氮、磷添加對青藏高寒草甸土壤碳氮磷化學計量特征影響的Meta分析

林偉山， 德科加*， 張 琳， 向雪梅， 馮廷旭， 錢詩祎， 魏希杰， 耿曉平

(1.青海大學畜牧獸醫科學院， 青海省畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810016； 2. 青海省稱多縣氣象局， 青海 玉樹州 815199)

青藏高原是我國天然草地分布面積最大的一個區，約占全國草地面積的1/3[1]。高寒草甸是青藏高原最主要的植被類型，青藏高原“高”“寒”的自然環境使得其生態系統極為脆弱[2-3]，過度放牧、人類對草地的不合理利用、氣候變化加劇等多重因素的影響造成青藏高原出現大面積黑土灘，草地嚴重退化[5]。青藏高原草地的退化由地面“草”的退化和地下“土”的退化二者共同作用導致，但土壤退化的影響要遠大于植被退化，土壤嚴重退化導致水土流失，養分平衡被打破[6-7]。土壤作為植被生長發育所需養分的供應者，土壤養分含量的高低在一定程度上反映土壤肥力。土壤養分中的碳(Carbon，C)、氮(Nitrogen，N)、磷(Phosphorus，P)三種重要營養元素的含量及分布影響整個草地生態系統的構建與功能。其中，有機質含量不但影響土壤供肥能力[6]，而且也是土壤結構的關鍵影響因子[8]。另外，氮素是草地植被生長和發育所需的三大元素之一，是調節草地生態系統植被生產力、群落結構及其多樣性的關鍵性元素，在草地生態系統氮循環中扮演著重要角色。P作為草地生態系統除氮素之外影響植被生長及產量的重要營養元素[9]，與植被構建、光合作用等息息相關，同時也與C，N耦合，在草地生態系統中是至關重要的[10]。土壤C/P是衡量磷有效性的指標之一[11]，C/N是土壤氮素礦化能力的標志[12]，N/P反映土壤肥沃程度，影響養分的生物利用有效性[13]。青藏高原高寒草甸土壤養分儲存、供應能力及養分動態可由土壤C，N，P生態化學計量特征來表示。

自然狀態下,很多生態系統生產力都表現為氮限制、磷限制或者氮、磷共限制[14-15]。青藏高原高寒草甸地處高海拔地區[16]，盡管土壤中含有一定量的有機氮和有機磷，但由于常年低溫，土壤微生物活性較低，土壤礦化速率慢，青藏高原高寒草甸可利用氮、磷含量極低，植被的生長發育容易受到氮、磷元素的限制[17]。土壤是一個復雜的自然綜合體，其內部影響表現在土壤團聚體、容重、土壤含水量、滲透率等方面，土壤系統存在的復雜性和滯后性使得土壤理化性質的變化也不盡相同[6]。因此，國內外學者對此進行了大量試驗研究，主要集中在氮磷添加對土壤微生物及化學計量特征[18]、群落結構生物量[19]、增溫與施肥對土壤[20]等，旨在恢復高寒草甸草地植被生產力、群落多樣性及提高土壤肥力，其中，氮、磷添加是增加青藏高原草地生態系統土壤養分的主要方式。

前人的研究表明，養分添加對草地生態系統的影響主要是通過改變土壤C，N，P含量變化導致土壤養分分配及草地生態系統的物質循環[21]。有研究表明，養分對高寒草地土壤氮磷比的影響并不顯著[22]，可能是與土壤的滯后性導致土壤內部的反應緩慢有關，也可能與草地土壤C，N，P含量受氣候因子、母質、土壤凍土層、地形等因素有關[23]。同時，全球氣候變化導致高海拔、高緯度地區的N，P限制模式已有從N限制轉向P限制的趨勢[24]。C，N，P在植被-土壤間互相轉化，其循環方式與分配機制嚴重影響到整個草地生態系統。上述研究結果僅僅針對高寒草地土壤C，N，P含量對外界因素干擾的響應，氮、磷添加的對整個青藏高原高寒草甸土壤的C，N，P影響機制卻尚不清楚。C，N和P是草地生態系統的三大主要元素，其含量、動態對草地的健康與持續發展至關重要。

因此，本研究通過Meta分析展開青藏高原高寒草甸土壤有關化學計量特征對施肥的研究數據進行定量綜述，分析氮、磷單獨施肥及氮磷混合施肥對高寒草甸土壤C，N，P化學計量特征的影響。

1 材料與方法

1.1 數據集構建

本研究以Web of Science數據庫和中國知網文獻數據庫(CNKI)為檢索數據來源，在英文數據庫中以“Fertilization” “Nutrient addition” “Qinghai-Tibetan Plateau” “Alpine Meadows” “Carbon,Nitrogen and Phosphorus” “Carbon Bank” “Nitrogen deposition”“Degraded Grassland” “Artificial regulation” “Exogenous nitrogen” “Grassland”為關鍵詞進行檢索；在中文數據庫以“高寒草甸”“青藏高原”“施肥”“養分添加”“碳氮磷輸入”“草地”“三江源”“碳氮磷”“碳”“氮”“磷”為關鍵詞進行檢索；檢索2010年至今的相關文獻，檢索截止日期為2021年12月31日，共檢索出4 809篇文獻。在進行Meta分析之前需要對文章進行嚴格的篩選，設置的篩選標準如下：(1)試驗數據基于青藏高原高寒草甸本年度施肥的野外試驗；(2)試驗包括試驗組和對照組，且有3次以上重復試驗；(3)各項試驗必須是相互獨立試驗；(4)試驗數據為具體數值或圖表，必須包括平均值、標準差或標準誤。經嚴格篩選，最后納入不同區域和時空的文獻21篇[21,25-44]，共計612項數據。收集文獻中氮添加、磷添加及氮磷添加情況下，高寒草地生態系統中土壤的全C，N，P，C/N，C/P，N/P數據，并根據文獻內容將養分添加量劃分為輕度施肥(L)、中度施肥(M)和重度施肥(H)。由于青藏高原高寒草地類型多樣，地理位置獨特，土壤肥力存在差異，各研究試驗點、氮磷添加量的標準及方法各有不同(圖1)。因此很難設定某一數值界定選取文獻中施肥量的大小，鑒于此，本研究參考向雪梅[21]、劉穎楠[45]等人試驗的施肥梯度劃分為：輕度施肥(施肥量20 g·m-2以下)、中度施肥(20～45 g·m-2)、重度施肥(45 g·m-2以上)。為便于描述，將氮添加、磷添加及氮磷混合添加統稱為養分添加方式。通過施肥量大小的劃分不僅可以準確描述養分添加對高寒草地土壤的影響，還能方便的比較青藏高原不同海拔及區域草地間養分添加的試驗結果差異。

圖1 文獻研究地理分布Fig.1 Geographical distribution of literature studies

1.2研究方法

參考劉玉禎[10]文獻，采集文獻數據時，若文獻中數據以正文或表格形式列出，直接讀取；數據以圖的形式呈現，則使用Web Plot Digitizer提取[46]。若文獻中提供的數據為標準誤(SE)，使用如下計算公式將其換算成標準差(SD)

(1)

式中n為試驗的重復次數。采用自然對數響應比(RR)來量化天然草地土壤C，N，P化學計量特征變化對施肥的響應程度。

RR計算公式如下：

(2)

與RR對應的研究內方差(v)計算公式如下：

(3)

式中nt和nc分別為實驗組與對照組的樣本量；SDt和SDc分別為實驗組與對照組的標準差。

基于隨機效應模型的累積效應值及置信區間進行計算，其中單個研究的權重計算公式如下:

(4)

(5)

式中wi為單個研究的權重；RRi為單個研究的自然對數響應比。RR++的總體標準誤S(RR++)計算公式如下:

(6)

式中：wi為單個研究的權重；k為RR的個數。RR++95%的置信區間計算公式如下:

95%CI=RR++±1.96×S(RR++)

(7)

式中：CI為置信區間。

RR++的百分比變化率計算公式如下：

PC=(eRR++-1)×100

(8)

式中：PC為百分比變化率。

1.3 數據處理

所有數據分析均在Review Manager 5.4.1中完成。由于文中納入的各項施肥試驗受到時空、區域及實驗者主觀因素的影響而存在差異，不同研究結果間的差異是由隨機誤差引起，故采用隨機效應模型進行Meta分析。用Origin Pro 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤C，N，P化學計量特征對養分添加方式的響應

由圖2可知，氮添加極顯著增加了土壤C含量(264%)、N含量(286%)、P含量(282%)、C/N(295%)、C/P(238%)，顯著增加了N/P(254%)。

圖2 不同養分添加方式對土壤C，N，P化學計量特征的影響Fig.2 Effects of different nutrient additions on the stoichiometric characteristics of soil C,N and P注：圖中*表示P<0.05，**表示P<0.01。下同Note：In the figure,* indicates P < 0.05 and ** indicates P < 0.01. The same as below

磷添加極顯著增加了土壤C含量(285%)、N含量(275%)、P含量(242%)和C/N比值(288%)，顯著增加了C/P(252%)，N/P(242%)。

氮、磷添加極顯著增加了土壤C含量(296%)、N含量(309%)、P含量(270%)和C/N(296%)，顯著增加了C/P(244%)，N/P(217%)。

2.2 不同養分添加強度下土壤C，N，P化學計量特征對添加方式的響應

草地土壤碳氮磷化學計量特征變化與養分添加方式及強度密切相關(圖3)。不同添加方式均會增加土壤C/N，磷添加、氮磷添加在輕度施肥處理對其增加效應最明顯，氮添加時土壤C/N的增加效應與輕、中度施肥處理的變化趨勢成正比。不同施肥方式均增加土壤P含量、C/N，施氮肥的增加效應與施肥量大小成正比，P添加、N，P添加在施肥量較小時對土壤P含量的增加效應最明顯。不同養分添加均增加土壤C/P，N添加時土壤C/P的增加效應與中度、重度施肥量成正比，P添加、N磷添加在較小的施肥量時對其增加效應最明顯。不同養分添加方式均增加土壤N/P，氮添加的增加效應與施肥量大小成正比。同時，N，P添加下，土壤中C，N，P含量及C/N，C/P和N/P隨施肥量的增加均呈現“V”型增加趨勢。

圖3 不同養分添加方式下養分添加強度對土壤碳、氮、磷化學計量特征的影響Fig.3 Effects of nutrient addition intensity on the stoichiometric characteristics of soil carbon,nitrogen and phosphorus under different nutrient addition methods注：圖中***表示P<0.001，L表示輕度施肥，M表示中度施肥，H表示重度施肥Note：In the figure *** indicates P < 0.001,L indicates light fertilization,M indicates moderate fertilization;H indicates heavy fertilization

2.3 氣候變量對C,N,P化學計量的影響

高寒草甸土壤C，N含量及C/N，N/P存在明顯的變化特征(圖4，圖5)，分別受到年均溫度和年均降雨量的影響。其中，C含量、C/N與年均溫度均存在相關關系(R2=0.07，P<0.05；R2=0.06，P<0.05)；N含量、N/P與年均降雨量存在相關關系(R2=0.09，P<0.05；R2=0.05，P<0.05)。高寒草甸土壤C，N，P含量之間均存在正相關關系(圖6)。

圖4 年均溫度對碳氮磷添加對碳、氮、磷化學計量模式的響應Fig.4 Response of annual mean temperature to carbon,nitrogen and phosphorus additions on the stoichiometric pattern of carbon,nitrogen and phosphorus

圖5 年均降雨量對氮磷添加對碳、氮、磷化學計量模式的響應Fig.5 Response of average annual rainfall to nitrogen and phosphorus additions on carbon,nitrogen and phosphorus stoichiometry patterns

圖6 以響應比為基礎的碳氮磷的相關性Fig.6 Correlations among C,N,and P on the basis of response ratio

3 討論

3.1 氮、磷添加方式對土壤C,N,P化學計量特征的影響

養分添加是改變青藏高原高寒草甸土壤C，N，P生態化學循環[46]、利用養分策略[47]的主要方式之一。本研究發現，養分添加、不同養分添加方式均顯著增加了土壤C，N，P含量，這與向雪梅[26]、德科加[41]的研究結果相似。青藏高原由于過度放牧[48]，植被生產力下降，土壤表層結構破壞，土壤中的有機碳和全氮會以氣體的方式損失(如CO2，N2O和N2等)[49]；再加上人類不健康管理，導致青藏高原草地生態系統中C,N,P輸出大于輸入。土壤養分匱缺導致草地結構和功能發生變化，優勢種的牧草由禾本科、莎草科逐漸轉變為毒雜草(一、二年生)[10]，嚴重影響到草地生態系統的健康發展。賴熾敏等[50]研究發現草地退化造成土壤呼吸作用大幅下降，導致氮的礦化速率降低；尚占環等[51]研究發現草地退化導致土壤微生物反硝化作用增加，氮損失加劇。上述研究并沒有得出統一的結論,可能是因為研究區土壤質地、區域跨度大及試驗方法等方面存在差異導致。筆者認為氮、磷添加造成土壤C，N，P化學計量特征改變的原因可能如下：(1)植被枯落物及根系是土壤C的主要來源，也是土壤全N的重要提供者，施肥增加了植被生物量，有機殘體輸入量的增加土壤分解反應加劇，土壤磷的固定來源是巖石風化[52]，有機質分解也可增加部分土壤磷含量，因此，土壤C/N，C/P隨植被生物量增加而增加；(2)植被得到外養分添加，葉片的胞間CO2濃度改變，光合速率增加，進而在營養生長階段大量積累并將非結構性碳儲存于土壤中[53]；(3)人為添加的一部分養分進入土壤便被土壤微生物所吸收利用，微生物呼吸及活性增強，土壤礦化能力增加，磷元素遷移率低，進而增加了土壤N/P；(4)養分添加改變草地生態系統的碳、氮、磷含量，全球氣溫上升可能導致土壤凍土層發生了改變，進而向土壤釋放了一定量的碳、氮、磷。同時，施肥可改善土壤微生物的生存環境、土壤pH值和容重，微生物總量增加，增加其體內C，N含量。施肥緩解了地下土壤與植被之間對于養分的激烈競爭，利于青藏高原草地生態系統的健康發展。

青藏高原地域遼闊，地形、水文、溫度等在小尺度上存在差異，土壤內部結構不一，并且青藏高原正在經歷氣溫上升的過程[54]，土壤礦化速率增加，有機質分解加快，與本研究結果年均氣溫與C含量、C/N存在負相關性不一致。這一方面可能是全球氮沉降明顯[55]造成的，氮沉降量由1860年的15 Tg到2005年的25～40 Tg[56]，大氣氮沉降改變了青藏高原高寒草甸土壤養分分配及平衡狀態；另一方面，可能是數據集構建時符合氮磷添加對高寒草甸土壤碳氮磷化學計量的相關文獻較少導致。本研究結果表明，N含量、N/P與年均降雨量存在相關性，與劉禹[57]、孟亞妮[58]等研究結果相似。青藏高原小氣候復雜，年均溫度和年均降雨量是影響高寒草甸草地土壤肥力的主要氣候因子。然而草地生態系統對于水分及其他養分耦合的機制及其對水肥添加的響應機制尚不清晰。因此，青藏高原高寒草甸土壤養分的動態、分配及循環機制需考慮諸多因素的影響，需進一步探索。

3.2 氮、磷添加強度對土壤C，N，P化學計量特征的影響

養分添加能提高生態系統的土壤養分含量，降低植被資源限制，是草地有效的管理方式之一[59]。草地土壤C，N，P受不同施肥方式下不同養分添加強度的調控。本研究結果表明，土壤P含量、C/N，C/P，N/P的增加效應與氮添加的增加量成正比(圖3)，氮肥中度施肥量下土壤C，N含量最大，這與德科加[60]、Liebisch[61]和Vitousek[62]等人的研究結果一致。可能是氮、磷添加增加了土壤中的有效資源水平，降低了物種對限制資源的競爭強度[63]。由于氮素以硝態氮、銨態氮的形式被利用，適宜施肥能科學的、合理的補充土壤及植被所需養分，這與王長庭[36]、徐明崗[64]的研究結果相似。說明養分添加時施肥量并非越大越好，青藏高原草地類型多樣，土壤質地、團聚體、黏粒、土壤pH值、土壤含水量均存在差異，養分添加試驗需根據土壤理化性質開展準確性、科學性的試驗。本研究結果表明，磷輕度施肥(20 g·m-2以下)處理下土壤C，N，P含量及C/N，C/P，N/P的增加效果最明顯，這與魏金明等[65]的研究結果一致。磷添加增加了土壤微生物內穩性，微生物解除了養分限制。根據資源分配理論，土壤微生物得到充分的養分時，整個群落的養分處于平衡狀態，進而維持自身乃至土壤化學計量關系的內穩性[66]。同時，土壤中磷元素的遷移率低，大量施肥導致磷元素累積從而打破土壤內部的穩定性。

氮、磷添加可在一定程度上反映土壤環境資源對養分添加的響應及土壤內部穩定的維持機制[67]。本研究結果表明，氮、磷添加下，土壤C，N，P含量及C/N，C/P，N/P均明顯增加，中度施肥處理下增幅小于輕度、重度施肥處理，這與施瑤等[68]、田沐雨等[69]研究結果不一致，卻與常繼方等[70]研究結果相似。筆者認為P作為植被生長發育所需的主要元素，對植被的限制僅次于N，適量的P添加有助于緩解土壤P限制，并且過量的N，P添加會打破土壤C∶N∶P化學計量比的平衡。青藏高原由于受到氣象因子(光照強度、日照時數、溫度、降雨量等)和環境因子(地形地貌、海拔等)的影響[71]，草地生態系統的限制元素逐漸由N向P過渡，因此，磷添加對青藏高原高寒草甸生態系統而言利大于弊。土壤C，N，P化學計量比有利于了解土壤養分循環，養分循環與土壤呼吸及生態系統功能緊密耦合[72]。從整個青藏高原來看，土壤微生物、土壤表層必然存在某種固定的C∶N∶P比值[73]。在全球氣候變化及人為干擾會破壞養分相互作用原有的平衡，再加上氮沉降和頻繁的凍融交替循環會降低草地生態系統C∶N∶P的耦合[74]。青藏高原草地土壤質地，土壤微生物群落及數量、地形地貌、土壤團聚體、容重均存在巨大差異，草地植被物種多樣性、群落結構及優勢種有所不同，因此，養分添加時需了解土壤理化性質及其土壤內部養分分配策略，同時，成土母質及環境因子、氣象因子均應考慮，這樣才有利于青藏高原草地生態系統的健康及青藏高原的永續利用。

4 結論

本文基于數據整合的Meta分析，以全面評估施肥對高寒草地土壤C，N，P化學計量特征的影響。試驗結果表明養分的添加方式及強度均對草地土壤C，N，P存在顯著影響。氮添加對土壤C，N，P生態化學計量的增加效應與施肥強度成正比，與中度(20～45 g·m-2)、重度(45 g·m-2以上)相比，磷添加在輕度施肥(20 g·m-2以下)處理下對青藏高原高寒草甸土壤C，N，P化學計量比的正向效應效果最佳。在未來的青藏高原的管理措施中，建議依據土壤實際土壤肥力進行養分添加，以有效維持草-畜平衡，保證草地的可持續性利用。