中国北方天然草地土壤pH对不同施肥措施的响应

Responses of soil pH to different fertilization practices in natural grasslands of northern China

摘要

土壤pH是影响草地生态系统植物生长和土壤养分有效性的关键因素之一，施肥作为修复退化草地的重要措施，可能会对土壤pH造成影响。为了研究不同施肥措施对中国北方天然草地土壤pH的影响，进一步为修复退化草地的措施优化提供科学依据，本研究收集了2000-2024年公开发表的63篇文献，共包括461组数据，采用整合分析（Meta-analysis）方法，对施用化学氮肥、氮磷配施和有机肥对土壤pH的影响进行了定量分析，并使用随机森林方法明确了不同施肥措施对土壤pH影响的主控因素。结果表明：总体上，施用化学氮肥对土壤pH的降幅最大，为5.31%，并且随施肥强度及施肥年限的增加而增大；氮磷配施的降幅为2.92%；施用有机肥在整体上对土壤pH没有显著影响。土壤pH对不同施肥措施的响应在不同草地类型、气候条件和酸碱度土壤中存在显著差异；随机森林分析结果显示，施肥量、施肥年限、土壤初始pH和年均降水量是土壤pH对不同施肥措施响应的重要因素。其中，施肥量是施用化学氮肥影响土壤pH的主控因素，均方误差的增加百分比为52.40%；土壤初始pH是氮磷配施和有机肥影响土壤pH的主控因素，均方误差的增加百分比分别为22.80%与22.20%。本研究还发现，施用有机肥对土壤pH的总体影响不显著，但显著增加了酸性及中性土壤的pH，降低了碱性土壤的pH。因此，在今后可以通过施用有机肥、有机无机肥配施等措施来调控土壤pH，从而保证草地生态系统的稳定性。

Abstract

Soil pH is a critical factor influencing plant growth and soil nutrient availability in grassland ecosystems. Fertilization is as an essential practice for rehabilitating degraded grasslands and may significantly affect soil pH. This study aimed to examine the impacts of various fertilization strategies on soil pH in natural grasslands in northern China， with an aim to provide scientific evidence and methodological references for optimizing restoration practices for degraded grasslands. A total of 63 articles published between 2000 and 2024， encompassing 461 datasets， were used for these analyses. A meta-analysis was employed to quantitatively assess the effects of chemical nitrogen fertilizer， combined nitrogen and phosphorus application， and organic fertilizer on soil pH. Additionally， the primary factors influencing soil pH under different fertilization regimes were identified using the random forest method. The results indicated that overall， the application of chemical nitrogen fertilizer resulted in the most substantial decrease in soil pH with a reduction of 5.31%， and its effect was further intensified with increased rates and duration of fertilization. Nitrogen and phosphorus application resulted in a 2.92% decrease in soil pH， whereas organic fertilizer application exhibited no significant overall effect on soil pH. The response of soil pH to fertilization varied significantly across different grassland types， climate conditions， and initial soil pH levels. The random forest analysis revealed that the fertilization rate， duration of fertilization， initial soil pH， and annual rainfall were pivotal factors affecting the soil pH response to fertilization. Among these， fertilization rate was the principal factor influencing soil pH under chemical nitrogen fertilization （increase in mean square error=52.40%）. Initial soil pH was the principal factor affecting the soil pH response to combined nitrogen and phosphorus application and organic fertilizer application （mean square error increases of 22.80% and 22.20%， respectively）. Correlation analyses revealed that the soil pH response to chemical nitrogen fertilization was positively correlated with the initial soil pH and negatively correlated with the duration and rate of fertilization. The response of soil pH to combined nitrogen and phosphorus application was positively correlated with the initial soil pH， and negatively correlated with annual rainfall and duration of fertilization. The response of soil pH to organic fertilization was positively correlated with annual average temperature， annual rainfall， and the fertilization rate， but negatively correlated with altitude. Organic fertilizer application had no significant overall effect on soil pH， but it significantly increased the pH of acidic and neutral soils and decreased the pH of alkaline soil. Therefore， grassland restoration strategies should consider using organic fertilizer， or a combination of organic and inorganic fertilizer， and other measures tailored to the particular soil pH conditions to ensure the stability of grassland ecosystems.

Graphical abstract

关键词

施肥 / 土壤pH / 影响因素 / Meta分析 / 北方天然草地

Key words

fertilization / soil pH / impact factors / Meta-analysis / northern natural grasslands

我国草地资源丰富，拥有的各类天然草地总面积约3.93亿hm²，占国土面积的41%，仅次于澳大利亚，位居世界第二^［1］。草地资源不仅是畜牧业发展的物质基础，还具有涵养水源、防风固沙、维持生物多样性、维护生态平衡和保护人类生存环境等重要生态功能^［2］。我国北方草地面积广袤，类型多样^［3］，占全国天然草地总面积的 85% 以上，是我国天然草地的主体部分^［4］。北方草地不仅是传统畜产品生产和畜牧业基地，还是重要的绿色生态屏障，以及黄河、长江等的发源地和水源涵养区^［4-5］。然而，近年来，受气候变化和人为因素的干扰，导致我国天然草地出现了不同程度的退化^［6］。施肥作为补充土壤养分、提高土壤肥力、促进植物生长的重要手段，是草地恢复最有效的措施之一^［7-8］。目前，常用的改良方法中，施用化学肥料（特别是氮肥）被认为是一种快速、有效解决草地养分匮乏的方式^［9-11］。然而，在大气氮沉降背景下，氮肥及其他化学肥料的使用可能会导致土壤酸化、板结以及生物多样性减少等问题^［12-14］。相比之下，有机肥富含有机物质，能改善土壤理化性状，增加养分积累和供应，对天然草地的恢复有一定促进作用^［15-16］。

土壤pH是表征土壤酸碱性的指标，也是影响草地生态系统植物多样性、群落结构和养分变化的主要因素之一，其变化直接影响土壤营养元素的有效性和存在状态，进而影响植物生长发育所需养分的有效性。因此土壤pH被认为是影响草地植物生产力的主变量^［17-18］。研究表明，人为因素引起的氮富集导致草地土壤的pH下降幅度最大，为0.49个单位^［19］。在中国北方，草地土壤pH在20世纪80年代至21世纪初的20年间平均下降了0.63个单位^［20］。然而，目前关于如何在解决草原退化的同时减缓草地酸化并改善土壤pH的研究较少。魏金明等^［21］在内蒙古草原上研究了水分、氮肥和磷肥添加对典型草原土壤碳、氮、磷含量及pH的影响，发现水分添加提高了土壤pH，而氮、磷的添加则不同程度地降低了土壤pH。刘贺永等^［22］在内蒙古半干旱草地进行的模拟氮沉降试验中发现，低氮量添加对土壤pH无显著影响，但高氮量添加会显著降低土壤pH。Kidd等^［23］在英格兰草地长达120年的施肥试验中探讨了肥料添加对温带草地生态系统的影响，发现施用有机肥的地块土壤pH高于施用矿物肥的地块，而在施用矿物肥的地块中，施用磷肥而不施用氮肥的土壤pH高于施用氮肥的地块。前人研究往往集中在单一草地试验，对不同施肥处理、肥料用量、施肥年限等对土壤pH的影响缺乏量化研究，并且缺乏不同生态条件下的对比分析，因此研究结果的适用性有限。

因此，本研究使用Meta分析（Meta-analysis）方法，系统评估中国北方天然草地土壤pH对施用化学氮肥、氮磷配施和施用有机肥的响应特征，进一步分析在不同施肥强度、施肥年限、草地类型、年降水量及不同酸碱度土壤条件下上述措施对土壤pH的影响，旨在为退化草地的恢复与重建提供科学依据与方法参考。

1 材料与方法

1.1 数据的收集与纳入标准

本研究通过Web of Science、维普期刊、中国知网和谷歌学术等中英文数据库对已发表的文献进行收集。中国北方草地的划分参照白永飞等^［4］的研究结果进行界定，文献搜索时间范围为2000年1月-2024年2月，搜索关键词包括草地、氮肥、氮添加、氮磷添加、pH、有机肥等。进一步按照以下标准对收集到的文献进行筛选：1）试验设计基于中国北方草地野外施肥试验，试验对象为天然草地生态系统；2）同一野外试验中，试验组和对照组必须在试验场所、植被覆盖类型、土壤质地和气候特征等方面保持一致；3）试验包括试验组和对照组，且有3次以上重复试验；4）各项试验必须为相互独立的试验；5）数据为具体数值或图表，并包含平均值和标准差。基于以上标准，本研究共筛选出63篇有效文献，获取了461组数据。

1.2 数据库建立与数据分类

对每篇文献中土壤pH的数据进行记录，包括对照和处理的均值、标准差（standard deviation， SD）或标准误（standard error， SE）、样本量（n），若文献数据为标准误，则需用公式（1）将其转换为标准差。从有效文献中逐一提取信息，使用Excel软件建立中国北方天然草地化学氮肥、氮磷配施和有机肥施用对土壤pH影响的数据库。数据库内容主要包括文献基本信息（第一作者、题目、期刊、发表时间），试验点性质及基础信息（试验地点、试验时间、施肥量、肥料种类等）和土壤基本性质（土壤有机碳、全氮的含量等）。草地类型均采用原文中的分类方法，并提取原文中年平均气温、年均降水量、海拔等数据。若文献中数据以正文或表格形式列出，直接读取；若以图形形式呈现，则使用GetData Graph Digitizer 2.24软件进行提取。如果文献中未提供土壤质地信息，则在全球土壤数据库2.0 （Harmonized World Soil Database v2.0， HWSD） （https：//gaez.fao.org/pages/hwsd）中获取。

SD=SE\sqrt[]{n}（1）

本研究将施肥量统一换算为每hm²施氮量（kg N·hm^-2），并将施肥水平划分为以下几类：≤100 kg N·hm^-2、100~200 kg N·hm^-2、>200 kg N·hm^-2；施肥年限分为≤2年、2~6年、>6年；降水水平划分为≤350 mm、350~450 mm、>450 mm^［24］；土壤酸碱度划分为pH≤6.5（酸性土壤）、6.5~7.5（中性土壤）、7.5~8.5（弱碱性土壤）、 >8.5（碱性土壤）^［25］。

1.3 数据分析

本研究采用Meta分析的方法，比较不同施肥措施对土壤pH影响的效应大小。研究采用自然对数响应比（response ratios， RR）作为效应值，以表征试验组和对照组之间的相对变化［公式（2）］^［26］，并计算95%置信区间（95% confidence interval， 95% CI）。若纳入的研究结果之间无异质性，即P≥0.1、I²<50%，选用固定效应模型（fixed effect model， FEM），反之，则用随机效应模型（random effect model， REM），以减少异质性的影响^［27］。

\mathrm{l}\mathrm{n}RR=\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{T}{C}=\mathrm{l}\mathrm{n}T+\mathrm{l}\mathrm{n}C（2）

式中：T与C分别代表试验组与对照组的平均值，此外，平均值的变异系数（variance， V）、权重（weighted factor， W_ij ）、权重响应比（weighted response ration， RR₊₊ ）、RR₊₊ 的标准误（standard error of RR₊₊， S）以及其95% CI可按以下公式计算^［28-29］：

V_{\mathrm{l}\mathrm{n}RR}=\frac{S{D_{\mathrm{T}}}^{\mathrm{2}}}{n\mathrm{T}{T}^{\mathrm{2}}}+\frac{S{D_{\mathrm{C}}}^{\mathrm{2}}}{n\mathrm{C}{C}^{\mathrm{2}}}（3）

W_{ij}=\frac{\mathrm{1}}{V}（4）

R{R}_{++}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{k_i}}{W}_{ij}R{R}_{ij}}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{k_i}}{W}_{ij}}（5）

S(R{R}_{++})=\frac{\mathrm{1}}{\sqrt[]{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^m{\sum }_{j=\mathrm{1}}^{k_i}{W}_{ij}}}（6）

\mathrm{95}\mathrm{\%}CI=R{R}_{++}\pm \mathrm{1.96}S(R{R}_{++})（7）

D_{\mathrm{C}}=\left({\mathrm{e}}^{R{R}_{++}}-\mathrm{1}\right)\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（8）

式中：SD_T和SD_C分别代表试验组和对照组的标准差；n_T和n_C分别表示试验组和对照组的样本数。m为分组数，k_i 为第i分组的总比较对数，j表示k_i 中的第j对。D_C为百分比变化率。若95%的置信区间包含零值，表明不同施肥措施对土壤pH含量无显著影响（P>0.05）；若95%CI大于0，则表明不同施肥措施能显著提高土壤pH（P<0.05）；若95%CI小于0，则表明不同施肥措施能显著降低土壤pH（P<0.05）^［27］。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2010建立数据库；使用MetaWin 2.1进行Meta分析；使用R语言中的Random Forest包计算各影响因素对土壤pH在不同施肥方式响应的相对重要性；此外，使用64位版本的Origin 2018进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同施肥强度下土壤pH对施肥方式的响应

从图1可以看出，不同施肥方式均对土壤pH产生影响，其中化学氮肥的影响最大，其次是氮磷配施，最后是有机肥。施用化学氮肥和氮磷配施在不同施肥强度下均显著降低了土壤pH（P<0.05）。具体来讲，施用化学氮肥在≤100 kg N·hm^-2、100~200 kg N·hm^-2和>200 kg N·hm^-2水平下，对土壤pH的降幅分别为2.85%、7.69%和13.13%，且随着施肥量的增加，pH降低幅度逐渐增大。氮磷配施在≤100 kg N·hm^-2、100~200 kg N·hm^-2和>200 kg N·hm^-2水平下，对土壤pH的降幅分别为3.03%、2.94%和2.27%，随施肥量的升高，降低幅度逐渐减小。施用有机肥在≤100 kg N·hm^-2水平下对土壤pH没有显著影响（P>0.05），在100~200 kg N·hm^-2水平下显著降低了土壤pH （P<0.05），降幅为1.61%，在>200 kg N·hm^-2水平下显著提高了土壤pH （P<0.05），增幅为3.05%。

2.2 不同条件下土壤pH对施肥方式的响应

不同施肥方式对土壤pH的影响因草地类型、气候类型、土壤酸碱度及草地管理措施的不同而表现出显著差异（图2）。总体而言，施用化学氮肥及氮磷配施均显著降低了土壤pH（P<0.05），降幅分别为5.31%和2.92%；而施用有机肥对土壤pH没有显著影响（P>0.05）。

施用化学氮肥显著降低了温性草原、低地草甸、温性草甸草原、温性荒漠草原和高寒草甸的土壤pH（P<0.05），降幅分别为7.56%、5.40%、5.22%、2.13%和1.01%，对高寒草原的土壤pH没有显著影响（P>0.05）。氮磷配施显著降低了高寒草甸、温性草原和低地草甸的土壤pH（P<0.05），降幅分别为4.76%、2.89%和1.62%；对温性草甸草原的土壤pH有降低趋势，对高寒草原的土壤pH有提升趋势，但影响不显著（P>0.05）。施用有机肥提高了温性草原的土壤pH（P<0.05），增幅为1.60%，而对低地草甸、温性草甸草原及高寒草甸的土壤pH均无显著影响（P>0.05）。

在年降水量高的地区，施用化学氮肥对土壤pH的降低幅度小于年降水量低的地区，而氮磷配施对土壤pH的降低幅度大于年降水量低的地区。施用化学氮肥显著降低了年降水量≤350 mm及350~450 mm地区的土壤pH（P<0.05），降幅分别为5.79%及5.63%；而对年降水量>450 mm地区的土壤pH没有显著影响。氮磷配施在年降水量≤350 mm地区对土壤pH虽有降低趋势，但影响不显著（P>0.05）；在年降水量350~450 mm及>450 mm地区显著降低了土壤pH（P<0.05），降幅分别为4.71%和5.88%。施用有机肥对年降水量≤350 mm地区的土壤pH无显著影响（P>0.05），但显著提高了年降水量350~450 mm地区的土壤pH（P<0.05），增幅为1.95%。

在不同酸碱度土壤中，施用化学氮肥及氮磷配施均显著降低了土壤pH（P<0.05），施用化学氮肥的降低幅度从大到小依次为中性土壤（6.55%）、碱性土壤（3.77%）、弱碱性土壤（3.23%）及酸性土壤（2.97%）；氮磷配施的降幅从大到小依次为中性土壤（7.44%）、碱性土壤（3.77%）、弱碱性土壤（1.84%）。而施用有机肥显著提高了酸性土壤及中性土壤的pH（P<0.05），增幅分别为1.51%和1.41%；降低了弱碱性土壤的pH（P<0.05），降幅为1.93%；对碱性土壤的pH无显著影响（P>0.05）。

施用化学氮肥及氮磷配施对土壤pH的降低幅度均随施肥年限的增加而增大（P<0.05）；而施用有机肥在≤2年及2~6年对土壤pH均无显著影响（P>0.05）。

2.3 不同施肥方式对土壤pH的影响因素分析

随机森林结果显示（图3），在单施化学氮肥条件下，各因素对土壤pH的影响均达到显著水平。其中，施肥量是土壤pH对施用化学氮肥响应的最主要因素，均方误差的增加百分比为52.40%；其次是施肥年限、土壤初始pH、年降水量和海拔，均对土壤pH产生显著影响。在氮磷配施条件下，施肥量、年降水量、施肥年限和年均温均显著影响土壤pH。土壤初始pH是土壤pH对氮磷配施响应的最主要因素，均方误差的增加百分比为22.80%；其次是施肥量、年降水量、施肥年限和年均温，均方增加百分比分别为15.41%、15.02%、13.70%和10.95%。在施用有机肥的条件下，除施肥量外，其他各因素对土壤pH的影响均达到显著水平。其中土壤初始pH是土壤pH对施用有机肥响应的最主要因素，均方误差的增加百分比为22.20%。综上所述，施肥量是施用化学氮肥对土壤pH影响的最主要因素，而土壤初始pH是氮磷配施及施用有机肥对土壤pH影响的最主要因素。

2.4 影响因素的相关性分析

在施用化学氮肥条件下，施肥年限、施肥量及土壤初始pH对土壤pH的变化均有显著影响（图4）；在氮磷配施条件下，年降水量、施肥年限及土壤初始pH对土壤pH的变化均存在显著影响（图5）；在施用有机肥条件下，海拔、年均温、年降水量及施肥量对土壤pH的变化均存在显著影响（图6）。相关性分析结果显示，土壤pH对施用化学氮肥的响应与土壤初始pH（R²=0.054， P<0.01）呈正相关关系，与施肥年限（R²=0.091， P<0.01）及施肥量（R²=0.187， P<0.01）呈负相关关系；土壤pH对氮磷配施的响应与土壤初始pH（R²=0.053， P<0.01）呈正相关关系，与年降水量（R²=0.115， P<0.01）及施肥年限（R²=0.163， P<0.01）呈负相关关系；对施用有机肥的响应与年均温（R²=0.054， P<0.01）、年降水量（R²=0.042， P<0.01）及施肥量（R²=0.053， P<0.01）呈正相关关系，与海拔（R²=0.072， P<0.01）呈负相关关系。

3 讨论

3.1 土壤pH对施用化学氮肥的响应

本研究表明，施用化学氮肥显著降低了土壤pH，并且随着施肥量及施肥年限的增加，对土壤pH的降低程度影响更为显著，这与前人的研究结果一致^{［23，30］}。随机森林分析结果显示，施肥量及施肥年限是土壤pH对化学氮肥响应的主要因素，相关分析也表明，土壤pH对施用化学氮肥的响应与施肥年限及肥料施用量存在负相关关系。这是因为土壤中硝态氮和铵态氮含量随氮添加量的增加而增加^［31］，加强了土壤溶液中的硝化作用，释放出大量的H⁺，导致土壤pH降低^［32］。同时氮添加降低了土壤中Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺等碱基离子含量，增加了Mn²⁺、Al³⁺等酸基离子含量，且氮添加量越高，离子浓度变化越大，土壤酸化程度越高^［30］。长期施用氮肥还会消耗土壤中的钙、镁离子，降低土壤对酸性物质的中和能力，导致土壤酸化加剧^［33］。

本研究发现，不同类型草地土壤pH对施用化学氮肥响应表现为温性草原>低地草甸>温性草甸草原>温性荒漠草原>高寒草甸>高寒草原。其中，施用氮肥对高寒草原的土壤pH没有显著影响，这可能与各类型草地土壤性质及水热条件有关^{［17，34］}。有研究表明，土壤pH随土壤有机质含量及年降水量增加而显著降低^［17］，而温性草原、低地草甸及温性草甸草原的水热条件好，土壤有机质含量较高^［18］。施用氮肥可以增加植被凋落物数量，由有机物被分解产生的有机酸含量也增高，导致其土壤pH对化学氮肥的响应高于其他类型草地^［35］。在年降水量高的地区，土壤中的盐基离子不断被淋溶，导致盐基饱和度降低，H⁺饱和度升高^{［19，36］}。而温性荒漠草原、高寒草甸及高寒草原的土壤呈碱性，同时受到水分的限制^{［18，37-38］}。施用氮肥时，NH₄⁺可能会被土壤中的碱性物质中和，从而对土壤pH的影响相对较小^［39］。另有研究表明，碱性土壤环境有利于碳酸盐积累，土壤中储存的大量碳酸盐可以增加酸碱缓冲能力，因此施肥对其影响较小^［20］。

本研究还发现，在年降水量高的地区，施用化学氮肥对土壤pH的降幅小于年降水量低的地区，这可能是由于高降水量地区的土壤中氮肥（特别是铵态氮肥）会被淋溶，导致氮素流失^［40］，这种流失减少了氮肥对土壤pH的酸化影响。同时，如果蒸发量大于降水量，土壤中流失的钙离子较少，碳酸钙在土壤中进行累积，从而减缓pH的降低^［41］。本研究表明，施用化学氮肥对中性土壤的pH降幅最大，其次是碱性土壤，对酸性土壤的pH降幅最小，这可能与土壤缓冲体系有关^［34］。中性土壤的酸碱缓冲能力较低，施用氮肥（尤其是铵态氮肥）时，产生的H⁺能够显著降低土壤pH；而碱性土壤以缓冲容量较强的碳酸盐为主^［42］，施用氮肥时，氢离子被土壤中的碱性物质中和，因此pH的降低幅度相对较小^［43］；酸性土壤中含有的腐殖酸使其对外界环境有更好的缓冲能力，防止土壤进一步酸化^［41］。

3.2 土壤pH对氮磷配施的响应

本研究发现，随着施肥年限的增加，氮磷配施对土壤pH的降低程度越显著，结果与施用化学氮肥相似，但氮磷配施对土壤pH的影响低于施用化学氮肥。与施用化学氮肥相反，氮磷配施对土壤pH的降低幅度随着施肥量的增加而逐渐减小。这可能是因为磷肥施用降低了土壤氮磷比，促进植物对氮的吸收，减少土壤中氮的富集，因而减弱了对土壤pH的影响^［44］。磷肥中含有的碱性物质可以中和土壤中的H⁺，进而减弱氮肥对土壤pH的影响^［23］。

本研究表明，与施用化学氮肥相反，氮磷配施对高寒草甸的土壤pH影响最大，这可能是由于高寒草甸生态环境脆弱，尽管土壤中储存着大量的有机氮和有机磷，但植物生长仍受到氮和磷的限制^［45］。尽管氮沉降可以缓解土壤氮含量不足，但也导致土壤中生态化学计量失衡，土壤中的磷不足以平衡在大气氮沉降中增加的氮，进一步加剧了磷的限制^［46］。而氮磷添加可能打破了这一限制，磷的添加促进了微生物分解更多的有机碳，产生更多的有机酸，进一步降低土壤pH^［47］。

本研究还发现，在年均降水量高的地区，氮磷配施对土壤pH的降低幅度要大于在年均降水量低的地区。影响因素的相关分析也表明，土壤pH对氮磷配施的响应与年降水量之间存在负相关关系。当降水量大于蒸发量时，土壤中的碱性物质在淋溶过程中随水分迁移，使得土壤中的碱性物质不断被消耗。同时，施入土壤中的肥料加强了土壤中的硝化作用，向土壤中释放出大量H⁺，并且H⁺与土壤发生反应而消耗土壤中的碱性物质，导致平均降水量高的地区土壤pH降幅大于干旱地区^［48］。本研究表明氮磷配施对中性土壤pH的降幅最大，其次是碱性土壤和弱碱性土壤，与施用化学氮肥的结果相似。随机森林分析结果及影响因素的相关性分析也表明，土壤初始pH是土壤pH对氮磷配施响应的重要因素。这是因为不同初始pH土壤中的缓冲容量不同，土壤缓冲容量越大，盐基饱和度及土壤初始pH越高，土壤pH降低程度越低^［49］。

3.3 土壤pH对施用有机肥的响应

施用有机肥可以增加土壤有机质含量并改良土壤结构，进而提升土壤缓冲性能，减少土壤pH波动^{［14，50］}。本研究发现，施用有机肥在≤100 kg N·hm^-2水平下对土壤pH没有显著影响，在100~200 kg N·hm^-2水平下显著降低了土壤pH，在>200 kg N·hm^-2水平下显著提高了土壤pH。此外施用有机肥对土壤pH的影响随施肥年限的增加而未发生显著变化。这可能是施用有机肥后，显著增加了土壤中的速效氮含量，提高了土壤的氮素利用效率，促进了土壤中氮矿化过程。在此过程中，虽然会向环境中释放H⁺，从而影响土壤pH。然而，由于有机质分解缓慢且土壤具有缓冲能力，所以在较低的施用水平下，并未对土壤pH造成显著影响^［51-52］。郭雅婧等^［53］的研究也发现，土壤氮矿化速率随着有机氮的添加先增加后降低。

本研究还发现，在年均降水量高的地区，施用有机肥后会显著提高土壤pH。影响因素的相关分析表明，土壤pH对施用有机肥的响应与年均温、年降水量呈正相关关系，与海拔呈负相关关系。这可能是由于有机肥的碱性物质不仅可以中和酸性土壤，还可以提高土壤pH。同时在良好的水热环境下，土壤微生物活性较高，可以促进有机肥氮素矿化及有机阴离子的脱羧作用，从而消耗土壤中的H⁺，进而影响土壤pH^［54-55］。研究发现，施用有机肥可以显著提高酸性土壤的pH，降低碱性土壤的pH，这与郭慧婷等^［29］的研究结果一致。在酸性土壤中，有机肥中的碱性物质可以中和土壤中的H⁺，提高土壤pH；而在碱性土壤中，施用有机肥可以吸附土壤中的碱性金属离子，并且微生物分解有机质的过程中产生的有机酸也可以降低土壤pH^{［29，56］}。随机森林分析结果表明，土壤质地是土壤pH对有机肥响应的重要因素，这可能与不同质地土壤阳离子交换量及有机质含量有关^{［48，57］}。因此，可以根据不同环境及土壤性质决定有机肥的施用量，以改善土壤pH。

4 结论

施用化学肥料显著降低土壤pH，且施用氮肥对土壤pH的降低幅度会随施肥量及施肥年限的增加而增大； 氮磷配施对土壤pH的降低幅度则随施肥量的增加而减小，但随施肥年限的增加而增大。总体上，施用有机肥对土壤pH没有显著影响，但显著增加了酸性及中性土壤的pH，降低了碱性土壤的pH。因此，在未来的恢复草地管理措施中，应根据各地区不同类型草地的土壤性质，采用不同的施肥策略。优先考虑施用有机肥，减少化学氮肥的投入，提高草地管理水平，在调节土壤pH的同时促进草地生态系统的修复。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFF1302800)

山西省科技重大专项计划揭榜挂帅项目(202201140601028)

山西省现代农业产业技术体系建设(2024CYJSTX13)