川西亞高山森林土壤呼吸和微生物生物量碳氮對施氮的響應(yīng)

王澤西,陳倩妹,黃尤優(yōu),鄧慧妮,諶 賢,唐實(shí)玉, 張 健,劉 洋,*

1 長江上游森林資源保育與生態(tài)安全國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院生態(tài)林業(yè)研究所, 成都 611130 2 西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西華師范大學(xué), 南充 637009

土壤呼吸是指土壤釋放CO2的所有代謝過程,包括3個(gè)生物學(xué)過程(土壤微生物呼吸,土壤動(dòng)物呼吸和根呼吸)和一個(gè)化學(xué)氧化過程(土壤氧化)[1]。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)中僅次于植物光合作用的碳通量過程,占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)呼吸量的60%—90%,是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分[2- 3],更是調(diào)控全球碳循環(huán)和氣候變化的關(guān)鍵過程。森林土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的重要組成部分,其動(dòng)態(tài)變化將對全球碳平衡產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,全球森林過度采伐和其他土地利用變化導(dǎo)致土壤CO2釋放的增加,占過去兩個(gè)世紀(jì)來人類活動(dòng)釋放的CO2總量的一半[4]。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的微小變化不僅會(huì)引起大氣中CO2濃度的明顯改變,更會(huì)影響森林貯存碳能力[4],因而在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡估算中具有重要意義。土壤微生物是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要參與者[5- 6]。土壤微生物在維持生態(tài)系統(tǒng)整體服務(wù)功能方面發(fā)揮著重要作用,在C、N、P等元素的周轉(zhuǎn),生物地球化學(xué)循環(huán),有機(jī)質(zhì)的形成和土壤的碳蓄積、氣體交換、污染物的降解起作重要作用[7]。土壤微生物通過分解作用把動(dòng)植物和自身殘?bào)w以及根系分泌物的有機(jī)C、N礦化釋放到土壤中,為植物提供生長的養(yǎng)分和固定到自身,從而推動(dòng)生物化學(xué)循環(huán)[8- 10]。由人為活動(dòng)導(dǎo)致的大氣氮沉降,20世紀(jì)增長了3—5 倍,目前,約有200 Tg N/a活性氮輸入陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)[11]。我國已經(jīng)成為全球氮沉降最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。有研究表明,中國在21世紀(jì)最初10年平均氮沉降量為21.1kgN hm-2a-1[12]。據(jù)估計(jì),在21世紀(jì),氮沉降絕對增加量最多最快的地區(qū)將為東亞和南亞[13]。在氮沉降增加條件下土壤呼吸表現(xiàn)出升高[14]、降低[15]或無變化[16]3種響應(yīng)方式。Richard等[17]通過對美國哈佛森林長達(dá)13年的模擬氮沉降試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氮沉降初期土壤呼吸速率升高, 但在長期氮沉降條件下, 土壤呼吸受到抑制。涂利華等[18]發(fā)現(xiàn)施氮能增加土壤微生物生物量碳氮。Bowben等[19]、Mo等[20]和李仁洪等[21]則發(fā)現(xiàn)施氮抑制了土壤呼吸,這可能是因?yàn)榈两蹈淖兞送寥牢h(huán)境,導(dǎo)致了土壤微生物活性降低,進(jìn)而抑制了土壤呼吸。因此,在不同區(qū)域、不同生態(tài)系統(tǒng)和氮沉降背景下,施氮對土壤呼吸和微生物生物量的影響仍有很多不確定性。

前期團(tuán)隊(duì)對川西亞高山森林土壤微生物及其代謝做了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)川西高山森林-苔原交錯(cuò)帶植被類型和季節(jié)動(dòng)態(tài)對土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量和微生物生物量碳氮都有顯著影響[22],但海拔梯度導(dǎo)致的模擬增溫并未對雪被期亞高山森林土壤微生物生物量碳氮及其比值產(chǎn)生顯著影響[23]。另外,林窗效應(yīng)顯著促進(jìn)了川西亞高山森林土壤呼吸且有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)[24]。而凋落物去除對土壤溫度、水分以及土壤呼吸速率產(chǎn)生的差異均不顯著[25]。目前還缺乏亞高山森林土壤微生物代謝對施氮的響應(yīng)方面的研究。川西亞高山區(qū)域普遍受氮限制,是模擬氮沉降的天然實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在此區(qū)域進(jìn)行施氮是否會(huì)促進(jìn)亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸和微生物生物量,未來氮沉降是否會(huì)增加微生物對土壤氮的固定,從而改變亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)？因此,本研究以川西亞高山森林為研究對象,以人工施氮模擬氮沉降變化,研究施氮對川西高山森林土壤的土壤微生物和土壤呼吸的影響,以期為深入理解全球氮沉降背景下高山生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程及其影響機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和研究樣地概況

研究區(qū)位于四川省理縣米亞羅自然保護(hù)區(qū),高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,地理位置為31°43′N—31°51′N,102°40′E—103°02′E,地處青藏高原東緣褶皺帶最外緣,雜谷腦河上游,是大渡河與岷江的分水嶺,為重要的江河源區(qū)。研究區(qū)所在山體具有明顯的山地垂直地帶性,自河谷至山頂依次分布的植被類型有針闊混交林、暗針葉林、高山疏林灌叢、高山草甸,4500m以上為高山荒漠和積雪帶氣候?qū)儆诙臎龅母吆畾夂?年平均氣溫6—12℃,1月平均氣溫—8℃,7月平均氣溫12.6℃,年積溫1200—1400℃,年降水量600—1100mm,年蒸發(fā)量1000—1900mm冬季雪被期明顯,從10月到次年4月,長達(dá)6—7個(gè)月。試驗(yàn)地位于山體海拔3865m左右的四川紅杉林內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)樣地設(shè)置

四川紅杉(Larixmastersiana)僅分布于岷江流域高山峽谷地區(qū),為我國特有種。2017年4月底,選擇60年左右的四川紅杉林,在林中選取地勢較為平坦的50m×50m區(qū)域作為研究樣地。樣地中0—10 cm 土壤全碳為30.97 g/kg、全氮 2. 94g/kg、全磷 1. 32 g/kg、C /N 10. 53。在樣地中取4個(gè)2.5m×2.5m的小區(qū)組成一個(gè)區(qū)組,整個(gè)研究樣地由3個(gè)這樣的區(qū)組組成,每個(gè)小區(qū)之間間隔約5m,區(qū)組之間間隔約10m,各小區(qū),區(qū)組間立地條件相似。每個(gè)區(qū)組的4個(gè)小區(qū)分別隨機(jī)由空白對照CK、低氮N1、中氮N2、高氮N3組成。根據(jù)Zhu等[26]對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)大氣濕N沉降的組成、空間分布格局和影響因素的研究,青藏高原東緣的大氣濕氮年沉降大約為7.55kgN hm-2a-1。該區(qū)域的大氣氮沉降量相比東部地區(qū)較低,我們設(shè)計(jì)了4個(gè)水平的土壤施氮控制試驗(yàn)CK:0 g m-2a-1、N1:2 g m-2a-1、N2:5 g m-2a-1、N3:10 g m-2a-1(CK只噴灑清水,N1噴灑濃度為0.86g/L的硝酸銨溶液,N2噴灑濃度為2.14g/L的硝酸銨溶液,N3噴灑濃度為4.27g/L的硝酸銨溶液)。從2017年4月底開始使用太陽能自動(dòng)噴灑裝置在每月中旬和每月底對樣地進(jìn)行施氮處理,每個(gè)小區(qū)每次噴施1.2L溶液,施氮量分別為CK:0g,N1:1.03g,N2:2.57g,N3:5.12g。每個(gè)小區(qū)中挖掘長寬各1m,深50cm的去根樣地,方法為：將直徑1m和深度分別為50 cm的土壤分層取出; 將土壤中可見根系去除; 在土坑壁及底部貼上數(shù)層塑料薄膜, 以阻隔根系的侵入; 翻動(dòng)的土壤按照土壤層次順序填滿,以減少擾動(dòng)對土壤結(jié)構(gòu)的影響,然后盡可能將土壤中可見根系去除,排除根系分解對土壤異樣呼吸的影響, 壓實(shí),恢復(fù)1個(gè)月后進(jìn)行土壤呼吸的土壤全呼吸和土壤異樣呼吸的測量。每個(gè)小區(qū)設(shè)置4個(gè)土壤呼吸環(huán),去根樣地兩個(gè)來測量土壤異養(yǎng)呼吸,去根樣地外兩個(gè)來測量土壤全呼吸,土壤呼吸PVC環(huán)規(guī)格為：內(nèi)徑20 cm, 高10 cm, 插入土壤深度為5cm。在土壤呼吸測量的前一天整齊地剪去環(huán)內(nèi)所有植物的地上部分,不干擾試驗(yàn)內(nèi)的土壤。

1.3 土壤呼吸、土壤溫度、土壤水分和微生物生物量的測定

土壤呼吸通量采用Li- 8100土壤碳通量自動(dòng)測量系統(tǒng)(Li-Cor,Inc,NE,USA)測定。同時(shí),采用Li- 8100所附帶的土壤溫度探針和水分傳感器測定地下5 cm土壤溫度和含水量(體積含水量,%)。土壤呼吸測定從2017年6月中旬開始至2017年10月中旬,平均每個(gè)月中旬觀測一次,每次測量時(shí)間在10：00—14:00之間完成。采用微生物生物量的測定使用氯仿熏蒸提取法測定土壤微生物量[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

Q10值計(jì)算方法為:

Q10=e10b。

式中,Q10值是土壤溫度敏感性系數(shù),即土壤溫度每升高10攝氏度,土壤呼吸速率變?yōu)槲丛鰷厍昂粑俾实谋稊?shù),b是土壤呼吸與溫度單因素指數(shù)曲線模型Rs=aebt中的溫度反應(yīng)常數(shù)(Rs為土壤呼吸速率,a為溫度0 ℃時(shí)的土壤呼吸速率,b為溫度反應(yīng)常數(shù))。具體方法是,將2007年11月至2008年10月土壤呼吸速率及相對應(yīng)的土壤溫度進(jìn)行指數(shù)分布曲線回歸, 將所得的b值代入上述公式計(jì)算出各水平的Q10值[18]。

微生物生物量C、N,微生物代謝商計(jì)算方法為:

式中, MBC為微生物生物量碳 (Microbial biomass carbon),TC1為熏蒸樣品全碳,IC1為熏蒸樣品無機(jī)碳,TC0為未熏蒸樣品全碳,IC0為未熏蒸樣品無機(jī)碳,KC為微生物生物量碳轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.45), MBN為微生物生物量氮 (Microbial biomass nitrogen),TN1為熏蒸樣品全氮,TN0為未熏蒸樣品全氮,KN為微生物生物量氮轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.54)[18],MR為微生物呼吸。

同一采樣時(shí)間不同施氮梯度對土壤各指標(biāo)的影響采用單因素方差分析(one-way ANOVA),施氮處理和采樣時(shí)間對土壤呼吸、土壤微生物量、土壤溫度、土壤含水率和土壤pH值的影響采用重復(fù)測量方差分析,土壤微生物指標(biāo)與環(huán)境因子的關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析,采用一般線性回歸分析土壤呼吸通量與土壤溫度和濕度的關(guān)系。利用 Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫濕度和pH值動(dòng)態(tài)

從圖1可以看出,施氮對于土壤的溫度、土壤含水率、土壤pH值都沒有顯著的影響,土壤溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,7月的時(shí)候達(dá)到最高,10月的時(shí)候達(dá)到最低,土壤含水率則是先降低后升高,10月的時(shí)候最高,7月最低。土壤pH值在時(shí)間上沒有明顯變化。

圖1 川西亞高山森林土壤溫濕度和pH值動(dòng)態(tài)Fig.1 Dynamics of Soil Temperature, Moisture Content, pH Valuein the Larix mastersiana of the Western Sichuan ProvinceTime effect表示時(shí)間效應(yīng),N effect 表示施氮效應(yīng),T×N effect表示時(shí)間與施氮處理的交互效應(yīng)(重復(fù)測量方差分析);CK：對照組;N1:低氮組;N2：中氮組;N3：高氮組;

2.2 土壤微生物生物量碳氮對施氮的響應(yīng)

從圖2可以發(fā)現(xiàn),施氮促進(jìn)了生長季MBC、MBN的增長,但變化趨勢有差異。MBC隨施氮濃度增加而增加,在10月MBC的增長表現(xiàn)顯著。隨著施氮濃度的增加MBN呈現(xiàn)一個(gè)先增加后降低的趨勢,整個(gè)生長季MBN的增長都十分顯著,各個(gè)施氮水平MBN都顯著高于對照。而微生物量碳氮比在各施氮水平在7、8月份都顯著低于對照。重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明,施氮對于微生物生物量碳氮都有顯著的影響,對微生物量碳氮比沒有顯著的影響,時(shí)間對微生物生物量碳氮及其比值都有顯著的影響,兩者交互作用對微生物生物量碳氮有顯著的影響,對其比值沒有顯著的影響。

2.3 土壤呼吸和微生物代謝商對施氮的響應(yīng)

從圖3可以發(fā)現(xiàn),施氮促進(jìn)了土壤全呼吸、自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸和微生物代謝商,土壤全呼吸、自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸和微生物代謝商的變化基本一致,隨著施氮濃度的增加呈現(xiàn)一個(gè)先增加后降低的趨勢,其中在施加中氮水平時(shí)達(dá)到一個(gè)最大值,土壤總呼吸在施加中氮時(shí)都顯著高于對照組。在10月的時(shí)候土壤全呼吸、自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸顯著降低,施氮各水平與對照組相比都沒有顯著差異,而微生物代謝商顯著低于對照。重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明,施氮對于土壤全呼吸、自養(yǎng)呼吸、異養(yǎng)呼吸都有極顯著的影響,對于微生物代謝商的影響不顯著,時(shí)間對這些指標(biāo)的影響也很顯著,其中對于全呼吸和微生物代謝商影響極顯著,而施氮和時(shí)間的交互效應(yīng)對土壤呼吸的3個(gè)指標(biāo)影響顯著,對微生物代謝商影響不顯著。

2.4 相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)分析表明(表1),土壤呼吸、微生物代謝商、微生物生物量碳氮與土壤溫度呈極顯著正相關(guān),與土壤濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤微生物氮與土壤pH值呈極顯著正相關(guān),土壤呼吸與微生物代謝商、土壤微生物碳氮呈極顯著的正相關(guān),微生物代謝商與土壤微生物氮呈顯著的正相關(guān)。

表1 土壤呼吸和代謝與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

n=180,*表示相關(guān)性顯著,**表示相關(guān)性極顯著

圖2 土壤微生物生物量碳氮對施氮的響應(yīng)Fig.2 Soil microbial biomass carbon and nitrogen response to nitrogen applicationTime effect表示時(shí)間效應(yīng),N effect 表示施氮效應(yīng),T*N effect表示時(shí)間與施氮處理的交互效應(yīng)(重復(fù)測量方差分析)；*表示施氮處理與對照組之間差異顯著,**表示施氮處理與對照組之間差異極顯著(單因素方差分析);CK：對照組;LN:低氮組;MN：中氮組;HN：高氮組

圖3 土壤呼吸和土壤微生物代謝商對施氮的響應(yīng)Fig.3 Soil Respiration and Soil Microbial Metabolizers′ Response to Nitrogen ApplicationTime effect表示時(shí)間效應(yīng),N effect 表示氮效應(yīng),T×N effect表示時(shí)間與氮處理的交互效應(yīng)(重復(fù)測量方差分析)；*表示氮處理與對照組之間差異顯著,**表示氮處理與對照組之間差異極顯著(單因素方差分析)

2.5 土壤呼吸與土壤溫濕度的關(guān)系

在施氮各處理下,土壤呼吸與土壤溫度之間存在呈極顯著的指數(shù)回歸關(guān)系(P<0.001), 決定系數(shù)R2在0.61—0.78。根據(jù)土壤呼吸速率與土壤溫度的指數(shù)回歸方程,可以計(jì)算出土壤呼吸溫度敏感系數(shù)Q10值,對照、低、中、高氮下的Q10值分別為4.26,3.19,7.10和4.23,Q10在中氮條件下增加最明顯。對照、低、中氮處理下的土壤呼吸速率與土壤10cm 含水量之間均呈顯著直線回歸關(guān)系(p<0.001),對應(yīng)的方程可決系數(shù)R2分別為0.41, 0.21, 0.20 (圖4)。

圖4 模型分別擬合土壤呼吸速率與土壤10cm溫濕度的關(guān)系Fig.4 Model for relationships between soil respiration (R,μmol m-2 s-1) and soil temperature and moisture

3 討論

3.1 施氮對土壤微生物生物量的影響

本研究發(fā)現(xiàn),施氮對于土壤微生物量碳氮有顯著影響,能夠增加土壤微生物量碳氮,但是微生物量碳氮在各施氮水平下的變化趨勢則有差異。一般來說,土壤的碳氮比平均值為25∶1,比較適合土壤微生物的生長,因?yàn)槲⑸锩亢铣?份有機(jī)物質(zhì)需要利用5份碳素和1份氮素,同時(shí)還需要利用20份碳素作為能量來源。當(dāng)土壤的C/N大于25∶1時(shí),微生物不能大量繁殖,而且從有機(jī)物中釋放同的氮素全部為微生物自身生長所利用。當(dāng)土壤的C/N小于25∶1時(shí),微生物繁殖快,堆肥材料分解也快,而且有多余的氮素釋放,施到土壤后供作物利用,也有利于腐殖質(zhì)形成。本研究地的土壤C/N為10.53∶1,土壤碳氮比對土壤微生物的生長的促進(jìn)作用多發(fā)生在外源碳輸入量較低的情況下,大概土壤C/N在9.5—14左右[27]，一般認(rèn)為低質(zhì)量的土壤有機(jī)碳限制了土壤微生物生長所需的能量來源,從而限制了土壤有機(jī)碳的礦化速率,新鮮有機(jī)碳的加入為微生物提供了能量和營養(yǎng)元素,提高了微生物活性,從而加速了土壤有機(jī)碳的礦化,產(chǎn)生了激發(fā)效應(yīng)[28]。施氮由于降低了土壤C/N比會(huì)加速土壤有機(jī)碳的礦化,或作為能量來源而產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)[29],因此各施氮水平都促進(jìn)了土壤微生物生物量碳氮的增加。外源有機(jī)質(zhì)總量對激發(fā)效應(yīng)的影響更多取決于碳輸入量和土壤微生物生物量碳之間的比例關(guān)系,當(dāng)碳輸入量少于 MBC 的50%時(shí),礦質(zhì)化反應(yīng)隨外源碳輸入量線性增長,當(dāng)碳輸入量相當(dāng)于 MBC的50%—200%時(shí),激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度與碳輸入量呈負(fù)指數(shù)相關(guān),進(jìn)一步增加碳輸入量則對激發(fā)效應(yīng)影響較小[30]。與單獨(dú)土壤有機(jī)碳輸入產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)相比,土壤碳氮比對微生物的需求在適宜、較高、較低都可抑制激發(fā)效應(yīng),而該研究區(qū)的四川紅杉林林分密度小,郁閉度為0.7且年凋落物輸入量少,導(dǎo)致土壤中有機(jī)碳比其他低海拔地區(qū)含量偏低30%左右,土壤有機(jī)氮也比低海拔地區(qū)低,因此土壤微生物可利用的碳源偏少,導(dǎo)致土壤微生物量容易受到外源氮添加的影響。

根據(jù)已有的研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)施碳、施氮和碳氮復(fù)合添加都能不同程度增加微生物生物量碳氮[31]。在本實(shí)驗(yàn)中單獨(dú)施氮使土壤微生物量碳提高了5%—9%,土壤微生物量氮提高了23%—34%。這是因?yàn)樵谌A中地區(qū)和華南地區(qū)氮沉降量都超過了35kgN hm-2a-1,而在西北、東北、內(nèi)蒙古和青藏高原地區(qū)氮沉降量為7.55—12.84kgN hm-2a-1,川西亞高山的氮沉降量僅為7.55kgN hm-2a-1[26],川西亞高山土壤屬于氮限制的地區(qū),土壤微生物量碳氮增加的原因可能是施氮增加了土壤中的可利用氮元素,解除了微生物的氮限制,增加了微生物對氮元素的固定,從而顯著增加了微生物生物量氮。10月份土壤微生物碳開始顯著增加,說明施氮后期對微生物碳的影響更加明顯。根據(jù)方熊等的結(jié)果[32],施氮對MBC沒有明顯的影響,這是因?yàn)檠芯繀^(qū)域的氮沉降量已經(jīng)與歐洲和北美一些高氮沉降區(qū)的量相當(dāng). 在長期的高N沉降背景下,盡管土壤有機(jī)物含量增加,但不易被土壤微生物分解利用成分增多,從而抑制了微生物生物量的增長,這與低氮沉降量區(qū)的川西亞高山區(qū)域情況有所不同。還有人認(rèn)為施氮抑制土壤微生物生物量碳是因?yàn)槲⑸锓植紡V泛,不同林地土壤微生物種類差異巨大,氮沉降對氮飽和值響應(yīng)菌種數(shù)量和種類的差異,很可能導(dǎo)致施氮后微生物生物量的變化有差異,超過微生物耐受范圍的施氮必然導(dǎo)致微生物生物量的減少[33],而Pregitzer等[34]在美國密歇根進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明,長達(dá)10年的模擬氮沉降導(dǎo)致MBC增加；同樣地,Cusack等[35]在熱帶進(jìn)行了5年的施N實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)施N顯著增加了土壤中的有效氮含量,為土壤微生物的生長和繁殖提供了豐富的營養(yǎng)來源,導(dǎo)致MBC升高[36]。

3.2 施氮對土壤呼吸的影響

本研究發(fā)現(xiàn),施氮使土壤呼吸通量提高了11%—15%,對土壤總呼吸通量有顯著影響,隨著施氮濃度的升高先增加后降低,在中氮水平達(dá)到最高,這也與土壤自養(yǎng)與異養(yǎng)呼吸變化趨勢相似,也與許多短期模擬氮沉降試驗(yàn)的結(jié)果一致[37],短期的氮添加都能不同程度的增加土壤呼吸通量。這是因?yàn)榇ㄎ鱽喐呱降貐^(qū)相對處于高海拔的區(qū)域[26],土壤普遍處于氮限制性的狀態(tài),且目前的年氮沉降量還處于較低水平。施氮使得土壤中可用性氮增加,緩解了亞高山森林土壤氮的限制條件,刺激土壤微生物生物量的增長, 使其土壤微生物生物量N的固定增加[31],這使得異養(yǎng)呼吸得到了增加。外源凋落物和土壤N含量的提高都會(huì)導(dǎo)致分解者可用性N的增加, 都會(huì)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解[38], 從而表現(xiàn)為土壤異養(yǎng)呼吸的增強(qiáng)。自養(yǎng)呼吸增加的原因是由于微生物活性的升高, 土壤N礦化速率加快, 促進(jìn)了植物根系對N的吸收[39], 可能使根系呼吸增強(qiáng),特別是在本試驗(yàn)區(qū)中,土壤碳氮比更適合土壤礦質(zhì)化的發(fā)生,另外, 氮沉降普遍可以導(dǎo)致衰老葉片中N元素的再分配減少[40], 從而使凋落物中的N含量增高, 并加快分解速率。施氮對土壤呼吸的影響與土壤本身的N含量有關(guān),土壤中可用性N的增加可能會(huì)使微生物對N的固定和植物根系對N的吸收增加,但土壤中含N量超過一定程度, 如達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí), N不再成為植物和微生物的限制因子, 施氮的增加促進(jìn)土壤呼吸的作用將會(huì)很小, 甚至產(chǎn)生相反的作用,高劑量的 N施入后可能影響微生物群落,從而產(chǎn)生了抑制性物質(zhì)或抑制了酶的活性,這可能是導(dǎo)致土壤呼吸速率下降的原因；還有可能是由于一些非生物學(xué)過程,使一部分氮固定在土壤有機(jī)質(zhì)中,而使土壤碳釋放速率減慢。這也是為什么在川西亞高山施氮對土壤呼吸呈現(xiàn)一個(gè)先增加后減少的影響趨勢,而在其他氮沉降水平較高的地區(qū)施氮會(huì)對土壤呼吸產(chǎn)生抑制作用,本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在本地區(qū)中氮(5 g m-2a-1)為影響土壤呼吸的臨界值,低于中氮時(shí),施氮會(huì)刺激微生物的生長,從而導(dǎo)致土壤呼吸的加強(qiáng),高于中氮時(shí)會(huì)抑制土壤微生物的活性,從而導(dǎo)致土壤呼吸的降低。當(dāng)然,噴灑氮素方法和大氣自然沉降氮素存在一定的差別,噴灑氮素只是針對土壤進(jìn)行處理,大氣氮沉降對整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)都有影響,對地上的植物和土壤都有作用,且對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)過程的影響更為復(fù)雜,難以通過人工控制的方式對其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

3.3 土壤微生物生物量和土壤呼吸的相互關(guān)系

微生微生物量的變化會(huì)導(dǎo)致土壤呼吸的變化,微生物生物量的增加會(huì)導(dǎo)致微生物呼吸的增加,因此施氮對土壤呼吸和微生物生物量的變化趨勢類似[41]。異養(yǎng)呼吸實(shí)質(zhì)上反映的是土壤微生物在酶系統(tǒng)的作用下對有機(jī)物的分解釋放CO2過程,土壤中微生物分解有機(jī)質(zhì)釋放CO2的過程是一個(gè)受溫度、土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量以及氮可利用性等諸多因子影響的生物化學(xué)過程。當(dāng)大量的氮素持續(xù)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后,可以通過改變土壤中微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)、組成以及微生物功能和活性,從而引起土壤異養(yǎng)呼吸作用的改變[17]。對于N限制地區(qū), 由于微生物受到可用性N的限制,對有機(jī)質(zhì)的分解會(huì)受到抑制。在施氮的情況下通過微生物生物量的增殖和提高微生物活性, 微生物呼吸得到增強(qiáng);溫度作為土壤呼吸的重要影響因素, 在土壤呼吸研究中受到普遍關(guān)注,Q10所代表的土壤呼吸溫度敏感性在模擬和預(yù)測全球碳循環(huán)過程中非常重要,已有學(xué)者研究了氮沉降對土壤呼吸溫度敏感性的影響,在氮沉降持續(xù)增加及全球溫暖化的背景下, 探索森林土壤呼吸對氮沉降的響應(yīng)及其內(nèi)在機(jī)理顯得非常重要。本試驗(yàn)通過一般線性回歸擬合土壤呼吸速率與土壤10 cm溫濕度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與土壤溫度極顯著的正相關(guān),與土壤濕度極顯著負(fù)相關(guān),中氮水平下土壤溫度敏感性系數(shù)Q10值高于對照組的Q10值。這可能是在溫度升高時(shí), 土壤微生物和土壤酶活性增強(qiáng), 微生物對N的利用效率提高, 土壤有機(jī)質(zhì)分解加速[42], 從而表現(xiàn)出土壤呼吸的增強(qiáng)。氮沉降和溫度均可通過刺激微生物的活動(dòng)而影響森林土壤CO2的排放。

季節(jié)的變化也對土壤呼吸量有顯著的影響,這是因?yàn)榧竟?jié)的變化造成了溫度和濕度的變化,這兩個(gè)因素是影響土壤呼吸的最主要的兩個(gè)因素,很高和很低的土壤含水量會(huì)抑制土壤微生物活性,而導(dǎo)致微生物呼吸的降低,而溫度通過直接影響微生物活動(dòng)和間接的改變土壤濕度、輸入土壤有機(jī)物的數(shù)量和質(zhì)量而對土壤呼吸造成影響,所以季節(jié)的變化對土壤呼吸也有明顯的影響[43],這也符合上面相關(guān)性分析的結(jié)果。

4 結(jié)論

從短期施氮來看,土壤的溫度、土壤含水率、土壤pH值都沒有顯著變化；而施氮對于土壤微生物量碳氮、土壤呼吸、異養(yǎng)呼吸、自養(yǎng)呼吸通量有顯著影響,能夠增加土壤微生物量碳氮；隨著施氮量增加土壤呼吸先升高后降低,在中氮水平達(dá)到最高。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),土壤呼吸與微生物生物量碳氮和微生物代謝商呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),微生物量碳氮與溫度呈極顯著的正相關(guān),與濕度呈極顯著的負(fù)相關(guān)。通過一般線性回歸擬合土壤呼吸速率與土壤10 cm溫濕度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與土壤溫度呈極顯著的正相關(guān),與土壤濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001),中氮水平下土壤溫度敏感性系數(shù)Q10值(7.10)明顯高于對照Q10值(4.26)。因此,隨著大氣氮沉降的增加,將顯著促進(jìn)西部地區(qū)受氮限制的亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸和微生物生物量碳氮。