增溫和施氮對亞熱帶杉木人工林土壤溶液養分的影響

元曉春,楊景清,王 錚,袁 碩,楊舟然,陳岳民,*,楊玉盛

1 福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地,福州 350007 2 福建師范大學地理科學學院,福州 350007

增溫和氮沉降是現今乃至未來全球氣候變化的兩大趨勢。增溫,氮沉降等氣候變化會改變陸地生態系統的生物地球化學循環過程,如改變植物初級生產力[1- 2],微生物群落結構[3],土壤呼吸和土壤氮礦化[4],還可引起養分元素供應失衡等諸多生態問題[5]。其中對土壤養分循環的影響尤其受到國內外的關注[6- 8]。

森林養分的動態檢測大多以土壤為研究對象[9- 11],而采用原位采集土壤溶液的研究較少。土壤溶液中養分濃度的高低可以更加清楚地反映土壤養分的供應狀況和作物吸收養分的難易程度。土壤溶液組分被認為是森林生物地球化學循環過程的敏感指標,其能快速響應周圍環境的干擾和變動[12]。土壤溶液無機組分一直都是土壤養分動態檢測的重要指標,其對植物生長至關重要。礦質元素如鉀 (K)、鎂 (Mg)、鈣(Ca)、鐵 (Fe)均為植物生長的必需礦質元素,鈉 (Na)、鋁 (Al)為植物有益元素。礦質元素含量變化能在一定程度上影響植物的生理和生長特性[11]?？扇苄杂袡C質(dissolved organic matter,DOM)普遍存在于陸地和水生生態系統[13],是土壤溶液中關鍵而敏感的有機組分。雖然其占土壤有機質的比例小于5%,但其活性高,在養分周轉中起橋梁作用,直接反映土壤養分狀態。DOM是植物根系獲取養分的直接來源,并能為微生物的新陳代謝提供能源物質[14- 15]。

氣候變遷是氣候變暖和氮沉降等氣候條件多重影響的結果,或許我們更加關注的是雙因子交互作用。李博等[28]對葉片礦質元素的研究就表明增溫和施氮對K+、Ca2+、Mg2+等離子均存在明顯的交互作用,我們前期對土壤溶液的監測也顯示雙因子交互作用可能并不是單因子影響的簡單疊加[29]。增溫,施氮對養分元素循環過程的影響十分復雜,交互作用的影響機制需要更多的探索。

本研究在福建三明森林生態系統與全球變化研究站對杉木幼苗小區土壤溶液進行了兩年的動態觀測。其主要目的在于探究增溫、施氮及增溫+施氮雙因子交互作用對土壤溶液有機組分及無機組分的影響。通過本研究了解土壤溶液養分對當前氣候變化的響應,可為維持和提升林地土壤養分提供極大的理論依據。同時可對氣候變遷下土壤養分響應趨勢做初步估算,具有一定的現實意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地區概況

試驗地位于福建三明森林生態系統與全球變化研究站(26°19′N,117°36′E),平均海拔300m,平均坡度27.5°—35°,屬中亞熱帶季風氣候,年均溫19.1℃,年均降雨量1749mm,年均蒸發量1585mm,相對濕度81%,土壤為黑云母花崗巖發育的紅壤,pH為4.6—5.3[25]。研究區日均氣溫及日降雨量圖如圖1。

圖1 研究區日均氣溫及日降雨量 (2014年6月—2015年5月)Fig.1 Daily mean air temperature and precipitation at study area during this study period (from June 2014 to May 2015)

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計

在試驗地設置30個2m×2m的小樣方,設置土壤增溫(增溫、不增溫)×施氮(不施氮、施低氮、施高氮)雙因子試驗,包括對照(CT,不增溫不施氮)、增溫(W,+5℃)、低氮(LN,40kg N hm-2a-1)、高氮(HN,80kg N hm-2a-1)、低氮+增溫(WLN)、高氮+增溫(WHN),共6種處理,每種處理各5個重復,每個重復都有做挖壕溝處理。

土壤增溫在增溫小區土壤10cm深處布設增溫電纜,采用自主研發PID土壤主動增溫控制系統,增溫幅度為5℃。增溫小區比對照小區溫度高5℃,當溫度差小于5℃時,土壤開始增溫,溫差達到5℃時,增溫停止。同時每個小區內溫度、水分傳感器等設備均有相應布設[25,30]。施氮采用人工噴灑 NH4NO3(分析純)溶液的形式,即在每月月初分別稱取3.6、7.2g的NH4NO3溶于800mL去離子水中。將配置好的NH4NO3溶液倒入噴壺中,模擬林冠氮沉降,分別在LH和HN小區(林冠上)來回噴灑均勻3—4次,同時在CT小區用同樣方法噴灑等量的去離子水[29]。杉木幼苗于2013年11月栽植,每個樣方4株。

1.2.2 土壤溶液采集

分別在每個實驗小區壕溝內15、30、60cm處布設土壤溶液取樣器(suction lysimeter,SM32),定期原位采集土壤溶液。于2014年5月—2016年4月進行溶液采集,采樣頻率為1個月1次。采集方法為負壓法[29],即用真空泵將土壤溶液取樣器抽成近真空狀態,待24h后再將水樣抽出。

1.2.3 測定項目與方法

酸中和能力(acid neutralising capacity forcing,ANC Forcing)可用以衡量土壤溶液潛在的酸誘導力,其計算公式[19]如下：

(1)

1.3 數據分析

采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較處理之間的差異。利用Origin 9.0軟件作圖。圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果

2.1 土壤溶液中溶解性總氮(DTN)和硝態氮

圖2 增溫和施氮下土壤溶液DTN和濃度(2014年4月—2016年4月)Fig.2 The concentrations of DTN and in soil solution in warming and nitrogen addition treatments from April 2014 to April 2016CT：對照,Control;W：增溫,Warming;LN：低氮,Low nitrogen;HN：高氮,High nitrogen;WLN：低氮+增溫,Warming and low nitrogen;WHN：高氮+增溫,Warming and high nitrogen;N：施氮效,Nitrogen addition effect;W：增溫效應,Warming effect;WN：增溫和施氮交互效,Interaction effect of warming and nitrogen addition;ns：沒有顯著差,No significant differences;不同處理之間的差異性用*表示：*P<0.05; ** P <0.01; *** P <0.001

2.2 土壤溶液中Fe3+,Al3+含量

圖3中,各處理對15cm 以下Fe3+、 Al3+含量的影響較為顯著,增溫顯著降低了15—30cm中間土層Fe3+、Al3+含量,對表、底兩層無顯著影響。施氮顯著增加了15cm以下土層Fe3+含量,對各土層Al3+均無顯著影響,僅高氮對15—30cm土層Al3+有顯著抑制作用。增溫+施氮均顯著促進了30—60cm底層Fe3+、Al3+含量的增加,抑制了15—30cm Fe3+含量。整體而言,增溫+施氮對15—30cm土層Al3+含量無顯著影響,由于增溫+低氮和增溫+高氮對其的作用出現一促進,一抑制的趨勢。對照處理Fe3+、Al3+含量隨土層加深呈現先增后降的趨勢,而增溫及增溫+施氮后Fe3+、Al3+含量隨土層先降后升,尤其是增溫+施氮。

圖3 增溫和施氮對土壤溶液Fe3+和Al3+濃度影響Fig.3 The effects of warming and nitrogen addition on the concentrations of Fe3+ and Al3+ in soil solutions

2.3 土壤溶液K+、Ca2+、Na+、Mg2+含量

表1中,增溫顯著增加15—30cm土層K+離子含量,降低表層Mg2+離子含量。施氮及增溫+施氮對溶液K+、Ca2+、Mg2+含量均無顯著影響。各處理均降低溶液Na+離子含量,尤其對表層Na+離子有極顯著的抑制作用,其中增溫及增溫+低氮表層Na+含量分別為對照的28.5%和47.4%。

2.4 土壤溶液DOM濃度

表2中,增溫,施氮及增溫+施氮均顯著降低了表層土壤溶液DOC濃度,其中施氮對DOC濃度的抑制作用大于增溫,低氮及高氮對表層DOC濃度均值分別降低了39.7%,34.2%。增溫+低氮和增溫+高氮對表層DOC濃度降低比例與施氮相當,分別為37.2%,37.8%。隨土層加深,高氮對底層DOC濃度抑制作用依舊顯著。增溫、施氮對各土層DON濃度均無顯著影響,但增溫+施氮對DON濃度呈現顯著促進作用。增溫+低氮在0—15,30—60cm土層的DON濃度分別是對照的1.7,1.8倍。增溫及施氮單因子均對DOC∶DON無顯著影響,但增溫+施氮卻顯著降低了表層DOC∶DON。

表1 增溫和施氮對土壤溶液K+、Ca2+、Na+、Mg2+含量影響

CT：對照,Control;W：增溫,Warming;LN：低氮,Low nitrogen;HN：高氮,High nitrogen;WLN：低氮+增溫,Warming and low nitrogen;WHN：高氮+增溫,Warming and high nitrogen;N：施氮效,Nitrogen addition effect;W：增溫效應,Warming effect;WN：增溫和施氮交互效,Interaction effect of warming and nitrogen addition;ns：沒有顯著差,No significant differences;不同處理之間的差異性用*表示：*P<0.05; **P<0.01; ***P<0.001

表2 增溫和施氮對土壤溶液DOC,DON和DOC：DON影響

DOC：溶解性有機碳,dissolved organic carbon;DON：溶解性有機氮,dissolved organic nitrogen

2.5 土壤溶液酸中和能力

圖4中,施氮對土壤溶液ANC Forcing無顯著影響,僅在0—15cm土層低氮顯著促進了ANC Forcing,而高氮處理下ANC Forcing出現負值。增溫及增溫+施氮各土層ANC Forcing均為負值,且在負方向有顯著增強。

圖4 增溫和施氮對土壤溶液酸中和能力的影響 Fig.4 The effects of warming and nitrogen addition on acid neutralising capacity forcing in soil solutions

3 討論

3.1 土壤溶液養分對增溫的響應

礦質元素對植物生長至關重要,植物生長過程中必須的礦質元素含量變化能在一定程度上影響植物的生理和生長特性[39]。Sanchez等[40]研究顯示,長期的土壤溫度升高能加速土壤的風化和分解速率,降低土壤有機質的含量,這些改變將會使土壤轉向以鐵、鋁氫氧化物為主,鈣、鎂、銅等含量較低的高度風化粘土,并且土壤維持養分的能力也隨之降低。增溫使土壤溶液中DOC濃度顯著降低,表層Na+、Mg2+含量顯著降低,但15—30cm中間層Fe3+、Al3+含量反而顯著降低(圖3)。安思危等[41]對常綠闊葉林的研究發現,土壤層對各離子的截留能力和降雨量有很大的關系。本研究區位于亞熱帶地區,降雨較為充沛,同時由于增溫土壤孔隙度增大,而Fe3+、Al3+易于淋溶下滲,遷移到更下層,同時表層Na+、Mg2+離子含量顯著降低(表1)。另一方面,增溫可能導致植被對礦質元素的選擇性吸收,江肖潔等[11]研究表明增溫處理下不同種類的植被Al3+含量均有明顯升高,與本研究土壤溶液中Al3+含量整體呈下降趨勢相符。

3.2 土壤溶液養分對施氮的響應

過量氮輸入,將導致土壤pH值下降,使土壤基礎陽離子加速從礦物中釋放進入土壤溶液,增強Fe3+、Al3+等陽離子的流動性[5,27]。安思危等[41]研究表明濕沉降導致土壤滲濾液 pH 值升高,伴隨著溶液中Ca2+、Mg2+等鹽基離子質量濃度的顯著增加。本研究中短期施氮量尚未造成土壤酸化,pH值沒有顯著變化,同時施氮對各土層土壤溶液K+、Ca2+、Mg2+含量均無顯著影響(表2),D′Orangeville等[9]的研究數據也顯示3年施氮后樣地K+、Ca2+、Mg2+等離子通量無顯著變化。但本研究中高氮處理下15—30cm 土層Fe3+、Al3+等離子顯著降低,可能是ANC Forcing顯著降低有關。有研究表明酸中和能力ANC Forcing與pH 具有高度相關性,施用無機氮肥可顯著降低土壤ANC Forcing,其在指示土壤的酸堿程度上較pH 更為靈敏[19]。而本研究高氮處理下15—30cm Al3+濃度呈現顯著降低,表明施氮促進了植物對Al3+的吸收,是長期氮沉降可能造成鋁毒害的一個微小的征兆。土壤溶液中的Al3+絕大部分來源于土壤固相Al3+的活化,活性Al3+離子被植被吸收后會對植被根系產生毒害作用[47],對植物的生產力產生負作用[11,48- 49]。短期鋁毒害對植物體沒有明顯的影響,長期反應可能對植物生長呈現抑制作用。

3.3 土壤溶液養分對增溫+施氮的響應

氣候變遷是增溫和氮沉降等氣候條件相互影響的結果,研究增溫+施氮交互作用可對自然界氣候環境進行有效模擬。增溫+施氮交互作用是增溫和施氮單因子雙重作用的結果,同時存在主次效應之分[20,50]。前期研究結果表明增溫+施氮交互作用對土壤溶液DOC的影響主要以施氮為主[29]。本研究結果顯示在增溫+施氮交互作用對土壤溶液氮素及礦質元素含量的影響中,增溫占據主導地位。增溫對土壤溶液氮素及礦質元素遠大于施氮,這與凋落物中的礦質元素對增溫和施氮的響應較為接近。前期[20]研究已表明增溫可加速生態系統的元素循環,顯著促進凋落物礦質元素釋放,而施氮則無顯著影響。

4 結論

(3)增溫+施氮交互作用對土壤溶液各養分的影響受單因子的影響效應不同。一方面,增溫和施氮可對土壤溶液養分動態起平衡調節作用,如維持土壤溶液礦質元素正常含量。另一方面,增溫+施氮交互作用下導致土壤硝化及礦化作用加劇,疊加效應顯著。

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