南亞熱帶馬尾松人工林土壤氮礦化對(duì)減雨的響應(yīng)

閔惠琳,陳 琳,*,劉世榮,曾 冀,李 華,鄭 路

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 憑祥 532600 2 廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站, 憑祥 532600 3 中國林業(yè)科學(xué)研究院, 北京 100091

氮素的有效性是限制森林生產(chǎn)力的主要因素之一。有機(jī)氮為土壤氮素的主要存在形式,有機(jī)氮通過微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)氮,進(jìn)而被植被吸收利用[1],因此土壤氮礦化是森林生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的一個(gè)重要過程[2]。在全球氣候變化下,全球和區(qū)域降水格局發(fā)生明顯改變,如中高緯度地區(qū)降雨量明顯增加,而亞熱帶和低緯度地區(qū)降雨量減少30%以上,同時(shí)降雨量和降雨強(qiáng)度的季節(jié)規(guī)律也發(fā)生變化[3]。全球降水格局的變化將通過影響土壤的理化性質(zhì)、微生物和酶活性等影響土壤氮礦化過程,從而影響森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性及生產(chǎn)力[4],因此研究土壤氮礦化對(duì)降雨變化的響應(yīng)機(jī)制具有重要意義。

土壤氮礦化速率對(duì)土壤氮素有效性起決定性作用,是反映陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長及其健康狀況的關(guān)鍵指標(biāo)[5]。土壤氮礦化速率受土壤微生物群落組成和活性、土壤溫濕度、土壤通透性、有機(jī)氮含量等多種因素的影響[6- 9]。降水通過改變土壤通氣條件和水分滲透性,對(duì)土壤酶活性、微生物以及凋落物分解產(chǎn)生影響,進(jìn)而對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化過程有重要的調(diào)控作用[10]。以往關(guān)于降水變化對(duì)森林土壤氮礦化的影響研究多是采用室內(nèi)培養(yǎng)比較不同土壤水分狀況對(duì)土壤氮礦化的影響,而野外降水模擬研究較缺乏,由于不同研究的降水處理、群落和土壤類型等不同,降水變化對(duì)土壤氮礦化作用的影響機(jī)制復(fù)雜且存在地區(qū)差異[11-16],因此有必要對(duì)不同氣候區(qū)和森林類型進(jìn)行深入研究。

馬尾松(PinusmassonianaLamb.)適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱與瘠薄,是我國覆蓋面積最大的針葉樹種[17],也是我國熱帶和亞熱帶地區(qū)重要的鄉(xiāng)土樹種。目前,馬尾松人工林土壤氮礦化的研究,一方面是關(guān)注其動(dòng)態(tài)變化特征[18- 19],二是控制實(shí)驗(yàn)條件對(duì)土壤氮礦化的影響,如凋落物的去除、添加和去除根系[18,20- 22],然而南亞熱帶馬尾松土壤氮礦化對(duì)降水變化的響應(yīng)機(jī)制尚不清楚。因此,本研究以南亞熱帶馬尾松人工林為對(duì)象,采用PVC頂蓋埋管法,開展模擬穿透雨減少50%控制實(shí)驗(yàn),探討馬尾松人工林土壤氮礦化對(duì)降雨減少的響應(yīng)規(guī)律及其影響因素,為預(yù)測(cè)土壤氮素礦化對(duì)降水變化的響應(yīng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于中國林業(yè)科學(xué)研究院廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(106°52′32″E,22°01′58″N),屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,干雨季節(jié)明顯,年降雨量1361 mm,主要集中于5—10月,試驗(yàn)區(qū)近50年來,年均降雨量總體上呈下降趨勢(shì)(圖1),年均溫20.5—21.7℃,極端高溫40.3℃,極端低溫-1.5℃,地貌以低山丘陵為主,海拔400—650 m,土壤主要是花崗巖風(fēng)化形成的紅壤,土壤厚度大于100 cm。試驗(yàn)林為1983年種植在杉木采伐跡地上的新造馬尾松林地,面積6.3 hm2,海拔550 m[23]。

馬尾松林分生長狀況見表1,林下主要物種有大葉櫟(QuercusgriffithiiHook. f. et Thoms ex Miq.)、杉木(Cunninghamialanceolate(Lamb.) Hook.)、火力楠(MicheliamacclureiDandy),柏拉木(BlastuscavalerieiLour.)、越南懸鉤子(RubuscochinchinensisTratt.)、酸藤子(Embelialaeta(L.) Mez)、烏毛蕨(BlechnumorientaleL.)、小花露籽草(Ottochloanodosavar. micrantha (Balansa) Keng f.)、金毛狗(Cibotiumbarometz(L.) J. Sm.)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus(Lab.) Warb. ex Schum. et Laut.)等。

表1 馬尾松人工林林分特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和取樣測(cè)定

2017年6月—2018年5月,在立地條件相對(duì)均一的條件下,于馬尾松人工林林冠下布設(shè)6個(gè)20 m × 20 m樣地,進(jìn)行減少50%穿透雨和不減雨(對(duì)照)模擬試驗(yàn)。根據(jù)該區(qū)域近50年來年均降雨量呈減少的變化趨勢(shì)(圖1)及全球干旱模擬控制實(shí)驗(yàn)大多數(shù)采用的50%截雨比例,本研究設(shè)置了減少50%穿透雨處理[24],減雨樣地具體布設(shè)參見陳琳等的方法[23]。

圖1 研究區(qū)域1970—2018年均降雨量變化Fig.1 The change of average annual rainfall during the year between 1970 and 2018 in the study area

采用PVC頂蓋埋管法原位測(cè)定土壤凈氮礦化速率[25],于2017年6月26日—2017年7月31日、2017年9月29日—2017年10月26日、2017年12月25日—2018年1月23日、2018年3月30日—2018年5月2日,分4個(gè)周期培養(yǎng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤凈氮礦化速率(NMR)為凈氨化速率(NAR)和凈硝化速率(NNR)之和[28],計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,采用Pearson分析土壤理化性質(zhì)、土壤微生物量和群落組成與土壤氮礦化速率之間的相關(guān)性。在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,選擇相關(guān)性顯著的指標(biāo),進(jìn)一步對(duì)土壤氮礦化速率與其他指標(biāo)進(jìn)行主成分回歸分析,揭示影響土壤礦化速率的關(guān)鍵因子。主成分回歸分析之前,先進(jìn)行KMO檢驗(yàn),當(dāng)滿足KMO>0.5,P<0.05條件時(shí)進(jìn)行主成分回歸,因此本文僅對(duì)土壤凈硝化速率與各指標(biāo)進(jìn)行主成分回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松人工林土壤理化性質(zhì)對(duì)減雨的響應(yīng)

由圖2所示,馬尾松人工林減雨處理與對(duì)照樣地的土壤含水量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度變化規(guī)律基本一致,均表現(xiàn)出雨季(2017年6月—10月)大于旱季(2018年1月—5月)。土壤銨態(tài)氮是馬尾松無機(jī)氮存在的主要形態(tài),銨態(tài)氮濃度為硝態(tài)氮濃度的2.5—8.2倍。與對(duì)照相比,減雨導(dǎo)致0—10 cm和10—20 cm土層含水量分別減少了19.8%和10.6%(P<0.05),而2018年3月30日10—20 cm土層硝態(tài)氮濃度顯著增加了29%(P<0.05)。但是,不同處理之間兩個(gè)土層的銨態(tài)氮濃度均差異不顯著(P>0.05)。

圖2 馬尾松人工林銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和土壤含水量對(duì)穿透雨減少的響應(yīng)Fig.2 Responses of concentration and soil water content to throughfall reduction in P. massoniana plantation

減雨處理對(duì)馬尾松人工林土壤理化性質(zhì)和土壤酶的影響程度因季節(jié)和土壤深度的不同而不同(表2),旱季,減雨導(dǎo)致0—10、10—20 cm土層可溶性有機(jī)碳均顯著降低(P<0.05),分別減少了59.94%和37.78%,而對(duì)土壤酶活性無顯著影響(P>0.05)。雨季,減雨導(dǎo)致10—20 cm土層pH、0—10 cm土層過氧化物酶和10—20 cm土層蛋白酶活性顯著降低(P<0.05),而0—10 cm蛋白酶和10—20 cm土層N-乙酰-葡萄糖苷酶活性顯著升高(P<0.05)。從土層深度來看,除了pH和可溶性有機(jī)氮隨著土層的加深而升高之外,其余指標(biāo)均隨著土層深度的加深而降低。從季節(jié)來看,pH和可溶性有機(jī)碳均為旱季>雨季(P<0.05),蛋白酶和過氧化物酶表現(xiàn)出旱季<雨季的規(guī)律(P<0.05)。

表2 馬尾松人工林土壤理化性質(zhì)對(duì)穿透雨減少的響應(yīng)

2.2 馬尾松人工林土壤微生物量和群落組成及其對(duì)減雨的響應(yīng)

從表3可以看出減雨處理、土層和季節(jié)對(duì)土壤微生物量有不同程度的影響。減雨導(dǎo)致雨季0—10 cm土層微生物量碳氮比顯著減少了45.85%(P<0.05)。在減雨處理下,雨季除真菌飽和脂肪酸之外,其余指標(biāo)均有不同程度的降低；旱季細(xì)菌飽和脂肪酸和叢枝菌根真菌飽和脂肪酸也隨著減雨處理而降低。減雨導(dǎo)致旱季10—20 cm土層叢枝菌根真菌飽和脂肪酸顯著減少了26.83%(P<0.05)。真菌飽和脂肪酸和叢枝菌根真菌飽和脂肪酸均隨著土層深度的加深而降低,細(xì)菌和真菌飽和脂肪酸比均隨著土層深度的加深而升高。

表3 馬尾松人工林土壤微生物量和群落組成對(duì)穿透雨減少的響應(yīng)

2.3 馬尾松人工林土壤氮礦化速率對(duì)減雨的響應(yīng)

馬尾松人工林的土壤氮礦化以土壤氨化作用為主(圖3)。減雨處理與對(duì)照兩個(gè)土層的土壤凈氮礦化速率均差異不顯著(P>0.05),而穿透雨減少導(dǎo)致2017年12月—2018年1月0—10 cm土層凈氨化速率顯著增加(P<0.05),使2018年3—5月0—10 cm 土層凈硝化速率顯著減少(P<0.05)。

圖3 馬尾松人工林土壤凈氨化、凈硝化和凈氮礦化速率對(duì)穿透雨減少響應(yīng)Fig.3 Responses of net ammonification rate (NAR), net nitrification rate (NNR) and net mineralization rate (NMR) to throughfallreduction 相同培養(yǎng)周期和土壤深度,不同小寫字母表示處理和對(duì)照之間差異顯著 (P<0.05)

2.4 土壤凈氮礦化速率與土壤理化性質(zhì)、土壤微生物量和群落飽和脂肪酸的關(guān)系

如表4所示,土壤凈氨化速率與N-乙酰-葡萄糖苷酶存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),土壤凈硝化速率與土壤含水量、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、N-乙酰-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、酚氧化酶、過氧化物酶、細(xì)菌、真菌飽和脂肪酸及細(xì)菌真菌飽和脂肪酸比均存在顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),土壤凈氮礦化速率與理化性質(zhì)、微生物量和群落飽和脂肪酸均無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

表4 馬尾松人工林土壤氮礦化與理化性質(zhì)、微生物量和群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系

為了進(jìn)一步比較各指標(biāo)對(duì)土壤凈氮轉(zhuǎn)化速率的影響程度,從表4中選擇具有顯著相關(guān)性的指標(biāo)進(jìn)行主成分回歸分析。與土壤凈硝化速率顯著相關(guān)的指標(biāo)均入選回歸方程,土壤凈硝化速率與各指標(biāo)的主成分回歸分析方程為：y=-0.015+0.005X1+ 0.006X2+ 0.001X3+ 0.005X4- 0.002X5+ 0.006X6- 0.006X7- 0.001X8+ 0.005X9+0.007X10(R2=0.653,P<0.01)。各變量對(duì)土壤凈硝化速率的影響程度排序依此為：X10>X2>X7>X6>X9>X1>X4>X5>X3>X8,說明土壤含水量的影響程度最大,β-葡萄糖苷酶、細(xì)菌真菌飽和脂肪酸比及真菌飽和脂肪酸的影響次之。

3 討論

3.1 減雨對(duì)土壤氮礦化速率和土壤理化性質(zhì)的影響

南亞熱帶馬尾松人工林土壤氮礦化過程以氨化過程為主,這與土壤酸堿性密切相關(guān)[29],馬尾松人工林土壤pH在4.02—4.88之間,為酸性土壤,不利于發(fā)生硝化過程,該結(jié)果與肖好燕[30]、葛曉敏[31]等在其他地區(qū)的研究結(jié)果一致。降水改變直接影響土壤的水分狀況和土壤物理生物化學(xué)過程,從而對(duì)土壤氮礦化過程產(chǎn)生影響[32,12]。本研究中,穿透雨減少導(dǎo)致2018年3月30日10—20 cm土層硝態(tài)氮濃度顯著增加了29%(P<0.05),倪夢(mèng)穎等[33]隔離50%降雨也得到硝態(tài)氮濃度在旱季突增,這可能與旱季偶發(fā)的強(qiáng)降雨有關(guān)。穿透雨減少對(duì)馬尾松人工林土壤銨態(tài)氮、總氮和土壤凈氮礦化速率的影響均不顯著,這可能是因?yàn)榇髿庵械乃魵膺M(jìn)入土壤中刺激耐旱微生物過程,使得土壤含水量的減少不足以影響土壤氮的供應(yīng)[34]。這在Homyak等[35]的研究中得到證實(shí),他發(fā)現(xiàn)降水減少并未導(dǎo)致土壤中礦質(zhì)氮減少,并且在土壤含水量較低時(shí),積極地微生物量氮處理過程仍在進(jìn)行?？傮w上,穿透雨減少對(duì)土壤pH值的影響并不大,僅導(dǎo)致雨季10—20 cm土層pH顯著降低(P<0.05),從4.21下降到4.13；而季節(jié)對(duì)土壤pH影響更為明顯,表現(xiàn)為旱季pH(4.75)顯著大于雨季(4.13),雨季pH較低可能與增溫等其他因素有關(guān),溫度升高后,土壤鹽溶液的濃度、CO2和交換性陽離子會(huì)發(fā)生改變,進(jìn)而影響土壤的pH[36-37]。

穿透雨減少導(dǎo)致馬尾松人工林土壤凈氨化速率在2017年12月—2018年1月出現(xiàn)短暫升高的現(xiàn)象,這可能是雨季累積的銨態(tài)氮再利用的結(jié)果,此現(xiàn)象通常出現(xiàn)在旱季的初期[38]。降水改變影響土壤濕度、土壤水分滲透性,影響硝化和反硝化細(xì)菌,進(jìn)而影響土壤凈硝化速率,同時(shí)受到季節(jié)性的影響[39]。旱季,穿透雨減少導(dǎo)致馬尾松人工林0—10 cm土層凈硝化速率顯著減少(P<0.05),這與Chen等[12]減少旱季降水得到的結(jié)論一致,但是與任艷林等[11]減雨30%得到土壤凈硝化速率增加的結(jié)論不一致,一方面,由于3—5月土壤含水量和土壤中銨態(tài)氮含量均處于較低水平(圖2),較低可礦化底物數(shù)量和氧氣濃度抑制了硝化作用[40]。另一方面,土壤水分減少導(dǎo)致硝化細(xì)菌活性受到抑制[41]。雨季,穿透雨減少對(duì)馬尾松人工林土壤凈氨化速率、凈硝化速率均無顯著影響,這可能是因?yàn)槲⑸镩L期處于南亞熱帶濕熱環(huán)境中,對(duì)溫度和水分的敏感性有所降低,也可能與馬尾松耐旱性強(qiáng)有關(guān)。Chen等[13]也研究發(fā)現(xiàn)穿透雨減少對(duì)紅椎人工林土壤凈硝化速率有顯著影響,但是因季節(jié)和土層的差異而不同。

3.2 減雨對(duì)土壤氮礦化速率和微生物量和群落組成的影響

土壤微生物是有機(jī)質(zhì)分解的主要貢獻(xiàn)者之一,對(duì)土壤氮礦化過程具有重要的調(diào)控作用,在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中扮演著重要的角色[42]。微生物對(duì)水分的變化很敏感,通常微生物活性隨著土壤干燥而降低[43]。Ren等[44]研究表明在年降水量大于600 mm的地區(qū),降水減少引起微生物生物量顯著降低。Homyak等[35]發(fā)現(xiàn)在熱帶當(dāng)降水減少很小一部分時(shí),微生物生物量增加,而當(dāng)降水減少接近100%時(shí),微生物生物量顯著減少。本研究中,減雨處理減少了土壤微生物生物量碳、氮的含量和碳氮比,這與向元彬等[32]研究華西雨屏區(qū)常綠闊葉林得到的結(jié)果一致,可能由于降水改變使得微生物的繁殖速度、活性及微生物對(duì)底物的利用等受到抑制,從而使得土壤微生物量碳、氮含量降低。已有研究表明降水量變化顯著影響土壤微生物群落組成[45-46],或者對(duì)其無影響[47-49],本研究中,穿透雨減少導(dǎo)致馬尾松人工林旱季10—20 cm土層叢枝菌根真菌飽和脂肪酸顯著減少26.83%(P<0.05),對(duì)細(xì)菌和真菌飽和脂肪酸無顯著影響,表明細(xì)菌和其他真菌與叢枝菌根真菌相比具有更強(qiáng)的細(xì)胞壁和潛在更先進(jìn)的滲透調(diào)節(jié)策略,因此對(duì)干旱有更好的耐受性,這也表明土壤微生物群落中的不同類群對(duì)土壤濕度和降雨模式的變化可能有不同的反應(yīng)。而雨季穿透雨減少對(duì)細(xì)菌、真菌、叢枝菌根真菌飽和脂肪酸均無顯著影響,這與吳華清等[50]、Chen等[13]的研究結(jié)論一致,有研究表明在雨季只有土壤濕度超過一定范圍才會(huì)對(duì)土壤微生物活動(dòng)產(chǎn)生影響[51]。徐嘉等[52]通過降水控制,研究得到在旱季穿透雨減少顯著減少了紅錐人工林真菌、叢枝菌根真菌飽和脂肪酸和真菌細(xì)菌比,反之,在雨季顯著增加了細(xì)菌、真菌和叢植菌根真菌飽和脂肪酸,可能是受到土壤溫濕度變化程度、采樣時(shí)間及不同樹種的影響,使得其與本研究結(jié)論不同。

土壤酶是一種具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的高分子生物催化劑,直接參與土壤氮素的礦化過程,酶活性與土壤供氮能力及土壤氮礦化速率密切相關(guān)[53]。土壤水分是土壤酶活性變化的重要驅(qū)動(dòng)因素[54]。本研究中,減雨導(dǎo)致雨季0—10 cm土層過氧化物酶和10—20 cm土層蛋白酶活性顯著降低(P<0.05),由于減少土壤含水量限制了酶及底物的擴(kuò)散[55],這與Sardans等[56]研究得到蛋白酶活性隨土壤含水量降低而減小的結(jié)論一致。然而,減雨導(dǎo)致雨季0—10 cm蛋白酶和10—20 cm土層N-乙酰-葡萄糖苷酶活性顯著升高(P<0.05),這與李帥軍等[57]的研究結(jié)果相似,可能由于微生物分泌更多的酶來抵制或適應(yīng)不利環(huán)境而導(dǎo)致兩種酶短暫升高,然而隨著干旱脅迫的加劇,酶活性是否會(huì)急劇下降還有待進(jìn)一步研究證明。減雨對(duì)旱季酶活性無顯著影響(P>0.05),可能由于研究區(qū)降水充沛,隔離降雨后的土壤水分含量并未到達(dá)限制水平,因此酶活性并未顯著降低。

3.3 土壤凈氮礦化速率與土壤理化性質(zhì)、土壤微生物量和群落飽和脂肪酸的關(guān)系

土壤氮礦化速率與土壤溫濕度、土壤通透性、有機(jī)氮含量等因素密切相關(guān)[5-6],且受到微生物群落組成及酶活性的直接影響[53,58]。本研究中,土壤含水量是對(duì)土壤凈硝化速率影響力最大的變量,于興修等[59]進(jìn)行逐步回歸分析亦得到土壤含水量是土壤氮礦化速率的主要影響因子。土壤凈氨化速率、凈氮礦化速率與群落飽和脂肪酸相關(guān)性不顯著,說明土壤氮轉(zhuǎn)化速率與微生物生長存在異步現(xiàn)象[60]。然而,土壤凈氨化速率與N-乙酰-葡萄糖苷酶存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),土壤凈硝化速率與N-乙酰-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、酚氧化酶和過氧化物酶均存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。陳影等[61]研究表明土壤氮硝化量與蛋白酶、過氧化氫酶等顯著正相關(guān),這與本研究結(jié)果類似。

4 結(jié)論

穿透雨減少導(dǎo)致馬尾松人工林旱季0—10 cm土層凈硝化速率顯著減少,旱季初期0—10 cm土層凈氨化速率短暫升高,而對(duì)土壤凈氮礦化速率影響不顯著。土壤凈氨化速率與N-乙酰-葡萄糖苷酶呈極顯著負(fù)相關(guān),土壤凈硝化速率與土壤含水量、β-葡萄糖苷酶、真菌飽和脂肪酸、硝態(tài)氮、N-乙酰-葡萄糖苷酶及酚氧化酶呈顯著正相關(guān),與細(xì)菌真菌飽和脂肪酸比、細(xì)菌飽和脂肪酸及銨態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)。此外,穿透雨減少顯著影響土壤含水量、硝態(tài)氮、pH、可溶性有機(jī)碳、過氧化物酶、N-乙酰-葡萄糖苷酶、蛋白酶及叢枝菌根真菌飽和脂肪酸?？傊?穿透雨減少50%改變了馬尾松人工林的土壤氮素有效性,未來將影響林木對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收及林分生長發(fā)育。雖然本研究探討了短期減雨對(duì)土壤氮礦化的影響及其土壤理化性質(zhì)和微生物調(diào)節(jié)機(jī)制,但是土壤氮礦化對(duì)長期減雨的響應(yīng)以及土壤氮礦化的變化如何影響樹木生長和養(yǎng)分吸收,有待進(jìn)一步深入研究。