氮添加對亞熱帶常綠闊葉林土壤溶液化學(xué)特性的影響

馬豪宇, 陳冠陶, 王 宇, 陳蕙心, 李青樺, 涂利華,*

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,長江上游森林資源保育與生態(tài)安全國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611130 2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,長江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611130 3 太原市林業(yè)科學(xué)研究所,太原030000 4 德國哥廷根大學(xué),森林科學(xué)和森林生態(tài)學(xué)院,熱帶和亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)土壤學(xué)系,德國哥廷根 37077

因礦石燃料的燃燒、肥料的使用等人為活動的驟增,向大氣排放的活性氮(N)以及從大氣沉降的N日益增加,N沉降目前已成為全球三大變化問題之一[1]。據(jù)估計(jì),工業(yè)革命前因人為活動產(chǎn)生的N沉降量僅為目前的十一分之一[2-3],且未來仍將持續(xù)增加。中國N沉降量在過去30年增幅達(dá)60%[4]。森林是N沉降的主要承受者,N沉降的增加對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[5],因此探究N沉降對該生態(tài)系統(tǒng)的影響及其機(jī)制十分重要。

土壤溶液化學(xué)成分是森林生物化學(xué)變化中的敏感指標(biāo),對N輸入等環(huán)境變化響應(yīng)迅速[6],為研究N沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了另一種研究方向。同時(shí),土壤形成過程及土壤中的生物化學(xué)反應(yīng)大多以土壤溶液為發(fā)生場所,因此,土壤溶液化學(xué)成分的變化能夠一定程度反映土壤的最新狀態(tài)[7]。對于植物而言,相比土壤中較高的養(yǎng)分含量,土壤溶液中的養(yǎng)分含量能更好反映土壤養(yǎng)分的供給情況[8]。人們通過分析土壤溶液化學(xué)成分的變化,可掌握土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的過程、作用機(jī)理及其與所處環(huán)境的關(guān)系。因此,研究土壤溶液的化學(xué)成分動態(tài)變化將有助于深入認(rèn)識N沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響及其機(jī)制。

目前,N沉降對森林土壤化學(xué)變化的影響研究較多,如土壤碳(C)、N組分[9-10]、磷(P)組分[11- 12]、土壤酸化[13-14]、土壤酶活性[15-16]、土壤呼吸[17]等,而N沉降對土壤溶液化學(xué)成分影響的研究較少,且大多數(shù)以離心法或者水/鹽溶液提取法采集土壤溶液樣品[7, 18],無法獲得長期定位研究數(shù)據(jù)。同時(shí),這些方法會破壞土壤結(jié)構(gòu),從而影響溶液中一些化學(xué)成分的濃度,因此不能清楚反映自然狀態(tài)中N沉降對森林土壤溶液的影響。

由于特殊的地理區(qū)位和地形,“華西雨屏”的年平均降水量在1500至2000 mm之間,濕N沉降量約為95 kg hm-2a-1, 處于很高水平[27]。長期的、高量的背景N沉降量的累積,極易造成生態(tài)系統(tǒng)N素過量,從而達(dá)到N飽和狀態(tài)。課題組于2013年在“華西雨屏”中心地帶碧峰峽亞熱帶常綠闊葉林中建立了長期N添加固定樣地,前期發(fā)現(xiàn)N添加顯著降低了表層土壤的pH,抑制了土壤呼吸速率,增加了土壤有機(jī)碳含量,并且土壤N素含量很高[17, 28- 29]?；谇捌诮Y(jié)果,在已進(jìn)行N添加處理42個(gè)月的樣地上使用負(fù)壓土壤溶液采樣器定位采集不同深度土壤溶液,并分析化學(xué)成分。通過該生態(tài)系統(tǒng)的硝態(tài)氮淋溶情況判斷生態(tài)系統(tǒng)是否已達(dá)N飽和狀態(tài),并探索高背景N沉降下,持續(xù)增加的大氣N沉降對土壤溶液化學(xué)特性的影響,并為預(yù)測大氣N沉降持續(xù)增加對該區(qū)域森林生態(tài)變化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)[30]位于“華西雨屏區(qū)”中心地帶的四川雅安碧峰峽自然保護(hù)區(qū)(103°00′E,30°04′N),所屬氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候,年均溫16.2℃,年日照長度1040 h,年蒸發(fā)量1011 mm,年均降水量1772 mm,年平均相對濕度79%。試驗(yàn)地為該保護(hù)區(qū)中山段的千家山林班,林班較為平坦,絕大部分坡度< 5°,海拔約1026 m,林分類型為常綠闊葉次生林,土壤類型為山地黃壤,凋落物層厚約5 cm,土表腐殖質(zhì)層厚度大約10 cm,總土壤深度一般大于60 cm。樣地主要樹種有木荷(Schimasuperba)、紅淡比(Cleyerajaponica)、木姜子(Litseacubeba)等。詳細(xì)樹種組成和土壤基本理化性質(zhì)見文獻(xiàn)[16]。

1.2 樣地設(shè)置與N添加處理

2013年11月,在試驗(yàn)地布設(shè)12塊20 m×20 m的樣地,樣地間距> 20 m,所有樣地相互間的距離均在1 km以內(nèi)。共設(shè)三個(gè)處理：對照、低氮和高氮,氮添加量分別為0、5、15 g N m-2a-1,由于樣地背景氮沉降量約為10 g N m-2a-1,所以低氮和高氮處理模擬氮沉降增加50%和150%的情景,12個(gè)樣地隨機(jī)分配于3個(gè)處理,每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)樣地。具體的施氮方法是：首先將年N添加量等分為12份,然后每個(gè)月將等量的硝酸銨(NH4NO3)溶解于水噴灑至樣地地表,2014年1月開始第一次施氮。后由于NH4NO3大量停產(chǎn)而無法購置,從2017年9月起,利用NaNO3及NH4Cl進(jìn)行定量施氮。每次施氮時(shí)將各樣地所需N添加量溶于10 L水中,在該樣地中用噴霧器均勻噴灑,CK噴灑10L清水。

1.3 樣品采集與處理

于2016年12月和2017年4月,分別在每塊樣地的60 cm和45 cm布設(shè)陶瓷頭土壤溶液取樣管(S32型,眾添公司,中國)。土壤溶液取樣管的陶土頭,即用于采集土壤溶液的有效部分長度為8 cm,因此,試驗(yàn)采集到的土壤溶液為A層(37—45 cm)和B層(52—60 cm)的樣品。為減少前期土壤擾動對土壤溶液造成的影響,布設(shè)土壤溶液取樣管后的前幾個(gè)月不采樣。2017年7月到2018年6月,每月施N前,用負(fù)壓法采集土壤溶液樣品,放置在4℃泡沫箱盡快帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2010整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),使用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。用多重比較法和重復(fù)觀測方差分析比較N添加對土壤溶液各化學(xué)指標(biāo)的影響。用Pearson相關(guān)性分析進(jìn)行土壤溶液各化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)分析。統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平為α=0.05。使用SigmaPlot 12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 N添加對土壤溶液的影響

圖1 N添加對土壤溶液和的影響Fig.1 Effects of simulated nitrogen deposition on in soil solutionsCK：對照;LN：低N;HN：高N;time：時(shí)間效應(yīng);nitrogen：N處理效應(yīng);T×N：時(shí)間與N處理交互效應(yīng)time: Effect of time; nitrogen: Effect of nitrogen; T×N: Interactive effect of time and nitrogen;圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;不同小寫字母代表不同N處理間差異顯著

2.2 N添加對土壤酸堿平衡的影響

由于測試儀器問題,前8次的pH數(shù)據(jù)未能使用。與CK比較,LN處理的A、B層土壤溶液pH值分別降低0.18和0.06;HN處理的A、B層土壤溶液pH值分別降低1.03和0.75(圖2),兩層土壤溶液均表現(xiàn)為深度越深,pH值降低越少,表明土層越深,土壤酸化的程度逐漸減弱。

LN處理對Al3+濃度影響不顯著,HN處理使A、B層Al3+濃度顯著增加了3.1倍和2.3倍(圖2)。

在同一N添加處理水平下土壤溶液Ca2+濃度隨土壤深度的增加而降低,表現(xiàn)為A層 > B層(圖2)。CK的Ca2+年均濃度為(45.0±5.20)mg/L(A層)和(40.7±3.10)mg/L(B層),Mg2+年均濃度為(1.41±0.22)mg/L(A層)和(1.38±0.27)mg/L(B層),隨著N添加量的增加,Ca2+、Mg2+濃度有增加的趨勢(圖2)。

圖2 N添加對土壤溶液pH、Al3+、Ca2+和Mg2+的影響Fig.2 Effects of simulated nitrogen deposition on pH、Al3+、Ca2+ and Mg2+ in soil solutions

2.3 N添加對土壤溶液有機(jī)碳的影響

CK的DOC年均濃度為(12.7±0.34)mg/L(A層)、(10.9±0.11)mg/L(B層),N添加顯著抑制A層DOC濃度,且LN及HN均降低20%; B層DOC濃度受N添加影響不顯著(圖3)。

CK的土壤溶液AI值為(1.59±0.12)L mg-1cm-1(A層)和(1.99±0.05)L mg-1cm-1(B層),N添加處理對AI影響不顯著(圖3)。

圖3 N添加對土壤溶液DOC和AI的影響Fig.3 Effects of simulated nitrogen deposition on dissolved organic carbon and aromatic index in soil solutions

2.4 N添加對土壤溶液EC、Eh的影響

同一N添加處理下,隨著土壤深度的加深,EC降低、Eh升高(圖4)。

圖4 N添加對土壤溶液EC和Eh的影響Fig.4 Effects of simulated nitrogen deposition on EC and Eh in soil solutions

CK下,A層的土壤溶液EC為(198±20.70)μm/cm,LN和HN處理較CK顯著增加20%和80%;CK下,B層的土壤溶液EC為(126±6.81)μm/cm, LN與HN處理較CK分別增加60%和150%(圖4)。

CK的A層土壤溶液Eh為(249±2.2)mV,LN與HN的Eh較CK分別增加5%和17%; HN顯著提高B層土壤溶液Eh,增幅達(dá)14%。

2.5 N添加對土壤溶液其他化學(xué)成分的影響

2.6 土壤溶液各化學(xué)成分的相關(guān)分析

表1 A層土壤溶液各指標(biāo)Person相關(guān)分析r值

表2 B層土壤溶液各指標(biāo)Person相關(guān)分析r值

3 討論

3.1 該生態(tài)系統(tǒng)的N素狀態(tài)和響應(yīng)

3.2 N添加對土壤酸堿平衡的影響

本研究中N添加顯著提高Al3+濃度,這與元曉春[39]等對亞熱帶杉木人工林土壤溶液的研究結(jié)果相似。一般認(rèn)為,對土壤酸化的緩沖調(diào)節(jié)主要受土壤的金屬離子影響,土壤pH值不同,緩沖其酸化的金屬陽離子可能也不同[13]。在pH為4.5到7.5時(shí),酸化更多地由鹽基離子來緩沖,當(dāng)鹽基離子用盡時(shí),將由非鹽基離子調(diào)控緩沖,這(主要是Al3+)將對植物產(chǎn)生潛在的危害[13]。本試驗(yàn)中HN處理對Al3+濃度的影響,反映出該試驗(yàn)地土壤很可能已經(jīng)轉(zhuǎn)移到Al3+緩沖土壤酸化的階段;此外,Al3+濃度增加會抑制根系吸收陽離子,從而影響樹木根系生長以及代謝功能[40]。土壤溶液pH值及Al3+濃度對HN處理的響應(yīng),反映了N飽和時(shí)N添加會使土壤溶液持續(xù)酸化。

3.3 N添加對土壤溶液可溶性有機(jī)碳的影響

本研究中,N添加顯著抑制土壤溶液DOC濃度,這與福建杉木人工林[24, 39]、東北闊葉混交林[35]的研究結(jié)果一致。凋落物,尤其是凋落葉,是森林C輸入的主要來源,而DOC是凋落物分解過程的產(chǎn)物之一。本課題組對該試驗(yàn)地的研究發(fā)現(xiàn),N添加對本試驗(yàn)地凋落物輸入量并未產(chǎn)生顯著影響[17]而顯著抑制了凋落物的分解[41],因此凋落物輸入量并不是引起試驗(yàn)地DOC濃度變化的原因,而凋落物分解的速率改變可能是主要因素。木質(zhì)素是凋落物分解后期的關(guān)鍵成分[42],N添加會改變分解環(huán)境,如降低pH值、增加可交換性金屬離子等,從而抑制木質(zhì)素分解微生物種類的活性,以及抑制木聚糖酶和過氧化物酶的活性從而抑制木質(zhì)素的分解[43],導(dǎo)致DOC減少。其次,本試驗(yàn)中N添加使Al3+活化,而釋放的Al3+可與土壤有機(jī)分子絡(luò)合,形成穩(wěn)定不易分解的化合物而留在土壤固相中,即土壤溶液DOC濃度降低[44]。N添加也可能使植物的細(xì)根生物量降低,從而降低由根系分解及根系分泌物產(chǎn)生的DOC。

芳香腐殖質(zhì)是指土壤溶液中溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)內(nèi)比較穩(wěn)定、不易被微生物分解的分子。AI是評價(jià)DOM中芳香結(jié)構(gòu)含量的重要指標(biāo),AI值越高,表明DOM中芳香化合物相對含量越高,即DOM結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[24]。本試驗(yàn)的AI值普遍不高,與元曉春等[39]對福建杉木人工林的試驗(yàn)結(jié)果相似,說明DOM中芳香化合物所占比例低,結(jié)構(gòu)簡單。本試驗(yàn)中,A層AI值隨N添加的增加而增加,B層AI值則無影響。元曉春等[24]對福建杉木人工林的研究發(fā)現(xiàn)0—15 cm時(shí)N添加顯著影響DOM結(jié)構(gòu),30 cm時(shí)N添加對DOM結(jié)構(gòu)無影響,表明土層越深,有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)受N添加的影響逐漸減小。這可能由微生物活動造成,土層越深,土壤中微生物活動越弱,因此DOM結(jié)構(gòu)在土壤下層未發(fā)生顯著變化。

3.4 N添加對土壤溶液EC、Eh的影響

Eh是土壤溶液中多種氧化及還原物質(zhì)進(jìn)行各種反應(yīng)后的綜合體現(xiàn),能夠反映土壤溶液氧化還原性質(zhì)的相對程度,也是影響重金屬活性的關(guān)鍵因子[45]。本研究中,CK下,兩層土壤溶液Eh分別為249 mV(A層)和276 mV(B層),N添加使 Eh顯著升高,即氧化性增強(qiáng),從而促進(jìn)土壤形成鐵錳氧化物,鐵錳氧化物會吸附某些重金屬離子,導(dǎo)致這部分重金屬離子在土壤中遷移率降低[45]。

4 結(jié)論

本研究說明該試驗(yàn)地已達(dá)到氮飽和狀態(tài),且該狀態(tài)下土壤溶液酸化及鋁活化仍在持續(xù);N添加下土壤溶液氧化性增強(qiáng),從而使某些重金屬離子遷移率降低。