酸雨類型轉(zhuǎn)變對杉木林土壤養(yǎng)分特征和微生物量碳氮的影響

陳美玲，劉 鑫，陳新峰，孟苗婧，張金池，聶 暉，曾婧祎，謝德晉

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，江蘇 南京 210037；3. 江蘇省無錫市錫山區(qū)水利局，江蘇 無錫 214000）

杉木Cunninghamia lanceolata是中國特有的優(yōu)良速生針葉樹種，也是中國亞熱帶地區(qū)的主要造林樹種，占全國人工林面積的17.33%[1]。由于片面追求速生豐產(chǎn)，杉木人工林出現(xiàn)了生產(chǎn)力下降、地力衰退等問題；而且杉木林樹種單一，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，生物多樣性相對較低[2]，導(dǎo)致其應(yīng)對全球變化的能力不足。酸雨是全球變化的主要表現(xiàn)形式之一，而中國已經(jīng)是歐洲、北美后的世界第三大酸雨區(qū)。近年來，長江三角洲地區(qū)已經(jīng)開始控制二氧化硫(SO2)的排放，但汽車數(shù)量的激增引起更高的氮氧化物(NOx)排放量，導(dǎo)致硝酸鹽(NO3?)沉淀增加[3]。2003—2010年，酸雨中硫酸根(SO42?)與硝酸根(NO3?)比值從7.5降到2.0[4]，預(yù)計未來會繼續(xù)下降。可見，酸雨類型正逐漸由硫酸雨(SAR)轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛嵊?NAR)，這將對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)帶來新的威脅，尤其是遭受酸雨危害嚴(yán)重的中國南方地區(qū)。

杉木林土壤是生態(tài)系統(tǒng)中受酸沉降影響最大的部分，其中酸雨會直接改變土壤pH[5]，影響土壤化學(xué)性質(zhì)[6]。酸雨輸入增加土壤氫離子(H+)負荷[7]，并與交換絡(luò)合物上的鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)或鉀離子(K+)進行交換，但這些離子難以被植物吸收。此外，一些有毒重金屬離子，如鋁離子(Al3+)、鉛離子(Pb2+)、汞離子(Hg2+)、鎘離子(Cd+)等也被H+取代[8]，對植物產(chǎn)生毒害作用?？偺肌⒖偟?、總硫、有效磷和速效鉀等同樣受到土壤酸化影響，造成土壤養(yǎng)分流失[9]，引起杉木林地力衰退。土壤微生物在參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡中發(fā)揮重要作用[10]，是土壤活性碳氮庫的重要成分[11]，也是生態(tài)系統(tǒng)碳氮轉(zhuǎn)化進程的生物指標(biāo)，可以用微生物量碳氮表示[12]。前期研究發(fā)現(xiàn)：土壤pH也對微生物量碳氮變化具有重要影響[13]。

酸雨脅迫是影響杉木林地力衰退的主要環(huán)境因子之一，然而關(guān)于酸雨類型轉(zhuǎn)變對杉木林土壤養(yǎng)分流失及微生物響應(yīng)機制研究相對較少，而且研究對象集中在馬尾松Pinus massoniana及闊葉林[14]。因此，本研究以南方杉木人工林為研究對象，探究酸雨類型轉(zhuǎn)變對杉木林土壤養(yǎng)分及微生物特征的影響，以期為南方酸雨脅迫地區(qū)杉木人工林可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南京市20 km外的國有東善橋林場銅山分場(31°37′N，118°51′E)。該區(qū)年平均降水量為1 117.2 mm，年均氣溫為15.1 ℃，無霜期為229.0 d，年日照時數(shù)為2 199.5 h。地形以丘陵為主，海拔為38 ～388 m，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，土壤類型以黃棕壤為主。森林類型以毛竹Phyllostachys edulis、杉木、麻櫟Quercus aeutissima和馬尾松等為主。本研究以杉木人工純林為研究對象，該林分海拔為311 m，坡度為22°，西北坡向，林分密度為850株·hm?2，郁閉度為0.61，平均樹高、胸徑、冠幅分別為10.8 m、13.2 cm和2.4 m。

1.2 野外酸雨模擬樣地設(shè)置

1.2.1 樣點設(shè)置 隨機在杉木林的上、中、下坡選定長2 m，寬60 cm的樣地，在樹干下1 m處采樣，共計120個采樣點，每月進行2次酸溶液噴施，并采集樣方表層0 ～10 cm土壤，用于土壤各項指標(biāo)測定。

1.2.2 酸 雨 設(shè) 置 利 用 0.5 mol·L?1硫 酸 (H2SO4)與 0.5 mol·L?1硝 酸 (HNO3)配 制 3 種 酸 雨 類 型(SO42?/NO3?的體積比分別為5∶1、1∶1和1∶5)和3種酸度(pH 4.5、pH 3.5、pH 2.5)的酸雨溶液，分別為硫酸型酸雨(S1：SO42?/NO3?的體積比為5∶1，pH 4.5；S2：SO42?/NO3?的體積比為5∶1，pH 3.5；S3：SO42?/NO3?的體積比為5∶1，pH 2.5)、混合型酸雨(E1：SO42?/NO3?的體積比為1∶1，pH 4.5；E2：SO42?/NO3?的體積比為1∶1，pH 3.5；E3：SO42?/NO3?的體積比為1∶1，pH 2.5)和硝酸型酸雨(N1：SO42?/NO3?的體積比為1∶5，pH 4.5；N2：SO42?/NO3?的體積比為1∶5，pH 3.5；N3：SO42?/NO3?的體積比為1∶5，pH 2.5)，同時設(shè)置對照處理(ck，山間防火池水，pH 6.6)，共10個處理組。根據(jù)南京地區(qū)全年月平均降水量，分配每月噴施模擬酸雨量，模擬酸雨量占南京月均降水量的2/3，約占全年降水量的5.55%。每月月初和月中使用花灑各噴施1次[15]，共計4個季度：春季(3—5月)，噴施酸雨總量為12.79 mm，比例為20.62%；夏季(6—8月)，噴施酸雨總量為32.35 mm，比例為52.11%；秋季(9—11月)，噴施酸雨總量為9.35 mm，比例為15.08%；冬季(12月至翌年2月)，噴施酸雨總量為7.57 mm，比例為12.19%。

1.3 方法

采用電位法測定土壤pH；氟化氨-鹽酸浸提法測定土壤有效磷(AP)；乙酸銨-火焰光度法測定土壤速效鉀(AK)；元素分析儀測定土壤碳(TC)、氮(TN)、硫(TS)[16]；使用1 mol·L?1氯化鉀交換-中和滴定法測定土壤交換性H+、Al3+[17]；使用氯仿熏蒸浸提法測定土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各類型酸雨處理對土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物量碳氮的影響用單因素方差分析，酸雨pH與硝酸根離子對各因素的影響，采用雙因素方差分析。利用R語言(V3.5.1)分析酸雨脅迫下各因素之間的相關(guān)性。結(jié)構(gòu)平衡方程(structural equation model，SEM)來解釋酸雨pH與硝酸根離子對土壤微生物量碳氮的直接和間接影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸雨脅迫對杉木林土壤pH的影響

由表1可見：3種類型酸雨脅迫下，隨著酸雨酸度增加，土壤pH呈顯著下降趨勢，且受脅迫時間的影響顯著(P＜0.001)，但酸雨類型對土壤pH影響不顯著。由圖1可見：施加酸雨6個月后各處理土壤的pH顯著低于其他時間(P＜0.05)。與ck相比，3和12個月酸雨處理均顯著降低了土壤pH(P＜0.05)。

表1 不同酸雨類型與酸雨酸度下土壤pH的方差分析Table 1 P values of soil pH under different acid rain types and acid rain stress

圖1 酸雨脅迫處理下杉木林土壤pH值的變化Figure 1 Changes of soil pH value in C. lanceolata plantation under simulated acid rain treatments

2.2 酸雨脅迫對土壤酸化效應(yīng)的影響

由圖2和表2可見：隨著酸雨酸度的增加，土壤交換性H+、Al3+質(zhì)量摩爾濃度均呈顯著上升趨勢，且脅迫時間差異顯著(P＜0.001)。施加酸雨3個月后，酸雨類型顯著影響交換性H+(P＜0.001)和交換性Al3+(P＜0.05)。施加酸雨9和12個月后，S1、S3處理土壤交換性H+和Al3+質(zhì)量摩爾濃度均小于N1、N3處理；與對照相比，酸雨pH為2.5時，S3、E3和N3處理的土壤交換性H+質(zhì)量摩爾濃度均值分別增長了275%、254%和246%，交換性Al3+質(zhì)量摩爾濃度均值分別增長了240%、246%和249%。

表2 不同酸雨類型與酸雨脅迫下土壤各指標(biāo)的方差分析Table 2 P values of soil acidity index under different acid rain types and acid rain stress

圖2 酸雨脅迫下土壤酸化效應(yīng)的變化Figure 2 Changes of soil acidity under acid rain stress

2.3 酸雨脅迫對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由圖3和表2可見：隨著酸雨酸度的增加，土壤總碳、總氮、總硫和有效磷質(zhì)量分數(shù)存在顯著的時間差異(P＜0.05)。施加酸雨3和6個月后，酸雨酸度顯著影響速效鉀質(zhì)量分數(shù)，6個月后，酸雨酸度顯著影響有效磷質(zhì)量分數(shù)，且酸雨酸度與酸雨類型對有效磷和速效鉀的交互效應(yīng)顯著(P＜0.05)。施加酸雨6個月后，N1處理的土壤總碳質(zhì)量分數(shù)顯著低于S1和ck (P＜0.05)。9個月后，N1處理的土壤總碳質(zhì)量分數(shù)顯著高于S1和ck (P＜0.05)。S3處理的有效磷質(zhì)量分數(shù)顯著低于ck和N3 (P＜0.05)。在3、6、9和12個月，S3處理的速效鉀質(zhì)量分數(shù)均最低，分別為(25.03±4.17)、(25.09±3.97)、(29.47±2.57)和(27.69±4.44) mg·kg?1。

圖3 酸雨脅迫下土壤化學(xué)性質(zhì)的變化Figure 3 Changes of soil chemical properties under acid rain stress

2.4 酸雨脅迫對微生物特征的影響

由圖4和表2可見：隨著酸雨酸度的增加，土壤微生物量碳氮呈顯著下降趨勢，且脅迫時間差異顯著(P＜0.05)。施加酸雨6個月后，對照處理組的土壤微生物量碳氮最高，分別為(748.64±136.66)和(109.28±14.88) mg·kg?1。與對照相比，S3、E3和N3處理均顯著降低了土壤微生物量碳氮，其中，脅迫12月后N3處理的微生物量碳和微生物量氮質(zhì)量分數(shù)達到最低值，分別為(378.89±60.69)和(38.67±4.10) mg·kg?1。

圖4 酸雨脅迫下土壤微生物量碳氮的變化Figure 4 Changes of soil microbial carbon and nitrogen under acid rain stress

2.5 酸雨脅迫下土壤化學(xué)性質(zhì)與微生物量碳氮的關(guān)系

由圖5可見：酸雨pH與土壤pH、速效鉀呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)；總碳與碳氮比、有效磷與微生物量碳氮、微生物量碳與微生物量氮之間均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)(P＜0.05)。而酸雨pH與交換性H+、Al3+表現(xiàn)出顯著的負相關(guān)(P＜0.05)；交換性H+、Al3+與速效鉀、微生物量碳、微生物量氮之間呈顯著負相關(guān)(P＜0.05)。

圖5 酸雨脅迫下土壤化學(xué)性質(zhì)與微生物量碳氮的相關(guān)關(guān)系Figure 5 Correlation analysis of soil chemical properties and microbial carbon and nitrogen under acid rain stress

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)通過AMOS軟件構(gòu)建。該模型卡方檢驗P為0.336(＞0.050)，近似誤差均方根為0.029，擬合優(yōu)度指數(shù)為0.994，參數(shù)均符合建模要求(圖6)。與相關(guān)性分析結(jié)果一致，酸雨酸度對微生物量碳的直接影響要高于酸雨類型。酸雨酸度對微生物量碳和微生物量氮的間接影響系數(shù)分別為?0.412、0.025，綜合影響系數(shù)分別為0.154、0.141；酸雨類型對微生物量碳和微生物量氮的間接影響系數(shù)分別為0.065和0.032，綜合影響系數(shù)分別為0.025、0.009 (表3)。另外，從圖6可以看出：酸雨酸度主要通過土壤pH、總碳和有效磷間接影響微生物量碳氮，而酸雨類型主要通過土壤pH、總碳和有效磷間接影響微生物量碳氮，酸雨酸度又主要通過土壤pH影響總碳和有效磷而間接影響微生物量碳氮。

圖6 不同酸雨類型和酸雨酸度對微生物量碳氮影響的SEM分析Figure 6 SEM analysis of the effects of different acid rain types and acid rain stress on microbial carbon and nitrogen

表3 結(jié)構(gòu)方程中各因子與微生物量碳氮之間的相關(guān)性Table 3 Correlation of parameters and microbial carbon and nitrogen

3 討論與結(jié)論

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的最終受體，對酸雨具有較強的敏感性[9]。酸雨導(dǎo)致土壤pH和鹽基飽和度下降，溶出土壤中交換性H+、Al3+，加劇土壤酸化[18]，這與本研究結(jié)果一致。表明交換性陽離子充當(dāng)土壤中重要的緩沖劑作用，當(dāng)土壤pH為4.2 ～3.8時，已經(jīng)降到土壤陽離子緩沖范圍內(nèi)[19]，土壤中礦物成分釋放出充足的交換性Al3+緩沖酸沉降。本研究中，隨著酸雨酸度的增加，有效磷質(zhì)量分數(shù)在施加酸雨6個月后顯著變化，速效鉀質(zhì)量分數(shù)在3和6個月后均有顯著變化，同時施加酸雨6個月后，酸雨類型和酸度對有效磷和速效鉀交互效應(yīng)顯著。這可能是因為夏季植物生長迅速，杉木林土壤表層的凋落物較少，對酸雨緩沖作用減弱，夏季雨水相比其他季節(jié)多，淋溶作用增加，進而導(dǎo)致土壤有效磷和速效鉀的流失。然而，酸雨對土壤總碳、總氮、總硫的影響不顯著[16]。表明短期的酸雨脅迫不會導(dǎo)致碳、氮、硫的變化，土壤養(yǎng)分的流失需要長時間的積累。

土壤微生物在維持全球生態(tài)系統(tǒng)中充當(dāng)重要角色[6]，土壤pH、植被類型、土壤養(yǎng)分、氣候條件等的變化直接或間接影響土壤微生物量碳氮的活性[20]。研究發(fā)現(xiàn)：微生物對土壤pH有最適宜的區(qū)間，過低的土壤pH對微生物活性起到抑制作用[21?22]。本研究在模擬酸雨持續(xù)脅迫下，土壤pH呈顯著下降，土壤微生物量碳氮在強酸(pH 2.5)處理下顯著下降。由于土壤對酸雨的緩沖作用，pH 4.5和pH 3.5對土壤微生物量碳氮沒有顯著影響，隨著酸度的增加及實驗周期的延長，各類型酸雨處理對微生物量碳氮的影響顯著，這可能是真菌和細菌對強酸更加敏感[23]，也可以說明酸雨對土壤微生物量碳氮的影響是一個循序漸進的過程。有研究表明：酸雨脅迫下土壤持續(xù)酸化與土壤微生物量碳氮活性的抑制作用有關(guān)，H+的毒害作用導(dǎo)致土壤分解者的微生物種類、生物活性和結(jié)構(gòu)均隨之發(fā)生變化[24]。

土壤微生物量碳氮隨著酸雨時間的遞增，發(fā)生著動態(tài)、復(fù)雜的變化過程，這也是森林生態(tài)系統(tǒng)的研究重點[25]。本研究的土壤微生物存在著顯著的月份差異，6—8月土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)最高，12月至翌年2月出現(xiàn)最低值。這可能是因為春季氣溫回升后，春壩作用[26]使得植物生長恢復(fù)，6月土壤微生物活性增強，7—8月達到高峰。而后因為植物和微生物生長對養(yǎng)分的大量需求產(chǎn)生養(yǎng)分物質(zhì)的競爭[27]，導(dǎo)致微生物量碳氮降低。而冬季因為天氣寒冷潮濕，使得真菌和細菌數(shù)量減少，土壤呼吸作用減弱，導(dǎo)致微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)達到最低值。由于秋冬季大量凋落物掉落，為春季微生物提供較多的代謝物而使得春季微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)相比冬季而言有較大的提升。

酸雨類型變化不僅對土壤養(yǎng)分影響顯著，也對土壤微生物影響顯著?；旌闲秃拖跛嵝退嵊隃p緩了土壤碳氮和磷的礦化，降低了土壤微生物量[28]。本研究中，不同酸雨類型之間對杉木林影響并沒有顯著區(qū)分，沒有顯著的區(qū)別。這可能與試驗時間有關(guān)，因本研究時間僅1 a，周期較短，導(dǎo)致NO3?對杉木林影響沒有顯著表現(xiàn)出來。早期研究發(fā)現(xiàn)：硝酸雨對土壤pH和微生物活性的抑制作用比硫酸雨大[15]，硝酸雨減緩了土壤碳、氮、磷的礦化作用[29]。

4 結(jié)論

1 a的短期酸雨脅迫后，土壤pH隨著酸雨酸度的增加而顯著降低，硝酸根對土壤pH影響大于硫酸根。酸雨對土壤有效磷和速效鉀質(zhì)量分數(shù)影響顯著，對土壤總碳、總氮和總硫質(zhì)量分數(shù)影響較小。酸雨酸度和酸雨類型均對微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)影響顯著，酸雨酸度對微生物碳氮的影響一方面直接影響，另一方面通過對土壤化學(xué)性質(zhì)的間接影響完成。酸雨類型的轉(zhuǎn)變加劇了酸雨酸度對杉木林土壤特性的抑制作用。