增溫對農田土壤碳氮循環關鍵過程的影響

劉 艷,陳書濤*,劉 燕 ,高 慧 ,安俊寶 ,甄曉龍 ,李宏娜 ,汪 萌 (.南京信息工程大學江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室,江蘇 南京 20044；2.南京信息工程大學環境科學與工程學院,江蘇 南京 20044)

陸地生態系統碳循環與大氣 CO2濃度升高有密切聯系[1],土壤 CO2排放量增加可能會導致大氣中 CO2濃度增加,并對全球變暖提供積極反饋作用[2].全球每年因土壤呼吸作用向大氣中釋放的碳估算值約為 75～120Pg[3],另一種溫室氣體N2O主要是通過土壤微生物的硝化和反硝化過程產生[4-6].土壤CO2、N2O排放與土壤碳氮循環過程有關,因此,通過模擬增溫試驗研究氣候變暖情形下生態系統碳氮循環的規律具有重要意義.

在全球變化的情景下,農田土壤 CO2排放速率、硝化及反硝化作用研究已經成為研究的焦點.King等[7]研究表明全球土壤碳庫在氣候變暖條件下會降低,不同的氣候情景下土壤碳庫減少量不同.徐小鋒等[8]研究表明溫度升高,土壤有機碳分解加速,進而減少土壤碳儲存,同時植被碳庫向土壤碳庫的流動增加從而增加土壤碳庫,這兩種作用在不同生態系統的比重不同,在全球尺度上表現為土壤碳庫的減少.Breuer等[9]研究表明土壤溫度促進硝化作用,而水分含量起到抑制的作用.然而,以往研究中,關于增溫影響土壤碳氮循環關鍵過程的系統研究尚不多見,特別是,在增溫的農田生態系統中,農田土壤碳氮如何轉化及其關鍵過程與正常農田是否存在差異尚沒有較好的科學解釋.

本研究通過觀測農田模擬增溫和對照處理土壤CO2排放速率、硝化–反硝化速率及相關土壤碳氮指標,分析了模擬增溫對農田土壤碳氮循環關鍵過程的影響規律,以期為了解全球變暖情境下,增溫對土壤碳氮循環的潛在影響提供基礎資料和科學依據.

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

觀測地點位于南京信息工程大學農業氣象試驗站(32.16°N,118.86°E)試驗田,于 2010 年 11月～2011年10月在該試驗田進行冬小麥–大豆生長季田間試驗.該區多年平均氣溫為15.6℃,多年平均降水量為 1100mm.供試土壤為潴育型水稻土(灰馬肝土屬),土壤質地為壤質黏土,耕層土壤黏粒含量為26.1%,土壤pH(H2O)值為6.3,有機碳和全氮的含量分別為19.4 g/kg和1.45g/kg.

1.2 試驗設計

供試冬小麥品種為揚麥12號,于2010年11月3日播種,大豆品種為八月白,于2011年7月1日播種,分別在冬小麥返青后、大豆出苗后進行模擬增溫處理.采用隨機區組試驗,設置增溫和對照處理,增溫和對照各3個重復,共6個小區,每個小區面積為 2.5m×2.5m.每天 24h通過紅外輻射加熱管對試驗小區進行模擬增溫,每根紅外輻射加熱管長 1.0m,功率 1000W,安裝在不銹鋼反射燈罩之下,不銹鋼燈罩邊緣向下傾斜,防止下雨天雨水斜向進入到不銹鋼罩內淋濕加熱管,對照處理僅有不銹鋼罩,無紅外輻射加熱管.每個加熱管均通過供電發熱,各自具有獨立的電源控制開關,并由漏電保護總開關控制其開啟和關閉.經通電加熱測試,在 3個增溫裝置正面處的溫度幾乎完全一致,差值≤0.2℃,各個重復的溫控效果均一、良好.對5cm土壤溫度的季節動態監測結果表明:在冬小麥–大豆輪作階段,增溫處理土壤溫度顯著高于對照,兩者季節平均差值為4.9℃(圖1).

圖1 土壤溫度的季節動態變化Fig.1 Seasonal variations in soil temperature

1.3 土壤CO2產生速率、硝化和反硝化速率測定

以直徑6.0cm、高4.3cm的不銹鋼環刀取土壤樣品,每個處理采集6個土壤樣品作為重復,采樣后立即用塑料蓋密封環刀,防止水分散失,并迅速送到 BaPS系統中進行分析.主要測定土壤CO2產生速率、硝化速率和反硝化速率,測定結果為6個土壤樣品的平均值,其含義為每kg土壤每h產生的以CO2形式釋放的碳量和每kg土壤每 h通過硝化或反硝化作用轉化的氮的量,單位均為 μg/ (kg·h)[10-11].

1.4環境與生物因子測定

在測定根系生物量、水溶性有機碳(DOC)、硫酸根、硝酸根時所用土壤為環刀所取,這可保持與土壤 CO2產生速率、硝化速率和反硝化速率所取土層的一致,并且在每個處理設置了重復取樣小區和小區內重復采樣環刀,可減小采樣誤差.待土壤 CO2產生速率、硝化速率和反硝化速率測定結束后,將土壤樣品中的根挑出,用自來水洗凈,先在烘箱中以105℃殺青1h,再于70℃烘干至恒重后稱其干重,土壤根生物量以每 g土壤中所含的根生物量(即 mg/g)為計量單位.采用重量法測定土壤質量含水量,并換算為體積含水量.采用比色法測定土壤水溶性有機碳(DOC)[12].采用ICS-2000型離子色譜儀(美國戴安公司)測定土壤中硝酸根、亞硝酸根和硫酸根[13].

1.5數據分析

進行方差分析研究增溫和對照處理各碳氮循環過程(如:土壤CO2產生速率、硝化速率、反硝化速率等)的差異.進行 Pearson相關分析研究土壤各碳氮循環過程之間的相互關系.

2 結果與分析

2.1 土壤CO2排放速率動態變化

表1 土壤CO2產生速率、硝化及反硝化速率的比較[μg/(kg·h)]Table 1 Comparison of mean CO2 production rates,nitrification rates and denitrification rates [μg/(kg·h)]

圖2 土壤CO2產生速率的季節變化Fig.2 Seasonal variations in soil CO2 production rates

由表 1可見,本觀測階段測定的增溫和對照處理的土壤 CO2產生速率均值分別為(149.7±19.6)μg/(kg·h)和(114.5±11.6)μg/(kg·h).如圖 2 所示,5月13日增溫土壤CO2產生速率略低于對照處理,增溫對5月13日觀測CO2產生速率無顯著影響,而8月16日、9月2日、10月11日增溫土壤 CO2產生速率明顯高于對照處理,且促進了土壤CO2的排放(10月11日增溫和對照處理間土壤CO2產生速率存在極顯著性差異).

2.2 土壤硝化和反硝化作用

基于BaPS的土壤硝化速率測定表明,本觀測階段測定的增溫和對照處理的土壤硝化速率均值分別為(563.6±119.5)和(399.9±98.2)μg/(kg·h),反硝化速率均值分別為(319.7±94.6)和(216.2±44.7)μg/(kg·h)(表 1).由圖 3 可見,本觀測階段,增溫處理土壤硝化速率、反硝化速率均高于對照處理,其中2011年8月16日模擬增溫和對照處理間土壤硝化速率有邊際性顯著差異(P＜0.1),在其余觀測日增溫與對照處理之間無顯著差異,但增溫對土壤硝化、反硝化速率均起到了一定的促進作用.同期土壤根生物量、DOC的變化總體上呈現先下降后增加的趨勢,除2011年5月13日增溫處理高于對照處理之外,在其余所有測定日增溫處理均低于對照處理. 同期土壤亞硝酸根、硝酸根、硫酸根陰離子前期的變化增溫處理低于對照處理,后期增溫處理高于對照處理(圖4).

圖4 根生物量、DOC動態變化Fig.4 Dynamics of root biomass and DOC

2.3 土壤CO2產生速率、硝化和反硝化作用的影響因素

表2 土壤CO2產生速率、硝化及反硝化速率的雙因素(增溫和時間)方差分析Table 2 Two factors (warming and time ) ANOVA analysis for soil CO2 production, nitrification and denitrification rates

由于測定冬小麥和大豆兩個生長季,故采用雙因素(增溫和時間)方差分析,表 2表明,增溫對土壤CO2產生速率有顯著影響;時間對土壤CO2產生速率、反硝化速率有極顯著影響,因此增溫對CO2產生速率、反硝化速率有一定累積效應.

Pearson相關分析結果(表 3)表明,在增溫處理中,土壤CO2產生速率與土壤含水量、硝化速率與反硝化速率之間存在顯著相關關系(P＜0.05),DOC與土壤溫度存在顯著相關性(P＜0.05);硝化速率與反硝化速率之間存在顯著相關關系,這表明兩個氮轉化速率之間也存在內在聯系.硫酸根離子與硝酸根離子之間也存在顯著的相關關系.

圖5 土壤亞硝酸根、硫酸根、硝酸根季節變化Fig.5 Seasonal variations in soil nitrite, sulfate and nitrate

3 討論

3.1 溫度升高對土壤CO2產生速率的影響

Kirschbaum等[14]發現在氣候變暖條件下,溫度每升高 1℃,土壤有機碳損失 10%,如果對于儲碳量多,氣溫比較低的高緯地區,這一比例會更高.Niu等[15]在中國內蒙古多倫針對草地系統觀測結果表明增溫試驗降低了土壤中 CO2的交換.Welker等[16]研究表明長時間增溫可以增加北極高緯度地區苔原生態系統CO2的交換,但夏天某些地區會減少.孔雨光等[17]研究表明土壤中各種酶活性通過影響土壤中有機質的分解和轉化速率,從而影響土壤 CO2產生速率.Chen等[18]研究表明隨溫度升高土壤有機碳平均滯留時間減小.即碳周轉速度加快.進而可能會導致土壤碳庫的減少.在本研究中,隨著溫度的升高,土壤 CO2產生速率增加.小麥-大豆輪作生長季,增溫處理比對照土壤CO2產生速率高,特別是在大豆生長季,這種促進作用更明顯.本研究結果與以往的研究具有一致性.另外,增溫處理土壤CO2產生速率與水分具有顯著相關性(表3),而對照處理則無類似規律.本研究中,在主要生長季增溫處理土壤水分含量比對照低約10%,在增溫條件下,水分條件成為土壤CO2產生速率的重要影響因子,因而,增溫對土壤 CO2產生速率的影響不僅體現在溫度本身的效應,還通過影響土壤水分條件進而對土壤CO2產生速率產生間接影響.

表3 土壤CO2產生速率(R)、硝化速率(N)、反硝化速率(D)、土壤溫度(T)、土壤含水量(W)、根生物量(B)、水溶性有機碳(DOC)、亞硝酸根 、硫酸根 、硝酸根離子的Pearson相關分析Table 3 Pearson correlation analysis of Soil CO2 production rate (R), denitrification rate (D), nitrification rate (N), soil temperature (T), soil water content (W), root biomass (B), DOC, Nitrite, Sulfate and Nitrate

3.2 溫度升高對土壤硝化、反硝化作用的影響

Breuer等[9]研究表明土壤溫度促進硝化作用,而水分含量起到抑制的作用,Sabey等[19]發現在25℃時硝化作用最強,Verchot等[20]在美國黃石國家公園進行的研究發現總硝化速率與全碳、全氮、碳氮比等土壤理化性質指標都不存在顯著相關性.Menyailo 等[21]報道,在土壤化學性質和初始酶濃度等各項指標中,碳氮比能夠解釋中西伯利亞地區不同土壤類型間反硝化作用和N2O釋放量的87%的差異.本研究中,冬小麥-大豆輪作生長季,增溫均促進了土壤硝化速率,這與Breuer等[9]的結果一致.增溫對土壤硝化作用的影響不僅體現在溫度直接影響,由于本研究中作物主要生長季增溫和對照的平均土壤濕度分別為11.1%和12.2%,水分條件的改變可能影響土壤硝化速率.因而,與土壤 CO2產生速率類似,增溫對土壤硝化速率也通過土壤水分條件產生間接影響.

增溫對土壤碳氮循環的影響存在季節性效應和長期效應,在本研究一年的觀測階段中已經觀測到增溫對某些碳氮循環過程產生了影響,要更深入地研究增溫對土壤碳氮循環過程的影響并闡明其機制,還需要進行更長期的定位觀測試驗.

4 結論

4.1 在冬小麥田和大豆田, 模擬增溫均促進了土壤CO2產生速率,增溫對大豆田土壤CO2產生速率的促進作用高于冬小麥田,并且這種促進作用主要體現在作物生長后期.

4.2 模擬增溫顯著促進了冬小麥–大豆田的土壤硝化,但對反硝化速率無顯著影響.

4.3 模擬增溫對土壤中根生物量、DOC、亞硝酸根、硫酸根及硝酸根含量無顯著影響.

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