氮磷肥料的添加对盐碱旱田有机碳矿化和激发效应的影响

汤 洁， 陈静书， 李昭阳， 王静静， 杨 平

(吉林大学新能源与环境学院， 长春130021)

有研究发现，在农田生态系统中，施肥会影响SOC的矿化速率，影响有机质结构的稳定性，进而影响有机质的降解和积累[7]。在农业生产中，依赖大量的无机氮肥投入来维持作物产量[8]，磷肥的用量虽少，但必不可缺，也不能过量[9]。氮和磷是植物生长所需的基本元素，施加氮肥和磷肥能够改变植物多样性以及群落组成[10]，提高微生物活性，促进碳循环过程[11]，增加SOC积累。当前关于添加氮、磷对SOC矿化的影响研究仍有争议。有研究表明，氮添加会抑制原有SOC的分解[12]。而有些研究表明，氮添加会促进SOC分解或对SOC分解没有影响[13-14]。有研究发现，磷对微生物活动有直接影响，添加磷使得微生物群落规模增加[15]，从而促进SOC矿化。而有研究发现，在低生产力森林土壤中，磷对微生物呼吸有抑制作用[16-17]。尽管氮、磷的利用可能是有机碳矿化的重要机制，但这种可能性仍然需要广泛实验研究[1]。

激发效应是加入外源物后SOC周转的强烈变化，加入外源物可能促进SOC的矿化，也可能抑制SOC的矿化[18]。这一现象是土壤元素、土壤理化性质与外源物质交互作用的结果。激发效应理论认为，在贫瘠的土壤中，添加外源物会增加天然有机碳的分解，从而为微生物提供所需的额外营养物质[19]。氮肥和磷肥是农田土壤中较为常见的外源添加物，SOC激发效应对不同氮、磷添加物的响应不同。基于此，通过实验室模拟实验，研究氮、磷添加对盐碱旱田SOC矿化和激发效应的影响，对揭示SOC矿化机制和了解碳循环过程有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

于2018年5月进行现场采集，研究区位于吉林省西部，采样点地理坐标如表1所示。吉林西部属于温带大陆性季风气候，夏季湿热多雨，冬季寒冷降雪少、冰冻期长，年平均气温为6.5 ℃，年平均降水量约为400 mm，年蒸发量远高于降水量，平均相对湿度约为60%[20]，日照总时数为2 366.8～2 617.7 h。

表1 采样点位置及土壤基础性质Table 1 Sampling point location and basic properties

1989年和2018年的吉林西部土地利用变化如图1所示。研究区在历史上曾是丰美的大草原，游牧民族广泛居住在此。近30年来，在自然和人为因素的双重驱动下，土地利用类型发生了巨大变化，土地景观破碎[21]，草地退化，耕地面积增加，土壤盐碱化严重，盐碱草地逐渐演变为盐碱旱田。研究区旱田以种植玉米为主，为满足粮食增产的需求，氮肥和磷肥的施用大大增加，SOC矿化作用增强，土壤环境进一步恶化。

图1 吉林西部1989年与2018年土地利用变化Fig.1 Land use change in Western Jilin from 1989 and 2018

1.2 土壤样品预处理

采集0～15 cm表层土壤，去除肉眼可见的动植物残体、混匀，一部分于4 ℃冷藏保存用于培养试验，另一部分在室温下自然风干，研磨过筛(2、0.15 mm)，用于测量土壤理化性质。

1.3 培养实验设计

使用碱液吸收法测定SOC矿化产生的CO2含量[22]。称取定量的风干土样，调节含水量至40%，均匀铺于500 mL广口瓶底部。随后进行外6组添加处理，分别为200 mgN/kg干土的(NH4)2SO4(N1)、1 000 mgN/kg干土的(NH4)2SO4(N2)、200 mgN/kg干土的KNO3(N3)、200 mgP/kg干土的KH2PO4(P1)、1 000 mgP/kg干土的KH2PO4(P2)以及空白对照(CK)。其中，当地净氮输入量分别为200 mg/kg，与低浓度添加设置对应。将添加物用少量水溶解后，均匀加入广口瓶中，调节含水量至45%。再将盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液吸收瓶悬置于广口瓶中，密封广口瓶，于25 ℃恒温箱内培养。在试验开始后的第1、2、4、9、18、32 d时更换吸收瓶，吸收瓶中加入1 mol/L BaCl2溶液2 mL，加1滴酚酞指示剂，用标准酸(约0.05 mol/L HCl)滴定至褪色，测得NaOH吸收的CO2含量，同时用称量法进行土壤含水量的调整。将培养分为3个阶段，分别为培养前期(0～9 d)、培养中期(9～18 d)和培养后期(18～32 d)。在培养后期，CO2释放量大量增加，可适当调节吸收瓶中NaOH溶液浓度，避免CO2吸收不完全。

1.4 土壤盐碱程度的测定

选用电位法测量酸碱度(potential of hydrogen，pH)和电导率(electroconductibility，EC)，EDTA-乙酸铵盐交换法测量阳离子交换量(cation exchange capacity，CEC)，火焰光度法测量可交换性钠离子浓度(Na+)，并通过式(1)计算碱化度(exchangeable sodium percentage，ESP)：

(1)

1.5 SOC矿化指标的计算

1.5.1 SOC矿化量

CK组和添加组SOC矿化量计算公式为

MC=(V0-V)CHCl22m

(2)

式(2)中：MC为CK组SOC矿化量，mg/kg；CHCl为盐酸浓度，mol/L；V0为空白滴定值，mL；V为消耗盐酸的体积，mL；22为1/2MCO2，MCO2为CO2的物质的量；m是实际培养土样质量换算值。

Ma=(CNaOHV′-CHClV)22m

(3)

式(3)中：Ma为添加组SOC矿化量，mg/kg；V′为小烧杯NaOH体积，mL。

1.5.2 SOC矿化速率

SOC矿化速率计算公式为

(4)

式(4)中：Mr为矿化速率，mg/(kg·d)；Md为培养期间有机碳矿化量，mg/kg；D为培养天数，d。

1.5.3 激发效应

激发效应计算公式为[23]

(5)

式(5)中：Pe为激发效应，%；Q1为来自加入外源物后SOC矿化释放的CO2量，mg/kg；Q2为空白的SOC矿化释放的CO2量，mg/kg。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

H1、H2和H3表示研究区3个样地，土壤基础理化性质如表1所示。作为评价盐碱程度的重要指标，pH、EC和ESP在3个样地的大小分布均为H3>H1>H2。土壤总碳和总有机碳含量与盐碱程度成反比，其大小分布均为H2>H1>H3。H1、H2、H3样地土壤含水率分别为10.4%、15.7%、13.6%，土地开发年限分别为16、36、11 a。有研究认为，土壤盐碱程度随着开发年限的增加而减弱[24-25]，这与本研究实验结果相同，3样地盐碱程度与开发年限呈反比。由此可见，研究选择样地土壤的理化性质完全不同。

2.2 表面形态结构分析

使用激光共聚焦扫描电镜，对土样进行扫描，土壤表面形态如图2所示，分别为H1、H2、H3样地土壤颗粒放大至40 μm时的形态。从整体来看，研究区土壤颗粒形状不规则，大小不一；从局部来看，H1、H2样地土壤颗粒较大，土壤结构呈块状，土壤颗粒表面粗糙，有细块状、薄片状颗粒物附着，附着物大多表现出一定的聚集；H3样地土壤颗粒较小，表面比较光滑，附着细小的层状或片状颗粒物较多。

图2 供试样地土壤的扫描电子显微镜图Fig.2 Scanning electron micrograph of soil samples

2.3 不同处理对SOC矿化量的影响

不同处理的SOC矿化累积随培养时间的变化规律如图3所示，添加氮、磷使得SOC矿化累积显著增加。随着培养时间延长，SOC矿化量逐渐增加。在培养前期，各样地不同添加处理的SOC矿化没有明显差距。在培养中期，SOC矿化累积迅速增加。在培养后期，CK组SOC矿化累积达598.7、373.5、538.33 mg/kg，添加氮、磷使得矿化累积增加了211.0%～876.5%，H1、H2样地N2组矿化累积略微降低，不同处理H1的矿化累积的大小为P2>N3>N2>P1>N1>NP>CK，H2为N3>P2>N2>P1>N1>NP>CK，H3为N2>P2>N3>NP>P1>N1>CK，N2、P2和N3组表现出明显优势。

图3 培养期间不同处理组SOC矿化累积Fig.3 Changes of SOC mineralization in different groups during incubation

2.4 不同处理对SOC矿化速率的影响

培养期间不同处理SOC矿化速率变化规律如图4所示。添加氮、磷强烈刺激了SOC的矿化速率，培养0～1 d，CK组的矿化速率为164.8、60.4、112.6 mg/(kg·d)，添加组矿化速率增加了146.7%～786.3%。SOC矿化速率在培养前期迅速下降，P1组的矿化速率和斜率最大[图4(e)]，但P2组在第2天略微升高[图4(f)]，N2组随培养时间延长速率曲线略微波动[图4(c)]。随着培养时间延长，各组SOC矿化速率逐渐下降趋于平缓，培养结束后，CK组的矿化速率降至42.8、26.7、38.4 mg/(kg·d)，各样地矿化速率仍增加了211.0%～770.5%。

图4 培养期间不同处理组SOC矿化速率Fig.4 Changes of SOC mineralization rate in different groups during incubation

2.5 不同处理对激发效应的影响

通过定量化SOC矿化速率的大小和方向，得到激发效应的变化规律如图5所示。在培养期间，各样地不同添加的激发效应均产生了正激发效应。与培养前期相比，N1、P1组激发效应在培养后期略微减弱[图5(a)，图5(d)]，其他组略微升高无明显趋势。培养结束后，各处理组激发效应大小均为：H2>H3>H1。在培养期间内，各样地激发效应大小均为，N2组最大。说明添加N2对SOC矿化的激发效应响应更明显。

图5 培养期间不同处理组激发效应的变化Fig.5 Changes of priming effect of different treatments during incubation

各样地在不同添加下的激发效应变化规律相似，H1样地在培养的0～4 d迅速上升后趋于平缓；H2样地在培养的0～4 d迅速下降，随着培养时间延长，激发效应逐渐增加；H3样地在0～1 d略微下降，随培养时间延长逐渐上升趋于平缓。

2.6 盐碱程度对SOC矿化和激发效应的影响

通过相关性分析，研究原生土壤盐碱程度对SOC矿化作用和激发效应的影响，培养期间不同处理组SOC矿化作用与盐碱程度的显著相关性结果如表2所示，激发效应与盐碱程度的显著相关性结果如表3所示。

表2 各处理组SOC矿化与盐碱程度的显著相关性结果Table 2 The significance correlation between the SOC mineralization and soil salinization in different treatment groups

表3 各处理组激发效应与盐碱程度的显著相关性结果Table 3 The significance correlation between priming effect and soil salinization in different treatment groups

培养2～4 d，N1、P2组SOC矿化作用与EC、ESP显著负相关(P<0.05、P<0.01)；在培养的9～18 d，N2组SOC矿化作用与pH显著负相关(P<0.05)，P2组SOC矿化作用与EC、ESP显著负相关(P<0.05)；在培养的18～32 d，P1组SOC矿化作用与ESP显著负相关(P<0.05)。激发效应与土壤盐碱程度的显著相关性结果集中于培养的9～18 d，N2、P2组激发效应与pH呈显著负相关(P<0.05、P<0.01)，N3、P1组激发效应与EC、ESP呈显著负相关(P<0.05)。

3 讨论

近年来，随着人口增长，粮食需求大大增加。氮和磷是农作物生长的必要元素，为了提高作物产量，过量施用氮肥、磷肥的现象普遍存在。有研究发现，过量施用氮肥会刺激SOC产生大量矿化，导致SOC损失[26]。在本研究中，添加氮使得SOC矿化累积增加了2～8倍，这是因为氮的可利用性被增强，受氮限制的微生物活性提高，使得SOC矿化累积增加[26]。当前大多数研究认为，土壤缺磷会导致土壤矿化能力显著降低，添加磷有利于SOC矿化[27]，这与本研究的结果一致。在本研究中，添加磷使得SOC矿化累积增加了2～7倍，这是由于添加磷使得土壤中磷的含量增加，可溶性有机碳含量提高，SOC矿化累积增加[26, 28]。添加氮比添加磷对SOC矿化累积的刺激更大，这是因为添加氮使得碱性土壤pH降低，改善了土壤环境，促进了有机碳的分解[19]；此外，研究区土壤含有大量的碳酸盐(如Na2CO3、CaCO3等)，磷添加后容易形成难溶的三钙磷酸盐，导致磷释放缓慢[27]，对有机碳矿化的响应减弱。

有研究认为，少量氨态氮的输入会促进SOC矿化累积，而高浓度的氨态氮输入会抑制SOC的矿化累积[29]。在本研究中，高浓度的氮输入并没有抑制SOC矿化作用，虽然N2组矿化累积量略有降低，但这是由于高浓度的氮和硫酸根离子对微生物活性有抑制作用，在一定程度上削减了SOC矿化累积；此外，由于研究区土壤碱化程度高，在培养后期，(NH4)2SO4发生硝化反应，造成氮素损失，SOC>矿化累积略微降低。

在本研究中，各样地SOC矿化速率大体呈先快速降低，后缓慢下降趋于平缓的变化规律。在培养前期，土壤中易分解的组分含量较高，大量营养物质迅速释放，提高了土壤中微生物活性[30]，SOC产生正激发效应，矿化速率增加；随着培养时间的延长，微生物开始利用惰性有机碳，CO2排放量减少，矿化速率随之减缓[31]；在培养后期，活性有机碳消耗殆尽[32]，矿化速率趋于平缓。

有研究表明，贫瘠的土壤更易产生激发效应[19]。当土壤氮、磷含量较高时，SOC矿化的激发效应增大[33-34]。在本研究中添加氮、磷产生了正激发效应，SOC矿化速率显著提高(图4、图5)。原因可能是：一方面，氮、磷作为作物生长的必要元素，添加氮、磷刺激了SOC分解，导致正激发效应明显；另一方面，由于研究区土壤盐碱程度大，有机碳含量低，一些微生物在维持“代谢警觉”的细胞状态方面投入的能量很低，它们对底物的反应比对休眠细胞的反应更快，添加营养物使细菌的更替加快，从而触发了正激发效应[35]，SOC矿化速率增强。

水分通过影响微生物活性和微生物与有机质的有效接触，进而影响土壤SOC矿化作用[36]。N2和P2组矿化速率略微波动，这可能是由于土样重新加水后，增加了土壤通气性，细胞破裂，渗透物释放，SOC产生了激发效应，有机碳矿化速率短暂增强[37]。

已有研究证明，盐碱会抑制SOC矿化作用[38]。在本研究中，盐碱程度、SOC矿化作用和激发效应表现出显著负相关(P<0.05)。原因如下：①土壤盐碱程度越强，土壤表面越光滑(图3)，土壤表面粗糙程度与吸附能力强弱有一定相关性[39]，在一定程度上影响了土壤对氮、磷的吸附；②土壤有机质是土壤团聚化作用的主要影响因子，而研究区土壤盐碱程度大，土壤有机质含量低，土壤结构较差，不利于土壤团聚体的形成，阻碍了氮、磷水溶液与土壤的细小颗粒结合形成团聚体[40-41]，SOC矿化作用减弱；③大量研究表明，pH是影响微生物群落结构的重要因子，pH过高或过低都会抑制微生物的活性[42]，而EC过高可能对SOC矿化、微生物种群产生负面影响[43]。综上所述，当盐碱程度较高时(pH>8.5，EC>1.81 mS/cm，ESP>20%)，会破坏土壤的物理性，土壤结构较差，微生物活性受到抑制，SOC矿化作用减弱。

添加氮、磷会提高盐碱土壤pH，改善土壤环境，增加SOC矿化作用，但大量施用氮肥和磷肥，会加速SOC的分解，导致土壤肥力降低，温室气体过度释放。因此，对于SOC含量较低、盐碱化程度较高的土壤CO2排放问题应被关注。

4 结论

(1)不同氮、磷添加处理，均促进了盐碱旱田SOC矿化累积，且同一添加物浓度越高，矿化累积越大，N2、P2和N3对SOC矿化作用的刺激更大。

(2)在培养前期，添加氮、磷使得盐碱旱田SOC矿化速率大大增加，正激发效应剧烈变化，随着培养时间延长，各样地矿化速率迅速降低后趋于平缓，矿化速率增幅降低，正激发效应趋于平缓。

(3)在不同培养阶段，不同处理组的SOC矿化、激发与盐碱程度显著负相关(P<0.05)，pH、EC和ESP越大，SOC矿化作用越小，正激发效应越弱。

(4)添加氮肥和磷肥，改善了盐碱旱田的土壤环境，为作物生长提供了更多的养分，但过度施用氮肥和磷肥，会加速SOC矿化作用，导致SOC储量降低，土壤肥力下降，温室效应加剧。