模擬干濕交替對若爾蓋高寒濕地土壤呼吸及可溶性碳氮穩(wěn)定性的影響

樂 藝, 張曉雅, 高俊琴, 丁 艷, 李謙維

(北京林業(yè)大學(xué) 自然保護區(qū)學(xué)院, 北京 100083)

全球氣候變化如氣溫升高、極端干旱和強降雨事件頻發(fā)，已成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的研究熱點問題[1]。極端干旱和強降雨事件通過影響干旱期長短、降雨量和降雨強度等，引起區(qū)域降水格局發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤經(jīng)歷的干濕交替更頻繁和復(fù)雜[1-3]。干濕交替是土壤反復(fù)經(jīng)歷干旱和濕潤的一個自然過程[4]，能夠?qū)е峦寥浪职l(fā)生較大的波動、土壤漲縮及土壤團聚體變化，從而影響土壤微生物種類、數(shù)量及其活性，對土壤呼吸和有機質(zhì)礦化作用產(chǎn)生影響[5-6]。

土壤呼吸是土壤中的有機碳在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為無機碳的過程，是碳循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)[7-9]。一般來說，干濕交替能促進土壤呼吸[10-11]。干濕交替的干旱過程限制了土壤活性有機碳的擴散，影響了土壤微生物活性，從而對土壤碳的轉(zhuǎn)化和礦化產(chǎn)生不同程度的影響[12]。同時，干旱過程引起土壤中部分微生物死亡，增加了土壤可利用有機碳源[13]。重新濕潤后，土壤活性有機碳的擴散增強，微生物得以大量繁殖，且微生物的活性明顯增加，在一定程度上加快土壤有機碳的礦化[11,13-14]。研究表明，干濕交替的重新濕潤過程能引起土壤有機碳礦化速率短時激增的激發(fā)效應(yīng)，促進土壤呼吸和CO2的排放[4,15]，但多次干濕交替的激發(fā)效應(yīng)會逐漸減弱[16]。然而多次干濕交替的強度和頻率對土壤呼吸的影響是否一致，還缺少相應(yīng)研究，尤其是對高寒濕地土壤。

土壤可溶性有機碳是土壤活性碳庫的重要組成部分，在土壤中不穩(wěn)定且易被土壤微生物利用[2,17-18]。干濕交替通過破壞土壤團聚體結(jié)構(gòu)，使原本受保護的有機質(zhì)暴露，增強了土壤的礦化作用，增加了土壤可溶性有機碳含量[2,19]，改變了土壤中容易被植物吸收利用的養(yǎng)分，比如硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。已有研究表明，干濕交替頻率增加可降低土壤硝態(tài)氮含量，增加銨態(tài)氮含量[20]。但對多次干濕交替條件下土壤可溶性有機碳及無機氮的研究相對不足，尚沒有一致的結(jié)論，尤其是高寒濕地土壤。

本研究以若爾蓋高寒濕地土壤為研究對象，探究不同干濕交替強度和頻率對高寒濕地土壤呼吸、土壤可溶性碳和無機氮的影響，為深入理解氣候變化下高寒濕地土壤碳氮動態(tài)提供基礎(chǔ)，也為高寒濕地應(yīng)對氣候變化和制定溫室氣體排放清單提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究土壤來自若爾蓋高寒濕地。若爾蓋高寒濕地位于青藏高原東部，是我國重要的水源涵養(yǎng)地和碳儲藏區(qū)[21]，也是世界上最大的高原泥炭濕地。由于其位于高海拔地區(qū)，對氣候變化敏感，若爾蓋高寒濕地成為全球氣候變化的敏感區(qū)和預(yù)警區(qū)[21-22]。該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照強、溫差大，年平均氣溫0.6～1.2℃，年降水550～700 mm[2]。若爾蓋高寒濕地以低山、丘陵、河谷和階地地貌為主[23]，地表常年淹水、季節(jié)性淹水或臨時性淹水。植物群落以西藏蒿草(Kobresiatibetica)、木里苔草(Carexmuliensis)、毛苔草(Carexlasiocarpa)為優(yōu)勢種[2]。2016年9月，選擇若爾蓋典型高寒沼澤濕地，設(shè)置4個1 m×1 m的樣方，去除地表植被，采用多點混合法采集表層(0—20 cm)土壤2 kg，保持土壤原狀帶回實驗室。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)野外觀測的生長季降水量和降水頻率，設(shè)置兩個干濕交替強度即高強度(221 mm，約占全年降水量的40%，相當(dāng)于試驗期野外實際降水量)、低強度(155 mm，相當(dāng)于70 %野外實際降水量)，兩個頻率即高頻(8 d/次，野外降水頻率均值)、低頻(16 d/次，延長一倍野外降水頻率)，另設(shè)恒定水分組(CK)作為對照，共5種干濕交替處理，每種處理5個重復(fù)(圖1)。在250 ml培養(yǎng)瓶底部鋪5 mm石英砂，野外采集的土壤經(jīng)過挑根和過篩處理，平鋪2 cm在培養(yǎng)瓶內(nèi)。培養(yǎng)瓶底部放置裝有10 ml濃度為1 mol/L NaOH的小棕瓶，NaOH溶液用于吸收培養(yǎng)過程中土壤呼吸釋放的CO2，同時在培養(yǎng)瓶瓶口懸掛無水硅膠用于吸收培養(yǎng)過程中蒸發(fā)的水分，培養(yǎng)瓶密閉后置于人工氣候箱恒溫(15 ℃)無光條件下培養(yǎng)144 d，即高頻率和低頻率處理分別經(jīng)歷18，9個干濕交替周期。試驗開始前，在室內(nèi)常溫避光條件下進行預(yù)培養(yǎng)試驗以恢復(fù)微生物的活性。培養(yǎng)期間根據(jù)不同的干濕交替處理定期進行水分添加，每4 d更換一次干燥劑，同時稱量培養(yǎng)瓶的質(zhì)量，計算水分變化。培養(yǎng)期前64 d每8 d更換一次NaOH溶液，培養(yǎng)后期由于土壤呼吸速率減慢，每16 d更換一次，更換的堿液加入過量的BaCl2(1 mol/L)溶液后利用HCl (0.5 ml/L)進行酸堿滴定計算釋放的CO2的量。

1.3 指標(biāo)測定

利用NaOH溶液吸收土壤呼吸作用所釋放的CO2。每次更換的NaOH溶液加入過量的BaCl2(1 mol/L)溶液，自動滴定儀(ZDJ-5型自動滴定儀)用0.5 mol/l鹽酸溶液滴定剩余NaOH溶液的濃度[12,15]，自動滴定儀顯示滴定過程中所用鹽酸的體積，計算不同干濕交替處理條件下CO2的釋放總量，其計算公式如下[24]：

(1)

式中：m為釋放CO2的質(zhì)量；C1為堿液吸收CO2前的濃度；C2為堿液吸收CO2后的濃度；V為培養(yǎng)過程中堿液的體積；M為CO2的摩爾質(zhì)量。

圖1 土壤干濕交替變化處理

土壤可溶性有機碳測定采用如下方法[2]：稱取5 g新鮮土樣放入50 ml的離心管中，加入25 ml去離子水，將離心管置于振蕩機中在常溫條件下以120 r/min的速度振蕩1.5 h，再將離心管置于離心機以3 000 r/min的速度離心10 min，將土壤提取液經(jīng)過0.45 μm微孔濾膜過濾。利用multi N/C 3100 TOC分析儀(德國耶拿分析儀器股份公司，耶拿，德國)，測定土壤可溶性有機碳含量。

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測定采用如下方法[25]：稱取土壤5.00 g置于50 ml離心管中，加入0.05 ml/L K2SO4溶液25 ml，將離心管置于搖床中在常溫條件下以120 r/min的速度震蕩1.5 h，再將離心管置于離心機以3 000 r/min的速度離心10 min，將土壤提取液上經(jīng)過0.45 μm微孔濾膜過濾，利用連續(xù)流動分析儀(德國SEAL公司，諾德施泰特，德國)測定所得溶液即可得到銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。無機氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮二者之和。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

本研究中引入Orwin & Wardle穩(wěn)定系數(shù)，用以表征土壤各個指標(biāo)應(yīng)對干濕交替干擾的穩(wěn)定性，其計算公式如下[20]：

(2)

采用Excel 2013處理初始數(shù)據(jù)，利用SPSS統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行雙因素分析，并利用Sigmaplot 12.5繪圖軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕交替對土壤呼吸的影響

隨著培養(yǎng)時間延長，CO2累積排放量逐漸增加。培養(yǎng)前期，CO2排放量隨培養(yǎng)時間的增加而逐漸加快，但到培養(yǎng)中后期，CO2排放量隨時間增加逐漸減慢。在培養(yǎng)過程中，低強度干濕交替條件下高頻率較低頻率的CO2排放量少(圖2A，B)。

方差分析表明，干濕交替強度對CO2排放量影響顯著(p=0.028)，而干濕交替頻率以及頻率和強度的交互作用對CO2排放量沒有顯著影響(表1)。高強度干濕交替下土壤呼吸顯著高于低強度處理，其CO2釋放量分別為(8.06±0.29) g/kg和(7.12±0.25) g/kg。相同干濕交替強度條件下，低頻處理CO2釋放量高于高頻處理。高強度干濕交替處理下，低頻、高頻處理CO2釋放量分別為(8.17±0.15) g/kg，(7.93±0.58) g/kg。低強度干濕交替處理下，低頻、高頻處理CO2釋放量分別為(7.40±0.42) g/kg，(6.84±0.25) g/kg(圖3A)。

土壤水分是影響土壤呼吸作用的主要因素[16,27]。本研究中干濕交替強度顯著影響了CO2排放量，即低強度干濕交替抑制了土壤呼吸。研究表明土壤含水量變化于60%～70%左右適宜于微生物活動及土壤有機質(zhì)的礦化作用[28]。當(dāng)土壤處于較干燥的情況下，適當(dāng)增加土壤水分能夠提高土壤呼吸作用增加CO2釋放量，但是當(dāng)土壤中水分超過一定水平時，土壤的空隙被水分填充，土壤氧氣缺乏，好氧微生物活性降低，CO2的釋放受到抑制[23]。本研究中土壤水分含量范圍在51.0%～72.5%，該土壤含水量比較適合于土壤微生物活動，尤其是高強度干濕交替，從而導(dǎo)致了高強度干濕交替下土壤呼吸最強烈。在本研究中，不同干濕交替處理下土壤呼吸釋放的CO2量介于6～9 g/kg，這一范圍與以往研究的CO2釋放量范圍一致[11-12,15]。

圖2 干濕交替對若爾蓋高寒濕地土壤呼吸的影響

表1 干濕交替對若爾蓋高寒濕地土壤呼吸及

研究表明，相對于淹水或土壤水分飽和條件，干濕交替能促進土壤呼吸，其影響機制主要是干濕交替對微生物活性的激活效應(yīng)及土壤物理結(jié)構(gòu)的裂變作用[5]。干旱條件下，土壤中的有機碳擴散受到抑制，難以被微生物所利用，降低土壤呼吸作用，甚至?xí)?dǎo)致微生物的死亡，在一定程度上增加土壤中可利用有機碳[15-16]。濕潤之后土壤團聚體膨脹裂解，使原本受團聚體保護的穩(wěn)定的有機質(zhì)暴露，為微生物的正常代謝和生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)[5,13,16]，且重新濕潤后，微生物的活性和新陳代謝能力增強，微生物對有機物質(zhì)的利用提高[5,13]。隨著干濕交替強度的增加，土壤激發(fā)作用隨之增強，這是因為小強度的降水只能濕潤表層土壤，且水分蒸發(fā)迅速，無法到達下層土壤對微生物產(chǎn)生激活作用[29]。隨著干濕交替次數(shù)的增加，干濕交替對土壤呼吸作用的激發(fā)效應(yīng)逐漸減弱，主要表現(xiàn)為激發(fā)效應(yīng)響應(yīng)時間延長、激發(fā)效應(yīng)持續(xù)時間縮短及激發(fā)量的減少[16]。這與本研究中在培養(yǎng)后期CO2的釋放量逐漸減少的結(jié)果一致。其可能原因是隨著干濕交替過程的不斷進行，沒有外源有機碳的輸入，土壤團聚體的穩(wěn)定性得以提高，所釋放的有機物質(zhì)減少[30]，土壤中可供微生物利用的有機物質(zhì)的可得到性降低，導(dǎo)致土壤呼吸作用受到抑制，所釋放的CO2量也相應(yīng)減少[5,12,16]。本研究中干濕交替頻率對土壤呼吸沒有顯著影響，可能是由于干濕交替高低頻率下土壤含水量波動變化差異不是很大，土壤微生物群落和活性變化不大，從而導(dǎo)致土壤呼吸沒有顯著差異。

2.2 干濕交替對土壤可溶性有機碳和無機氮的影響

干濕交替強度顯著影響土壤可溶性有機碳(DOC)含量(p=0.041)和DOC/無機氮(p=0.003)(表1)。低強度干濕交替處理下DOC含量和DOC/無機氮的比值顯著高于高強度處理(圖3B，D)。干濕交替強度和頻率對土壤無機氮沒有顯著影響。銨態(tài)氮含量受干濕交替頻率及交互作用的影響顯著，硝態(tài)氮受干濕交替強度及交互作用的影響顯著(表1)。在高強度干濕交替下，增加頻率顯著增加了銨態(tài)氮含量，降低了硝態(tài)氮含量；在低強度干濕交替下，頻率變化對土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均沒有顯著影響(圖3E，F(xiàn))。

土壤DOC是土壤中容易被微生物所利用的碳源。干濕交替過程中土壤呼吸作用大量消耗土壤中的可利用性碳，進而對土壤可溶性有機碳含量產(chǎn)生影響。本研究中干濕交替強度增加顯著增加了土壤呼吸，高強度干濕交替處理下土壤可溶性有機碳的含量顯著低于低強度處理，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[4]。本研究中干濕交替對無機氮含量沒有顯著影響，但對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮有影響，在高強度干濕交替條件下，干濕交替頻率的增加降低了硝態(tài)氮含量，增加了銨態(tài)氮含量，這與前人的研究結(jié)果較為一致[10,25,31]在高強度干濕交替條件下，高頻率的干濕交替下土壤保持較高的含水量，有利于反硝化作用的進行，而硝化作用受到抑制[32]，因此降低了硝態(tài)氮含量，增加了銨態(tài)氮含量。

注：不同大小寫字母代表同一干濕交替頻率下不同強度之間差異顯著；*代表同一干濕交替強度下不同頻率之間差異顯著(p<0.05)。

2.3 土壤呼吸和土壤碳氮穩(wěn)定性

干濕交替強度顯著影響DOC/無機氮穩(wěn)定性，干濕交替頻率、強度與頻率的交互作用顯著影響土壤銨態(tài)氮穩(wěn)定性，硝態(tài)氮穩(wěn)定性受干濕交替強度和頻率交互作用的影響顯著。干濕交替強度和頻率對土壤呼吸穩(wěn)定性、DOC和無機氮穩(wěn)定性均沒有顯著影響(表2)。

高強度干濕交替處理顯著增加了DOC/無機氮的穩(wěn)定性(圖4D)。在高強度干濕交替下，增加頻率有利于維持土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的穩(wěn)定性(圖4E，F(xiàn))。

表2 干濕交替對土壤穩(wěn)定性的影響

土壤穩(wěn)定性是土壤健康的指標(biāo)之一，是土壤抵抗人為干擾和自然環(huán)境變化的能力[33-34]。本研究中選取了土壤呼吸釋放CO2總量、DOC，DOC/無機氮、無機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等指標(biāo)反映若爾蓋濕地土壤對于干濕交替干擾的抵抗性。本研究中干濕交替強度、頻率及交互作用對土壤呼吸穩(wěn)定性均無顯著影響，主要由于本研究中土壤水分的波動變化不是很劇烈(圖1)，高頻率下土壤含水量變化于55.6%～64.0%(高強度)和51.0%～56.9%(低強度)，低頻率下土壤含水量變化于57.9%～72.5%(高強度)和51.6%～61.9%(低強度)，該土壤含水量范圍都比較適合于土壤微生物活動，即較小的干濕交替變化對土壤微生物進行碳氮礦化作用的影響不大，導(dǎo)致土壤呼吸穩(wěn)定性沒有差異。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮穩(wěn)定性對干濕交替的響應(yīng)趨勢較為一致。研究表明，相對于硝態(tài)氮，微生物會優(yōu)先選擇銨態(tài)氮作為氮源，其原因可能是利用銨態(tài)氮所消耗的能量較少[35]。在高強度干濕交替下，低頻率促進微生物消耗更多的銨態(tài)氮，導(dǎo)致土壤中的銨態(tài)氮顯著減少，降低了其穩(wěn)定性。

注：不同大小寫字母代表同一干濕交替頻率下不同強度之間差異顯著；*代表同一干濕交替強度下不同頻率之間差異顯著(p<0.05)。

3 結(jié) 論

干濕交替強度和頻率對若爾蓋高寒濕地土壤呼吸及其穩(wěn)定性影響不同。干濕交替強度顯著影響若爾蓋高寒濕地土壤呼吸、DOC及DOC/無機氮的比值，低強度干濕交替顯著降低了CO2排放，同時有利于增加可溶性有機碳的含量和提高DOC/無機氮的比值。土壤銨態(tài)氮及穩(wěn)定性受干濕交替頻率及交互作用的顯著影響，硝態(tài)氮受干濕交替強度及交互作用的顯著影響。土壤呼吸、DOC和無機氮穩(wěn)定性均不受干濕交替強度、頻率及交互作用的顯著影響。因此，降水模式改變，尤其是降水量的變化，影響土壤干濕交替強度，將對若爾蓋高寒濕地土壤呼吸和DOC、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量產(chǎn)生影響，進而影響高寒濕地土壤活性碳氮的穩(wěn)定性。未來可進一步加強氣候變化下高寒濕地碳氮循環(huán)過程研究，為深入理解高寒濕地應(yīng)對全球氣候變化提供基礎(chǔ)。