不同干濕交替頻率對土壤速效養分、水溶性有機碳的影響

李夢尋,王冬梅,任 遠,汪西林

北京林業大學水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083

土壤經歷干旱和濕潤這種交替出現的循環過程是干濕交替[1],降雨、蒸散、排水等過程均會引起土壤水分變化[2-3],土壤常常經歷干濕交替。干濕交替會影響鉀、氮、磷的轉化和運移[4-6],還會讓土壤發生“Birch效應”[7],影響微生物活動和土壤微生物呼吸。速效養分、土壤水溶性有機碳與植物、微生物生長活動息息相關,參與生物地球化學循環[4-6,8]。土壤表層土的速效養分最直接地影響到植物生長,鉀、氮、磷在供給植物生長過程中,參與鉀循環、氮循環、磷循環。土壤水溶性有機碳(DOC,Dissolved organic carbon)是土壤中易被微生物氧化的碳源[9]和微生物的重要能量來源[8],參與碳循環并且是土壤碳庫比較活躍的成分。DOC可作為衡量微生物活動CO2釋放量的重要指標[10]和土壤有機碳礦化作用的指示指標[11]。

根據全球氣候系統的預估,未來各地區降水的變化趨勢不一致,全球很多區域強降水、干旱等極端氣候事件增多,在大部分中緯度陸地地區和濕潤的熱帶地區,極端降水事件很可能強度更大,頻率更高[2,12]。這意味著溫帶地區未來會經歷周期更短、更加劇烈的干濕交替(多次降雨或單次長時間的連續降雨引起的干濕交替)。

國內外很多學者研究表明干濕交替過程對不同速效養分、DOC有重要影響,頻繁的干濕交替影響氮素在土壤中的累積、遷移、損失等過程,不同的研究學者對干濕交替影響下土壤氮素轉化的說法卻不一致：干濕交替可能會使土壤氮素礦化增加、降低或影響不顯著[6]。干濕交替會降低土壤中水溶性有機碳含量[8,11,13-17],也有學者持有不同觀點：干濕交替以及頻繁的干濕交替會增加土壤中的水溶性有機碳[18-19],還有研究表明溶解性有機碳隨干濕交替次數增加而增加[19]。因為不同研究試驗中選取的土壤類型、設置的干濕交替頻率、時間長短、溫度、干旱濕潤程度、培養環境不同,干濕交替對不同速效養分、DOC的影響結果不同,現仍未統一。

目前國內外研究主要集中在干濕交替對碳庫的影響、對困難立地土壤的影響、對生物地球化學循環的影響等方面,大多研究中干濕交替頻率和干燥與濕潤的持續時間依據各自地區或者土壤特性來定,程度多樣,導致各干濕交替各具特色,結果不一,難以探討干濕交替頻率增加、干燥與濕潤的持續時間減少,對速效養分、DOC影響程度。本研究針對不同的干濕交替頻率進行室內模擬控制實驗設計,設計總長度一定、一系列頻率不同的干濕交替實驗,同時保持其他條件一致：同一種土壤、相同的干濕交替的干旱、濕潤程度、培養溫度一定等,對比分析不同干濕交替頻率下速效鉀、硝態氮、銨態氮、速效磷、DOC的變化。從而研究土壤微環境在不同干濕交替頻率影響下的變化狀況,為更好地理解長時間的季節性變化下的營養物質保持與損失的生物地理化學相關作用,為不同降水格局下半干旱地區表層土壤微環境的改變提供變化依據,進而為半干旱地區表層土壤微環境對全球氣候變化背景下降水格局改變的響應提供依據[2]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選取北京褐土作為研究對象,取表層土(0—10cm)土于北京市西山試驗林場(39°58′17.5″N與116°11′08.9″—116°11′08.8″E的范圍,海拔255—257m),將土樣帶回實驗室,風干后挑出石塊與可見植物殘體,過2mm篩,置于陰涼通風處備用。土壤理化性質詳見表1。

土壤表層取6個環刀,采用烘干法[20]測量土壤飽和含水量、容重、總孔隙度。

表1 土壤理化性質

1.2 試驗方案

圖1 干濕交替頻率設置與取樣時間Fig.1 Frequency of drying and rewetting and sampling time 組別中DW1、DW2、DW3、DW4是1、2、3、4次干濕交替組(1,2,3,4 drying-rewetting cycles)的簡稱,CM是恒濕組(constantly moist)的簡稱

取風干土50g于250mL磨砂廣口瓶,置于光照培養箱(25℃,光照12h,黑夜12h,用黑布遮住培養箱門)中進行培養。每24h用小風扇給廣口瓶進行通氣。試驗進行58d,其中前10d為土壤培育期,采取濕潤處理。設置土壤培育期是因為微生物在物理干擾后需要經過一段時間(10d左右)活動才能穩定下來,也為了在試驗處理開始前讓風干土進入濕潤狀態[21-22]。后48d為試驗期,采取干燥-濕潤交替處理,共設置5組不同頻率的干濕交替試驗組(在48d內,進行0、1、2、3、4次干濕交替),其中干濕交替組4組,恒濕組1組(0次干濕交替,記為CM,constantly moist),所有組均設置3個重復。具體干濕交替時間安排表見圖1。試驗結束后(第59天)風干后取土進行各項指標測定(圖1),與試驗前的土壤理化性質進行比較分析。

試驗期干濕交替組干燥處理過程與濕潤處理過程采取相同天數,一次干燥后再濕潤的過程視為一次干濕交替,恒濕組的土壤則一直處于恒濕狀態。干燥處理如下：于磨砂廣口瓶內懸掛小包干燥劑(經105℃過夜干燥后的硅膠,可重復利用)[18]并每天更換一次使土壤含水量降低,每天稱重來記錄土壤含水量(用這種方法,土壤會在3天內達到風干狀態,并且土壤含水量不會再進一步下降)。濕潤處理如下：用滴管向土壤中滴加蒸餾水,用稱重法使其重量含水量達到土壤飽和含水量的68%,每天適當滴加蒸餾水維持其土壤含水量恒定(且各組統一)[23]。

取樣時間為箭頭所指時間。陰影部分表示濕潤處理時間,空白部分表示干燥處理時間,前10天陰影部分表示10d的培育期,后48天設置0、1、2、3、4次干濕交替,0次干濕交替為恒濕組(CM,constantly moist)。一次干濕交替中干燥時長與濕潤時長相同,1次干濕交替(DW1,1 drying-rewetting cycle),干濕交替周期48d,其中干燥24d,濕潤24d；DW2組(2 drying-rewetting cycles)干濕交替周期24d,其中干燥12 d,濕潤12 d；DW3組(3 drying-rewetting cycles)干濕交替周期16d,其中干燥8d,濕潤8d；DW4組(4 drying-rewetting cycles)干濕交替周期12d,其中干燥6d,濕潤6d。

1.3 測定指標、方法與數據分析方法

速效鉀用乙酸銨提取法-火焰光度計進行測量[24-25],速效磷用NaHCO3提取法-Smartchem全自動化學分析儀進行測量[5,26],銨態氮采用KCl溶液浸提-Smartchem全自動化學分析儀測量[27-28],硝態氮采用KCl溶液浸提-Smartchem全自動化學分析儀測量[27],水溶性有機碳取1∶5水土比溶液震蕩后過濾清液,過0.45μm膜,酸化后用Liqui TOC-Analyzer總有機碳分析儀測定[8],土壤pH用pH計測量1∶5水土比溶液過濾后的清液[8,25,29]。

采用SPSS 18.0(Chicago,USA)軟件,單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗了不同干濕交替頻率對土壤pH、速效鉀、速效磷、銨態氮、硝態氮、水溶性有機碳、水溶性K+、水溶性Na+的影響,并用LSD法進行兩兩比較。

2 結果

2.1 試驗前后速效養分、DOC的變化

土壤試驗前后速效養分、DOC的變化見表2,結果表明：與試驗前相比較,在干濕交替處理下,土壤中速效鉀含量平均降低了10.35%(P=0.004),DW1、DW2、DW3、DW4組分別降低了12.21%、11.53%、11.53%、6.11%；硝態氮含量平均提高了400.73%(P<0.001),DW1、DW2、DW3、DW4組分別提高了356.40%、408.22%、392.03%、446.25%；土壤銨態氮含量平均降低了73.68%(P<0.001),DW1、DW2、DW3、DW4組分別降低了72.45%、80.57%、71.89%、69.81%；土壤中DOC含量平均降低了38.39%(P<0.001),DW1、DW2、DW3、DW4組分別降低了39.93%、34.15%、34.78%、44.70%。不同頻率的干濕交替組對速效磷、pH影響不顯著(P>0.05),與試驗前無顯著差異,速效磷平均只降低32.68%,DW1、DW2、DW3、DW4組分別降低了1.90%、43.33%、50.57%、34.90%,pH平均只增加了1.91%,DW1、DW2、DW3、DW4組分別提高了2.42%、1.09%、3.56%、0.57%,見表2。

表2 土壤試驗前后速效養分的變化(均值±標準誤)

DW組均值指DW1、DW2、DW3、DW4四組數據求算術平均值；同列不同字母表示在0.05水平上的差異顯著性,相同字母表示在0.05水平上組間差異不顯著;組別中DW1、DW2、DW3、DW4是1、2、3、4次干濕交替組(1,2,3,4 drying-rewetting cycles)的簡稱,CM是恒濕組(constantly moist)的簡稱

2.2 不同干濕交替頻率對速效養分的影響

對干濕交替組與恒濕組速效養分進行兩兩比較結果(圖2),結果表明：DW1、DW2、DW3組的土壤速效鉀含量顯著低于CM組,但DW4組與CM組沒有顯著差異,對比CM組,DW組平均降低了9.73%(P=0.005),不同頻率的各組對比中,DW1、DW2、DW3、DW4組無顯著差異,DW4均值略大于DW1、DW2、DW3組(圖2a),DW4組比DW1組高6.96%；對比CM組,各DW組硝態氮含量顯著低于CM組,DW組平均降低了20.83%(P<0.000),DW2、DW3兩組之間不存在顯著差異,DW4組與DW1組存在顯著差異(圖2b),DW4組比DW1組高19.69%(P=0.016)；土壤銨態氮含量在不同頻率的干濕交替組之間沒有顯著差異(表2),對比CM組,DW組平均降低了27.72%,最高值為DW4組,最低為DW2組,DW4組比DW2組高55.34%。由對比結果可知,隨著干濕交替頻率的增加,干濕交替組速效鉀及硝態氮含量與恒濕組趨于同一水平。

圖2 干濕交替與恒濕組速效養分兩兩比較結果Fig.2 Available nutrients in constantly moist and drying-rewetting treatment soils

虛線代表各指標的試驗前的水平。不同字母表示在0.05水平上的差異顯著性,相同字母表示在0.05水平上組間差異不顯著。組別中DW1、DW2、DW3、DW4是1、2、3、4次干濕交替組(1,2,3,4 drying-rewetting cycles)的簡稱,CM是恒濕組(constantly moist)的簡稱。

2.3 不同干濕交替頻率對DOC的影響

圖3 干濕交替與恒濕組DOC含量兩兩比較結果 Fig.3 DOC in constantly moist and drying-rewetting treatment soils 虛線代表各指標的試驗前的水平。不同字母表示在0.05水平上的差異顯著性,相同字母表示在0.05水平上組間差異不顯著

對干濕交替組及恒濕組DOC含量進行兩兩比較,結果如下：各DW組的DOC含量顯著低于CM組,DW組平均低于CM組22.89%(P<0.000),不同頻率干濕交替組對比中,DW4組DOC含量顯著低于DW2、DW3組(圖3),對比DW2、DW3組,DW4組分別降低了16.02%、15.20%(P<0.05)。土壤經歷恒濕狀態會降低DOC含量,較試驗前降低了20.01%,土壤經歷干濕交替狀態DOC降低的程度比較大,相較恒濕狀態,干濕交替能顯著降低土壤中DOC含量。

3 討論

3.1 試驗前后速效養分、DOC的影響

本試驗中干濕交替能顯著降低土壤中速效鉀含量,速效鉀的含量在干濕交替后降低是因為溶液中的鉀離子或吸附在土壤顆粒上的交換性鉀離子進入2∶1型黏土礦物的晶層之間,被鑲嵌在六角形網眼中,轉化成非交換性鉀,從而降低鉀的有效性[25,30]。

干濕交替刺激土壤提升其硝化勢[11,19],使硝態氮提高[27],銨態氮降低[1,6,11,19,31-32],這在本試驗中得到了驗證,與土壤中的氮轉化過程有關,氮轉化過程包括硝化作用、生物固氮作用、反硝化作用和氨化作用[33-35]。試驗過程中,每24h會進行通氣一次,氧氣供應良好,適于硝化作用的發生,通氣培養有利于硝化細菌活動,土壤中存在的銨態氮和有機氮礦化產生的銨態氮,都會很快經硝化作用形成硝態氮[36-37]。另外,恒濕組CM硝態氮含量最高是因為濕潤狀態維持68%的土壤飽和含水率,并未大量堵塞土壤中孔隙,在通氣良好的情況下,長期積累硝態氮的結果。

任文暢在綜述干濕交替對土壤磷素遷移轉化影響中提出干濕交替對磷素轉化為難利用的磷的效果在不同的研究者的相關研究中出現不同結果,仍存在爭議[38],曹琳研究三峽庫區消落帶干濕交替與磷轉化機理研究中發現干濕交替對不同形態磷有不同的作用效果：有利于土壤釋放較穩定的閉蓄態磷和鈣結合態磷,同時有利于累積活性高的有機磷和活性磷[39]。故干濕交替對比連續水淹,土壤釋放磷的量是增多還是減少,目前還存在爭議。本試驗中干濕交替對速效磷的影響并不顯著,相較于曹琳的試驗中較長時間(1a)的干濕季節[40],本試驗的干濕交替總時長(48d)較短,故變化規律體現不出來。

土壤水溶性有機碳是土壤中易氧化的碳源[9],可作為土壤有機碳礦化作用的指示指標[11]和衡量CO2釋放量的重要指標[10]。干濕交替顯著減少土壤中水溶性有機碳含量[8,11,13-17],土壤呼吸量與土壤有機碳含量之間存在負相關關系[17],干濕交替可能提高了土壤呼吸總量,土壤水溶性有機碳含量因而降低。Fierer等[41]研究兩種草地在干濕交替試驗中釋放的CO2量大約是用K2SO4溶液提取的有機碳的10—20倍,與本文研究結果一致：本試驗中干濕交替釋放的CO2量大約是水溶性有機碳的80倍(數據未顯示)。土壤中原有的或分解得到的水溶性有機碳會源源不斷的供應給土壤呼吸作用,干濕交替會降低土壤中水溶性有機碳。與此同時,很多學者持有不同觀點,認為干濕交替以及頻繁的干濕交替會增加土壤中的水溶性有機碳,大體因為土壤結構膨脹、團聚體破壞、微生物在干旱時期的死亡、水分對微生物活性的影響等[10,19]過程導致水溶性有機碳增加。

3.2 不同干濕交替頻率對速效鉀、硝態氮的影響3.2.1 速效鉀

土壤經過1次、2次和3次干濕交替處理后,速效鉀的含量顯著低于恒濕組[5],隨著干濕交替頻率增加,當達到4次時(周期小于等于12d時),干濕交替DW4組土壤速效鉀與恒濕組CM已不存在顯著差異(圖2a)。

在本研究中,低次數的干濕交替使土壤速效鉀含量降低(DW1、DW2、DW3)是由于干濕交替的土壤會發生明顯的固鉀作用[4,25]；而叢日環等[42]研究指出如果土壤速效鉀水平不高,則不僅不會固定,頻繁的干濕交替還可能使土壤發生釋鉀現象,頻率高的DW4組中前幾次的干濕交替使得土壤速效鉀水平不高,但隨著干濕交替次數趨于頻繁,土壤可能出現的釋鉀現象,導致土壤速效鉀升高。由此可推測,在多次的干濕交替過程中,對土壤速效鉀的影響存在兩個階段：第一階段是前幾次干濕交替使得土壤速效鉀的降低；第二階段是隨著干濕交替次數的增加,土壤開始出現釋鉀現象,速效鉀含量開始回升。事實上,針對本研究,固定時間內(48d),干濕交替頻率越高,進行越多次數的干濕交替,土壤速效鉀含量越可能回升,隨著干濕交替頻率增加達到4次,土壤速效鉀含量與恒濕組速效鉀含量已經無顯著差異,4次干濕交替頻率是出現速效鉀回升的臨界次數。

3.2.2 硝態氮

隨著本試驗中干濕交替頻率增加,硝態氮含量增加可從有機氮與無機氮轉化的方面來進行分析。Miller等[32]的研究指出低頻率的干濕交替的凈氮礦化量較高頻率的干濕交替低,低頻率的干濕交替循環更容易促進氮固定,高頻率的干濕交替循環更容易促進氮礦化。

干濕交替對土壤氮素礦化的影響還可從培養時間方面來分析,對半干旱生態系統中的土壤研究發現,在干土再濕潤最初的一段時間內對土壤氮素礦化的刺激程度要高于土壤氮素的固定,并引起土壤無機氮的短期波動,經過一段時間,氮素的礦化和固定速率均降低,將達到一個平衡[6,43]。干濕交替頻率越高,周期越短,在相同時長之下,干土再濕潤次數越多,硝態氮含量就會明顯高于次數較少達到氮素的礦化和固定速率平衡的干濕交替組。在本研究中,氮固定過程與氮礦化過程之間也存在某種平衡,當干濕交替達到某一頻率(4次,周期小于12d),就可能會改變它們之間的平衡狀態,頻率繼續增加會使得氮礦化過程比重增加,硝態氮含量增加,DW1、DW2與DW3組干濕交替頻率相對較低,氮素的礦化和固定速率能夠在周期內回到平衡狀態,因此硝態氮含量顯著低于DW4組。

綜上,由本研究結果,干濕交替頻率與速效鉀、硝態氮之間的關系為：不同的干濕交替頻率對土壤速效鉀、硝態氮含量影響程度不同,頻率增加到4次干濕交替后,土壤速效鉀含量與恒濕組已無顯著差異,而硝態氮也出現明顯的上升趨勢。總結干濕交替對速效鉀、硝態氮的影響可知,土壤速效養分的含量變化是一個復雜的平衡系統,當受到干濕交替刺激的時,該平衡會向著土壤養分增加或減少改變。實際上,以數學微積分的概念來看,在固定時間段內,干濕交替頻率的增加,干燥天數更分散地插入其中,干燥與濕潤狀態持續時間變短,平衡改變越頻繁,使得干濕交替組土壤養分含量與恒濕組趨于同一水平。以往研究速效養分與干濕交替的影響并未集中在干濕交替頻率上,多數研究只采取一次干濕交替或兩種不同頻率的干濕交替,而不同研究者的試驗之間,變量太多,故控制其他因素、針對不同干濕交替頻率對速效養分的試驗就顯得很必要,本文針對此進行了試驗,詳細探究了不同干濕交替頻率下速效鉀和硝態氮的含量變化。

3.3 不同干濕交替頻率對DOC的影響

DOC含量中,各DW組顯著低于CM組(P<0.05)(圖3),即對比恒濕組,干濕交替處理相對降低了土壤可溶性有機碳含量。微生物由干燥階段進入濕潤階段會刺激微生物活性,釋放CO2[44],主要經歷3個階段：突然復水導致微生物迅速代謝掉大量細胞溶質或產生滲透調節物質來降低自身溶質的濃度[19,45],來平衡突然改變的細胞內外水勢[46-47]；復水后,在水分條件好的情況下微生物進行頻繁的生長繁殖活動,平衡水勢與生長繁殖過程中頻繁的微生物活動會極大地消耗土壤中DOC這類小分子有機碳水化合物；隨著持續濕潤和底物消耗,微生物活動減弱直至一個平緩狀態。本研究中干濕交替處理下DOC含量低于恒濕組有可能是干濕交替作用下土壤DOC的消耗量大于土壤DOC的供應量所致,在張雪雯等[8]、王苑等[15]設計的多次干濕交替實驗中,每一次干濕交替后土壤DOC總低于恒濕組,很好地解釋了這一結果。目前土壤DOC的相關研究中提及的供應來源有：土壤團聚體破碎[10,15,31]、崩解作用[46]、微生物在干旱階段死亡而暴露到土壤中有機質[10,48]等,但大多只是推測,缺乏在單一因素影響下針對DOC消耗量與供應量的量化研究,這也是本研究和今后研究中的難點。

4 結論

(1)經過干濕交替,土壤中速效鉀、銨態氮、DOC的含量下降,硝態氮含量增加,速效磷、pH的變化不明顯。土壤中速效鉀、硝態氮、DOC含量恒濕組比干濕交替組高。

(2)在固定時間內(48d),隨著干濕交替的頻率增加(從1次到2、3、4次),周期變短(從48d到24、16、12d),干燥與濕潤的持續時間變短(從24d到12、8、6d),干濕交替組的速效鉀、硝態氮含量分別趨于恒濕組的速效鉀、硝態氮水平。低頻率的干濕交替使得土壤速效鉀含量減少,高頻率可能在后期出現釋鉀現象,4次干濕交替頻率是出現速效鉀回升的臨界次數,速效鉀含量隨著干濕交替頻率增加可能會有所增加,趨近恒濕組速效鉀水平。干濕交替頻率增加更頻繁的打破平衡,促進礦化,隨著干濕交替頻率增加,硝態氮含量增加,趨近恒濕組硝態氮水平。

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