中國草地土壤pH值對降雨變化的響應

摘要：降雨分配的變化以及極端降雨事件的頻發是全球氣候變化的重要特征，為了探究降雨變化對中國草地土壤pH值的影響，本文通過檢索159篇關于增雨和減雨處理對中國草地生態系統土壤pH值影響的文章，運用整合分析，探究了土壤pH值對增雨和減雨處理的響應及其影響因素。結果表明：增雨處理在年降雨小于200 mm和200～400 mm地區土壤pH值提高0.9%和2.3%，年均溫低于0℃地區土壤pH值提高6.7%；弱酸性、中性、弱堿性草地上土壤pH值提高4.1%，4.9%和1.3%，堿性草地降低2.7%；典型、荒漠草原上土壤pH值提高1.8%和0.9%。減雨處理在年降雨量低于200 mm和200～400 mm地區土壤pH值降低0.4%和0.7%；弱堿性草地土壤pH值降低0.7%，草甸草原土壤pH值降低1.5%，典型草原土壤pH值提高0.9%。增雨處理通過增加植被蓋度，減少物種豐富度和地下生物量，提高草地土壤pH值；減雨處理通過對土壤碳氮磷含量的影響降低草地土壤pH值。本研究結果可為全球降雨格局變化背景下草地土壤養分管理提供科學依據。

關鍵詞：極端降雨；減雨處理；養分管理；增雨處理

中圖分類號：S812.2 " " " "文獻標識碼：A " " " "文章編號：1007-0435（2025）01-0262-11

Response of Soil pH to Precipitation Alterations across Chinese Grassland： A Meta-Analysis

JU Xin1，2， YUE Zhuo-ran3， ZHAO Shou-yi3， ZHANG Shuai-zhu3， DU Ting3， WU Shuai-kai1，2，

DONG Kuan-hu1，2， WANG Chang-hui1，2， YANG Jian-qiang3*， SU Yuan1，2*

（1.College of Grassland Science， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi Province 030801， China； 2.Shanxi Key Laboratory of

Grassland Ecological Protection and Native Grass Germplasm Innovation， Taigu， Shanxi Province 030801， China； 3.College of Life Science， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi Province 030801， China）

Abstract：Changes in rainfall distribution and the increasing frequency of extreme precipitation events are key characteristics of global climate change. This study aims to explore the effects of these rainfall variations on soil pH levels in grassland ecosystems across China. A comprehensive analysis was conducted on 159 studies that investigated the effects of increased and decreased precipitation on soil pH in Chinese grassland ecosystems. The study integrates these findings to examine how soil pH responds to precipitation manipulation and identifies the key influencing factors. Increased precipitation led to significant rises in soil pH， with increases of 0.9% and 2.3% in regions receiving less than 200 mm and between 200-400 mm of annual rainfall， respectively， and by 6.7% in areas with an average annual temperature below 0°C. Additionally， soil pH increased by 4.1%， 4.9%， and 1.3% in weakly acidic， neutral， and weakly alkaline grasslands， respectively， but decreased by 2.7% in alkaline grasslands. In typical and desert grasslands， soil pH increased by 1.8% and 0.9%， respectively. In contrast， reduced precipitation decreased soil pH by 0.4% and 0.7% in areas with annual rainfall below 200 mm and between 200～400 mm， respectively. Furthermore， soil pH declined by 0.7% in weakly alkaline grasslands， by 1.5% in meadow grasslands， but increased by 0.9% in typical grasslands.Increased precipitation notably raised soil pH by enhancing vegetation cover， reducing species richness and below-ground biomass， and indirectly altering soil carbon （C） and nitrogen （N） content. Conversely， reduced precipitation significantly lowered soil pH， mainly by affecting soil C， N， and phosphorus （P） content. These findings provide a scientific basis for managing soil nutrients in grassland ecosystems in arid and semi-arid regions in the context of global precipitation pattern changes.

Key words：Extreme precipitation；Precipitation decrease treatments；Nutrient management；Precipitation increase treatments

水分是干旱-半干旱區草地生態系統的限制性資源，是土壤和生物體內營養物質的溶劑，更是其運輸的介質［1］。近年來，在全球氣候變化背景下，極端降雨事件（如降雨量、降雨強度、季節分布不均勻等）發生的頻率顯著增加［2-4］。降雨模式的改變會影響植物的生長過程［5］，這些極端降雨對草地生態系統的地上凈初級生產力［6］、物種多樣性、群落豐度和均勻度［7］有顯著影響，通過生物間相互作用導致土壤養分水平以及生態條件的變化進而影響土壤碳氮過程等關鍵的地球化學循環過程［8-9］。降雨會通過改變凋落物質量和土壤微生物影響凋落物的分解［10］，進而影響土壤碳循環［11］。例如較高強度的增雨處理會導致地表徑流和深層土壤排水量的增大［12］影響土壤養分循環，該變化可能會影響植物生長［13］。減雨處理則會限制土壤養分向植物的轉移，植物會將更多的養分分配至地下部分［14］。植物生物量的改變尤其是地下生物量的改變會通過根系分泌物量的變化影響微生物群落進而影響土壤pH值，降雨還會通過調節土壤肥力、土壤鹽分積累、植被蓋度及其群落結構影響土壤pH值［15］。

人類活動干擾，例如放牧、氮肥施用等，對土壤pH值的影響與其強度和頻率等密切相關。有研究表明遠離放牧區或人為免耕可以通過促進有機質分解使得土壤堿性鹽基陽離子濃度降低，顯著降低土壤pH值［16］，施用氮肥顯著降低草地生態系統土壤pH值［17］。以氣候因子為主導因素對土壤pH值影響進行的研究數量較少，增雨處理和減雨處理對土壤pH值影響的研究具有不同的結果。有研究表明，降雨增多會導致吸附于土壤的鹽基陽離子向下淋溶進入地下水，而土壤固相空缺處的吸附位被H+離子占據導致土壤酸化［18］。與其相反的是，有學者認為降雨的增加增強了土壤堿性陽離子的交換能力，從而增加土壤pH值［19］。一項在青藏高原的研究則發現土壤pH值對降雨變化無顯著響應［20］，然而，對于全國尺度上的降雨變化對草地土壤pH值的影響暫無定論。

為了探究中國干旱、半干旱草地在未來全球氣候變化背景下降雨格局改變，尤其是極端降雨事件頻發對土壤pH值及其所導致的生產力變化和草地退化等生態效應的影響。本文收集了已經發表的有關中國草地設置增雨、減雨控制試驗的相關文獻，通過整合分析匯總多項獨立研究的結果分析降雨變化對草地土壤pH的影響及潛在調控因素［21］。本研究主要回答以下問題：（1）增雨和減雨處理對于土壤pH值的影響是積極的還是消極的？（2）土壤pH值對增雨和減雨處理的響應模式是否相同？

1 材料與方法

1.1 數據來源與篩選

本研究的數據庫選擇為Web of Science和中國知網。在中國知網數據庫中輸入“降雨” “降水”“干旱”和“中國草地”進行檢索，在Web of Science數據庫中輸入“precipitation ”“drought”和“China”“grassland”進行檢索，截止時間為2022年12月31日，分別得到368，5148篇研究文獻。再通過以下標準進行文獻篩選：（1）采用遮雨棚減少降雨或人工增加降雨的方式設置降雨梯度；（2）詳細記錄了降雨梯度、試驗地、植被、土壤因子。最終，符合要求的文獻有159篇，觀測數據有4676對。

此外，提取試驗點名稱和試驗點位置、草地類型、年均溫（Mean annual temperature，MAT）、年均降雨量（Mean annual precipitation，MAP）、降雨強度、0～10 cm土層土壤酸堿度（Potential of hydrogen，pH）、土壤溫度（Soil temperature，ST）、土壤含水量（Soil water content，SWC）、土壤電導率（Electrical conductivity，EC）、土壤容重（Soil bulk density，BD）、土壤全氮（Total nitrogen，TN）、土壤全碳（Total carbon，TC）、土壤全磷（Total phosphorus，TP）、土壤銨態氮（Ammonium nitrogen，NH_4^+-N）、土壤硝態氮（Nitrate nitrogen，NO_3^--N）、土壤無機氮（Inorganic nitrogen，IN）、土壤可溶性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）、土壤可溶性有機氮（Dissolved organic nitrogen，DON）、土壤有機氮（Soil organic nitrogen，SON）、土壤有效磷（Available phosphorus，AP）、地上生物量（Above-ground biomass，AGB）、地下生物量（Below-ground Biomass，BGB）、地上凈初級生產力（Above-ground Net primary productivit，ANPP）、地下凈初級生產力（Below-ground Net primary productivit，BNPP）、物種豐富度（Species richness，SR）、植被香農維納指數（Shannon-Wiener index，S-W）、植被辛普森指數（Simpson’s diversity index，SIM）、植被蓋度（Fractional vegetation cover，FVC）、微生物生物量碳（Microbiological biomass carbon，MBC）、微生物生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）、土壤呼吸（Soil respiration，RS）、試驗重復次數，并將不同文獻因子數據單位進行統一。文獻中正文及表格的數據直接提取，圖片中的數據使用GetData 2.22軟件提取數據。

1.2 劃分方法

本研究中，對收集到的數據進行了劃分。以年降雨量為劃分依據，設置了200 mm（干旱與半干旱區分界線）、400 mm（半干旱與半濕潤區分界線）分界線［22］。以年均溫為劃分依據，設置了0℃分界線。以土壤酸堿度為劃分依據，設置了pH值6.5，7.5，8.5分界線［23］。以文獻中描述的草地類型為劃分依據，分為草甸草原、典型草原和荒漠草原。

1.3 數據分析

本研究中，在進行數據分析前首先進行了針對處理的均一化處理，目的是將不同文獻中的降雨變化值統一為增減50%［24］，公式如下：

XT=XC+（XT-XC）×50/|T|

其中XT為均一化后的因子，XC為空白對照下因子的平均值；XT為T處理下因子原平均值，T為該處理下降雨改變百分比。

使用響應比（RR）以反映降雨量變化對當地草地pH值的影響，公式如下：

RR=ln（XT/XC）

為了避免由于極端誤差造成的極端加權值，使用了基于試驗重復次數的加權值計算［21］，公式如下：

W=（NT×NC）/（NT+NC）

其中W為加權值，NC為空白對照處理數量；NT為T處理數量。

利用加權響應比作為降雨量變化中國草地pH值的影響［25］，公式如下：

lnRR=（∑_（i=1）^m?∑_（j=1）^n?〖w_ij lnRR_ij 〗）/（∑_（i=1）^m?∑_（j=1）^n?w_ij ）

其中m為試驗組數量，n為該試驗組樣本量（文獻量）。

為了便于描述和了解，對上述加權響應比進行進一步計算得到變化百分比，公式如下：

Percentage change（%）=（elnRR-1）×100%

如95%置信區間不與零重合則為顯著。土壤pH值外的其他因子數據，如大于等于5個試驗組數量（文獻量）則按照上述方法進行計算。利用SPSS計算降雨量改變處理下各個因子之間的相關關系。利用Origin 2022作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值對增雨和減雨處理的響應

增雨處理顯著提高了土壤pH值（Plt;0.05），然而，減雨處理對土壤pH值無顯著影響。以年降雨量為依據將數據進行分類，減雨處理在年降雨量低于400 mm地區顯著降低了土壤pH值，分別為200 mm以下降低0.4%（Plt;0.05）、200～400 mm地區降低0.7%。土壤pH值在年降雨小于200 mm地區增雨處理顯著提高了0.9%（Plt;0.05），在200～400 mm 地區增雨處理提高了2.3%。在年降雨量大于400 mm地區增雨處理和減雨處理對土壤pH值均無顯著影響。

以年均溫度為依據將數據進行分類，在年均溫低于0℃地區增雨處理土壤pH值顯著提高6.7%（Plt;0.05）。在年均溫大于0℃地區增雨處理和減雨處理對土壤pH值無顯著影響。

以土壤pH值為依據將數據進行分類，在弱酸性草地上，增雨處理土壤pH值顯著提高了4.1%（P lt; 0.05）；在中性草地上，增雨處理土壤pH值顯著提高了4.9%；在弱堿性草地上，增雨處理土壤pH值顯著提高了1.3%，減雨處理土壤pH值顯著降低0.7%；在堿性草地上，增雨處理土壤pH值顯著降低了2.7%，減雨處理無顯著影響。

以草地類型將數據進行分類，在草甸草原增雨處理對土壤pH值無顯著影響，在草甸草原減雨處理土壤pH值顯著降低了1.5%（Plt;0.05）；在典型草原增雨處理土壤pH值顯著提高了1.8%，在典型草原減雨處理土壤pH值顯著提高了0.9%；在荒漠草原增雨處理土壤pH值顯著提高了0.9%，減雨處理對土壤pH值無顯著影響（圖1）。土壤pH值對增雨處理和減雨處理響應的文獻數量見表1。

2.2 增雨和減雨處理下土壤pH值與其他因子之間的相關關系

增雨處理下，土壤TN（Plt;0.05）、DOC（Plt;0.01）、FVC（Plt;0.05）、MBC（Plt;0.01）顯著降低了土壤pH值（圖2）；減雨處理下，土壤TN（Plt;0.05）、NO_3^--N（Plt;0.01）、SON（Plt;0.001）、DOC（Plt;0.05）顯著降低了土壤pH值，BGB（Plt;0.05）顯著提高了土壤pH值（圖2）。

圖2 增雨處理和減雨處理下土壤pH值對TN，DOC，FVC，MBC，SON，NO_3^--N，BGB的響應

Fig.2 Responses of soil pH to TN， DOC， FVC， MBC， SON， NO_3^--N and BGB under precipitation increase treatment and precipitation decrease treatment

注：A，B，C，D為增雨，E，F，G，H，I為減雨

Note：A， B， C， D indicates precipitation increased and E， F， H， J， I indicates precipitation decreased

2.3 中國草地生態系統各因子對增雨和減雨處理的響應

增雨處理顯著提高了Rs（Plt;0.05），MBN，MBC，FVC，SIM，SR，BNPP，ANPP，AGB，AP，SON，IN，NO_3^--N，NH_4^+-N，TN，EC，SWC，降低了S-W，BGB，BD；減雨處理顯著提高了MBN（Plt;0.05），AP，DON，DOC，IN，NO_3^--N，BD，EC，降低了FVC，S-W，ANPP，AGB，BGB，SOC，SWC（圖3）。

2.4 增雨和減雨處理下中國草地生態系統各因子間相關關系

增雨處理下，ST與SWC，TN，Rs呈顯著負相關關系，與TP，MBC呈顯著正相關關系；SWC與AGB，EC與NH_4^+-N，SR與S-W，SIM與BGB，FVC與AGB呈顯著正相關關系；pH與TN，DOC，FVC，MBC呈顯著負相關關系；TN與DON呈顯著負相關關系，與AP，BGB，MBC，MBN呈顯著正相關關系；NH_4^+-N與NO_3^--N，IN，AGB呈顯著正相關關系，與FVC呈顯著負相關關系；NO_3^--N與IN，DOC，MBC呈顯著正相關關系；MBC與SR，S-W，FVC呈顯著正相關關系，與TP呈顯著負相關關系；MBN與DON，BGB，MBC呈顯著正相關關系；S-W與SON，AGB與SIM呈顯著負相關關系。

減雨處理下，pH與TN，NO_3^--N，SON，DOC呈顯著負相關關系，與BGB呈顯著正相關關系；TN與NO_3^--N，TC，SON呈顯著正相關關系；ST與Rs，NH_4^+-N與TC，TC與ANPP，AP與MBC，AP與MBN呈顯著負相關關系；AGB與SWC，EC與TN，NO_3^--N與IN，SON與DOC，AP與DOC，MBC與DON，BGB與SIM，TP與MBC，MBN與MBC，Rs與MBC呈顯著正相關關系（圖5）。各因子對增雨處理和減雨處理響應比的文獻數量見表2。

3 討論

3.1 土壤pH值對增雨處理的響應

本研究結果表明，增雨處理顯著提高了中國草地土壤pH值。通過對各因子間相關關系的研究發現，增雨處理顯著提高土壤pH值的原因可能是增雨處理通過減少BGB和植被S-W指數，降低了TN和MBC導致土壤pH值上升。增雨處理會提高FVC，使得NH_4^+-N，NO_3^--N，DOC降低最終導致土壤pH值上升（圖5）。

本研究發現增雨處理會顯著提高FVC，其原因可能是提高了水分的可利用性，或者為植物生長提供更多的生態位［26］。FVC的提高會通過影響土壤的水分、氣體環境，促進植物吸水導致土壤含水量下降［27］，進而提高光合速率，增加土壤近表面的氧氣濃度，降低CO2濃度提高土壤pH值［28］，這與本研究結果一致。有研究表明增雨處理會提高土壤養分的可利用性，尤其是N的可利用性［29］，但是增雨處理對土壤中參與C，N過程的酶活性無顯著影響，因此增雨處理對土壤養分環境的影響十分有限［30］，本研究也得出了相似的結論，增雨處理對于植物的影響較大，而對于土壤環境僅產生間接影響。也有研究表明短期的增雨處理導致的植被群落及其功能性改變不足以影響土壤環境［31］。本研究發現降雨對于土壤養分的影響是通過對植被蓋度、群落多樣性及其功能的影響進而改變土壤養分含量和質量［32］。增雨處理對于植被群落生長的積極作用增加了其對土壤C和N的需求［28］。增雨處理通過提高土壤水分可利用性，進而提高了微生物群落的活性［33］，同時也提高了土壤呼吸，從而加速了土壤C的流失［34］，從多個途徑減少了土壤DOC含量［35］。土壤DOC含量的下降導致土壤有機酸和酸性物質含量減少，進而導致土壤pH值上升［36-37］。增雨處理會增加植物物種多樣性，尤其是在受到水分限制的地區［38］，但是本研究在全國尺度上出現了相反的結果，增雨處理會降低FVC，其原因可能是增雨處理提高了優勢種或喜水植物的占比，增雨處理還會減少植物物種多樣性。而植被豐富度的降低會降低根系分泌物對土壤微生物群落生物量的積極作用［39］，進而導致土壤pH值上升［40-41］。本研究發現增雨處理會顯著降低植被地下生物量，這可能是因為土壤水分過于飽和導致的根系缺氧［42］，也可能是因為地上部分生長旺盛，土壤養分條件降低導致的。地下生物量的減少，通過根系分泌物的減少、土壤微生物數量和活性的降低導致土壤全氮含量下降［43］。土壤全氮則是通過減少土壤酸性物質（銨態氮、氨基酸等）導致土壤pH值的上升［44-45］。

本研究發現，以年降雨量200 mm，400 mm為界將數據進行分類，年降雨量高于400 mm地區的土壤pH值對增雨處理的響應不顯著，其原因可能是高降雨量地區土壤含水量、有機質、離子含量較高從而能夠中和土壤pH值的響應趨勢，也可能是當地生態系統能抵抗短期的增雨處理［46］。本研究發現，以年均溫0℃為界將數據進行分類，年均溫高于0℃地區的土壤pH值對增雨處理的響應不顯著，原因是年均溫較高的地區通常土壤呼吸速率和有機物分解速率也較高［47］，排放出了大量的二氧化碳和有機酸，能夠中和增雨處理對土壤pH的堿化作用。本研究發現，以土壤酸堿度將數據進行分類，在堿性草地上，增雨處理顯著降低了土壤pH值2.7%，這與表土鹽基離子的淋溶有關［48］，此外，增雨處理可能促進植物根系吸水，在此過程中將部分鹽基離子吸收［49］。本研究發現，以草原類型進行分類，在草甸草原上，增雨處理對土壤pH值無顯著影響，其原因可能是相對較高的MAP使得該地區生態系統相對穩定，不易受到增雨處理的影響［46］。

3.2 土壤pH值對減雨處理的響應

本研究結果表明減雨處理降低了中國草地土壤pH值，但趨勢不顯著。僅在MAP低于400 mm的草地上顯著，其作用途徑可能是減雨處理通過增加AP，EC，IN進而提高DOC，NO_3^--N，TN，降低土壤pH值，也可以通過降低BGB或提高DOC，NO_3^--N直接降低土壤pH值（圖5）。

本研究發現減雨處理對于植物地下生物量存在顯著的消極影響，與松嫩草原的研究相反［49］，但這并不違背“最優分配理論”，減雨處理導致植株矮小，限制了植被生長，且對于地上部分的影響要大于地下部分（圖5）。此外減雨處理會降低土壤水分可利用性，減少植被的繁殖，提高了物種的死亡率［28］。減雨處理可能通過促進植物病原菌的產生，進而導致植物多樣性下降，并促使植物趨于抗逆性生長［50］，綜合影響了植被的地下生物量。與增雨處理機理類似，地下生物量的減少會導致pH值下降。本研究發現減雨處理顯著提高了土壤AP和IN，減雨處理在一定程度上緩解了土壤養分的淋溶和流失，此外為微生物提供了充足的養分條件，促進了有機質的分解，提高了土壤中C，N，P的含量［51-52］。土壤AP含量的提高會通過對微生物［53-54］和植物［55-56］生長的促進增加土壤DOC的來源，土壤DOC含量的上升通過土壤有機酸等酸性物質的增加降低pH值。土壤總無機氮含量的升高導致NO_3^--N含量的升高，進而降低土壤pH值［57］。本研究發現減雨處理顯著提高了EC，減雨處理降低了降雨導致的離子淋溶進而提高了土壤電導率［58］。土壤EC的提高也就意味著包含無機氮化合物在內的離子含量提高，在微生物的作用下釋放出氮元素，提高了土壤總氮含量，進而導致了土壤酸化。

本研究發現，以年降雨量200 mm，400 mm為界將數據進行分類，MAP大于400 mm地區減雨處理對土壤pH值的影響不顯著，其原因是高降雨量地區的土壤條件相對穩定，不易在短期減雨處理條件下受到顯著的影響［46］。以年均溫0℃為界將數據進行分類，年均溫高于0℃地區的土壤pH值對減雨處理的響應不顯著，我國年均溫高于0℃地區通常土壤水分、養分條件較穩定［58］，對短期減雨處理的影響具備一定的緩沖能力。以土壤酸堿度將數據進行分類，減雨處理對堿性草原土壤pH值無顯著影響，是因為鹽堿地巨大的蒸發量［28］。以草原類型進行分類，荒漠草原減雨處理對土壤pH值影響不顯著的原因與堿性草原類似，減雨處理強度相較于巨大的蒸發量顯得微不足道［28］。

需要指出的是，由于關于我國草地增雨處理和減雨處理下土壤pH值變化的文獻數量相對較少，使得本文的數據有限，也就導致了本研究的最終結果存在一定的局限性。此外，盡管本研究發現了增雨處理和減雨處理對中國草地土壤pH值影響的差異化途徑，但其普適性需要進一步驗證。因此，在極端降雨頻發的全球氣候變化大背景下，未來需要開展更多研究以進一步探索土壤pH值對增雨處理和減雨處理的響應結果及途徑，以期在更大尺度上給出更加準確和普適的結論。

4 結論

極端降雨對中國草地土壤pH值有顯著影響，影響大小與年均溫、年均降雨量、土壤初始pH值和草地類型有關。增雨處理通過提高優勢種豐度增加植被蓋度，減少物種豐富度和地下生物量，間接影響土壤養分含量，顯著提高了中國草地土壤pH值；減雨處理對中國草地土壤pH值影響不顯著，在年降雨量小于400 mm 的地區，主要通過對土壤養分含量的影響顯著降低中國草地土壤pH值。

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（責任編輯 "閔芝智）