植被恢復十年喀斯特坡地細根對土壤碳氮存留與可利用性的影響

賀同鑫,胡寶清,張建兵,張詩萌,龐 榆,裴廣廷,胡 剛,張 偉,孫建飛,*

1 南寧師范大學北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室,地表過程與智能模擬重點實驗室, 南寧 530001

2 中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站, 環(huán)江 547100

3 沈陽工學院生命工程學院, 沈陽 113122

石漠化恢復是我國西南喀斯特地區(qū)亟需解決的重要生態(tài)問題,近30年來“退耕還林還草”、“坡耕地整治”、“異地扶貧搬遷”等生態(tài)工程相繼實施,石漠化恢復已初見成效[1-6]。但如何對恢復生態(tài)系統(tǒng)進行提質(zhì)改造,提升區(qū)域生態(tài)恢復的可持續(xù)性成為當前首要解決的重要問題[6]。石漠化宏觀上表現(xiàn)為植被退化,但本質(zhì)上是由土壤養(yǎng)分流失和營養(yǎng)元素生物地球化學過程的改變或中斷造成的[7]。因此,土壤生態(tài)功能的提升可能有助于這種積極效應的持續(xù)[6,8]。

土壤有機碳能夠穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),提高土壤緩沖性能和抗干擾能力,調(diào)控土壤生物多樣性和養(yǎng)分有效性,對土壤生態(tài)功能的恢復和提升發(fā)揮著重要作用[9-11]。氮素作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主要限制營養(yǎng)元素,其可利用性對提高植物生產(chǎn)力,推進群落演替,強化生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等產(chǎn)生重要影響[12-14]。然而,石漠化過程中40%—73%和30%—69%的土壤有機碳和氮發(fā)生流失[15-18]。因此,石漠化植被恢復過程中如何有效的提高土壤碳氮存留與可利用性將影響土壤生態(tài)功能的恢復和區(qū)域生態(tài)恢復的可持續(xù)性[8,19-21]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

植被恢復長期定位控制試驗布設在廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治縣中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站木連綜合試驗示范區(qū)(108°18′E,24°43′N)。研究區(qū)屬于典型的中亞熱帶季風氣候,年均降雨量約1389 mm,干濕季節(jié)明顯(雨季：4—9月；旱季：10月—次年3月),70%以上集中在雨季；年均氣溫19.9℃,極端低溫-5.2℃,極端高溫38.7℃。1985年之前研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷著頻繁的火燒和放牧,1985年研究區(qū)所有居民外遷,退化系統(tǒng)得以逐漸恢復,恢復群落以荒草地和稀疏灌叢為主[26]。2004年12月選擇坡面土壤和植被較為均一的東南向山坡,按照表1的處理方式建立火燒草叢、刈割草叢、刈割除根草叢、封育林、枇杷、光皮樹、任豆、青岡櫟8種植被恢復模式。該樣地基巖裸露率<10%,碎石覆蓋率為30%—60%,表土碎石體積含量為10%—30%。土壤是白云巖發(fā)育而成的堿性石灰土,沿坡向下,土層平均厚度由10—30 cm增加到50—80 cm[26]。植被恢復十年土壤和植物基本理化性質(zhì)詳見表2。

表1 植被恢復區(qū)概況Table 1 Basic condition of vegetation restoration plot

表2 植被恢復十年土壤和植物基本理化性質(zhì)Table 2 The basic physicochemical properties of soil and plant after ten years vegetation restoration

1.2 研究方法1.2.1 樣品采集

2017年6月每個植被恢復模式分別建立6個5 m × 10 m的樣方。每個樣方內(nèi)“S”型5點取樣,采集0—10 cm表層土壤,混合作為一個土壤樣本；根鉆(直徑7 cm)隨機采集3個植物根系樣品,混合作為一個根系樣本；環(huán)刀(100 cm3)隨機采集3個土壤容重樣品。同時,每個樣方內(nèi)隨機選取3—4棵樹,在每棵樹4個方向上隨機采集植物葉片,混合作為一個植物樣本；草地樣方內(nèi)隨機選擇3個點,取地上植物混合作為一個植物樣本。

1.2.2樣品分析

土鉆所取土壤樣品過2 mm篩,挑出植物根系和石礫,土壤分成兩部分,一部分測定土壤含水量、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機碳(DOC)和氮(DON)、微生物碳、氮等；另一部分風干,測定土壤有機碳、氮含量及其同位素豐度、pH、土壤質(zhì)地和交換性鈣離子含量等。

稱取20 g新鮮土樣,加入100 mL 2 mol/L的KCl,25℃、250 rpm振蕩 1 h,過濾,取上清液10 mL,流動分析儀測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮(Bran-Luebbe Inc.,Germany)。分別稱取20 g新鮮土樣進行氯仿熏蒸和未熏蒸處理后,加入 100 mL 0.5 mol/L的K2SO4溶液,25℃、250 rpm振蕩 1 h,過濾,取上清液用TOC分析儀(multi N/C 2100,Germany)測定微生物碳、氮。

土壤有機碳含量和13C同位素豐度的測定需要對土壤預先進行酸洗處理,除掉土壤中的無機碳,具體操作過程為：稱取風干磨碎土壤15 g于50 mL燒杯,加入30 mL 0.5 mol/L鹽酸,白天每隔2 h 攪拌2 min,靜止過夜；第二天測定土壤pH的變化,然后加入15 mL 0.5 mol/L鹽酸,攪拌觀察是否有氣泡,如果無氣泡,去離子水清洗2—3遍,直至溶液呈中性,土壤樣品60℃烘干,磨碎,備用；如有氣泡重復以上步驟直至無氣泡出現(xiàn)。至酸洗實驗結(jié)束,依據(jù)土壤無機碳含量的不同,酸洗用量為65—195 mL。分別稱取20 mg的未酸洗和酸洗土壤采用元素分析儀(Isoprime vario ISOTOPE cube,Elementar, Germany)—同位素質(zhì)譜儀聯(lián)用(Isoprime 100,UK)測定土壤有機碳和總氮含量及其同位素豐度。

稱取5 g風干土放入慢速濾紙中,用200 mL 1 mol/L的乙酸銨溶液沖洗,最后定容至250 mL,原子吸收分光光度計測定交換性鈣離子。

環(huán)刀所取土壤將大的根系、石礫等去除,60℃烘干,稱重,測定土壤容重；根系樣品用清水清洗干凈,將活的≤2 mm細根挑出,60℃烘干,稱量,計算植物細根生物量；烘干法測定土壤含水量；沉降法測定土壤顆粒組成。

植物葉片用去離子水清洗,105℃殺青20分鐘,65℃烘干,粉碎,稱取4 mg,元素分析儀(Isoprime vario ISOTOPE cube,Elementar,Germany)—同位素質(zhì)譜儀聯(lián)用(Isoprime 100,UK)測定植物碳氮濃度及其同位素豐度。

5日上午，惠州海事局4名船舶安檢官（FSCO）組成安全檢查組，依據(jù)《2009年海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設備規(guī)則》《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》及SOLAS 公約等有關(guān)規(guī)定，對“海洋石油982”進行船旗國檢查。安檢組登上平臺后對船舶證書、駕駛臺資源、船體情況、船舶配員、救生消防應急設施、防火布置等方面實施了認真細致的檢查。現(xiàn)場檢查結(jié)束后，安檢組針對發(fā)現(xiàn)的缺陷，進行了仔細梳理，并提出了具體的整改要求。同時，重點針對消防設備、救生設備、應急設施等，向平臺工作人員宣貫了法規(guī)標準和有關(guān)要求。

1.2.3數(shù)據(jù)處理與分析

微生物量碳、氮計算參照公式(1)：

MC/N= (Cf-Ce)/B

(1)

式中,M(C/N)表示微生物生物量碳或氮含量(mg/kg)；Cf表示熏蒸后DOC或DON含量(mg/kg)；Ce表示未熏蒸DOC或DON含量(mg/kg)；B為浸提系數(shù),微生物碳為0.45[27],微生物氮為0.54[28]。

重植植物碳輸入比例根據(jù)Bernoux等[29]公式(2)估算：

Pr=(δt-δref)/(δvegB-δvegA)

(2)

式中,Pr表示重植植被碳輸入比例(%)；δt表示恢復t時間后土壤有機碳δ13C；δref表示植被恢復前土壤有機碳δ13C,本研究以封育林土壤平均δ13C作為δref；δvegB表示重植植物δ13C；δvegA表示封育林植物平均δ13C。

單因素方差分析(LSD多重比較)檢驗不同植被恢復模式土壤和植物基本理化性質(zhì)差異?；貧w分析細根生物量與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性。利用SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,鑒于喀斯特生境異質(zhì)性高,設定P≤0.05存在顯著性差異,P≤0.1存在差異趨勢。Origin 8.5繪制相關(guān)數(shù)據(jù)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 細根生物量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

細根生物量與土壤有機碳、總氮存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖1)。細根生物量與微生物碳和氮存在顯著正相關(guān)的趨勢,與可溶性有機碳和氮、銨態(tài)氮和無機氮存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2)。細根生物量與砂粒含量、>2—8 mm大團聚體含量、土壤含水量和交換性鈣離子含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3)。

圖1 不同植被恢復模式細根生物量與土壤有機碳和總氮相關(guān)性Fig.1 Correlations between fine root biomass and soil organic carbon and total nitrogen content under different vegetation restoration strategies SR：封育林 Spontaneous regeneration；CWW：光皮樹 Cornus wilsoniana wanger；CG：青岡櫟 Cyclobalanopsis glauca；EJ：枇杷 Eriobotrya japonica；ZS：任豆 Zenia insignis；PB：火燒草叢 Prescribed burning；VR：刈割草叢 Aboveground vegetation removal；CVR：刈割除根草叢 Complete vegetation removal

圖2 不同植被恢復模式細根生物量與土壤微生物量碳、氮和可溶性有機碳、可溶性有機氮、銨態(tài)氮和無機氮相關(guān)性Fig.2 Correlations between fine root biomass and soil microbial carbon and nitrogen, dissolved organic C and N, and soil inorganic nitrogen under different vegetation restoration strategies微生物碳和氮是各植被恢復處理中坡、下坡均值所做相關(guān)性

圖3 不同植被恢復模式細根生物量與土壤砂粒含量、>2—8 mm大團聚體含量、土壤含水量和交換性鈣離子相關(guān)性Fig.3 Correlations between fine root biomass and sand content, >2—8 mm macro-aggregate content, soil water content and exchangeable Ca2+ under different vegetation restoration strategies 團聚體數(shù)據(jù)來自肖霜霜等[30],Xiao等[31]

2.2 土壤和植物碳、氮同位素豐度

不同植被恢復模式土壤有機碳δ13C無顯著差異,多重比較結(jié)果表明刈割除根處理土壤有機碳δ13C顯著高于封育林,其他處理之間均無顯著差異(表2)。不同植被恢復模式植物δ13C存在顯著差異,多重比較結(jié)果表明刈割除根處理δ13C >刈割草叢和火燒草叢>任豆和光皮樹>封育林>枇杷和青岡櫟(表2)。

植物δ13C與土壤有機碳δ13C,植物δ15N與土壤δ15N之間無顯著相關(guān)關(guān)系,而土壤有機碳δ13C與土壤δ15N之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4)。

圖4 不同植被恢復模式植物δ13C與土壤有機碳δ13C、植物δ15N與土壤δ15N、土壤有機碳δ13C與土壤δ15N相關(guān)性Fig.4 Correlations between plant δ13C and δ13C of SOC, plant δ15N and soil δ15N, δ13C of SOC and soil δ15N under different vegetation restoration strategies

根據(jù)Bernoux等[29]估算的封育林、光皮樹、青岡櫟、枇杷、任豆、火燒草地、刈割草地和刈割除根草地重植植被碳輸比例分別為3.34%、0.30%、0.30%、0.31%、0.16%、-0.02%、0.13%、0.08%,8種恢復模式間無顯著差異(圖5)。

圖5 重植植被碳輸入比例估算Fig.5 Estimate the proportion of C input derived from new vegetation

3 討論3.1 細根在土壤碳氮存留過程中可能的作用

植被恢復模式對土壤有機碳產(chǎn)生顯著的差異性影響(表2),這種差異與細根生物量變化有密切的關(guān)系(表2,圖1)。細根主要通過調(diào)控兩個過程影響土壤有機碳存留：其一,細根及其共生真菌和分泌物作為重要的植物源有機質(zhì),可增加土壤碳輸入[23,32- 33]；其二,細根及其共生真菌能夠膠結(jié)土壤有機質(zhì)形成穩(wěn)定的團聚體結(jié)構(gòu),對已存留的有機碳形成有效的保護[22,34-36]。

13C同位素特征值能夠有效的表征土壤有機碳的來源[29,37-38]。鑒于同種植物葉片與根系的δ13C之間差異很小(0.77‰ ± 1.1‰)[38-41],本研究基于葉片δ13C分析重植植物細根碳輸入對土壤有機碳的影響。土壤有機碳δ13C主要繼承于植物的13C同位素特征[38- 39],因而在地表植物物種組成穩(wěn)定的情況下土壤有機碳δ13C與植物δ13C存在顯著的線性關(guān)系[40,42]。然而,本研究區(qū)植物δ13C與土壤有機碳δ13C并無顯著的相關(guān)關(guān)系(圖4),而且盡管不同恢復模式植物葉片δ13C存在顯著差異,但土壤有機碳δ13C基本維持在-20‰(表2),表明本研究中土壤有機碳同位素特征更多的繼承于植被重植前的土壤原有機碳,而非現(xiàn)有植物的同位素特征。我們根據(jù)Bernoux等[29]估算植被恢復十年過程中重植植物碳輸入比例均值約為0.57%,而且恢復模式間無顯著差異(圖5)；鑒于細根僅為植物源有機質(zhì)輸入的一部分,其比例還要低,因此細根通過碳輸入過程對土壤有機碳存留的影響可能是較弱的。

退化生態(tài)系統(tǒng)恢復前期,重植植物碳輸入對土壤有機碳存留的影響是滯后的[43]；而停止干擾之后土壤結(jié)構(gòu)較快恢復,對土壤原有機碳形成有效的保護[35]?？λ固仄碌鼗謴蜕鷳B(tài)系統(tǒng)土壤砂粒是有機碳的主要賦存形式[31,44],細根可能通過膠結(jié)作用將與砂粒結(jié)合的易分解的顆粒有機碳穩(wěn)定于大團聚體中(圖3),增加對土壤原有機碳的保護和存留。張偉等[16]在同一研究地點分析了喀斯特坡地玉米和牧草墾殖對土壤有機質(zhì)的影響,其結(jié)果表明開墾兩年玉米地有機質(zhì)丟失率達42%,而牧草地僅為19%,這在一定程度上得益于牧草地較大的根系生物量對與砂粒結(jié)合的顆粒有機質(zhì)的保護?？λ固厣鷳B(tài)系統(tǒng)交換性鈣是穩(wěn)定土壤有機碳的主要控制因素[15,45]。細根生物量與土壤交換性鈣存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3),表明細根可以通過影響土壤交換性鈣對土壤有機碳存留產(chǎn)生影響。其潛在機理可能是細根分泌有機酸活化養(yǎng)分的過程中促進交換性鈣的釋放[24,46-48]；釋放的交換性鈣與有機質(zhì)形成膠結(jié)物質(zhì)和土壤顆粒復合形成較穩(wěn)定的團聚體[10,49],促進土壤有機碳存留。此外,細根對土壤結(jié)構(gòu)的改善有助于提高土壤含水量(圖3),在一定程度上可減少地表或地下水循環(huán)導致的碳流失[26]。

穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)中因繼承同一植物的15N和13C同位素特征,土壤與植物的δ15N、土壤的δ15N與δ13C之間存在顯著正相關(guān)線性關(guān)系[42]。本研究土壤的δ15N與δ13C存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,而植物與土壤的δ15N之間無相關(guān)性(圖4),表明在植被恢復過程中重植植物氮輸入對土壤總氮δ15N的影響較少,更多的是繼承于植被重植前土壤總氮的15N同位素特征。一般而言,植被恢復過程中土壤有機碳、氮的變化是耦合一致的[50],其存留機制是相似的[35]。因此,本研究中細根對土壤總氮存留的影響可能更多的也是基于對土壤原總氮的保護,而非細根氮輸入。

3.2 細根對土壤可利用性碳、氮的影響

細根生物量與土壤可溶性有機碳和氮、銨態(tài)氮和無機氮存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖2),表明喀斯特坡地植被恢復過程中細根對土壤可利用性碳、氮產(chǎn)生重要影響,而且這種影響可能與細根對微生物的影響是相關(guān)的(圖2)。細根通過影響其微域范圍內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)和生物量調(diào)控根際動態(tài)過程,在根本上決定著根際養(yǎng)分的有效性[25,46]。如Phillips等[25]在杜克森林的研究表明增加的細根生物量,促進根系分泌物的增多,激發(fā)根際微生物生物量的增加和酶活性的提高,促進土壤可利用性有機碳和無機氮的釋放。Phillips等[25]的研究進一步表明盡管細根生物量的增加,提高土壤可利用性碳、氮含量,但土壤有機碳、氮的存留并沒有發(fā)生顯著變化。這與本研究結(jié)果相吻合,因喀斯特恢復生態(tài)系統(tǒng)不同演替階段均受到氮磷等營養(yǎng)元素限制[8],重植植物細根有機質(zhì)輸入可能被微生物很快分解,供植物吸收利用,其存留的有機碳、氮含量相對于原土壤來說是很少的,因而不足以改變土壤原有機碳13C和15N同位素特征值。

3.3 不同植被恢復模式土壤碳氮存留效應評估

八種植被恢復模式間土壤有機碳存在顯著差異(P= 0.01),封育林和刈割草地>火燒和刈割除根草地>枇杷>任豆和光皮樹>青岡櫟,這與細根生物量的變化基本吻合(表2)。封育林和刈割草地較高的細根生物量可能通過改善土壤團聚體結(jié)構(gòu),增加對土壤原有機碳的保護,減少植被重植干擾導致的有機碳流失。八種植被恢復模式間土壤總氮無顯著差異(P=0.32),但與封育林相比,任豆、火燒草地和刈割草地總氮輕微增加,這可能與三種恢復模式樣地存在固氮植物有關(guān)(表1,2)；其他4種模式總氮濃度下降,這與其細根生物量變化相吻合(表2)。綜上,喀斯特植被恢復前期封育林和刈割草地模式對土壤碳氮具有較好的存留效應。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：喀斯特坡地植被恢復前期(1)細根通過穩(wěn)定土壤團聚體結(jié)構(gòu)對土壤原有機碳、氮形成有效保護和存留,而細根有機質(zhì)輸入的影響是較弱的；(2)細根可能通過影響微生物調(diào)控土壤碳氮可利用性；(3)封育林和刈割草地模式因高細根生物量和固氮植物對土壤碳氮具有較好的存留效應。

致謝：感謝中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所杜虎和劉坤平老師在樣地選擇和數(shù)據(jù)分析方面給予的幫助。