增溫和施氮對(duì)亞熱帶杉木人工林土壤溶液養(yǎng)分的影響

元曉春,楊景清,王 錚,袁 碩,楊舟然,陳岳民,*,楊玉盛

1 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州 350007 2 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007

增溫和氮沉降是現(xiàn)今乃至未來全球氣候變化的兩大趨勢。增溫,氮沉降等氣候變化會(huì)改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程,如改變植物初級(jí)生產(chǎn)力[1- 2],微生物群落結(jié)構(gòu)[3],土壤呼吸和土壤氮礦化[4],還可引起養(yǎng)分元素供應(yīng)失衡等諸多生態(tài)問題[5]。其中對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響尤其受到國內(nèi)外的關(guān)注[6- 8]。

森林養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)檢測大多以土壤為研究對(duì)象[9- 11],而采用原位采集土壤溶液的研究較少。土壤溶液中養(yǎng)分濃度的高低可以更加清楚地反映土壤養(yǎng)分的供應(yīng)狀況和作物吸收養(yǎng)分的難易程度。土壤溶液組分被認(rèn)為是森林生物地球化學(xué)循環(huán)過程的敏感指標(biāo),其能快速響應(yīng)周圍環(huán)境的干擾和變動(dòng)[12]。土壤溶液無機(jī)組分一直都是土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)檢測的重要指標(biāo),其對(duì)植物生長至關(guān)重要。礦質(zhì)元素如鉀 (K)、鎂 (Mg)、鈣(Ca)、鐵 (Fe)均為植物生長的必需礦質(zhì)元素,鈉 (Na)、鋁 (Al)為植物有益元素。礦質(zhì)元素含量變化能在一定程度上影響植物的生理和生長特性[11]?？扇苄杂袡C(jī)質(zhì)(dissolved organic matter,DOM)普遍存在于陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)[13],是土壤溶液中關(guān)鍵而敏感的有機(jī)組分。雖然其占土壤有機(jī)質(zhì)的比例小于5%,但其活性高,在養(yǎng)分周轉(zhuǎn)中起橋梁作用,直接反映土壤養(yǎng)分狀態(tài)。DOM是植物根系獲取養(yǎng)分的直接來源,并能為微生物的新陳代謝提供能源物質(zhì)[14- 15]。

氣候變遷是氣候變暖和氮沉降等氣候條件多重影響的結(jié)果,或許我們更加關(guān)注的是雙因子交互作用。李博等[28]對(duì)葉片礦質(zhì)元素的研究就表明增溫和施氮對(duì)K+、Ca2+、Mg2+等離子均存在明顯的交互作用,我們前期對(duì)土壤溶液的監(jiān)測也顯示雙因子交互作用可能并不是單因子影響的簡單疊加[29]。增溫,施氮對(duì)養(yǎng)分元素循環(huán)過程的影響十分復(fù)雜,交互作用的影響機(jī)制需要更多的探索。

本研究在福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站對(duì)杉木幼苗小區(qū)土壤溶液進(jìn)行了兩年的動(dòng)態(tài)觀測。其主要目的在于探究增溫、施氮及增溫+施氮雙因子交互作用對(duì)土壤溶液有機(jī)組分及無機(jī)組分的影響。通過本研究了解土壤溶液養(yǎng)分對(duì)當(dāng)前氣候變化的響應(yīng),可為維持和提升林地土壤養(yǎng)分提供極大的理論依據(jù)。同時(shí)可對(duì)氣候變遷下土壤養(yǎng)分響應(yīng)趨勢做初步估算,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站(26°19′N,117°36′E),平均海拔300m,平均坡度27.5°—35°,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫19.1℃,年均降雨量1749mm,年均蒸發(fā)量1585mm,相對(duì)濕度81%,土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤,pH為4.6—5.3[25]。研究區(qū)日均氣溫及日降雨量圖如圖1。

圖1 研究區(qū)日均氣溫及日降雨量 (2014年6月—2015年5月)Fig.1 Daily mean air temperature and precipitation at study area during this study period (from June 2014 to May 2015)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)地設(shè)置30個(gè)2m×2m的小樣方,設(shè)置土壤增溫(增溫、不增溫)×施氮(不施氮、施低氮、施高氮)雙因子試驗(yàn),包括對(duì)照(CT,不增溫不施氮)、增溫(W,+5℃)、低氮(LN,40kg N hm-2a-1)、高氮(HN,80kg N hm-2a-1)、低氮+增溫(WLN)、高氮+增溫(WHN),共6種處理,每種處理各5個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)都有做挖壕溝處理。

土壤增溫在增溫小區(qū)土壤10cm深處布設(shè)增溫電纜,采用自主研發(fā)PID土壤主動(dòng)增溫控制系統(tǒng),增溫幅度為5℃。增溫小區(qū)比對(duì)照小區(qū)溫度高5℃,當(dāng)溫度差小于5℃時(shí),土壤開始增溫,溫差達(dá)到5℃時(shí),增溫停止。同時(shí)每個(gè)小區(qū)內(nèi)溫度、水分傳感器等設(shè)備均有相應(yīng)布設(shè)[25,30]。施氮采用人工噴灑 NH4NO3(分析純)溶液的形式,即在每月月初分別稱取3.6、7.2g的NH4NO3溶于800mL去離子水中。將配置好的NH4NO3溶液倒入噴壺中,模擬林冠氮沉降,分別在LH和HN小區(qū)(林冠上)來回噴灑均勻3—4次,同時(shí)在CT小區(qū)用同樣方法噴灑等量的去離子水[29]。杉木幼苗于2013年11月栽植,每個(gè)樣方4株。

1.2.2 土壤溶液采集

分別在每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)壕溝內(nèi)15、30、60cm處布設(shè)土壤溶液取樣器(suction lysimeter,SM32),定期原位采集土壤溶液。于2014年5月—2016年4月進(jìn)行溶液采集,采樣頻率為1個(gè)月1次。采集方法為負(fù)壓法[29],即用真空泵將土壤溶液取樣器抽成近真空狀態(tài),待24h后再將水樣抽出。

1.2.3 測定項(xiàng)目與方法

酸中和能力(acid neutralising capacity forcing,ANC Forcing)可用以衡量土壤溶液潛在的酸誘導(dǎo)力,其計(jì)算公式[19]如下：

(1)

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較處理之間的差異。利用Origin 9.0軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果

2.1 土壤溶液中溶解性總氮(DTN)和硝態(tài)氮

圖2 增溫和施氮下土壤溶液DTN和濃度(2014年4月—2016年4月)Fig.2 The concentrations of DTN and in soil solution in warming and nitrogen addition treatments from April 2014 to April 2016CT：對(duì)照,Control;W：增溫,Warming;LN：低氮,Low nitrogen;HN：高氮,High nitrogen;WLN：低氮+增溫,Warming and low nitrogen;WHN：高氮+增溫,Warming and high nitrogen;N：施氮效,Nitrogen addition effect;W：增溫效應(yīng),Warming effect;WN：增溫和施氮交互效,Interaction effect of warming and nitrogen addition;ns：沒有顯著差,No significant differences;不同處理之間的差異性用*表示：*P<0.05; ** P <0.01; *** P <0.001

2.2 土壤溶液中Fe3+,Al3+含量

圖3中,各處理對(duì)15cm 以下Fe3+、 Al3+含量的影響較為顯著,增溫顯著降低了15—30cm中間土層Fe3+、Al3+含量,對(duì)表、底兩層無顯著影響。施氮顯著增加了15cm以下土層Fe3+含量,對(duì)各土層Al3+均無顯著影響,僅高氮對(duì)15—30cm土層Al3+有顯著抑制作用。增溫+施氮均顯著促進(jìn)了30—60cm底層Fe3+、Al3+含量的增加,抑制了15—30cm Fe3+含量。整體而言,增溫+施氮對(duì)15—30cm土層Al3+含量無顯著影響,由于增溫+低氮和增溫+高氮對(duì)其的作用出現(xiàn)一促進(jìn),一抑制的趨勢。對(duì)照處理Fe3+、Al3+含量隨土層加深呈現(xiàn)先增后降的趨勢,而增溫及增溫+施氮后Fe3+、Al3+含量隨土層先降后升,尤其是增溫+施氮。

圖3 增溫和施氮對(duì)土壤溶液Fe3+和Al3+濃度影響Fig.3 The effects of warming and nitrogen addition on the concentrations of Fe3+ and Al3+ in soil solutions

2.3 土壤溶液K+、Ca2+、Na+、Mg2+含量

表1中,增溫顯著增加15—30cm土層K+離子含量,降低表層Mg2+離子含量。施氮及增溫+施氮對(duì)溶液K+、Ca2+、Mg2+含量均無顯著影響。各處理均降低溶液Na+離子含量,尤其對(duì)表層Na+離子有極顯著的抑制作用,其中增溫及增溫+低氮表層Na+含量分別為對(duì)照的28.5%和47.4%。

2.4 土壤溶液DOM濃度

表2中,增溫,施氮及增溫+施氮均顯著降低了表層土壤溶液DOC濃度,其中施氮對(duì)DOC濃度的抑制作用大于增溫,低氮及高氮對(duì)表層DOC濃度均值分別降低了39.7%,34.2%。增溫+低氮和增溫+高氮對(duì)表層DOC濃度降低比例與施氮相當(dāng),分別為37.2%,37.8%。隨土層加深,高氮對(duì)底層DOC濃度抑制作用依舊顯著。增溫、施氮對(duì)各土層DON濃度均無顯著影響,但增溫+施氮對(duì)DON濃度呈現(xiàn)顯著促進(jìn)作用。增溫+低氮在0—15,30—60cm土層的DON濃度分別是對(duì)照的1.7,1.8倍。增溫及施氮單因子均對(duì)DOC∶DON無顯著影響,但增溫+施氮卻顯著降低了表層DOC∶DON。

表1 增溫和施氮對(duì)土壤溶液K+、Ca2+、Na+、Mg2+含量影響

CT：對(duì)照,Control;W：增溫,Warming;LN：低氮,Low nitrogen;HN：高氮,High nitrogen;WLN：低氮+增溫,Warming and low nitrogen;WHN：高氮+增溫,Warming and high nitrogen;N：施氮效,Nitrogen addition effect;W：增溫效應(yīng),Warming effect;WN：增溫和施氮交互效,Interaction effect of warming and nitrogen addition;ns：沒有顯著差,No significant differences;不同處理之間的差異性用*表示：*P<0.05; **P<0.01; ***P<0.001

表2 增溫和施氮對(duì)土壤溶液DOC,DON和DOC：DON影響

DOC：溶解性有機(jī)碳,dissolved organic carbon;DON：溶解性有機(jī)氮,dissolved organic nitrogen

2.5 土壤溶液酸中和能力

圖4中,施氮對(duì)土壤溶液ANC Forcing無顯著影響,僅在0—15cm土層低氮顯著促進(jìn)了ANC Forcing,而高氮處理下ANC Forcing出現(xiàn)負(fù)值。增溫及增溫+施氮各土層ANC Forcing均為負(fù)值,且在負(fù)方向有顯著增強(qiáng)。

圖4 增溫和施氮對(duì)土壤溶液酸中和能力的影響 Fig.4 The effects of warming and nitrogen addition on acid neutralising capacity forcing in soil solutions

3 討論

3.1 土壤溶液養(yǎng)分對(duì)增溫的響應(yīng)

礦質(zhì)元素對(duì)植物生長至關(guān)重要,植物生長過程中必須的礦質(zhì)元素含量變化能在一定程度上影響植物的生理和生長特性[39]。Sanchez等[40]研究顯示,長期的土壤溫度升高能加速土壤的風(fēng)化和分解速率,降低土壤有機(jī)質(zhì)的含量,這些改變將會(huì)使土壤轉(zhuǎn)向以鐵、鋁氫氧化物為主,鈣、鎂、銅等含量較低的高度風(fēng)化粘土,并且土壤維持養(yǎng)分的能力也隨之降低。增溫使土壤溶液中DOC濃度顯著降低,表層Na+、Mg2+含量顯著降低,但15—30cm中間層Fe3+、Al3+含量反而顯著降低(圖3)。安思危等[41]對(duì)常綠闊葉林的研究發(fā)現(xiàn),土壤層對(duì)各離子的截留能力和降雨量有很大的關(guān)系。本研究區(qū)位于亞熱帶地區(qū),降雨較為充沛,同時(shí)由于增溫土壤孔隙度增大,而Fe3+、Al3+易于淋溶下滲,遷移到更下層,同時(shí)表層Na+、Mg2+離子含量顯著降低(表1)。另一方面,增溫可能導(dǎo)致植被對(duì)礦質(zhì)元素的選擇性吸收,江肖潔等[11]研究表明增溫處理下不同種類的植被Al3+含量均有明顯升高,與本研究土壤溶液中Al3+含量整體呈下降趨勢相符。

3.2 土壤溶液養(yǎng)分對(duì)施氮的響應(yīng)

過量氮輸入,將導(dǎo)致土壤pH值下降,使土壤基礎(chǔ)陽離子加速從礦物中釋放進(jìn)入土壤溶液,增強(qiáng)Fe3+、Al3+等陽離子的流動(dòng)性[5,27]。安思危等[41]研究表明濕沉降導(dǎo)致土壤滲濾液 pH 值升高,伴隨著溶液中Ca2+、Mg2+等鹽基離子質(zhì)量濃度的顯著增加。本研究中短期施氮量尚未造成土壤酸化,pH值沒有顯著變化,同時(shí)施氮對(duì)各土層土壤溶液K+、Ca2+、Mg2+含量均無顯著影響(表2),D′Orangeville等[9]的研究數(shù)據(jù)也顯示3年施氮后樣地K+、Ca2+、Mg2+等離子通量無顯著變化。但本研究中高氮處理下15—30cm 土層Fe3+、Al3+等離子顯著降低,可能是ANC Forcing顯著降低有關(guān)。有研究表明酸中和能力ANC Forcing與pH 具有高度相關(guān)性,施用無機(jī)氮肥可顯著降低土壤ANC Forcing,其在指示土壤的酸堿程度上較pH 更為靈敏[19]。而本研究高氮處理下15—30cm Al3+濃度呈現(xiàn)顯著降低,表明施氮促進(jìn)了植物對(duì)Al3+的吸收,是長期氮沉降可能造成鋁毒害的一個(gè)微小的征兆。土壤溶液中的Al3+絕大部分來源于土壤固相Al3+的活化,活性Al3+離子被植被吸收后會(huì)對(duì)植被根系產(chǎn)生毒害作用[47],對(duì)植物的生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)作用[11,48- 49]。短期鋁毒害對(duì)植物體沒有明顯的影響,長期反應(yīng)可能對(duì)植物生長呈現(xiàn)抑制作用。

3.3 土壤溶液養(yǎng)分對(duì)增溫+施氮的響應(yīng)

氣候變遷是增溫和氮沉降等氣候條件相互影響的結(jié)果,研究增溫+施氮交互作用可對(duì)自然界氣候環(huán)境進(jìn)行有效模擬。增溫+施氮交互作用是增溫和施氮單因子雙重作用的結(jié)果,同時(shí)存在主次效應(yīng)之分[20,50]。前期研究結(jié)果表明增溫+施氮交互作用對(duì)土壤溶液DOC的影響主要以施氮為主[29]。本研究結(jié)果顯示在增溫+施氮交互作用對(duì)土壤溶液氮素及礦質(zhì)元素含量的影響中,增溫占據(jù)主導(dǎo)地位。增溫對(duì)土壤溶液氮素及礦質(zhì)元素遠(yuǎn)大于施氮,這與凋落物中的礦質(zhì)元素對(duì)增溫和施氮的響應(yīng)較為接近。前期[20]研究已表明增溫可加速生態(tài)系統(tǒng)的元素循環(huán),顯著促進(jìn)凋落物礦質(zhì)元素釋放,而施氮?jiǎng)t無顯著影響。

4 結(jié)論

(3)增溫+施氮交互作用對(duì)土壤溶液各養(yǎng)分的影響受單因子的影響效應(yīng)不同。一方面,增溫和施氮可對(duì)土壤溶液養(yǎng)分動(dòng)態(tài)起平衡調(diào)節(jié)作用,如維持土壤溶液礦質(zhì)元素正常含量。另一方面,增溫+施氮交互作用下導(dǎo)致土壤硝化及礦化作用加劇,疊加效應(yīng)顯著。

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