會(huì)引起土壤其它理化性質(zhì)的變化，目前尚缺乏相關(guān)研究。

因此，本研究通過(guò)只添加氮肥以及添加不同水平和比值的氮肥和磷肥來(lái)探討以下內(nèi)容：1)不同氮磷輸入下土壤pH的變化；2)不同氮磷輸入下土壤大量元素碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)和微量元素鐵(Fe)、鋁(Al)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)、硼(B)和鉛(Pb)的變化及土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量學(xué)的變化。研究磷輸入對(duì)于氮沉降帶來(lái)的土壤理化性質(zhì)改變的緩解作用，為氮沉降帶來(lái)的草地退化的治理恢復(fù)提供一定的理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在蒙古草原中部的內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)試驗(yàn)站(44°10′00.2″ N， 116°28′53.9″ E)。該區(qū)域?yàn)榘敫珊荡箨懶詺夂?，每年的生長(zhǎng)季為5月-9月。年平均氣溫為0.6 ℃，月平均氣溫從1月的-21 ℃到7月的19 ℃，年均降水量為346 mm，80%的降水在生長(zhǎng)季，土壤為栗鈣土。該地區(qū)的植被群落主要為羊草(Leymuschinensis)，占總生物量的75 %以上。該區(qū)域在2013年以前是重度放牧，2013年以后，選擇了一塊空間異質(zhì)性較小的樣地進(jìn)行圍欄，從而排除其它人為管理措施的干擾。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)的氮磷添加設(shè)置了3個(gè)比例(質(zhì)量比分別為4∶1、16∶1和60∶1)，每個(gè)比例設(shè)3個(gè)添加水平以及一個(gè)對(duì)照和一個(gè)只添加氮(10 g·m-2)的處理，共計(jì)9個(gè)處理，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)(表1)，共計(jì)55個(gè)小區(qū)(4 m×4 m)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)區(qū)組包含9個(gè)處理和一個(gè)對(duì)照，小區(qū)間設(shè)有2 m的緩沖帶。由于尿素是我國(guó)常用氮肥，而且在土壤中可以在脲酶作用下快速水解成氨，然后氨進(jìn)一步硝化作用成硝酸根，常用于模擬氮沉降[21]。因此，氮肥采用尿素，磷肥采用料用過(guò)磷酸鈣。

1.3 樣品采集與理化分析

在8月中旬，使用2.5 cm的土鉆在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取五鉆土(0-10cm)，然后混合成一個(gè)樣品，利用四分法取樣。樣品帶回室內(nèi)，在通風(fēng)處陰干至恒重。挑出土壤中的石頭和植物根等雜物后，采用研缽碾碎，然后過(guò)2 mm篩，進(jìn)行理化分析。

pH：稱(chēng)取5 g風(fēng)干土樣于50 mL的錐形瓶中，用KCl(1 mol·L-1)溶液浸提(土水比為1∶5)。用便攜式pH計(jì)(PB10,Sartorius)測(cè)量。

表1 9個(gè)不同處理的氮磷肥添加量

總碳：采用C/N元素分析儀(MultiN/C2100,analyticjena)分析。

總氮：稱(chēng)取1 g風(fēng)干土樣，用濾紙包好放入消煮管中，加入催化劑和濃硫酸420 ℃消煮2 h，冷卻后采用凱氏定氮儀測(cè)量(Kjeltec8400,FOSS)。

總磷和其它元素：用風(fēng)干過(guò)篩土樣，采用硝酸和高氯酸(3∶1)進(jìn)行消解，然后采用ICP-OES(NexIONTM 300X,USA)進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

在數(shù)據(jù)分析前，先進(jìn)行方差齊性和正態(tài)性的檢驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化。不同處理間的差異采用Ttukey’s 多重比較。分析軟件采用SPSS 19.0。

2 結(jié)果

2.1 氮磷添加對(duì)于土壤pH的影響

在低氮磷比(4∶1)輸入下,盡管輸入量增加，但土壤pH無(wú)顯著變化(P>0.05)；在中氮磷比(16∶1)輸入下，低、中水平的氮磷對(duì)pH無(wú)顯著影響，而高水平的氮磷輸入導(dǎo)致pH顯著降低(P<0.05)；在高氮磷比(60∶1)輸入下，低輸入量對(duì)土壤pH也無(wú)顯著影響，但是在中、高輸入量下，pH顯著低于對(duì)照和其它處理。同時(shí)在只有氮添加的情況下，土壤pH顯著低于對(duì)照和其它不同氮磷比輸入。

圖1 不同處理下土壤pH

2.2 大量元素的響應(yīng)

在只施加氮肥情況下，土壤碳含量顯著高于對(duì)照和其它處理(P<0.05)(圖2)；除了中氮磷比例(16∶1)輸入下的低水平以及高氮磷比例(60∶1)下中水平處理間土壤碳含量差異顯著外，其它處理間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。氮磷輸入比例和水平以及添加氮對(duì)土壤大量元素基本無(wú)顯著影響，個(gè)別處理間差異顯著。比如，在高氮磷比例(60∶1)輸入下高水平的土壤K、Ca和Mg顯著高于低氮磷比例(4∶1)輸入下低水平的。

2.3 微量元素的響應(yīng)

與對(duì)照相比，除了低氮磷比(4∶1)的低水平輸入下，土壤Zn和Na的含量顯著降低外(P<0.05)(圖3)，其它氮磷處理對(duì)其余各元素?zé)o顯著影響(P>0.05)。除Pb以外，其它元素含量在高氮磷比(60∶1)的高水平輸入下顯著高于低氮磷比(4∶1)的低水平輸入下的(P<0.05)。在高氮磷比(60∶1)輸入下，隨著二者輸入量的增加除Cu外各元素含量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

2.4 C、N 和P比值的響應(yīng)

在高氮磷比(60∶1)低水平輸入下的土壤C∶N顯著高于中水平和對(duì)照的(P<0.05)，其它各處理之間無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖4)。各氮磷比下各水平處理的土壤C∶P與對(duì)照間無(wú)顯著差異，但低氮磷比(4∶1)低水平下的顯著低于中氮磷比(16∶1)中水平下的。所有處理的N∶P均與對(duì)照間無(wú)顯著差異，在氮磷比為4∶1和60∶1的低水平下，土壤N∶P顯著低于高氮磷比(16∶1)的中水平處理(P<0.05)。由此可見(jiàn)，氮磷輸入的比值和水平對(duì)于土壤C∶P的影響小于C∶N和N∶P。

圖2 不同處理下土壤大量元素的含量

3 討論與結(jié)論

土壤酸堿度是土壤重要的基本理化性質(zhì)，它直接影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性[22-23]。已有研究表明，外源氮輸入會(huì)降低土壤pH[17]，而本研究表明，僅在高氮磷比且高水平輸入量下發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的結(jié)果。分析其原因可能是磷肥使用降低了土壤氮磷比，促使植物對(duì)氮的吸收，降低土壤中氮的富集，因而減弱了對(duì)土壤pH的影響。盡管不能排除尿素在土壤水解和硝化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些溫室氣體排放，或者隨著降雨淋溶，但是本研究土壤中氮在不同處理下與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，該結(jié)果支持上面的推測(cè)。因此，高氮磷比且高水平輸入下，由于磷的限制，導(dǎo)致一些多余的氮滯留在土壤中不能被植物吸收，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤酸化。由此可見(jiàn)，適量的磷肥使用可以緩解氮輸入對(duì)土壤pH的影響。由于本研究中氮肥采用的是尿素，盡管其在土壤中會(huì)經(jīng)過(guò)水解和硝化生成氮沉降中類(lèi)似的物質(zhì)，但由于氮沉降中主要部分是銨根離子和硝酸根離子[24]，因而，磷肥使用對(duì)于氮沉降導(dǎo)致的土壤酸化可能緩解作用不一樣，值得進(jìn)一步研究。

本研究表明，外源氮的輸入，對(duì)于土壤碳、氮和磷含量無(wú)顯著影響。已有研究也發(fā)現(xiàn)氮添加對(duì)土壤碳的積累效應(yīng)不顯著[7]，但是也有個(gè)別研究發(fā)現(xiàn)氮沉降對(duì)總的土壤有機(jī)碳含量有促進(jìn)作用[24-25]。本研究測(cè)定的是土壤總碳，由于土壤酸化可能只是促進(jìn)無(wú)機(jī)碳的釋放，而土壤的總碳無(wú)顯著變化[26]。郭虎波等[7]進(jìn)行了7年的氮(尿素)添加試驗(yàn)，結(jié)果表明氮添加顯著增加了土壤的氮含量，但卻顯著降低了土壤磷含量。由于本研究同時(shí)添加了磷，可能促進(jìn)植物對(duì)土壤氮的吸收，也補(bǔ)充了土壤中的磷，因此對(duì)磷無(wú)顯著影響。目前研究認(rèn)為，氮的輸入對(duì)土壤中金屬元素的影響機(jī)制主要是通過(guò)氮沉降引起的土壤酸化，致使土壤釋放出一些可利用的堿性陽(yáng)離子和毒性金屬元素[27]，以緩沖外源氮輸入帶來(lái)的土壤酸化[17-18]。本研究表明，氮的添加對(duì)大多數(shù)金屬元素沒(méi)有顯著影響，這與劉澤睿等[28]關(guān)于氮添加和降水對(duì)土壤金屬離子影響的研究類(lèi)似?？赡苁怯捎诒狙芯繙y(cè)的是總含量。但在不同的氮磷輸入比下存在顯著差異，例如氮磷比(4∶1)與(60∶1)，這可能是低氮磷比輸入比高氮磷比輸入更能促進(jìn)植物對(duì)金屬元素的吸收。另外一方面，合適的磷肥使用可以緩解氮輸入對(duì)陽(yáng)離子的影響，但是高氮輸入下，如果只使用少量的磷肥，多余氮素不能被植物利用，可能導(dǎo)致土壤釋放陽(yáng)離子，來(lái)緩沖多余氮素帶來(lái)土壤酸化。

圖3 不同處理下土壤微量元素的含量

土壤碳、氮和磷濃度的變化會(huì)影響土壤中這些元素的比值，這些比值能夠揭示土壤中養(yǎng)分的可獲得性以及碳、氮和磷元素平衡。本研究表明，氮磷輸入對(duì)土壤的C∶N影響很小，對(duì)C∶P和N∶P影響較大，與王維奇等[29]關(guān)于人為干擾對(duì)土壤碳、氮、磷的化學(xué)計(jì)量學(xué)的影響結(jié)果類(lèi)似。在本研究中，不同處理對(duì)碳和氮的影響較磷大，是由于人為干預(yù)導(dǎo)致土壤的碳和氮變化較快，而磷的變化相對(duì)滯后[29]。前人的研究結(jié)果表明，氮的添加增加了土壤中氮的盈余，影響了植物的生長(zhǎng)[30]，本研究結(jié)果表明，不同的氮輸入會(huì)導(dǎo)致土壤氮盈余，從而使土壤酸化，影響土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的含量，而適量添加磷可以緩解氮添加帶來(lái)的不利影響。

圖4 不同處理下土壤的碳(C)，氮(N)和磷(P)化學(xué)計(jì)量學(xué)

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(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Effect of nitrogen and phosphorus addition on soil acidity and stoichiometry characteristics in a typical temperate grassland in Inner Mongolia

Chen Ji-hui1, Li Yan-peng1, Xiong Xue1，2, Cheng Yue3, Sun Xiao1

(1.College of Agro-grassland Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China；2.Hebei Normal University for Nationalities, Chengde 067000, China;

We conducted a two-year field experiment to investigate the effects of three fertilizers, each with different N∶P ratio, on soil pH and stoichiometry characteristics. Our results showed that, when compared to the control, N input (when in excess of 30 g·m-2) significantly decreased soil pH when both N and P were added. However, N input (when in excess of 10 g·m-2) also decreased soil pH when only nitrogen was added, and the value was much lower than that when treatments included addition of both N and P. Moreover, comparing to high N and low phosphate input, the low nitrogen and high phosphate input significantly decreased the concentrations of macroelements (K, Ca, and Mg), microelements (Fe, Mn, Cu, and Zn), as well as toxic elements (Al and Mn), and also decreased the soil N∶P. This is possibly due to P limited in this area, and high P low N inputs mitigate P limited on plant growth, simultaneously increased other nutrients uptake by plant, resulting in the decrease of nutrients in soil. Therefore, based on the available soil nutrients and the amount of nitrogen that is being added, appropriate addition of phosphate can mitigate the influence of nitrogen deposition on soil pH and stoichiometry characteristics.

soil stoichiometry; nitrogen input; soil acidification; phosphate fertilizer; trace element; toxic element

Sun Xiao E-mail:sunxiao1014@njau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0428

陳繼輝,李炎朋,熊雪,成月,孫逍.氮磷添加對(duì)草地土壤酸度和化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響.草業(yè)科學(xué),2017,34(5)：943-949.

Chen J H,Li Y P,Xiong X,Cheng Y,Sun X.Effect of nitrogen and phosphorus addition on soil acidity and stoichiometry characteristics in a typical temperate grassland in Inner Mongolia.Pratacultural Science，2017,34(5)：943-949.

2016-08-16 接受日期：2016-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金“氮沉降對(duì)典型草原植物葉和細(xì)根凋落物化學(xué)計(jì)量學(xué)及其分解的影響”(31501997)

陳繼輝(1991-)，男，河南信陽(yáng)人，在讀碩士生，主要從事草地生態(tài)研究。E-mail:2015120010@njau.edu.cn

孫逍(1983-)，女，安徽阜陽(yáng)人，講師，博士，主要從事草地生態(tài)研究。E-mail:sunxiao1014@njau.edu.cn

S812.2

A

1001-0629(2017)05-0943-07