增溫施肥對農(nóng)田土壤有機碳和全氮含量及δ13C、δ15N值的影響*

李佳珍,董文旭,陳 拓,胡春勝**

(1.北京大學(xué)深圳研究生院 深圳 518055; 2.深圳市海洋發(fā)展研究促進中心 深圳 518034; 3.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022; 4.深圳大學(xué)中國經(jīng)濟特區(qū)研究中心 深圳 518060; 5.深圳市自然資源和不動產(chǎn)評估發(fā)展研究中心 深圳 518034)

IPCC 第五次評估報告指出,與1986-2005年相比,全球平均地表溫度在21世紀(jì)中期將升高0.4～2.6 ℃,在21世紀(jì)末將升高0.3～4.8 ℃。全球變暖會影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)過程,尤其對土壤碳氮庫有深遠(yuǎn)的影響。土壤碳儲量大約是空氣或植被的3 倍,且土壤有機碳庫對氣候變化極其敏感,土壤碳庫的微小變化都會導(dǎo)致空氣中CO濃度的巨大變化,從而對氣候變化產(chǎn)生負(fù)反饋效應(yīng)。此外,由增溫引起的土壤有機碳的變化會調(diào)控氮的有效性,從而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力。

近年來,全球變暖對土壤有機碳的潛在影響已經(jīng)受到很大關(guān)注。有研究表明增溫會促進土壤有機質(zhì)的分解,從而導(dǎo)致土壤碳氮的損失。Conant 等通過實驗室培養(yǎng),研究增溫對巴西牧場土壤有機碳的影響,發(fā)現(xiàn)增溫使輕組有機碳分解加快,CO排放增加,從而使土壤有機碳庫減少; Basso等通過多模型集合分析發(fā)現(xiàn)溫度升高3 ℃會導(dǎo)致土壤有機碳和氮損失,從而導(dǎo)致小麥()和玉米()的產(chǎn)量下降。同時,也有學(xué)者認(rèn)為增溫會增加土壤有機碳庫,例如在南極半島苔原地區(qū),增溫也會使地上生物量增加,從而增加土壤有機碳庫; 在青藏高原高寒草甸的研究表明,氣候變暖增加了微生物殘留物,從而增加土壤有機碳的含量。此外,有研究認(rèn)為增溫對土壤有機碳庫影響不大。在美國俄克拉荷馬高草大草原的研究表明,增溫會改變植物種類組成,降低輕組土壤有機碳含量,但使地上生物量增加,碳輸入量和輸出量基本平衡,土壤碳庫基本不變?？梢?土壤有機碳對全球變暖的響應(yīng)還不十分清楚,需要更進一步探究,尤其是在研究較少的農(nóng)田土壤。農(nóng)田土壤是比較活躍的重要有機碳庫,有機碳儲量除了受自然條件的影響外,還受人類活動的影響,例如施肥和灌溉。有研究表明,施肥和灌溉作為基本的農(nóng)業(yè)管理措施,是影響土壤有機碳庫的重要因素。因此,研究增溫、施氮和灌溉對農(nóng)田土壤有機碳庫的影響是非常有必要的。

同位素碳氮技術(shù)是研究土壤有機碳周轉(zhuǎn)非常重要的手段。土壤有機碳不同組分存在不同的化學(xué)組成和周轉(zhuǎn)速率,對全球升溫的響應(yīng)程度不同,而穩(wěn)定同位素技術(shù)可以揭示不同組分有機碳的變化。一般重組有機碳的δC 和δN 值比輕組有機碳高,輕重組有機碳對氣候變化響應(yīng)的不同可能會導(dǎo)致土壤δC 和δN 的不同。一般情況下 土壤δC 和δN升高表明輕組有機碳分解較多 。此外,在土壤有機碳分解過程中,δN 的差異比δC 的差異大,且氮是影響土壤有機碳周轉(zhuǎn)的一個很重要的因素,把碳氮同位素結(jié)合起來研究土壤有機碳周轉(zhuǎn)是非常有意義的。但是,目前利用碳氮穩(wěn)定同位素技術(shù)研究增溫對土壤有機碳庫影響的研究鮮有報道。

因此,為了探究土壤碳氮循環(huán)對增溫的響應(yīng),本試驗采用紅外輻射加熱裝置模擬全球變暖,應(yīng)用自然豐度的碳氮同位素技術(shù),研究了增溫、施氮和灌溉對華北平原小麥田土壤有機碳和全氮含量及δC、δN 值的影響,以期為應(yīng)對全球氣候變暖、實現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

增溫試驗設(shè)置于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站。該站位于114°41′E、37°50′N,海拔50 m,屬半濕潤半干旱季風(fēng)氣候。該站是華北平原高產(chǎn)農(nóng)區(qū)的典型代表,土壤質(zhì)地為砂壤土,蓄水保肥能力強。土壤表層0～20 cm 土壤有機質(zhì)、總氮、速效磷和交換性鉀含量分別為15 g·kg、1.1 g·kg、15 mg·kg和95 mg·kg。年平均溫度為12.2 ℃,月平均氣溫最高為7月,最低為1月;年降水量為530 mm。2013年冬小麥季大氣溫度和降雨量如圖1 所示。試驗站主要栽培作物為冬小麥和夏玉米/夏大豆(),實行一年兩熟制。因為紅外輻射裝置的限制,本試驗區(qū)在2008-2011年進行冬小麥-夏大豆輪作,2012年夏季未種植大豆,為裸地。

圖1 2012-2013年冬小麥季大氣溫度和降雨量Fig.1 Daily mean air temperature and precipitation during wheat growing season of 2012 to 2013

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置增溫和施氮兩個因素,每個因素包括2個水平,共分為4 個處理,分別為不施氮不增溫(N0T0)、不施氮增溫(N0T1)、施氮不增溫(N1T0)和施氮增溫(N1T1)。每個處理設(shè)3 個重復(fù)。每個小區(qū)面積為4 m×4 m。

試驗從2008年10月冬小麥季開始實施。每季冬小麥播種前施用尿素,施氮處理N0 和N1 的施氮量分別為0 kg(N)·hm和120 kg(N)·hm,在次年4月追肥時施用同量氮肥。磷肥(過磷酸鈣)以底肥的形式在播種前一次性施入65 kg(P)·hm。冬小麥品種為‘石新828’,行距20 cm,播種量為220 kg·hm左右。冬小麥?zhǔn)斋@后種植大豆,期間施尿素一次,施氮量為75 kg(N)·hm。一般冬小麥季灌溉3 次(當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉),大豆季灌溉1 次,每次灌溉量為80 mm。2012年裸地期間不施肥也不灌溉。冬小麥、大豆收獲后,殘留秸稈均從田間移除。

利用紅外輻射加熱器對樣地(N0T1、N1T1)進行增溫。每個增溫小區(qū)放置2 套增溫管,間距1 m,燈管距離地面1.8 m,每套管長2 m。輻射器的最大功率是1000 W·m,小麥生長期內(nèi)進行24 h 不間斷加熱,使增溫區(qū)土壤表層5 cm 溫度比對照區(qū)高2 ℃。在對應(yīng)的非增溫處理小區(qū)內(nèi)安裝與增溫區(qū)同樣的裝置,只是不安裝紅外輻射加熱器,以降低設(shè)備陰影造成的試驗誤差。

1.3 測定項目及方法

2013年4月10日灌溉施肥,于3月28日和4月26日,在每個小區(qū)0～10 cm 和10～20 cm 土層取土。將土樣風(fēng)干,去除石塊和動植物殘體后,將樣品粉碎過1 mm 篩。稱取5 g 風(fēng)干土樣到小燒杯中,加入適量2 mol·L的HCl 溶液,并不斷攪拌,使土壤中無機碳與HCl 充分反應(yīng),靜置1 h 后,再次攪拌溶液使之充分反應(yīng),然后靜置過夜。倒掉上層清液,再用去離子水洗滌,攪拌,沉淀,倒掉上清液,重復(fù)操作,直至上清液pH 呈中性為止。將酸化后的土樣在60 ℃烘48 h,烘干后在干燥器中平衡24 h,再將樣品粉碎過100 目篩。稱取50 mg 粉碎樣品用元素分析儀-穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀(EA-IRMS)測定土壤有機碳含量、全氮含量、δC 和δN 值。

土壤δC 和δN 值的計算公式如下:

式中:為樣品的C/C 或N/N 的比值,為標(biāo)準(zhǔn)的C/C 或N/N 的比值。碳同位素的國際標(biāo)準(zhǔn)物為Pee Dee Belemnite(δC=0.0‰),氮同位素的國際標(biāo)準(zhǔn)物為大氣(δN=0.0‰)。

土壤C/N 比的計算公式如下:

式中: C/N 為碳氮比,SOC 為土壤有機碳含量(g·kg),TN 為土壤全氮含量(g·kg)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 和SPSS 20 進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,Origin 9.0 進行繪圖。采用多因素方差分析(ANOVA)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,最小顯著差異法(LSD)進行多重比較,差異顯著水平為＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳含量及δ13C 值的變化

所有處理土壤有機碳含量為7.33～10.83 g·kg(圖2)。灌溉前后,所有處理0～10 cm 土層的土壤有機碳含量均高于10～20 cm,但只在灌溉前N1T0 處理中達差異顯著水平(＜0.05)。對于兩個土層來說,灌溉后,所有處理土壤有機碳含量均有所提升,但大多差異不顯著,只有N1T1 處理在0～10 cm 土層提升28%,達顯著水平(＜0.05)。灌溉前(圖2A),增溫處理(N0T1 和N1T1)降低了0～10 cm 土層土壤有機碳的含量,并且N1T1 處理與不增溫處理(N0T0 和N1T0)間差異顯著(＜0.05); 10～20 cm 土層N1T1 處理顯著降低了土壤有機碳的含量(＜0.05),其余3 個處理之間差異不顯著。灌溉后(圖2B),各土層增溫處理(N0T1 和N1T1)的土壤有機碳含量相比于不增溫處理(N0T0 和N1T0)雖有降低趨勢,但差異不顯著。

圖2 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增溫和施氮處理下不同土層的有機碳含量Fig.2 Contents of soil organic carbon at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

土壤有機碳δC 值為-22.19‰～-21.44‰(圖3)。灌溉前后,所有處理0～10 cm 土層的δC 值均較10～20 cm 土層貧化,但差異均不顯著。在兩個土層,除N0T0 處理外,其余處理灌溉施肥后土壤有機碳的δC 均較灌溉施肥前富集,但差異均不顯著。圖3A顯示,灌溉前,兩個土層N1T0 處理的δC 值均較其余3 個處理貧化,但只有0～10 cm 土層達差異顯著(＜0.05)。圖3B顯示,灌溉后,兩個土層N1T0 處理的δC 值均較其余3 個處理貧化,在0～10 cm 土層與兩個增溫處理(N0T1、N1T1)差異顯著(＜0.05),在10～20 cm 土層只與N1T1 差異顯著(＜0.05),其余處理之間差異不顯著。

圖3 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增溫和施氮處理下不同土層的有機碳δ13C 值Fig.3 δ13C natural abundances at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

2.2 土壤全氮含量及δ15N 值的變化

所有處理土壤全氮含量為0.87～1.07 g·kg(圖4)。灌溉前后,各處理0～10 cm 土層全氮含量均高于10～20 cm 土層,并在灌溉前均達差異顯著水平(＜0.05),灌溉后在N0T1 處理中差異顯著(＜0.05)。對于兩個土層來說,灌溉后所有處理土壤全氮的含量均有所提升,但只在N0T1 處理10～20 cm 土層達差異顯著水平(＜0.05)。圖4A 顯示,灌溉前,各土層增溫處理(N0T1 和N1T1)均降低了土壤全氮的含量,0～10 cm 土層只有施氮下增溫的效果達顯著水平(N1T1 顯著低于N1T0)(＜0.05),而10～20 cm 土層兩個增溫處理(N0T1 和N1T1)均與不增溫處理(N0T0和N1T0)間差異顯著(＜0.05)。圖4B 顯示,灌溉后,各土層增溫處理(N0T1 和N1T1)的土壤全氮含量均低于不增溫處理(N0T0 和N1T0),但只有0～10 cm 土層達到差異顯著水平(＜0.05)。

圖4 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增溫和施氮處理下不同土層的全氮含量Fig.4 Contents of soil nitrogen at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

各處理土壤δN 值為6.03‰～8.22‰(圖5)。灌溉前后,各處理0～10 cm 土層δN 值均較10～20 cm土層貧化,但灌溉前只有N0T0 和N1T0 處理達顯著水平(＜0.05),灌溉后除N0T0 處理差異不顯著外,其余處理均達顯著水平(＜0.05)。對于兩個土層來說,N0T0 和N0T1 處理灌溉后土壤δN 較灌溉前富集,而N1T0 和N1T1 處理灌溉后較灌溉前貧化,但均未達到差異顯著水平。圖5A 顯示,灌溉前,各土層增溫處理(N0T1 和N1T1)的δN 值均比不增溫處理(N0T0 和N1T0)富集,但只有0～10 cm 土層N0T0 處理與增溫(N0T1 和N1T1)處理差異顯著(＜0.05)。圖5B 顯示,灌溉后,各土層增溫處理(N0T1 和N1T1)的δN 值均比不增溫處理(N0T0 和N1T0)富集,0～10 cm 土層僅N0T1 和N1T0 處理間差異顯著(＜0.05),而10～20 cm 土層增溫處理(N0T1 和N1T1)均與N1T0 處理差異顯著(＜0.05)。

圖5 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增溫和施氮處理下不同土層的δ15N 值Fig.5 δ15N natural abundances at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

2.3 C/N 比

各處理土壤C/N 比為8.10～9.73(圖6)。灌溉前后,除灌溉后N0T1 處理外,其余處理0～10 cm 土層的土壤C/N 比均高于10～20 cm 土層。對于兩個土層來說,灌溉后會提升所有處理的土壤C/N 比,但只有0～10 cm 土層兩個增溫處理(N0T1 和N1T1)和10～20 cm 土層N1T1 處理達顯著水平(＜0.05)。圖6A顯示,灌溉前,0～10 cm 土層N0T1 處理土壤C/N 比最高,N0T0 和N1T0 處理次之,N1T1 處理最低; 除兩個不增溫處理(N0T0 和N1T0)之間差異不顯著外,其余處理間差異均達顯著水平(＜0.05)。10～20 cm土層土壤C/N 比與0～10 cm 變化趨勢相同,除兩個不增溫處理(N0T0 與N1T0)之間和兩個施氮處理(N1T0 與N1T1)之間差異不顯著外,其余處理之間差異均達顯著水平(＜0.05)。圖6B顯示,灌溉后,兩個土層所有處理間均無顯著性差異。

圖6 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增溫和施氮處理下不同土層的碳氮比Fig.6 C/N ratios at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

3 討論

3.1 土壤有機碳及δ13C 值

本研究發(fā)現(xiàn),隨著土壤深度增加,有機碳含量呈降低的趨勢,δC 呈富集的趨勢,但差異不顯著。有研究發(fā)現(xiàn),土壤有機碳含量隨土壤深度的增加而降低,δC 隨土壤深度的增加而富集,主要因為表層土壤有新碳的輸入,如小麥秸稈殘留和根茬殘留,同時C3 植物的δC 值在-27‰左右,遠(yuǎn)小于土壤本底的δC 值,造成土壤表層土壤有機碳含量較高且δC 值較低。但是深層土壤新碳輸入較少,有機碳分解較徹底,重組碳的比例相對較大,并且重組碳的δC 值比新碳富集,造成深層土壤δC 值升高。而在本研究中,隨土壤深度增加,土壤有機碳含量和δC 值未達到差異顯著水平,可能是因為土壤有機碳和δC 較為穩(wěn)定,5年的試驗還不足以產(chǎn)生差異顯著性,長期的影響有待進一步研究。

增溫降低了土壤有機碳的含量,并在施氮條件下提升了δC 值,這說明施氮增溫的交互作用會加快土壤有機碳的分解。有研究表明,增溫加快了土壤有機碳的礦化,因為增溫有可能加快土壤微生物的呼吸,從而加快土壤CO的排放。并且,在與本試驗相同條件下,Liu 等的研究結(jié)果表明增溫施氮會降低土壤有機碳含量。但是,也有研究結(jié)果與我們不同。Zhu 等連續(xù)5年增溫處理輕微降低了高寒草地表層(0～10 cm)土壤有機碳含量,但是對深層土壤(30～40 cm)的影響相反。也有研究結(jié)果表明,連續(xù)5年增溫對西藏高寒草甸土壤有機碳含量無顯著影響。有研究表明,增溫會加快土壤呼吸,加速土壤活性有機碳的分解,從而降低土壤活性有機碳含量。而土壤活性有機碳的δC 值一般比較貧化,當(dāng)增溫加快土壤活性有機碳分解時,造成輕組碳分解較多,重組碳的比例增加,從而導(dǎo)致δC 值富集。本研究發(fā)現(xiàn),在施氮條件下,增溫會提升土壤有機碳的δC 值,可能是因為增溫施氮的交互作用更有利于土壤有機碳的礦化,從而造成更多輕組碳的分解。但也有研究表明,長期田間增溫有利于穩(wěn)定土壤有機碳的分解,而對土壤活性有機碳幾乎沒有影響。如Lin 等利用碳同位素區(qū)分土壤CO排放的來源,結(jié)果表明老碳分解產(chǎn)生的CO占土壤CO排放總量的很大一部分; 在俄克拉荷馬州一個高草草原生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗表明,氣候變暖增強了深層底土中老碳的分解。本研究中,施氮不增溫(N1T0)處理土壤有機碳的δC 值與其余處理相比較貧化,可能因為施氮后植物碳對土壤的輸入增加,導(dǎo)致施氮不增溫處理土壤有機碳中新碳的比例較大。灌溉對土壤有機碳含量和δC 值影響較小,可能是因為灌溉前后時間較短,且土壤有機碳和δC 均較穩(wěn)定,在短時間內(nèi)不會有較大的變化。

3.2 土壤全氮及δ15N 值

土壤全氮含量和δN 值的變化也能反映土壤有機碳的動態(tài)過程。與土壤有機碳變化相似,深層土壤全氮含量比表層低,同時土壤δN 值比表層富集,這與前人的研究結(jié)果一致。土壤表層的δN 值較低,主要是因為植物凋落物(3‰～4‰)和根系的δN 值(2‰～4‰)比土壤的低,所以相對貧化的δN值的凋落物和根系沉積到土壤中會造成表層土壤δN 值降低。同時,由于土壤氮的吸收和損失過程伴隨著各種穩(wěn)定同位素分餾過程,δN 富集的化合物會優(yōu)先保存下來,造成土壤δN 值隨土壤深度增加而升高。但是,如果植物對深層土壤氮的利用增加,將會導(dǎo)致植物葉片生物量對重氮(N)的吸收,從而使葉片中的δN 值更高,在返回土壤時,也會在表層土壤中產(chǎn)生更高的δN 值。

增溫降低了土壤全氮含量,同時提升了δN 值,這表明增溫會加快氮循環(huán),從而增加土壤中氮的損失。Tang 等在水稻()田進行的連續(xù)5年增溫試驗表明,增溫顯著降低了土壤全氮含量,與本研究結(jié)果相同。還有研究表明,增溫有利于植物對土壤氮的吸收,進而導(dǎo)致土壤全氮減少。但也有研究表明,增溫對土壤全氮含量幾乎沒有影響,但對不同形態(tài)碳影響不同,降低了表土中閉蓄態(tài)顆粒有機物(oPOM)和底土中游離態(tài)顆粒有機物(fPOM)中全氮的含量。增溫造成土壤δN 值富集,可能是因為增溫加快土壤氮的礦化及硝酸鹽淋溶,從而造成土壤氮的損失。此外,有研究表明,土壤有機質(zhì)的分解通常導(dǎo)致δN 的富集,因此,本研究中增溫土壤的δN 高于對照土壤,說明增溫土壤中的有機質(zhì)分解速度高于對照土壤。灌溉會提升土壤全氮的含量,但差異不顯著。有研究表明,全氮含量隨施氮量的增加而增加,隨灌溉量的增加而降低,因為較高的土壤含水量促進微生物的生長和代謝活動,提高氮素利用率,從而降低全氮含量。灌溉后,δN值變化不顯著,可能是因為一次的灌溉不會引起較為顯著的變化。

4 結(jié)論

在全球氣候變暖的背景下,本研究通過連續(xù)5年田間模擬增溫試驗,研究了灌溉前后增溫和施氮處理對土壤有機碳、全氮含量及δC、δN 值的影響,發(fā)現(xiàn): 1)增溫降低了土壤有機碳含量,表明未來氣候變暖可能會加快土壤有機碳分解; 在增溫施氮條件下,不僅有機碳含量降低,同時土壤δC 值升高,表明增溫施氮條件下會造成更多輕組有機碳分解。未來研究中,應(yīng)該重視多因素的交互作用對土壤碳循環(huán)的影響。2)增溫降低了土壤全氮含量,提升了土壤δN 值,表明氣候變暖會加快土壤氮素分解,不利于土壤保氮。3)灌溉雖然在短期內(nèi)并未對土壤有機碳、全氮含量和δC、δN 值產(chǎn)生顯著影響,但其長期影響還需進一步探究。