養分添加和淺耕翻對晉北賴草草地土壤呼吸的影響

牛慧敏, 何雨欣, 卞嘉琛, 刁華杰, 郝 杰, 伊李凱, 王常慧*, 董寬虎*

(1.山西農業大學草業學院, 山西 太谷 030801; 2.草地生態保護與鄉土草種質創新山西省重點實驗室, 山西 太谷 030801; 3.山西右玉黃土高原草地生態系統國家定位觀測研究站, 山西 右玉 037200)

草地作為全球第二大陸地生態系統,其碳匯作用也受到廣泛關注[1],增強陸地生態系統碳匯是減緩大氣二氧化碳(CO2)濃度上升和全球變暖的重要手段,也是實現我國“碳中和”目標的有效途徑[2]。土壤呼吸作為土壤碳通量的重要組成部分,對調節碳平衡具有重要作用。草地生態系統土壤呼吸主要受人為干擾以及氣候變化的影響,特別是在我國北方農牧交錯帶草地,人為干擾如施肥、刈割和放牧等更加頻繁[3-4],土壤呼吸存在很大的變異性,但其相關研究比較匱乏。

在其它草地生態系統中,已有的多數研究表明外源養分輸入促進了草地土壤呼吸[5],但也有研究呈現相反的結果[6]。究其原因不同養分添加類型、添加時間以及養分添加持續的時間[6]等都會對土壤呼吸產生直接或間接的影響[7-8]。同時大量研究表明,植物地上和地下生物量、土壤水分條件[9]、凋落物數量和質量、土壤微生物生物量[10]都會影響土壤呼吸[11]。淺耕翻可以增加土壤透氣性、提高下層土壤中種子的發芽率和根莖型禾草的萌發和分蘗,因此被廣泛應用到退化草地的修復進程中[12]。但目前農牧交錯帶關于淺耕翻對草地土壤呼吸的研究較少,影響的程度如何還不清楚。多養分氮磷鉀(Nitrogen,phosphorus and potassium addition,NPK)添加和淺耕翻對土壤呼吸是否作存在交互用及其影響機制仍需要進一步探討[13]。因此,厘清農牧交錯帶草地管理對土壤有機碳形成、周轉和穩定性維持機制,提升該區域草地生態系統保碳增匯能力,對于“雙碳”目標的實現具有重要意義[14-15]。

為了探究農牧交錯帶草地生態系統土壤呼吸對外源養分輸入和淺耕翻的響應,本研究于2019年在晉北典型農牧交錯帶以賴草(Leymussecalinus)為優勢種的草地建立了多養分與淺耕翻處理試驗平臺,研究生物因子和非生物因子對養分添加和淺耕翻及其互作效應的響應,進一步探究其對土壤呼吸及其溫度敏感性的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究依托山西右玉黃土高原草地生態系統國家定位觀測研究站(39°59′48″ N,112°19′40″ E)2019年9月建立的多養分添加+淺耕翻試驗平臺。該研究站海拔1 348 m,年降水量為425 mm,年平均氣溫4.6℃,降水主要集中在生長季6—8月。無霜期100～120天,屬于中度鹽漬化草地。0～10 cm土壤有機碳、全氮、有效磷含量為5.4 g·kg-1,0.8 g·kg-1和3.4 g·kg-1,pH值為9.62,土壤容重為1.23 g·cm-3。群落優勢種是賴草、堿茅(Puccinelliadistans)、風毛菊(Saussureaamara)等。

1.2 試驗設計

試驗采取完全隨機區組設計,包括4個處理:對照(CK)、淺耕翻(SP)、養分添加(NPK)、養分添加與淺耕翻(NPK+SP)。每個處理設置6個重復,共計24個小區,小區面積為36 m2(6 m×6 m)。養分添加(NPK)處理為氮(N)、磷(P)和鉀(K)各添加10 g·m-2,其中氮添加為緩釋尿素(N,46%),磷添加為過磷酸鈣(P,12%),鉀添加為硫酸鉀(K,50%)。同時在養分添加處理小區補充微量元素100 g·m-2(采用Scotts Micromax復合肥,包括鐵、錳、鋅、銅、硼、鉬、氯和鎳)。N,P,K每年8月底添加,微量元素只在第一年一次性加入。淺耕翻處理方式:先移除地上所有生物量,人工用鐵鍬淺翻15 cm深,去除較大的根系。

1.3 測定指標及方法

1.3.1土壤呼吸的測定及呼吸熵和溫度敏感性的計算 2019年9月在距離小區邊緣1 m處安裝了土壤呼吸環(材質,PVC;高10 cm,內徑20 cm,露出地面3 cm)。在2020和2021年的生長季(5—9月),使用土壤碳通量自動測量系統LI-8100A(Li-COR Inc.,Lincoln,NE,USA)測定土壤呼吸,每月2次。每次測定前為消除地上部分對土壤呼吸的影響,需將PVC環內植物地上部分剪掉,剪草時注意要在不破壞土壤表面的情況下齊地面剪割,并將剪下的草移至環外。測定時檢查PVC環的完整性以保證測定過程的氣密性,測定時間120 s。同時測定土壤溫度與土壤含水量,使用LI-8100A自帶的溫度傳感器測定10 cm處的土壤溫度,使用便攜式土壤水分速測儀(DDR-300,USA)測定0～10 cm的土壤含水量。大氣溫度(℃)和降雨量(mm)采用小型氣象站每小時測定4次(HOBO U30,美國,ONSET)。

土壤呼吸溫度敏感性(Q10)的計算公式:

Rs=aebST

(1)

Q10=e10b

(2)

式中Rs代表土壤呼吸(μ mol·m-2·s-1),ST代表0～10 cm土壤溫度(℃),a和b代表擬合系數,e是自然對數。

1.3.2植物地上、地下生物量的測定 地上生物量在每年8月生長季高峰采用收獲法測定,在每個處理小區隨機選取2個100 cm×20 cm的樣方,用剪刀齊地面分類收集所有地上綠色植物及凋落物,放入烘箱殺青30 min后65℃烘干48 h至恒重,稱重為地上生物量。采用土鉆法測定地下生物量,在每個已經收獲完地上生物量的樣方框內,用內徑7 cm的土鉆分分別取 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm四層土壤,分層裝入根袋(0.45 mm)沖洗干凈根表面附著的泥土,晾干,烘箱(65℃,48 h)烘干后稱重記錄地下生物量。

1.3.3土壤微生物生物量的測定 在2020和2021年8月,使用內徑3 cm的土鉆于每個小區取0～10 cm土層的土壤進行冷藏保存,用于測定土壤微生物生物量。土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮含量采用氯仿熏蒸法-K2SO4浸提法,用TOC分析儀測定,計算公式參照Vance等的方法[16]測定。

1.4 數據分析

使用Microsoft Excel 2010整理數據。采用重復測量方差分析檢驗取樣年份、養分添加(NPK)、淺耕翻(SP)及其交互作用對土壤呼吸、溫度敏感性、土壤溫度和土壤含水量的影響。通過單因素方差分析檢驗不同處理下土壤呼吸及各相關因子的差異。所有分析的差異顯著性水平定義為P<0.05。使用SPSS 26.0軟件。進行數據分析,繪圖所使用的軟件為Origin 2021。利用Amos26繪制結構方程模型。

2 結果與分析

2.1 養分添加和淺翻耕對土壤溫度和土壤含水量的影響

2020和2021年生長季月平均氣溫呈現明顯的季節動態,表現為單峰曲線(圖1),呈先增加后降低趨勢,7月達到最高值,2個生長季年平均氣溫分別為16.4℃和16.3℃。2020年和2021年生長季降水量差異較大(圖1),最高值分別出現在2020年7月和2021年8月,生長季總降水量分別為426.6 mm和275.2 mm,2020年總降雨量(487.6 mm)大于平均年降雨量的1.12倍稱為濕潤年份,2021年生長季總降雨量(340.2 mm)小于平均年降雨量的0.88倍稱為干旱年份。

圖1 2020—2021年生長季(5—9月)月平均氣溫和月降水量Fig.1 Monthly mean temperature and monthly precipitation during the growing season (May—September) in 2020 and 2021

2020和2021年土壤溫度呈現出明顯的季節變化動態(圖2)與年際差異(表1)。2020年生長季7—9月土壤溫度月平均值在12.37℃～17.71℃之間,其中最大值出現在7月,最小值出現在9月。2021年生長季7—9月土壤溫度月平均值在9.77℃～18.13℃之間,其中最大值出現在7月,最小值出現在5月。從兩年的均值來看,養分添加顯著降低了土壤溫度(圖2,P<0.05)。2020年生長季7—9月土壤含水量月平均值在9.0%～24.0%(v/v)之間,其中最大值出現在8月,最小值出現在7月。2021年土壤體積含水量月平均值在12.3%～21.0%(v/v)之間,最大值出現在5月,最小值出現在8月。從兩年的均值來看,四個處理間差異不顯著(圖2)。

表1 不同處理和測定年份對土壤溫度、含水量、呼吸及其溫度敏感性影響的重復測定方差分析結果(P值)Table 1 Repeated analysis of variance of the effects of different treatments and years on soil temperature,water content,respiration and its temperature sensitivity (P value)

圖2 2020—2021年生長季不同處理下土壤溫度和土壤含水量的季節動態及兩年平均值Fig.2 Seasonal dynamics and two-year mean values of soil temperature and soil water content in the growing seasons in 2020 and 2021 under different treatments注:CK,對照;SP,淺耕翻;NPK,養分添加;NPK+SP,養分添加與淺耕翻。* P<0.05;** P<0.01,***P<0.001。下同Note:CK,Control;SP,Shallow plough;NPK,Nutrient addition;NPK+SP,Nutrient addition and shallow ploughing. *,correlation is significant at the 0.05 level;**,correlation is significant at the 0.01 level;***,correlation is significant at the 0.001 level. The same as below

2.2 養分添加和淺翻耕對地上、地下生物量的影響

無論2020年還是2021年,淺耕翻都顯著降低了地上生物量(P<0.05)。與對照相比,2020年和2021年的淺耕翻處理分別使得地上生物量顯著降低了67.4%和53.7%。2020年和2021年的養分添加和淺耕翻處理對地下生物量沒有產生顯著影響,但在2021年,與養分添加相比,淺耕翻顯著降低了地下生物量(圖3,P<0.05)。

圖3 2020—2021年不同處理對地上生物量和地下生物量的影響Fig.3 Effects of different treatments on above-ground biomass and underground biomass in 2020 and 2021注:柱形圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different lowercase letters for the same growing season in in 2020 or 2021 indicate a significant difference among different treatments (P<0.05). The same as below

2.3 養分添加和淺翻耕對土壤呼吸和溫度敏感性的影響

土壤呼吸在2020—2021年生長季呈現明顯的季節動態及年際差異(圖4)。生長季旺期(7月及8月)土壤呼吸大于生長季初期(5月)和末期(9月)。2020年養分添加、養分添加和淺耕翻與對照相比分別顯著提高了土壤呼吸的29.4%和62.1%(圖4,P<0.05);2021年養分添加與對照相比顯著提高了土壤呼吸的44.3%(圖4,P<0.05)。將兩年的數據取平均值,發現養分添加、養分添加和淺耕翻與對照相比顯著提高了土壤呼吸的39.0%,33.1%(圖4,P<0.05)。總的來看,不同處理下土壤呼吸從大到小依次是NPK>NPK+SP>SP>CK(圖4)。重復測量的結果表明測定時間對土壤呼吸的影響不顯著(表1),養分添加處理和養分添加和淺耕翻處理對土壤呼吸的影響達到極顯著水平(表1,P<0.05)。

圖4 2020—2021年生長季不同處理對土壤呼吸的影響及年際均值Fig.4 Effects of different treatments on soil respiration and their interannual mean values during the growing season in 2020 and 2021

圖5 2020—2021年生長季不同處理對土壤呼吸溫度敏感性(Q10)的影響Fig.5 Effects of different treatments on soil respiration temperature sensitivity (Q10) during the growing season in 2020 and 2021

2020年生長季對照、淺耕翻、養分添加、養分添加+淺耕翻四個處理下土壤呼吸溫度敏感性(Q10)分別為2.32,2.40,2.38 和3.28,四個處理間差異不顯著。2021年生長季,對照、淺耕翻、養分添加、養分添加+淺耕翻四個處理下土壤呼吸溫度敏感性(Q10)分別為1.81,2.44,1.52 和1.44。從圖中可以發現,與對照相比,SP增加了溫度敏感性,但兩者并不顯著,而與SP處理相比,NPK+SP交互處理的溫度敏感性卻顯著降低了20.4%(圖6)。

圖6 淺耕翻和養分添加影響土壤呼吸及其溫度敏感性的結構方程模型(SEM)Fig.6 Structural Equation model (SEM) on effects of shallow tillage and nutrient addition on soil respiration and its temperature sensitivity注:模型擬合結果良好。灰色箭頭表示負效應,黑色箭頭表示正效應。實線表示路徑顯著,虛線表示路徑不顯著。擬合結果為R2=0.35,P=0.403,RMSEA=0.044Note:The model fit is good. Black arrows indicate positive effects and the gray arrow indicates a negative effect. A solid line indicates that the path is significant,and a dashed line indicates that the path is not significant. Results of model fitting:R2=0.35,P=0.403,RMSEA=0.044

2.4 土壤呼吸及其溫度敏感性的影響因子

結構方程模型表明地下生物量是調控土壤呼吸的關鍵因素,養分添加處理通過直接影響地下生物量進而影響土壤呼吸。養分添加處理通過直接影響土壤溫度進而影響土壤微生物生物量碳含量,但土壤微生物生物量碳含量對土壤呼吸影響不顯著。其中淺耕翻處理和養分添加處理都對地上生物量呈現顯著正效應,但是地上生物量對土壤呼吸影響不顯著。模型解釋度為35%。

3 討論

3.1 多養分添加與淺耕翻對土壤呼吸的影響

本研究顯示短期多養分添加顯著提高晉北農牧交錯帶草地的土壤呼吸,這與其他學者在丘陵區退耕草地以及典型草原草地中研究外源養分輸入的結果一致[17-18]。之前的研究表明,地下生物量是土壤呼吸的主要調控因素[19],這與本實驗的研究結果一致。結構方程模型也表明,養分添加主要通過增加地下生物量進而提高了土壤呼吸。在養分限制的草地生態系統中,養分添加通過提高土壤的資源可利用性[20]使得地上和地下生物量顯著增加。地下生物量增加一方面增加了根系的自養呼吸,進一步提高了土壤的總呼吸;另一方面生物量的增加使得土壤微生物分解的底物增加[21-24],促進土壤呼吸,從而對草地碳通量產生影響。此外,本研究也發現土壤理化性質、微生物及生物量等其他因素對土壤呼吸無直接影響,這可能與觀測的時間長短有關,因此未來可能需要進行長期深入的研究。

淺耕翻作為農牧交錯帶退化草地的修復管理措施之一。與其他學者在呼倫貝爾草甸草原研究發現耕翻顯著促進了土壤呼吸的結果并不一致[25],在本研究地點發現短期淺耕翻對土壤呼吸的影響不顯著。一方面,翻耕作為一種草地管理措施通過影響地上和地下的生物量動態[26]從而影響土壤呼吸。但本研究發現翻耕僅僅顯著影響地上生物量,同時結構方程模型中地上生物量對土壤呼吸無顯著影響。另一方面,前人的研究表明地上生物量的降低促使草地蓋度的降低,可能增加了太陽對地表的輻射,從而提高了土壤溫度,同時適度翻耕會提高土壤酶活性,改善土壤通氣性[27],提高土壤微生物的活性從而促進土壤有機物的分解,會促使土壤呼吸增加。但在本研究中發現淺耕翻對土壤溫度影響不大,這應該是短期淺耕翻對土壤呼吸的影響不顯著的主要原因之一。

本研究表明短期(兩年)養分添加顯著促進了農牧交錯帶草地土壤呼吸,而短期淺耕翻則對土壤呼吸無顯著影響。同時養分輸入和淺耕翻存在顯著的交互作用,但是本研究發現兩年土壤呼吸養分添加和淺耕翻與養分輸入的響應不同,2020年淺耕翻與養分輸入對土壤呼吸表現出協同作用,2021年淺耕翻與養分輸入對土壤呼吸的影響低于單獨的淺耕翻或養分輸入處理。由于2020年的降雨量超過年均降雨量,2021年的降雨量低于年均降雨量,這可能是年際降水量的差異及處理的累積效應影響了土壤呼吸。同時淺耕翻也可能削弱了養分添加對地下生物量的促進作用,從而對土壤呼吸造成影響。與胡姝婭等[28]在北方農牧交錯帶的研究中發現氮添加促進了土壤呼吸,刈割抑制土壤呼吸研究并不一致。目前關于草地養分輸入和淺耕翻的交互研究較少,大多研究集中于養分輸入和刈割。Han等[29]只發現氮添加對土壤呼吸的促進作用,Du等[30]發現氮添加和刈割顯著抑制土壤呼吸,兩者的交互作用不明顯。表現不同的原因一是由于本研究刈割移除地上植物后,淺耕翻進一步改變土壤環境,對土壤微生物活性影響不同所引起的響應不同;二是因為草地生態系統的不同,養分添加的種類不同,都有可能使得相同或相似的處理呈現不同結果。

3.2 多養分添加與淺耕翻對溫度敏感性的影響

2020年淺耕翻處理和養分添加都對Q10無顯著影響,而2021年與淺耕翻相比,淺耕翻加養分添加處理后Q10降低,這可能是由于養分添加后改變了底物供應與質量,淺耕翻刺激了土壤微生物活性,引起Q10的改變。大量研究表明土壤呼吸溫度敏感性受到土壤生物、底物供應與質量、溫度、水分、測量時空等多種因素的影響[31]。同時由于兩年Q10對不同處理呈現出不同的結果,這可能與降水有極大的關系,未來需要更大范圍的時間尺度的測量來證明這一觀點。

本研究中2021年淺耕翻后Q10變化不大,從圖中可以發現,與對照相比,SP增加了溫度敏感性,但并不顯著,2021年降雨量低,土壤水分條件差,淺耕翻后使地上生物量減少、土壤含水量降低及土壤溫度升高,改變了微生物群落組成和結構,從而引起Q10降低。在干旱年(2021)對土壤呼吸呈現拮抗作用,說明淺耕翻通過增強或削弱養分添加對Q10積極效應進而對土壤呼吸造成影響。同時由于淺耕翻移除了植物生物量,減弱了養分輸入后對生產力的促進作用,削弱了養分輸入對土壤呼吸的促進作用,進而影響其溫度敏感性。高天明等[31]研究發現,淺耕翻有利于退化羊草草原生產力和土壤有機碳的快速恢復。同時本研究是一個短期的監測,長期的監測效果尚不清晰。因此在晉北賴草草地,淺耕翻對實現草地碳庫的恢復與草地碳匯的增加的作用不大,從結果來看,更應關注肥料過度施用問題。同時當前研究的不足在于養分輸入的形式單一,翻耕只有一種處理,不同深度的翻耕可能影響不同,未來可以進行更多的組合去探討更多問題。

4 結論

晉北典型農牧交錯帶草地土壤呼吸對短期養分添加的響應敏感,顯著提高了土壤呼吸;但是淺耕翻處理對土壤呼吸沒有顯著影響,淺耕翻和養分添加對土壤呼吸的影響存在交互作用并且與年際降水有關,在2020年表現為協同作用促進土壤呼吸。養分添加引起的生物量的變化是農牧交錯帶草地土壤呼吸的主要調控因子,未來管理農牧交錯帶草地需要兼顧草地生產與生態功能以及年際降水格局的變化降水。