短期增溫對(duì)中亞熱帶杉木人工幼林土壤氮磷耦合作用的影響

趙盼盼,高金濤,鄭 蔚,貝昭賢,劉志江,熊德成,葉旺敏,曾曉敏,袁 萍,楊舟然,陳岳民,*,楊玉盛

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

全球氣候變化包括全球變暖,氮沉降加劇,CO2等溫室氣體濃度升高,降水動(dòng)蕩等多個(gè)方面,是當(dāng)前研究的重要課題[1]。以氣候變暖為主要特征之一的全球變化正影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,威脅著人類(lèi)的生存與健康,受到世界各國(guó)政府和科學(xué)家的普遍關(guān)注[2- 3]。IPCC(2013)根據(jù)氣候模型預(yù)測(cè)到21世紀(jì)末全球地表將平均增溫1.8—4.0℃[4]。溫度是影響氮磷礦化最重要的非生物因素之一,土壤溫度升高會(huì)影響有機(jī)物質(zhì)的分解,氮礦化,以及土壤養(yǎng)分的數(shù)量和遷移,從而影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能[5- 6]。

土壤養(yǎng)分是供給植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源元素[7]。N是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力最具限制性的營(yíng)養(yǎng)因子之一,在生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)中扮演著重要角色[8]；P是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成成分[9]。N和P是限制植物初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵元素,植物生長(zhǎng)需要大量的N和P[10]。在草原生態(tài)系統(tǒng),當(dāng)N含量比較充足的時(shí)候,P通常成為植物生長(zhǎng)的限制因素[11]。N、P的耦合作用,主要是指土壤中的N素和P素彼此之間相互作用,以至于相互促進(jìn)或相互制約的現(xiàn)象。N、P比值是N、P耦合作用的重要指標(biāo),其可以指示土壤養(yǎng)分的供需狀況。N、P比值的改變深刻影響土壤中養(yǎng)分的含量和植物生長(zhǎng),物種競(jìng)爭(zhēng),群落組成和生態(tài)系統(tǒng)功能等[12]。此外,有效N/P比值對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)限制比較敏感,并且和植物葉片的N/P比值密切相關(guān),因此有效N/P比值是評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)健康的重要參數(shù)[13]。

研究表明土壤溫度升高會(huì)影響土壤微生物活動(dòng),提高土壤酶活性和有效氮的含量,而土壤養(yǎng)分有效性的增加將會(huì)提高植物的初級(jí)生產(chǎn)力[14]。土壤中有效氮是限制高寒草地植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一[15]。許多研究結(jié)果表明,增溫會(huì)增加高寒草地土壤中有效氮,植物對(duì)土壤中可利用N的吸收也會(huì)增加[16- 17]。然而在內(nèi)蒙古溫帶草原地區(qū)增溫會(huì)降低全氮、全磷和有效氮；但也有研究發(fā)現(xiàn),增溫對(duì)土壤N、P的凈礦化速率和植物初級(jí)生產(chǎn)力沒(méi)有明顯影響[18- 19]。Zhang等[12]研究表明增溫對(duì)溫帶草原的N/P無(wú)顯著影響,對(duì)N、P耦合作用影響不明顯。還有研究表明,增溫和干旱使內(nèi)蒙古溫帶地區(qū)土壤生物地球化學(xué)解耦作用發(fā)生改變,植物生長(zhǎng)受到限制,P脫離C和N,不再依賴于C、N含量,全N/P和有效N/P比值降低[14]。當(dāng)前,關(guān)于全球變暖對(duì)土壤養(yǎng)分的影響大多集中在中高緯地區(qū)的草原、農(nóng)田、苔原和森林生態(tài)系統(tǒng)[20-21]。而關(guān)于亞熱帶地區(qū)森林土壤N、P之間的耦合作用對(duì)全球變暖的響應(yīng)狀況鮮見(jiàn)報(bào)道。因此,為了進(jìn)一步了解全球變暖背景下杉木人工幼林土壤養(yǎng)分響應(yīng)過(guò)程和反饋狀況,本文的具體探究目標(biāo)如下:(1) 短期增溫對(duì)亞熱帶杉木人工幼林土壤含水量和土壤溫度的影響；(2) 短期增溫對(duì)亞熱帶杉木人工幼林土壤N、P養(yǎng)分及其耦合作用的影響。

1 試驗(yàn)區(qū)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)位于中國(guó)福建省三明市,試驗(yàn)地位于福建師范大學(xué)大武夷常綠闊葉林野外定位站三明觀測(cè)點(diǎn),陳大實(shí)驗(yàn)站(26°19′N(xiāo),117°36′E),位于戴云山東南方向和武夷山西北方向。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫度19.1℃,相對(duì)濕度81%,年均降雨量1749mm(主要集中在3—8月份),年均蒸發(fā)量1585mm[22]。

本試驗(yàn)小區(qū)面積2m×2m,每個(gè)小區(qū)種植4棵杉木幼苗,小區(qū)四周用4塊PVC板(200cm×60cm)焊接而成。于2013年10月在增溫和不增溫小區(qū)均平行布設(shè)相同的加熱電纜,深度10cm,間距20cm。杉木幼苗處在兩條電纜線之間。電纜布設(shè)完成后5個(gè)月(2014年3月)開(kāi)始通電增溫,樣區(qū)詳細(xì)布設(shè)介紹具體參見(jiàn)Zhang等[23]。據(jù)聯(lián)IPCC(2013)第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告,到本世紀(jì)末,大氣溫度將升高0.3—4.8℃[4]。同時(shí)也參考了最早進(jìn)行土壤增溫試驗(yàn)的美國(guó)哈佛森林的增溫幅度設(shè)置,所以本研究將增溫幅度定為5℃[20]。其他增溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)及增溫幅度結(jié)果具體參見(jiàn)陳仕東等[24]。

本試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),以增溫為固定因子。設(shè)對(duì)照(CK)、增溫(W)兩種處理,每個(gè)處理5個(gè)重復(fù),共10個(gè)小區(qū)。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

2015年4月和2016年4月(增溫滿1年和兩年),在上述每個(gè)小區(qū)內(nèi)按照“S”型隨機(jī)設(shè)置5個(gè)取樣點(diǎn),增溫電纜布設(shè)在10cm,用土鉆分別取0—10cm的土壤,每個(gè)小區(qū)同一土層土壤混合均勻。將采集的土壤迅速帶回實(shí)驗(yàn)室,去除可見(jiàn)根系等動(dòng)植物殘?bào)w,用于含水率的測(cè)定,剩下的土壤過(guò)2mm篩后分為兩部分,一部分用于土壤C,N養(yǎng)分的測(cè)定；另一部分土壤室溫風(fēng)干研磨后過(guò)0.149mm篩用于測(cè)定土壤全N,P等基本理化指標(biāo)。

2.2 土壤溫濕度及土壤養(yǎng)分的測(cè)定方法

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Microsoft Excel 2013軟件處理后,采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析,由Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。計(jì)算CR3000觀測(cè)數(shù)據(jù)1天內(nèi)的平均值,用折線圖表示2014年和2015年(增溫1年和兩年)土壤含水量和土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化。用單因素方差分析檢驗(yàn)土壤含水量和土壤溫度在增溫和對(duì)照處理下有無(wú)顯著差異性(P<0.05)。用單因素和雙因素方差分析檢驗(yàn)2015年和2016年土壤養(yǎng)分及其比值有無(wú)顯著差異性(Duncan法,α=0.05)；計(jì)算在增溫和對(duì)照兩個(gè)處理下土壤溫度、土壤含水量與土壤養(yǎng)分其比值的pearson相關(guān)系數(shù)(P<0.05,P<0.01和P<0.001)。

3 結(jié)果與分析

3.1 增溫對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

增溫后,土壤中全C、全N、pH均有所下降,但并未達(dá)到顯著影響(表1)。增溫對(duì)全P和C/N也無(wú)影響。但增溫顯著降低了土壤含水量(P<0.05)。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

不同小寫(xiě)字母表示同一年份不同處理之間差異顯著(P<0.05)

3.2 增溫對(duì)土壤含水量、土壤溫度的影響

土壤含水量和土壤溫度呈現(xiàn)一個(gè)類(lèi)似季節(jié)性的變化規(guī)律,在6—8月達(dá)到頂峰。增溫顯著降低了土壤含水量(P<0.05)。和對(duì)照組相比增溫幅度基本維持在5℃左右。增溫處理后,2014年,土壤含水量由24.07%下降到19.60%,土壤溫度由23.31℃升高到28.51℃；2015年,土壤含水量由21.86%下降到17.27%,土壤溫度由22.49℃升高到26.69℃(圖1)。

圖1 增溫對(duì)土壤含水量和土壤溫度的影響Fig.1 Effects of warming on soil water content and soil temperatureCK：對(duì)照Control；W：增溫Warming;不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

3.3 增溫對(duì)土壤N、P及其比值的影響

3.3.1 增溫對(duì)土壤N和P的影響

整體而言,短期增溫對(duì)全N、全P無(wú)顯著影響。但對(duì)速效性養(yǎng)分和MBN,MBP有顯著影響。

圖2 增溫對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Fig.2 Effects of warming on soil nutrientsT：時(shí)間效應(yīng) Time effect；WT：增溫和時(shí)間交互作用Interaction effect of warming and time；不同小寫(xiě)字母表示同一年份不同處理之間差異顯著(P<0.05),不同大寫(xiě)字母表示不同年份同一處理之間差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)；*, ** 和 *** 分別代表P<0.05, P <0.01和P<0.001

圖3 增溫處理后土壤養(yǎng)分N/P和和MBN/MNP比的影響Fig.3 Effects of warming on soil N/P and MBN/MBP ratios

3.4 土壤溫度和含水量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

4 討論

4.1 增溫對(duì)土壤N、P的影響

表2 不同處理下土壤溫度和土壤含水量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

4.2 增溫對(duì)土壤N、P耦合作用的響應(yīng)

耦合作用不僅受N和P之間的相互作用的影響,也受到土壤溫度、水分含量、土壤pH等其他因素影響[12]。土壤含水量通過(guò)影響有機(jī)物分解速率和氧化還原電位從而影響土壤和土壤溶液中離子含量[38]。水和溫度是生物地球化學(xué)過(guò)程的重要因素,干燥和溫暖的氣候?qū)⒋蟠蟾淖兩锪康姆e累,以不同的方式分解和存儲(chǔ),可能破壞C、N和P的生物地球化學(xué)循環(huán),消極影響了這些生態(tài)系統(tǒng)提供的關(guān)鍵服務(wù)[14]。但是Zhang等人研究發(fā)現(xiàn)松嫩草原土壤溫度和土壤含水量與N、P元素呈顯著相關(guān)[12],其與本研究結(jié)論不一致的原因可能是氣候帶不同,植被類(lèi)型不同,增溫后微生物活性也有一定的差別。Jiao等[14]研究表明土壤pH主要受氣候的長(zhǎng)期影響,土壤的pH值對(duì)土壤N/P比值存在潛在影響。此外N/P比值也受研究地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和植被類(lèi)型的影響[15]。

5 結(jié)論

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