不同厚度土壤呼吸對氮沉降的響應(yīng)

況 野，龍 偲，陳中吉，周運超*，張春來

近年來，以CO2為主的溫室氣體排放而引起的全球氣候變化成為公眾和科學(xué)界關(guān)注的熱點［1］，中國是全球氣候變化國際研究計劃的發(fā)起者之一［2］，減緩大氣CO2濃度增加的重要途徑是實現(xiàn)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定和增加其碳匯［3］。土壤呼吸是陸地植物固定CO2后又釋放CO2返回大氣的主要途徑，是與全球變化密切相關(guān)的一個重要過程［4］。它對生態(tài)系統(tǒng)碳平衡起著重要的調(diào)節(jié)作用，其變化能顯著地影響大氣中CO2的含量，進(jìn)而影響氣候變化［5］。大氣酸沉降會提高土壤礦化速率，影響到微生物的活性及其呼吸變化，從而影響土壤CO2的排放，酸沉降的增加會導(dǎo)致全球森林中巨大的碳匯的降低［4］。貴州位于世界三大喀斯特集中分布區(qū)之一的東亞片區(qū)的核心［6］，是世界三大酸沉降區(qū)(歐洲、美國)之一［7］，也是我國酸沉降西南片區(qū)的中心。酸沉降影響的范圍巨大，貴州是一個極為特殊的區(qū)域(成土速度慢、成土量少、土壤分布不均勻、土層淺薄、零星分散、土壤蓄水能力弱)［8］，其地質(zhì)背景導(dǎo)致其所形成的土壤為堿性，堿性環(huán)境與酸沉降是否會產(chǎn)生中和反應(yīng)目前鮮有研究。與此同時，喀斯特地區(qū)土壤淺薄是大家都公認(rèn)的事實，那么，氮沉降和土壤的堿性環(huán)境是否會對土壤呼吸和巖溶系統(tǒng)的大氣CO2源匯效應(yīng)產(chǎn)生影響以及氮沉降能否增加土壤系統(tǒng)碳的源匯效應(yīng)，目前科學(xué)界仍存在很大的爭論。為了研究以上問題，開展氮沉降對土壤呼吸影響的研究對全球氣候變化及大氣CO2源匯效應(yīng)具有重要意義。目前已有部分學(xué)者開始關(guān)注喀斯特系統(tǒng)的土壤呼吸，并對其展開了一系列的研究，如添加有機(jī)物料對巖溶系統(tǒng)中碳轉(zhuǎn)移及灰?guī)r溶蝕的影響研究［9］;喀斯特原生林土壤呼吸動態(tài)變化及其影響因素的研究［10］。但關(guān)于土壤厚度對土壤呼吸的研究較少，土壤厚度對氮沉降的響應(yīng)的研究基本未見報道。為此，本研究通過模擬大氣氮沉降試驗，研究不同氮沉降對不同土壤厚度的土壤呼吸的影響，揭示氮沉降對土壤呼吸的影響機(jī)理，分析喀斯特地區(qū)巖溶系統(tǒng)施氮對固碳的影響和作用效應(yīng)機(jī)制，為不同氮沉降條件下喀斯特系統(tǒng)對大氣CO2的源匯效應(yīng)的動態(tài)研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地及供試土壤

設(shè)在貴州省貴陽市貴州大學(xué)南校區(qū)林學(xué)院苗圃(E106°27'，N26°11')，海拔 1 100 m，屬中國亞熱帶濕潤溫和型氣候類型，供試土壤的類型為喀斯特發(fā)育形成的石灰土，其基本特征見表1。

表1 供試土壤的基本特征Tab.1 Basic features of soils used in the experiment

1.2 試驗設(shè)計

于2012年5月，在貴州大學(xué)南區(qū)林學(xué)院試驗地采用模擬野外巖溶土壤系統(tǒng)的土柱淋溶法。土柱裝置為PVC材質(zhì)的淋溶管，高50 cm、25 cm、10 cm，內(nèi)徑20 cm，土壤厚度分別為50 cm、25 cm和10 cm，在管底鋪一層石灰?guī)r。按容重為1.2 g/cm3混合均勻的石灰土分別裝入50 cm、25 cm、10 cm的淋溶管內(nèi)，同時將之前稱好的重量為5 g的多年生黑麥草種子均勻撒在距離土壤表面只有2～3 cm的土壤上，表面再用2～3 cm的土壤覆蓋。選擇三種氮沉降:低氮(LN，191.08 g/m2)、中氮(MN，254.78 g/m2)、高氮(HN，318.47 g/m2)，重復(fù) 3 次，施用氮肥均為尿素，共計27個處理。

1.3 測定方法

采用Anderson吸收阱法［11］，5 cm 內(nèi)徑的吸收阱，其內(nèi)置直徑為3 cm的一個小燒杯，內(nèi)含10 mL濃度為1 mol/L的NaOH，加酚酞指示劑，再用1 mol/L的HCL滴定呼吸釋放的CO2量。試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件和Excel軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸季節(jié)動態(tài)

2.1.1 氮沉降下的土壤呼吸動態(tài) 各氮沉降處理的土壤呼吸速率都呈現(xiàn)出相似的隨時間變化規(guī)律，即夏季高、其他季節(jié)低，表現(xiàn)為單峰型曲線(圖1)。從12月16日開始，隨著氣溫的上升，土壤呼吸速率隨著土壤溫度的升高而增大，這種趨勢一直持續(xù)到夏季7月29日，同時，土壤呼吸達(dá)到一年中呼吸速率的最大值，即氮沉降為低氮、中氮和高氮的土壤呼吸速率分別為157.52 mg/(m2·h)、172.73 mg/(m2·h)、179.62 mg/(m2·h)。進(jìn)入秋冬以后，隨著氣溫降低，土壤溫度也大幅降低，土壤呼吸速率隨著土壤溫度的降低而減小，這個過程一直持續(xù)到12月中旬，是土壤呼吸達(dá)到一年中呼吸速率的最小值，即低氮、中氮和高氮的氮沉降土壤呼吸速率分別為10.85 mg/(m2·h)、11.4 mg/(m2·h)、11.9 mg/(m2·h)。三種氮沉降處理土壤呼吸速率差異顯著(表2)。但氮沉降初期，三種處理間的差異不明顯，隨著氮沉降的持續(xù)，土壤呼吸速率增加，各處理呼吸速率最高峰均出現(xiàn)在7月下旬，三種氮沉降最高值與最低值之間的極差值分別為145.34 mg/(m2·h)、159.86 mg/(m2·h)、165.35 mg/(m2·h)，差異顯著。這可能與氣溫溫度變化有關(guān)。

圖1 不同氮沉降土壤呼吸動態(tài)Fig.1 Dynamics of soil respiration in different acid deposition

表2 不同氮沉降量和不同土壤厚度間的方差分析Tab.2 Analysis of variance between different aciddeposition and different soil thickness

2.1.2 土壤厚度下的土壤呼吸動態(tài) 三種土壤厚度的土壤呼吸速率均隨著時間呈現(xiàn)相似的變化趨勢，即單峰型趨變化(圖2)。隨著氣溫的升高，從1月到6月土壤呼吸速率呈上升的趨勢，到7月夏末達(dá)到峰值，即這時的土壤呼吸速率變化過程最明顯，隨后開始下降，在最冷的冬季12月出現(xiàn)最小值，不同土壤厚度最大值與最小值之間的極差值分別為 107.7 mg/(m2·h)、132.54 mg/(m2·h)、156.27 mg/(m2·h)，出現(xiàn)這一差異的原因主要是與溫度變化影響有關(guān)。

三種土壤厚度的土壤呼吸強(qiáng)弱存在極顯著差異(表2)。三種土壤厚度的土壤呼吸速率的最高峰均出現(xiàn)在7月中旬，其土壤呼吸速率最大值分別為 157.52 mg/(m2· h)、172.73 mg/(m2·h)、179.62 mg/(m2·h);土壤呼吸速率最小值出現(xiàn)在12月，其土壤呼吸速率分別為18.17 mg/(m2·h)、24.98 mg/(m2·h)、26.18 mg/(m2·h)。三種土壤厚度中厚度為50cm的土壤呼吸速率最大，10 cm的土壤呼吸速率最小，土壤層次越深，土壤呼吸速率的最值就越大。

圖2 不同土壤厚度的土壤呼吸動態(tài)Fig.2 Dynamics of soil respiration of different soil thickness

2.2 氮沉降對土壤呼吸的影響

2013年7月份三種氮沉降處理的土壤呼吸速率變化(圖3)。在氮沉降影響下，7月14日和7月29日的土壤呼吸速率均隨著氮沉降濃度的增大而增大，其中7月29日三種氮沉降處理的土壤呼吸速率值分別為 157.52 mg/(m2·h)、172.73 mg/(m2·h)、179.62 mg/(m2·h)，各處理間的土壤呼吸值相差不大，以LN處理的土壤呼吸速率最小，HN處理的土壤呼吸速率最大，值為179.62 mg/(m2·h)的，說明氮沉降處理對多年生黑麥草的土壤呼吸速率有一定的促進(jìn)作用。氮沉降的濃度越大，釋放的CO2量越多;氮沉降的濃度越小，釋放的CO2量越少。

圖3 不同氮沉降量土壤呼吸速率變化Fig.3 Changes of soil respiration rate under different fertilizer utilization

2.3 土壤厚度對土壤呼吸的影響

2013年7月份人工模擬氮沉降三種土壤厚度對土壤呼吸速率的測定(圖4)。三種土壤厚度的土壤呼吸速率在氮沉降的影響下，7月14日7月29日和土壤呼吸速率均隨著土壤厚度的增加而增加，其中7月29日土壤呼吸速率值分別為152.33 mg/(m2· h)、164.23 mg/(m2· h)、167.54 mg/(m2·h)，以土壤厚度為50 cm土壤呼吸速率最大，值為167.54 mg/(m2·h)，說明土壤厚度對土壤呼吸速率有促進(jìn)作用。三種土壤厚度間的比值為2倍、2.5倍，土壤層次越深，土壤呼吸速率值越大;土壤層次越淺薄，土壤呼吸速率值越小。但是土壤呼吸速率值并沒有隨著土壤厚度間的比值而相應(yīng)的增加。

圖4 不同土壤厚度土壤呼吸速率變化Fig.4 Changes of soil respiration in different soil thickness

3 討論

3.1 氮沉降對土壤呼吸的影響

氮是植物生長必需的元素，它是植物體內(nèi)氨基酸、構(gòu)成蛋白質(zhì)、植物進(jìn)行光合作用起決定作用的葉綠素的組成部分。氮沉降會改變土壤的C/N比和土壤中可利用氮的形態(tài)［12］，也會通過影響凋落物分解而影響微生物呼吸來改變植物的土壤呼吸，進(jìn)而影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支、碳源匯功能和全球的氣候變化。目前氮沉降對陸地碳源匯的影響的研究大多集中在森林生態(tài)系統(tǒng)，并會引起某些地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)中碳匯的形成［12］。在氮素受限的生態(tài)系統(tǒng)中，從大氣沉降中增加的有效氮供應(yīng)可能會導(dǎo)致生物量生產(chǎn)的增加，從而增加了額外的碳固定量［13］。陳浩等［14］研究了氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)碳吸存的影響表明氮限制的溫帶森林，氮沉降增加了地上部分碳吸存。研究表明，氮沉降對土壤呼吸的影響包括促進(jìn)［15］、無影響［16］和抑制［17］三個方面，這與植物生理生態(tài)特性、土壤特性、施氮量等因素有關(guān)。宋學(xué)貴等［18］通過原位進(jìn)行低氮(LN，50 kg.N/hm2.a)、中氮(MN，100 kg.N/hm2.a)和高氮(HN，150 kg.N/hm2.a)處理，研究了川西南天然常綠闊葉林土壤呼吸及其對模擬N沉降的響應(yīng)，結(jié)果表明，N沉降初期促進(jìn)了常綠闊葉林的土壤呼吸，后期無明顯的影響。劉博奇等［19］使用便攜式土壤CO2通量觀測儀LI-8100測定不同氮沉降濃度對土壤呼吸的影響表明，氮沉降處理提高了小興安嶺云冷杉紅松林的土壤呼吸速率。本研究表明，不同的氮沉降，土壤呼吸速率變化值相差不大，隨著氮沉降的持續(xù)增加，土壤釋放的CO2量就越多;氮沉降越小，土壤釋放的CO2值越少。氮沉降的增加對多年生黑麥草土壤碳釋放過程產(chǎn)生了一定促進(jìn)作用，這與前人的研究結(jié)果一致［20-21］。同時，這種促進(jìn)作用隨著氮沉降濃度的升高而加強(qiáng)，導(dǎo)致土壤排放量的增多，這種增加可能從引起土壤的碳匯效應(yīng)的提高。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因為施氮促進(jìn)了植物根系的生長，使得根系呼吸和微生物的活性增強(qiáng)，間接就影響了土壤呼吸速率。加強(qiáng)氮沉降的治理，減少其對喀斯特系統(tǒng)的影響，增加對生態(tài)系統(tǒng)的源效應(yīng)。

3.2 土壤厚度對土壤呼吸的影響

巖溶石漠化地區(qū)植被生長的主要限制因子是土壤，與土壤質(zhì)量相比，土壤數(shù)量對植被生長的影響更為關(guān)鍵。土壤厚度是土壤的一個重要基本特性，能直接反映土壤的發(fā)育程度，是野外鑒別土壤肥力的重要指標(biāo)，也是喀斯特地貌土地生產(chǎn)力的決定因子之一。它既是土壤養(yǎng)分的補(bǔ)源和土壤礦質(zhì)元素的儲存庫，又是判定土壤侵蝕程度的主要指標(biāo)。同時，作為土壤參數(shù)的一個重要指標(biāo)，與基巖特征、地表植被的遮掩、地形地貌等因素有關(guān)［22］。有關(guān)土壤厚度對土壤呼吸的研究很少，秦璐等［23］利用LI-8100土壤CO2排放通量全自動測量系統(tǒng)研究了艾比湖地區(qū)土壤呼吸對季節(jié)性凍土厚度變化的響應(yīng)，結(jié)果表明土壤呼吸速率與凍土厚度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究表明，土壤厚度與土壤呼吸速率有一定的聯(lián)系，三種土壤厚度(10 cm、25 cm、50 cm)間的比例值為2.5和2，但是其土壤呼吸速率值并沒有受土壤厚度間比例值的影響，只是土壤層次的深度促進(jìn)了土壤呼吸CO2排放，這與前人的研究結(jié)果一致［24］。

在特殊地質(zhì)背景喀斯特條件下，不同氮沉降處理的土壤呼吸速率的時間動態(tài)與不同土壤厚度土壤呼吸速率的時間動態(tài)變化相似，均呈單峰型曲線。氮沉降對土壤呼吸有一定的促進(jìn)作用，氮沉降的濃度越大，土壤釋放的CO2量越多。土壤呼吸速率值并未隨著土壤厚度間的比例而有所增加，土壤層次越淺薄，釋放的CO2量越少。

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