劉玉槐, 嚴(yán)員英, 張艷杰, 嚴(yán) 月, 趙玉皓, 徐 燕, 陳伏生, 葛體達(dá), 魯順保,*

1 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南昌 330022 2 江西省林業(yè)科學(xué)院濕地中心，南昌 330032 3 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南昌 330045 4 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)研究中心， 長(zhǎng)沙 410125

不同溫度條件下亞熱帶森林土壤碳礦化對(duì)氮磷添加的響應(yīng)

劉玉槐1,4, 嚴(yán)員英2, 張艷杰1, 嚴(yán) 月1, 趙玉皓1, 徐 燕1, 陳伏生3, 葛體達(dá)4, 魯順保1,*

1 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南昌 330022 2 江西省林業(yè)科學(xué)院濕地中心，南昌 330032 3 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南昌 330045 4 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)研究中心， 長(zhǎng)沙 410125

在氮沉降增加的背景下,土壤可利用性氮(N)素增加是多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)正經(jīng)歷的重要生態(tài)學(xué)過(guò)程。氮沉降增加對(duì)土壤呼吸會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng),進(jìn)而影響到森林土壤碳循環(huán)。以江西省泰和縣石溪杉木林為研究對(duì)象,開(kāi)展N沉降模擬試驗(yàn),采用堿液吸收法分析4種不同N沉降處理在不同溫度(5、15、25、35℃)下對(duì)土壤碳排放量的影響。N沉降對(duì)土壤呼吸具有抑制作用,隨著溫度的升高,各處理對(duì)土壤呼吸碳排放呈顯著性增加趨勢(shì)(P< 0.05)。不同溫度條件下添加磷(P)處理對(duì)CO2累積排放量與添加高N處理變化規(guī)律類(lèi)似。在5℃條件下,N會(huì)抑制土壤碳礦化,且隨N濃度升高抑制作用越強(qiáng),P處理能促進(jìn)土壤碳排放；15℃和 35℃條件下,N和P處理對(duì)土壤碳排放量均有抑制作用。在較高溫度(25℃和35℃)培養(yǎng)下,土壤全碳對(duì)CO2累積排放量均有顯著性影響。在25℃條件下,土壤DOC含量對(duì)土壤碳排放量的影響顯著(P< 0.05),其他溫度無(wú)影響。在5℃時(shí),不同處理下土壤含水量對(duì)土壤碳排放量影響顯著。對(duì)N沉降與土壤Q10值進(jìn)行方差分析表明不同處理對(duì)Q10值無(wú)顯著性差異。通過(guò)單庫(kù)模式方程Cm=Co(1-exp-kt)對(duì)土壤潛在碳排放進(jìn)行模擬得出5、15℃和35℃對(duì)土壤潛在排放量有顯著影響。

氮沉降；杉木；碳礦化；溫度

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤和大氣之間CO2交換的重要組成部分。全球氣候變化引起氣溫升高加速了土壤有機(jī)碳在微生物和動(dòng)物的礦化作用,其產(chǎn)物通過(guò)土壤呼吸作用以CO2形式釋放反饋回大氣圈,進(jìn)一步加劇全球變暖,因此,土壤呼吸對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)最為敏感[1-2],這也是目前全球變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,各國(guó)學(xué)者對(duì)此研究異?；钴S,他們正嘗試通過(guò)量化各種生態(tài)系統(tǒng)碳通量與環(huán)境因子之間的關(guān)系模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響[3]。

N、P是植物生長(zhǎng)的必需元素,也是植物從土壤中吸收最多的元素。在土壤中99%以上的氮素是通過(guò)微生物礦化作用將其轉(zhuǎn)化為植物可直接吸收的有效態(tài)氮[4]。當(dāng)前全球氣溫升高、降水格局改變以及大氣氮沉降增加等因素正在強(qiáng)烈改變著陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯強(qiáng)度及其分布格局[5]。這些動(dòng)態(tài)的環(huán)境因子迫使植被改變其小氣候進(jìn)而影響土壤呼吸。大量的研究表明土壤水分和溫度敏感性對(duì)土壤碳礦化具有重要影響[6-7],施氮肥對(duì)土壤呼吸的影響也存在較大爭(zhēng)議,如Gallardo等[8]認(rèn)為施氮肥能夠增加土壤呼吸,Kane等[9]的研究表明施氮肥對(duì)土壤呼吸速率沒(méi)有顯著的影響,Haynes等[10]對(duì)針葉林地施肥結(jié)果卻顯著降低土壤的呼吸速率。

近年來(lái),大氣氮沉降加重[11],并成為全球化趨勢(shì)[12],我國(guó)現(xiàn)已是世界第三大氮沉降集中區(qū)[13]。全球化背景下大氣氮沉降量的增加已成為許多森林的新生態(tài)因子[14],長(zhǎng)期的高氮輸入可提高土壤碳礦化速率,導(dǎo)致土壤酸化。土壤呼吸對(duì)氣候變化(氮沉降、溫度和水分)又非常敏感,且氮沉降、溫度及水分對(duì)其土壤碳礦化影響機(jī)制尚未得到一致結(jié)論,氮沉降和溫度變化是亞熱帶地區(qū)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,它們對(duì)森林地土壤碳礦化的影響如何？土壤呼吸對(duì)二者間的響應(yīng)是否存在差異？均具有重要科學(xué)意義。本文以杉木人工林為研究對(duì)象,擬通過(guò)模擬氣候變化試驗(yàn),研究該地區(qū)土壤碳礦化對(duì)氮沉降以及溫度敏感性的響應(yīng),研究結(jié)果將有利于了解氮沉降如何引起土壤碳排放的變化,為降低土壤CO2排放提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江西省泰和縣中國(guó)科學(xué)院千煙洲生態(tài)試驗(yàn)站(26°42′N(xiāo),115°04′E),該地區(qū)屬典型的中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,夏季炎熱干燥,冬季寒冷潮濕。年均相對(duì)濕度89%,年均溫度在18℃,6月最高溫達(dá)29.7℃,1月最低溫可達(dá)6.5℃,年均日照時(shí)數(shù)1400 h,年總輻射量約為4349 MJ/m2,年平均降水量約為1500 mm,降雨集中在4—6月,夏季降水量占全年降水量的50%以上。該區(qū)域?yàn)榈湫图t壤丘陵地貌,土壤母質(zhì)是第四紀(jì)紅粘土。研究區(qū)域大氣沉降向林地輸入的氮為82.8 kg hm-2a-1),干沉降為主,占67%,大氣氨沉降是大氣氮沉降主要貢獻(xiàn)者,占大氣干沉降82.0%,占大氣氮沉降總量的56%[15]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

試驗(yàn)樣地起始時(shí)間為1990年,1991年4月開(kāi)始種植植物。施肥自2012年春季起,每季度各施肥1次,施肥方式是將氮肥和磷肥拌少量細(xì)沙進(jìn)行均勻撒施。土壤樣品采集時(shí)間為2015年1月,在立地條件一致的杉木人工林中,選取12個(gè)20 m×20 m的樣方,將這12個(gè)樣方隨機(jī)各選出3個(gè)樣方作為重復(fù),每個(gè)重復(fù)分別進(jìn)行CK、N1、N2和P處理,4種處理分別為：CK為不施肥只施沙；N1：氮肥(NH4NO3)量為142.857 kg hm-2a-1(含氮量為50 kg N hm-2a-1)；N2：285.714 kg hm-2a-1(含氮量為100 kg N hm-2a-1)；P：磷肥(Na2HPO4)量為229.043 kg hm-2a-1(含磷量為50 kg P hm-2a-1),相鄰樣方之間留出一個(gè)間距為10 m的緩沖帶以減少不同施肥帶來(lái)的影響。在每個(gè)樣方中以S型選取5個(gè)點(diǎn),分別用直徑7.5 cm的土鉆在0—10 cm取土壤樣品,然后將從同一樣方的土壤混合,每份土壤樣品約1000 g,裝入無(wú)菌自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。將新鮮土壤樣品過(guò)2 mm篩去除土壤動(dòng)物、小石頭、可見(jiàn)的植物殘?bào)w和根系等雜質(zhì),再將每份土壤樣品平均分為2份,一份用于測(cè)定土壤含水量、pH、全氮和全碳的含量,另一份放入4℃冰箱保存,用于測(cè)定土壤可溶性碳氮及生物活性。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

CK為不施肥只施沙；N1：含氮量為50 kg N hm-2a-1；N2：含氮量為100 kg N hm-2a-1；P：含磷量為50 kg P hm-2a-1。同列不同字母a、b、c表示不同處理間土壤理化性質(zhì)差異顯著(P< 0.05)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

方法參照Chen等[16],采用元素分析儀(Isoprime-EuroEA3000,意大利)測(cè)定土壤全碳、全氮含量,SOC、SON含量采用2 mol/L KCl浸提,然后用TOCN 分析儀測(cè)定SOC 和可溶性總氮(total soluble N,TSN),pH值用1∶25水溶液、pH計(jì)測(cè)定,土壤碳礦化測(cè)試方法：先稱(chēng)取新鮮土壤40.0 g,將其含水量調(diào)到田間持水量的60%,放入4個(gè)恒溫培養(yǎng)箱(溫度分別設(shè)為5、15、25、35℃)里進(jìn)行42 d培養(yǎng)。土壤碳礦化測(cè)定方法采用堿液吸收法：2個(gè)70 mL的帶蓋塑料瓶置于1 L的容器內(nèi),其中一個(gè)為CO2吸收裝置,其內(nèi)加入用于吸收CO2的0.1 mol/L NaOH,另一個(gè)裝有40.0 g鮮土,在22℃條件下進(jìn)行培養(yǎng),同時(shí)做5個(gè)對(duì)照試驗(yàn)(僅放置堿液)。培養(yǎng)第1、3、7、14、21、28、35、42 d后將盛有0.1 mol/L NaOH吸收瓶取出后,先加入1 mol/L BaCl2使得土壤排放的CO2以碳酸鹽的形式沉淀,加入酚酞指示劑后攪拌,用0.05 mol/L HCl進(jìn)行滴定剩余的NaOH。對(duì)土壤碳礦化進(jìn)行模擬方程

Cm=Co(1-exp-kt)

式中,Cm為瞬時(shí)碳排放量,Co是土壤碳排放量極大值,k為常數(shù),t為培養(yǎng)時(shí)間。做潛在最高碳排放量[17],結(jié)合溫度敏感性Q10分析,即溫度每升高10℃土壤碳礦化速率所增加的倍數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行分析,對(duì)不同處理間的差異顯著性進(jìn)行雙因素方差分析,并用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),并用SigmaPlot 12.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖,顯著性差異水平α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對(duì)土壤碳礦化的影響

2.1.1 氮沉降對(duì)不同溫度條件下土壤累積碳排放量的影響

從圖1可知,在5℃時(shí),土壤碳礦化累積排放量隨氮濃度的升高呈下降趨勢(shì)；在15℃時(shí),氮沉降對(duì)土壤碳礦化累積排放量具有一定的抑制作用,但P肥對(duì)土壤累積碳排放量具有一定的促進(jìn)作用；在25℃時(shí),氮沉降對(duì)土壤呼吸累積碳排放量均低于對(duì)照組,且低氮處理抑制作用更強(qiáng)；在35℃條件下,兩者氮沉降處理對(duì)土壤呼吸累積碳排放量均表現(xiàn)為一定的抑制作用。在同一溫度下,各處理間均無(wú)顯著性差異(P> 0.05)。隨著溫度的升高,對(duì)照CK和N、P添加處理下土壤碳礦化累積碳排放量顯著增加(P< 0.05,圖2)。

圖1 NP添加對(duì)杉木林在相同溫度下土壤碳礦化量的影響Fig.1 Effects of substrate addition on CO2-C emission under Cunninghamia lanceolata in the same temperatureCK為不施肥只施沙；N1：含氮量為50 kg N hm-2 a-1；N2：含氮量為100 kg N hm-2 a-1；ns：差異不顯著( P > 0.05)。圖中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤

從圖2可以看出,溫度升高顯著提升了林地土壤碳礦化量,不同處理間,不同溫度對(duì)土壤碳排放量均有一定的影響。在CK處理中,5℃和15℃間無(wú)顯著性差異,但均顯著低于25℃和35℃對(duì)土壤碳礦化的影響(P< 0.05),35℃對(duì)土壤碳排放量影響顯著高于25℃。N1處理中,于35℃時(shí)CO2累計(jì)排放量顯著高于其他溫度土壤碳排放量(P< 0.05),但5、15、25℃間無(wú)顯著差異。N2處理中,隨溫度升高CO2土壤累計(jì)排放量逐漸增加,其中5℃與15℃,15℃與25℃之間差異不顯著,但5℃顯著低于25℃、后者顯著低于35℃(P< 0.05)。添加P處理中,不同溫度對(duì)CO2累計(jì)排放量與N2變化規(guī)律類(lèi)似,即35℃處理下碳排放量最大,其次為25℃和15℃,最小排放量為5℃處理。

圖2 底物添加在不同溫度下對(duì)杉木林土壤碳礦化量的影響Fig.2 Effects of substrate addition on CO2-C evolved under Cunninghamia lanceolata in different temperature不同小寫(xiě)字母表示同一處理不同溫度間差異顯著(P < 0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差

2.1.2 氮沉降對(duì)不同溫度條件下土壤碳礦化速率的影響

由圖3可知,在同一溫度下,不同處理土壤礦化速率大致趨勢(shì)是先急速下降然后趨于平緩。在5℃時(shí),由于溫度較低,各處理土壤礦化率偏低,N2、P二者呈先緩慢上升再趨于平緩的單峰曲線(xiàn),CK、N1培養(yǎng)3 d內(nèi)呈急速下降,并且N1在前3天土壤礦化速率高于CK,P處理最低,在第7天后變化緩慢；在15℃時(shí),對(duì)照CK在第7天略有升高外,其他處理都是先下降再趨于平緩；在25℃時(shí),P處理后的第3天后土壤礦化速率開(kāi)始下降,其他處理都是先下降再趨于穩(wěn)定,N1處理土壤礦化速率始終為最低；在35℃時(shí),各處理都是先下降后趨于平穩(wěn),NP添加對(duì)土壤礦化速率影響的規(guī)律為：P > N1> N2。從圖3還可以看出,溫度對(duì)土壤碳礦化速率的影響顯著。

2.2 環(huán)境因子對(duì)土壤累積碳排放量的影響

2.2.1 土壤全碳對(duì)土壤累積碳排放量的影響

從圖4可以看出,對(duì)土壤在不同溫度條件下,做土壤全碳和累積碳排放量進(jìn)行分析得出,在5℃和15℃條件下,土壤全碳對(duì)土壤碳排放量無(wú)顯著性差異,在25℃條件下,土壤全碳與土壤碳排放量呈類(lèi)似開(kāi)口朝上的拋物線(xiàn)的變化趨勢(shì),即隨土壤全碳含量的增加,土壤碳排放量先減小后增加。在35℃條件下,CO2累積排放量隨土壤全碳含顯著增加(P< 0.05),對(duì)其全碳和碳排放量進(jìn)行回歸分析,得回歸方程為：y=-10.1595+143.201x,R2=0.38。

圖3 不同底物添加對(duì)杉木林土壤礦化速率的影響Fig.3 Effects of different substrate addition on rate of Cunninghamia lanceolata soil respiration

圖4 全碳對(duì)不同氮添加處理杉木林土壤碳礦化的影響Fig.4 Effects of total carbon for Cunninghamia lanceolata soil carbon minerlization under different nitrogen addition

2.2.2 土壤可溶性碳氮對(duì)土壤累積碳排放量的影響

從圖5可以看出,在5、15、35℃條件下,土壤DOC對(duì)土壤碳排放量影響無(wú)顯著性差異(P> 0.05)。在25℃條件下,土壤碳排放量隨DOC含量先增后減,呈類(lèi)似開(kāi)口朝下的拋物線(xiàn)變化規(guī)律,且差異達(dá)顯著性(P< 0.05)。在同一溫度條件下,土壤DON對(duì)土壤累積碳排放量均無(wú)顯著性差異(P> 0.05)。

圖5 可溶性有機(jī)碳對(duì)不同氮添加處理杉木林土壤碳礦化的影響Fig.5 Effects of Dissolved Organic for Cunninghamia lanceolata soil carbon minerlization under different nitrogen addition

2.2.3 土壤含水量對(duì)土壤累積碳排放量的影響

從圖6可以看出,在5℃時(shí),不同處理下杉木林土壤碳排放量隨土壤含水量增加而增加,且差異達(dá)顯著性水平(P< 0.05)。在其他溫度條件下并無(wú)顯著性差異,在同一含水量的條件下,土壤碳排放量隨溫度的升高而增加,說(shuō)明土壤含水量并不是影響土壤碳排放量的調(diào)控因子。

圖6 土壤含水量對(duì)不同氮添加處理杉木林土壤碳礦化的影響Fig.6 Effect of moisture for Cunninghamia lanceolata soil carbon minerlization under different nitrogen addition

2.3 土壤礦化潛在排放量及其對(duì)溫度敏感性的響應(yīng)

在沒(méi)有外界干擾的情況下長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)后土壤累積碳排放量將會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值。對(duì)杉木林地土壤進(jìn)行氮添加處理,在42 d的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)用方程Cm=Co(1-exp-kt)對(duì)土壤潛在碳排放進(jìn)行模擬,得出在不同溫度不同處理下杉木林土壤最大碳排放量(表2),相關(guān)系數(shù)R2基本在0.9以上,說(shuō)明擬合效果很好。在5℃條件下,N會(huì)抑制土壤碳礦化,且隨N濃度升高抑制作用越強(qiáng),P處理能促進(jìn)土壤碳排放；15℃和35℃條件下,NP處理對(duì)土壤碳排放量均有抑制作用；在25℃條件下,不同處理對(duì)杉木林土壤潛在排放量影響不顯著。

土壤礦化與溫度的關(guān)系還可以從溫度敏感性角度來(lái)研究(Q10),因?yàn)槎趸籍a(chǎn)生的溫度敏感性可作為有機(jī)質(zhì)降解溫度敏感性的主要指標(biāo)。本研究中Q10培養(yǎng)42d的結(jié)果見(jiàn)表3,其范圍為1.5149—1.8354,從表3可以看出,N和P處理對(duì)土壤Q10值均有下降趨勢(shì),其中N濃度升高,Q10值下降,對(duì)不同處理的Q10值做方差分析得出它們無(wú)顯著差異。

3 討論

土壤礦化是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程,受土壤溫度、土壤含水量、土壤C、N含量等非生物因子以及植被類(lèi)型、根系等生物因子綜合影響[18]。溫度是影響土壤礦化一個(gè)重要的因子,土壤礦化和溫度之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系[19-20]。本研究結(jié)果表明,溫度升高能顯著提升林地土壤碳礦化量。在不同氮沉降處理下,溫度對(duì)土壤碳排放量均存在不同程度的影響。在對(duì)照處理中,25℃和35℃對(duì)土壤碳排放量影響顯著,且顯著高于5℃和15℃間對(duì)土壤碳礦化的影響(P< 0.05),可能原因是隨著溫度的升高,土壤中的微生物活性增加促進(jìn)了土壤礦化,增溫在短時(shí)間內(nèi)可刺激土壤礦化產(chǎn)生大量 CO2[21-22]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤碳礦化受溫度的影響較為復(fù)雜,主要是溫度對(duì)土壤生物活性的影響,往往同時(shí)還受土壤外源N添加的影響[20]。在N1處理中,35℃時(shí)CO2累計(jì)排放量顯著高于其他溫度對(duì)土壤碳排放量的影響(P< 0.05),且其他溫度間無(wú)顯著差異。在N2處理中,隨溫度升高CO2土壤累計(jì)排放量逐漸增加,且5℃與25、35℃間的差異顯著(P< 0.05),外源氮的輸入可能導(dǎo)致根系氮濃度的增加,進(jìn)而影響土壤礦化作用[23]。在同一溫度下,與對(duì)照組相比,土壤碳排放量均隨氮濃度的升高而減少,說(shuō)明氮沉降對(duì)土壤碳呼吸具有抑制作用,在25℃和35℃條件下,氮抑制呼吸作用,高溫度條件下抑制作用更強(qiáng)[24-25],主要原因是高氮處理降低土壤pH值,導(dǎo)致土壤微生物活性降低,分解有機(jī)碳的速率降低,從而抑制了土壤礦化[26],這種現(xiàn)象在針葉林和闊葉林中的影響更為明顯[27]。也可能是由于氮素的增加降低土壤C/N進(jìn)而改變土壤微生物的呼吸進(jìn)而影響土壤礦化[28-30],也有學(xué)者認(rèn)為氮添加對(duì)土壤礦化的無(wú)影響或促進(jìn)作用[31-32]。在不同溫度條件下,土壤有機(jī)碳礦化速率呈日趨下降,培養(yǎng)21 d后礦化速率趨于平緩,其原因可能是土壤可利用性碳、氮基質(zhì)的量是影響其礦化的主要因素,因此,在礦化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,前期土壤易礦化的有機(jī)碳數(shù)量較多,已被微生物分解,培養(yǎng)到中后期土壤碳礦化主要受到可利用碳含量的限制,微生物開(kāi)始難礦化有機(jī)碳,使得分解速率下降,CO2釋放量開(kāi)始降低[33]。較高溫度培養(yǎng)過(guò)的樣品 CO2釋放速率顯著低于較低溫度,很多長(zhǎng)期培養(yǎng)試驗(yàn)中,都觀測(cè)到基質(zhì)大量損耗后,試驗(yàn)后期土壤礦化速率的降低[34],Yoshitake等發(fā)現(xiàn)添加氮在開(kāi)始會(huì)刺激土壤礦化,但不會(huì)持續(xù)下去[26],這也與本研究中土壤礦化率在后期降低并趨于穩(wěn)定相一致[35]。隨著溫度的升高,CK和N、P添加在短時(shí)間內(nèi)對(duì)土壤礦化碳排放呈顯著性增加趨勢(shì)(P< 0.05)。添加P處理中,不同溫度對(duì)CO2累計(jì)排放量與N2變化規(guī)律類(lèi)似,可能的原因是P對(duì)土壤微生物比較敏感抑制土壤礦化[36-37]。

表2不同溫度下各處理土壤潛在碳礦化最大排放量及參數(shù)

Table2ComparisonofcalculatedpotentiallymineralizableorganicCpoolsCoandfirstorderrateconstantsKofdifferenttreatmentsatdifferenttemperaturesinsoil

溫度/℃Temperature處理Treatments潛在碳排放量Potentiallycarbonmineralizable參數(shù)Constant(K)相關(guān)系數(shù)Relationcoefficient(R2)5CK138.663±22.858ab0.032±0.005a0.941±0.018aN1134.848±18.117ab0.026±0.007ab0.921±0.040aN277.133±1.532b0.037±0.020a0.960±0.014aP206.517±104.477a0.016±0.009b0.925±0.023a15CK315.946±21.335a0.054±0.034b0.887±0.007aN185.397±20.987bc0.102±0.079a0.954±0.015aN274.193±18.464c0.062±0.040ab0.840±0.040aP111.495±12.358b0.098±0.085a0.680±0.139b25CK176.355±22.848a0.062±0.004a0.955±0.017aN1174.745±26.953a0.041±0.010b0.987±0.005aN2187.938±21.846a0.041±0.001b0.987±0.002aP186.869±6.041a0.053±0.007a0.983±0.012a35CK488.887±35.656a0.025±0.002b0.991±0.003aN1348.949±64.454ab0.033±0.002b0.972±0.011aN2315.799±48.418b0.041±0.007a0.981±0.004aP477.196±130.299a0.031±0.009a0.974±0.021a

同一列不同小寫(xiě)字母表示同一溫度不同處理間差異顯著(P< 0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差

表3 第42天的Q10值

有關(guān)土壤礦化速率與溫度的關(guān)系研究比較多,他們之間擬合的曲線(xiàn)方程較為復(fù)雜。本研究從溫度敏感性角度來(lái)分析(Q10) 土壤礦化速率受溫度的影響,Q10培養(yǎng)范圍為1.5149—1.8354,變異比較小,說(shuō)明氮沉降的影響表明氮添加處理對(duì)杉木人工林土壤有機(jī)碳礦化對(duì)溫度變化的敏感性不是特別明顯,這與王紅等研究的結(jié)果不一致[38],其原因可能是土壤礦化是一個(gè)十分復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程,Q10值除受溫度的影響外,還受土壤水分、根生物量及其他因子的綜合結(jié)果[28],因此,氮添加對(duì)土壤礦化溫度敏感性影響的機(jī)理需要進(jìn)一步細(xì)化研究?？傊?未來(lái)氣候變化對(duì)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響及其機(jī)理會(huì)更為復(fù)雜,這將是今后的主要研究方向之一。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤礦化是土壤碳庫(kù)主要輸出途徑,因此,土壤碳庫(kù)含量的高低對(duì)土壤碳礦化作用產(chǎn)生重要影響。從土壤全碳與土壤碳礦化的關(guān)系來(lái)看,在5℃和15℃條件下,土壤全碳對(duì)土壤碳排放量無(wú)顯著性差異,在25℃和35℃條件下,土壤全碳對(duì)土壤碳排放量的影響均達(dá)差異顯著(P< 0.05),說(shuō)明土壤全碳對(duì)土壤碳礦化影響同時(shí)也受溫度調(diào)控。土壤碳庫(kù)以及土壤氮素作為土壤有機(jī)碳礦化的底物,其含量必將直接對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用產(chǎn)生影響[39-40]。但生態(tài)系統(tǒng)中非生物因子和生物因子間相互關(guān)系的復(fù)雜性,使得土壤有機(jī)碳礦化研究仍存在不確定性,如Giardina等認(rèn)為溫度的升高不會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生影響[41],本研究結(jié)果表明在25℃條件下,土壤碳排放量隨DOC含量先增后減(P< 0.05),而其他溫度條件下,土壤DOC對(duì)土壤碳排放量并無(wú)顯著性影響。且在同一溫度條件下,土壤DON對(duì)土壤累積碳排放量均無(wú)顯著性差異。土壤礦化除受土壤碳庫(kù)影響外,可能還與土壤含水量密切相關(guān),由于土壤含水量對(duì)呼吸速度影響較為復(fù)雜,往往同時(shí)取決于溫度的配置狀況。在一定溫度條件下,土壤含水量適度提高不僅可以增強(qiáng)微生物的活性,也可以增加土壤中微生物的數(shù)量,從而加快土壤碳的礦化速度。本研究結(jié)果表明,在5℃時(shí),杉木林土壤碳礦化量隨土壤含水量的增加而顯著增加(P< 0.05),在其他溫度條件下并無(wú)顯著性差異。在同一含水量的條件下,土壤碳排放量隨溫度的升高而增加,這與結(jié)論與Hartley研究的結(jié)果一致[35]。溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響可能會(huì)因土壤有機(jī)碳庫(kù)以及土壤水分等因子的限制作用而減弱,并且對(duì)于土壤水分以及土壤碳、氮含量等因子對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響也存在較大的爭(zhēng)議[40]。因此,土壤碳礦化對(duì)溫度的響應(yīng)是土壤性質(zhì)、生物活性以及可利用性碳、氮綜合作用的結(jié)果[33]。

目前,室內(nèi)培養(yǎng)方法廣泛應(yīng)用于土壤潛在碳排放的研究,由于土壤礦化在沒(méi)有根系或氣候因子等干擾的情況下,土壤礦化在長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)后終將達(dá)到平衡。本研究采用單庫(kù)模式一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程Cm=Co(1-exp-kt)對(duì)土壤礦化潛在碳排放進(jìn)行模擬,得出相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。在25℃條件下,不同處理對(duì)杉木林土壤潛在排放量影響不顯著。在其他溫度條件下,N添加均會(huì)抑制土壤潛在碳排放量,且隨N濃度升高抑制作用越強(qiáng)(P< 0.05)。

4 結(jié)論

氮沉降對(duì)土壤礦化碳的累積排放量具有抑制作用。隨著溫度的升高,CK、N和P添加對(duì)土壤礦化碳排放呈顯著性增加趨勢(shì)(P< 0.05)。不同處理間,不同溫度對(duì)土壤碳排放量均有一定的影響。不同溫度條件下添加P處理中對(duì)CO2累計(jì)排放量與N2變化規(guī)律類(lèi)似。在5℃條件下,N會(huì)抑制土壤碳礦化,且隨N濃度升高抑制作用越強(qiáng),P處理能促進(jìn)土壤碳排放；15℃和 35℃條件下,NP處理對(duì)土壤碳排放量均有抑制作用；25℃時(shí)不同處理對(duì)土壤潛在排放量影響不顯著。

在較高溫度(25℃和35℃)培養(yǎng)下,土壤全碳對(duì)CO2累積排放量均有顯著性影響,較低的溫度(5℃和15℃)培養(yǎng)下,土壤全碳對(duì)土壤碳排放量無(wú)顯著性差異。在25℃條件下,土壤DOC含量對(duì)土壤碳排放量的影響顯著(P< 0.05),其他溫度無(wú)影響。在同一溫度條件下,土壤DON對(duì)土壤累積碳排放量均無(wú)顯著性差異。在5℃時(shí),不同處理下土壤含水量對(duì)土壤碳排放量影響顯著,在其他溫度條件下并無(wú)顯著性差異。

氮沉降和P處理對(duì)土壤Q10值與對(duì)照相比均有下降趨勢(shì),隨N濃度升高Q10值下降,對(duì)不同處理的Q10值做方差分析得出它們無(wú)顯著差異。

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EffectsofnitrogenandphosphorusadditionunderdifferenttemperaturesonthesoilcarbonmineralizationinaCunninghamialanceolataplantationinthesubtropics

LIU Yuhuai1,4, YAN Yuanying2, ZHANG Yanjie1, YAN Yue1, ZHAO Yuhao1, XU Yan1, CHEN Fusheng3, GE Tida4, LU Shunbao1,*

1CollegeofLifeSciences,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,China2CentreforWetlandJiangxiForestryAcademy,Nanchang330032,China3CollegeofForestry,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China4KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China

Increase in the soil nitrogen (N) availability under increasing N deposition is an important ecological process that most terrestrial ecosystems experience. Increasing N deposition could affect soil respiration and consequently, affect the soil carbon (C) and N cycling. In this study, an N deposition simulation experiment was carried out in theCunninghamialanceolataforest in Shixi, Taihe County, Jiangxi Province, China. Soil carbon emissions were analyzed, using an alkali absorption method, under four treatments (no N and Phosphorus (P) addition (CK), N1 addition, N2 addition, and P addition) at four different temperatures (5℃, 15℃, 25℃, and 35℃). Soil respiration was inhibited by N deposition. As the temperature increased, soil respiration increased substantially (P< 0.05). Different treatments had different effects on soil carbon emissions. The change regulation of CO2accumulation emission and high N change regulation were similar for P addition under different temperature conditions. At 5℃, N addition inhibited soil carbon mineralization and this effect was stronger with increasing N concentration, whereas P addition promoted the soil carbon emission with increasing N concentration. However, at 15℃ and 35℃, N and P addition had an inhibitory effect on the soil carbon emission. At higher temperatures (25℃ and 35℃), total soil carbon significantly affected the CO2accumulation; however, at lower temperatures (5℃ and 15℃) total soil carbon had the opposite effect on CO2accumulation. At 5℃, soil water content in different treatments had a significant effect on soil carbon emission, whereas the other three temperatures (15℃, 25℃, and 35℃) had no significant effect. At 25℃, soil carbon emission was significantly affected by soil DOC (P< 0.05), whereas no effect was observed at the other three soil temperatures (5℃, 15℃, and 35℃). At 25℃, soil DON had no significant effect on soil carbon accumulation emission. At 5℃, soil water content in different treatments had a significant effect on soil carbon emission but no significant effect at the other three temperatures (15℃, 25℃, and 35℃). The Q10value under N and P addition was lower than that under the control condition (no N and P addition) and theQ10value decreased with increasing N concentration. However, the difference in N deposition had no significant effect on theQ10values. The potential carbon emission from soil respiration was simulated by the single reservoir model,Cm=Co(1-exp-kt). The results indicated that the four treatments had a significant effect on potential soil carbon emission at 5℃, 15℃, and 35℃, but no significant effect at 25℃.

N deposition;Cunninghamialanceolataplantation; carbon mineralization; temperature

國(guó)家自然科學(xué)基金(31360136, 31560168, 31660072);江西省自然基金(20151BAB204007, 20161BAB204175)

2016- 10- 27; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 08- 14

*通訊作者Corresponding author.E-mail: luxunbao8012@126.com

10.5846/stxb201610272195

劉玉槐, 嚴(yán)員英, 張艷杰, 嚴(yán)月, 趙玉皓, 徐燕, 陳伏生， 葛體達(dá)， 魯順保.不同溫度條件下亞熱帶森林土壤碳礦化對(duì)氮磷添加的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(23):7994- 8004.

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