降水變化對(duì)科爾沁沙地樟子松人工林土壤氮礦化和淋溶的影響

葛志強(qiáng),趙姍宇,林貴剛,孫學(xué)凱,胡亞林,,*

1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福州 350002 2 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所大青溝沙地實(shí)驗(yàn)站,沈陽(yáng) 110016 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

隨著全球氣溫升高,導(dǎo)致全球降水格局發(fā)生顯著變化,極端干旱事件發(fā)生頻率日益增多[1-2]。例如,研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方半干旱地區(qū)降水呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì),且長(zhǎng)時(shí)間干旱的頻率呈增加趨勢(shì)[3-4]。降雨量或降雨頻率的降低,將直接引起土壤干旱加劇,影響植物和微生物群落結(jié)構(gòu)和功能[5],進(jìn)而改變陸地生態(tài)系統(tǒng)水、碳、氮循環(huán)過(guò)程[6]。因此,研究降水變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程的影響及對(duì)全球氣候變化的反饋具有重要意義。

降水變化能夠顯著改變陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過(guò)程,一方面降水變化能夠直接影響土壤水分、侵蝕和淋溶,另一方面降水能夠影響植物、微生物的氮吸收和轉(zhuǎn)化,進(jìn)而直接或間接地改變土壤氮循環(huán)過(guò)程[13]。Homyak[14]報(bào)道了在相對(duì)干旱地區(qū)由于降水減少限制植物根系對(duì)土壤氮的吸收,進(jìn)而增加土壤無(wú)機(jī)氮含量。然而,在相對(duì)濕潤(rùn)地區(qū),降水增加會(huì)導(dǎo)致土壤氮淋溶流失增加[13, 15]。同時(shí),降水變化對(duì)土壤氮礦化速率的影響亦存在不確定性,隨著土壤水分增加,土壤氮礦化速率呈增加[16]、降低[17]或無(wú)顯著差異[15]。

科爾沁沙地位于我國(guó)半干旱亞濕潤(rùn)地區(qū),是我國(guó)三北防護(hù)林建設(shè)的重要區(qū)域,長(zhǎng)期以來(lái)已營(yíng)造大面積沙地樟子松人工林。然而,自20世紀(jì)90年代開(kāi)始,早期引種的樟子松人工林出現(xiàn)生產(chǎn)力降低等衰退現(xiàn)象[18]。在干旱/半干旱地區(qū),土壤水分是調(diào)控植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。近年來(lái),有研究表明在干旱/半干旱地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力可能受土壤水和氮的共同限制,而并非單一水分因子限制[19-20]?；谧匀唤邓荻然蚰觌H降水變化,有研究開(kāi)展了降水變化對(duì)沙地樟子松人工林生長(zhǎng)[21]、葉片水分利用效率[22]和N、P養(yǎng)分含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征[23]的影響。然而,針對(duì)降水減少是否降低土壤氮養(yǎng)分有效性,進(jìn)而導(dǎo)致沙地樟子松人工林生產(chǎn)力衰退的問(wèn)題依然不清楚。因此,開(kāi)展降水減少對(duì)土壤氮有效性的影響研究十分必要,有助于更好辨識(shí)干旱/半干旱地區(qū)森林生產(chǎn)力衰退的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)理[13]。本研究采用野外模擬降水減少控制試驗(yàn),研究干旱加劇對(duì)沙地樟子松人工林土壤無(wú)機(jī)氮含量以及土壤氮礦化速率和氮淋溶過(guò)程的影響,以期揭示沙地樟子松人工林土壤氮養(yǎng)分有效性對(duì)干旱加劇的響應(yīng)機(jī)制。

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于科爾沁沙地東南緣中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所大青溝沙地生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(42°58′N,122°21′E,海拔260 m),該地區(qū)屬于半干旱亞濕潤(rùn)型氣候,年降水量450 mm左右,降雨主要集中在7—8月份,年均蒸發(fā)量1780 mm,年均氣溫6.4℃,最高月平均氣溫23.8℃,最低月平均氣溫-12.5℃,年均總輻射5035 MJ/m2,10℃以上積溫2890℃,無(wú)霜期150 d(1960—2016年氣象站數(shù)據(jù)均值)。土壤類型為風(fēng)沙土,沙粒含量91%,粉粒含量5%,粘粒含量4%,土壤容重約1.4 g/cm3,土壤有機(jī)碳含量4.04 g/kg,土壤全N含量0.22 g/kg,土壤全磷含量74 mg/kg。林下植被主要為狗尾草(Setariaviridis)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、蘆葦(Phragmitescommunis)、興安胡枝子(Lespedezadavurica)和細(xì)葉胡枝子(Lespedezahedysaroides)等。

1.2 模擬干旱梯度試驗(yàn)

2017年4月份,選擇1塊15年生沙地樟子松人工林,林分密度1333株/hm2,平均樹(shù)高7.8 m,平均胸徑12.79 cm,本研究共設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)處理：自然降雨(CK)、減少30%降水(D30)和減少50%降水(D50),每個(gè)處理設(shè)置3塊重復(fù)樣方,隨機(jī)分布于9塊15 m × 15 m的樣方。在林冠下布設(shè)V字型透明PVC板截留降水,通過(guò)PVC板面積進(jìn)行減少降水30%和50%試驗(yàn)處理。為避免PVC截水板對(duì)林下光照、氣溫等微氣候的影響,在CK處理布設(shè)呈倒V型透明PVC板。同時(shí),在研究樣地附近安裝1套全自動(dòng)雨量記錄儀,測(cè)定樣地降水量和氣溫(圖1)。

圖1 2017年研究樣地降水量和氣溫月動(dòng)態(tài)特征

1.3 樣品采樣與分析

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

首先,采用一般線性模型(GLM)分析降水處理、土層和采樣時(shí)間對(duì)各指標(biāo)的效應(yīng)及其交互性作用,并用Tukey HSD進(jìn)行降水處理均值的多重比較,統(tǒng)計(jì)顯著水平為P<0.05。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與繪圖分別采用R 3.5.1和SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水變化對(duì)土壤含水量的影響

降水變化、土層和采樣時(shí)間均能夠顯著影響土壤含水量,且存在顯著的土層×?xí)r間的交互性效應(yīng)(表1)。在不同月份,土壤含水量與降水量變化趨勢(shì)基本一致,土壤含水量隨著降水量增加而增加(圖2)。與CK處理相比,D30和D50處理土壤含水量分別降低14.6%和31.8%,其中CK與D50處理差異達(dá)顯著性水平(P=0.005)。此外,沙地樟子松人工林10—20 cm土層含水量顯著高于0—10 cm土層(P=0.01)。

圖2 降水變化對(duì)0—10 cm和10—20 cm土層土壤含水量的影響

表1 不同處理因子(降水變化、土層和采樣時(shí)間)對(duì)樟子松人工林土壤含水量和土壤無(wú)機(jī)N含量及形態(tài)影響的方差分析

2.2 降水對(duì)土壤無(wú)機(jī)N含量及形態(tài)的影響

圖3 降水變化對(duì)土壤和SIN含量及比例的影響

2.3 降水變化對(duì)土壤凈氨化、凈硝化和凈氮礦化速率的影響

除9—10月份D50處理土壤凈氨化速率顯著低于CK(P=0.01),不同降水處理土壤凈氨化速率差異不顯著(圖4)。然而,土壤凈硝化速率和凈氮礦化在不同降水處理間差異顯著(圖4)。在6—7月份,D30(P=0.02)和D50(P=0.003)處理土壤凈硝化速率顯著低于CK處理；然而,7—8月份,減少降水處理增加土壤凈硝化速率,其中D50處理土壤凈硝化速率顯著高于CK(P=0.04)。同樣,在6—7月和7—8月份,不同降水處理土壤凈氮礦化速率差異顯著。降水處理和時(shí)間對(duì)土壤凈氨化、凈硝化和凈氮礦化速率均存在顯著交互性作用。

圖4 降水變化對(duì)土壤凈氨化速率、凈硝化速率和凈氮礦化速率的影響

土壤凈氨化、凈硝化和凈氮礦化速率具有一致的月動(dòng)態(tài)特征。土壤凈氨化速率在7—8月份顯著低于其他月份,表現(xiàn)為銨態(tài)氮固持。然而,在6—7月份土壤凈硝化、凈氮礦化速率達(dá)到最大值,且顯著高于其他月份。此外,在8—9月份土壤凈氮礦化速率顯著高于7—8月份(P<0.001)和9—10月份(P<0.001)土壤凈氮礦化速率。

2.4 降水對(duì)土壤和淋溶量的影響

圖5 降水變化對(duì)土壤和淋溶量的影響

3 討論

4 結(jié)論