邵 蕊, 趙苗苗, 趙 芬, 沈瑞昌, 劉麗香, 張麗云, 徐明,*

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 南昌大學(xué)生命科學(xué)研究院流域生態(tài)學(xué)研究所,南昌 330031

人類活動(dòng)引起的溫室氣體排放的增加是全球變暖的主要誘因,自工業(yè)化以來,大氣中二氧化碳、甲烷和氧化亞氮濃度顯著增加[1],其中,以CO2為主。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[2],其碳循環(huán)過程對(duì)調(diào)節(jié)大氣CO2濃度和地球系統(tǒng)的氣候動(dòng)態(tài)具有十分重要的作用[3]。其中,土壤呼吸(Rs)是大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)間僅次于光合作用的碳通量渠道。土壤呼吸一方面直接影響大氣中CO2濃度,另一方面通過對(duì)氣候變暖的響應(yīng)進(jìn)一步影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。土壤呼吸對(duì)溫度變化響應(yīng)的劇烈程度,即溫度敏感性,是陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變暖響應(yīng)的重要參數(shù),可用Q10來表示, 即溫度每升高10℃,溫室氣體排放速率變化的倍數(shù)[4]。

施肥對(duì)大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要影響,一方面,施肥通過促進(jìn)作物生長增加生態(tài)系統(tǒng)碳固定影響土壤碳庫;另一方面,通過調(diào)節(jié)根系分泌物、土壤微生物群落組成與功能、無機(jī)氮含量等土壤理化性質(zhì),影響土壤呼吸。但由于環(huán)境因子和實(shí)驗(yàn)方法等因素的差異,施肥對(duì)土壤呼吸及其組成的影響尚沒有統(tǒng)一結(jié)論[3,5]。有些研究表明,施肥顯著促進(jìn)土壤呼吸[6-7],其他一些研究則顯著降低土壤呼吸[8- 9]或者對(duì)土壤呼吸沒有顯著影響[10]。除了直接影響土壤呼吸,施肥還可以通過影響土壤碳庫來影響土壤呼吸溫度敏感性。根據(jù)Arrhenius方程,難分解有機(jī)質(zhì)通常具有更高的溫度敏感性,而根據(jù)Michaeli-Menten酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程,底物有效性能夠通過影響Vmax和Km的溫度敏感性,影響有機(jī)質(zhì)分解的溫度敏感性[4,11],并最終影響陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)。研究施肥對(duì)土壤呼吸溫度敏感性的影響對(duì)預(yù)測未來氣候變化背景下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程具有重要意義。

油茶(Camelliaoleifera)是中國南方重要的木本食用油料樹種,但是不同于森林等自然生態(tài)系統(tǒng),油茶栽培對(duì)土壤肥力要求很高,需肥量大,合理的施肥是促進(jìn)油茶生長、提高油茶產(chǎn)量和品質(zhì),以及防范土壤肥力衰退的重要措施[12- 13]。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和土地集約利用,油茶園種植面積逐漸增大,研究施肥對(duì)油茶園土壤呼吸及其溫度敏感性的影響,對(duì)于估算中國南方典型種植園林溫室氣體排放及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。本研究采用靜態(tài)箱-氣相色譜法,通過多年觀測,分析探討施肥對(duì)油茶園土壤土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸及其溫度敏感性的影響。

1 研究區(qū)概況

本研究野外試驗(yàn)在中國科學(xué)院千煙洲紅壤丘陵綜合開發(fā)試驗(yàn)站(以下簡稱千煙洲站)展開。千煙洲站位于江西省泰和縣灌溪鎮(zhèn),115°04′13′′E, 26°44′48′′N。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年平均氣溫為17.9℃;多年平均降水量約為1490mm,主要集中在3—6月,占全年降水量的51%。土壤類型為紅壤,成土母質(zhì)主要包括紅色砂巖和砂礫巖的風(fēng)化產(chǎn)物,粘粒含量19%(<0.002mm),粉砂含量25%(0.002—0.02mm),砂粒含量56%(0.02—2mm)。土壤pH值為4.97,土壤容重是1.29g/cm3。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置施肥(OF)與對(duì)照(CK)兩個(gè)處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。每個(gè)樣方為14m×10m的矩形,植株間距為2.8m×2m。樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置2個(gè)靜態(tài)箱進(jìn)行觀測。為了研究施肥對(duì)油茶園土壤異養(yǎng)呼吸及其溫度敏感性的影響,2013年3月初,采用壕溝法[14- 15]在每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)置1m×1m斷根子樣方。根據(jù)前期調(diào)查油茶根系分布深度,挖溝槽深70cm,寬10cm。溝槽挖好后將PVC板貼斷根區(qū)內(nèi)壁放入槽內(nèi),回填底層土壤壓實(shí),依次固定四周PVC板,并保證PVC板連接處閉合,然后再回填其余土壤并壓實(shí)。然后每個(gè)子樣方中設(shè)置1個(gè)靜態(tài)箱,其中對(duì)照和施肥處理的子樣方分別標(biāo)記為CK-T和OF-T。各處理土壤CO2通量觀測從2013年5月1日持續(xù)至2016年4月30日。CK采樣期內(nèi),定期清理斷根區(qū)內(nèi)新生草芽,選擇在草芽較小時(shí)用剪刀齊地剪掉,盡量減少對(duì)表層土壤的干擾。試驗(yàn)所用化肥為復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O 15%∶15%∶15%),施肥量為360kg N hm-2a-1,在每年的4月中旬和8月中旬分兩次施入。施肥前將肥料充分溶解于水中,然后將肥料溶液均勻噴灑于各樣方中。

2.2 土壤CO2通量測定與計(jì)算

本研究采用靜態(tài)箱-氣相色譜法進(jìn)行土壤呼吸測定。靜態(tài)箱采用底面直徑為49cm,高為39cm的不銹鋼暗箱。在8：00—11：00之間,通過半自動(dòng)人工采樣系統(tǒng),在扣箱0、10、20、30、40min后直接將氣體采集到12mL已抽真空的頂空進(jìn)樣瓶。生長季通常為每4—5d采集1次氣樣,在施肥或強(qiáng)降雨后加密采樣,每天1次持續(xù)1周。非生長季每10—15d采集1次氣樣。

利用氣相色譜儀(GC System, 7890A, Agilent Technologies)測定氣樣CO2濃度,利用公式1計(jì)算通量。

(1)

式中,F為CO2凈交換通量(mg C m-2h-1),ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2氣體密度(0.536kg/C m3),V是采樣箱的有效體積(m3),A為采樣箱所覆蓋的土壤面積(m2),T和T0為觀測時(shí)箱內(nèi)溫度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度(℃),P和P0為觀測時(shí)的大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa),dCt/dt為箱內(nèi)氣體濃度隨時(shí)間變化的斜率(μL/L)。

2.3 土壤理化性質(zhì)及微氣象因子觀測

靜態(tài)箱采取地表溫室氣體的同時(shí),手工測定箱內(nèi)空氣溫度。土壤溫度通過土壤小氣候自動(dòng)觀測系統(tǒng)獲取,溫度傳感器埋在土壤表層下5cm深處。在氣體采樣結(jié)束后的24h內(nèi),采集土壤表層(0—10cm)土壤樣品。為減少土樣采集對(duì)樣地干擾,研究期第1年生長季每12—15d 采集1次土壤樣品,非生長季每月底取樣;第2年和第3年,平均每月采集1次土壤樣品。將新鮮土樣過2mm篩后取80g左右放置冷柜保存。土壤無機(jī)氮濃度按照土水比1∶5(W/V),利用1mol/L KCl溶液提取后過濾,濾液上流動(dòng)分析儀(AA3 HR AutoAnalyzer, SEAL, Germany)進(jìn)行分析測定。土壤DOC按照土水比1∶5(W/V)利用超純水提取,離心并取上清液抽濾后,用流動(dòng)分析儀測定(AA3 HR AutoAnalyzer, SEAL, Germany)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用Van′t Hoff 指數(shù)模型(公式(2))來模擬土壤呼吸與溫度的關(guān)系。

R=aebT

(2)

式中,R為土壤呼吸速率,T為土壤溫度,a指溫度為0℃時(shí)的土壤呼吸速率,b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

采用公式(3)來計(jì)算土壤CO2通量的溫度敏感性Q10,

Q10=e10b

(3)

式中,b為公式(2)計(jì)算所得溫度反應(yīng)系數(shù)。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)正態(tài)性檢驗(yàn),不滿足正態(tài)性分布的情況下,采用自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉恼龖B(tài)性分布后在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本研究采用單因素方差分析方法檢驗(yàn)處理間土壤CO2通量,年累積排放量和溫度敏感性(Q10)差異的顯著性。所有統(tǒng)計(jì)分析均在IBM SPSS 22.0(IBM, New York, United States)中進(jìn)行。圖形由SigmaPlot 10.0軟件實(shí)現(xiàn)。

3 研究結(jié)果

3.1 氣溫、土壤溫度和降水

研究期間,千煙洲試驗(yàn)站日均氣溫變化范圍為-1.75—31.79℃,年內(nèi)氣溫呈單峰形態(tài)變化,最高日均溫出現(xiàn)在7月份,最低日均溫出現(xiàn)在1月份(圖1)。土壤溫度表現(xiàn)出與氣溫一致的季節(jié)變化規(guī)律(圖1),日均溫變化范圍為3.83—37.81℃。降水年內(nèi)分配不均,主要集中在3—6月,8—10月降水較少,易出現(xiàn)伏旱。

圖1 研究期間空氣溫度、土壤溫度和降水量Fig.1 Seasonal dynamics of air temperature, soil temperature and precipitation during the study period

3.2 CO2通量季節(jié)變化動(dòng)態(tài)

不同處理下,CO2通量季節(jié)變化規(guī)律相似(圖2),均與溫度的季節(jié)變化基本一致。研究期間,OF和CK處理CO2通量變化范圍分別為16.93—195.82mg C m-2h-1和12.83—179.21mg C m-2h-1,平均值分別為(77.91±2.585)mg C m-2h-1和(73.71±0.97)mg C m-2h-1;OF-T和CK-T處理CO2通量變化范圍分別為9.32—175.58mg C m-2h-1和9.24—146.00mg C m-2h-1,平均值分別為(66.82±1.02)mg C m-2h-1和(66.84±3.94)mg C m-2h-1。方差分析結(jié)果表明,研究期間OF和CK處理間CO2通量無顯著差異(F=0.064,P=0.802),OF-T和CK-T處理間CO2通量也無顯著差異(F=0.020,P=0.889),即施肥對(duì)土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸均無顯著影響。

3.3 土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸溫度敏感性

不同處理下,CO2通量均與土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),其中土壤溫度約可解釋OF和CK處理63.6%—66.5%的變異(圖3),可解釋OF-T和CK-T處理54.4%—64.2%的變異(圖4)。根據(jù)指數(shù)方程系數(shù)計(jì)算得不同處理下CO2通量的溫度敏感性(CO2-Q10)。其中,OF和CK處理CO2-Q10變化范圍分別為1.74—1.80和1.68—1.80;OF-T和CK-T處理CO2-Q10變化范圍分別為1.94—1.97和1.73—1.85。各處理Q10依次為OF-T (1.96±0.01)>> CK-T(1.79±0.03)> OF(1.77±0.01)> CK(1.75±0.03)(圖5)。方差分析結(jié)果表明,OF和CK處理CO2-Q10無顯著差異(F=0.257,P=0.639),但OF-T處理CO2-Q10顯著高于CK-T處理(F=21.739,P=0.010)(圖5)。

圖2 土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸季節(jié)變化動(dòng)態(tài)Fig.2 Seasonal dynamics of soil respiration and heterotrophic respiration during the study periodOF: 施肥, oil tea plots with fertilization; CK: 對(duì)照, oil tea plots without fertilization; OF-T: 斷根施肥, trenching plots with fertilization; CK-T: 斷根, trenching plots without fertilization

圖3 OF樣方和CK樣方,土壤呼吸與土壤溫度的指數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.3 The exponential relationships between soil respiration and soil temperature in the OF and CK plots

圖4 OF-T樣方和CK-T樣方,土壤異養(yǎng)呼吸與土壤溫度的指數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.4 The exponential relationships between soil heterotrophic respiration and soil temperature in the OF-T and CK-T plots

圖5 不同處理下土壤CO2通量溫度敏感性 Fig.5 Temperature sensitivity (Q10) of soil CO2 effluxes in different treatmentsOF: 施肥, oil tea plots with fertilization; CK: 對(duì)照, oil tea plots without fertilization; OF-T: 斷根施肥, trenching plots with fertilization; CK-T: 斷根, trenching plots without fertilization. 不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

3.4 CO2通量溫度敏感性與環(huán)境因子的關(guān)系

4 討論與結(jié)論

4.1 施肥對(duì)油茶園土壤CO2通量的影響

本研究中,油茶園土壤呼吸在該地區(qū)人工林土壤呼吸的變化范圍48.67—84.02mg C m-2h-1內(nèi)[9- 10,16- 17],與Sheng等[18]對(duì)中國南方亞熱帶地區(qū)橘園和王超等[19]對(duì)福建栗園(66.96mg C m-2h-1)的研究結(jié)果相接近(73.01mg C m-2h-1),但明顯低于Liu等[20]對(duì)龍眼種植園(109.89mg C m-2h-1)和王超等[19]對(duì)柑橘園(115.78mg C m-2h-1)的觀測結(jié)果,高于Iqbal等[21]對(duì)桃園土壤呼吸的研究結(jié)果(22.64mg C m-2h-1)。這種差異可能是由于區(qū)域氣候[3],不同園林細(xì)根生物量、植株生產(chǎn)力及地下碳分配、土壤碳庫[20],以及施肥等管理方式的不同造成的。此外,研究方法不同也可產(chǎn)生一定的差異[5]。

圖6 土壤CO2通量溫度敏感性與土壤表層和含量的相關(guān)關(guān)系Fig.6 The relationships between temperature sensitivity (Q10) of soil CO2 effluxes (Q10) and soil and contentOF: 施肥, oil tea plots with fertilization; CK: 對(duì)照, oil tea plots without fertilization; OF-T: 斷根施肥, trenching plots with fertilization; CK-T: 斷根, trenching plots without fertilization. 不同字母表示土壤表層同一物質(zhì)含量處理間差異顯著(P<0.05)

本研究中,施肥對(duì)土壤呼吸和異養(yǎng)呼吸均無顯著影響,但在一定程度上促進(jìn)了Rs,這與Deng等[22]對(duì)中國亞熱帶森林的研究結(jié)果一致,可能是由于施肥促進(jìn)了油茶植株生長,使根系生物量增加,因此促進(jìn)了Rs。已有研究表明,施肥對(duì)Rs的促進(jìn)作用主要是由于施肥對(duì)根系自養(yǎng)呼吸的影響造成的[3,22]。此外,施肥對(duì)Rh表現(xiàn)出微弱的削減作用,這與Zhou等[3]的萃取分析結(jié)果一致,其研究表明氮肥可通過改變土壤微生物群落、降低微生物生物量、抑制土壤氧化酶活動(dòng)等途徑抑制土壤異養(yǎng)呼吸,因此削弱了土壤異養(yǎng)呼吸。

表1 不同處理下土壤表層和含量 (Mean±SE)

4.2 施肥對(duì)油茶園土壤呼吸溫度敏感性的影響

一項(xiàng)萃取分析的研究結(jié)果表明,全球各類陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的溫度敏感性(Q10)均值為(2.6±1.2),中位數(shù)為2.39,其中沼澤濕地(3.3±0.3)和苔原(3.4±0.3)顯著高于森林(2.5±0.2)和草地(2.5±0.2)[23]。本研究中,油茶園土壤呼吸溫度敏感性Q10變化范圍為1.68—1.97,低于全球森林土壤呼吸溫度敏感性,稍高于Sheng 等[18]和王超等[19]對(duì)中國南方亞熱帶橘園的研究結(jié)果(Q10分別為1.66和1.58),但是與中國亞熱帶森林(1.86)[22]、中國亞熱帶地區(qū)果園有機(jī)碳礦化Q10(1.81)[24]以及錐栗園土壤呼吸Q10(1.75)[21]相近的研究結(jié)果相近。此外,油茶園土壤異養(yǎng)呼吸Q10與Winkler等[25]的研究結(jié)果一致。

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