施肥對油茶園土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸及其溫度敏感性的影響

邵 蕊, 趙苗苗, 趙 芬, 沈瑞昌, 劉麗香, 張麗云, 徐明,*

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 南昌大學(xué)生命科學(xué)研究院流域生態(tài)學(xué)研究所,南昌 330031

人類活動引起的溫室氣體排放的增加是全球變暖的主要誘因,自工業(yè)化以來,大氣中二氧化碳、甲烷和氧化亞氮濃度顯著增加[1],其中,以CO2為主。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[2],其碳循環(huán)過程對調(diào)節(jié)大氣CO2濃度和地球系統(tǒng)的氣候動態(tài)具有十分重要的作用[3]。其中,土壤呼吸(Rs)是大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)間僅次于光合作用的碳通量渠道。土壤呼吸一方面直接影響大氣中CO2濃度,另一方面通過對氣候變暖的響應(yīng)進(jìn)一步影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。土壤呼吸對溫度變化響應(yīng)的劇烈程度,即溫度敏感性,是陸地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變暖響應(yīng)的重要參數(shù),可用Q10來表示, 即溫度每升高10℃,溫室氣體排放速率變化的倍數(shù)[4]。

施肥對大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要影響,一方面,施肥通過促進(jìn)作物生長增加生態(tài)系統(tǒng)碳固定影響土壤碳庫;另一方面,通過調(diào)節(jié)根系分泌物、土壤微生物群落組成與功能、無機(jī)氮含量等土壤理化性質(zhì),影響土壤呼吸。但由于環(huán)境因子和實驗方法等因素的差異,施肥對土壤呼吸及其組成的影響尚沒有統(tǒng)一結(jié)論[3,5]。有些研究表明,施肥顯著促進(jìn)土壤呼吸[6-7],其他一些研究則顯著降低土壤呼吸[8- 9]或者對土壤呼吸沒有顯著影響[10]。除了直接影響土壤呼吸,施肥還可以通過影響土壤碳庫來影響土壤呼吸溫度敏感性。根據(jù)Arrhenius方程,難分解有機(jī)質(zhì)通常具有更高的溫度敏感性,而根據(jù)Michaeli-Menten酶促反應(yīng)動力學(xué)方程,底物有效性能夠通過影響Vmax和Km的溫度敏感性,影響有機(jī)質(zhì)分解的溫度敏感性[4,11],并最終影響陸地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)。研究施肥對土壤呼吸溫度敏感性的影響對預(yù)測未來氣候變化背景下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程具有重要意義。

油茶(Camelliaoleifera)是中國南方重要的木本食用油料樹種,但是不同于森林等自然生態(tài)系統(tǒng),油茶栽培對土壤肥力要求很高,需肥量大,合理的施肥是促進(jìn)油茶生長、提高油茶產(chǎn)量和品質(zhì),以及防范土壤肥力衰退的重要措施[12- 13]。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和土地集約利用,油茶園種植面積逐漸增大,研究施肥對油茶園土壤呼吸及其溫度敏感性的影響,對于估算中國南方典型種植園林溫室氣體排放及其對氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。本研究采用靜態(tài)箱-氣相色譜法,通過多年觀測,分析探討施肥對油茶園土壤土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸及其溫度敏感性的影響。

1 研究區(qū)概況

本研究野外試驗在中國科學(xué)院千煙洲紅壤丘陵綜合開發(fā)試驗站(以下簡稱千煙洲站)展開。千煙洲站位于江西省泰和縣灌溪鎮(zhèn),115°04′13′′E, 26°44′48′′N。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年平均氣溫為17.9℃;多年平均降水量約為1490mm,主要集中在3—6月,占全年降水量的51%。土壤類型為紅壤,成土母質(zhì)主要包括紅色砂巖和砂礫巖的風(fēng)化產(chǎn)物,粘粒含量19%(<0.002mm),粉砂含量25%(0.002—0.02mm),砂粒含量56%(0.02—2mm)。土壤pH值為4.97,土壤容重是1.29g/cm3。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

設(shè)置施肥(OF)與對照(CK)兩個處理,每個處理3個重復(fù)。每個樣方為14m×10m的矩形,植株間距為2.8m×2m。樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置2個靜態(tài)箱進(jìn)行觀測。為了研究施肥對油茶園土壤異養(yǎng)呼吸及其溫度敏感性的影響,2013年3月初,采用壕溝法[14- 15]在每個樣方內(nèi)設(shè)置1m×1m斷根子樣方。根據(jù)前期調(diào)查油茶根系分布深度,挖溝槽深70cm,寬10cm。溝槽挖好后將PVC板貼斷根區(qū)內(nèi)壁放入槽內(nèi),回填底層土壤壓實,依次固定四周PVC板,并保證PVC板連接處閉合,然后再回填其余土壤并壓實。然后每個子樣方中設(shè)置1個靜態(tài)箱,其中對照和施肥處理的子樣方分別標(biāo)記為CK-T和OF-T。各處理土壤CO2通量觀測從2013年5月1日持續(xù)至2016年4月30日。CK采樣期內(nèi),定期清理斷根區(qū)內(nèi)新生草芽,選擇在草芽較小時用剪刀齊地剪掉,盡量減少對表層土壤的干擾。試驗所用化肥為復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O 15%∶15%∶15%),施肥量為360kg N hm-2a-1,在每年的4月中旬和8月中旬分兩次施入。施肥前將肥料充分溶解于水中,然后將肥料溶液均勻噴灑于各樣方中。

2.2 土壤CO2通量測定與計算

本研究采用靜態(tài)箱-氣相色譜法進(jìn)行土壤呼吸測定。靜態(tài)箱采用底面直徑為49cm,高為39cm的不銹鋼暗箱。在8：00—11：00之間,通過半自動人工采樣系統(tǒng),在扣箱0、10、20、30、40min后直接將氣體采集到12mL已抽真空的頂空進(jìn)樣瓶。生長季通常為每4—5d采集1次氣樣,在施肥或強(qiáng)降雨后加密采樣,每天1次持續(xù)1周。非生長季每10—15d采集1次氣樣。

利用氣相色譜儀(GC System, 7890A, Agilent Technologies)測定氣樣CO2濃度,利用公式1計算通量。

(1)

式中,F為CO2凈交換通量(mg C m-2h-1),ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2氣體密度(0.536kg/C m3),V是采樣箱的有效體積(m3),A為采樣箱所覆蓋的土壤面積(m2),T和T0為觀測時箱內(nèi)溫度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度(℃),P和P0為觀測時的大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa),dCt/dt為箱內(nèi)氣體濃度隨時間變化的斜率(μL/L)。

2.3 土壤理化性質(zhì)及微氣象因子觀測

靜態(tài)箱采取地表溫室氣體的同時,手工測定箱內(nèi)空氣溫度。土壤溫度通過土壤小氣候自動觀測系統(tǒng)獲取,溫度傳感器埋在土壤表層下5cm深處。在氣體采樣結(jié)束后的24h內(nèi),采集土壤表層(0—10cm)土壤樣品。為減少土樣采集對樣地干擾,研究期第1年生長季每12—15d 采集1次土壤樣品,非生長季每月底取樣;第2年和第3年,平均每月采集1次土壤樣品。將新鮮土樣過2mm篩后取80g左右放置冷柜保存。土壤無機(jī)氮濃度按照土水比1∶5(W/V),利用1mol/L KCl溶液提取后過濾,濾液上流動分析儀(AA3 HR AutoAnalyzer, SEAL, Germany)進(jìn)行分析測定。土壤DOC按照土水比1∶5(W/V)利用超純水提取,離心并取上清液抽濾后,用流動分析儀測定(AA3 HR AutoAnalyzer, SEAL, Germany)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用Van′t Hoff 指數(shù)模型(公式(2))來模擬土壤呼吸與溫度的關(guān)系。

R=aebT

(2)

式中,R為土壤呼吸速率,T為土壤溫度,a指溫度為0℃時的土壤呼吸速率,b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

采用公式(3)來計算土壤CO2通量的溫度敏感性Q10,

Q10=e10b

(3)

式中,b為公式(2)計算所得溫度反應(yīng)系數(shù)。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計正態(tài)性檢驗,不滿足正態(tài)性分布的情況下,采用自然對數(shù)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉恼龖B(tài)性分布后在進(jìn)行統(tǒng)計分析。本研究采用單因素方差分析方法檢驗處理間土壤CO2通量,年累積排放量和溫度敏感性(Q10)差異的顯著性。所有統(tǒng)計分析均在IBM SPSS 22.0(IBM, New York, United States)中進(jìn)行。圖形由SigmaPlot 10.0軟件實現(xiàn)。

3 研究結(jié)果

3.1 氣溫、土壤溫度和降水

研究期間,千煙洲試驗站日均氣溫變化范圍為-1.75—31.79℃,年內(nèi)氣溫呈單峰形態(tài)變化,最高日均溫出現(xiàn)在7月份,最低日均溫出現(xiàn)在1月份(圖1)。土壤溫度表現(xiàn)出與氣溫一致的季節(jié)變化規(guī)律(圖1),日均溫變化范圍為3.83—37.81℃。降水年內(nèi)分配不均,主要集中在3—6月,8—10月降水較少,易出現(xiàn)伏旱。

圖1 研究期間空氣溫度、土壤溫度和降水量Fig.1 Seasonal dynamics of air temperature, soil temperature and precipitation during the study period

3.2 CO2通量季節(jié)變化動態(tài)

不同處理下,CO2通量季節(jié)變化規(guī)律相似(圖2),均與溫度的季節(jié)變化基本一致。研究期間,OF和CK處理CO2通量變化范圍分別為16.93—195.82mg C m-2h-1和12.83—179.21mg C m-2h-1,平均值分別為(77.91±2.585)mg C m-2h-1和(73.71±0.97)mg C m-2h-1;OF-T和CK-T處理CO2通量變化范圍分別為9.32—175.58mg C m-2h-1和9.24—146.00mg C m-2h-1,平均值分別為(66.82±1.02)mg C m-2h-1和(66.84±3.94)mg C m-2h-1。方差分析結(jié)果表明,研究期間OF和CK處理間CO2通量無顯著差異(F=0.064,P=0.802),OF-T和CK-T處理間CO2通量也無顯著差異(F=0.020,P=0.889),即施肥對土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸均無顯著影響。

3.3 土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸溫度敏感性

不同處理下,CO2通量均與土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),其中土壤溫度約可解釋OF和CK處理63.6%—66.5%的變異(圖3),可解釋OF-T和CK-T處理54.4%—64.2%的變異(圖4)。根據(jù)指數(shù)方程系數(shù)計算得不同處理下CO2通量的溫度敏感性(CO2-Q10)。其中,OF和CK處理CO2-Q10變化范圍分別為1.74—1.80和1.68—1.80;OF-T和CK-T處理CO2-Q10變化范圍分別為1.94—1.97和1.73—1.85。各處理Q10依次為OF-T (1.96±0.01)>> CK-T(1.79±0.03)> OF(1.77±0.01)> CK(1.75±0.03)(圖5)。方差分析結(jié)果表明,OF和CK處理CO2-Q10無顯著差異(F=0.257,P=0.639),但OF-T處理CO2-Q10顯著高于CK-T處理(F=21.739,P=0.010)(圖5)。

圖2 土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸季節(jié)變化動態(tài)Fig.2 Seasonal dynamics of soil respiration and heterotrophic respiration during the study periodOF: 施肥, oil tea plots with fertilization; CK: 對照, oil tea plots without fertilization; OF-T: 斷根施肥, trenching plots with fertilization; CK-T: 斷根, trenching plots without fertilization

圖3 OF樣方和CK樣方,土壤呼吸與土壤溫度的指數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.3 The exponential relationships between soil respiration and soil temperature in the OF and CK plots

圖4 OF-T樣方和CK-T樣方,土壤異養(yǎng)呼吸與土壤溫度的指數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.4 The exponential relationships between soil heterotrophic respiration and soil temperature in the OF-T and CK-T plots

圖5 不同處理下土壤CO2通量溫度敏感性 Fig.5 Temperature sensitivity (Q10) of soil CO2 effluxes in different treatmentsOF: 施肥, oil tea plots with fertilization; CK: 對照, oil tea plots without fertilization; OF-T: 斷根施肥, trenching plots with fertilization; CK-T: 斷根, trenching plots without fertilization. 不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

3.4 CO2通量溫度敏感性與環(huán)境因子的關(guān)系

4 討論與結(jié)論

4.1 施肥對油茶園土壤CO2通量的影響

本研究中,油茶園土壤呼吸在該地區(qū)人工林土壤呼吸的變化范圍48.67—84.02mg C m-2h-1內(nèi)[9- 10,16- 17],與Sheng等[18]對中國南方亞熱帶地區(qū)橘園和王超等[19]對福建栗園(66.96mg C m-2h-1)的研究結(jié)果相接近(73.01mg C m-2h-1),但明顯低于Liu等[20]對龍眼種植園(109.89mg C m-2h-1)和王超等[19]對柑橘園(115.78mg C m-2h-1)的觀測結(jié)果,高于Iqbal等[21]對桃園土壤呼吸的研究結(jié)果(22.64mg C m-2h-1)。這種差異可能是由于區(qū)域氣候[3],不同園林細(xì)根生物量、植株生產(chǎn)力及地下碳分配、土壤碳庫[20],以及施肥等管理方式的不同造成的。此外,研究方法不同也可產(chǎn)生一定的差異[5]。

圖6 土壤CO2通量溫度敏感性與土壤表層和含量的相關(guān)關(guān)系Fig.6 The relationships between temperature sensitivity (Q10) of soil CO2 effluxes (Q10) and soil and contentOF: 施肥, oil tea plots with fertilization; CK: 對照, oil tea plots without fertilization; OF-T: 斷根施肥, trenching plots with fertilization; CK-T: 斷根, trenching plots without fertilization. 不同字母表示土壤表層同一物質(zhì)含量處理間差異顯著(P<0.05)

本研究中,施肥對土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸均無顯著影響,但在一定程度上促進(jìn)了Rs,這與Deng等[22]對中國亞熱帶森林的研究結(jié)果一致,可能是由于施肥促進(jìn)了油茶植株生長,使根系生物量增加,因此促進(jìn)了Rs。已有研究表明,施肥對Rs的促進(jìn)作用主要是由于施肥對根系自養(yǎng)呼吸的影響造成的[3,22]。此外,施肥對Rh表現(xiàn)出微弱的削減作用,這與Zhou等[3]的萃取分析結(jié)果一致,其研究表明氮肥可通過改變土壤微生物群落、降低微生物生物量、抑制土壤氧化酶活動等途徑抑制土壤異養(yǎng)呼吸,因此削弱了土壤異養(yǎng)呼吸。

表1 不同處理下土壤表層和含量 (Mean±SE)

4.2 施肥對油茶園土壤呼吸溫度敏感性的影響

一項萃取分析的研究結(jié)果表明,全球各類陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的溫度敏感性(Q10)均值為(2.6±1.2),中位數(shù)為2.39,其中沼澤濕地(3.3±0.3)和苔原(3.4±0.3)顯著高于森林(2.5±0.2)和草地(2.5±0.2)[23]。本研究中,油茶園土壤呼吸溫度敏感性Q10變化范圍為1.68—1.97,低于全球森林土壤呼吸溫度敏感性,稍高于Sheng 等[18]和王超等[19]對中國南方亞熱帶橘園的研究結(jié)果(Q10分別為1.66和1.58),但是與中國亞熱帶森林(1.86)[22]、中國亞熱帶地區(qū)果園有機(jī)碳礦化Q10(1.81)[24]以及錐栗園土壤呼吸Q10(1.75)[21]相近的研究結(jié)果相近。此外,油茶園土壤異養(yǎng)呼吸Q10與Winkler等[25]的研究結(jié)果一致。

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