天然草地土壤化學性質對氮磷添加響應的Meta分析

杜藝，翟鵬輝，賈鎮寧，王一昊，王子量，趙祥

(山西農業大學 草業學院，山西 太谷 030801)

天然草地是地球物質循環的重要組成部分，在調節氣候、物質循環和水土保持等方面具有重要的生態學意義，很大程度上影響著全球的生態環境[1-3]。土壤是植物生長的主要載體，其化學性質是衡量土壤肥力的重要指標[4]。近年來，由于農藥的使用和化石燃料的燃燒，導致大氣活性氮沉降呈現逐年增加的趨勢[5]。由于氮素是陸地植物凈初級生產力的限制性因子，大氣氮沉降的增加會對植物凈初級生產力的提高和土壤固碳具有一定的貢獻[6-7]。土壤自身供應的磷不足以平衡增加的氮，從而使磷可能成為許多陸地生態系統生物生長和重要生態過程的限制因子[8-9]。持續增加的氮沉降將加速草地土壤磷循環，使草地土壤由氮限制向磷限制轉變[10]。而天然草地生態系統氮、磷的限制效應是否一致，氮、磷同時添加是否導致生態系統動態模式的改變。盡管已經有許多研究探討了外源氮磷添加對天然草地土壤化學性質的影響，常規的單一獨立試驗雖然結果相對較為準確，但對于不同氣候不同類型的天然草地不具有普遍性和指導意義，因此還沒有一個綜合性且具有指示意義的結果。而 Meta 分析可以通過收集整合已公開發表文獻，定量化綜合現有試驗數據，從宏觀區域尺度比較和整合多個研究結果，具有分析結果客觀性強、具有科學性和指導意義等優點。本研究利用國內外公開報道的氮磷添加對天然草地土壤化學性質影響方面的文獻資料，應用 Meta分析方法，綜合分析全球天然草地土壤化學性質對氮磷添加的響應特征，旨在為氮磷添加對天然草地土壤化學性質的影響研究提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 數據的收集及納入標準

本研究利用Web of Science、維普期刊、中國知網和谷歌學術等中英文數據庫對已發表的文章進行搜集，搜索年限為2000～2020年，搜索關鍵詞為草地、氮沉降、氮添加、磷添加、氮磷添加、土壤化學性質等。結合本研究的目的，通過對文獻的研究目的、研究方法和研究結果進行分析，避免在數據搜集與取舍過程中出現遺漏和偏差，將檢索到的文獻按照以下標準進行篩選[11-13]：1)只搜集進行野外原位試驗的氮添加、磷添加和氮磷添加的試驗數據；2)同一野外試驗中，試驗組和對照組必須在試驗場所、植被覆蓋類型、土壤質地以及氣候特征等方面保持一致；3)試驗對象為天然草地生態系統；4)對于多因素處理試驗，只選取對照與氮添加處理，對照與磷添加處理或者對照與氮磷添加處理，避免其他交互試驗處理數據的影響；5) 用于Meta分析的每項研究都是獨立的，因此每個獨立研究中的每個文獻編號的每個處理，只可使用一個。按照以上標準，共篩選出73篇文獻，獲取了1 960組數據。數據庫指標包括土壤含水量、pH值、土壤有機碳、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮、 速效磷、可溶性有機碳、可溶性有機氮和微生物生物量碳。同時，數據庫詳細了記錄所選試驗地的位置、緯度、經度、年均溫度以及年均降水量。文獻中沒有給出試驗地的年均降水量和年均溫度時，根據試驗地的經緯坐標信息，通過查詢全球氣候數據庫(http//www.worldclim.org/)直接獲得。

1.2 數據統計與Meta分析

為了更加全面客觀地認識在氮磷添加的條件下天然草地生態系統的變化規律，系統地比較分析天然草地生態系統土壤化學性質在不同養分添加條件下的差異，本研究運用Meta分析的方法進行數據處理，主要處理指標數據方法如下：對于關注的指標參數，使用響應比的自然對數lnRR處理[14]。試驗組和對照組的平均值比值的對數值，反映試驗處理的影響效應，計算公式如下：

lnRR=ln (Xt/Xc) =ln (Xt)- ln (Xc)

效應比值 lnR 的變異系數(V) 由下式計算：

式中：st和sc分別為處理組和對照組的標準誤；nt和nc為處理組和對照組的樣本數。

然后利用非參數權重因子(w) 對每個研究的效應值進行加權，權重因子(w) 為v的倒數：

w=1/v

通過非參數權重加權后的效應值為 lnR′：

lnR′=lnR×w

為了判定氮添加、磷添加或氮磷添加處理對天然草地土壤化學性質的影響是否具有顯著性，本文采用用MetaWin 2.1的固定效應模型[15]來計算平均效應值的置信區間 ( 95% CIs)。如果 95% CIs 的置信區間沒有跨越 0 ( 均為正或負值) ，則認為這種響應具有顯著性差異(P<0.05) ，反之則不顯著。另外，為了便于直觀解釋，通過下面公式把平均效應值轉化為改變的百分數：

( elnR'-1) ×100%

氮添加、磷添加和氮磷添加下天然草地各化學性質的平均效應值均在結果與分析部分用括號里的百分數來表示。用SPSS 19.0軟件對各指標進行相關性分析，得到氮添加、磷添加和氮磷添加下天然草地各化學性質之間以及與年平均溫度和年均降水量的相關系數(Person-value)。

2 結果與分析

2.1 氮添加對天然草地土壤化學性質的影響

氮添加對天然草地土壤化學性質有顯著影響。土壤在添加氮的條件下，全氮(8.14%)、銨態氮(13.72%)、硝態氮(23.80%)、速效磷(6.46%)、微生物生物量碳(10.21%)均顯著增加(P<0.05)，土壤含水量(-6.31%)、pH(-3.92%)、有機碳(-22.79%)、全磷(-9.55%)、可溶性有機碳(-6.94%)均顯著減少(P<0.05)。氮添加對土壤可溶性有機氮(6.53%)無顯著影響(P>0.05)(圖1)。

圖1 氮添加下天然草地土壤化學性質的效應值Fig.1 Effect value of soil chemical properties of natural grassland under nitrogen addition注：圖中虛線表示平均效應值為0。圖內右側括號內的數字代表該指標總的觀測值個數。誤差線代表了95%的置信區間(CIs)，如果 95%的置信區間沒有跨過 0，則表明該效應具有顯著性,下同

2.2 磷添加對天然草地土壤化學性質的影響

磷添加對天然草地土壤化學性質有顯著影響。在添加磷的條件下，土壤全磷(14.95%)、速效磷(15.17%)、可溶性有機氮(29.31%)和微生物生物量碳(13.79%)均顯著增加(P<0.05)，而土壤含水量(-2.70%)、pH(-2.71%)和硝態氮(-26.86%)均顯著減少(P<0.05)。磷添加對土壤有機碳(-4.15%)無顯著影響。土壤全氮(0.86%)、銨態氮(1.17%)和可溶性有機碳(2.16%)對磷添加的響應均有增加的趨勢，但影響不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 磷添加下天然草地土壤化學性質的效應值Fig.2 Effect value of soil chemical properties of natural grassland under phosphorus addition

2.3 氮磷添加對天然草地土壤化學性質的影響

氮磷添加對天然草地土壤化學性質有顯著影響(圖3)。同時添加氮和磷，土壤全氮(16.09%)、全磷(29.76%)、速效磷(33.04%)和可溶性有機碳(7.19%)均顯著增加(P<0.05)，土壤含水量(-4.72%)、pH(-3.97%)、土壤有機碳(-7.44%)和微生物生物量碳(-13.81%)均顯著減少(P<0.05)。土壤銨態氮(5.31%)、硝態氮(3.51%)和可溶性有機氮(4.58%)對氮磷添加的響應均有增加的趨勢，但是影響不顯著(P>0.05)。

圖3 氮磷添加下天然草地土壤化學性質的效應值Fig.3 Effect value of soil chemical properties of natural grassland under nitrogen and phosphorus simultaneous addition

2.4 天然草地土壤化學性質的效應值之間的相關關系

氮添加、磷添加和氮磷添加的條件下，天然草地土壤化學性質的效應值之間的相關關系差異較大(圖4)。在添加氮的條件下，土壤pH的效應值與土壤有機碳、銨態氮、速效磷和可溶性有機氮的效應值之間有顯著的負相關關系(P<0.05)，土壤有機碳的效應值與土壤全氮、全磷、硝態氮和速效磷的效應值之間有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤全氮的效應值和全磷的效應值，全磷的效應值和硝態氮和速效磷的效應值之間均有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤銨態氮的效應值和可溶性有機碳的效應值之間有顯著的負相關關系(P<0.05)；在添加磷的條件下，土壤全氮的效應值和有機碳的效應值之間有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤速效磷的效應值與土壤pH、有機碳和全磷的效應值之間有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤可溶性有機碳的效應值與硝態氮的效應值之間有顯著的負相關關系，與速效磷的效應值之間有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤可溶性有機氮的效應值與土壤全磷、銨態氮和硝態氮的效應值之間均有顯著的正相關關系(P<0.05)；在同時添加氮和磷的條件下，土壤pH的效應值與土壤有機碳、全氮和可溶性有機碳的效應值之間有顯著的負相關關系(P<0.05)，土壤有機碳的效應值與土壤全磷的效應值之間有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤可溶性有機碳的效應值與全磷和硝態氮的效應值之間有顯著的正相關關系，與銨態氮的效應值之間有顯著的負相關關系(P<0.05)。

圖4 天然草地土壤化學性質的效應值之間的相關關系Fig.4 Correlation among effect values of soil chemical properties in natural grassland

2.5 天然草地土壤化學性質效應值與氣候因子之間的相關關系

氮添加、磷添加和氮磷添加的條件下，年平均溫度和年平均降水量對天然草地土壤化學性質的效應值的影響差異較大(表5)。在添加氮的條件下，隨著年平均溫度的增加，土壤全氮、全磷、硝態氮和微生物生物量碳的效應值均呈現出顯著增加的趨勢(P<0.05)，可溶性有機氮的效應值呈現出顯著下降的趨勢(P<0.05)，而對其他土壤化學性質效應值均無顯著影響(P>0.05)；隨著年均降水量的增加，土壤全氮呈現出顯著增加的趨勢(P<0.05)，土壤有機碳、全磷、速效磷和可溶性有機氮均呈現出顯著下降的趨勢(P<0.05)，而對其他土壤化學性質效應值均無顯著影響(P>0.05)。在添加磷的條件下，隨著年平均溫度的增加，土壤銨態氮和可溶性有機氮均呈現出顯著增加的趨勢(P<0.05)，微生物生物量碳呈現出顯著下降的趨勢(P<0.05)，而對其他土壤化學性質效應值均無顯著影響(P>0.05)；隨著年均降水量的增加，土壤含水量、pH、可溶性有機氮和微生物生物量碳均呈現出顯著增加的趨勢(P<0.05)，而對其他土壤化學性質效應值均無顯著影響(P>0.05)。在同時添加氮和磷的條件下，土壤pH和微生物生物量碳與年平均溫度有著顯著的負相關關系(P<0.05)，土壤pH與年均降水量有著顯著的正相關關系(P<0.05)，而年平均溫度和年均降水量對其他土壤化學性質的效應值均無顯著影響(P>0.05)。

圖5 天然草地土壤化學性質效應值與年平均溫度和年均降水量的相關關系Fig.5 Correlation between the effect value of soil chemical properties and annual average temperature and annual precipitation in natural grassland注：括號外N、P、NP分別代表氮添加、磷添加、氮磷添加；AAT：年平均溫度；AAP：年平均降水量

3 討論

3.1 氮磷添加對天然草地土壤化學性質的影響

土壤是植物生長發育的基礎，草地植物從土壤中吸收營養物質來維持自身正常的生長發育[16-17]。外源氮和磷的添加可以直接改變土壤氮磷庫，進而影響草地的生長狀況[18]。通過Meta分析整合草地有關氮磷添加對天然草地土壤化學性質研究發現，氮、磷和氮磷添加均顯著降低了天然草地土壤pH，這與已有的研究結果一致[19-21]。相關性分析表明，在添加氮的條件下，土壤pH的效應值與土壤有機碳、銨態氮、速效磷和可溶性有機氮的效應值表現顯著的負相關關系；在同時添加氮和磷的條件下，土壤pH的效應值與土壤有機碳、全氮和可溶性有機碳的效應值之間有顯著的負相關關系。氮、磷和氮磷添加均降低了天然草地土壤有機碳的含量，原因是氮和磷的富集增加了土壤的氮磷有效性[22]，降低了土壤的pH，促進氮磷循環相關的酶活性增強，加快氮磷循環[23]，與氮循環密切相關的全氮、銨態氮和硝態氮含量增加，與磷循環密切相關的全磷、速效磷含量增加，進而改變了天然草地土壤的其他養分含量，而土壤有機碳的效應值在氮、磷、氮磷添加的條件下從大到小依次為氮添加>氮磷添加>磷添加，原因是磷的添加影響了土壤微生物的活性，進而影響天然草地植物的生長和枯落物的分解。同時研究也發現，氮和磷單獨添加顯著增加了土壤微生物生物量碳的含量，而在同時添加氮和磷的條件下，土壤微生物生物量碳卻顯著降低。一方面可能是由于長時間同時添加氮和磷，造成土壤 pH 值降低，土壤過度酸化，從而影響土壤微生物生物量[24]。另一方面可能是由于長時間同時添加氮和磷，加快了土壤腐殖質的分解，抑制根系分泌物的分泌，從而降低了土壤微生物生物量[25]。

3.2 氣候因子對天然草地土壤化學性質效應值的影響

氣候因子在本研究中主要包括年均溫度和年均降水量。氣候因子作為影響植物生長的直接因素受到了生態學界的廣泛關注[26]。天然草地土壤化學性質效應值與氣候因子之間的相關關系發現，在氮、磷和氮磷同時添加的條件下，年平均溫度均會顯著影響土壤微生物生物量碳，這是土壤微生物的溫度敏感性造成的[27]。Blankinship等[28]對 2009 年之前有關增溫的控制試驗進行分析后提出，增溫在低年均溫和低年均降水量的試驗地更容易引起土壤微生物的生物量和豐富度的變化。降水量直接影響土壤水分含量，土壤水分又直接影響土壤氣體交換、微生物養分供應，溫度直接或間接影響氮的吸收利用率，從而影響微生物的生長。本研究獲取的長期定位試驗站點文獻數據覆蓋了各個地區各種不同的草地類型，具有較好的代表性。然而，由于研究者經驗偏好、試驗條件限制、研究方法等原因，來自文獻報道的同類數據間也可能存在較強的數據質量不一致性，并且這種不一致性很難消除，從而導致Meta 分析獲得的土壤理化性質的變化存在一定的不確定性。因此，盡管本研究通過 Meta 分析方法能夠在一定程度上分析氮磷添加對天然草地土壤化學性質的影響，但其潛在的不確定性仍有待于進一步深入研究。

4 結論

在氮、磷單獨添加和氮磷同時添加的條件下，土壤含水量和pH均顯著降低，土壤全氮和速效磷均顯著增加，而氮磷同時添加的條件下土壤全氮和速效磷的增加幅度要大于單獨添加氮和磷的情況。在添加氮的條件下，土壤全氮、銨態氮、硝態氮、微生物生物量碳均顯著增加，土壤有機碳、全磷、可溶性有機碳均顯著減少。土壤全氮的效應值和全磷的效應值，全磷的效應值和硝態氮和速效磷的效應值之間均有顯著的正相關關系(P<0.05)。在添加磷的條件下，土壤全磷、可溶性有機氮、微生物生物量碳均顯著增加，土壤硝態氮顯著減少。土壤可溶性有機碳的效應值與硝態氮的效應值之間有顯著的負相關關系，與速效磷的效應值之間有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤可溶性有機氮的效應值與土壤全磷、銨態氮和硝態氮的效應值之間均有顯著的正相關關系(P<0.05)。在同時添加氮和磷的條件下，土壤全磷和可溶性有機碳均顯著增加，土壤有機碳和微生物生物量碳均顯著減少。土壤有機碳的效應值與土壤全磷的效應值之間有顯著的正相關關系(P<0.05)，土壤可溶性有機碳的效應值與全磷和硝態氮的效應值之間有顯著的正相關關系。在氮、磷和氮磷同時添加的條件下，年平均溫度均會顯著影響土壤微生物生物量碳。在氮和磷分別添加的情況下，年平均溫度和年均降水量均會顯著影響土壤可溶性有機氮。