科研 | Plant and Soil：在温带草原磷添加调节了土壤多功能性对过度施氮的响应
编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。
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在陆地生态系统中氮（N）和磷（P）是两种主要的限制因子。外源的N添加会引起养分与P之间的不平衡从而改变生态系统的功能。然而，很少有研究关于N和P为什么和怎样调节土壤的多功能性（同时提供了土壤多种功能）。本研究在中国的温带草原使用微宇宙实验探究P添加调节土壤多功能性对不同N肥添加水平（10，20，40 g N m-2yr-1）的响应。N单独和与P一起添加分别在小于等于10和20 g N m-2yr-1的速率下增加多功能性。然而超过这个水平，正效应的程度随着N添加降低。土壤NP化学计量比和植物多样性在调节土壤多功能性上扮演着重要的角色。本研究发现在温带草原N和P的联合添加（20:10）可以帮助维持一个更好的土壤多功能性。通过P添加，结果提供了一个新视角，我们可以更好的管理土壤多功能性以及增加它们对肥料添加的弹性（小于等于10 g N m-2yr-1）。
论文ID
原名：Phosphorus addition regulates the responses of soil multifunctionality to nitrogen over-fertilization in a temperate grassland
译名：在温带草原磷添加调节了土壤多功能性对过度施氮的响应
期刊：Plant and Soil
IF：3.880
发表时间：2020年7月
通讯作者：孙伟 &Manuel Delgado-Baquerizo
作者单位：东北师范大学，巴勃罗德奥拉维德大学
实验设计
本研究在中国东北，吉林省的松嫩草地生态研究站（44°45´N，123°45´E，海拔152-172m）开展。该研究区域属于温带大陆性季风气候，年平均温度和降雨量分别是4.9℃和471mm（1950-2004）。超过70%的降雨量发生在夏季（从6月到8月）。土壤属于高钙高盐的黑钙土。土壤pH在8.0-10.0左右，并且主要的阳离子和阴离子分别是Na+和HCO3-。其它的离子，例如K+，Mg2+和Cl-在土壤溶液中也很丰富。有机C含量，总N和P含量在土壤中大约是2.0%、0.15%和0.03%。主要的优势植物是羊草，属于多年生根茎禾草。
为了探究土壤多功能性和抗性，本研究设计了一个人工添加N肥和P肥的微宇宙实验。用了一个边缘锋利的长方形铁架（50cm×50cm）来切割50cm×50cm×50cm的土块和它们的原生植被。把这些土块修剪成直径31.5厘米、高40厘米的柱子，然后把这些柱子放进底部密封的聚氯乙烯管（直径31.5厘米，高44厘米）。当土柱与PVC管不完全吻合时，将土从同一根土柱回填到边缘的小间隙。为了控制温度，PVC管放置在土坑里。进行完全随机区组实验，包括4个N肥添加水平（0，10，20和40 g N m-2 yr-1；N0，N10，N20和N40），以及两种P肥添加水平（0和10 g P m-2yr-1；P0和P10）。建立了8种养分添加处理，每种N肥添加水平随机的与是否P添加联合（N0P0，N10P0，N20P0，N40P0，N0P10，N10P10，N20P10和N40P10）。每个处理8个重复。在2015年5月进行N（NH4NO3:urea=7:3）和P（过磷酸钙，溶解到水中添加，相当于0.1mm的降雨量）的添加实验。从2015-2017年，在生长季（5-9月，5个月）每个月添加一次。为了避免其他养分的限制，本研究也添加了合适的微量元素。
结果
1 N和P肥对土壤和微生物化学计量的影响
养分添加改变了土壤和微生物NP化学计量比，但是没有改变CN比（表1）。P添加在每个N处理中显著降低了微生物生物量N和P的比值（N:Pmic），总N和P（TN: Psoil）和土壤中有效N和P（Avail N: Psoil）（表1）。在每个P处理中土壤和微生物NP化学计量比也会随着N肥而增加。本研究也发现N肥在P添加下对N:Pmic有显著影响，单独施氮（不添加P）对TN: Psoil和Avail N: Psoil有显著影响。
2 土壤单个的功能和多功能性对N和P肥的响应
结果表明，P添加在N肥的添加下显著增加了大多数单个的功能和土壤多功能性，除了βG，βX，ALP和P循环的多功能性（图1，2）。尽管一些功能对养分的添加也比较顽抗，例如βX和ALP的活性，当仅仅P和N分别添加时也会受到显著的影响（图1）。相对于没有N肥添加的处理（N0P0，N0P10），在没有P和有P添加时，分别在10和小于等于20 g N m-2 yr-1时，土壤多功能性的值显著增加（图2）。本研究也发现N添加对土壤多功能性的影响依赖于N添加速率。在P添加的缺席和出席时，多功能性分别在10和20 g N m-2 yr-1时达到峰值（图2）。
3 土壤多功能性对N和P肥的抗性
本研究发现P添加控制着多功能性对N肥的抗性。具体而言，在P添加下，C和N循环多功能性在N肥添加下的最高抗性发生在10 g N m-2 yr-1。本研究也发现，在跨过这个N肥添加水平（≥20 g N m-2 yr-1时），P的添加对土壤C和N循环的多功能性有负的影响，除了N循环的抗性发生在40 g N m-2 yr-1时。而且，在P添加下土壤多功能的抗性最低值在N添加速率为20 g N m-2yr-1时（图3）。本研究也发现在没有P添加时，N肥添加也显著增加了与C和N循环相关的多功能性的抗性（图3a-c）。与C和N循环相关的抗性相反的是，与P循环相关的功能对P添加有更强的抗性，在P添加下P循环相关功能的抗性随着施N速率的增加而增加（图3d）。
图3 与土壤C库和养分循环相关的土壤多功能性对N和P肥添加的响应。
4 土壤多功能性的抗性依赖于生物和非生物预测因子
养分化学计量（土壤有效N:P比）是主要的预测因子，在响应养分添加时与C和N循环相关的功能和土壤多功能性的抗性显著相关（图4）。土壤多功能性的抗性与土壤有效NP比正相关。类似地，与C和N循环相关的抗性与土壤有效NP比存在正相关关系。本研究也发现AMF的生物量与N循环抗性正相关（图4）。此外，P循环多功能性的抗性与多种生物和非生物因子显著关联。土壤有效NP比与P循环的抗性正相关（图4），然而，土壤总NP比（图4）和植物属性（生物量和多样性）负相关。
本研究的结果也表明土壤和微生物N和P化学计量与土壤多功能性以及与C和N循环相关的功能负相关，除了N循环多功能性与微生物NP比不存在显著的联系（图5）。有趣的是，在所有的预测因子中，植物多样性与P循环的多功能性正相关，但是与抗性负相关（图6）。
讨论
1 土壤多功能性和它们的抗性对N肥添加的响应是速率依赖的
本研究发现相对于未施肥的土壤，土壤多功能性在N肥添加下增加，但是仅仅在低的N水平添加下（小于等于10 g N m-2 yr-1，图2）。在10 g N m-2 yr-1的水平下土壤多功能性的最大响应可能会导致最低的抗性。本研究的结果与之前的研究一致，即适量的N添加（10 g N m-2yr-1左右）会增加土壤多功能性，然而在较高的N水平下多功能性增加的程度会减少。一些机理能够解释这个结果。一方面，在许多温带区系，连续的N添加会导致N限制向P限制转化。本研究发现N添加在最高的N添加速率下对土壤有效的和微生物的生物量N有显著的正效应，然而，土壤有效的和微生物生物量P对N添加的响应表现为显著降低。这些结果表明土壤功能速率的减少可能是归因于外源N输入下P的缺乏。另一方面，在本研究中以及在潜在的N肥添加过量时会导致植物多样性的降低，进而导致土壤多功能性的降低。最后，其它的生态系统重要的因子，例如土壤pH，对土壤多功能性的影响较低。与之前的研究相反，之前的研究发现高氮输入下会导致土壤pH的降低进而对土壤微生物产生有害的影响以及降低生态系统功能。在本研究区域，土壤属于盐碱地，能够缓解氮肥添加导致的酸化效应。
2 P添加调节土壤多功能性以及它们对N肥响应的抗性
P添加调节多功能性对N肥添加的响应。有趣的是，本研究发现在10 g N m-2yr-1时，P添加增加了土壤C和N循环的抗性，但是在更高的N速率下降低了抗性（图3），因此，在NP比为10:10时，P添加似乎能促进温带草地的功能。而且，P添加在本研究的土壤中使有效P和MBP增加了10倍多。因为有效的土壤NP比低于微生物NP比，所以在外源的P输入下土壤微生物受到N的限制。
在本研究所在的区域存在一个促进生态系统功能最适的N添加速率。在单独添加N时，对于微生物生物量和功能多样性最适N添加速率可能是处于16到32 g N m-2 yr-1之间（Zhang et al. 2008），而对于植物多样性是10.5 g N m-2 yr-1（Bai et al., 2010）。本研究的结果表明在P添加下土壤多功能性最高时的N添加速率为20 g N m-2yr-1（图2）。这些结果表明N和P的联合添加下存在一种平衡会促使最高的多功能性并且与最低的抗性相匹配。为了促进高的生态系统功能，N和P平衡速率（20:10）应该在草地管理中得到应用。N和P的平衡速率也进一步表明当N添加速率大于等于20 g N m-2yr-1时，该草地生态系统N的限制得到缓解，因此P的添加会促进生物活性并且减少多功能性的抗性。无论N和P添加的量是多少，相对于其它非平衡速率在这个NP平衡速率时的抗性是最低的。外源的N添加不能促进土壤功能，可能是因为其它的资源，例如水分和C底物可能会成为限制因子。所以，P添加对于再平衡N和P是重要的，在未来过量N肥添加的情况下，P的添加对于促进生态系统功能和增加抗性也是关键的。
3 在响应养分添加时养分化学计量和植物多样性是土壤多功能性和抗性主要的预测因子
在本研究的区域，土壤是高碱地，合理的调整和管理草甸土壤养分对于促进土壤生产力和维持草地生态系统的可持续使用是非常重要的。在本研究的草地中高的原始pH能缓冲N肥的负效应。然而，有效的NP比对养分限制的变化仍然敏感，并且能作为评估生态系统功能的有效预测因子（Schipper et al. 2004）。在本研究中在N肥添加下，由于土壤总的和有效N的增加，以及土壤总的和有效P的降低，土壤NP比增加。然而，P添加降低了NP比，由于更多的P养分输入到生态系统中。环境的养分化学计量的变化（例如土壤NP比）在很大程度上决定了微生物养分含量和微生物生物量的化学计量，并且最终影响土壤功能（例如胞外酶；Sinsabaugh et al. 2008，2009）。当考虑所有的处理时，多功能性与土壤和微生物NP比负相关，然而多功能性的抗性与土壤有效的NP比正相关（图4，5）。这些结果表明土壤中N和P化学计量的不平衡在温带草原维持土壤功能的发展是有害的。因此，本研究提供了一个有利的证据，养分化学计量在温带生态系统的多功能性变化上扮演着重要的角色。
有趣的是，植物多样性在调节与P循环相关的功能和抗性方面是主要的预测因子。更多的研究已经证明了植物多样性和生态系统多功能性之间的紧密联系，强调了在干旱区域植物多样性作为多功能性驱动因子的重要性。本研究的结果同意Maestre等（2012）的结果，他们的结果表明植物多样性和P循环的多功能性存在正向关联。据我们所知，本研究首次提供了关于P循环功能抗性和植物多样性之间显著的负向关联的经验证据。这些强关联提供了P循环在P添加下为什么相对于C和N循环更具抗性的合理解释。这是因为当高剂量的N和P联合添加时，植物多样性的降低会抑制P循环的多功能性，尤其是在最高的N添加速率下，因此会促进P循环的抗性。
结论
本研究的结果证明了P添加调节了多功能性对N肥添加的响应。在P添加缺席和出席时，土壤多功能性到达峰值的N添加速率分别为10 g N m-2 yr-1和20 g N m-2yr-1。在低N速率添加下，P添加增加了多功能性的抗性，但是在较高的N水平添加下有相反的效应。N和P添加存在一个平衡比，并且与最高的多功能性和最低的抗性相关联。N和P添加对土壤多功能性和它们的抗性的影响主要受土壤和微生物NP比以及植物多样性驱动。本研究的结果有助于理解P添加怎样调节土壤多功能性和抗性，有助于增加生态系统功能和服务对养分添加响应的了解。
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