氮添加對多倫草原土壤微生物呼吸及其溫度敏感性的影響

趙學(xué)超,徐柱文,劉圣恩,王清奎,3,*

1 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110016 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院會(huì)同森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站,會(huì)同 418307

由于化石燃料燃燒和氮肥的使用,陸地生態(tài)系統(tǒng)的活性氮輸入量約增加2倍[1]。氮在陸地生態(tài)系統(tǒng)的富集會(huì)影響土壤有機(jī)碳的循環(huán)過程[2]。土壤有機(jī)碳被微生物分解產(chǎn)生二氧化碳并排放至大氣(即土壤微生物呼吸,Soil microbial respiration,Rs)[3],是土壤有機(jī)碳的主要損失途徑[4],是陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣交換的第二碳通量[5- 7]。土壤有機(jī)碳的分解由許多富含氮的分解酶主導(dǎo)[8],而氮有效性的增加促進(jìn)有機(jī)碳分解酶的產(chǎn)生[9],同時(shí)根據(jù)微生物化學(xué)計(jì)量學(xué)理論,氮有效性增加可能促進(jìn)微生物通過分解有機(jī)碳來獲取碳[10],因此氮添加顯著促進(jìn)Rs[11- 12]。但是氮添加引起土壤酸化,滲透壓增加和鋁毒效應(yīng),抑制微生物活性[8,13],同時(shí)根據(jù)氮挖掘假說,氮有效性的增加減緩微生物通過分解有機(jī)質(zhì)來獲取氮的過程[14- 15],從而抑制Rs[16]。此外還有研究表明氮添加對Rs幾乎無影響[17- 18]。氮添加對森林、草原和農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)的Rs的影響存在差異[2,19],主要與生態(tài)系統(tǒng)類型、氣候和土壤性質(zhì)有關(guān),也與氮添加的組分和處理時(shí)間長短有關(guān)。

氮添加可能改變土壤有機(jī)質(zhì)的C∶N[20- 21]。碳質(zhì)量溫度假說(Carbon quality temperature hypothesis)指出,高C∶N的土壤有機(jī)碳比低C∶N的具有更高的溫度敏感性(Q10)[22- 23],然而由于土壤理化性質(zhì)的異質(zhì)性和緩沖能力的差異,導(dǎo)致氮添加對土壤有機(jī)質(zhì)C∶N的影響效應(yīng)的大小也不相同。同時(shí)氮添加可能促進(jìn)形成難分解的土壤有機(jī)質(zhì)[24],可能導(dǎo)致較高的Q10。此外Q10對氮添加的響應(yīng)存在差異,主要表現(xiàn)為增加[25]、降低[18,26]和無影響[19,27]。例如氮添加導(dǎo)致北方森林和寒溫帶森林的Q10增加[28- 29],但抑制熱帶森林和溫帶草原的Q10[26,30]。此外不同氮添加水平,對Q10的影響也不相同[31]。

氮和磷是微生物生長所必需的營養(yǎng)元素,其有效性的變化會(huì)影響微生物活性,并直接影響土壤有機(jī)碳的循環(huán)[32]。雖然人類活動(dòng)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的氮和磷輸入量日益增加[33],但磷限制在部分陸地生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在[34],也會(huì)對生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)關(guān)鍵過程產(chǎn)生影響[35]。同時(shí)土壤中磷有效性降低,進(jìn)一步限制土壤微生物活性和生物量[36],因此對Rs及其Q10產(chǎn)生影響[19,37- 39]。例如,磷添加使溫帶草原土壤呼吸增加了14.1%—48.3%,Q10降低了12.6%,但導(dǎo)致高山草原的Rs降低了10.3%[38,40]。磷有效性增加引起土壤微生物量的變化可能是造成Rs及其Q10差異的原因之一[40- 41]。

微生物的C∶N∶P是相對穩(wěn)定的,并于土壤有機(jī)碳的分解過程直接相關(guān)[42]。氮磷輸入的增加影響生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量平衡(C∶N∶P)、功能結(jié)構(gòu)和多樣性,進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵過程產(chǎn)生影響[43]。在氮磷施肥試驗(yàn)的研究中,施肥導(dǎo)致土壤底物質(zhì)量和酶活性發(fā)生變化[44],但是對Rs及其Q10的影響還存在爭議[8,19,45]。如Wang等[19]研究表明,氮磷添加抑制Rs,但對Q10無顯著影響；而Guo等[8]研究發(fā)現(xiàn),氮磷施肥抑制Rs和土壤累積呼吸量,但顯著增加Q10。同時(shí),氮添加引起的土壤酸化會(huì)促進(jìn)鐵鋁氧化物對磷的固定,導(dǎo)致磷有效性降低[46],因此在氮磷施肥實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可能并不能真實(shí)反映磷有效性增加對土壤有機(jī)碳分解的影響。但是目前關(guān)于氮沉降背景下,磷有效性增加對Rs及其Q10影響的研究比較少,這嚴(yán)重限制了我們對氮磷有效性改變對土壤有機(jī)碳循環(huán)過程影響的了解。

全球范圍內(nèi),草原約占陸地面積的40%,并儲(chǔ)存約10%的土壤碳[47]。草原生態(tài)系統(tǒng)作為我國陸地最大的生態(tài)系統(tǒng)[48],占國土面積的41%,其中溫帶草原約儲(chǔ)存13.94 Pg C[49],在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[50- 51]。因此,本研究依托內(nèi)蒙古多倫草原的長期氮添加樣地,同時(shí)添加磷進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),研究氮添加和磷有效性如何對Rs及其Q10產(chǎn)生影響,了解氮添加及磷有效性增加條件下,草原土壤有機(jī)碳對溫度升高的反饋和變化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于多倫恢復(fù)生態(tài)學(xué)試驗(yàn)示范研究站(42°2′29″N,116°17′20″E),地處內(nèi)蒙古自治區(qū)多倫縣。該地區(qū)年降雨量為380 mm,主要集中于6—9月份,年均溫為2.1 ℃,最低和最高氣溫分別出現(xiàn)在1月和7月[52],植被主要是以冷蒿(Artemisiafrigida)、冰草(Agropyroncristatum)和西北針茅(Stipasareptanavar.krylovii)等優(yōu)勢種為主[53]。土壤質(zhì)地類型為砂質(zhì)壤土。

1.2 氮添加長期試驗(yàn)與土壤采集

氮添加樣地建立于2005年,并設(shè)置為0、50 kg N hm-2a-1和100 kg N hm-2a-1的3個(gè)處理(N0、N50和N100),3個(gè)重復(fù),每個(gè)樣地為8 m×8 m,樣地之間設(shè)置1 m的緩沖帶,其中尿素在每年的5月和6月各施用一半[54]。土壤采集時(shí)間為2017年8月。在每個(gè)樣地隨機(jī)選取15個(gè)取樣點(diǎn),首先去除地表凋落物和石塊等,使用土鉆采集0—10 cm土壤,將所采土壤樣品混合均勻后,過2 mm篩并挑除細(xì)根和石粒等,一部分在室溫條件下將土壤樣品風(fēng)干,一部分在4℃下保存,另一部分在-20℃下保存?zhèn)溆糜谕寥兰?xì)菌和真菌多樣性和豐富度的測定[55- 56]。

1.3 土壤理化性質(zhì)的測定

1.4 土壤微生物性質(zhì)的測定

土壤氨基糖主要包括氨基葡萄糖(Glucosamine)、氨基半乳糖(Galactosamine)和胞壁酸(Muramic acid),土壤樣品風(fēng)干后采用糖腈乙酰酯衍生氣相色譜法測定,具體操作過程見Zhang等[60]。土壤細(xì)菌和真菌的α多樣性指數(shù)(Shannon)和豐富度采用Illumina HiSeq高通量測序平臺(tái)進(jìn)行測定,具體操作步驟見Liu等[61]。

1.5 Rs的測定及Q10的計(jì)算

將氮添加處理的土壤樣品(N0,N50和N100)含水率調(diào)節(jié)到田間持水量的60%,在25 ℃預(yù)培養(yǎng)1周后,使用NaH2PO4溶液在土壤樣品中加入其有效磷(P)的5倍后混合均勻,并調(diào)節(jié)到和培養(yǎng)前含水率一致,設(shè)置處理為N0、N0P、N50、N50P、N100和N100P；稱取15 g土壤放于125 mL培養(yǎng)瓶中,在15 ℃和10 ℃進(jìn)行恒溫培養(yǎng),在培養(yǎng)開始后的1 d、3 d、5 d和8 d使用Li-Cor 820氣體分析儀測定Rs。Rs和Q10計(jì)算公式如下：

CR=∑Rsi

式中,CR為土壤累積呼吸量(Cumulative Respiration),Rsi為通過測定的Rs計(jì)算得到的培養(yǎng)期間每一天的土壤微生物呼吸速率,如2 d的Rs為1 d和3 d測定的Rs的平均值[62]；

式中,Q10表示CR的溫度敏感性,CRT1和CRT2分別是15℃和10℃的土壤累積呼吸量；

不同氮添加量處理的CR及其Q10對磷有效性增加的響應(yīng)使用響應(yīng)比(Response Ratio,RR)表示,其計(jì)算公式為：

式中,RRCR為不同氮添加量處理的CR對磷有效性增加的響應(yīng)比,CRNXP分別表示N0P、N50P和N100P的土壤累積呼吸量；CRNX分別對應(yīng)表示N0、N50和N100的土壤累積呼吸量；

式中,RRQ10為不同氮添加量處理的Q10對磷有效性增加的響應(yīng)比,Q10-NXP分別表示N0P、N50P和N100P的Q10,Q10-NX分別對應(yīng)表示N0、N50和N100的Q10。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用多因素方差分析對不同處理的土壤累積呼吸量和Q10的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用LSD(Least Significant Difference)比較氮添加對土壤理化性質(zhì)和微生物性質(zhì)、氮和磷對累積呼吸量及其Q10和響應(yīng)比的差異顯著性；使用線性回歸分析Q10和土壤累積呼吸量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性,顯著水平設(shè)定為α= 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對土壤理化性質(zhì)和微生物性質(zhì)的影響

氮添加顯著降低土壤pH值(表1)。與N0相比,N50和N100處理的土壤pH值分別降低了4.4%和13.4%。同時(shí)氮添加顯著降低了EOC但升高了NOC(表1)。氮添加處理使胞壁酸顯著降低,同時(shí)與N0相比,N100處理顯著降低細(xì)菌香農(nóng)指數(shù)(B-shannon)(表2)。但與N0相比,N50和N100處理的真菌豐富度(F-richness)增加了1.57倍和1.01倍(表2)。因此,氮添加改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

表1 多倫氮添加樣地的土壤理化性質(zhì)

同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；其中TK: 全鉀 Total potassium；SOC∶有機(jī)碳 Soil organic carbon；AP：有效磷available phosphorus；EOC∶易分解有機(jī)碳 Easily oxidizable organic carbon；NOC∶難分解有機(jī)碳 Non-oxidized organic carbon

2.2 氮添加和磷有效性增加對Rs和累積呼吸量的影響

氮添加顯著抑制Rs和累積呼吸量(圖1和圖2)。在培養(yǎng)期間,N0處理的Rs均顯著高于N50和N100處理。與N0相比,N50和N100的累積呼吸量分別顯著降低了61.2%和67.1%,占土壤SOC的0.485%和0.531%；且N100的累積呼吸量顯著低于N50,降低了15.0%(圖2和表3)。即隨著氮添加量的增加,對Rs的抑制作用增強(qiáng)。

表2 多倫氮添加樣地的土壤微生物性質(zhì)

同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；其中,B-richness：土壤細(xì)菌豐富度Soil bacterial richness；B-shannon：土壤細(xì)菌香農(nóng)指數(shù) Soil bacterial shannon index；F-richness：土壤真菌豐富度 Soil fungal richness；F-shannon土壤真菌香農(nóng)指數(shù)Soil fungi shannon index

表3 氮添加和磷有效性對累積呼吸量及其Q10的多因素方差分析

Table 3 Results of multivariate ANOVA on the effects of N addition and available P addition on soil cumulative respiration and its temperature sensitivity

土壤累積呼吸量Soil cumulative respiration溫度敏感性Q10 Temperature sensitivityFPFPN2009.4270.00018.8510.000P0.0720.7900.0120.915N×P22.9940.0000.4830.628T27.9970.000——N×T3.2610.056——P×T0.2850.598——N×P×T0.1760.840——

N∶氮添加處理N addition treatments;P：磷添加處理Available P addition treatments；T：培養(yǎng)溫度incubation temperatures

磷有效性增加的主效應(yīng)對累積呼吸量無影響,但氮磷有效性增加對累積呼吸量存在交互作用(表3)。N0P的累積呼吸量顯著低于N0,降低了9.0%,但是N50P和N100P的累積呼吸量比N50和N100分別增加12.1%和13.8%,但未達(dá)到顯著性水平(圖2)。N50和N100的累積呼吸量對磷有效性的響應(yīng)比顯著高于N0(圖3),即氮磷有效性的增加促進(jìn)累積呼吸量。溫度升高顯著促進(jìn)累積呼吸量,在15 ℃條件下,N50、N50 P、N100和N100 P的累積呼吸量比10 ℃條件下都分別顯著升高了16.2%、13.3%、18.8%和21.2%。

圖1 15 ℃和10 ℃培養(yǎng)下,不同處理的土壤微生物呼吸速率(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N = 3)Fig.1 Soil microbial respiration with incubation time in different treatments at 15 ℃ and 10 ℃ (mean ± SE, N=3)其中N0,N50和N100分別代表氮添加處理，N0P,N50P和N100P分別代表在氮添加處理的土壤樣品中進(jìn)行磷添加

圖2 氮添加和磷有效性增加對土壤累積呼吸量的影響 Fig.2 Effects of N addition and P availability increasing on soil cumulative respiration不同字母間表示氮添加處理間存在顯著性差異；*和ns表示相同氮添加水平下,磷添加處理間的差異性,其中*和ns分別表示PP>0.05；平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=6

圖3 不同氮添加水平下土壤累積呼吸量對磷有效性增加的響應(yīng) Fig.3 Response of cumulative respiration to P availability increasing under different N addition treatments 不同字母間表示存在顯著性差異,平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=6

2.3 氮添加和磷有效性增加對Q10的影響

氮添加顯著增加Q10(表3和圖4)。與N0相比,N50和N100處理的Q10分別增加了32.7%和50.8%(圖4)。磷有效性的增加沒有對累積呼吸量的Q10產(chǎn)生顯著影響(表3)。同時(shí)不同氮添加量處理的RRQ10之間無顯著差異(圖5)。

圖4 氮添加對Q10的影響 Fig.4 Effects of N addition on Q10 of soil cumulative respiration不同字母間表示存在顯著性差異,平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=6

圖5 不同氮添加水平下Q10對磷有效性的響應(yīng) Fig.5 Response of Q10 of soil cumulative respiration to P availability increasing under different N addition treatments 不同字母間表示存在顯著性差異,平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=3

2.4 土壤累積呼吸量及其Q10的影響因素

表4 土壤累積呼吸量及其Q10與土壤理化性質(zhì)以及微生物學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

ns表示顯著性水平P>0.05；*表示顯著性水平P<0.05；**表示顯著性水平P<0.01；***表示顯著性水平P<0.001

3 討論

氮添加抑制Rs和累積呼吸量(圖1和圖2),該結(jié)果與許多其他研究結(jié)果一致[15,63- 65]。氮添加使累積呼吸量降低了61.2%—67.1%,高于Yan等[66]研究結(jié)果中14.0%的抑制效應(yīng),可能是由于氣候、土壤性質(zhì)和氮添加實(shí)驗(yàn)處理的差異導(dǎo)致的。首先,氮添加抑制累積呼吸量可能是因?yàn)榈砑语@著降低土壤pH值(表1)。土壤酸化改變有機(jī)物質(zhì)官能團(tuán)的電離,影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率；同時(shí)酸化引起的Ca2+、Mg2+和Na+等離子流失和鋁毒效應(yīng)會(huì)抑制微生物生長速率和活性,從而降低累積呼吸量[3- 4,24,67]。此外,Chen等[68]研究表明,低土壤pH值可以降低土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率。另一方面,長期氮添加導(dǎo)致有毒化合物的積累,并抑制酚氧化酶活性[18],降低土壤碳有效性,最終對累積呼吸量產(chǎn)生抑制作用[10,67,69]。

氮添加顯著影響土壤細(xì)菌和真菌群落組成[33]。Wang等[19]研究表明施氮降低了細(xì)菌生物量。在本研究,氮添加顯著降低胞壁酸(表2),胞壁酸是唯一來源于細(xì)菌；同時(shí)高氮處理顯著降低B-shannon,且逐步回歸結(jié)果表明,B-shannon與土壤累積呼吸量存在顯著正相關(guān)關(guān)系(表4),與其他研究結(jié)果一致[70]。另一方面,本研究表明氮添加顯著升高F-richness(表2)。真菌對高H+環(huán)境的適應(yīng)性高于細(xì)菌,且真菌比細(xì)菌有更高的碳同化效率[71- 72],導(dǎo)致較低的Rs。因此,氮添加引起的細(xì)菌多樣性降低和真菌豐富度升高是累積呼吸量降低的重要原因。此外,氮添加促使土壤難分解有機(jī)質(zhì)的形成[18],而NOC與累積呼吸量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4),所以氮添加使土壤NOC顯著增加是累積呼吸量降低的原因之一。

氮磷交互作用顯著影響累積呼吸量(表3和圖2),可能存在兩種原因來解釋這一現(xiàn)象。首先,在磷有效性單獨(dú)增加的處理中,累積呼吸量顯著降低了9.0%(圖2),可能的原因是磷有效性的增加使微生物的碳同化效率增加,因此導(dǎo)致微生物呼吸作用的減弱[4,73]。但是在氮磷有效性都增加的處理中,累積呼吸量升高了12.1%—13.8%,可能的原因就是氮磷有效性的增加,加速微生物分解土壤有機(jī)碳來獲取碳的過程,在一定程度上促進(jìn)累積呼吸量。

氮添加顯著增加Q10(圖4),與其他研究結(jié)果一致[8,25,29]。首先,氮添加使土壤酸化(表1),土壤pH值是Q10最重要的解釋因子(表4),其他結(jié)果也表明土壤pH值與Q10呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[74]。土壤pH值與真菌生長速度和生物量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[75- 76]。同時(shí)本研究中,氮添加使氨基葡萄糖升高了20.4%—26.6%,氨基葡萄糖主要來源于真菌,可以作為真菌殘?bào)w生物量的指示指標(biāo),且普遍認(rèn)為真菌生物量C∶N高于細(xì)菌[77],高C∶N的有機(jī)質(zhì)有更高的Q10[23]。所以氮添加引起的土壤pH值降低和真菌殘?bào)w生物量的增加是Q10升高的原因之一。另一方面,氮添加導(dǎo)致土壤中NOC顯著增加是Q10升高的重要原因,Q10與NOC存在顯著正相關(guān)關(guān)系(表4)。Guo等[8]研究表明,氮磷添加增加了土壤有機(jī)碳的脂化度和芳香度。同時(shí)也有研究表明氮有效性增加會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)殡s環(huán)形式的化合物 (吲哚類和吡咯類)或者氮和酚類化合物聚合形成難分解有機(jī)碳[24,78]。根據(jù)酶動(dòng)力學(xué)假說(Enzyme-kinetic hypothesis)和碳質(zhì)量溫度假說,土壤有機(jī)碳的難分解程度越高,分解過程所需的活化能越高,因此導(dǎo)致較高的Q10[8,23]。所以氮添加會(huì)增加土壤有機(jī)碳分解對全球變暖的響應(yīng)。但磷有效性的增加沒有顯著影響累積呼吸量對溫度變化的響應(yīng)(表3),其他研究也得到相似的結(jié)論[19,39],可能是由于土壤本身對磷有效性增加的緩沖能力及理化性質(zhì)的異質(zhì)性所導(dǎo)致的,說明短期磷有效性的增加沒有改變?nèi)蜃兣瘜ν寥烙袡C(jī)碳分解的影響。

4 結(jié)論

在多倫草原中,氮添加降低土壤微生物呼吸和累積呼吸量,抑制微生物對土壤有機(jī)碳的分解,但是氮添加會(huì)增加土壤有機(jī)碳分解對溫度變化的響應(yīng)。因此在未來全球變暖和氮沉降日益嚴(yán)重的背景下,會(huì)增加草原生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳排放的不確定性。同時(shí)短期磷有效性的增加對土壤微生物呼吸及其溫度敏感性的影響尚未顯現(xiàn)。