土壤微量元素對(duì)CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度升高響應(yīng)的模擬試驗(yàn)

趙苗苗, 鄭粉莉,2?, 王 婧, 王雪松, 焦健宇, 魏晗梅

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 712100, 陜西楊凌; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 712100, 陜西楊凌)

自工業(yè)革命以來,大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)以前所未有的速度增加,到2018年全球CO2摩爾分?jǐn)?shù)已經(jīng)增加至407.8 μmol/mol。CO2摩爾分?jǐn)?shù)的增加會(huì)加劇全球氣候變暖,IPCC第5次評(píng)估報(bào)告[1]指出,21世紀(jì)末期大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)將超過700 μmol/mol,地球表層的平均溫度將在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上升高0.3 ℃～4.8 ℃。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)成為研究熱點(diǎn)[2],研究多集中于氣候變化對(duì)作物生理生態(tài)[3-4]以及土壤碳、氮、磷等大量元素[5]的影響。

鐵、錳、銅、鋅是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素,它們多為植物體內(nèi)酶、維生素和生長(zhǎng)激素的組成成分或活化劑,直接參與植物體的營(yíng)養(yǎng)和代謝過程,其供應(yīng)狀況會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量及其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)產(chǎn)生重要影響[6-7]。鐵和鋅是多種酶的組分或輔酶因子,在植物的氧化- 還原過程中起重要的作用[6]。目前關(guān)于大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫對(duì)土壤有效態(tài)微量元素影響的研究主要集中單氣候因素方面[8-11]。任思榮等[9]和王小治等[10]的研究發(fā)現(xiàn),CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高在一定程度上增加了土壤有效鐵、錳、銅、鋅的含量;李裕等[11]的研究表明在1 ℃～3 ℃的增溫范圍內(nèi),土壤有效錳、銅、鋅含量隨溫度的升高而增加。然而,全球變暖背景下大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫是相伴發(fā)生的,僅探究CO2摩爾分?jǐn)?shù)或溫度升高對(duì)土壤微量元素的影響不足以解析CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫雙重驅(qū)動(dòng)下土壤有效態(tài)微量元素含量的變化,難以為土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)提供科學(xué)支撐;因此,需要加強(qiáng)CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫的綜合效應(yīng)對(duì)土壤微量元素變化影響的研究?；诖?筆者采取人工氣候模擬和盆栽試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,分析大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫對(duì)谷子農(nóng)田土壤主要微量元素有效性的影響,以期為氣候變化背景下農(nóng)田土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及依據(jù)

本研究采用盆栽控制試驗(yàn),于2019年4月在西北農(nóng)林科技大學(xué)人工氣候室進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)3種氣候情景(表1)，即對(duì)照(400 μmol/mol CO2摩爾分?jǐn)?shù),22 ℃大氣溫度)、僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高(700 μmol/mol CO2摩爾分?jǐn)?shù),22 ℃大氣溫度)、CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高(700 μmol/mol CO2摩爾分?jǐn)?shù), 26 ℃大氣溫度);2種水分處理,即充分供水(70%田間持水量,18%質(zhì)量含水量)和輕度干旱(50%田間持水量,13%質(zhì)量含水量);共計(jì)6個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。設(shè)定CO2摩爾分?jǐn)?shù)400 μmol/mol和日均溫22 ℃的依據(jù)分別為2018年大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)(407.8 μmol/mol)和國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心—武功站1981—2010年6—9月的多年日平均氣溫[12](22 ℃);設(shè)定CO2摩爾分?jǐn)?shù)700 μmol/mol和增溫4 ℃的依據(jù)分別為IPPC CMIP5所預(yù)測(cè)的21世紀(jì)末期大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)(700 μmol/mol)和溫度增幅4 ℃。根據(jù)前人研究[13-14],70%和50%田間持水量分別為谷子生長(zhǎng)的適宜水分水平和輕度干旱脅迫水分水平。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及采樣時(shí)間Tab.1 Design of experiment and the date of soil sample collection

1.2 材料與方法

本試驗(yàn)選用我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)重要的糧食作物谷子(Setariaitalica),品種為‘晉谷21’。盆栽土壤采自陜西楊凌區(qū)農(nóng)田0～20 cm的表層土壤,土壤類型為塿土。土壤采集后過5 mm篩,去除土壤中的根系、枯落物等雜質(zhì)。該土壤鐵、錳、銅和鋅的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為27.4 g/kg、637 mg/kg、33.75 mg/kg和83 mg/kg,有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為9.59、18.98、1.61和3.92 mg/kg。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為31.03 g/kg、1.51 g/kg、0.97 g/kg和26.59 mg/kg,pH為8.3(土水比為1∶2.5),土壤密度為1.26 g/cm3,土壤田間持水量為26%(質(zhì)量含水量)。

盆栽器皿為圓筒,其直徑和高度分別為21 cm和27 cm。根據(jù)田間土壤密度(1.26 g/cm3)和裝填深度20 cm(模擬田間耕層深度)計(jì)算得每盆裝土質(zhì)量為7.00 kg(干土)。每盆施入700 mg純氮(尿素)作為底肥,將底肥與土壤充分混勻后裝盆。采用充分供水使盆中土壤含水量達(dá)到試驗(yàn)土壤田間持水量,且待盆中土壤自然沉降24 h后進(jìn)行播種,每盆5～7穴,每穴1～2粒。谷子三葉期間苗,每盆保留3株長(zhǎng)勢(shì)相近、均勻分布的谷子幼苗;在谷子拔節(jié)后期將所有盆栽隨機(jī)均分為3組,分別移入3間人工氣候室中進(jìn)行CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫處理。氣候模擬情景由3個(gè)人工氣候室進(jìn)行控制,除CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度外,其他條件保持一致。其中,光周期為12 h/12 h(光照/黑暗),光照時(shí)間為08:00—20:00,光照強(qiáng)度為600 μmol/(m2·s),相對(duì)濕度為60%。溫度設(shè)置依據(jù)自然條件下氣溫晝升夜降的日變化規(guī)律,分別于6個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的溫度,相鄰節(jié)點(diǎn)間溫度均勻變化(表2)。采用稱量法控制盆栽土壤含水量,并分別于拔節(jié)期、開花期、灌漿期等生育期以整株植物鮮質(zhì)量對(duì)下一生育期澆水量進(jìn)行校正。同時(shí),在谷子生長(zhǎng)過程中,每隔7 d調(diào)換盆栽位置,以避免氣候室內(nèi)不同部位光照及溫濕度差異產(chǎn)生的影響,直至2019年9月收獲。

表2 人工氣候室溫度動(dòng)態(tài)變化設(shè)置Tab.2 Dynamic temperature setting of the artificial climate chamber ℃

1.3 樣品的采集與測(cè)定

由于CO2摩爾分?jǐn)?shù)、溫度和供水條件的差異,導(dǎo)致不同處理下谷子成熟時(shí)期出現(xiàn)差異,因此分別于播種后153、145和144 d采集對(duì)照、僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高、CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高3種氣候情景下的土壤樣品。采樣時(shí)收集谷子地上部分后,從盆中取出所有土體并完整篩出根系,然后將去除作物根系的土壤樣品充分混勻過2 mm篩,自然風(fēng)干后測(cè)定土壤指標(biāo)。

土壤微量元素測(cè)定: 1)全量 0.075 mm土樣經(jīng)等比例HNO3- HCl- H2O消解,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定; 2)有效態(tài) 1 mm土樣采用二乙烯三胺五乙酸提取,通過原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

谷子地上和地下生物量測(cè)定: 將谷子地上部分及其根系于105 ℃殺青30 min,60 ℃烘干至恒量,分別稱其質(zhì)量。

土壤養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定: 土壤有機(jī)質(zhì)采用H2SO4- K2Cr2O7外加熱法測(cè)定,土壤全氮采用半微量開式法測(cè)定, 土壤全磷采用H2SO4- HClO4消煮- 鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 22.0進(jìn)行多重比較(Duncan)和相關(guān)性分析(Pearson),采用Origin 2018繪制數(shù)據(jù)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤微量元素總量的影響

由圖1可知，與對(duì)照(400 μmol/mol CO2摩爾分?jǐn)?shù)，22 ℃氣溫)相比,僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高(700 μmol/mol CO2摩爾分?jǐn)?shù)，22 ℃氣溫)明顯降低土壤鐵含量,而增加土壤銅和鋅的含量,但對(duì)土壤錳含量則無顯著影響。在充分供水條件下,土壤鐵含量降低1.7%,土壤銅和鋅含量分別增加2.0%和8.3%;在輕度干旱條件下,土壤鐵含量降低3.2%,土壤銅和鋅含量分別增加7.3%和26.0%。

與對(duì)照相比,CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高(700 μmol/mol CO2摩爾分?jǐn)?shù),26 ℃氣溫)增加土壤銅和鋅的含量, 而對(duì)土壤鐵和錳含量則無顯著影響。在充分供水條件下,土壤銅和鋅含量分別增加2.4%和7.1%;在輕度干旱條件下,土壤銅和鋅含量分別增加5.6%和21.8%。

與僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高相比,CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高對(duì)谷子土壤鐵、錳、銅和鋅含量的影響趨勢(shì)在2種水分處理下一致。在2種水分條件下,土壤鐵和錳含量均有所上升,銅和鋅含量均略有下降,其中輕度干旱條件下,土壤鐵含量增幅為2.9%,達(dá)顯著水平(P<0.05)。

不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。 Different letters indicate significant differences among treatments at P<0.05 level. The same below.圖1 CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫對(duì)土壤微量元素總量的影響Fig.1 Effects of CO2 concentration elevation and temperature rising on the total content of soil microelements

2.2 對(duì)土壤有效態(tài)微量元素含量的影響

由圖2可知,除土壤有效鐵外,僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高、CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高對(duì)土壤有效錳、銅和鋅含量的影響趨勢(shì)在2種水分處理下基本一致。與對(duì)照相比,僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高有增加土壤有效鐵、錳、銅和鋅含量的趨勢(shì),其中土壤有效銅和鋅含量的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。在充分供水條件下,土壤有效鐵、錳、銅和鋅含量的增幅分別為9.3%、6.1%、18.6%和133.4%;在輕度干旱條件下,土壤有效錳、銅和鋅含量分別增加3.6%、20.4%和107.4%,而土壤有效鐵含量降低3.1%。與對(duì)照相比,CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高增加土壤有效態(tài)錳、銅和鋅含量,而降低土壤有效鐵含量。在充分供水條件下,土壤有效鐵含量降低7.9%,土壤有效錳、銅和鋅含量分別增加7.0%、19.4%和109.3%,其中土壤有效銅和有效鋅含量的增幅達(dá)到顯著水平;在輕度干旱條件下,土壤有效鐵含量降低7.7%,未達(dá)顯著水平,而土壤有效錳、銅和鋅含量分別增加14.4%、14.5%和118.3%,均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

與僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高相比,CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高對(duì)谷子土壤有效鐵、錳、銅和鋅含量的影響在2種水分處理下存在差異。在充分供水條件下,土壤有效鐵和有效鋅含量顯著降低,其降幅分別為15.8%和10.3%(P<0.05),土壤有效錳和有效銅含量則無明顯變化;在輕度干旱條件下,土壤有效錳和有效鋅含量略有上升,土壤有效鐵和有效銅含量略有下降,但均未達(dá)顯著水平。

圖2 CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫對(duì)土壤微量元素有效態(tài)含量的影響Fig.2 Effects of CO2 concentration elevation and temperature rising on soil available microelements content

3 討論

土壤中僅水溶態(tài)、交換態(tài)和部分配位吸附態(tài)的微量元素能被植物吸收利用,這些形態(tài)的微量元素一般被稱為有效態(tài)微量元素[15]，因此,微量元素總量不能反映土壤對(duì)植物供給微量元素的能力,僅能看作其潛在供給能力和貯備的指標(biāo)。通過對(duì)比本試驗(yàn)土壤鐵、錳、銅和鋅4種微量元素的有效態(tài)含量及全量,發(fā)現(xiàn)土壤中有效態(tài)微量元素含量?jī)H占其全量的0.32%～4.92%,表明這4種微量元素均具有較大的潛在供給能力。因此,分析有效態(tài)微量元素含量對(duì)氣候變化的響應(yīng),對(duì)土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)有重要意義。

3.1 充分供水條件下土壤有效態(tài)微量元素對(duì)CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫的響應(yīng)

在充分供水條件下,僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高在一定程度上增加土壤有效態(tài)鐵、錳、銅和鋅含量,且土壤有效銅和含量的增幅達(dá)到顯著水平,此結(jié)果與任思榮等[9]和王小治等[10]分別對(duì)稻麥輪作中稻季土壤和麥季土壤的研究結(jié)果基本一致。CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高會(huì)增強(qiáng)土壤酶活性[16]和土壤微生物活動(dòng)[17],微生物作為影響微量元素有效態(tài)含量的主要因子,可促使有機(jī)質(zhì)分解使得其中的微量元素活化。

與僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高相比,CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高處理下的土壤有效鐵及有效鋅含量顯著降低,而土壤有效錳和有效銅含量則無明顯變化。雖然多數(shù)研究表明,CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高[9-10]或增溫[11]均有提高土壤微量元素有效性的趨勢(shì),但較高的CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度也會(huì)增加植物對(duì)微量元素的吸收[18]。Lieffering等[19]的研究表明,在CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高條件下,水稻植株的鐵和錳積累量顯著性增加,其增幅分別為52%和24%;Baghour等[20]和Albrecht等[21]研究顯示,與較低根溫下生長(zhǎng)的植物相比,較高根溫下生長(zhǎng)的植物對(duì)鋅等微量元素的吸收量更高；因此,上述結(jié)果可能是因?yàn)镃O2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度升高提高土壤微量元素有效性的同時(shí),也增強(qiáng)了微量元素從土壤向植物轉(zhuǎn)移的能力,最終導(dǎo)致土壤有效鐵和有效鋅含量降低。

3.2 輕度干旱條件下土壤有效態(tài)微量元素對(duì)CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫的響應(yīng)

輕度干旱條件下,CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高處理降低土壤有效鐵含量,土壤有效銅和有效鋅含量的增幅也小于充分供水條件,即輕度干旱抑制CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高對(duì)土壤有效態(tài)微量元素累積的促進(jìn)作用。土壤含水量的減少可能通過減少土壤水分及底物擴(kuò)散,進(jìn)而減弱土壤微生物活動(dòng),從而減少有效態(tài)微量元素在土壤中的積累[18]。與僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高相比,輕度干旱條件下CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高處理的土壤有效態(tài)微量元素含量略有波動(dòng),但均未達(dá)顯著水平。

此外,與充分供水條件相比,輕度干旱條件下各試驗(yàn)處理的土壤有效鐵含量均較低,其中對(duì)照及僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高處理下達(dá)顯著水平。這是因?yàn)橥寥乐需F有效性取決于土壤含水量[18,22]。如Orgeas等[22]在地中海櫟樹林中觀察到潮濕土壤中Fe2+/Fe3+比率較高,土壤中有效鐵含量較高;而在干旱條件下,土壤含水量的減少增加土壤中氧氣的存在,降低Fe2+/Fe3+比,使土壤有效鐵含量減少。反之,土壤有效錳則是充分供水處理下含量均低于輕度干旱處理,其中CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度同時(shí)升高條件下達(dá)顯著水平。前人研究發(fā)現(xiàn)土壤溫度和濕度都對(duì)土壤錳有效性產(chǎn)生影響,即在冷濕的土壤中有效錳容易轉(zhuǎn)化為非有效態(tài)的,溫度升高和土壤較為干燥時(shí)土壤錳則容易轉(zhuǎn)化為有效態(tài)錳[23]。這表明與大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度相比,土壤水分條件對(duì)谷子農(nóng)田土壤有效鐵和有效錳活性有重要影響。

3.3 土壤有效態(tài)微量元素與植物生物量和土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性

土壤微量元素的供給是一個(gè)復(fù)雜的過程,不僅取決于土壤化學(xué)和微生物活動(dòng),還取決于植物的反應(yīng)[24]。本研究相關(guān)性分析結(jié)果表明,充分供水條件下土壤有效鋅與谷子地下生物量呈顯著負(fù)相關(guān),輕度干旱條件下土壤有效錳與谷子地上生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)。

表3 土壤有效態(tài)微量元素與谷子生物量和土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性(n=12)Tab.3 Correlation between millet biomass, soil nutrients and soil available trace elements(n=12)

前人研究[25-27]表明,氣候變化會(huì)改變植物對(duì)微量元素的利用率,同時(shí)也對(duì)微量元素在植物不同器官分配造成不對(duì)等的影響。龐靜等[25]發(fā)現(xiàn)CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高會(huì)增加鋅向水稻根部的分配;Guo等[26]發(fā)現(xiàn)高濃度摩爾分?jǐn)?shù)CO2會(huì)促進(jìn)錳在水稻莖和穗中的累積,其增幅分別為66%和25%;李春華等[27]發(fā)現(xiàn)CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高有增加水稻穗中錳累積的趨勢(shì)。植物根系鋅含量通常高于地上部分鋅含量[28],本研究中充分供水處理下谷子根系生物量顯著高于輕度干旱條件,這可能是鋅與谷子根系相關(guān)性較強(qiáng)、且在充分供水條件下達(dá)到顯著的原因。在輕度干旱條件下土壤有效錳與谷子地上生物量呈顯著負(fù)相關(guān),可能是因?yàn)檩p度干旱脅迫下的土壤環(huán)境激發(fā)了土壤錳的活性[23],而土壤中較高的有效錳含量更有利于植物對(duì)其的吸收。

此外,土壤微量元素之間存在復(fù)雜的相互作用和互饋關(guān)系,如充分供水條件下有效鋅與有效銅呈顯著正相關(guān),輕度干旱條件下有效鋅分別與有效錳及有效銅呈顯著和極顯著正相關(guān),表明土壤微量元素間相互促進(jìn),協(xié)同作用。輕度干旱條件下有效鐵與有效錳呈顯著負(fù)相關(guān),即有效鐵與有效錳互相抑制另一種元素在土壤中的積累。

4 結(jié)論

1)2種水分條件下,僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高、CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高處理均不同程度地促進(jìn)了土壤有效錳、銅和鋅的累積;其中土壤有效銅和有效鋅對(duì)CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高和增溫的響應(yīng)更為敏感,其增幅均達(dá)到顯著水平。

2)與僅CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高處理相比,CO2摩爾分?jǐn)?shù)和溫度雙升高處理的土壤有效鐵和有效鋅含量在充分供水條件下顯著降低,說明增溫抑制CO2濃度升高對(duì)土壤有效態(tài)微量元素累積的促進(jìn)作用;而輕度干旱條件下增溫對(duì)土壤有效態(tài)鐵、錳、銅和鋅含量無顯著影響。

3)土壤微量元素有效性與谷子地上和地下生物量、土壤有機(jī)質(zhì)顯著相關(guān)。