丹江口水庫庫濱帶典型植物群落氮礦化特征

占海歌,蔣娟,郝好鑫,楊彩迪,郭忠錄

(華中農業(yè)大學水土保持研究中心,430070,武漢)

丹江口水庫庫濱帶典型植物群落氮礦化特征

占海歌,蔣娟,郝好鑫,楊彩迪,郭忠錄?

(華中農業(yè)大學水土保持研究中心,430070,武漢)

為明確庫濱帶典型植物群落礦化特征,探究植物化學性質與土壤氮礦化的關系,選取丹江口水庫庫濱帶的苘麻和蛇床群叢。試驗采取單一葉處理、單一根處理和根+葉混合等9種處理,分別測定第1、3、7、14、21、31、41、51和61 d的土壤氮礦化量,系統(tǒng)分析添加植物后土壤氮礦化特征。結果表明:1)添加植物后,土壤氮礦化可分為3個階段,即前期(1～7 d)各處理礦化量均減小,中期(7～41 d)各處理礦化量都有所增加,幅度變化較大,后期(41～61 d)基本保持平衡,所有處理的土壤礦化量均小于對照(CK)的79.53 mg/kg,單一處理中,苘麻葉(QL)礦化量最高,達到71.62 mg/kg,混合處理最高為苘麻葉+蛇床根(QL+SR)26.43 mg/kg;2)添加植物后,土壤微生物的質量分數(shù)顯著增加(P＜0.05),QL＞4個混合處理＞另外3個單一處理;3)整個試驗期間,土壤氮礦化量與植物全碳和全氮質量分數(shù)顯著相關(P＜0.05),主成分分析(PCA)結果顯示全氮質量分數(shù)對土壤有機氮礦化影響最明顯,重要程度為全氮＞C:N＞纖維素＞L:N＞多元酚;4)所有混合處理中,實測氮素礦化量均顯著小于預測值(P＜0.01)。說明添加苘麻和蛇床后,土壤氮礦化表現(xiàn)為抑制作用,根莖混合處理沒有激發(fā)效應。該研究為區(qū)域植被生態(tài)恢復、水土保持與非點源污染治理提供參考依據(jù)。

氮礦化;植物化學性質;凈氮礦化量;丹江口水庫

庫濱帶(riparian buffer strips)是水陸間重要的生態(tài)交錯帶,具有重要的水文、生態(tài)、美學和社會經濟功能,其作為一種水土保持和控制非點源污染的重要生物措施,能維持河(湖)岸穩(wěn)定和生物多樣性,且對氮、磷等污染物具有截留作用[12]。土壤氮素礦化是指土壤有機氮在微生物的作用下,轉化為無機氮的過程,是氮素循環(huán)的關鍵過程之一,外源有機物(凋落物和植物殘體等)是生態(tài)系統(tǒng)重要氮源,經礦化作用生成大量無機氮,對土壤理化性質產生重要影響,對該生態(tài)系統(tǒng)適應性植物的選擇有重要作用。大量研究表明:環(huán)境因子(溫度和水分)[3]、土壤理化性質(有機質質量分數(shù)、質地、團聚體、水分和土壤溫度等)[4]及人為活動[5]等非生物因素,對土壤氮礦化有重要的影響;土壤動物和微生物在其活動和代謝過程中,通過對有機質的破壞、分解及其他生化作用,而對氮素礦化產生影響。

國內外對植被與土壤氮礦化關系的研究主要集中在土壤類型[6]、水熱條件[7]和植被種類[8]等因素,植被地上部分[911]的研究已有報道,但對地下部分植物根系以及地上地下混合處理的礦化研究鮮有報道。苘麻(Abutilon theophrastiMedicus)是丹江口庫區(qū)庫濱帶最常見的一年生亞灌木狀草本,野外調查發(fā)現(xiàn)其伴生的蛇床(Cnidium monnierL.Cuss)最為常見;因此,筆者研究不同部位植物添加土壤后的有機氮礦化特征,探究植物化學性質與土壤氮礦化的關系,為該區(qū)域植被生態(tài)恢復、水土保持與非點源污染治理,提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

習家店鎮(zhèn)位于湖北省丹江口市,丹江口水庫北岸(E 110°10＇,N 32°43＇),屬于北亞熱帶季風氣候,年平均氣溫15.1℃,年均降水量在800 mm左右,降雨集中在4—10月份。該區(qū)地形的主要特點是高差大、坡度陡和切割深,海拔在500～1 500 m之間,總的地勢是西北高、東南低、北陡南緩,漢江沿線形成峽谷和盆地相間的地貌。土壤以山地黃棕壤和黃褐土為主。該區(qū)處于亞熱帶常綠闊葉林和北亞熱帶常綠落葉闊葉林地帶,適生的植物種類繁多,庫周群叢生長顯著,主要有柑橘(Citrus reticulateBlanco.)+小飛蓬(Conyza canadensisL.Cronq.)群叢,苘麻+蛇床群叢等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

供試土樣和植物(苘麻,蛇床),于2013年6月采自丹江口習家店鎮(zhèn)庫周庫濱帶。土樣采自無植物生長的裸地,按“S”型路線隨機采集0～10 cm表層土壤(黃棕壤),間距20 m,多點混合,土壤黏粒、粉粒和砂粒質量分數(shù)分別為14.07%、50.50%和35.43%(按美國制為粉壤土);植物樣采集完整植株,帶回實驗室。土壤風干后,剔除雜質,研磨過2 mm篩,取少量過0.149 mm篩,分別做培養(yǎng)和化學分析試驗。植物洗凈后將地上部分和根分開,105℃殺青30 min,65℃烘干至恒重,磨碎過2 mm篩備用。

2.2 試驗設計

2.2.1 試驗處理以上述土壤及植物的葉和根為材料,并設置不添加植物的土壤為對照,采用室內需氧連續(xù)培養(yǎng)法,共9個處理,分別為對照(CK)、苘麻葉(QL)、苘麻根(QR)、蛇床葉(SL)、蛇床根(SR)、苘麻葉+蛇床葉(QL+SL)、苘麻葉+蛇床根(QL+ SR)、苘麻根+蛇床葉(QR+SL)、苘麻根+蛇床根(QR+SR),每個處理9個培養(yǎng)瓶對應9個取樣時間點,3個重復,植物基本性質見表1。

表1 植物的初始化學性狀Tab.1 Initial chemical properties of plant residuals usedg/kg

2.2.2 培養(yǎng)試驗稱取植物樣(50.00±0.50)g,根葉混合植物樣以質量比1∶1各添加0.25 g,混合均勻后平鋪于容積為500 mL帶蓋的特制塑料廣口瓶底部,加水使樣品含水量為田間持水量的60%,溫度設置為25℃,分別在培養(yǎng)的1、3、7、14、21、31、41、51和61 d取對應樣本,測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質量分數(shù)。每次取樣將所有處理取下瓶蓋,放置于空氣中,完全通氣4 h。培養(yǎng)期間每隔2 d稱量,如果需要澆水保持容器恒重。

2.3 測定方法

土壤機械組成采用吸管法,容重采用環(huán)刀法,土壤和植物有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法,全磷采用氫氧化鈉鉬藍比色法,全氮采用半微量凱氏法,銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法,硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提-紫外分光光度法,微生物碳采用氯仿薰蒸浸提法,植物木質素和纖維素采用酸性洗滌劑-碘量法,半纖維素采用鹽酸水解-DNS法以及多元酚采用Folin-Ciocalteu比色法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0和Excel 2010等軟件進行方差分析(在0.05水平上差異顯著,在0.01水平上差異極顯著),不同處理之間的多重比較采用LSD法,利用Pearson法,分析不同植物初始化學性質與土壤氮礦化量之間的相關關系,主成分分析(PCA)確定植物各化學性質的重要程度。

混合處理有機氮礦化累積量預測值=((苘麻葉或根處理)X+(蛇床葉或根處理)Y)/(X+Y)。式中:X,Y分別為對應處理所占混合植物樣的質量分數(shù)之比,X,Y均為50%[12]。

3 結果與分析

3.1 添加植物后各處理礦化量比較

添加植物后,不同處理的土壤氮礦化量隨時間推移而有所差異(表2)。整個試驗期,各處理礦化量均小于對照CK,整體趨勢表現(xiàn)為:前期減小,中期緩慢增大,最終基本處于平衡。在試驗前期1～7 d,各處理的礦化量均表現(xiàn)為減小,其中QL的降幅最大,達到19.46 mg/kg;中期7～41 d,各處理的礦化量均有所增加,其中CK和QL增長幅度較大,達到49.43 mg/kg以上,而SL增長最小,僅為0.32 mg/ kg;后期41～61 d,各處理緩慢增長,并最終基本平衡。試驗結束時,除混合處理QL+SL和QL+SR仍表現(xiàn)出增長趨勢外,其他各處理基本達到平衡。

對于葉處理,苘麻和蛇床在試驗期間,氮礦化量均表現(xiàn)為差異顯著,差值最大是后期41～61 d,為64.76 mg/kg;根處理在試驗前期1～7 d和中期7～41 d,苘麻和蛇床氮礦化量差異均不顯著,后期41～61 d差異顯著,差值最大為1.97 mg/kg;混合處理QL+SL和QL+SR以及QR+SL和QR+SR,在試驗期氮礦化量差異均不顯著。

表2 不同處理土壤氮礦化量Tab.2 Soil nitrogen mineralization rates under different treatmentsg/kg

圖1 不同處理土壤微生物碳質量分數(shù)變化Fig.1 Carbon content of soil microbial with time under different treatments

3.2 添加植物后土壤微生物變化

土壤環(huán)境的改變會引起微生物的迅速響應,微生物碳的質量分數(shù)可作為一種較好的微生物活動數(shù)量的指示指標[13]。由圖1可知,僅試驗前期1～7 d,處理QR的微生物碳質量分數(shù)＜CK,其他階段添加植物處理均大于CK,且均達顯著水平。試驗結束時,各處理微生物碳質量分數(shù)的大小順序為QL＞QR+SL＞QL+SR＞QR+SR＞QL+SL＞QR＞SL＞SR＞CK,添加植物處理的微生物碳質量分數(shù)為CK的1.25～5.86倍,混合處理微生物碳質量分數(shù)＞單一處理(QL除外),總體表現(xiàn)為QL＞混合處理＞單一處理(QL除外)。說明添加植物后,土壤微生物質量分數(shù)會顯著增加,苘麻莖葉的效果最好,混合處理的效果＞單一處理。

3.3 植物性質與土壤氮礦化的相關關系

不同時期土壤氮礦化量與植物性質相關分析見表3。結果表明,在整個試驗期間,土壤氮礦化量與植物全磷、木質素、纖維素、半纖維素和多元酚質量分數(shù)相關性不顯著,與全碳質量分數(shù)顯著正相關,與全氮質量分數(shù)極顯著正相關;在試驗前期1～7 d和后期41～61 d,與植物C∶N和L∶N顯著負相關。

表3 植物化學性質與氮累積礦化量的相關關系Tab.3 Pearson linear correlation coefficients between plant chemical properties and accumulative soil nitrogen mineralization rates

對植物化學性質進行主成分分析(PCA),參考葉回春等[14]方法,計算指標得分系數(shù)和權重。由表4可知:所有變量中,前3個主成分特征值＞1,累積方差達到85.26%;第1主成分中,植物全氮、C∶N和L∶N占有較高載荷,多元酚和纖維素分別在第2和第3主成分中占有最高載荷。因而,選擇植物全氮、C∶N、L∶N、多元酚和纖維素作為最后決定植物化學性質的代表性指標,將各主成分對應的數(shù)據(jù)除以對應特征值的平方根,得到相應的每個指標的對應系數(shù)。由此可得到以下方程:

綜合植物化學性質指標F1、F2、F3各指標乘以相應貢獻率,除以總貢獻率之和,即

表4 植物化學性質主成分分析表Tab.4 Principal component analysis of different plant chemical properties

由表3和表4可知,各植物化學性質得分系數(shù)和權重,由大到小順序為N＞C∶N＞CE＞L∶N＞PP,說明植物全氮質量分數(shù)是土壤有機氮礦化最重要的決定因素,對土壤有機氮礦化有促進作用,植物C∶N、L∶N、多元酚和纖維素也有重要作用,其為礦化作用的抑制因素。

3.4 植物間的相互效應

對混合處理,通過假設檢驗,比較預測值和實測值之間的差異。氮素礦化量的實測值與預測值對比結果見表5,所有混合處理實測氮素礦化量均極顯著,且小于預測值,說明混合植物處理并不能促進土壤中有機氮礦化,也無激發(fā)效應。

表5 混合處理氮礦化量預測值Tab.5 Predicted values of N mineralization under mixed treatments(mean±SE,n=3)

4 討論

4.1 植物化學性質與有機氮礦化的關系

2種植物葉片處理的土壤氮礦化量,在試驗期表現(xiàn)出顯著性差異,根處理在試驗前期和中期差異不顯著,而后期差異顯著。這可能與植物自身的化學性質有關[15],化學性質不同,會影響它們的分解速率[3]。B.R.Taylor等[16]研究發(fā)現(xiàn),分解前期由N制約凋落物分解速率,后期由木質素濃度或L∶N比制約分解速率;Xu Xiaoniu等[17]也認為,植物質量分解前期主要受養(yǎng)分質量分數(shù)的影響,后期則受木質素和纖維素/木質素比支配。筆者研究認為:QL的全氮質量分數(shù)是SL的4.05倍,木質素和L∶N分別為SL的59.89%和14.75%(表1);主成分分析表明,植物化學性質重要程度,由大到小順序為N＞C∶N＞CE＞L∶N＞PP。B.Berg等[18]發(fā)現(xiàn),植物中N、P、K初始濃度高,使得初期分解較快。當N質量分數(shù)較低時,制約微生物的生長發(fā)育,增加N質量分數(shù),可促進微生物活動,提高土壤氮礦化[3],土壤有機氮礦化與植物C∶N比呈負相關,C∶N＞25時,土壤氮礦化表現(xiàn)為固持作用[4],L∶N較高時,會將氮礦化限制在較低的水平,當L∶N降至較低后,土壤氮礦化會迅速增加[19]。研究中,各植物處理后,植物纖維素質量分數(shù)、C∶N、L∶N均較高,而全氮質量分數(shù)較低,這可能是導致添加植物后,各處理土壤有機氮礦化作用表現(xiàn)為固持的原因。

4.2 添加植物與土壤有機氮礦化的關系

研究表明,添加植物后,土壤有機氮礦化分為3個階段,即前期減小,中期迅速增長,后期基本保持穩(wěn)定,這與很多學者的研究相同[1617]。若將研究前期看作預培養(yǎng),趙滿興等[20]認為培養(yǎng)的前一周時間,由于微生物需要逐步適應環(huán)境,并不能準確的反映有機氮礦化情況,筆者研究的中期和后期變化趨勢與前人的結果一致。QL雖然是植物質量最好,仍表現(xiàn)為氮固持,這可能與土壤理化性質和植被種類有關。由于植被類型差異,而導致土壤氮礦化的不同,許曉靜等[21]發(fā)現(xiàn),針葉樹種和豆科樹種的凋落物分解N動態(tài)模型不同。土壤質地也可能是影響土壤氮礦化的原因,B.A.Roberts等[11]將棉花凋落物加到2種土壤中培養(yǎng),結果均表現(xiàn)為氮固持,且黏壤土固持量＞砂壤土。這是因為黏粒的小孔隙持有更多水分,對土溫變化的響應與砂壤土不同,進而影響微生物的種群數(shù)量和活動。而筆者研究中,土壤黏粒質量分數(shù)為14.07%,介于B.A.Roberts等試驗用2種土壤黏粒質量分數(shù)之間。

T.B.Gartner等[22]對凋落物混合礦化研究認為,凋落物混合分解過程中,存在無效應、促進效應和抑制效應3種情況,而這3種情況并不是一成不變的,有可能隨時間的推移而表現(xiàn)出來[17]。筆者研究中,混合處理無促進作用,也沒產生激發(fā)效應,這與T.B.Gartner等[22]、A.Hector等[23]研究結論相反,這可能與參與礦化作用的微生物數(shù)量和活性有關。Bai Junhong等[24]發(fā)現(xiàn),參與土壤有機氮礦化的微生物主要是真菌、細菌和放線菌,盡管試驗期間,葉、根以及混合處理的土壤微生物質量分數(shù)顯著增加(圖1),可能參與礦化作用的相關微生物的數(shù)量并沒有顯著增長。M.Zaman等[7]發(fā)現(xiàn),升高溫度,有益于土壤氮礦化,當溫度由25℃升高到40℃時,土壤氮礦化量從每天5.5 μg/kg增加到20.9 μg/ kg,這是因為溫度的升高,使土壤可溶性碳增加,促進了微生物的活動。J.Dessureault-Rompre等[25]發(fā)現(xiàn),大約80%的土壤有機氮礦化作用,發(fā)生在微生物活動的水層,且礦化作用的最佳含水量為田間持水量。綜上所述,筆者研究的土壤有機氮礦化量較小。

5 結論

1)添加植物后的土壤有機氮礦化呈現(xiàn)3個階段,即前期減小,中期緩慢增大,最終基本處于平衡;所有處理的有機氮礦化量均＜對照,礦化作用是抑制效應。由于植物化學性質的不同,葉處理試驗期間,苘麻和蛇床氮礦化量均表現(xiàn)為差異顯著;根處理在試驗期前期和中期,苘麻和蛇床氮礦化量差異均不顯著,后期差異顯著;混合處理QL+SL和QL+ SR以及QR+SL和QR+SR在試驗期,氮礦化量差異均不顯著。

2)根葉混合處理顯著增加了土壤微生物數(shù)量,但是土壤有機氮礦化并沒增加,無激發(fā)效應。

3)主成分分析表明,影響土壤有機氮礦化的主要植物化學性質是全氮、C∶N、L∶N、多元酚和纖維素,其中全氮的影響效果最為明顯,而全磷、木質素和半纖維素作用則較弱,其順序為全氮＞C∶N＞纖維素＞L∶N＞多元酚。

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Soil nitrogen mineralization characteristics on typical vegetation community of riparian buffer strip in Danjiangkou Reservoir

ZHAN Haige,JIANG Juan,HAO Haoxin,YANG Caidi,GUO Zhonglu
(Research Center of Soil and Water Conservation,Huazhong Agricultural University,430070,Wuhan,China)

[Background]The soil nitrogen mineralization is controlled by various factors,including environmental factors,soil properties and plant residue qualities,etc.The objectives of our study are to clarify the soil mineralization characterization in typical vegetation community of riparian buffer strip in the Danjiangkou Reservoir,and to understand the correlation between plant chemical properties and soil nitrogen mineralization.[Methods]The soil used in experiment was collected from the upper 10 cm of the riparian buffer strips at 20 m interval.The leaves and roots of two typical plant species(Abutilon theophrastiMedicus andCnidium monnierL.Cuss)from riparian buffer strips were collected,dried, cleaned,and ground for the incubation experiment and chemical analysis.Soil,ground leaves and roots were mixed as 9 treatments of control(CK without any plants added),singleA.theophrastileaf(QL) and singleC.monnierleaf(SL),singleA.theophrastiroot(QR)and singleC.monnierroot(SR),mixed leaf and/or root(QL+SL,QL+SR,QR+SL,and QR+SR)for the laboratory incubation experiment.The soil mineralization rates were measured after 1,3,7,14,21,31,41,51 and 61 day (s)of incubation.[Results]1)There were 3 stages on soil mineralization after adding plants:the first stage(day 1-7)in which the rates of nitrogen mineralization declined,the second stage(day 7-41) in which the rates of nitrogen mineralization increased remarkably,and the last stage(day 41-61)in which the rates of nitrogen mineralization stayed in steady.The rates of soil mineralization in all treatments were less than that in the control(CK)of 79.53 mg/kg,the one with onlyA.theophrastileaf (QL)was the highest with 71.62 mg/kg among single treatments,while the mixed treatment with theA. theophrastileaf+C.monnierroot treatment(QL+SR)resulted in the highest mineralization rate of 26.43 mg·kg-1among the mixed treatments.2)The content of soil microbial biomass increased significantly after adding plant residues(P＜0.05)as the order in:QL＞all 4 mixed treatments＞other 3 single treatments(except QL).3)A significant correlation(P＜0.05)presented between soil N mineralization and the contents of total carbon and total nitrogen of plants during the whole experiment. The Principal Component Analysis(PCA)showed that the plant nitrogen content possessed the largest proportion in all factors,the significance was followed as:N＞C:N＞Cellulose＞L:N＞Polyphenols.4) All the measured N mineralization rates were significantly less than the predicted values(P＜0.01).[Conclusions]These results indicated that added plants restrained the soil nitrogen mineralization,and mixed treatments of root and leaf did not promote combined effect.This study may provide a reference basis for the regional restoration of vegetation,soil and water conservation,and the pollution control of non-point resources.

nitrogen mineralization;plant chemical properties;net N mineralization;Danjiangkou Reservoir

S154.1

:A

:2096-2673(2017)01-0043-08

10.16843/j.sswc.2017.01.006

2016- 06- 21

2016- 09- 09

項目名稱:國家自然科學基金“植被緩沖帶土壤水熱特性對農業(yè)非點源污染物持留影響”(40901132);國家科技支撐計劃課題“丹江口庫區(qū)生態(tài)恢復與環(huán)境保障關鍵技術研究與示范”(2012BAC06B03)

占海歌(1990—),男,碩士研究生。主要研究方向:水土保持與生態(tài)恢復。E-mail:zhanhg826@163.com

?通信作者簡介:郭忠錄(1980—),男,博士,副教授,碩士生導師。主要研究方向:水土保持與生態(tài)恢復。E-mail:zlguohzau@ 163.com