氮磷添加对草地土壤酸度和化学计量学特征的影响

陈继辉，李炎朋，熊 雪,2，成 月，孙 逍

(1.南京农业大学草业学院, 江苏 南京 210000； 2.河北民族师范学院，河北 承德 067000；3.中国农业大学动物科技学院，北京 100193)

氮磷添加对草地土壤酸度和化学计量学特征的影响

陈继辉1，李炎朋1，熊 雪1,2，成 月3，孙 逍1

(1.南京农业大学草业学院, 江苏 南京 210000； 2.河北民族师范学院，河北 承德 067000；3.中国农业大学动物科技学院，北京 100193)

以内蒙古温带草原为对象，研究了不同比例和水平的氮磷输入对土壤pH和化学计量学特征的影响。结果表明，与不添加氮磷的对照相比，添加氮磷的土壤pH在氮输入大于30 g·m-2的情况下显著降低(P<0.05)，而在不施加磷肥只施加氮肥的情况下，10 g·m-2氮输入也显著降低了土壤pH(P<0.05)，而且显著低于添加磷肥的处理(P<0.05)。另外，与高比例和水平的氮磷输入相比，低比例和水平的氮磷输入显著降低土壤大量元素(钾、钙和镁)、微量元素(铁、锰、铜和锌)和毒性元素(铝和锰)(P<0.05)，而且还降低土壤N∶P。可能是由于该地区土壤磷含量低，低氮高磷输入缓解植物生长受磷限制，促进植物生长的同时，降低土壤养分。由此可见，根据当地土壤养分和氮输入的量，适量添加磷可以缓解外源氮输入对土壤pH和化学计量学特征的影响。

土壤化学计量学；外源氮输入；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)

由于能源需求的驱动，全球范围内，人类生产的活性氮已经从1860年的约1 500万t上升到2005年的1.87亿t[1]。大量的活性氮进入到全球的氮循环，给全球生态系统带来巨大的威胁[2]。因而，近年来有很多学者对于氮输入带来的影响进行了大量的研究。这些研究多数集中在氮输入对陆地和海洋生物多样性以及生态系统的稳定和人类食品安全的影响[3-5]。此外，氮输入还会引起植物生长受到磷的限制，进而导致生态系统生产力降低[6]。例如，郭虎波等[7]通过7年的氮添加试验，结果发现氮输入增加了土壤中的总氮含量，却造成了土壤中磷含量的降低，成为植物生长的限制性营养元素。土壤作为陆地生态系统的一部分，植物和微生物等都与其存在密切联系。因此，氮输入对生态系统的影响主要是通过其对土壤中的理化性质和养分的影响来实现的。对内蒙古温带草原的氮沉降监测表明，当地的氮沉降量可达3.43 g·(m2·a)-1[8]。过量的氮输入将会导致土壤酸化，进而影响物种多样性和生产力。目前关于温带草原氮沉降的研究主要集中在氮输入对土壤pH、养分含量、化学计量学、土壤微生物、酶活性及碳库的影响方面[9-13]。但是，关于不同氮磷输入对草地生态系统研究较少，而且是否合适的磷输入会降低过多氮输入带来的影响也不完全清楚。

过多的氮输入除了会引起植物生长受土壤可利用磷限制[14-16]，还会引起土壤累积过多的H+。土壤会释放一些碱性阳离子，例如Ca2+、Mg2+和K+等，来缓冲氮输入带来的H+。这些失去土壤胶体束缚的阳离子一旦遇到降水，会随着雨水一起淋溶到地下水中。而当土壤中这些阳离子耗尽，土壤会释放一些酸性阳离子，如Al3+、Mn2+和Fe3+等来缓冲持续增加的氮沉降引起的土壤酸化，导致土壤出现铝毒和锰毒[11]。与此同时，还伴随着土壤K、Ca和Mg等元素含量的降低[17-18]。由此可见，氮输入带来土壤H+累积是导致土壤养分变化的“罪魁祸首”。由于植物对氮、磷的吸收存在耦合，磷肥的添加能够调控氮沉降带来的磷限制，促进植物对养分的吸收[19]，在不同氮输入下合理添加磷肥，在缓解植物磷限制的同时，可以促进植物对多余氮素的吸收，可能会缓解土壤酸化[20]。因此，在使用磷肥来缓解磷限制的同时，是否会引起土壤其它理化性质的变化，目前尚缺乏相关研究。

因此，本研究通过只添加氮肥以及添加不同水平和比值的氮肥和磷肥来探讨以下内容：1)不同氮磷输入下土壤pH的变化；2)不同氮磷输入下土壤大量元素碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)和微量元素铁(Fe)、铝(Al)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、硼(B)和铅(Pb)的变化及土壤碳氮磷化学计量学的变化。研究磷输入对于氮沉降带来的土壤理化性质改变的缓解作用，为氮沉降带来的草地退化的治理恢复提供一定的理论支持。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

试验在蒙古草原中部的内蒙古大学生态试验站(44°10′00.2″ N， 116°28′53.9″ E)。该区域为半干旱大陆性气候，每年的生长季为5月-9月。年平均气温为0.6 ℃，月平均气温从1月的-21 ℃到7月的19 ℃，年均降水量为346 mm，80%的降水在生长季，土壤为栗钙土。该地区的植被群落主要为羊草(Leymuschinensis)，占总生物量的75 %以上。该区域在2013年以前是重度放牧，2013年以后，选择了一块空间异质性较小的样地进行围栏，从而排除其它人为管理措施的干扰。

1.2 试验设计与方法

本试验的氮磷添加设置了3个比例(质量比分别为4∶1、16∶1和60∶1)，每个比例设3个添加水平以及一个对照和一个只添加氮(10 g·m-2)的处理，共计9个处理，每个处理5个重复(表1)，共计55个小区(4 m×4 m)。采用随机区组设计，每个区组包含9个处理和一个对照，小区间设有2 m的缓冲带。由于尿素是我国常用氮肥，而且在土壤中可以在脲酶作用下快速水解成氨，然后氨进一步硝化作用成硝酸根，常用于模拟氮沉降[21]。因此，氮肥采用尿素，磷肥采用料用过磷酸钙。

1.3 样品采集与理化分析

在8月中旬，使用2.5 cm的土钻在每个小区随机取五钻土(0-10cm)，然后混合成一个样品，利用四分法取样。样品带回室内，在通风处阴干至恒重。挑出土壤中的石头和植物根等杂物后，采用研钵碾碎，然后过2 mm筛，进行理化分析。

pH：称取5 g风干土样于50 mL的锥形瓶中，用KCl(1 mol·L-1)溶液浸提(土水比为1∶5)。用便携式pH计(PB10,Sartorius)测量。

表1 9个不同处理的氮磷肥添加量

总碳：采用C/N元素分析仪(MultiN/C2100,analyticjena)分析。

总氮：称取1 g风干土样，用滤纸包好放入消煮管中，加入催化剂和浓硫酸420 ℃消煮2 h，冷却后采用凯氏定氮仪测量(Kjeltec8400,FOSS)。

总磷和其它元素：用风干过筛土样，采用硝酸和高氯酸(3∶1)进行消解，然后采用ICP-OES(NexIONTM 300X,USA)进行测定。

1.4 数据处理与分析

在数据分析前，先进行方差齐性和正态性的检验。如果数据不符合正态分布，进行对数转化。不同处理间的差异采用Ttukey’s 多重比较。分析软件采用SPSS 19.0。

2 结果

2.1 氮磷添加对于土壤pH的影响

在低氮磷比(4∶1)输入下,尽管输入量增加，但土壤pH无显著变化(P>0.05)；在中氮磷比(16∶1)输入下，低、中水平的氮磷对pH无显著影响，而高水平的氮磷输入导致pH显著降低(P<0.05)；在高氮磷比(60∶1)输入下，低输入量对土壤pH也无显著影响，但是在中、高输入量下，pH显著低于对照和其它处理。同时在只有氮添加的情况下，土壤pH显著低于对照和其它不同氮磷比输入。

图1 不同处理下土壤pH

2.2 大量元素的响应

在只施加氮肥情况下，土壤碳含量显著高于对照和其它处理(P<0.05)(图2)；除了中氮磷比例(16∶1)输入下的低水平以及高氮磷比例(60∶1)下中水平处理间土壤碳含量差异显著外，其它处理间均无显著差异(P>0.05)。氮磷输入比例和水平以及添加氮对土壤大量元素基本无显著影响，个别处理间差异显著。比如，在高氮磷比例(60∶1)输入下高水平的土壤K、Ca和Mg显著高于低氮磷比例(4∶1)输入下低水平的。

2.3 微量元素的响应

与对照相比，除了低氮磷比(4∶1)的低水平输入下，土壤Zn和Na的含量显著降低外(P<0.05)(图3)，其它氮磷处理对其余各元素无显著影响(P>0.05)。除Pb以外，其它元素含量在高氮磷比(60∶1)的高水平输入下显著高于低氮磷比(4∶1)的低水平输入下的(P<0.05)。在高氮磷比(60∶1)输入下，随着二者输入量的增加除Cu外各元素含量呈现出增加的趋势。

2.4 C、N 和P比值的响应

在高氮磷比(60∶1)低水平输入下的土壤C∶N显著高于中水平和对照的(P<0.05)，其它各处理之间无显著差异(P>0.05)(图4)。各氮磷比下各水平处理的土壤C∶P与对照间无显著差异，但低氮磷比(4∶1)低水平下的显著低于中氮磷比(16∶1)中水平下的。所有处理的N∶P均与对照间无显著差异，在氮磷比为4∶1和60∶1的低水平下，土壤N∶P显著低于高氮磷比(16∶1)的中水平处理(P<0.05)。由此可见，氮磷输入的比值和水平对于土壤C∶P的影响小于C∶N和N∶P。

图2 不同处理下土壤大量元素的含量

3 讨论与结论

土壤酸碱度是土壤重要的基本理化性质，它直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性[22-23]。已有研究表明，外源氮输入会降低土壤pH[17]，而本研究表明，仅在高氮磷比且高水平输入量下发现类似的结果。分析其原因可能是磷肥使用降低了土壤氮磷比，促使植物对氮的吸收，降低土壤中氮的富集，因而减弱了对土壤pH的影响。尽管不能排除尿素在土壤水解和硝化过程中会产生一些温室气体排放，或者随着降雨淋溶，但是本研究土壤中氮在不同处理下与对照相比无显著差异，该结果支持上面的推测。因此，高氮磷比且高水平输入下，由于磷的限制，导致一些多余的氮滞留在土壤中不能被植物吸收，进一步导致土壤酸化。由此可见，适量的磷肥使用可以缓解氮输入对土壤pH的影响。由于本研究中氮肥采用的是尿素，尽管其在土壤中会经过水解和硝化生成氮沉降中类似的物质，但由于氮沉降中主要部分是铵根离子和硝酸根离子[24]，因而，磷肥使用对于氮沉降导致的土壤酸化可能缓解作用不一样，值得进一步研究。

本研究表明，外源氮的输入，对于土壤碳、氮和磷含量无显著影响。已有研究也发现氮添加对土壤碳的积累效应不显著[7]，但是也有个别研究发现氮沉降对总的土壤有机碳含量有促进作用[24-25]。本研究测定的是土壤总碳，由于土壤酸化可能只是促进无机碳的释放，而土壤的总碳无显著变化[26]。郭虎波等[7]进行了7年的氮(尿素)添加试验，结果表明氮添加显著增加了土壤的氮含量，但却显著降低了土壤磷含量。由于本研究同时添加了磷，可能促进植物对土壤氮的吸收，也补充了土壤中的磷，因此对磷无显著影响。目前研究认为，氮的输入对土壤中金属元素的影响机制主要是通过氮沉降引起的土壤酸化，致使土壤释放出一些可利用的碱性阳离子和毒性金属元素[27]，以缓冲外源氮输入带来的土壤酸化[17-18]。本研究表明，氮的添加对大多数金属元素没有显著影响，这与刘泽睿等[28]关于氮添加和降水对土壤金属离子影响的研究类似。可能是由于本研究测的是总含量。但在不同的氮磷输入比下存在显著差异，例如氮磷比(4∶1)与(60∶1)，这可能是低氮磷比输入比高氮磷比输入更能促进植物对金属元素的吸收。另外一方面，合适的磷肥使用可以缓解氮输入对阳离子的影响，但是高氮输入下，如果只使用少量的磷肥，多余氮素不能被植物利用，可能导致土壤释放阳离子，来缓冲多余氮素带来土壤酸化。

图3 不同处理下土壤微量元素的含量

土壤碳、氮和磷浓度的变化会影响土壤中这些元素的比值，这些比值能够揭示土壤中养分的可获得性以及碳、氮和磷元素平衡。本研究表明，氮磷输入对土壤的C∶N影响很小，对C∶P和N∶P影响较大，与王维奇等[29]关于人为干扰对土壤碳、氮、磷的化学计量学的影响结果类似。在本研究中，不同处理对碳和氮的影响较磷大，是由于人为干预导致土壤的碳和氮变化较快，而磷的变化相对滞后[29]。前人的研究结果表明，氮的添加增加了土壤中氮的盈余，影响了植物的生长[30]，本研究结果表明，不同的氮输入会导致土壤氮盈余，从而使土壤酸化，影响土壤中营养元素的含量，而适量添加磷可以缓解氮添加带来的不利影响。

图4 不同处理下土壤的碳(C)，氮(N)和磷(P)化学计量学

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(责任编辑 苟燕妮)

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

陈继辉,李炎朋,熊雪,成月,孙逍.氮磷添加对草地土壤酸度和化学计量学特征的影响.草业科学,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

国家自然科学基金“氮沉降对典型草原植物叶和细根凋落物化学计量学及其分解的影响”(31501997)

陈继辉(1991-)，男，河南信阳人，在读硕士生，主要从事草地生态研究。E-mail:2015120010@njau.edu.cn

孙逍(1983-)，女，安徽阜阳人，讲师，博士，主要从事草地生态研究。E-mail:sunxiao1014@njau.edu.cn

S812.2

A

1001-0629(2017)05-0943-07