【论文】长期氮磷添加对青藏高原高寒草甸土壤有机碳物理组分和化学组成的不同作用

点击上方蓝字关注“公众号”

本文字数：2174字

阅读时间：7分钟

研究背景

氮和磷被认为是陆地生态系统植物生长的主要限制性元素，对维持生态系统结构和功能起到至关重要的作用。自工业革命以来，人类的生产活动导致了大量外源氮磷向土壤的输入，这对陆地生态系统的初级生产力、有机质分解和土壤碳固存等诸多方面产生了较大影响。土壤有机碳(SOC)库是陆地碳库的主要组成部分, 在陆地碳循环研究中发挥着重要作用。因此，在大气氮磷沉降以及施肥增加的背景下，土壤SOC组分和含量的改变可能会影响全球生态系统的碳平衡。然而，至今关于长期氮磷添加对土壤SOC不同组分的影响和潜在的调控机制尚不清楚。

事实上，土壤有机质的成分非常复杂，由多种物理和化学性质不同的库所构成。研究表明，通过湿筛法和不同粒径可以将SOC分为颗粒态有机碳(POC, >53 μm)和矿物结合态有机碳(MAOC, <53 μm)。利用固体13C核磁共振技术可以测定SOC的化学组成(如烷基碳，alkyl C；烷氧碳，O-alkyl C；芳香碳，aromatic C；羟基碳，carbonyl C)。以上两种方法(尤其是前者)现在被认为是方便可行且被广泛认可的土壤有机碳分组方法。

由于具有不同的化学或物理属性，土壤有机碳的不同组分对养分添加的响应通常也会不同。已有研究证明，相对不稳定的POC的含量会受到植物生产力变化的显著影响，而相对更稳定的MAOC的变化则与土壤中金属阳离子(如Ca²⁺Fe³⁺或)及微生物残体的改变有关。此外，氮添加对土壤酶活性及细菌生物量的提高，会导致易分解的O-alkyl C的快速分解，从而降低其在土壤有机碳中的比例；而难分解的aromatic C会随着氮添加的进行呈现先上升后降低的趋势。综上所述，有机碳不同组分对于揭示养分添加对土壤总有机碳的变化是十分重要的，同时，在探究氮磷添加对不同土壤有机碳库的影响的过程中有必要区分植物、微生物和地球化学因素的多种影响途径。

青藏高原是世界上海拔最高的高原，其土壤碳储量巨大，对气候变化和外界干扰敏感，在全球碳平衡中起着重要作用。本研究基于海北高寒草甸生态系统定位站的长期氮磷添加平台，探讨了土壤有机碳物理组分和化学组成对氮磷添加的响应。研究假设：(1)相对不稳定POC和易分解O-alkyl C比稳定的MAOC和难分解的alkyl C或 aromatic C对氮、磷添加的响应更敏感；(2)氮添加通过增加植物碳输入促进POC积累，磷添加通过抑制有机质的分解提高POC含量；(3)植物输入的增加和微生物分解的增强最终会导致土壤总有机碳在氮/磷处理下没有显著改变。

材料与方法

本研究采用两因素(氮和磷)随机区组实验设计，施肥处理包括：C，对照(不施肥)；N，施氮(10 g N m^-2 year^-1，尿素)；P，施磷(5 g P m^-2 year^-1，重过磷酸钙)；NP，施氮和磷(10 g N m^-2 year^-1和5 g P m^-2 year^-1)。每个处理6个重复。在施肥处理10年后(2009-2018)，测定了植物生物量，植物地上部分以及根系的碳氮磷含量，表层(0-10 cm)矿质土壤的基础理化指标，微生物群落组成(PLFA)和生物量，土壤有机碳的物理组分和化学组成。通过混合线性效应模型(氮、磷为主因子，区组为随机因子)、主成分以及多元方差分析探究了氮、磷及其交互作用对以上指标的影响。基于混合线性效应模型的结果，我们发现氮、磷对土壤、植物和微生物各指标(除微生物生物量外)的交互作用均不显著(P > 0.05)，因此本研究重点研究氮和磷的主效应(氮添加和不加氮；磷添加和不加磷)的作用。

结果&讨论

研究结果表明，长期氮、磷添加对总SOC和 MAOC的含量均没有显著影响(图1)。但是，磷添加提高了土壤POC的含量，这主要是由于在植物生物量没有被显著改变的情况下，较高的外源磷输入导致土壤微生物生物量(特别是真菌)的显著下降、抑制了微生物对有机质的分解，从而最终促进了POC的积累。与之不同，氮添加并没有改变POC的含量，其原因在于长期氮添加在提高植物生物量的同时也显著提高了植物凋落物的质量(地上和根系的碳氮比均显著降低)，使得植物碳输入的增加被高质量凋落物的快速分解所抵消，因此导致POC最终没有显著变化(图2)。

图1 土壤有机碳及其不同组分对氮磷添加处理的响应

图2  氮磷添加对青藏高原高寒草甸植物生物量、化学计量、土壤可利用养分、微生物生物量、土壤有机碳物理组分和化学组成的作用示意图

此外，长期氮添加降低了土壤O-alkyl C的比例，但对其他化学组分没有显著改变(图3)，这主要与O-alkyl C的易分解性、氮添加下根沉积物输入的潜在增强(植物地下生物量增加)从而利于分解有关(图2)。

图3 土壤有机碳化学组成对氮磷添加处理的响应

小结

我们的研究证明，长期氮磷添加对土壤有机碳物理组分和化学组成的影响和作用途径不同。此外，该研究证明利用不同的有机碳分组方法可以为揭示人类活动或全球环境变化背景下土壤总有机碳的变化提供更细致和深入的证据。综上所述，我们建议未来的研究将土壤有机碳物理组分和化学组分与植物碳输入和微生物分解相结合，以更好地理解土壤有机碳动态及其对未来氮磷沉降和其它全球变化要素的响应。

本研究于2020年9月2日以“Sensitivity of soil carbon dynamics to nitrogen and phosphorus enrichment in an alpine meadow”为题在线发表于Soil Biology and Biochemistry期刊上，北京大学城市与环境学院地下生态学研究组博士后袁霞为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者，其它合作作者还包括北京大学的研究生秦文宽和徐浩以及中国科学院西北高原生物研究所的周华坤研究员和研究生张中华。本研究受到国家自然科学基金委项目 (31800437、31988102)、中国博士后科学基金(2018M630030)和青海省创新平台建设专项项目(2017-ZJ-Y20)的资助。

作者简介

袁霞，北京大学城市与环境学院地下生态学研究组博士后。博士毕业于东北师范大学草地科学研究所。主要从事全球变化生态，微生物生态，碳循环和养分循环等方面的研究。近五年来以土壤微生物为主要研究对象，在Ecology、Soil Biology and Biochemistry、Arctic, Antarctic, and Alpine Research等期刊发表了一系列成果，探究了长期氮磷沉降背景下，高寒草地地上植物和地下微生物互作的改变、以及对土壤不同碳组分和养分循环的影响。

（海北站合影，袁霞为左二）

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

往期精选

论文

丨更多

论文

丨更多

参会

丨更多

其它

丨更多

点击“阅读原文”获得论文全文~