试验地位于内蒙古自治区鄂温克自治旗伊敏苏木境内(48° 27'-48° 35' N, 119° 35'-119° 41' E), 属于温带草甸草原区, 半干旱大陆性季风气候。植被类型为贝加尔针茅草甸草原, 建群种为贝加尔针茅, 优势种为羊草(Leymus chinensis)、羽茅(Achnatherum sibiricum)、草地麻花头(Serratulay amatsutanna)等。多年平均气温-1.6 ℃, 年降水量328.7 mm, 年蒸发量1478.8 mm, 全年无霜期113 d。土壤类型为暗栗钙土^[19]。试验前020 cm土壤pH 7.07, 有机碳27.92 g· kg^-1, 全氮1.85 g· kg^-1, 全磷0.45 g· kg^-1。

2010年生长季初, 在选定的贝加尔针茅草原内选取地势平坦, 植被群落结构、盖度和密度具有代表性地块划分控制试验小区。于2010年6月开始氮添加试验, 共设置5个处理, 从低到高分别为对照N₀, N₅₀, N₁₀₀, N₂₀₀, N₃₀₀(0, 50, 100, 200, 300 kg N· hm^-2· 年^-1), 每个处理4次重复, 小区面积64 m²(8 m× 8 m), 小区间设2 m隔离带。按照处理水平的要求, 将需要施加的硝酸铵(NH₄NO₃)溶解在水中, 水溶后均匀喷施到小区内。每年分别于6月中旬和7月中旬以溶液的形式对样地进行喷洒, 每次氮添加量为全年氮添加量的1/2。对照小区喷洒相同量的水。

2016年8月中旬(喷施7 年), 按照S型取样法选取5个点, 采集020 cm土壤样品。去除根系、石块和动植物残体, 采用“ 四分法” 选取1 kg土壤, 将其分成两份, 一份迅速装入无菌封口袋, 放在冰盒中带回实验室, 放入4 ℃低温保存, 用于测定土壤微生物量碳, 另一份土样室内自然风干, 用于土壤理化性质测定。

采用玻璃电极法(土水比1:2.5)测定土壤pH, 采用重铬酸钾外加热法测定土壤总有机碳(total organic carbon, TOC)含量, 用凯氏定氮法测定土壤全氮含量, 采用钼锑抗比色法^[20]测定土壤全磷含量。采用高锰酸钾氧化法测定土壤易氧化有机碳(readily oxidized organic carbon, ROC)含量^[21]。采用振荡浸提, 上清液过0.45 μ m滤膜后, 用总有机碳/总氮测定仪(Multi N/C3000, 德国)测定浸提液中土壤可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)含量^[22]。采用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法测定土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)含量^[23], 土壤微生物量碳换算系数为2.64。

碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI)用于反映不同氮添加水平下土壤质量的变化。以无氮添加样地土壤为参考土壤, 计算各氮添加处理的碳库管理指数。具体计算方法如下:

碳库指数(carbon pool index, CPI)=各氮添加处理土壤有机碳含量/参考土壤有机碳含量

碳库活度(active degree, A)=易氧化有机碳含量/(总有机碳含量-易氧化有机碳含量)

碳库活度指数(active index, AI)=各氮添加处理碳库活度/参考土壤碳库活度

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数× 碳库活度指数× 100

易氧化有机碳比例=易氧化有机碳含量/总有机碳含量× 100%

可溶性有机碳比例=可溶性有机碳含量/总有机碳含量× 100%

微生物量碳比例=微生物量碳含量/总有机碳含量× 100%

采用SPSS 17.0进行统计分析。不同氮处理间的数据采用单因素方差分析(one-way ANOVA), 用Duncan检验法进行多重比较。采用Pearson相关系数法对土壤有机碳组分与土壤理化性质进行相关性分析。

氮添加对土壤有机碳的影响因添加水平不同而异。N₅₀和N₁₀₀处理提高了土壤有机碳含量, 但与对照相比无显著差异(P> 0.05)(图1)。N₂₀₀和N₃₀₀处理显著促进了土壤有机碳的累积(P< 0.05), 与对照相比, 有机碳含量分别增加13.79%和55.78%。

图1

Fig.1

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	图1 不同氮添加处理土壤总有机碳含量变化Fig.1 Variation of soil total organic carbon (TOC) content in different nitrogen treatments

4个氮添加处理均显著提高了土壤易氧化有机碳含量(P< 0.05)(图2)。与对照相比, 氮添加处理增加0.240.71 mg· kg^-1。随着氮添加水平的升高, 呈先升高后降低的变化趋势。N₅₀、N₁₀₀、N₂₀₀和N₃₀₀处理的土壤易氧化有机碳含量比对照增加2.16%、4.92%、1.67%和2.24%, N₁₀₀处理增加最多。

图2

Fig.2

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	图2 不同氮添加处理土壤易氧化有机碳含量变化 不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著, 下同。Fig.2 Variation of soil readily oxidized organic carbon (ROC) content in different nitrogen treatments Values followed by different letters are significantly different among treatments at the 0.05 level, the same below.

4个氮添加处理均显著提高了土壤可溶性有机碳含量(P< 0.05)。与对照相比, 氮添加处理增加12.4781.29 mg· kg^-1。N₅₀、N₁₀₀、N₂₀₀和N₃₀₀处理的土壤可溶性有机碳含量比对照增加16.19%、3.55%、17.23%和23.67%(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 不同氮添加处理土壤可溶性有机碳含量变化Fig.3 Variation of soil dissolved organic carbon (DOC) content in different nitrogen treatments

氮添加显著(P< 0.05)降低了土壤微生物量碳含量(图4)。与对照相比, 降低了74.25219.38 mg· kg^-1。N₅₀、N₁₀₀、N₂₀₀和N₃₀₀处理分别降低11.58%、34.21%、27.66%和26.67%。表明长期无机氮添加不利于土壤微生物的生长。

图4

Fig.4

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	图4 不同氮添加处理土壤微生物量碳含量变化Fig.4 Variation of soil microbial biomass carbon (MBC) content in different nitrogen treatments

土壤活性有机碳比例是指某种活性有机碳组分占总有机碳的分配比例。7 年氮添加显著影响了土壤活性有机碳组分的比例(表1)。N₅₀处理的土壤易氧化有机碳比例与对照相比无显著差异(P> 0.05), N₁₀₀处理显著高于对照(P< 0.05), N₂₀₀和N₃₀₀处理显著低于对照(P< 0.05)。N₅₀、N₁₀₀和N₂₀₀处理土壤可溶性有机碳比例显著高于对照(P< 0.05), N₃₀₀处理显著低于对照(P< 0.05)。4个氮添加处理土壤微生物量碳比例均显著低于对照(P< 0.05)。表明长期高氮添加, 不利于土壤活性有机碳组分比例的提升。

与对照相比, N₂₀₀和N₃₀₀处理的土壤碳库指数分别增加了13.80%、55.80%, N₅₀和N₁₀₀处理与对照相比无显著差异(P> 0.05)。N₁₀₀处理的土壤碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数均显著高于对照(P< 0.05), N₂₀₀和N₃₀₀处理均显著低于对照(P< 0.05)。与对照相比, N₅₀和N₁₀₀处理的土壤碳库管理指数分别增加了3.00%和7.00%, N₂₀₀和N₃₀₀处理分别降低了4.17%和14.62%。表明长期高于200 kg N· hm^-2· 年^-1的氮添加不利于碳库活度指数和碳库管理指数提升。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同氮添加下土壤有机碳组分和土壤碳库管理指数 Table 1 Soil carbon distribution ratio and carbon management index in different nitrogen addition treatments 处理 Treatments 易氧化机碳/ 总有机碳 ROC/TOC (%) 可溶性有机碳/ 总有机碳 DOC/TOC (%) 微生物量碳/ 总有机碳 MBC/TOC (%) 碳库指数 CPI 碳库活度 A 碳库活度 指数AI 碳库管理 指数CPMI N0 36.52± 0.37b 0.87± 0.01c 1.63± 0.02a 1.00± 0.01c 0.58± 0.01b 1.00± 0.02b 100.04± 0.43c N50 37.02± 0.48b 1.00± 0.00a 1.43± 0.02b 1.01± 0.01c 0.59± 0.01b 1.02± 0.02b 103.04± 0.62b N100 37.74± 0.34a 0.89± 0.01b 1.05± 0.01c 1.02± 0.01c 0.61± 0.01a 1.05± 0.02a 107.04± 0.44a N200 32.63± 0.40c 0.89± 0.01b 1.03± 0.02c 1.14± 0.02b 0.48± 0.01c 0.84± 0.02c 95.86± 0.36d N300 23.97± 0.03d 0.69± 0.00d 0.77± 0.01d 1.56± 0.01a 0.32± 0.00d 0.55± 0.00d 85.42± 0.55e ROC: Readily oxidized organic carbon; TOC: Total organic carbon; DOC: Dissolved organic carbon; MBC: Microbial biomass carbon; CPI: Carbon pool index; A: Active degree; AI: Active index; CPMI: Carbon pool management index; 下同 The same below; 同列不同字母表示差异显著(P< 0.05) Different letters within the same column indicate significant differences among treatments (P< 0.05).

表1 不同氮添加下土壤有机碳组分和土壤碳库管理指数 Table 1 Soil carbon distribution ratio and carbon management index in different nitrogen addition treatments

土壤有机碳与碳库指数呈极显著(P< 0.01)正相关关系(表2), 与碳库管理指数、碳库活度指数、可溶性有机碳比例、易氧化有机碳比例和微生物量碳比例呈极显著负相关关系(P< 0.01)。土壤微生物量碳比例与碳库管理指数、碳库活度指数、可溶性有机碳比例和易氧化有机碳比例呈极显著正相关关系(P< 0.01), 与碳库指数呈极显著负相关关系(P< 0.01)。易氧化有机碳比例与碳库管理指数、碳库活度指数和可溶性有机碳比例呈极显著正相关关系(P< 0.01), 与碳库指数呈极显著负相关关系(P< 0.01)。可溶性有机碳比例与碳库管理指数和碳库活度指数呈极显著正相关关系(P< 0.01), 与碳库指数呈极显著负相关关系(P< 0.01)。碳库指数与碳库管理指数和碳库活度指数呈极显著负相关关系(P< 0.01)。碳库活度指数与碳库管理指数呈极显著正相关关系(P< 0.01)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 土壤活性有机碳、碳库管理指数与其他化学性质的相关性 Table 2 Correlation coefficient among labile organic carbon, carbon management index and soil chemical properties 指标 Index 有机碳 TOC 微生物量碳/ 总有机碳 MBC/TOC 易氧化有机碳/ 总有机碳 ROC/TOC 可溶性有机碳/ 总有机碳 DOC/TOC 碳库指数 CPI 碳库活度指数 AI 碳库管理指数CPMI -0.929* * 0.577* * 0.970* * 0.807* * -0.929* * 0.976* * 碳库活度指数AI -0.982* * 0.731* * 0.999* * 0.846* * -0.982* * 碳库指数CPI 1.000* * -0.773* * -0.989* * -0.878* * 可溶性有机碳/总有机碳DOC/TOC -0.878* * 0.653* * 0.859* * 易氧化有机碳/总有机碳ROC/TOC -0.989* * 0.734* * 微生物量碳/总有机碳MBC/TOC -0.773* * Note: * indicated significant correlation (P< 0.05), * * indicated highly significant correlation (P< 0.01). 注:* 表示显著相关(P< 0.05), * * 表示极显著相关(P< 0.01)。

表2 土壤活性有机碳、碳库管理指数与其他化学性质的相关性 Table 2 Correlation coefficient among labile organic carbon, carbon management index and soil chemical properties

土壤活性有机碳对氮添加响应存在差异, 可能与生态系统类型、土壤本底、氮添加量、氮元素添加形式、氮添加时间长短以及不同有机碳组分差异响应有关。本研究表明, 氮添加处理显著提高了易氧化有机碳和可溶性有机碳含量。Wang等^[24]研究表明, 适量氮添加提高了地上部生产力, 增加了凋落物数量和根系分泌物数量, 从而增加了土壤碳输入。本课题组在同一试验地的前期研究表明, 氮添加提高了草地土壤速效养分含量^[9], 提高了草地生物量^[8]。草地速效养分含量提高, 增加了草地植物凋落物和根系分泌物数量, 提高了土壤有机质含量, 为微生物提供了碳源, 进而提高了土壤活性有机碳的含量^[14], 这与前人研究结果相似。Sinsabaugh等^[25]研究表明, 施氮肥(30, 80 kg N· hm^-2· 年^-1)显著提高了美国马尼斯蒂国家森林土壤的可溶性有机碳含量。肖胜生^[17]对温带半干旱草地生态系统氮添加试验表明, 施氮水平(0, 5, 10 g N· m^-2· 年^-1)对可溶性有机碳含量无显著性影响(P> 0.05), 高氮添加(20 g N· m^-2· 年^-1)显著增加可溶性有机碳含量(P< 0.05)。齐玉春等^[26]对内蒙古温带草原试验表明, 连续4年氮添加对020 cm土层土壤可溶性有机碳含量无显著性影响(P> 0.05)。表明, 施氮对土壤可溶性有机碳含量的影响受生态系统类型和土壤本底条件不同而不同。分析原因可能是与氮可利用性变化对土壤有机碳的不同来源影响存在差异。在同一试验地的凋落物分解试验表明, 不同植物和不同器官凋落物分解速率对氮素添加水平的响应不同^[27]。本研究发现4个氮添加处理的土壤微生物量碳含量显著低于对照, 这与Li等^[28]的研究结果类似。

土壤活性有机碳占总有机碳分配比例可以消除土壤总有机碳含量不同对活性有机碳的影响, 比土壤活性有机碳含量更能反映不同管理措施对土壤有机碳库组分的影响^[29]。随氮添加水平的升高, 土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例呈先上升后下降的趋势, 可溶性有机碳占总有机碳的比例呈先上升后下降趋势, 微生物量碳占总有机碳的比例呈下降趋势。土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳占总有机碳的比例随氮添加水平升高的变化不尽相同, 这可能是由于不同活性有机碳组分在草地生态系统物质循环中具有其特有的利用和转化方式。本试验结果表明, 长期高氮素添加不利于土壤易氧化有机碳分配比例的提高。这与林明月等^[30]对喀斯特地区施肥研究结果一致。前人研究表明, 长期施用无机氮肥对土壤有机碳影响主要是提高了土壤难氧化有机碳的含量^{[31, 32]}, 微生物可利用碳源缺乏, 活性有机碳含量降低, 从而降低了活性有机碳占总有机碳的比例。有研究认为, 活性有机碳占总有机碳的比例可用来反映土壤有机碳的质量和稳定程度, 该比例值越高, 表示有机碳越容易被微生物分解矿化, 土壤活性也就越高^[33]。本研究结果表明, N₃₀₀处理显著降低了可溶性有机碳的分配比例, 原因可能是本试验地区处于半干旱地区, 降水较少, 当施用过量无机氮素后, 土壤总有机碳的增加幅度超过了水溶性有机碳的积累数量。连续7年添加200和300 kg N· hm^-2· 年^-1无机氮素, 虽没有降低土壤有机碳含量, 但导致了土壤易氧化有机碳组分比例和微生物量碳组分比例的下降, 从而降低了土壤有机碳质量。

土壤碳库活度可在一定程度上反映土壤有机碳的质量和稳定程度, 该比例值越高表示有机碳越易被微生物分解矿化; 反之, 该比例值低则表示有机碳较稳定, 不易被微生物分解利用^[34]。土壤碳库管理指数反映农业管理使土壤质量下降和更新的程度^[29], 该指数上升表明土壤肥力上升, 反之则表明肥力下降^[35]。本研究中, N₅₀和N₁₀₀处理的碳库活度和碳库管理指数高于或显著高于对照, N₂₀₀和N₃₀₀的碳库活度和碳库管理指数显著低于对照。说明适量氮添加可促进植物生长, 改善土壤质量, 增强土壤养分循环功能。高量无机氮添加, 使得植物获得的土壤中可利用氮素增加, 植物根系浅层化^[36], 根系生物量分配比例将降低。同时高量无机氮素添加, 缺乏有效的外加碳源补充, 微生物数量和活性均下降^[9], 从而导致微生物对凋落物分解呈现出抑制效应^{[16, 37]}。凋落物和根系分泌物转化为有机质时, 一部分有机质活化为植物生长提供养分, 一部分有机质转化为惰性碳库固存下来, 这两个比例维持在一定范围^[38]。土壤有机碳库在一定范围内保持一定的活跃度, N₅₀和N₁₀₀处理加快了土壤碳库活化与养分供应, 而N₂₀₀和N₃₀₀处理的碳库活度并未随有机碳库的增加而持续增加。本研究发现, 高氮添加处理导致了土壤碳库管理指数的下降, 且随着氮添加量的增加而降低, 说明长期高氮添加将降低土壤碳库质量。

许多研究表明, 土壤活性有机碳组分、碳库管理指数与多数化学性质呈显著相关性, 可表征土壤质量对不同管理措施等土壤环境条件变化的早期反应指标^{[10, 39]}。贝加尔针茅草原土壤微生物量碳比例、易氧化有机碳比例和可溶性有机碳比例与总有机碳之间关系密切, 三者在很大程度上依赖于总有机碳量。土壤易氧化有机碳比例、可溶性有机碳比例和微生物量碳比例之间呈极显著正相关关系。表明, 各类活性有机碳之间关系密切, 它们之间相互影响。本研究结果显示, 土壤易氧化有机碳比例、可溶性有机碳比例、微生物量碳比例、碳库活度指数和碳库管理指数之间呈极显著正相关性, 均可指示土壤质量变化。