引用本文
杨乃瑞, 胡玉福, 舒向阳, 曾建, 张祥林, 申屠瑜程, 何佳, 程琪, 李杰, 李智, 余颖. 草地土壤C∶N∶P化学计量及微生物呼吸对氮沉降响应的Meta分析. 草业学报, 2020,29(5): 1-12
YANG Nai-rui, HU Yu-fu, SHU Xiang-yang, ZENG Jian, ZHANG Xiang-lin, SHENTU Yu-cheng, HE Jia, CHENG Qi, LI Jie, LI Zhi, YU Ying. Meta-analysis of the response to nitrogen deposition of soil nitrogen fractions, grassland soil C∶N∶P stoichiometry and microbial respiration. Acta Prataculturae Sinica,2020,29(5): 1-12  
Doi:10.11686/cyxb2019374
Permissions
Copyright©2020, 草业学报编辑部
本文属于开放获取期刊。
草地土壤C:N:P化学计量及微生物呼吸对氮沉降响应的Meta分析
杨乃瑞, 胡玉福*, 舒向阳*, 曾建, 张祥林, 申屠瑜程, 何佳, 程琪, 李杰, 李智, 余颖
四川农业大学资源学院,四川 成都611130
*通信作者. E-mail: huyufu@sicau.edu.cn, 18202809282@163.com

作者简介:杨乃瑞(1997-),男,四川成都人,在读硕士。E-mail: yangnairuier@163.com

收稿日期: 2019-08-27
基金项目:国家自然科学基金面上项目(41771552),国家级大学生创新创业训练计划项目(201710626035),四川省科技计划项目:川西北高寒沙地不同治理模式与年限生态恢复成效评价研究(18ZDYF3210)和国家支撑计划项目:川西北藏区高寒沙地适生治沙灌草品种选育研究及示范(2015BAC05B01)资助
摘要

为了全面揭示全球草地土壤C∶N∶P化学计量和微生物呼吸对氮沉降的响应机制,本研究共收集整理了国内外92篇公开的文献资料,采用整合分析(Meta-analysis)方法分析了氮沉降对草地土壤C∶N∶P化学计量和微生物呼吸的影响,同时研究了不同氮沉降速率、试验周期和气候条件下各指标对氮沉降的响应差异。结果表明,氮沉降显著增加了土壤全氮(7.1%)、有效氮(36.3%)、铵态氮(51.3%)、硝态氮(98.1%)和微生物量C∶P(53.6%),但显著降低了土壤pH(-5.9%)、微生物量氮(-11.5%)和微生物量磷(-19.4%);随着氮沉降速率的提高,土壤全氮(4.1%)、土壤N∶P(10.6%)、可溶性有机氮(41.8%)、铵态氮(31.3%)和硝态氮(20.8%)的效应值均显著增加,而土壤pH(-5.8%)、微生物量碳(-13.2%)、微生物量氮(-11.5%)、微生物量磷(-18.0%)、微生物量C∶P(-26.5%)和微生物呼吸(-10.6%)的效应值显著降低;随着试验周期的增加,土壤铵态氮(22.8%)的效应值显著增加,而土壤pH(-2.5%)、微生物量碳(-12.2%)、微生物量氮(-21.4%)和微生物呼吸(-25.3%)的效应值显著降低。另外,年平均温度和年平均降水量显著影响微生物呼吸对氮沉降的响应,而对土壤和微生物碳氮磷对氮沉降的响应无显著影响。

关键词: 氮沉降; 草地; 碳氮磷化学计量; 整合分析
Meta-analysis of the response to nitrogen deposition of soil nitrogen fractions, grassland soil C∶N∶P stoichiometry and microbial respiration
YANG Nai-rui, HU Yu-fu*, SHU Xiang-yang*, ZENG Jian, ZHANG Xiang-lin, SHENTU Yu-cheng, HE Jia, CHENG Qi, LI Jie, LI Zhi, YU Ying
College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
*Corresponding author. E-mail: huyufu@sicau.edu.cn, 18202809282@163.com
Abstract

This research studied the general response to nitrogen deposition, of soil N fractions, grassland C∶N∶P stoichiometry and microbial respiration. Data from 92 published articles from within China and abroad were analyzed by meta-analysis and the effects of nitrogen deposition rate, experimental duration and climatic conditions on nitrogen behavior were studied. It was found that, nitrogen deposition significantly increased soil total nitrogen (7.1%), available nitrogen (36.3%), ammonium nitrogen (51.3%), nitrate nitrogen (98.1%) and microbial biomass C∶P (53.6%), and significantly decreased soil pH (-5.9%), microbial biomass nitrogen (-11.5%), and microbial biomass phosphorus (-19.4%). With increase in nitrogen deposition rate, increases were seen in the size of the effect on total nitrogen (4.1%), soil N∶P (10.6%), dissolved organic nitrogen (41.8%), ammonium nitrogen (31.3%) and nitrate nitrogen (20.8%), while decreases were seen in soil pH (-5.8%), microbial biomass carbon (-13.2%), microbial biomass nitrogen (-11.5%), microbial biomass phosphorus (-18.0%), microbial biomass C∶P (-26.5%) and microbial respiration (-10.6%). As the experimental duration increased, the size of the nitrogen deposition effect on soil ammonium nitrogen (22.8%) significantly increased, while the effect on soil pH (-2.5%), microbial biomass carbon (-12.2%), microbial biomass nitrogen (-21.4%), and microbial respiration (-25.3%) significantly decreased. In addition, the mean annual temperature and precipitation significantly affected the response of microbial respiration to nitrogen deposition, but had no effect on the response of soil and microbial carbon, nitrogen and phosphorus to nitrogen deposition.

Keyword: nitrogen deposition; grassland; C:N:P stoichiometry; meta-analysis

氮是陆地生物生产力重要的限制营养素之一, 通常在陆地生态系统的净碳吸收中起重要作用。自工业革命以来, 由于化石燃料的燃烧和氮肥的大量使用, 大气活性氮沉降量急剧升高, 对全球范围的不同生态系统均产生重要影响[1, 2]。氮的有效性对生物和地球化学过程具有重要作用, 活性氮沉降通过不同方式显著影响陆地生态系统生物质的积累、分解和储存, 并且对碳(C), 氮(N)和磷(P)的生物地球化学循环造成干扰, 对陆地生态系统的服务和功能产生负面影响[3]。研究表明, C、N和P作为关键营养元素, 往往紧密耦合[4]。C∶ N∶ P不仅能揭示元素之间的耦合和解耦过程, 同时也表征着C、N、P循环过程和养分均衡状况[5]。C∶ N∶ P化学计量学作为了解生源要素循环的重要工具, 已广泛应用于研究土壤和生物生源要素对于全球变化的响应[6]。开展土壤化学计量学特征研究, 对揭示氮沉降下土壤养分的限制情况和C、N、P循环有重要意义。

草地覆盖了33.5%的土地表面, 拥有陆地生态系统大约10%的土壤碳储量, 贡献了10%的陆地净生产力, 同时在调节气候、物质循环和水土保持等方面具有重要的生态学意义[7]。草地生态系统主要受水分及营养物质的影响, 因此对养分元素的变化尤为敏感[8, 9]。一方面, 氮沉降会直接影响土壤养分条件以及C、N、P循环。氮沉降可以通过改变有效养分的含量和矿化速率直接影响土壤的C∶ N∶ P化学计量[10]。通过氮沉降, C、N和P的非同步变化通常导致土壤C∶ N减少和N∶ P增加[11]。另外, 氮沉降还会显著影响土壤碳固存的能力[8], 增加土壤可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)含量, 促进草地生态系统水平的碳循环过程[12]。随着氮的输入, 土壤铵态氮( NH4+-N)和硝态氮( NO3--N)浓度的增加, 加剧了植物吸收 NH4+时H+的释放过程, 引起土壤酸化[13]。另一方面, 氮沉降下理化性质及土壤养分的变化将进一步影响微生物呼吸及其生物量碳氮磷。微生物呼吸作为判断土壤肥力的重要指标, 其显著受到土壤酸化的影响, 从而影响微生物的活性[13]。微生物量碳、氮和磷综合反映出土壤养分状况及微生物活性, 对揭示土壤养分循环具有重要意义[14]。长期在酸性环境中, 微生物可以通过调节自身代谢过程改变对土壤C和N的吸收, 来维持自身生物量的C∶ N, 进而减缓了由于氮沉降引起的土壤C和N的失衡, 稳定了土壤有机质代谢和养分循环[15, 16]。氮沉降引起的土壤C∶ P的上升, 将影响磷对微生物的限制作用[17]。另外, 草地土壤碳库在碳循环对全球变化的响应和反馈过程中发挥着重要作用[2], 氮沉降还会通过影响植物根际碳输入来影响土壤微生物群落, 改变草地碳循环过程[18], 进而影响到草地生态系统物质循环能力。因此, 研究草地生态系统C∶ N∶ P化学计量及微生物呼吸对氮沉降的响应, 有助于了解氮沉降对生态系统物质循环的影响, 为评估草地生态系统的功能和结构提供依据。

本研究利用国内外公开报道的氮沉降对草地土壤化学计量及微生物影响方面的文献资料, 应用Meta分析方法, 综合分析全球草地土壤C∶ N∶ P化学计量以及微生物呼吸对氮沉降的响应特征, 并探讨了不同气候条件、氮沉降速率以及试验周期影响下, 草地C∶ N∶ P化学计量以及微生物呼吸对氮沉降的响应机制。为未来氮沉降下草地生态系统物质地球化学循环过程的研究提供科学依据, 对于准确评估全球大范围下草地对全球变化的响应具有重要意义。

1 材料与方法
1.1 数据的收集及纳入标准

该研究利用谷歌学术、Web of Science、维普期刊和中国知网数据库等中英文数据库对已发表的文章进行搜集, 搜索年限为1997-2017年, 搜索关键词为草地、氮沉降、土壤、微生物、碳、氮、磷。结合本研究的目的, 通过对文献的研究目的、研究方法和研究结果进行分析, 避免在数据搜集与取舍过程中出现遗漏和偏差, 将检索到的文献按照以下标准进行筛选:1)只搜集进行野外实验的试验数据; 2)本研究只搜集实验组(氮添加)和对照组数据; 3)同一野外实验中, 实验组和对照组必须在实验场所、植被覆盖类型、土壤质地以及气候特征等方面保持一致; 4)实验对象为天然草原生态系统, 同时为避免因短期实验带来的不确定性, 试验时间至少在一个月以上; 5)实验组和对照组中与碳氮磷相关的所有参数的测定必须在相同的时间和空间尺度上获得; 6)对于多因素处理试验, 只选取对照与氮添加处理, 避免其他交互试验处理数据的影响; 7)实验组和对照组中相关参数均值、标准差以及实验重复次数能够直接从图、表或者文字中提取, 或者以上数据可以从文献中通过计算而获得; 8)用于Meta分析的每项研究都是独立的, 因此每个独立研究中的每个文献编号的每个处理, 只可使用一个。按照以上标准, 总共筛选出92篇文献, 获取2351个观测值。

结合本研究的目的, 数据库指标包括:pH值、土壤有机碳、全氮、全磷、有效氮、可溶性碳氮、铵态氮、硝态氮、速效磷、土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比、微生物量碳氮磷及其比值和微生物呼吸。同时, 在数据库中详细记录所选实验点的位置、纬度、经度、试验周期、年平均温度以及年平均降水量。当所选参考文献没有给出实验点的年平均降水量和年平均温度信息时, 根据实验点的经纬坐标信息, 通过全球气候数据库(http//www.worldclim.org/) 直接进行查询获得。

1.2 数据统计与Meta分析

在本研究中为了更加全面客观地认识氮沉降下草原生态系统的变化规律, 系统地比较分析草地生态系统碳氮磷相关参数在不同氮添加条件下的差异, 运用Meta分析的方法进行数据处理, 主要处理指标数据方法如下:

对于关注的指标参数, 使用响应比的自然对数lnRR处理。实验组和对照组的平均值比值的对数值, 反映实验处理的影响效应, 计算公式如下:

lnRR=ln XtXc=ln(Xt)-ln(Xc) (1)

式中:Xt 和Xc分别为实验组和对照组的平均值。如果lnRR=0, 说明氮沉降处理并未引起实验组和对照组参数之间的差异, 如果lnRR< 0, 说明氮沉降处理对所关注指标参数产生了负效应, 如果lnRR> 0, 则反映氮沉降处理对所关注指标参数产生了正效应。

在Meta分析中, 计算指标总体的平均值与单个个体的观测值权重密切相关, 在计算单个观测值的权重时采用以下公式:

Wr= (Nc×Nt)(Nc+Nt)(2)

式中:Wr为单个观测结果的权重, Nc和Nt分别为实验组和对照组的重复次数。

本研究采用Zhang等[19]的研究模型方法, 为了确定每个指标的平均效应值(lnRR)是否受氮沉降速率以及试验周期的影响, 采用以下模型去检验各指标的总体效应, 具体模型如下:

lnRR=β 0+β 1× N+β 2× lnD+π study+ε (3)

式中:N和D分别表示氮沉降量和试验持续时间, β 0、β 1、β 2为模型中的固定参数值, π study为“ 研究” 中的随机效应因子, ε 为抽样误差。随机效应明确地说明了每个“ 研究” 中观察值之间的自相关性。该模型利用lme4数据包进行极大似然估计计算。公式(3)中N和lnD作为连续性指标被中心化或缩放时(减去均值并除以一个标准差), β 0代表着平均N和lnD的总体平均值lnRR。

为进一步研究气候因素对于实验的影响, 选取了年均温度(mean annual temperature, MAT)及年均降水量(mean annual precipitation, MAP)两个气候因子, 分析其对实验的影响是否显著, 模型如下:

lnRR=β 0+β 1× N+β 2× lnD+MAT+π study+ε (4)

lnRR=β 0+β 1× N+β 2× lnD+MAP+π study+ε (5)

为便于分析和解释, 通过下面公式将平均效应值(lnRR)及其相应的置信区间(CI)转化为改变的百分比:

(elnRR-1) × 100% (6)

如果lnRR的95%置信区间不包含0, 则表明氮沉降对指标的影响是显著的(P< 0.05)。采用R 3.1.3 (R Core Team, 2015)中lme4、ggplot2及forestplot等程序包进行数据处理。

2 结果与分析
2.1 氮沉降对草地土壤碳氮磷的影响

氮沉降对土壤pH和氮素有显著影响(图1)。在氮沉降条件下, 土壤pH(-5.9%, P< 0.01)显著降低, 而土壤全氮(7.1%)、有效氮(36.3%)、铵态氮(51.3%)和硝态氮(98.1%)均显著增加(P< 0.01)。氮沉降对土壤有机碳(1.1%, P=0.53)、全磷(0.6%, P=0.92)、C∶ N(-4.6%, P=0.07)、C∶ P(17.6%, P=0.21)、N∶ P(9.7%, P=0.06)、可溶性有机碳(3.1%, P=0.42)、可溶性有机氮(71.4%, P=0.06)和有效磷(9.4%, P=0.28)均无显著影响。

图1 氮沉降对草地土壤碳氮磷的影响
SOC:土壤有机碳Soil organic carbon; TN:土壤全氮Soil total nitrogen; TP:土壤全磷Soil total phosphorus; C∶ N:土壤碳氮比Soil C/N ratio; C∶ P:土壤碳磷比Soil C/P ratio; N∶ P:土壤氮磷比Soil N/P ratio; DOC:可溶性有机碳Dissolved organic carbon; DON:可溶性有机氮Dissolved organic nitrogen; AN:土壤有效氮Soil available nitrogen; AP:土壤有效磷Soil available phosphorus; NH4+-N:铵态氮Ammonium nitrogen; NO3--N:硝态氮Nitrate nitrogen. 图中虚线表示平均效应值为0。图内右侧括号外的数字代表该指标总的观测值个数, 括号内数字代表报道该指标的文献数量。百分号(%)代表结果用效应值变化的百分比来表示。下同。Fig.1 Effects of nitrogen deposition on soil carbon, nitrogen and phosphorus in grassland
The dashed line was drawn at mean effect size=0. The number outside the parentheses on the right side of the figure represents the total number of observations for the indicator, and the number in parentheses represents the number of studies. The percent sign (%) represents the result expressed as a percentage of the change in effect value. The same below.

随着氮沉降速率的增加, 土壤pH(-5.8%, P< 0.01)的效应值显著降低, 而土壤全氮(4.1%)、N∶ P(10.6%)、可溶性有机氮(41.8%)、铵态氮(31.3%)和硝态氮(20.8%)的效应值均显著增加(P< 0.01)(图2)。氮沉降速率的加快对土壤有机碳(-0.4%, P=0.57)、全磷(-0.5%, P=0.65)、C∶ N(-1.5%, P=0.32)、C∶ P(1.2%, P=0.82)、可溶性有机碳(3.7%, P=0.23)、有效磷(3.5%, P=0.39)和有效氮(-3.8%, P=0.53)的效应值均无显著影响。此外, 随着试验周期的增加, 土壤pH(-2.5%, P< 0.01)的效应值显著降低, 而土壤铵态氮(22.8%, P< 0.05)的效应值显著增加。试验周期的增加对土壤有机碳(-1.8%, P=0.12)、全氮(-1.3%, P=0.36)、全磷(-0.4%, P=0.88)、C∶ N(0.3%, P=0.90)、C∶ P(-6.4%, P=0.44)、N∶ P(-1.9%, P=0.52)、可溶性有机碳(4.6 %, P=0.13)、可溶性有机氮(17.4 %, P=0.45)、有效氮(-7.1 %, P=0.37)、有效磷(10.5 %, P=0.14)和硝态氮(9.3 %, P=0.31)均无显著影响。

图2 氮沉降速率和试验周期对草地土壤碳氮磷效应值的影响Fig.2 Effects of nitrogen deposition rate and experimental duration on effect size of soil carbon, nitrogen and phosphorus in grassland

2.2 氮沉降对草地微生物量碳氮磷及微生物呼吸的影响

氮沉降作用下, 土壤微生物量氮(-11.5%, P< 0.05)和磷(-19.4%, P< 0.01)均显著降低, 而土壤微生物量C∶ P(53.6%, P< 0.05)显著增加(图3)。氮沉降对土壤微生物量碳(-10.5%, P=0.07)、微生物量C∶ N(-7.0%, P=0.41)、微生物量N∶ P(29.4%, P=0.89)和微生物呼吸(-14.2%, P=0.21)均无显著影响。

图3 氮沉降对草地微生物量碳氮磷及微生物呼吸的影响
MBC:微生物量碳Microbial biomass carbon; MBN:微生物量氮Microbial biomass nitrogen; MBP:微生物量磷Microbial biomass phosphorus; MBC∶ MBN:微生物量碳氮比Microbial biomass C/N ratio; MBC∶ MBP:微生物量碳磷比Microbial biomass C/P ratio; MBN∶ MBP:微生物量氮磷比Microbial biomass N/P ratio; MR:微生物呼吸Microbial respiration.下同The same below.Fig.3 Effects of nitrogen deposition on microbial biomass carbon, nitrogen, phosphorus and microbial respiration in grassland

随着氮沉降速率的增加, 微生物量碳(-13.2%)、氮(-11.5%)、磷(-18.0%)、微生物量C∶ P(-26.5%)和微生物呼吸(-10.6%)的效应值均显著降低(P< 0.01), 而土壤微生物量C∶ N(7.5%, P=0.15)和N∶ P(4.6%, P=0.45)的效应值均无显著变化(图4)。另外, 随着试验周期的增加, 微生物量碳(-12.2%)、氮(-21.4%)和微生物呼吸(-25.3%)的效应值显著下降(P< 0.01), 而土壤微生物量磷(-2.9%, P=0.59)、微生物量C∶ N(-0.4%, P=0.96)、C∶ P(-6.0%, P=0.48)以及N∶ P(-2.2%, P=0.92)均无显著变化。

图4 氮沉降速率和试验周期对草地微生物量碳氮磷及微生物呼吸效应值的影响Fig.4 Effects of nitrogen deposition rate and experimental duration on effect size of microbial biomass carbon,
nitrogen, phosphorus and microbial respiration in grassland

2.3 不同气候条件对草地土壤碳氮磷及微生物呼吸效应值的影响

在氮沉降作用下, 不同年平均温度和年平均降水量对草地微生物呼吸的效应值有显著影响, 而对其他土壤和微生物碳氮磷指标的效应值均无显著影响(表1)。土壤微生物呼吸的效应值随着年平均温度(P=0.027)和年平均降水量(P=0.030)的增加均呈现出显著下降的趋势(图5)。

表1 年平均温度和年平均降水量对草地碳氮磷及微生物呼吸效应值的影响 Table 1 Effects of mean annual temperature and mean annual precipitation on effect size of grassland carbon, nitrogen, phosphorus and microbial respiration

图5 年平均温度和年平均降水量对草地微生物呼吸效应值的影响
图中阴影表示拟合回归的95%置信区间。Wr表示对应观测值重复次数的相对权重, 用圆圈的大小表示。Fig.5 Effects of mean annual temperature and mean annual precipitation on effect size of microbial respiration in grassland
The shading in the figure represents the 95% confidence interval for fitted regression. The size of circles represent the relative weights by the numbers of replications (Wr) of corresponding observations.

3 讨论
3.1 氮沉降对草地土壤碳氮磷的影响

土壤C∶ N∶ P化学计量是评价土壤养分状况的重要指标[20]。土壤C∶ N表征了土壤有机碳含量的高低[21], 同时也在一定程度上反映了土壤微生物活性的大小[22]。本研究中, 氮沉降减少了土壤C∶ N, 这与郭虎波等[23]对杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林土壤化学计量特征研究的结果一致(图1)。土壤全氮、有效氮、可溶性有机氮、铵态氮和硝态氮在氮沉降作用下均表现出显著增加, 这表明氮沉降能够直接增加草地生态系统土壤的全氮及有效氮含量。土壤有机碳在氮沉降作用下有小幅度的增加, 一方面由于氮沉降通过增加草原植被的生产力、根系分泌物以及凋落物量, 促进有机碳的增加[24]。另一方面, 由于土壤铵态氮的增加引起土壤酸化, 导致微生物活性下降, 抑制了微生物对凋落物的分解, 从而减少了有机碳的释放[25, 26, 27]。本研究中, pH(-5.9%)和微生物呼吸(-14.2%)的下降也支持了这一观点(图1~3)。另外, 氮沉降作用下铵态氮的增加可以与胡敏酸和富里酸形成溶解性物质, 将会提高有机质的溶解性[28], 使得土壤可溶性有机碳含量增加, 齐玉春等[8]研究表明草地土壤可溶性有机碳与有机碳的变化显著正相关。由于土壤碳含量的增加程度远低于土壤氮含量的增加, 因此土壤C∶ N下降。

土壤C∶ P化学计量比是衡量土壤有机质矿化和释放磷或从环境中吸收磷的潜力的指标, 是土壤矿化能力的标志[29]。本研究中, 土壤C∶ P在氮沉降作用下增加了17.6%(图1)。这表征着氮沉降可能会降低土壤磷的有效性[30]。N∶ P被认为是表征生态系统氮磷养分限制的重要指标[31, 32]。在氮沉降作用下, 土壤N∶ P增加, 这与刘红梅等[21]、郭虎波等[23]以及黄菊莹等[33]的研究结果一致。氮沉降作用没有显著改变土壤全磷含量(0.6%, P=0.92), 这与李瑞瑞等[34]对墨西哥柏(Cupressus lusitanica)人工林土壤碳氮磷化学计量特征的研究结果相似。这可能是由于磷主要来自土壤母质, 其次为凋落物和地下根系, 其含量主要受到土壤母质的影响, 因此氮的摄入对土壤全磷无显著影响[21]。同时, 氮沉降增加了土壤碳和氮含量, 因此导致土壤C∶ P和N∶ P上升。另外, 本研究结果中, 土壤有效磷含量增加, 表明氮进入土壤后促进了有机磷化合物的分解转化[35]。这可能是由于在氮沉降作用下导致的土壤酸化有利于磷有效性增加, 此外植物分泌酸性磷酸酶来水解并释放土壤中的有机磷化合物, 最终增加的代换态磷使得土壤有效磷含量升高[36, 37, 38]。

3.2 氮沉降对草地微生物碳氮磷的影响

本研究结果中, 土壤微生物量C∶ N∶ P化学计量比的变化与土壤化学计量比一致, 且变化幅度更大, 这可能是由于微生物量碳氮磷对土壤养分的变化更加敏感[15](图1~3)。土壤微生物量C∶ N在一定程度上反映真菌和细菌的比例[39]。本研究中微生物量C∶ N在氮沉降作用下增加, 表明氮沉降使得细菌逐渐成为微生物的优势种群。微生物量C∶ P和N∶ P分别反映微生物释放磷的潜力以及生态系统养分的限制情况[40, 41]。本研究中微生物量C∶ P和N∶ P均增加, 且微生物量C∶ P变化显著。这进一步表明氮沉降减弱了微生物释放磷的作用, 并且加剧了土壤磷素的限制。在氮沉降作用下, 土壤微生物量碳、氮和磷显著下降, 这与魏圣钊等[39]、Li 等[42]和王晖等[43]的研究结果一致。这是因为氮素进入土壤后, 引起的微生物底物酸化以及木质素和纤维素降解能力的减弱等, 导致了微生物生物量的减少[40]。

3.3 氮沉降速率和试验周期对草地土壤碳氮磷及微生物呼吸效应值的影响

随着氮沉降速率的增加, 土壤pH、微生物量碳氮磷以及呼吸的效应值显著下降, 这与前面结果一致(图2~4), 可能是由于短期内氮沉降速率的提高使得草地生态系统达到氮饱和以及土壤H+的增加, 这对植物的生长以及微生物活性产生了抑制作用[44, 45]。另外, 微生物量C∶ P的效应值显著降低, 这与魏圣钊等[39]对绿阔叶林微生物量C∶ P的研究结果类似。这表明较高的氮输入会使得土壤磷的释放能力增强。

随着试验周期的增加, 土壤pH、微生物量碳、氮以及呼吸的效应值显著下降, 土壤铵态氮的效应值显著上升。这表明在长期氮沉降作用下, 土壤铵态氮持续增加, 将导致土壤酸化作用加剧, 进一步抑制微生物量和微生物活性。除了铵态氮以外, 氮沉降对土壤其他氮素影响的效应值没有显著变化, 但土壤有机碳、全氮以及有效氮均表现出抑制作用(图2~4)。这可能由于长期氮沉降作用下, 凋落物分解与土壤氮素有效性之间的正反馈环作用以及土壤有效氮的淋溶损失和挥发作用, 导致土壤全氮和有效氮降低[46, 47]。另外, 由于土壤微生物长期在酸性环境中可以调节自身代谢过程, 改变对碳和氮的吸收过程来维持自身生物量的C∶ N, 从而进一步影响了土壤中碳和氮的平衡[17]。土壤C∶ P、N∶ P以及微生物量C∶ P的效应值下降和有效磷的效应值上升进一步表明:长期氮沉降可以通过土壤有效磷的增加, 解除草地生态系统磷的限制。

3.4 气候条件对草地土壤碳氮磷及微生物呼吸效应值的影响

本研究结果中, 在氮沉降作用下年平均温度与降水对土壤碳氮磷指标的效应值无显著影响, 这与Niu等[48]研究温带草原氮沉降和降水对碳素影响以及Yue等[49]研究全球变化驱动因素对陆地碳储量影响的结果类似(表1), 这表明氮沉降对土壤碳、氮和磷在不同的气候条件区域的影响是一致的。而微生物呼吸显著受到年平均降水量和温度的影响。本研究结果中, 氮沉降对微生物呼吸的抑制作用随年平均温度和降水量的增加而增强。这表明, 相比于寒冷干旱气候而言, 温暖湿润气候中微生物呼吸受到氮沉降的负面影响更大, 而Zhang等[19]的研究表明在全球范围下氮沉降对微生物呼吸的影响在不同的年平均温度和降水量没有表现出差异。目前, 对于降水与温度影响氮沉降对微生物呼吸的作用机理尚不清楚。

3.5 未来研究展望

氮沉降是全球变化驱动的重要因素之一, 其引起的生物地球化学C、N、P循环的变化已经引起了许多学者的关注。本研究对氮沉降下全球草地土壤C∶ N∶ P化学计量及微生物呼吸的影响进行了整合分析, 但由于研究的数据仅来自目前已发表的国内外文献, 并不能在严格意义上覆盖全球区域, 因此对于严格意义上的全球区域草地的研究, 还需要结合更多的、涉及区域更广的文献来进行整合分析。同时, 本研究仅针对草地生态系统土壤和微生物变化进行研究, 对于全面评价氮沉降对草地生态系统植被-土壤-微生物化学计量的变化, 还需要进一步整合植被C∶ N∶ P化学计量研究。另外, 目前国内外大多数文章是围绕单一过程或是单一地区进行的研究, 而多因素交互效应以及大范围区域的研究目前较少, 难以全面、准确地分析草地生态系统氮沉降的影响。因此, 今后研究应进一步扩大涉及的地区范围, 讨论不同影响因素的单一或交互作用, 并将植被、土壤以及微生物的研究结合在一起进行整合分析, 揭示草地生态系统“ 植物-微生物-土壤” 连续体C、N、P生态化学计量变化与大气氮沉降之间的内在联系和作用机制。

4 结论

1)氮沉降显著增加草地土壤全氮和有效氮, 显著降低了土壤pH以及微生物量碳氮磷, 对土壤有机碳、全磷含量无显著影响。

2)随着氮沉降率的增加, 氮沉降显著增加了土壤全氮、可溶性有机氮、铵态氮以及硝态氮的效应值, 而显著减少了土壤pH、微生物量碳氮磷、微生物量C∶ P以及微生物呼吸的效应值。随着试验周期的增加, 氮沉降显著增加了土壤铵态氮的效应值, 而显著减少了土壤pH、微生物量碳、氮以及微生物呼吸的效应值。

3)年平均温度和年平均降水量将会显著影响微生物呼吸对氮沉降的响应, 而对土壤和微生物碳氮磷对氮沉降的响应无显著影响。

参考文献
[1] Ti C P, Gao B, Luo Y X, et al. Dry deposition of N has a major impact on surface water quality in the Taihu Lake region in southeast China. Atmospheric Environment, 2018, 190: 1-9. [本文引用:1]
[2] Wang W, Liu X J. Research progress on nitrogen deposition and grassland ecosystem response in Qinghai-Tibet Plateau. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(5): 151-158.
王伟, 刘学军. 青藏高原氮沉降研究现状及草地生态系统响应研究进展. 中国农业大学学报, 2018, 23(5): 151-158. [本文引用:2]
[3] Deng S P, Moore J M, Tabatabai M A. Characterization of active nitrogen pools in soils under different cropping systems. Biology and Fertility of Soils, 2000, 32(4): 302-309. [本文引用:1]
[4] Rumpel C, Chabbi A. Plant-soil interactions control CNP coupling and decoupling processes in agroecosystems with perennial vegetation//Lemaire G, Carvalho P C D F, Kronberg S, et al. Agroecosystem diversity: Reconciling contemporary agriculture and environmental quality. San Diego: Elsevier Science Publishing Co Inc, 2019: 3-13. [本文引用:1]
[5] Cheng B, Zhao Y J, Zhang W G, et al. The research advances and prospect of ecological stoichiometry. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(6): 1628-1637.
程滨, 赵永军, 张文广, 等. 生态化学计量学研究进展. 生态学报, 2010, 30(6): 1628-1637. [本文引用:1]
[6] Du C J, Wang X D, Zhang M Y, et al. Effects of elevated CO2 on plant C-N-P stoichiometry in terrestrial ecosystems: A meta-analysis. Science of the Total Environment, 2019, 650: 697-708. [本文引用:1]
[7] Ma A, He N, Yu G, et al. Carbon storage in Chinese grassland ecosystems: Influence of different integrative methods. Scientific Reports, 2016, 6(1): 21378. [本文引用:1]
[8] Qi Y C, Peng Q, Dong Y S, et al. Responses of soil total organic carbon and dissolved organic carbon to simulated nitrogen deposition in temperate typical steppe in Inner Mongolia, China. Environmental Science, 2014, 35(8): 3073-3082.
齐玉春, 彭琴, 董云社, 等. 温带典型草原土壤总有机碳及溶解性有机碳对模拟氮沉降的响应. 环境科学, 2014, 35(8): 3073-3082. [本文引用:3]
[9] Li P P, Wang B, Liu G B, et al. Effects of nitrogen addition on the population characteristics of Bothriochloa ischaemum and soil properties. Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(2): 35-42.
李盼盼, 王兵, 刘国彬, 等. 氮添加对白羊草种群及土壤特征的影响. 中国水土保持科学, 2017, 15(2): 35-42. [本文引用:1]
[10] Mei L, Yang X, Cao H, et al. Arbuscular mycorrhizal fungi alter plant and soil C∶N∶P stoichiometries under warming and nitrogen input in a semiarid meadow of China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2019, 16(3): 397. [本文引用:1]
[11] Huang J, Yu H, Liu J, et al. Phosphorus addition changes belowground biomass and C∶N∶P stoichiometry of two desert steppe plants under simulated N deposition. Scientific Reports, 2018, 8(1): 3400. [本文引用:1]
[12] Zhang X L, Zhai P H, Hang J H. Advances in the influences of precipitation and nitrogen deposition change on the carbon cycle of grassland ecosystem. Acta Agrestia Sinica, 2018, 26(2): 284-288.
张晓琳, 翟鹏辉, 黄建辉. 降水和氮沉降对草地生态系统碳循环影响研究进展. 草地学报, 2018, 26(2): 284-288. [本文引用:1]
[13] Ye C, Chen D, Hall S J, et al. Reconciling multiple impacts of nitrogen enrichment on soil carbon: Plant, microbial and geochemical controls. Ecology Letters, 2018, 21(8): 1162-1173. [本文引用:2]
[14] Wang D, Pang H C, Li D, et al. Response of microbial C, N and respiration characteristics to sowing rates in alfalfa cultivation grassland s in Hulunber, Inner Mongolia. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(3): 135-143.
王笛, 逄焕成, 李达, 等. 苜蓿栽培草地微生物C、N及呼吸特性对不同播种量的响应. 草业学报, 2018, 27(3): 135-143. [本文引用:1]
[15] Wu J P, Han X H, Xu Y D, et al. Ecological stoichiometry of soil and soil microbial biomass C, N, P under grain-to-green program in Loess Hilly region. Acta Agrestia Sinica, 2016, 24(4): 783-792.
吴建平, 韩新辉, 许亚东, 等. 黄土丘陵区不同植被类型下土壤与微生物C、N、P化学计量特征研究. 草地学报, 2016, 24(4): 783-792. [本文引用:2]
[16] Schleuss P M, Widdig M, Buschart A H, et al. Stoichiometric controls of soil carbon and nitrogen cycling after long-term nitrogen and phosphorus addition in a mesic grassland in South Africa. Soil Biology and Biochemistry, 2019, 135: 294-303. [本文引用:1]
[17] Mehnaz K, Keitel C, Dijkstra F. Effects of carbon and phosphorus addition on microbial respiration, N2O emission, and gross nitrogen mineralization in a phosphorus-limited grassland soil. Biology and Fertility of Soils: Cooperating Journal of the International Society of Soil Science, 2018, 54(4): 481-493. [本文引用:2]
[18] Lange M, Eisenhauer N, Sierra C A, et al. Plant diversity increases soil microbial activity and soil carbon storage. Nature Communications, 2015, 6: 6707. [本文引用:1]
[19] Zhang T A, Chen H Y H, Ruan H H. Global negative effects of nitrogen deposition on soil microbes. The International Society for Microbial Ecology Journal, 2018, 12(7): 1817-1825. [本文引用:2]
[20] Wang S Q, Yu G R. Ecological stoichiometry characteristics of ecosystem carbon, nitrogen and phosphorus elements. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(8): 3937-3947.
王绍强, 于贵瑞. 生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征. 生态学报, 2008, 28(8): 3937-3947. [本文引用:1]
[21] Liu H M, Li J, Wang L L, et al. Effects of nitrogen addition on the stoichiometric characteristics of plants and soil in the Stipa baicalensis grassland of Inner Mongolia, China. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(7): 25-35.
刘红梅, 李洁, 王丽丽, 等. 氮添加对贝加尔针茅草原植物和土壤化学计量特征的影响. 草业学报, 2018, 27(7): 25-35. [本文引用:3]
[22] Moran K K, Six J, Horwath W R, et al. Role of mineral-nitrogen in residue decomposition and stable soil organic matter formation. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(6): 1730-1736. [本文引用:1]
[23] Guo H B, Wu J P, Yuan Y H, et al. Effects of N deposition on soil stoichiometric characteristics of Chinese fir plantation. Journal of Fujian Forestry Science and Technology, 2014, 41(1): 1-5.
郭虎波, 吴建平, 袁颖红, 等. 氮沉降对杉木人工林土壤化学计量特征的影响. 福建林业科技, 2014, 41(1): 1-5. [本文引用:2]
[24] McDonnell T C, Belyazid S, Sullivan T J, et al. Modeled subalpine plant community response to climate change and atmospheric nitrogen deposition in Rocky Mountain National Park, USA. Environmental Pollution, 2014, 187: 55-64. [本文引用:1]
[25] Chen D, Li J, Lan Z, et al. Soil acidification exerts a greater control on soil respiration than soil nitrogen availability in grassland s subjected to long-term nitrogen enrichment. Functional Ecology, 2016, 30(4): 658-669. [本文引用:1]
[26] Hagedorn F, Spinnler D, Siegwolf R. Increased N deposition retards mineralization of old soil organic matter. Soil Biology & Biochemistry, 2003, 35(12): 1683-1692. [本文引用:1]
[27] Xiaogang L, Bin J, Jieting L, et al. Nitrogen fertilization decreases the decomposition of soil organic matter and plant residues in planted soils. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 112: 47-55. [本文引用:1]
[28] Yang J S, Liu J S, Yu J B, et al. Dynamics of dissolved organic carbon (DOC) leaching in meadow marsh soil and related affecting factors. Chinese Journal of Applied Ecology, 2006, 17(1): 113-117.
杨继松, 刘景双, 于君宝, 等. 草甸湿地土壤溶解有机碳淋溶动态及其影响因素. 应用生态学报, 2006, 17(1): 113-117. [本文引用:1]
[29] Liu X H, Gong Y Q, Chen W F, et al. C, N and P stoichiometry of typical plants and soils in the Yellow River Delta Natural Reserve. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(11): 1720-1729.
刘兴华, 公彦庆, 陈为峰, 等. 黄河三角洲自然保护区植被与土壤C、N、P 化学计量特征. 中国生态农业学报, 2018, 26(11): 1720-1729. [本文引用:1]
[30] Xiang Y X, Chen S K, Pan P, et al. Stoichiometric traits of C, N and P of leaf-litter-soil system of Pinus massoniana forest. Journal of Forest and Environment, 2019, 39(2): 120-126.
向云西, 陈胜魁, 潘萍, 等. 马尾松叶片-凋落物-土壤的碳氮磷化学计量特征. 森林与环境学报, 2019, 39(2): 120-126. [本文引用:1]
[31] Zhao Y, Wang G J, Chen C, et al. Relationship of N∶P stoichiometry of different organs and soil of Cunninghamia lanceolata in Huitong. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2016, 36(11): 73-79.
赵月, 王光军, 陈婵, 等. 杉木不同器官与土壤的N∶P生态化学计量相关性. 中南林业科技大学学报, 2016, 36(11): 73-79. [本文引用:1]
[32] Koerselman W, Meuleman A F. The vegetation N∶P ratio: A new tool to detect the nature of nutrient limitation. Journal of Applied Ecology, 1996, 33(6): 1441-1450. [本文引用:1]
[33] Huang J Y, Lai R S, Yu H L, et al. Responses of plant and soil C∶N∶P stoichiometry to N addition in a desert steppe of Ningxia, Northwest China. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(11): 2850-2856.
黄菊莹, 赖荣生, 余海龙, 等. N添加对宁夏荒漠草原植物和土壤C∶N∶P生态化学计量特征的影响. 生态学杂志, 2013, 32(11): 2850-2856. [本文引用:1]
[34] Li R R, Lu Y, Wang Y M, et al. Effects of N addition on C, N and P stoichiometry and soil enzyme activities in Cupressus lusitanica Mill. plantation. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(2): 384-393.
李瑞瑞, 卢艺, 王益明, 等. 氮添加对墨西哥柏人工林土壤碳氮磷化学计量特征及酶活性的影响. 生态学杂志, 2019, 38(2): 384-393. [本文引用:1]
[35] Luo W, Huang Y X, Guo W, et al. Research progress of nitrogen deposition effect on soil microorganism in boreal forest. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2017, 33(28): 111-116.
罗维, 黄雅曦, 国微, 等. 氮沉降对北方森林土壤微生物的影响研究进展. 中国农学通报, 2017, 33(28): 111-116. [本文引用:1]
[36] Yang L L, Aotegen B Y, Li Q F, et al. Effects of alfalfa root exudates on insoluble phosphorus in soil. Pratacultural Science, 2015, 32(8): 1216-1221.
杨利宁, 敖特根·白银, 李秋凤, 等. 苜蓿根系分泌物对土壤中难溶性磷的影响. 草业科学, 2015, 32(8): 1216-1221. [本文引用:1]
[37] Yu J D, Yin D Y, Wu J M, et al. A review of adaptation mechanism of trees under low phosphorus stress. World Forestry Research, 2017, 30(1): 18-23.
于姣妲, 殷丹阳, 吴佳美, 等. 林木低磷胁迫适应机制研究进展. 世界林业研究, 2017, 30(1): 18-23. [本文引用:1]
[38] Tran H T, Hurley B A, Plaxton W C. Feeding hungry plants: The role of purple acid phosphatases in phosphate nutrition. Plant Science, 2010, 179(1/2): 14-27. [本文引用:1]
[39] Wei S Z, Zhao Q, Liao M Q, et al. Effects of simulated nitrogen deposition on microbial biomass during litter decomposition in a natural evergreen broad-leaved forest in the rainy area of West China. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(22): 8001-8007.
魏圣钊, 赵倩, 廖泯权, 等. 模拟氮沉降对华西雨屏区天然常绿阔叶林凋落叶分解过程微生物生物量的影响. 生态学报, 2018, 38(22): 8001-8007. [本文引用:3]
[40] Chen C R, Condron L M, Davis M R, et al. Seasonal changes in soil phosphorus and associated microbial properties under adjacent grassland and forest in New Zealand . Forest Ecology and Management, 2003, 177(1/2/3): 539-557. [本文引用:2]
[41] Griffiths B S, Spilles A, Bonkowski M. C∶N∶P stoichiometry and nutrient limitation of the soil microbial biomass in a grazed grassland site under experimental P limitation or excess. Ecological Processes, 2012, 1(1): 1-11. [本文引用:1]
[42] Li L J, Zeng D H, Yu Z Y, et al. Soil microbial properties under N and P additions in a semi-arid, sand y grassland . Biology and Fertility of Soils, 2010, 46(6): 653-658. [本文引用:1]
[43] Wang H, Mo J M, Lu X K, et al. Effects of elevated nitrogen deposition on soil microbial biomass carbon in the main subtropical forests of southern China. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(2): 470-478.
王晖, 莫江明, 鲁显楷, 等. 南亚热带森林土壤微生物量碳对氮沉降的响应. 生态学报, 2008, 28(2): 470-478. [本文引用:1]
[44] Wardle D A, Gundale M J, Jäderlund A, et al. Decoupled long-term effects of nutrient enrichment on aboveground and belowground properties in subalpine tundra. Ecology, 2013, 94(4): 904-919. [本文引用:1]
[45] Cole L, Buckland S M, Bardgett R D. Influence of disturbance and nitrogen addition on plant and soil animal diversity in grassland . Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40(2): 505-514. [本文引用:1]
[46] Zhang Y H, Han X, He N P, et al. Increase in ammonia volatilization from soil in response to N deposition in Inner Mongolia grassland s. Atmospheric Environment, 2014, 84: 156-162. [本文引用:1]
[47] Shen F F, Wu J P, Fan H B, et al. Litterfall ecological stoichiometry and soil available nutrients under long-term nitrogen deposition in a Chinese fir plantation. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(20): 7477-7487.
沈芳芳, 吴建平, 樊后保, 等. 杉木人工林凋落物生态化学计量与土壤有效养分对长期模拟氮沉降的响应. 生态学报, 2018, 38(20): 7477-7487. [本文引用:1]
[48] Niu S, Yang H, Zhang Z, et al. Non-additive effects of water and nitrogen addition on ecosystem carbon exchange in a temperate steppe. Ecosystems, 2009, 12(6): 915-926. [本文引用:1]
[49] Yue K, Fornara D A, Yang W, et al. Influence of multiple global change drivers on terrestrial carbon storage: Additive effects are common. Ecology Letters, 2017, 20(5): 663-672. [本文引用:1]