模擬酸雨對南亞熱帶森林凋落物分解和土壤呼吸的影響

王玄，熊鑫，張慧玲，趙夢頔，胡明慧，褚國偉，孟澤，張德強*

1. 中國科學院華南植物園，廣東 廣州 510650；2. 中國科學院大學，北京 100049

酸雨作為當今世界最嚴重的環境問題之一，其主要成因是人類活動如工業生產和汽車尾氣等排放的二氧化硫和氮氧化物在大氣或雨水中轉化為硫酸和硝酸等（Larssen et al.，2000；Zhang et al.，2007）。自工業革命以來，全球二氧化硫和氮氧化物排放量持續增加（Zhang et al.，2007），致使歐洲、北美和中國南方相繼成為全球三大酸雨區（Duan et al.，2016）。盡管近年來全球酸性氣體排放量有所下降，但監測數據表明，中國南方地區大氣降水的pH值大多在4.5—5.6之間，部分地區降水pH值在4.5以下（Feng et al.，2021；陳璇等，2020）。森林作為陸地生態系統的重要組分，同時也是酸雨的主要受體（仇榮亮等，1998），長期的酸雨必然會引起森林生態系統結構和功能的改變，進而影響系統內各元素的生物地球化學循環過程（Schaberg et al.，2001；劉菊秀等，2003）。

土壤呼吸是生態系統碳循環的重要環節，也是全球碳循環的主要通路（楊玉盛等，2004），其對酸雨的響應亦受到國內外學者的普遍關注（Lv et al.，2014；劉源月等，2010）。據估計，每年全球土壤由于土壤呼吸作用向大氣釋放的碳約為 68 Pg，超過全球陸地生物群落的總凈初級生產力（Raich et al.，1992），僅次于植物總光合作用同化的碳量（Bond et al.，2010）。由此可見，土壤呼吸即使發生微小的變化，其對全球碳循環，尤其是對大氣CO2濃度的變化將產生巨大的影響（Lehmann et al.，2015）。凋落物分解是森林生態系統物質循環和能量流動的主要途徑（Wardle et al.，2004），也是森林土壤呼吸的重要組分，有研究估算得出，地表凋落物和土壤有機質分解產生的 CO2占全球土壤 CO2排放通量的74%（Raich et al.，1992）。全球范圍內，關于凋落物分解和土壤有機碳排放之間的關系已有廣泛研究（Vasconcelos et al.，2004；Zimmermann et al.，2009），但凋落物分解和土壤呼吸過程對環境變化（如酸雨脅迫）的響應與適應機制仍存在著諸多不確定性（Lv et al.，2014；Wang et al.，2018；王楠等，2020）。森林土壤碳庫是全球碳庫的重要組成部分，在全球碳循環中起著不可替代的作用（Robert et al.，2017）。因此，探索酸雨對森林凋落物分解和土壤呼吸的影響及其調控機制，對了解和預測未來全球變化背景下森林土壤碳庫乃至全球碳平衡格局的動態變化具有重要意義。

酸雨導致森林土壤酸化，使土壤中堿性陽離子浸出，加快養分淋失，從而改變土壤微生物活性并以此影響凋落物分解和土壤呼吸（Chen et al.，2015；Johnson et al.，2018）。多數研究發現，酸雨會抑制凋落物分解，并且隨著酸雨強度增加，其抑制作用更加明顯（Lv et al.，2014；洪江華等，2009），主要原因是pH值的改變影響了微生物群落結構和相關酶活性（Tang et al.，2019；胡苑柳等，2021）。關于酸雨對土壤呼吸的影響，不同研究者報道的結果往往不同，主要表現為促進作用（劉源月等，2011）、抑制作用（Wu et al.，2016）、先促進后抑制（王楠等，2020）或無顯著影響（Zheng et al.，2019）等多種效應，這與研究區域的植被類型、土壤性質、酸沉降特征（酸沉降類型、強度、持續時間）等密切相關。受實驗手段的制約，以往的研究大多是基于室內的模擬實驗（謝小贊等，2009；程錦萍等，2021）或采用網袋法進行凋落物分解實驗（洪江華等，2009；季曉燕等，2013），其研究結果能否適用于野外自然分解環境還難以定論。故有必要在酸雨問題嚴重的中國南方地區開展長期的野外控制試驗，深入探究酸雨對森林凋落物分解和土壤呼吸的影響及其機理。為此，選擇南亞熱帶地區的鼎湖山針闊葉混交林開展人工模擬酸雨控制試驗，通過設置不同梯度的酸雨處理，采用原位破壞性取樣的方法，探究酸雨對南亞熱帶森林凋落物分解速率和土壤呼吸速率的影響；同時對試驗過程中相關的環境因子進行長期的跟蹤觀測，以揭示凋落物分解和土壤呼吸過程對酸雨脅迫的響應與適應機制。研究結果有助于全球變化背景下南亞熱帶森林土壤碳匯潛力的科學預測與評估。

1 材料與方法

1.1 研究區域與樣地概況

研究地位于廣東省肇慶市的鼎湖山國家級自然保護 區 （112°30′39″—112°33′41″E， 23°09′21″—23°11′30″N），保護區總面積約為 1155 hm2，最高峰雞籠山海拔1000.3 m，山體平均坡度為30°—45°。該區屬南亞熱帶季風性氣候，雨熱同期，干濕季明顯。年平均氣溫為21.0 ℃，最冷月（1月）和最熱月（7月）的平均溫度分別為12.0 ℃和28.0 ℃；年降雨量1956 mm，其中濕季（4—9月）的降雨量約占全年的76%；年平均相對濕度為80.8%（周存宇等，2004；王春林等，2007）。近年來鼎湖山地區大氣降水pH值范圍在3.5—6.0，平均值為4.38，酸雨頻率大于90%，主要無機離子有SO42?、NH4+、H+、NO3?、Cl－和Ca2+等，降水類型有由硫酸性降水向硫酸-硝酸混合型轉變的趨勢（朱圣潔等，2011）。

保護區內存在著處于不同演替階段的3種林型，即馬尾松林（演替早期）、針闊葉混交林（演替中期）和季風常綠闊葉林（演替頂級）。本研究選取的針闊葉混交林為南亞熱帶森林演替系列中期的典型森林，由人工種植的馬尾松林經闊葉樹種的自然入侵而演替形成，是保護區分布面積最大的森林類型，林齡約為100年（Huang et al.，2016）。群落垂直結構大致可分為4層，其中喬木2層、灌木1層、草本1層，此外還有少量藤本和附生等層間植物，目前物種組成正快速趨同于演替頂級群落，主要優勢樹種有馬尾松（Pinus massoniana）、木荷（Schima superba）、錐（Castanopsis chinensis）和黃果厚殼桂（Cryptocarya concinna）等（梁國華等，2015）。

1.2 試驗設計

2009年初在針闊葉混交林樣地設置了9個10 m×10 m的樣方，用于開展模擬酸雨實驗。每個樣方四周用水泥板材圍起，水泥板材插入地表下20 cm，地上部分高出地表5 cm，每個樣方之間預留3 m寬的緩沖帶。根據鼎湖山地區近年來大氣降雨的酸度、化學元素組成及其變化趨勢，以 H2SO4-HNO3體積比為1?1的水溶液用作模擬酸雨試驗溶液，設置3個酸雨強度處理，分別為CK（pH值4.5的天然湖水）、T1（pH值3.5）、T2（pH值3.0），每個處理設置3個重復樣方。2009年6月開始進行模擬酸雨處理，每月的月初和月中將配制好的40 L模擬酸雨，人工均勻噴灑在對應的樣方內。在模擬酸雨噴淋期間，T1和T2接受的H+輸入量分別為32、96 mol·hm?2·a?1，相當于自然穿透雨 H+輸入量的 1.0倍和3.0倍（梁國華等，2015）。

2019年7月，在每個酸度處理下設置5組重復的凋落物分解試驗小區，分布在3個重復樣方中（其中一個樣方布置1組，其他兩個樣方各布置2組）。每個試驗小區由未覆蓋凋落物的對照組、覆蓋木荷凋落物組和覆蓋錐凋落物組構成；對照組設置1個PVC分解環（直徑20 cm、高25 cm、高出地面5 cm），覆蓋木荷凋落物組和覆蓋錐凋落物組各設置6個分解環（用于6次破壞性采樣），分解環上方覆蓋尼龍網罩，以遮擋自然凋落物（圖1）。2019年9月初，將收集的錐和木荷葉凋落物置于各分解環中（每個環內放置10 g凋落物）開展原位分解實驗。試驗期間，在每個分解小區分別選定一個覆蓋木荷凋落物、覆蓋錐凋落物和無凋落物覆蓋（對照）分解環（圖1藍色環）作為固定測定土壤呼吸的分解環，每月月初進行1次土壤呼吸的測定；破壞性采樣分別在分解開始后第2、4、7、10、13、15個月月初進行（共6次），每次在覆蓋木荷凋落物組和覆蓋錐凋落物組隨機選取1個分解環，回收木荷和錐殘余凋落物以計算凋落物分解殘留率，同時挖取分解環內的土壤樣品（0—10 cm）；最后一次采樣時（2021年1月），將對照組分解環內的土壤樣品（0—10 cm）一同取出。

圖1 凋落物分解實驗小區示意圖（a）和實例圖（b）Fig. 1 Layout (a) and example (b) of litter decomposition experiment plot

1.3 土壤呼吸速率和溫濕度的測定

2019年10月—2021年1月，每月中旬使用靜態箱法將土壤呼吸氣體采集到500 mL的氣袋中，采集時間為上午 09:00—11:00（Tang et al.，2006），將氣袋帶回華南植物園后使用溫室氣體分析儀（G2508，Picarro公司，USA）進行測樣。在采集氣體樣品的同時使用土壤溫濕度速測儀（takeme-10，大連哲勤科技有限公司）測定每個分解組10 cm深度的土壤溫度和濕度。

1.4 凋落物分解殘留率的測定

每次采樣時用鑷子將分解環內殘余的凋落物樣品收集到信封中（錐和木荷各 5份），帶回實驗室，用小毛刷清除附著于凋落物葉上的泥土并清洗干凈后，放至 60 ℃烘箱中烘至恒重。對烘干后的凋落物樣品進行稱重，計算其分解殘留率。

1.5 土壤pH值、微生物生物量的測定

土壤樣品的采集：用內徑 5 cm的土鉆和小鏟等工具采集 0—10 cm的環內土壤，裝入布袋并做好標記帶回實驗室，用鑷子剔除樣品中可見的植物殘體和礫石后，迅速過2 mm網篩。對2021年1月采集的土壤進行了土壤微生物生物量碳的測定，采用氯仿熏蒸浸提法，計算土壤中的微生物生物量碳；同時對試驗開始前（2019年8月）的土壤本底pH值進行了測定，以1 mol·L?1氯化鉀溶液浸提（水土比為 2.5?1）后用 pH 計（PH510，Alalis，Shanghai，China）測定。

1.6 數據處理

應用統計軟件SPSS 20進行數據處理分析，采用重復測量方差分析檢驗土壤呼吸、土壤溫度、土壤濕度和凋落物分解殘留率在處理間隨時間變化的差異顯著性；單因素方差分析檢驗年土壤呼吸通量、土壤pH值和土壤微生物量在處理間的差異顯著性；回歸分析方法建立土壤溫度、土壤濕度與土壤呼吸速率之間的統計關系。土壤呼吸與溫度之間關系采用指數模型：

式中：

y——土壤呼吸速率；

t——土壤溫度；

a——溫度為 0 ℃時的土壤呼吸（Luo et al.，2001）；

b——溫度反應系數。

Q10值通過下式確定（Xu et al.，2001）：

凋落物殘留率通過下式計算：

式中：

fd——某一時刻凋落物殘留率；

Td——某一時間凋落物干質量；

T0——初始時間干質量。

應用SigmaPlot 14.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 模擬酸雨對凋落物分解的影響

經過 15個月的分解，木荷和錐凋落物的分解殘留率在 CK、T1和 T2處理下分別為 37.94%、40.63%、44.14%和 21.92%、40.27%、48.72%（圖2）。模擬酸雨對凋落物分解的影響與分解階段和酸處理強度有關。在分解前期（2019年9月—2020年4月），木荷和錐凋落物的分解殘留率在不同酸度處理下均沒有表現出顯著差異（P>0.05）；在分解后期（2020年5月—2021年1月），T2處理下木荷和錐凋落物的分解殘留率均顯著高于 CK處理（P<0.05）。

圖2 不同酸度處理下木荷（a）和錐（b）凋落物的分解殘留率Fig. 2 Litter decomposition residual rate of Schima superba (a)and Castanopsis chinensis (b) among different acid treatments

2.2 模擬酸雨對土壤呼吸的影響

如圖3所示，2019年10月—2021年1月觀測周期內，各處理組不同酸度處理下的土壤呼吸速率均表現出明顯的季節動態，濕季（2020年4—9月）土壤呼吸速率顯著高于干季（2019年10月—2020年3月）（P<0.05）。對照組、覆蓋木荷凋落物組、覆蓋錐凋落物組濕季平均土壤呼吸速率分別為干季的1.91、1.99、2.01倍。對15個月觀測期土壤呼吸速率的分析結果顯示，對照組中3個處理間均有顯著差異（P<0.05）；覆蓋木荷凋落物組CK與T1、T2處理間差異顯著（P<0.05），T1和T2處理間不顯著（P>0.05）；覆蓋錐凋落物組T2與CK、T1處理間差異顯著（P<0.05），CK和T1處理間無顯著差異（P>0.05）。

圖3 不同酸度處理下未覆蓋凋落物的對照組（a）、覆蓋木荷凋落物組（b）和覆蓋錐凋落物組（c）土壤呼吸速率的季節動態（2019年10月—2021年1月）Fig. 3 Seasonal dynamics in soil respiration rates of without litter(a), schima superba litter (b) and Castanopsis chinensis litter (c)among different acid treatments (from October 2019 to January 2021)

模擬酸雨顯著抑制了各處理組的土壤呼吸（圖4）。計算了觀測周期內一年的土壤呼吸通量（2020年1月—2021年1月，其中2020年2月因新冠疫情影響未采樣），結果顯示，對照組年土壤呼吸通量在CK、T1、T2 處理下分別為(5669.67±67.32)、(4811.89±89.59)、(4110.22± 77.14) g·m?2·a?1，覆蓋木荷凋落物組的年土壤呼吸通量在CK、T1、T2處理下分別為 (5809.99±71.23)、(4868.79±84.79)、(4908.23±92.68) g·m?2·a?1，覆蓋錐凋落物組的年土壤呼吸通量在 CK、T1、T2處理下分別為(5751.36±74.76)、(5441.88±81.90)、(5072.19±90.13)g·m?2·a?1。對照組和覆蓋木荷凋落物組中，模擬酸雨處理顯著降低了年土壤呼吸通量（P<0.05），但 T1和T2處理間差異不顯著（P>0.05）；覆蓋錐凋落物組的年土壤呼吸通量在CK和T2處理間差異顯著（P<0.05），但CK和T1、T1和T2處理間差異不顯著（P>0.05）。同一酸度處理下，3個處理組的年土壤呼吸通量在 CK和 T1處理下差異不顯著（P>0.05）；T2處理下對照組的年土壤呼吸通量顯著低于覆蓋木荷和錐凋落物組（P<0.05），木荷和錐凋落物組間無顯著差異（P>0.05）。

圖4 不同酸度處理間的年土壤呼吸通量（2020年1月—2021年1月）Fig. 4 Annual soil respiration fluxes among different acid treatments (January 2020 to January 2021)

2.3 模擬酸雨對土壤溫濕度的影響

土壤溫度和土壤濕度在不同酸度處理下均表現出明顯的季節動態，濕季較高，干季較低。15個月的測定周期內，不同酸度處理間的土壤溫度和土壤濕度均無顯著差異（P>0.05）（圖5）。

圖5 不同酸度處理下土壤溫度（a）和土壤濕度（b）的季節動態（2019年10月—2021年1月）Fig. 5 Seasonal dynamics in soil temperature (a) and soil moisture(b) among different acid treatments (October 2019 to January 2021)

2.4 土壤呼吸速率與土壤溫濕度的關系

將土壤呼吸速率和土壤溫、濕度進行相關性分析（表1），結果顯示，對照組、覆蓋木荷凋落物組和錐凋落物組在CK、T1和T2處理下土壤溫度與土壤呼吸速率均呈顯著指數回歸關系（P<0.05）；除覆蓋錐凋落物組的CK處理外，土壤濕度與土壤呼吸速率均呈現出顯著的直線回歸關系（P<0.05）。根據土壤呼吸速率與土壤溫度之間的指數回歸關系，可得出其相應的土壤呼吸溫度敏感性系數Q10值。如表1所示，覆蓋錐凋落物組的Q10值在CK、T1和T2處理下分別為1.51、2.01、2.34，隨酸度增加而增大；對照組和覆蓋木荷凋落物組的Q10值在CK、T1和 T2處理下分別為 1.54、2.59、2.20和1.67、2.53、2.03，隨酸度增加表現出先增大而后略為減小。

表1 模型R=aebt和R=aM+b分別擬合土壤呼吸速率與0—10 cm土壤溫度和土壤濕度的關系Table 1 Models R=aebt and R=aM+b fit the relationship between soil respiration rate (R, mg·m?2·h?1) and soil temperature (t, ℃) and soil moisture(M, %) between 0 and 10 cm, respectively

2.5 模擬酸雨對土壤pH值、微生物生物量碳的影響

土壤（0—10 cm）pH值在T1處理下沒有表現出顯著差異（P>0.05），在 T2處理下顯著降低（P<0.05）（圖6a）。對照組在CK、T1和T2處理下的土壤微生物生物量碳質量分數分別為(265.32±23.11) 、 (155.87±29.52) 、 (80.84±29.48)mg·kg?1，覆蓋木荷凋落物組在 CK、T1、T2處理下的土壤微生物生物量碳質量分數分別為(321.89±11.76)、 (371.73±40.66)、 (397.53±37.99)mg·kg?1，覆蓋錐凋落物組在 CK、T1、T2處理下的土壤微生物生物量碳質量分數分別為(398.29±54.96)、 (330.22±22.28)、 (379.79±31.93 mg·kg?1（圖6b）。模擬酸雨顯著降低了對照組的土壤微生物生物量碳含量（P<0.05），但T1和T2處理之間差異不顯著（P>0.05）（圖4b）；模擬酸雨對覆蓋凋落物組的土壤微生物生物量碳含量沒有顯著影響（P>0.05）。同一酸度處理下，T1和T2處理下覆蓋凋落物組的土壤微生物生物量顯著高于對照組（P<0.05），但覆蓋木荷和錐凋落物組之間無顯著差異（P>0.05）；CK處理下覆蓋錐凋落物組顯著高于對照組（P<0.05），覆蓋木荷凋落物組與覆蓋錐凋落物組和對照組間差異不顯著（P>0.05）。

圖6 不同酸度處理間土壤pH值（a)和土壤微生物量碳（b）Fig. 6 Soil pH value (a) and soil microbial biomass carbon (b)among different acid treatments

3 討論

與大多數研究結果一致，本研究顯示長期模擬酸雨降低了土壤的pH值（圖6a）。而土壤pH的降低會加速土壤養分流失，改變土壤微生物活性（Chen et al.，2015）。多數研究表明，模擬酸雨顯著降低了土壤微生物生物量（Wang et al.，2010；Lv et al.，2014），但也有研究指出模擬酸雨對土壤微生物生物量沒有顯著影響，甚至出現增加的趨勢（Qiu et al.，2015；Wang et al.，2018），這種差異往往由氣候、土壤和植被類型的不同而導致（王嬌等，2021）。本研究結果顯示模擬酸雨顯著降低了對照組的土壤微生物生物量碳（圖6b），這與梁國華等（2015）早期在此樣地的研究結果一致。模擬酸雨減少了土壤中微生物易于利用的活性有機碳組分，同時土壤酸化引發了“鋁毒效應”，導致土壤微生物生物量的顯著降低（Wu et al.，2016）。然而，本研究中覆蓋凋落物組的土壤微生物生物量碳在不同酸度處理下并沒有呈現出顯著的變化趨勢，但同一酸度處理下，覆蓋凋落物組的土壤微生物生物量碳均顯著高于對照組。造成這種結果的原因可能有兩個，一是凋落物的添加為土壤微生物補充了新鮮的活性有機物（Blagodatsky et al.，2010）；另外，凋落物層對酸雨具有一定的緩沖作用（江軍等，2019；劉自強等，2019）。

酸雨對土壤微生物活性的脅迫作用隨之會抑制森林凋落物的分解（季曉燕等，2013），且這種抑制作用會隨酸雨強度的增加而增強（Dangles et al.，2004；Wang et al.，2010；Tang et al.，2019）。本研究結果顯示，在分解前期，模擬酸雨處理并沒有顯著改變木荷和錐凋落物的分解速率；在分解后期，高強度的酸雨處理（pH=3.0）顯著降低了木荷和錐凋落物的分解速率（圖2）。這表明酸雨對凋落物分解的抑制作用不僅與酸雨強度有關，同時也受到凋落物分解階段的影響。在凋落物分解的早期階段，底物的可利用性較高，其分解過程受到的微生物限制較小（Prescott，2010），由此可能造成酸雨對凋落物分解速率的影響并不顯著；而在凋落物分解后期，由于高強度的酸雨處理下微生物豐度及活性顯著降低（胡苑柳等，2021），導致凋落物分解速率降低。

酸雨導致土壤微生物活性及隨之產生的凋落物分解速率的降低，是影響土壤呼吸的重要因素（Lv et al.，2014；劉源月等，2010）。其次，有無凋落物覆蓋也影響著有機碳的供應和土壤碳周轉速率，最終影響森林土壤的呼吸速率（王光軍等，2009a；孫麗娟等，2011；吳鵬等，2015）。本結果顯示：模擬酸雨顯著降低了對照組(未覆蓋凋落物)和覆蓋凋落物組的年土壤呼吸通量（圖4），這與酸雨脅迫導致土壤微生物活性和凋落物分解速率下降有關（Tang et al.，2019；季曉燕等，2013；胡苑柳等，2021）；然而，在覆蓋錐凋落物組，低強度的酸雨處理（pH=3.5）對年土壤呼吸通量的影響并不顯著，表明凋落物覆蓋在一定程度上減緩了酸雨對土壤呼吸的抑制作用，但這種減緩效應與凋落物類型及酸處理強度有關。對同一酸度處理下不同處理組的分析結果顯示，除高強度的酸雨（pH=3.0）處理外，覆蓋凋落物組的年土壤呼吸通量與對照組沒有顯著差異（圖4）。結果表明，覆蓋凋落物并沒有顯著提高土壤的呼吸通量，其中可能存在著“負激發效應”，即凋落物的添加抑制了原有土壤有機質的分解，因為微生物可能會優先利用新鮮易分解的有機物（Guenet et al.，2010；Lyu et al.，2018）。值得注意的是，高強度的酸雨處理抑制了這種激發效應，該處理下覆蓋凋落物組的年土壤呼吸通量顯著高于未覆蓋凋落物的對照組。

土壤溫度和土壤濕度是影響土壤呼吸的兩個主要環境因子（Rey et al.，2002）。本研究中各處理組不同酸處理下土壤呼吸速率均與土壤溫度呈顯著的指數回歸關系（表1），這與多數研究的結果是一致的（Sulzman et al.，2005；王光軍等，2009b；周小剛等，2012）。Q10值的全球變化范圍一般在1.8—4.1 之間（Xu et al.，2001；B??th et al.，2003），本文中的Q10值均處于該范圍內，且大致表現為隨模擬酸雨強度增加而增大，表明模擬酸雨使土壤呼吸的溫度敏感性增強，其原因可能是土壤pH的改變使土壤酶活性和根系呼吸強度產生差異（Atkin et al.，2000；謝小贊等，2009），導致Q10值的變化。土壤濕度與土壤呼吸速率呈現出顯著的直線回歸關系（表1），這與他人的研究結果也較為一致（李雅紅，2010；孫鷺，2018）。

4 結論

本研究結果表明，高強度的酸雨抑制了木荷和錐葉凋落物的分解，但這種抑制作用只在凋落物分解的后期顯現。模擬酸雨抑制了土壤呼吸，凋落物覆蓋在一定程度上減緩了這種抑制作用，這種減緩效應與凋落物類型及酸雨強度有關。土壤溫度和濕度是影響土壤呼吸的兩個主要環境因子，模擬酸雨增強了土壤呼吸的溫度敏感性。