土壤是陆地生态系统的重要组成部分, 是植物生长和发育所需营养的主要来源^[1].土壤碳(C)、氮(N)和磷(P)是土壤必需的养分, 它们的比值被认为是生态系统结构和功能的重要指标^[2].土壤生态化学计量比常被用于反映土壤中各营养元素之间的关系和养分的可获得性, 揭示土壤养分限制、养分循环和平衡机制^{[3, 4]}.因此, 综合研究陆地土壤养分含量及其化学计量比可以为陆地生态系统土壤恢复提供理论依据.土壤养分主要分为有效养分和无效养分, 其中有效养分能够直接被植物吸收利用, 而某种养分总储量称为全量养分^[5].有研究表明铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、速效氮(AN)和速效磷(AP)作为土壤有效氮和有效磷的主要存在形式, 相比全量养分, 其含量变化容易在土壤中得以体现, 更能直观反映出土壤中N、P养分的供需状况^{[6, 7]}.但目前有关土壤生态化学计量的研究多集中于全量生态化学计量, 而有关速效生态化学计量的研究较少, 何种能更好地反映土壤N、P养分有效性、矿化程度和养分限制情况还有待研究.

N和P作为草地生态系统土壤中的主要限制养分, N添加和P添加显著影响土壤全量养分及其生态化学计量特征^{[8, 9]}.有研究认为N添加显著提高土壤全氮(TN)、全磷(TP)含量和N∶P^{[9, 10]}, 降低土壤有机碳(SOC)含量和C∶N^[11]; 也有研究指出N添加对土壤TN和TP含量无显著影响^[12], SOC含量变化受N添加时间的影响, 短期(< 3 a)无显著影响, 中长期(>3 a)显著增加SOC含量^[13], 土壤C∶N保持相对稳定, 不受外源养分添加的影响^[14]. P添加对土壤TN和SOC含量无显著影响, 而显著提高土壤TP含量, 降低土壤C∶P和N∶P, 提高土壤P的有效性, 加剧生态系统N限制^[15].同时, N添加和P添加显著影响土壤速效养分及生态化学计量特征.对内蒙古典型草原的研究认为N添加对土壤AP含量无显著影响, 而显著提高土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N和AN含量, 从而提高土壤AN∶AP进而缓解生态系统N限制^{[16, 17]}; P添加对土壤AN含量无显著影响, 而显著提高土壤AP含量, 从而降低土壤AN∶AP进而加剧生态系统N限制^[15~17].养分添加在一定程度可以缓解生态系统N和P养分的限制, 但持续的养分添加可能会改变生态系统结构和限制因素^[18].对草地生态系统的研究表明, 长期或过量地进行N添加, 限制元素可能由N转化为P^[16].因此, 考虑NP共同添加对土壤养分含量及生态化学计量特征的影响也至关重要.NP共同添加显著提高土壤AN、AP含量^{[15, 19]}, 且N和P对土壤AP含量具有显著交互作用^[10].目前大多数研究仅考虑N或P添加对土壤养分含量及生态化学计量特征的影响, 很少考虑NP共同添加以及N和P的交互作用^[17]; 且多数集中于N、P添加对土壤全量养分及生态化学计量特征的影响, 关于N、P养分添加对土壤速效养分及生态化学计量特征影响的研究较少.

荒漠草原作为草原向荒漠过渡的生态交错带, 对全球变化反应较为敏感^[20].养分是干旱、半干旱地区草地生态系统的重要限制因子之一, 能对该地区生态系统结构和功能产生重要影响.养分添加是维持草地生态系统养分平衡的有效措施^[21].土壤中添加多种限制性养分(N和P)对土壤速效养分含量以及全量养分含量有何影响, 对土壤速效生态化学计量以及全量生态化学计量有何影响？土壤速效生态化学计量与土壤全量生态化学计量有何关系？为此, 本文以宁夏荒漠草原为研究对象, 通过对N、P养分添加下土壤全量及速效养分含量、全量及速效化学计量比的研究, 分析土壤中速效养分与全量养分相关关系, 以及土壤全量及速效化学计量特征的指示作用, 阐明养分添加对荒漠草原土壤养分动态平衡关系的影响, 以期为荒漠草原恢复与保护提供理论依据.

本研究依托宁夏农牧交错带温性草原生态系统定位观测研究站, 研究区位于宁夏回族自治区盐池县荒漠草原(37.783 3°N, 107.407 07°E, 海拔1 523 m), 2017年土壤理化性质见表 1.该地区位于鄂尔多斯台地向黄土高原过渡带, 是荒漠向典型草原的过渡区域.研究区2020年和2021年年降雨量分别为181.2 mm和210.3 mm, 研究区详细信息见文献[22].

表 1 (Table 1)

表 1 2017年荒漠草原土壤理化性质 Table 1 Soil physical and properties in desert grassland in 2017 项目 ω(TN) /g·kg-1 ω(SOC) /g·kg-1 ω(TP) /g·kg-1 ω(AN) /mg·kg-1 ω(AP) /mg·kg-1 pH 参数 0.70 6.38 0.33 6.02 1.31 8.32

表 1 2017年荒漠草原土壤理化性质 Table 1 Soil physical and properties in desert grassland in 2017

本试验依托2017年建立的草地生态系统(典型草原、草甸草原和荒漠草原)全球变化联网试验(NPK养分添加和降水变化)的荒漠草原试验样地, 选取全球变化试验中对照(CK)、N添加(N)、P添加(P)和NP共同添加(NP)这4个处理.每个处理6次重复, 共计24个小区, 每个小区面积为6 m×6 m, 样方间均设置有2 m宽的缓冲带.N和P添加采用全球草地生态系统营养物研究网络(nutrient network)的试验设计^[23]：N添加[缓释型(NH₂)₂CO, 10 g·(m²·a)^-1]、P添加[Ca(H₂PO₄)₂·H₂O, 10 g·(m²·a)^-1]、NP添加[10 g·(m²·a)^-1(NH₂)₂CO+10 g·(m²·a)^-1 Ca(H₂PO₄)₂·H₂O].自2018年开始进行N、P养分添加处理, 每年5月初将缓释型尿素和磷肥于降雨前撒施.

于2020年8月和2021年8月进行土壤样品采集.在每个小区内采用五点取样法采集0~10 cm土壤样品, 将每个小区内土壤样品混匀并去除残留根系、石块及其他杂质后带回实验室分为3份, 一份4℃保存用于土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N的测定; 一份土壤样品过2 mm土壤筛用于AP的测定; 一份风干研磨后用于测定土壤TN、TP和SOC含量.

土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N采用KCl浸提, 连续流动分析仪测定; AP采用NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法测定; 土壤C、N含量分别采用重铬酸钾外加热法和H₂SO₄-H₂O₂消煮-凯氏定氮法测定; 土壤P含量采用HClO₄-H₂SO₄消煮-钼锑抗比色法测定.

速效氮(AN)为NH₄⁺-N与NO₃^--N总和, 化学计量比为质量比, 其中速效含量生态化学计量比(C∶AN、C∶AP、AN∶AP)由土壤AN、AP、SOC计算得出; 全量生态化学计量比(C∶N、C∶P、N∶P)由土壤TN、TP、SOC计算得出^{[11, 17, 24, 25]}.利用Origin 2018中的主成分分析方法提取公因子, 特征值大于1的主成分能够解释较多的总变异性^[26], 权重系数以及负荷量表示各因子的重要性程度, 方差贡献率、累积方差贡献率以及特征值判断各土壤因子对总变异性的解释情况^{[27, 28]}.权重计算公式为：

(1)

式中, W_i为各土壤因子的权重; C_i为第i个土壤因子的负荷量.

采用SPSS 25.0分析软件对数据进行统计分析, 对土壤养分含量及化学计量特征进行单因素方差分析、双因素方差分析以及多重比较(LSD)(α=0.05)、利用Graphpad Prism 9制图.利用R4.0.3中corrplot包计算土壤养分含量及化学计量的Pearson相关性.

N、P养分添加对土壤TN和SOC的影响与养分添加年限有关(图 1).N、P养分添加第3年, 土壤TN和SOC含量呈增加趋势但是差异不显著(P>0.05); 而养分添加第4年, P添加和NP共同添加显著增加SOC含量, N添加、P添加和NP共同添加显著增加土壤TN含量(P < 0.05).N、P养分添加第3年与第4年对土壤TP含量的影响相同, P添加和NP共同添加显著增加土壤TP含量(P < 0.05).

图 1

Fig. 1

不同字母表示不同处理间差异显著(P＜0.05),下同 图 1 N和P添加对荒漠草原土壤全量养分及生态化学计量特征的影响 Fig. 1 Effects of N and P additions on soil total nutrient content and ecological stoichiometric characteristics in desert grassland

N、P养分添加显著影响土壤C∶P和N∶P, 而对土壤C∶N无显著影响(图 1, P < 0.05).N、P养分添加第3年与第4年对土壤C∶P的影响相同, P添加和NP共同添加显著降低了土壤C∶P. P添加和NP共添加第3年和第4年对土壤N∶P的影响相同, 均显著降低土壤N∶P.N添加第3年与第4年对土壤N∶P的影响不同, N添加第3年对土壤N∶P无显著影响, 而N添加第4年显著增加了土壤N∶P.在养分添加第3年与第4年, N、P对土壤全量养分含量及生态化学计量特征均无显著交互作用(表 2, P < 0.05).

表 2 (Table 2)

表 2 N、P养分添加对土壤全量养分含量及生态化学计量特征影响的方差分析 Table 2 Results of two-way ANOVA of the effects of N and P additions on soil total nutrient content and ecological stoichiometric characteristics in desert grassland 项目 TN SOC TP C∶N C∶P N∶P 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 N 0.475 0.194 0.166 0.776 0.356 0.588 0.153 0.334 0.061 0.508 0.364 0.175 P 0.421 0.001 0.784 < 0.001 < 0.001 < 0.001 0.119 0.836 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 N×P 0.552 0.018 0.403 0.642 0.066 0.843 0.611 0.06 0.259 0.605 0.619 0.067

表 2 N、P养分添加对土壤全量养分含量及生态化学计量特征影响的方差分析 Table 2 Results of two-way ANOVA of the effects of N and P additions on soil total nutrient content and ecological stoichiometric characteristics in desert grassland

N、P养分添加显著影响土壤速效养分及其生态化学计量特征, 且不同养分添加年限对土壤速效养分及其生态化学计量特征影响一致(图 2和图 3, P < 0.05).N添加与NP共添加显著增加土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量, P添加与NP共同添加显著增加土壤AP含量, 其中与N添加相比, NP共同添加显著增加土壤NH₄⁺-N和AP含量.N添加和NP共同添加显著降低土壤C∶AN, 且NP共同添加与N添加之间对土壤C∶AN的影响差异也达到显著水平; P和NP共同添加显著降低土壤C∶AP; N添加显著增加土壤AN∶AP, P添加和NP共同添加显著降低土壤AN∶AP.在养分添加第3年和第4年, N、P对土壤NH₄⁺-N、AP含量和C∶AN、AN∶AP具有显著交互作用(表 3, P < 0.05).

图 2

Fig. 2

图 2 N和P添加对荒漠草原土壤速效养分含量的影响 Fig. 2 Effects of N and P additions on soil available nutrient content in desert grassland

图 3

Fig. 3

图 3 N和P添加对荒漠草原土壤速效养分及生态化学计量特征的影响 Fig. 3 Effects of N and P additions on soil available ecological stoichiometric characteristics in desert grassland

表 3 (Table 3)

表 3 N、P养分添加对土壤速效养分含量及生态化学计量特征影响的方差分析 Table 3 Results of two-way ANOVA of the effects of N and P additions on soil available nutrient content and ecological stoichiometric characteristics in desert grassland 项目 NO3--N NH4+-N AP C∶AN C∶AP AN∶AP 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 2020年 2021年 N < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 0.001 0.005 < 0.001 < 0.001 0.180 0.145 < 0.001 < 0.001 P 0.813 0.329 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 0.005 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 N×P 0.608 0.986 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 0.001 < 0.001 0.754 0.823 < 0.001 < 0.001

表 3 N、P养分添加对土壤速效养分含量及生态化学计量特征影响的方差分析 Table 3 Results of two-way ANOVA of the effects of N and P additions on soil available nutrient content and ecological stoichiometric characteristics in desert grassland

土壤速效养分和土壤全量养分之间存在显著相关关系(表 4, P < 0.05).AN和土壤NO₃^--N无显著相关性, 和土壤NH₄⁺-N呈显著正相关; 土壤AN和土壤TN、SOC呈显著负相关关系, 和土壤TP呈显著正相关; 土壤AP和土壤TP呈显著正相关关系; 土壤TN和土壤SOC呈显著正相关.土壤养分含量和生态化学计量特征之间也具有显著相关关系(表 4, P < 0.05).土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N、AN和土壤C∶N呈显著正相关, 而和土壤N∶P、C∶AN呈显著负相关; AP、TP和土壤C∶P、N∶P、C∶AP、AN∶AP呈显著负相关; TN和土壤C∶N呈显著负相关, 和土壤C∶AN、N∶P呈显著正相关; SOC和土壤C∶N呈显著负相关, 和土壤C∶AN呈显著正相关.土壤速效生态化学计量特征和土壤全量生态化学计量特征之间存在显著相关性.其中土壤C∶P和土壤C∶AP、土壤N∶P和土壤速效N∶P均呈显著正相关, 土壤全量C∶N和速效C∶N呈显著负相关(表 5, P < 0.05).

表 4 (Table 4)

表 4 荒漠草原土壤养分含量与化学计量相关性1) Table 4 Correlation of soil nutrient content and stoichiometric of desert grassland NH4+-N NO3--N AN AP TN SOC TP NH4+-N 1 — — — — — — NO3--N 0.826 1 — — — — — AN 0.972** 0.922 1 — — — — AP 0.07 -0.087 0.011 1 — — — TN -0.218 -0.566** -0.366** 0.25* 1 — — SOC -0.164 -0.485** -0.30** 0.275 0.866** 1 — TP 0.226 0.111 0.183* 0.907** 0.189* 0.281 1 C∶N 0.339* 0.635** 0.460** -0.198 -0.764** -0.470** -0.024 C∶P -0.195 -0.146 -0.185 -0.911** -0.012 -0.09 -0.889** N∶P -0.347* -0.517* -0.427* -0.586** 0.556* 0.430** -0.678** C∶AN -0.699** -0.879** -0.806** 0.118 0.565** 0.459** -0.05 C∶AP -0.344* -0.437** -0.397** -0.718** 0.306* 0.302* -0.786** AN∶AP 0.383* 0.586* -0.488* -0.558** -0.342* -0.503* -0.511** 1)*表示P < 0.05, **表示P < 0.01, 下同

表 4 荒漠草原土壤养分含量与化学计量相关性1) Table 4 Correlation of soil nutrient content and stoichiometric of desert grassland

表 5 (Table 5)

表 5 荒漠草原土壤速效化学计量比与全量化学计量比相关性 Table 5 Correlation between soil available stoichiometric ratio and soil total stoichiometric ratio in desert grassland C∶N C∶P N∶P C∶AN C∶AP AN∶AP C∶N 1 — — — — — C∶P -0.054 1 — — — — N∶P -0.534** 0.776** 1 — — — C∶AN -0.644** 0.183 0.504* 1 — — C∶AP -0.253 0.859** 0.921* 0.405** 1 — AN∶AP 0.225 0.446** 0.103** -0.511** 0.162 1

表 5 荒漠草原土壤速效化学计量比与全量化学计量比相关性 Table 5 Correlation between soil available stoichiometric ratio and soil total stoichiometric ratio in desert grassland

土壤速效生态化学计量特征的变异系数均大于土壤全量生态化学计量的变异系数(图 4).养分添加第3年、第4年土壤速效化学计量特征和全量化学计量特征的变异系数表现为N∶P和C∶P高于C∶N.对土壤养分和生态化学计量特征进行因子分析, 利用主成分方法提取公因子, 在CK处理下提取出2个主成分(C∶AN和NH₄⁺-N), N添加处理下提取出2个主成分(NH₄⁺-N和AN∶AP), P添加处理下提取出3个主成分(C∶AN、NH₄⁺-N和AN), NP共同添加处理下提取出2个主成分(NO₃^--N和AN∶AP)(表 6), 且PCA结果显示两轴累积解释率达85%以上, 能够解释较多的总变异性(图 5).通过PCA图可知(图 5), 不同处理下(CK、N添加、P添加和NP共同添加)PC1的解释率最低为69.7%, 特征值均达9以上.因此, 本研究主要依据各土壤因子在PC1上的结果进行分析.在不同处理下第一轴土壤C∶AN的负荷量和权重大于土壤C∶N、土壤C∶AP的负荷量和权重大于土壤C∶P、土壤AN∶AP的负荷量和权重大于土壤N∶P(表 6).

图 4

Fig. 4

图 4 荒漠草原土壤速效化学计量比及土壤全量化学计量比变异系数 Fig. 4 Coefficient variation in soil available stoichiometric ratio and total stoichiometric ratio in desert grassland

表 6 (Table 6)

表 6 荒漠草原土壤养分及生态化学计量特征载荷矩阵和权重 Table 6 Load matrix and weight of soil nutrient content and ecological stoichiometric characteristics in desert grassland CK N 土壤因子 特征值 贡献率 /% 累积贡献率 /% 权重 土壤因子 特征值 贡献率 /% 累积贡献率 /% 权重 C∶AN 9.743 74.945 74.945 0.09 NH4+-N 9.676 74.434 74.434 0.09 NH4+-N 1.465 11.269 86.214 0.09 AN∶AP 1.577 12.134 86.568 0.088 NO3--N 0.801 6.161 92.375 0.089 C∶AP 0.935 7.194 93.762 0.088 AN∶AP 0.734 5.643 98.018 0.089 C∶AN 0.498 3.832 97.594 0.088 AN 0.147 1.133 99.151 0.089 NO3--N 0.195 1.5 99.094 0.088 C∶AP 0.092 0.709 99.86 0.088 AP 0.046 0.463 99.909 0.087 TN 0.012 0.089 99.949 0.087 AN 0.06 0.352 99.557 0.087 N∶P 0.005 0.038 99.987 0.079 SOC 0.006 0.044 99.953 0.086 C∶N 0.001 0.01 99.997 0.078 C∶P 0.005 0.037 99.989 0.085 C∶P 0 10.002 99.999 0.077 TN 0.001 0.009 99.998 0.077 SOC 0 0.001 100 0.076 C∶N 0 0.002 100 0.05 AP 0 0 100 0.036 N∶P 0 0 100 0.047 TP 0 0 100 0.029 TP 0 0 100 0.038 P NP 土壤因子 特征值 贡献率 /% 累积贡献率 /% 权重 土壤因子 特征值 贡献率 /% 累积贡献率 /% 权重 C∶AN 9.063 69.718 69.718 0.095 NO3--N 9.375 72.119 72.119 0.088 NH4+-N 2.073 15.947 85.665 0.094 AN∶AP 1.744 13.416 85.535 0.088 AN 1.098 8.442 94.107 0.093 NH4+-N 0.978 7.522 93.057 0.087 NO3--N 0.372 2.858 96.966 0.092 AN 0.725 5.577 98.634 0.087 AN∶AP 0.23 1.77 98.736 0.09 C∶AP 0.095 0.733 99.367 0.087 AP 0.099 0.759 99.495 0.089 N∶P 0.059 0.451 99.818 0.087 C∶AP 0.038 0.29 99.785 0.082 C∶AN 0.017 0.129 99.947 0.086 C∶P 0.017 0.134 99.92 0.08 AP 0.006 0.043 99.991 0.086 TN 0.007 0.055 99.975 0.08 TN 0.001 0.006 99.996 0.084 N∶P 0.003 0.019 99.994 0.075 SOC 0 0.003 100 0.067 C∶N 0.001 0.006 100 0.062 TP 0 0 100 0.062 SOC 0 0 100 0.052 C∶P 0 0 100 0.059 TP 0 0 100 0.017 C∶N 0 0 100 0.03

表 6 荒漠草原土壤养分及生态化学计量特征载荷矩阵和权重 Table 6 Load matrix and weight of soil nutrient content and ecological stoichiometric characteristics in desert grassland

图 5

Fig. 5

黑线：速效养分及生态化学计量特征; 红线：全量养分含量及生态化学计量特征 图 5 荒漠草原土壤养分及生态化学计量特征主成分分析 Fig. 5 Principal component analysis of soil nutrients and ecological stoichiometry in desert grassland

养分添加第4年不同处理下土壤TN和SOC含量均低于养分添加第3年.降雨量大小对土壤有机质分解和养分迁移转化等过程具有一定的调控作用, 降雨量增加导致土壤TN和SOC的流失较多, 进而土壤TN和SOC含量随降雨量增加降低^{[29, 30]}, 研究区2021年年降雨量(210.3 mm)高于2020年年降雨量(181.2 mm), 因此养分添加第4年土壤TN和SOC含量均低于养分添加第3年, 且养分添加第3年和第4年土壤TN和SOC含量均高于养分添加处理前(2017年).P添加和NP共同添加第3年和第4年均显著增加土壤TP含量, 而N、P养分添加第3年虽增加土壤TN和SOC含量但未达到显著水平, 直到N、P养分添加第4年才达到显著水平.这与黄土高原^[14]和内蒙古典型草原^[31]的研究结果相同.这是因为N、P养分添加通过影响生态系统的净初级生产力、硝化速率来间接改变土壤TN和SOC含量, 而外源P输入直接增加了土壤P的供给; 并且土壤中P比C和N更难溶, 即不易因淋溶等原因流失, 更易在土壤中固持, 导致养分添加对土壤TN和SOC含量的影响在短期主要依靠水和光的可用性, 长期主要依靠养分添加的累积效应^{[11, 31, 32]}.因此N、P养分添加显著影响荒漠草原土壤全量养分, 其中荒漠草原TP含量不受养分添加时间影响, 而TN和SOC含量受养分添加时间影响：短期(3 a)N、P添加对土壤TN和SOC含量无显著影响, 中长期(>3 a)N、P养分添加显著增加土壤中TN和SOC含量.

N、P养分添加通过影响土壤养分含量而改变土壤C∶N∶P生态化学计量特征^{[8, 33]}.土壤C∶N是反映土壤质量的敏感指标, C∶N的演变趋势对土壤C和N循环有重要影响, 土壤C∶N可指示SOC分解速率, 较低的C∶N比表明具有较快的SOC分解速率^[33].有研究表明N、P养分添加对荒漠草原C∶N无显著影响, 这与松嫩草地的研究结果一致^[19].这是由于SOC和TN之间具有显著正相关关系, 导致土壤SOC和TN含量对N、P添加的响应几乎是一致的, 并且对森林生态系统^[34]和农田生态系统^[35]的研究均认为土壤TN和SOC之间极强正相关性使得C∶N较为稳定; 同时土壤TN和SOC作为结构性成分, 其积累和消耗过程存在相对固定的比值^[36].因此, 荒漠草原地区土壤具有较为稳定的C∶N.土壤C∶P作为土壤P有效性的指标, 较低的C∶P表示研究区域土壤P的有效性较高^{[35, 37]}.本研究表明, P添加和NP共同添加显著降低荒漠草原土壤C∶P.土壤C∶P和SOC无显著相关性但和土壤TP呈显著负相关关系, 即土壤C∶P大小主要由土壤TP含量大小决定, C∶P随TP含量的增高而降低; 且P添加和NP共同添加显著增加土壤TP含量^{[38, 39]}.因此, P添加和NP共同添加提高荒漠草原土壤P的有效性.土壤N∶P常被用于预测养分限制类型, 低的土壤N∶P表示该地区植物生长受N限制^[14].本研究中, P添加和NP共同添加显著降低荒漠草原土壤N∶P, 是由于P添加对荒漠草原土壤TN含量无显著影响却显著提高了荒漠草原TP含量; 而且荒漠草原地区N缺乏而P富足, 土壤中大部分N因植物生长而被吸收利用, 从而导致土壤中TN含量的增加量低于TP含量的增加量^[8].N添加第3年对荒漠草原土壤N∶P无显著影响, N添加第4年显著提高荒漠草原土壤N∶P.这是由于N添加对荒漠草原土壤TN含量的影响受养分添加时间影响, N添加第3年对土壤TN含量无显著变化, N添加第4年显著提高土壤TN含量, 从而在N添加第4年显著提高土壤N∶P.因此, N添加有效缓解了荒漠草原植物生长的N限制, 而P添加和NP共同添加加剧了荒漠草原植物生长的N限制.

NH₄⁺-N和NO₃^--N是有机氮经矿化作用转化而来的, 土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量对养分添加的响应比TN含量更敏感, 可以更直观反映土壤中N的供需状况^[6].N添加可以直接或间接增加土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量, 提高土壤养分有效性^[40].本研究中N添加和NP共同添加显著增加荒漠草原土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量, 且土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量随养分添加年限增长而增加.这与草原生态系统^{[16, 19, 41]}的研究结果一致.原因可能是由于N添加和NP共同添加刺激了土壤微生物活性, 加快了土壤有机N的分解; 也可能是本研究N的添加选用尿素为速效态肥, 其经过土壤中酶的作用后水解为速效态氮, 直接影响土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量; 也有研究认为N添加和NP共同添加通过促进硝化速率间接增加土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N含量^{[40, 42]}.因此, N添加和NP共添加显著提高土壤N的供应能力以及土壤N的有效性^[16], 并且对土壤有效氮(NH₄⁺-N、NO₃^--N)的影响存在累积性效应.N添加还可以改变土壤P循环.对天然草地的研究认为N的输入提高微生物活性增加其对P的需求, 进而促进微生物对土壤有机质和凋落物的分解, 加快土壤中P的转换, 最终提高土壤中AP含量^[43].而本研究结果表明N添加对土壤AP含量无显著影响, 这与对典型草原的研究结果一致^[41].原因可能是由于N添加在提高AP释放到土壤中的速率的同时促进了植物对土壤AP的吸收^{[44, 45]}.P和NP共添加显著增加土壤AP含量.外源P可直接输入土壤P库并提高土壤中P的可利用性^[19].与P添加和N添加处理相比, NP共同添加显著增加土壤NH₄⁺-N和AP含量, 这与对典型草原的研究结果一致^[19].结合双因素方差分析结果认为, 这是N和P对土壤NH₄⁺-N和AP的交互作用所产生的结果; 也可能是因为只有在N有效性较大时, P的添加才会最大程度地影响土壤动态^[17].因此NP共同添加更有利于增加土壤速效养分含量.

N、P养分添加对土壤速效生态化学计量特征具有显著影响, 且养分添加第3年和第4年影响相同.N、P养分添加显著影响土壤C∶AN.这是由于同土壤TN不同, 土壤AN和SOC呈显著负相关; 且含量较为固定, 受环境影响较小, 而速效养分对环境变化更敏感^[17].因此, N、P养分添加显著降低土壤C∶AN. P添加和NP共同添加显著降低荒漠草原土壤C∶AP.土壤AP和土壤C∶AP呈显著负相关关系, 即土壤C∶AP受土壤AP含量的影响, 且P添加和NP共同添加显著提高土壤AP含量^{[38, 39]}.N添加显著增加土壤AN∶AP, 而P添加和NP共同添加显著降低荒漠草原土壤AN∶AP, 这与对内蒙古典型草原的研究结果一致^[16].N添加显著增加土壤AN含量, 但对土壤AP含量无显著影响; P添加和NP共同添加下, 土壤中AN含量的增加量低于AP含量.从而导致N添加、P添加和NP共同添加对土壤AN∶AP的影响不同.

本研究发现, N、P养分添加下土壤全量养分、速效养分和各化学计量比之间存在一定的相关性.土壤NH₄⁺-N和土壤AN呈显著正相关关系, 而NO₃^--N和土壤AN无显著相关性, 说明土壤AN主要受土壤NH₄⁺-N含量影响.这可能是因为NH₄⁺-N带正电荷而NO₃^--N带负电荷导致NH₄⁺-N更容易被固持, 因此土壤中AN主要为NH₄⁺-N, 从而土壤NH₄⁺-N和AN的相关性更强^[44].土壤TN和SOC之间存在极显著的正相关关系, 这与高寒草甸的研究一致^[9].这验证了不同生态系统土壤C∶N相对稳定的结论^[24], 合理解释了N、P养分添加对荒漠草原土壤C∶N无显著影响的原因.土壤C∶P、C∶AP和SOC无显著相关性, 和土壤TP、AP含量呈显著负相关; 土壤N∶P、AN∶AP和土壤TP、AP的相关性强于土壤N∶P、AN∶AP和土壤TN、AN的相关性.这与对克氏针矛草原^[36]的研究结果一致, 表明在荒漠草原地区C∶P、C∶AP、N∶P和AN∶AP主要受土壤TP和AP含量的限制, SOC和TN对土壤C∶P、C∶AP、N∶P和AN∶AP的影响小于TP和AP.

土壤N∶P和AN∶AP、土壤C∶P和C∶AP均呈显著正相关, 土壤C∶N和C∶AN呈显著负相关.表明土壤全量化学计量比与土壤速效化学计量比存在较强的相关关系, 即均可用来指示SOC分解速率, P的有效性以及土壤养分限制类型.本研究结果表明N、P养分添加显著影响土壤C∶AN, 却对C∶N无显著影响; 土壤AN∶AP在养分添加第3年已经表现为显著提高, 而土壤N∶P在养分添加第4年才表现出显著提高.这是因为和全量养分相比, 速效养分对N、P养分添加更敏感, 从而导致速效化学计量比可以在较短的养分添加年限中更快速地做出反应^[46].因此, 短期养分添加下, 土壤速效生态化学计量特征可以更好指示土壤养分限制状况.变异系数大小可反映土壤养分含量化学计量特征对N、P养分添加引起的环境条件变化响应的敏感程度^[29].本研究表明, 土壤速效化学计量特征变异系数均大于土壤全量化学计量特征变异系数; 且土壤速效化学计量特征变化范围大于土壤全量化学计量变化范围, 可以更好地表征N、P养分添加引起的土壤化学计量的变化.因此, 土壤速效化学计量特征能更好地反映N、P养分添加对土壤生态化学计量特征的影响.本研究通过对荒漠草原地区土壤养分及生态化学计量特征的主成分分析得出土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N、AN和C∶AN、AN∶AP为土壤主要影响因子, 均为土壤速效养分及土壤速效化学计量.在不同处理下第一轴土壤速效化学计量特征的负荷量均大于相对应的土壤全量化学计量特征的负荷量, 土壤速效化学计量特征的权重高于相对应的土壤全量化学计量特征, 这表明各土壤因子中土壤速效化学计量特征的重要性程度高于土壤全量化学计量特征.且土壤速效化学计量特征解释率高于土壤全量化学计量特征, 表明土壤速效化学计量特征更好地解释土壤养分状况的变异性.综上所述, 荒漠草原土壤速效化学计量比能更好反映N、P养分添加对荒漠草原土壤生态化学计量的影响, 更快速地指示土壤养分状况以及土壤质量.

(1) N、P养分添加显著影响荒漠草原土壤养分含量及其生态化学计量比, 其中土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N、土壤TN和SOC含量受N、P养分添加年限影响, 具有累积性效应; N添加和P添加对荒漠草原土壤NH₄⁺-N、AP含量和土壤C∶AN、AN∶AP具有显著交互作用.

(2) N添加降低土壤C∶AN, 提高土壤AN∶AP; P添加降低土壤C∶AP和AN∶AP, NP共同添加降低土壤C∶AN、C∶AP和AN∶AP.较低的C∶AN、C∶AP和AN∶AP分别指示较低的SOC分解速率、较高的P有效性和植物生长受N限制.荒漠草原受N限制, N添加可以有效缓解荒漠草原土壤N限制, P添加和NP共添加加剧荒漠草原N限制.

(3) 土壤速效生态化学计量特征的变异系数均大于土壤全量生态化学计量的变异系数, 且在不同处理下土壤速效化学计量特征的负荷量和权重均大于相应的全量化学计量特征.因此, 荒漠草原土壤速效化学计量对N、P养分添加更敏感, 可更好反映N、P养分添加对荒漠草原土壤生态化学计量的影响, 更快速地指示土壤养分状况.