外源碳輸入對(duì)華北平原農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化及其溫度敏感性的影響*

魏圓云, 崔麗娟, 張曼胤**,劉魏魏, 王大安, 楊 思, 肖紅葉

外源碳輸入對(duì)華北平原農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化及其溫度敏感性的影響*

魏圓云1,2, 崔麗娟1, 張曼胤1,2**,劉魏魏1,2, 王大安1,2, 楊 思1,2, 肖紅葉1,2

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所/濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091; 2. 河北衡水湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站 衡水 053000)

研究外源碳輸入和氣候變暖對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響, 對(duì)于深入理解土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定和積累機(jī)制以及其對(duì)全球變化的響應(yīng)具有重要意義。通過(guò)為期35 d的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn), 利用13C穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù), 研究了華北平原典型農(nóng)田和濕地土壤在15 ℃和25 ℃下的土壤有機(jī)碳礦化及激發(fā)效應(yīng)。結(jié)果表明, 土地利用類(lèi)型(農(nóng)田/濕地)、溫度(15 ℃/25 ℃)和葡萄糖添加[0.4 mg(C)·g-1]對(duì)土壤有機(jī)碳礦化均具有顯著影響。在相同培養(yǎng)溫度下, 未添加葡萄糖的農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化無(wú)顯著差異, 而添加葡萄糖處理下農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化顯著高于濕地土壤。除濕地土壤在15 ℃下培養(yǎng)外, 添加葡萄糖顯著促進(jìn)了農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化, 農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)顯著高于濕地土壤。溫度升高顯著促進(jìn)了農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化, 培養(yǎng)過(guò)程中土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性10為1.2~1.6, 土地利用類(lèi)型和葡萄糖添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性的影響都不顯著。在溫度升高和外源碳輸入的共同作用下, 農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化顯著高于濕地土壤。

土壤有機(jī)碳礦化; 外源碳輸入; 氣候變暖; 土地利用類(lèi)型; 激發(fā)效應(yīng); 溫度敏感性;13C穩(wěn)定同位素

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)載體, 全球土壤碳庫(kù)總儲(chǔ)量在2 500 Gt, 相當(dāng)于大氣碳庫(kù)的3.3倍、陸地生物碳庫(kù)的4.5倍[1], 其微小變化都有可能導(dǎo)致大氣CO2濃度較大幅度的波動(dòng), 從而對(duì)全球碳平衡和未來(lái)氣候變化趨勢(shì)產(chǎn)生重大影響[2]。土壤有機(jī)碳礦化是土壤微生物為獲取化學(xué)能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 分解土壤有機(jī)質(zhì)而釋放CO2的過(guò)程, 在這一過(guò)程中土壤有機(jī)碳從有機(jī)物變成無(wú)機(jī)物并進(jìn)入大氣碳庫(kù), 構(gòu)成了土壤碳庫(kù)向大氣碳庫(kù)遷移轉(zhuǎn)化的主要途徑[3]。土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程對(duì)全球變化的反饋, 一直是土壤生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[4-5]。

氣候變暖是全球變化的主要特征之一, 目前已有大量研究普遍證實(shí)溫度升高會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化[3,5]。土壤有機(jī)碳礦化對(duì)溫度變化的響應(yīng)稱(chēng)為溫度敏感性, 常用溫度敏感性指數(shù)10表示, 其意義為溫度每上升10 ℃土壤有機(jī)碳礦化速率所增加的倍數(shù)[5]。另一方面, 氣候變暖也可促進(jìn)植被凈光合生產(chǎn)力提高, 將使土壤有機(jī)碳輸入量增大[6]。然而長(zhǎng)期定位研究發(fā)現(xiàn), 土壤碳輸入量增大并不一定導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增長(zhǎng), 因?yàn)橥寥捞寂欧帕恳搽S之提高[7]。這種外源有機(jī)質(zhì)輸入在短時(shí)期內(nèi)改變土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程的現(xiàn)象稱(chēng)為激發(fā)效應(yīng)(priming effect, PE)[8]。研究土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)和溫度敏感性, 對(duì)于闡釋并預(yù)測(cè)全球變化背景下的土壤碳循環(huán)具有重要意義。

華北平原是我國(guó)主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)之一, 區(qū)域人口稠密, 耕作歷史悠久。受人類(lèi)活動(dòng)影響, 華北平原在歷史上曾損失了大量濕地[9]。而濕地是單位面積土壤碳儲(chǔ)量最高的陸地生態(tài)系統(tǒng)[10], 濕地恢復(fù)被視為是增強(qiáng)土壤固碳能力、應(yīng)對(duì)氣候變化的有效手段[11]。根據(jù)氣候和地形等自然條件, 華北平原潛在分布的濕地?cái)?shù)量豐富[12], 具備開(kāi)展退耕還濕工程的基本條件。但對(duì)該地區(qū)土壤有機(jī)碳礦化的研究多關(guān)注于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[13-14], 對(duì)于退耕還濕后土壤有機(jī)碳礦化將如何變化的研究仍較為缺乏, 一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題尚不十分清楚: 1)外源碳輸入對(duì)農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化的影響有何差異？2)農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性有何差異？3)二者溫度敏感性是否受外源碳輸入的影響？本研究以華北平原典型農(nóng)田和濕地土壤為研究對(duì)象, 基于13C穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù), 研究了外源碳輸入對(duì)農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化及其溫度敏感性的影響, 以期為準(zhǔn)確評(píng)估該地區(qū)的土壤固碳潛力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于河北省衡水湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū), 地處華北平原中部(115°28′59″~115°41′40″E, 37°32′14″~37°41′25″N), 屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候, 年均氣溫13.0 ℃, 年平均降水量518.9 mm, 總面積187.87 km2, 其中水域面積約7 500 hm2, 占整個(gè)保護(hù)區(qū)的40%, 由人工堤分隔為東湖、西湖和冀州小湖, 湖周邊主要為沼澤、農(nóng)田、林地等[15]。

1.2 材料采集

在衡水湖北岸選取典型農(nóng)田和濕地設(shè)置樣地, 其中農(nóng)田樣地的種植方式為華北平原最普遍的冬小麥()-夏玉米()一年兩熟制[16], 土壤為潮土。濕地樣地為季節(jié)性積水沼澤, 土壤為潮土, 植物群落以蘆葦()為優(yōu)勢(shì)種, 伴生種有香蒲()、堿蓬()、羅布麻()等。于2018年9月在農(nóng)田樣地和濕地樣地分別設(shè)置4個(gè)20 m×20 m樣方作為重復(fù), 樣方間距200 m, 每個(gè)樣方按五點(diǎn)法布設(shè)采樣點(diǎn), 采集0~10 cm的土壤樣品, 混合均勻后用冰袋保存返回實(shí)驗(yàn)室, 挑揀除去土壤中的細(xì)根、秸稈等植物殘?bào)w后過(guò)2 mm篩。一部分土壤樣品風(fēng)干后用于土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定, 其余土壤樣品保存在4 ℃環(huán)境下供培養(yǎng)試驗(yàn)使用, 保存時(shí)間不超過(guò)1周。供試土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試農(nóng)田和濕地土壤基本理化性質(zhì)

不同小寫(xiě)字母表示不同土地利用方式間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences between two land use types at 0.05 level.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究所用土壤取自農(nóng)田(C)和濕地(W)2種土地利用類(lèi)型, 以葡萄糖為外源碳, 設(shè)置添加葡萄糖(G+)與對(duì)照(CK)處理, 分為15 ℃和25 ℃2個(gè)培養(yǎng)溫度, 共包含8種處理, 每種處理設(shè)有4個(gè)重復(fù), 共計(jì)32個(gè)樣品。

稱(chēng)取相當(dāng)于50 g烘干重的鮮土, 放入容積為1 L的玻璃培養(yǎng)瓶中, 將土壤含水率調(diào)節(jié)至最大持水量的60%。將培養(yǎng)瓶放入恒溫培養(yǎng)箱, 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別在15 ℃和25 ℃暗環(huán)境下預(yù)培養(yǎng)7 d。對(duì)G+處理按0.4 mg(C)·g-1土添加13C標(biāo)記的葡萄糖,13C標(biāo)記葡萄糖(D-Glucose-13C6, 99 atom%)購(gòu)自上海化工研究院(Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co., Ltd., China), 使用時(shí)稀釋至13C= 4 414.99‰, 并配置成100 g?L-1的葡萄糖溶液, 以移液槍均勻添加, 同時(shí)向CK處理添加等量的去離子水, 之后繼續(xù)在15 ℃和25 ℃暗環(huán)境下培養(yǎng)。于添加葡萄糖后的1 d、3 d、5 d、7 d、10 d、14 d、21 d、28 d、35 d測(cè)定土壤CO2釋放速率以及釋放CO2的13C值。

1.4 分析測(cè)試

通過(guò)進(jìn)出氣管線將培養(yǎng)瓶與激光光譜CO2同位素分析儀(Carbon Isotope Analyzer, 912-0003, LGR, USA)直接連通, 以內(nèi)循環(huán)法測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)瓶中CO2濃度變化以及土壤釋放CO2的13C值。測(cè)試時(shí), 首先向待測(cè)試的培養(yǎng)瓶中通入無(wú)CO2的標(biāo)準(zhǔn)平衡氣體, 使培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)CO2濃度低于10 μmol·mol-1, 再將培養(yǎng)瓶與進(jìn)出氣管線斷開(kāi)并保持密封, 放回15 ℃和25 ℃暗環(huán)境下繼續(xù)培養(yǎng)4 h, 之后再次與CO2同位素分析儀連通, 測(cè)定此時(shí)培養(yǎng)瓶中CO2濃度及13C值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤CO2釋放速率計(jì)算方法如下[17]:

=×(/)×(/)×273/(273+) (1)

式中:為土壤CO2釋放速率[mg(C-CO2)?kg-1?h-1],為密閉培養(yǎng)前后培養(yǎng)瓶中CO2濃度差值(μmol·mol-1),為通入無(wú)CO2的標(biāo)準(zhǔn)平衡氣體后的密閉培養(yǎng)時(shí)間(h),為CO2氣體濃度轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)單位的系數(shù)(mg?L-1),為待測(cè)氣體體積(L),為培養(yǎng)土壤質(zhì)量(g),為培養(yǎng)溫度(℃)。

土壤CO2釋放中源于土壤有機(jī)碳礦化的部分通過(guò)下式計(jì)算[18]:

soi=tot×(glu-tot)/(glu-soi) (2)

式中:soi為源于土壤有機(jī)碳礦化的CO2釋放量[mg(C-CO2)·kg-1],tot為培養(yǎng)瓶中全部CO2釋放量[mg(C-CO2)·kg-1],glu為所添加葡萄糖的13C值,tot為培養(yǎng)瓶中CO2的13C值,soi為所測(cè)定土壤有機(jī)碳的13C值。

土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)由下式計(jì)算[18]:

PE=0-CK(3)

式中: PE為土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)[mg(C- CO2)·kg-1],0為添加葡萄糖處理的累積土壤有機(jī)碳礦化量[mg(C-CO2)·kg-1],CK為對(duì)照處理的累積土壤有機(jī)碳礦化量[mg(C-CO2)·kg-1]。

相對(duì)激發(fā)效應(yīng)(PEr)為激發(fā)效應(yīng)與對(duì)照處理累積土壤有機(jī)碳礦化量的比值[18]:

PEr=(0-CK)/CK×100% (4)

土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性(10)采用修正的Van’ t Hoff公式計(jì)算[19]:

10=(1/2)^10/(1-2) (5)

式中:1為較高溫度下土壤有機(jī)碳礦化速率[mg(C- CO2)·kg-1·h-1],2為較低溫度下土壤有機(jī)碳礦化速率[mg(C-CO2)·kg-1·h-1],1、2為培養(yǎng)溫度(℃)。

采用LSD法檢驗(yàn)分析培養(yǎng)35 d累積土壤有機(jī)碳礦化量和相對(duì)激發(fā)效應(yīng)的差異顯著性, 以三因素方差分析(Three-way ANOVA)分析土地利用類(lèi)型、培養(yǎng)溫度和葡萄糖添加對(duì)35 d累積土壤有機(jī)碳礦化量的影響, 以兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析(Two-way Repeated Measures ANOVA)分析培養(yǎng)過(guò)程中土地利用類(lèi)型和葡萄糖添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性的影響, 并采用正交多項(xiàng)式擬合10的時(shí)間動(dòng)態(tài)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SAS 9.3軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 累積土壤有機(jī)碳礦化量

在培養(yǎng)過(guò)程中, 累積土壤碳礦化量逐步增長(zhǎng), 隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng), 增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩(圖1)。培養(yǎng)35 d后, 未添加葡萄糖的農(nóng)田和濕地土壤在相同培養(yǎng)溫度下累積土壤碳礦化量無(wú)顯著差異, 且農(nóng)田和濕地土壤在25 ℃下培養(yǎng)的累積土壤碳礦化量均顯著高于在15 ℃下培養(yǎng)。除濕地土壤在15 ℃下培養(yǎng)外, 其余添加葡萄糖處理都顯著提高了累積土壤碳礦化量。在添加葡萄糖處理下, 農(nóng)田土壤在相同培養(yǎng)溫度下的累積土壤碳礦化量都顯著高于濕地土壤。培養(yǎng)35 d后, 添加的外源葡萄糖有60%~80%分解礦化, 在相同培養(yǎng)溫度下由葡萄糖礦化釋放的CO2在不同土地利用類(lèi)型中無(wú)顯著差異(圖2)。

圖1 外源碳添加和培養(yǎng)溫度對(duì)農(nóng)田和濕地土壤累積碳礦化量動(dòng)態(tài)的影響

25℃-CK: 25 ℃下培養(yǎng)未添加葡萄糖; 25℃-G+: 25 ℃下培養(yǎng)添加葡萄糖; 15℃-CK: 15 ℃下培養(yǎng)未添加葡萄糖; 15℃-G+: 15 ℃下培養(yǎng)添加葡萄糖。25℃-CK: incubation at 25 ℃ without glucose addition; 25℃-G+: incubation at 25 ℃ with glucose addition; 15℃-CK: incubation at 15 ℃ without glucose addition; 15℃-G+, incubation at 15 ℃ with glucose addition.

方差分析結(jié)果表明, 土地利用類(lèi)型、溫度、葡萄糖添加對(duì)累積土壤有機(jī)碳礦化量均具有顯著影響, 土地利用類(lèi)型和葡萄糖添加存在顯著的交互作用, 其他因素的交互作用不顯著(表2)。

2.2 土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)

在培養(yǎng)過(guò)程中, 土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)持續(xù)增長(zhǎng), 在培養(yǎng)前14 d增長(zhǎng)較快, 此后逐漸平緩, 農(nóng)田土壤的激發(fā)效應(yīng)始終高于濕地土壤(圖3)。在培養(yǎng)35 d后, 農(nóng)田土壤在15 ℃下培養(yǎng)的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)最高, 濕地土壤的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)在25 ℃和15 ℃下培養(yǎng)無(wú)顯著差異(圖4)。

2.3 土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性

在培養(yǎng)過(guò)程中, 農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性(10)值在1.2~1.6波動(dòng)(圖5)。重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明, 土地利用類(lèi)型和葡萄糖添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化10的影響都不顯著, 但培養(yǎng)時(shí)間對(duì)土壤有機(jī)碳礦化10的影響是顯著的, 并且土地利用類(lèi)型與培養(yǎng)時(shí)間的交互作用顯著(表3)。對(duì)土壤有機(jī)碳礦化10值的時(shí)間動(dòng)態(tài)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合, 發(fā)現(xiàn)土壤碳礦化10平均值的1階和2階正交多項(xiàng)式具有顯著意義, 而高階正交多項(xiàng)式無(wú)顯著意義, 表明土壤有機(jī)碳礦化10值隨時(shí)間發(fā)生顯著變化, 但變化曲率較小。同時(shí), 不同土地利用類(lèi)型間10值的時(shí)間變化趨勢(shì)顯著不同, 而添加葡萄糖與對(duì)照處理間10值的時(shí)間變化趨勢(shì)無(wú)顯著差異(表4)。

3 討論

3.1 土地利用類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)的影響

土壤有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量對(duì)土壤有機(jī)碳礦化具有重要影響[3]。濕地開(kāi)墾可導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量下降、活性有機(jī)碳組分減少[20], 在人工培養(yǎng)條件下濕地土壤有機(jī)碳礦化速率往往高于農(nóng)田土壤[21]。但在華北平原地區(qū), 受人類(lèi)活動(dòng)的長(zhǎng)期影響, 不同土地利用類(lèi)型間土壤有機(jī)碳含量差異較小[22], 農(nóng)田與其他土地利用類(lèi)型間土壤有機(jī)碳礦化的差異也多不明顯[23]。本研究中, 農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異, 可能是相同溫度下農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化量也無(wú)顯著差異的主要原因。而在添加葡萄糖處理下, 農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)顯著高于濕地土壤, 并且農(nóng)田土壤自添加葡萄糖后第1天起就產(chǎn)生了較強(qiáng)烈的激發(fā)效應(yīng), 說(shuō)明農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化可能因能量對(duì)土壤微生物的限制而處于較低水平, 葡萄糖添加為土壤微生物提供了更多可利用的碳源, 從而促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化。濕地土壤有機(jī)碳礦化則對(duì)葡萄糖添加表現(xiàn)相對(duì)不敏感, 同時(shí)濕地土壤C/N以及持水能力等理化性質(zhì)也與農(nóng)田土壤存在顯著差異, 說(shuō)明盡管農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳含量較為接近, 但其機(jī)械組成和化學(xué)穩(wěn)定程度可能有所不同, 從而影響土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)。Guenet等[24]在比較農(nóng)田和撂荒地土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)時(shí), 就發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤的激發(fā)效應(yīng)顯著高于撂荒地土壤, 認(rèn)為是農(nóng)田的耕作活動(dòng)破壞了部分土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu), 使其內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)暴露出來(lái), 在添加外源碳后加速分解, 從而增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)。此外, 孫星照等[25]對(duì)農(nóng)耕區(qū)濕地添加外源磷的研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳潛在礦化勢(shì)與土壤磷含量正相關(guān), 外源磷輸入可提高部分土壤水解酶的活性。本研究中農(nóng)田土壤磷含量顯著高于濕地土壤, 也可能是導(dǎo)致農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)較強(qiáng)的原因。

圖2 外源碳添加和不同培養(yǎng)溫度下農(nóng)田和濕地土壤累積CO2釋放量中源于土壤有機(jī)碳和葡萄糖的組分

不同大寫(xiě)字母表示不同土地利用型的不同處理間土壤有機(jī)碳累積CO2釋放量差異顯著(<0.05), 不同小寫(xiě)字母表示不同土地利用型的不同處理間葡萄糖累積CO2釋放量差異顯著(<0.05)。W-25℃-CK: 濕地土壤25 ℃下培養(yǎng)未添加葡萄糖; W-25-G+: 濕地土壤25 ℃下培養(yǎng)添加葡萄糖; W-15℃-CK: 濕地土壤15 ℃下培養(yǎng)未添加葡萄糖; W-15℃-G+: 濕地土壤15 ℃下培養(yǎng)添加葡萄糖; C-25℃-CK: 農(nóng)田土壤25 ℃下培養(yǎng)未添加葡萄糖; C-25℃-G+: 農(nóng)田土壤25 ℃下培養(yǎng)添加葡萄糖; C-15℃-CK: 農(nóng)田土壤15 ℃下培養(yǎng)未添加葡萄糖; C-15℃-G+: 農(nóng)田土壤15 ℃下培養(yǎng)添加葡萄糖。Different capital letters mean significant differences in CO2emissions from soil organic carbon at 0.05 level. Different lowercase letters mean significant differences in CO2emissions from glucose at 0.05 level. W-25℃-CK: wetland soil incubated at 25 ℃ without glucose addition; W-25℃-G+: wetland soil incubated at 25 ℃ with glucose addition; W-15℃-CK: wetland soil incubated at 15 ℃ without glucose addition; W-15℃-G+: wetland soil incubated at 15 ℃ with glucose addition; C-25℃-CK: cropland soil incubated at 25 ℃ without glucose addition; C-25℃-G+: cropland soil incubated at 25 ℃ with glucose addition; C-15℃-CK: cropland soil incubated at 15 ℃ without glucose addition; C-15℃-G+: cropland soil incubated at 15 ℃ with glucose addition.

表2 土地利用類(lèi)型、培養(yǎng)溫度、葡萄糖添加對(duì)累積土壤碳礦化量的影響及交互作用

圖3 不同培養(yǎng)溫度下農(nóng)田和濕地累積土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)動(dòng)態(tài)

W-25℃: 濕地土壤25 ℃下培養(yǎng); W-15 ℃: 濕地土壤15 ℃下培養(yǎng); C-25℃: 農(nóng)田土壤25 ℃下培養(yǎng); C-15℃: 農(nóng)田土壤15 ℃下培養(yǎng)。W-25℃: wetland soil incubated at 25 ℃; W-15℃: wetland soil incubated at 15 ℃; C-25℃: cropland soil incubated at 25 ℃; C-15℃: cropland soil incubated at 15 ℃.

圖4 培養(yǎng)35 d后不同培養(yǎng)溫度下農(nóng)田和濕地的土壤有機(jī)碳礦化相對(duì)激發(fā)效應(yīng)

W-25℃: 濕地土壤25 ℃下培養(yǎng); W-15 ℃: 濕地土壤15 ℃下培養(yǎng); C-25℃: 農(nóng)田土壤25 ℃下培養(yǎng); C-15℃: 農(nóng)田土壤15 ℃下培養(yǎng)。W-25℃: wetland soil incubated at 25 ℃; W-15℃: wetland soil incubated at 15 ℃; C-25℃: cropland soil incubated at 25 ℃; C-15℃: cropland soil incubated at 15 ℃.

圖5 外源碳添加對(duì)農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性(Q10)動(dòng)態(tài)變化的影響

W-CK: 濕地土壤未添加葡萄糖; W-G+: 濕地土壤添加葡萄糖; C-CK: 農(nóng)田土壤未添加葡萄糖; C-G+: 農(nóng)田土壤添加葡萄糖。W-CK: wetland soil incubation without glucose addition; W-G+: wetland soil incubation with glucose addition; C-CK: cropland soil incubation without glucose addition; C-G+: cropland soil incubation with glucose addition.

表3 土地利用類(lèi)型、葡萄糖添加和培養(yǎng)時(shí)間對(duì)土壤碳礦化溫度敏感性的影響及交互作用

表4 土壤碳礦化溫度敏感性時(shí)間變化趨勢(shì)的正交多項(xiàng)式

3.2 不同溫度下外源碳輸入對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

土壤有機(jī)碳礦化是由微生物驅(qū)動(dòng)的酶促反應(yīng)過(guò)程, 溫度升高可以加快化學(xué)反應(yīng)速率、提高微生物活性和酶活性, 所以多數(shù)研究表明土壤有機(jī)碳礦化速率會(huì)隨溫度升高而提高[5]。但目前對(duì)不同溫度下外源碳輸入影響土壤有機(jī)碳礦化的研究發(fā)現(xiàn), 土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)往往不隨溫度升高而增強(qiáng)。袁淑芬等[26]認(rèn)為這是由于在溫暖環(huán)境下, 土壤胞外酶活性已在分解土壤有機(jī)質(zhì)的過(guò)程中處于較佳狀態(tài), 此時(shí)通過(guò)外源碳輸入使土壤有機(jī)碳礦化速率進(jìn)一步增加的幅度將十分有限。Ghee等[27]在15 ℃、20 ℃、25 ℃和30 ℃下對(duì)農(nóng)田土壤添加葡萄糖, 發(fā)現(xiàn)不同溫度下土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)的強(qiáng)度并無(wú)顯著差異, 表明限制激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度的并非溫度。Thiessen等[28]研究則發(fā)現(xiàn)不同溫度下添加外源碳處理后的土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)是不一致的, 在較高溫度下激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)但持續(xù)時(shí)間較短, 而較低溫度下激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度較弱但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 最終二者的累積土壤有機(jī)碳礦化量無(wú)顯著差異。本研究中, 農(nóng)田和濕地土壤激發(fā)效應(yīng)的絕對(duì)值均在25 ℃下高于15 ℃, 濕地土壤的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)在25 ℃和15 ℃下無(wú)顯著差異, 而農(nóng)田土壤的相對(duì)激發(fā)效應(yīng)在15 ℃下反而高于25 ℃, 表明其激發(fā)效應(yīng)比土壤有機(jī)碳礦化受溫度的影響要小。此外, Zhang等[29]通過(guò)對(duì)22項(xiàng)研究520個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析發(fā)現(xiàn), 盡管培養(yǎng)溫度對(duì)激發(fā)效應(yīng)的影響是顯著的, 但在相同或相近培養(yǎng)溫度下的研究結(jié)果之間激發(fā)效應(yīng)差異很大, 在培養(yǎng)溫度為<20 ℃、20~25 ℃和>25 ℃時(shí), 激發(fā)效應(yīng)的平均強(qiáng)度分別為38.4%、-0.17%和88.2%。因而不同溫度下土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)可能受土壤自身理化性質(zhì)以及外源碳的數(shù)量和質(zhì)量的影響更大。

3.3 土地利用類(lèi)型和外源碳輸入對(duì)溫度敏感性的影響

本研究中, 農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性并無(wú)顯著差異。對(duì)此也有不少研究發(fā)現(xiàn), 盡管不同土地利用類(lèi)型下土壤有機(jī)碳礦化速率的差異是顯著的, 但其溫度敏感性的差異是不顯著的, 說(shuō)明短時(shí)期內(nèi)土地利用類(lèi)型變化對(duì)土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性的影響不大[30-31]。衡水湖地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)干擾強(qiáng)烈, 土地利用類(lèi)型變化頻繁, 現(xiàn)存季節(jié)性積水蘆葦沼澤的形成時(shí)間普遍不超過(guò)30年[32]。農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異, 可能是導(dǎo)致二者土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性差異也不顯著的原因。另一方面, 農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化在培養(yǎng)過(guò)程中溫度敏感性的變化趨勢(shì)則是不同的, 反映出二者的溫度敏感性仍存在一定差別。

外源易分解有機(jī)碳輸入提高了土壤有機(jī)碳中的活性碳庫(kù)[33], 根據(jù)酶動(dòng)力學(xué)理論, 低質(zhì)量的土壤有機(jī)質(zhì)具有較高活化能, 其溫度敏感性應(yīng)更大[3]。本研究中, 葡萄糖添加與對(duì)照處理相比, 土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性差異并不顯著。對(duì)此有研究指出, 短期培養(yǎng)試驗(yàn)中所觀測(cè)到的土壤CO2釋放以活性碳組分的分解為主, 難以排除活性碳組分對(duì)土壤整體溫度敏感性的干擾[34]。而在一些早期研究中, 曾認(rèn)為葡萄糖添加提高了土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性[35-36], 但由于這些研究未利用穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù), 其所測(cè)定的土壤CO2釋放不能區(qū)分源于土壤有機(jī)碳和外源碳的組分, 因而不能真實(shí)反映土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性的變化。也有研究發(fā)現(xiàn), 外源碳輸入確實(shí)提高了土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性, 但土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性受土壤有機(jī)碳組分變化的影響較小, 更多是由于外源碳輸入改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的[37]。

4 結(jié)論

對(duì)于華北平原農(nóng)田和濕地兩種土地利用類(lèi)型, 除濕地土壤在15 ℃下培養(yǎng)外, 添加葡萄糖顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化, 即產(chǎn)生了正向的激發(fā)效應(yīng)。培養(yǎng)過(guò)程中, 農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)始終高于濕地土壤。溫度升高顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化, 培養(yǎng)過(guò)程中土壤有機(jī)碳礦化10值在1.2~1.6波動(dòng)。農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化10值無(wú)顯著差異, 葡萄糖添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化10值的影響也不顯著。

當(dāng)無(wú)外源碳輸入時(shí), 農(nóng)田和濕地土壤在相同溫度下的土壤有機(jī)碳礦化并無(wú)顯著差異, 而在添加外源碳后, 相同溫度下的農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化顯著高于濕地土壤, 表明農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化對(duì)外源碳輸入更為敏感。

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Effects of exogenous carbon input on soil organic carbon mineralization and temperature sensitivity of cropland and wetland in the North China Plain*

WEI Yuanyun1,2, CUI Lijuan1, ZHANG Manyin1,2**, LIU Weiwei1,2, WANG Da’an1,2,YANG Si1,2, XIAO Hongye1,2

(1. Institute of Wetland Research, Chinese Academy of Forestry / Beijing Key Laboratory of Wetland Services and Restoration, Beijing 100091, China; 2. National Ecosystem Research Station of Hengshui Wetland, Hengshui 053000, China)

The influences of exogenous carbon input and climate warming are two key factors of soil organic carbon mineralization. Based on a13C stable isotope labelling technique, we conducted a laboratory incubation experiment to investigate the priming effect and temperature sensitivity of soil organic carbon mineralization of cropland and wetland in the North China Plain to understand and forecast soil carbon dynamics under global climatic change. Topsoil collected from cropland and wetland of Hengshui region were incubated with or without13C-labeled glucose [0.4 mg(C)·g-1] at two temperature (15 ℃ and 25 ℃) for 35 days. Soil CO2emission and its13C isotopic composition was measured at days 1, 3, 5, 7, 10, 14, 21, 28 and 35. Our results suggested that the soil organic carbon mineralization was significantly influenced by land use type, temperature, and glucose addition. The soil organic carbon mineralization of the cropland was approximately equal to that of the wetland without glucose addition but it was significantly higher than that of wetland with glucose addition at the same temperature. Except the wetland soil cultured at 15 ℃, glucose addition exerted a significantly positive priming effect on soil organic carbon mineralization in wetland and cropland soil. However, the priming effect of the cropland was significantly higher than that of wetland. Soil organic carbon mineralization was also accelerated by increased temperature, and the10value of its temperature sensitivity fluctuated between 1.2 and 1.6 during incubation. The temperature sensitivities of soil organic carbon mineralization were not significantly changed by different land use types and glucose addition. In conclusion, the soil organic carbon mineralization of the cropland was significantly higher than that of wetland under warming conditions andexogenous carbon input.

Soil organic carbon mineralization; Exogenous carbon input; Climate warming; Land use type; Priming effect; Temperature sensitivity;13C stable isotope

, E-mail: cneco@126.com

Mar. 22, 2019;

Jun. 21, 2019

S154.1

2096-6237(2019)10-1463-09

10.13930/j.cnki.cjea.190214

魏圓云, 崔麗娟, 張曼胤, 劉魏魏, 王大安, 楊思, 肖紅葉. 外源碳輸入對(duì)華北平原農(nóng)田和濕地土壤有機(jī)碳礦化及其溫度敏感性的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(10): 1463-1471

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* 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(CAFBB2017QA041)資助

張曼胤, 主要研究方向?yàn)闈竦厣鷳B(tài)學(xué)。E-mail: cneco@126.com

魏圓云, 主要研究方向?yàn)橥寥捞佳h(huán)。E-mail: weiyy40@126.com

2019-03-22

2019-06-21

* The study was supported by the Central Public-Interest Scientific Institution Basal Research Fund of China (CAFBB2017QA041).