外源氮、磷、硫養(yǎng)分添加對凋落物腐殖質(zhì)化的影響

劉 楊，鄭雪瑤,張 寵，林巧玲，劉誼鋒，耿婉璐，田耀武

(1.河南科技大學(xué)林學(xué)院，河南 洛陽 471003;2.鄭州市第十一中學(xué),鄭州 450016)

1 引言

森林土壤有機(jī)質(zhì)影響著土壤理化性質(zhì)和生物特性，決定著土壤質(zhì)量的優(yōu)劣[1]。根據(jù)密度的差異，土壤有機(jī)質(zhì)可分為輕組有機(jī)質(zhì)(LFOM, light fraction organic matter，密度<1.4·cm-3)和重組有機(jī)質(zhì)(HFOM, heavy fraction organic matter，密度>1.4 g·cm-3)。LFOM由未分解徹底的植物殘體、活的微生物及其分泌物組成[1]，對氣候、環(huán)境變化和森林管理措施反應(yīng)敏感[2,3]。HFOM，即土壤腐殖質(zhì)，是由輕組有機(jī)質(zhì)徹底分解或重新合成的、以芳香族物質(zhì)為主體的高分子化合物，一般與土壤粘粒結(jié)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性質(zhì)穩(wěn)定，是凋落物分解的最終產(chǎn)物，影響微生物的生長和土壤碳周轉(zhuǎn)，對土壤有機(jī)質(zhì)SOM動態(tài)具有重要意義[3,4]。凋落物類型、土壤性質(zhì)和土壤養(yǎng)分和氣候因素能影響HFOM轉(zhuǎn)化[1]。Kirkby 等[5,6]認(rèn)為，土壤重組有機(jī)質(zhì)中C、N、P和S元素等化學(xué)計(jì)量比值穩(wěn)定，單位碳中具有較高的N、P、S含量[7-9]，土壤中加入N、P、S等元素后，可以促進(jìn)凋落物的腐殖質(zhì)化。已有大量文獻(xiàn)報道了森林土壤及其凋落物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[10-12]，但鮮見外源N、P、S元素的添加對森林凋落物腐殖質(zhì)化影響的報道。本研究設(shè)置森林土壤中添加N、P、S元素的凋落物腐殖質(zhì)化實(shí)驗(yàn)，以期揭示HFOM中碳和其他養(yǎng)分含量的變化規(guī)律，闡明微生物生物量變化與HFOM中碳積累的耦合關(guān)系，為提高森林土壤碳的固定提供理論基礎(chǔ)。

2 材料和方法

2.1 采樣與處理

2013年12月，在河南省太行山區(qū)(TH，113°45′41″E，36°18′51″N，中性砂質(zhì)土)、伏牛山區(qū)(FN，112°08′10″E，33°45′45″N，棕壤性土)和大別山區(qū)(DB，115°22′49″E，31°30′52″N，黃棕壤，粘性土)等林區(qū)內(nèi)設(shè)置典型森林土壤和凋落物采樣區(qū)，樣區(qū)面積20 m×20 m，對角線法選取5個樣點(diǎn)，均勻采集0～15 cm層土壤30 kg ，剔除石礫及植物殘留物，充分混合，自然風(fēng)干3 d，輕擊粉碎，過2 mm篩，測定基本理化性質(zhì)(表1)。采用干篩—風(fēng)選法分離有機(jī)質(zhì)輕組與重組[6,13]，以上過程重復(fù)3次。測定HFOM中C、N、P、S含量(表1)。在TH、FN、DB樣區(qū)內(nèi)收集凋落物，剔除植物葉柄和大的葉脈，70 ℃烘干，剪成約5 mm碎片，充分混合。測定各凋落物C、N、P、S含量(表2)。

表1 供試土壤基本情況

表2 土壤養(yǎng)分設(shè)計(jì)表

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

HFOM和凋落物元素分析表明，凋落物在腐殖化過程中，TH、FN和DB凋落物最大腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化率只有15.7%、10.7%和11.3%，P元素起限制作用(表2)。假定要實(shí)現(xiàn)30%的凋落物腐殖質(zhì)化率，就要增加N、P元素(表2)。使用NH4NO3、KH2PO3和(NH4)2SO4分別配制TH、FN、DB土壤營養(yǎng)液，3種營養(yǎng)液N、P、S的濃度分別為(17.8、13.0、8.1) g·L-1，(52.7、31.7、14.9) g·L-1、(76.7、34.5、25.5) g·L-1，用NaOH(10 M)溶液調(diào)節(jié)pH值至7。

本研究設(shè)計(jì)3個土壤類型(TH砂土、FN壤土和DB粘土)、3個土壤養(yǎng)分處理(N0，無營養(yǎng)液添加；N1，1 mL·kg-1營養(yǎng)液；N2，2 mL·kg-1營養(yǎng)液)、3個重復(fù)，共3×3×3個樣本土壤控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)從2013年12月15日開始到2015年12月結(jié)束。把營養(yǎng)液和凋落物處理的土壤樣4.0 kg，置入體積為5 L的塑料盒內(nèi)。土壤腐殖質(zhì)化過程中，每5 d翻覆混合一次土壤，添加蒸餾水，保持70%田間持水量，培育溫度28 ℃。

前期研究結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)采用的森林凋落物在70～90 d內(nèi)可完成腐殖質(zhì)化。設(shè)計(jì)連續(xù)的8個土壤培育周期，每個周期為90 d。在第1個培育周期開始的第10 d時，使用熏蒸提取方法測定微生物量。每一培育期結(jié)束后，充分混合塑料盒內(nèi)土壤，取150 g子樣，風(fēng)干，按Kirkby方法[5]進(jìn)行HFOM分離，用0.1 M鹽酸以除去土壤中殘留的無機(jī)N、P、S[5,14-16]，測定HFOM中C、N、P、S含量。剩余土壤仍按表2比例添加剪碎的凋落物，置入塑料盒進(jìn)行下一輪培育實(shí)驗(yàn)。重鉻酸鉀外加熱法測定SOC含量，重鉻酸鉀—硫酸消化法測定氮含量[15]，P和S分別通過電感耦合等離子體光學(xué)發(fā)射光譜法(ICP-OES)測定[5]。

圖1 土壤重組有機(jī)質(zhì)中碳、氮、磷、S含量動態(tài)變化

3 結(jié)果與分析

3.1 HFOM中C、N、P、S含量及其動態(tài)

不同森林土壤HFOM與森林凋落物均具有較穩(wěn)定的C/N/P/S比率，其比率值并不相同，凋落物富含碳，HFOM中N、P、S含量較高(表2)；TH油松林HFOM中，單位碳中N、P、S含量最低，F(xiàn)N櫟類林HFOM中單位碳中N、P含量最高(表1、2)。

凋落物腐殖質(zhì)化過程中，HFOM中碳含量伴隨著N、P和S含量的增加而增加。由圖1，前3、4個培育周期，無養(yǎng)分添加時土壤碳含量均有降低趨勢，第5培育周期開始緩慢增加，土壤類型間SOC含量變化差異并不顯著(p>0.05)。N1中，土壤碳含量持續(xù)增加，后期增幅較快，土壤類型間SOC含量變化差異顯著(p<0.05)；N2中，土壤碳含量持續(xù)增加，前2個培育周期碳含量增加較快，隨后增幅變緩，第5周期開始增幅迅速變大，土壤類型SOC含量差異顯著(p<0.05)。N、P、S變化與碳變化較為一致(圖2)。外源養(yǎng)分的添加也影響HFOM中C/N/P/S比值的變化，TH土壤初始C/N/P/S比值為10 000/738/159/125，N0處理時為10 000/738/159/124，幾乎沒有發(fā)生變化；N1處理后為10 000/828/201/139，N2為10 000/808/118/149。所有處理C與N、P、S的相關(guān)性顯著(p<0.05)，養(yǎng)分添加后相關(guān)系數(shù)降低。

3.2 土壤碳增量、增幅與轉(zhuǎn)化率

土壤培育周期內(nèi)，N0處理中，土壤碳平均增量為4.57 g·kg-1，碳含量增量變化顯著(p<0.05)，土壤類型之間差異不明顯(p>0.05)(圖2)。N1處理中，土壤碳平均增量為12.67 g·kg-1，是N0處理的2.8倍，碳含量增量變化極為顯著(p<0.001)，土壤類型和養(yǎng)分處理相互作用顯著(p<0.01)。N2處理中，土壤碳平均增量為18.78 g·kg-1，是N0處理的4.1倍，碳含量增加極為顯著(p<0.001)，土壤類型和養(yǎng)分處理之間的相互作用強(qiáng)烈。

土壤培育期內(nèi)，土壤碳的增加幅度與碳的增量變化并不一致。同一土壤中均表現(xiàn)為N2處理碳增幅最大，N0最小，增幅差異顯著(p<0.05)。增幅最大的是TH土壤中的N2處理，高達(dá)131%；同一處理中碳的增加幅度則變化不一，土壤類型間差異不顯著(p>0.05)。

圖2 HFOM中碳增量

圖3 HFOM中碳增幅

凋落物腐殖質(zhì)化率為DB>FN>TH，N2>N1>N0(圖4)。N0處理中轉(zhuǎn)化率為(1.93%～4.86%)。N1處理中轉(zhuǎn)化為(6.79%～14.68%)，N2處理中轉(zhuǎn)化率為(12.56%～19.80%)。轉(zhuǎn)化率最大的是N2處理中的DB土壤，為19.80%。土壤間和處理間差異均顯著(P<0.05)。

圖4 凋落物的轉(zhuǎn)化率

3.3 微生物生物量的變化

3類土壤初始微生物生物量差異顯著(p<0.05)(表1)，養(yǎng)分處理后微生物量發(fā)生了變化。N0處理時FN土壤微生物量顯著高于TH和DB土壤(p<0.05) (圖5)，TH和DB土壤微生物量差異不顯著(p>0.05)；N1使土壤的微生物生物量增加，TH>DB>FN，差異顯著(p<0.05)，土壤類型和養(yǎng)分添加相互作用顯著(p<0.05)；N2處理中微生物生物量最高的為DB土壤，差異極為顯著(p<0.001)。同一土壤內(nèi)，養(yǎng)分處理也使微生物生物量變化差異顯著(p<0.01)，DB土壤微生物生物量變化最大，N2為N0的5.16倍。

圖5 微生物量的變化

4 討論與結(jié)論

4.1 HFOM中碳固定的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)機(jī)制

Kirkby等[5-6]認(rèn)為，澳大利亞土壤HFOM有近常數(shù)生態(tài)化學(xué)計(jì)量比(C/N/P/S=10 000/833/200/143)。河南省3類森林土壤HFOM中C、N、P、S比率與Kirkby提出的比率并不一致，這可能是受到地理氣候和植被條件的影響[6]。

土壤培養(yǎng)時期，無養(yǎng)分添加時，HFOM中碳含量早期降低，后期逐步上升。原因可能是凋落物礦化，提高了土壤中N、P、S等元素的含量及可用性，促使后期HFOM中碳含量的增加。也有文獻(xiàn)認(rèn)為土壤碳含量的降低是由于添加的凋落物誘導(dǎo)土壤發(fā)生了激發(fā)效應(yīng)[17-20]。添加N、P、S養(yǎng)分后，HFOM中碳含量快速提高，2年內(nèi)8個周期的連續(xù)培育使這一增長尤為明顯。HFOM中碳含量伴隨著N、P和S含量的增加而增加，HFOM具有較為穩(wěn)定C、N、S比例，C與N和S的相關(guān)性強(qiáng)烈，這與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)論一致[6,9,17]。HFOM中C與P相關(guān)性較與N和S弱，但P量仍可預(yù)測。土壤中N、P和S元素是凋落物腐殖質(zhì)化的必要條件[6,21]。

凋落物腐殖質(zhì)化伴隨著N、P和S元素的固定。一般森林土壤N、P和S供應(yīng)量少，凋落物轉(zhuǎn)化率較低，這種現(xiàn)象在粗放經(jīng)營土壤貧瘠的林地尤為明顯?，F(xiàn)代林業(yè)集約經(jīng)營(經(jīng)濟(jì)林、母樹林)活動中，按林木對養(yǎng)分的需求量進(jìn)行施肥和管理，雖有效地利用土壤養(yǎng)分，但限制了養(yǎng)分對HFOM形成的供給。林木在生長季節(jié)大量吸收養(yǎng)分，輸入土壤的凋落物時間集中，考慮N、P和S元素對土壤R固定的影響，土壤養(yǎng)分利用率較低。因此，林地凋落物凋落之前補(bǔ)充土壤養(yǎng)分物質(zhì)，有利于凋落物腐殖質(zhì)化[22]。

一些模型模擬結(jié)果表明，養(yǎng)分元素，特別是N元素的低可用性限制了土壤碳的儲量[23]，土壤碳固定量與土壤C/N比率相關(guān)聯(lián)，受土壤總N的影響[24-25]。本研究認(rèn)為，土壤碳的增加同樣與C/P和C/S比率相關(guān)聯(lián)，也受總P和S的影響。Kirkby等[5]的薈萃分析表明，在0.5%～15%土壤有機(jī)質(zhì)碳含量范圍內(nèi)，HFOM中C/N/P/S比率相對穩(wěn)定，C、N、P和S均是所需的主要元素，單純增加HFOM中C/N(和C/P和C/S)比率不太可能，土壤固碳過程必須伴隨著土壤N、P和S的增加，任一元素的缺乏都將限制HFOM的形成[6,22,26]。

4.2 微生物量與土壤HFOM中碳的積累

通常認(rèn)為碳和能量底物是土壤微生物的主要限制因素[27]。微生物生長效率也就是土壤微生物同化凋落物并轉(zhuǎn)化為微生物生物量的能力，微生物死亡后，一部分轉(zhuǎn)化為更耐分解、更穩(wěn)定的HFOM[9]。如果微生物活性不受養(yǎng)分物質(zhì)N、P、S等的限制，土壤微生物分解凋落物，可得到最大的微生物量。但是本研究結(jié)果表明，凋落物的輸入可增加土壤微生物生物量，如果添加土壤養(yǎng)分，微生物量還要增加。不同土壤的微生物生物量對養(yǎng)分添加的反應(yīng)不同，DB土壤是劑量依賴性的反應(yīng)。這種差異可能與土壤初始無機(jī)養(yǎng)分水平、土壤質(zhì)地、礦物種類、微生物群體的構(gòu)成相關(guān)。凋落物和養(yǎng)分添加后，HFOM中碳和微生物生物量碳水平之間的相關(guān)性顯著，說明凋落物微生物的轉(zhuǎn)化有助于形成HFOM[21,29]。

HFOM中碳量的變化可以衡量凋落物腐殖質(zhì)化率，碳增量是碳匯的重要內(nèi)容。土壤養(yǎng)分的增加提高了所有土壤凋落物腐殖質(zhì)化率，這說明只要無機(jī)養(yǎng)分不是土壤有機(jī)質(zhì)形成的限制因子，它同樣可能會匯聚到HFOM中，進(jìn)而改變土壤質(zhì)地，改變起始HFOM中碳水平。

凋落物腐殖質(zhì)化差異也可能是碳飽和的問題[6]。DB土壤初始HFOM中碳含量水平為28.2 g·kg-1，而TH土壤只有8.4 g·kg-1。這可能是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地、礦物等，TH土壤接近HFOM中碳的飽和度，DB土壤仍然具有存儲新碳的位點(diǎn)，這需要進(jìn)一步的研究來證實(shí)。

4.3 自然林地條件下養(yǎng)分調(diào)控的可行性

實(shí)驗(yàn)室條件下，凋落物腐殖質(zhì)化過程中N、P等無機(jī)養(yǎng)分不會發(fā)生滲透和瀝濾，也不會被林木等植被吸收，這與現(xiàn)實(shí)的野外條件差異巨大。林地條件下添加的養(yǎng)分可能會快速地滲入到附近的地表水體，產(chǎn)生受納水體的富營養(yǎng)化，出現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險問題，在野外條件下可以使用控釋肥等新技術(shù)來減弱環(huán)境污染的風(fēng)險?，F(xiàn)實(shí)在除少數(shù)集約程序較高的林地處，很難做到森林凋落物與土壤的充分混合，凋落物的分解周期可能遠(yuǎn)高于室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前研究森林土壤碳固定時，通常忽視其它養(yǎng)分物質(zhì)的潛在價值。補(bǔ)充土壤養(yǎng)分能大大提高HFOM中碳水平，且這些養(yǎng)分與碳能一起螯合在HFOM中，這是目前提高森林土壤碳匯能力亟須和重點(diǎn)考慮的問題。

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