10年模擬氮沉降對(duì)苦竹林根際與非根際土壤鋁組分的影響

陳雨芩 ，陳冠陶 , ，王宇 ，陳蕙心 ，李青樺 ，涂利華 *

1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/長(zhǎng)江上游森林資源保育與生態(tài)安全國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130；

2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130；

3. 德國(guó)哥廷根大學(xué)森林科學(xué)和森林生態(tài)學(xué)院熱帶和亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)土壤學(xué)系，德國(guó) 哥廷根 37077

化石燃料和化肥的大量使用導(dǎo)致了過(guò)量的氮（N）元素沉降到陸地生態(tài)系統(tǒng)，在直接干擾陸地生態(tài)系統(tǒng)N循環(huán)的同時(shí)也導(dǎo)致土壤不斷酸化。Tian et al.（2015）整合分析了全球106項(xiàng)研究，結(jié)果表明N添加使全球土壤pH平均降低了0.26單位。不同的自然生態(tài)系統(tǒng)的背景pH值差異較大，土壤pH緩沖能力各異，因此，N沉降導(dǎo)致的土壤酸化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響也不同。對(duì)于弱酸性土壤而言，其主要通過(guò)土壤膠體吸附的鹽基離子和土壤溶液中 H+的置換來(lái)抵抗土壤酸化（羅承德，1993）。當(dāng)土壤持續(xù)酸化，鹽基離子被大量消耗損失后即進(jìn)入了鋁（Al）緩沖體系，這時(shí)土壤溶液中的H+攻擊土壤礦物顆粒表面，導(dǎo)致穩(wěn)定的Al原子變?yōu)榻粨Q性Al3+，隨后Al3+被吸附在土壤膠體的陽(yáng)離子交換位點(diǎn)，并與土壤溶液中的Al3+保持動(dòng)態(tài)平衡（Brady et al.，2017）。這個(gè)過(guò)程涉及到Al由非常穩(wěn)定的礦物結(jié)構(gòu)原子到吸附態(tài)最后到游離態(tài)的不斷演化（沈仁芳，2008）。因此只有系統(tǒng)的研究土壤中不同Al組分的動(dòng)態(tài)變化，才能深入了解 Al在土壤酸化過(guò)程中的響應(yīng)狀況。

隨著土壤酸化，活性 Al[Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2+等的總稱]被釋放到土壤溶液中，對(duì)植物造成 Al毒害（Drabek et al.，2005；Delhaize et al.，2007；Niu et al.，2020）。其中，Al3+和單體羥Al絡(luò)合物對(duì)植物毒性最大（Matú? et al.，2006；Chen et al.，2018a），而可溶性有機(jī)Al、Al氟化物、Al硫酸和Al硅酸絡(luò)合物對(duì)植物毒性較?。∟ogueirol et al.，2015）。根際是根系與土壤相互作用最頻繁的微生態(tài)區(qū)域，活性 Al首先會(huì)對(duì)植物根部產(chǎn)生毒害效應(yīng)（Delhaize et al.，1995；Siecińska et al.，2019；王平等，2007）。在酸性土壤中，大量的活性Al會(huì)抑制根系生長(zhǎng)，損害根系組織，導(dǎo)致鈣（Ca）、鎂（Mg）和磷（P）缺乏以及其他生理脅迫（álvarez et al.，2011；Collignon et al.，2012）。同時(shí)，根系也可通過(guò)根系分泌物來(lái)對(duì)根際土壤環(huán)境進(jìn)行一定程度的主動(dòng)調(diào)節(jié)（Barceló et al.，2002；Ma et al.，2003）。植物根系進(jìn)化出的一些代謝功能可用于緩解 Al毒害（Schaedle et al.，1989；Cuenca et al.，1990），比如通過(guò)釋放Al螯合物的配體，將Al3+再次固定；微調(diào)土壤環(huán)境，使根際土壤pH穩(wěn)定；增加堿性陽(yáng)離子（如Ca2+、Mg2+、K+等）的水平。根際土壤是直接包裹根系的土壤，相對(duì)于非根際土壤，其化學(xué)特性對(duì)于植物生長(zhǎng)更具有意義。有研究表明，與非根際土壤相比，森林中根際土壤有更豐富的生物可溶性Al和極少的交換性Al（Collignon et al.，2012）。因此研究根際土壤 Al組分動(dòng)態(tài)將更具體、直接的關(guān)注到土壤酸化對(duì)植物的潛在威脅。

位于中國(guó)西南的“華西雨屏區(qū)”，由于其特殊的氣候和地形使其具有高水平的背景 N沉降和酸沉降速率（Tu et al.，2013）。本研究所在的竹林，土壤pH（KCl）約為3.4，屬?gòu)?qiáng)酸性土壤，且前期研究已觀察到6年的高N添加處理顯著增加了0—20 cm土壤中可交換的Al3+濃度和NO3?-N濃度，降低了土壤pH值和根系生物量（Chen et al.，2017；Chen et al.，2018b）。為更深入認(rèn)識(shí)該竹林生態(tài)系統(tǒng)土壤Al組分對(duì)長(zhǎng)期N沉降的響應(yīng)，本研究持續(xù)N添加10年后分析了0—10 cm土層根際土壤和非根際土壤的Al組分狀況。該研究有助于深入認(rèn)識(shí)N沉降導(dǎo)致土壤酸化的作用機(jī)理，可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗(yàn)地位于“華西雨屏”核心地帶的四川省洪雅縣柳江鎮(zhèn)苦竹崗（29°95′N，103°38′E），屬中亞熱帶性山地氣候，年均溫 14—16 ℃，年降水量為1489.8 mm，年均相對(duì)空氣濕度為82%，土壤類型為紫色土。研究區(qū)為 2000年退耕還林工程建成的苦竹林，于2007年10月選擇其中一塊較具代表性的、地勢(shì)平坦、人為干擾較小的林分作為試驗(yàn)樣地。土壤基本理化性質(zhì)見文獻(xiàn)（涂利華等，2009）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2007年10月下旬建立12個(gè)3 m×3 m的樣方，每個(gè)樣方之間設(shè)>3 m的緩沖帶。用硝酸銨（NH4NO3）進(jìn)行N添加處理，共設(shè)4個(gè)水平：對(duì)照（CK，N 0 g·m?2·a?1）、低 N（LN，N·5 g·m?2·a?1）、中 N（MN，N·15 g·m?2·a?1）和高 N（HN，N·30 g·m?2·a?1），每個(gè)水平 3 個(gè)重復(fù)。將年施用量分成12等份，從2007年11月開始，每月下旬對(duì)各樣方進(jìn)行定量外源N沉降處理，具體方法是將各水平所需NH4NO3溶解至1 L水中，用噴霧器在該水平樣方中來(lái)回均勻噴灑，對(duì)照只噴灑等量的自來(lái)水。

1.3 土樣采集與處理

2017年7月在各樣方隨機(jī)選取3根長(zhǎng)勢(shì)一致、健康的苦竹（Pleioblastus amarus），用鋤頭將苦竹的根系帶土完整挖出，用毛刷刷下細(xì)根表面附著的土作為根際土壤，采用蛇形五點(diǎn)取樣法采集各樣方0—10 cm的非根際土壤樣品。將同一樣方的根際與非根際土壤分別充分混合均勻后利用四分法取部分土壤制備樣品，挑除其中可見根和植物殘?bào)w并風(fēng)干，之后將土壤分為兩份，一份過(guò)2 mm篩用于土壤pH的測(cè)定，一份過(guò)0.15 mm篩用于土壤各組分Al含量的測(cè)定。

1.4 測(cè)定方法

土壤 pH 用電位法測(cè)定（KCl?土=5?1，LY/T 1239—1999）；土壤 Al組分的提取參考改進(jìn)后的Tessier法（Tessier et al.，1979），分別得到交換態(tài)Al（Exchangeable Al）、碳酸態(tài) Al（Carbonate Al）、鐵錳氧化態(tài)Al（Iron-manganese oxides Al）、有機(jī)絡(luò)合態(tài) Al（Organically bound Al）和殘留態(tài) Al（Residual Al），具體提取步驟參見文獻(xiàn)（Walna et al.，2005）；各組分Al含量的測(cè)定采用Al試劑比色法（LY/T 1270—1999）。

1.5 計(jì)算和統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010（Microsoft Corporation，USA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并計(jì)算均值，用SPSS 20.0（SPSS Inc.，USA）統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)不同N添加處理下根際與非根際土壤的交換態(tài)Al、碳酸態(tài)Al、鐵錳氧化態(tài)Al、有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al、殘留態(tài)Al和pH之間的差異，并用最小顯著差數(shù)法（LSD法）進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)N處理對(duì)各指標(biāo)的顯著性，顯著水平為ɑ=0.05，采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）檢驗(yàn)根際與非根際和不同N添加處理的交互作用。對(duì)根際與非根際土壤的pH和各Al組分進(jìn)行了相關(guān)性分析。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 N添加對(duì)苦竹林根際與非根際土壤pH的影響

對(duì)照處理下，非根際土壤pH（3.41）顯著低于根際土壤（3.97）。雙因素方差分析結(jié)果表明，N處理效應(yīng)、根際非根際效應(yīng)及兩者交互效應(yīng)均為極顯著（圖 1）。具體來(lái)看，在對(duì)照處理下，根際土壤pH比非根際土壤pH大0.56個(gè)單位。對(duì)于根際土壤，LN、MN和HN處理均使pH值顯著降低，分別下降了0.41、0.44和0.76個(gè)單位。對(duì)于非根際土壤，LN和 MN處理與對(duì)照之間無(wú)顯著差異（P>0.05），而HN處理下的pH為3.09，比對(duì)照顯著下降了0.32個(gè)單位（P<0.05）。N添加處理下，根際土壤pH依然大于非根際土壤，但與對(duì)照處理相比，差距明顯減小。

圖1 N添加對(duì)根際與非根際土壤pH的影響Fig. 1 Effect of nitrogen addition on rhizospheric and bulk soil pH value

2.2 N添加對(duì)苦竹林根際與非根際土壤各Al組分含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明，總體來(lái)看，根際與非根際土壤的所有Al組分形態(tài)均無(wú)顯著差異。N添加對(duì)根際土壤交換態(tài)Al組分和有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al組分含量有顯著影響（P<0.05），而對(duì)其他Al組分含量無(wú)顯著影響（P>0.05；圖2）。根際土壤pH與交換態(tài)Al組分含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al組分含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），與其他3個(gè)Al組分無(wú)顯著相關(guān)性（P>0.05；表1）。對(duì)照中根際土壤交換態(tài)Al、碳酸態(tài)Al、鐵錳氧化態(tài)Al、有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al、殘留態(tài)Al組分含量分別為3.4、9.6、732.2、2097.2、3026.3 mg·kg?1，交換態(tài)和碳酸態(tài) Al組分最少，有機(jī)絡(luò)合態(tài)和殘留態(tài)Al組分最多，含量按照交換態(tài)Al、碳酸態(tài)Al、鐵錳氧化態(tài)Al、有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al、殘留態(tài)Al組分的順序依次增加。N添加處理后，根際土壤交換態(tài)Al含量在HN添加處理后顯著增加為 5.9 mg·kg?1，與對(duì)照相比增加了 75.2%，LN、MN和HN處理的有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al含量分別為2098.0、2426.8、2384.9 mg·kg?1，其中MN 和HN顯著增加了15.7%和13.7%（P<0.05）。N添加處理下根際土壤的碳酸態(tài)Al含量平均為10.3 mg·kg?1；鐵錳氧化態(tài)Al含量在 684.7—910.5 mg·kg?1之間，其中 HN 處理的 Al含量相比對(duì)照增加了 24.3%，但并不顯著（P>0.05）；殘留態(tài) Al含量平均為 3099.7 mg·kg?1，與對(duì)照相比均未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。

對(duì)照中非根際土壤的交換態(tài)Al、碳酸態(tài)Al、鐵錳氧化態(tài)Al、有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al和殘留態(tài)Al含量分別為 4.2、9.4、691.7、2203.4、3194.3 mg·kg?1，含量高低順序與根際土壤 Al含量一致。N添加對(duì)非根際土壤各組分Al含量的影響均不顯著（P>0.05；圖2）。非根際土壤pH與交換態(tài)Al組分呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與其他4個(gè)Al組分無(wú)顯著相關(guān)性（P>0.05；表1）。N添加處理下交換態(tài)Al含量平均為3.4 mg·kg?1，與對(duì)照相比，LN、MN處理分別使交換態(tài)Al含量減少了34.2%、40.6%，而HN處理增加了17.6%；N添加處理的鐵錳氧化態(tài)Al含量平均值為785.7 mg·kg?1，與對(duì)照相比LN處理使鐵錳氧化態(tài)Al含量減少了3.5%，而MN、HN分別增加了 15.9%、28.3%，但均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平（P>0.05）。N添加處理下碳酸態(tài)Al含量平均為10.0 mg·kg?1，有機(jī)絡(luò)合態(tài) Al含量平均為 2209.5 mg·kg?1，殘留態(tài) Al含量平均為 3139.8 mg·kg?1，與對(duì)照相比均無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

表1 根際與非根際土壤的pH與各Al組分的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of pH and Al fractions in rhizosphere and bulk soil

圖2 N添加對(duì)根際與非根際土壤各個(gè)Al組分含量的影響Fig. 2 Effect of nitrogen addition on Aluminum fractions of rhizospheric and bulk soil

2.3 各個(gè)組分Al含量占總 Al含量的比例對(duì)N添加的響應(yīng)

由表2可見，根際與非根際土壤各Al組分占總 Al的比例大小均表現(xiàn)為：交換態(tài)<碳酸態(tài)<鐵錳氧化態(tài)<有機(jī)絡(luò)合態(tài)<殘留態(tài)。對(duì)照中根際土壤的各個(gè) Al組分占總 Al比例由小到大依次為 0.06%、0.16%、12.48%、35.73%、51.57%。其中，HN處理下交換態(tài)Al組分占比比CK和LN處理均顯著增加了50.0%（P<0.05）；MN、HN處理的有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al組分占比分別比LN顯著增加了10.3%、9.1%；與LN相比MN、HN處理分別使殘留態(tài)Al占比下降了5.8%、12.0%，但未達(dá)到顯著水平（P>0.05），對(duì)照和各N處理間的碳酸態(tài)和鐵錳氧化態(tài)Al占比均無(wú)明顯變化。

表2 N添加對(duì)土壤各個(gè)Al組分占總Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）的影響Table 2 Effect of nitrogen addition on mass fraction of each Aluminum fractions in total Aluminum

對(duì)照中非根際土壤交換態(tài)、碳酸態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)絡(luò)合態(tài)和殘留態(tài) Al組分分別占總 Al的0.07%、0.15%、11.37%、36.10%、52.31%。對(duì)照和N處理對(duì)各個(gè)Al組分占比均無(wú)顯著影響（P>0.05）。

3 討論

在酸性土壤中，土壤酸度主要取決于交換性Al的含量，土壤交換性 Al在很大程度上制約著土壤的 pH（Blaser et al.，2008；Collignon et al.，2012）。本研究區(qū)在模擬N沉降處理6年和10年后均發(fā)現(xiàn)HN添加處理顯著降低了非根際土壤 pH（Chen et al.，2018b；陳雨芩等，2018）。國(guó)內(nèi)外N添加研究大多發(fā)現(xiàn)N添加導(dǎo)致土壤pH顯著下降（胡波等，2015；單文俊等，2019）。這主要是由于N添加增強(qiáng)了土壤硝化作用，從而將 H+釋放到土壤溶液中（Teklehaimanot et al.，2007），并導(dǎo)致與吸附在土壤膠體上的堿離子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）發(fā)生取代反應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致堿性陽(yáng)離子的流失，特別是在濕潤(rùn)地區(qū)（Lu et al.，2009；Lucaset al.，2011）。當(dāng)土壤膠體吸附的H+超過(guò)一定閾值時(shí)，土壤礦物晶格解體，釋放出可交換的 Al3+。Al3+的水和反應(yīng)釋放出更多的H+，從而加劇土壤酸化。對(duì)中國(guó)南方47個(gè)酸性土壤樣品的研究表明，土壤pH與交換性Al的數(shù)量呈極顯著的負(fù)相關(guān)（孔曉玲等，1992），這與本研究結(jié)果一致。本研究中，雖然只有HN處理顯著增加了根際土壤的交換性Al含量及其占總Al含量的比例，但是LN、MN處理也使根際土壤的交換性Al含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。與CK處理相比，HN處理也使非根際土壤的交換性Al含量增加了14.98%，但未達(dá)到顯著水平。這部分解釋了本研究中觀察到的土壤pH對(duì)N添加處理的響應(yīng)情況。

本研究中，在自然狀況下，根際土壤的pH值比非根際土壤高0.56個(gè)單位。這與周思婕等（2019）研究的模擬酸雨處理下馬尾松根際土壤pH高于非根際的結(jié)果一致。根系可以通過(guò)根系分泌物來(lái)調(diào)節(jié)根系環(huán)境（Siecinska et al.，2016）。N添加處理后，根際土壤pH依然高于非根際土壤，但是根際土壤pH對(duì)N添加的響應(yīng)強(qiáng)度更大，導(dǎo)致根際與非根際土壤pH差異顯著縮小。這說(shuō)明了根際土壤pH對(duì)N添加的響應(yīng)更為敏感，N添加對(duì)根際土壤pH的影響更值得關(guān)注，因此根際土壤pH的響應(yīng)代表著N添加和植物調(diào)節(jié)后的綜合效應(yīng)，對(duì)于認(rèn)識(shí)N沉降對(duì)植物生長(zhǎng)、代謝和區(qū)域物種多樣性的影響有重要意義。

土壤溶液中 Al的化學(xué)過(guò)程是很復(fù)雜的，許多因素如pH和土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量都能影響Al組分。一般來(lái)說(shuō)，總Al的溶解度會(huì)隨著pH的降低而增加（Street et al.，2007）。本研究中，HN處理下根際土壤有機(jī)絡(luò)合態(tài) Al含量和比例顯著提高的原因一方面可解釋為HN處理下根際土壤使pH值顯著下降了0.76個(gè)單位，根際土壤pH與有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al組分呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。另一方面，根系可通過(guò)分泌有機(jī)酸，導(dǎo)致不同形態(tài)的 Al組分具有向有機(jī)絡(luò)合態(tài)Al轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。一些植物通過(guò)釋放螯合Al的有機(jī)酸來(lái)解毒根際的Al（Ryan et al.，2001）。孫曉等（2013）的研究結(jié)果也表明，在集約經(jīng)營(yíng)的雷竹林土壤中有機(jī)絡(luò)合態(tài) Al含量隨著種植年限的增加而增加。此外，本研究區(qū)的土壤pH為3.7，此時(shí)土壤pH和Al形態(tài)對(duì)外界酸輸入已經(jīng)不敏感，所以一些Al組分的變化較小。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在植物根系的調(diào)節(jié)作用之下，高N添加使得土壤Al向交換態(tài)和有機(jī)絡(luò)合態(tài)的組分的發(fā)展，使其在土壤總Al中的比例上升，雖然部分活化的 Al3+被絡(luò)合減緩了 Al毒害，但是長(zhǎng)期高速率的N沉降依然會(huì)使交換態(tài)Al含量顯著增加，從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成潛在危害。