樂(lè) 藝, 張曉雅, 高俊琴, 丁 艷, 李謙維

(北京林業(yè)大學(xué) 自然保護(hù)區(qū)學(xué)院, 北京 100083)

全球氣候變化如氣溫升高、極端干旱和強(qiáng)降雨事件頻發(fā)，已成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。極端干旱和強(qiáng)降雨事件通過(guò)影響干旱期長(zhǎng)短、降雨量和降雨強(qiáng)度等，引起區(qū)域降水格局發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤經(jīng)歷的干濕交替更頻繁和復(fù)雜[1-3]。干濕交替是土壤反復(fù)經(jīng)歷干旱和濕潤(rùn)的一個(gè)自然過(guò)程[4]，能夠?qū)е峦寥浪职l(fā)生較大的波動(dòng)、土壤漲縮及土壤團(tuán)聚體變化，從而影響土壤微生物種類、數(shù)量及其活性，對(duì)土壤呼吸和有機(jī)質(zhì)礦化作用產(chǎn)生影響[5-6]。

土壤呼吸是土壤中的有機(jī)碳在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳的過(guò)程，是碳循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[7-9]。一般來(lái)說(shuō)，干濕交替能促進(jìn)土壤呼吸[10-11]。干濕交替的干旱過(guò)程限制了土壤活性有機(jī)碳的擴(kuò)散，影響了土壤微生物活性，從而對(duì)土壤碳的轉(zhuǎn)化和礦化產(chǎn)生不同程度的影響[12]。同時(shí)，干旱過(guò)程引起土壤中部分微生物死亡，增加了土壤可利用有機(jī)碳源[13]。重新濕潤(rùn)后，土壤活性有機(jī)碳的擴(kuò)散增強(qiáng)，微生物得以大量繁殖，且微生物的活性明顯增加，在一定程度上加快土壤有機(jī)碳的礦化[11,13-14]。研究表明，干濕交替的重新濕潤(rùn)過(guò)程能引起土壤有機(jī)碳礦化速率短時(shí)激增的激發(fā)效應(yīng)，促進(jìn)土壤呼吸和CO2的排放[4,15]，但多次干濕交替的激發(fā)效應(yīng)會(huì)逐漸減弱[16]。然而多次干濕交替的強(qiáng)度和頻率對(duì)土壤呼吸的影響是否一致，還缺少相應(yīng)研究，尤其是對(duì)高寒濕地土壤。

土壤可溶性有機(jī)碳是土壤活性碳庫(kù)的重要組成部分，在土壤中不穩(wěn)定且易被土壤微生物利用[2,17-18]。干濕交替通過(guò)破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使原本受保護(hù)的有機(jī)質(zhì)暴露，增強(qiáng)了土壤的礦化作用，增加了土壤可溶性有機(jī)碳含量[2,19]，改變了土壤中容易被植物吸收利用的養(yǎng)分，比如硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。已有研究表明，干濕交替頻率增加可降低土壤硝態(tài)氮含量，增加銨態(tài)氮含量[20]。但對(duì)多次干濕交替條件下土壤可溶性有機(jī)碳及無(wú)機(jī)氮的研究相對(duì)不足，尚沒(méi)有一致的結(jié)論，尤其是高寒濕地土壤。

本研究以若爾蓋高寒濕地土壤為研究對(duì)象，探究不同干濕交替強(qiáng)度和頻率對(duì)高寒濕地土壤呼吸、土壤可溶性碳和無(wú)機(jī)氮的影響，為深入理解氣候變化下高寒濕地土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)提供基礎(chǔ)，也為高寒濕地應(yīng)對(duì)氣候變化和制定溫室氣體排放清單提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究土壤來(lái)自若爾蓋高寒濕地。若爾蓋高寒濕地位于青藏高原東部，是我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)地和碳儲(chǔ)藏區(qū)[21]，也是世界上最大的高原泥炭濕地。由于其位于高海拔地區(qū)，對(duì)氣候變化敏感，若爾蓋高寒濕地成為全球氣候變化的敏感區(qū)和預(yù)警區(qū)[21-22]。該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照強(qiáng)、溫差大，年平均氣溫0.6～1.2℃，年降水550～700 mm[2]。若爾蓋高寒濕地以低山、丘陵、河谷和階地地貌為主[23]，地表常年淹水、季節(jié)性淹水或臨時(shí)性淹水。植物群落以西藏蒿草(Kobresiatibetica)、木里苔草(Carexmuliensis)、毛苔草(Carexlasiocarpa)為優(yōu)勢(shì)種[2]。2016年9月，選擇若爾蓋典型高寒沼澤濕地，設(shè)置4個(gè)1 m×1 m的樣方，去除地表植被，采用多點(diǎn)混合法采集表層(0—20 cm)土壤2 kg，保持土壤原狀帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)野外觀測(cè)的生長(zhǎng)季降水量和降水頻率，設(shè)置兩個(gè)干濕交替強(qiáng)度即高強(qiáng)度(221 mm，約占全年降水量的40%，相當(dāng)于試驗(yàn)期野外實(shí)際降水量)、低強(qiáng)度(155 mm，相當(dāng)于70 %野外實(shí)際降水量)，兩個(gè)頻率即高頻(8 d/次，野外降水頻率均值)、低頻(16 d/次，延長(zhǎng)一倍野外降水頻率)，另設(shè)恒定水分組(CK)作為對(duì)照，共5種干濕交替處理，每種處理5個(gè)重復(fù)(圖1)。在250 ml培養(yǎng)瓶底部鋪5 mm石英砂，野外采集的土壤經(jīng)過(guò)挑根和過(guò)篩處理，平鋪2 cm在培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)。培養(yǎng)瓶底部放置裝有10 ml濃度為1 mol/L NaOH的小棕瓶，NaOH溶液用于吸收培養(yǎng)過(guò)程中土壤呼吸釋放的CO2，同時(shí)在培養(yǎng)瓶瓶口懸掛無(wú)水硅膠用于吸收培養(yǎng)過(guò)程中蒸發(fā)的水分，培養(yǎng)瓶密閉后置于人工氣候箱恒溫(15 ℃)無(wú)光條件下培養(yǎng)144 d，即高頻率和低頻率處理分別經(jīng)歷18，9個(gè)干濕交替周期。試驗(yàn)開始前，在室內(nèi)常溫避光條件下進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)試驗(yàn)以恢復(fù)微生物的活性。培養(yǎng)期間根據(jù)不同的干濕交替處理定期進(jìn)行水分添加，每4 d更換一次干燥劑，同時(shí)稱量培養(yǎng)瓶的質(zhì)量，計(jì)算水分變化。培養(yǎng)期前64 d每8 d更換一次NaOH溶液，培養(yǎng)后期由于土壤呼吸速率減慢，每16 d更換一次，更換的堿液加入過(guò)量的BaCl2(1 mol/L)溶液后利用HCl (0.5 ml/L)進(jìn)行酸堿滴定計(jì)算釋放的CO2的量。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

利用NaOH溶液吸收土壤呼吸作用所釋放的CO2。每次更換的NaOH溶液加入過(guò)量的BaCl2(1 mol/L)溶液，自動(dòng)滴定儀(ZDJ-5型自動(dòng)滴定儀)用0.5 mol/l鹽酸溶液滴定剩余NaOH溶液的濃度[12,15]，自動(dòng)滴定儀顯示滴定過(guò)程中所用鹽酸的體積，計(jì)算不同干濕交替處理?xiàng)l件下CO2的釋放總量，其計(jì)算公式如下[24]：

(1)

式中：m為釋放CO2的質(zhì)量；C1為堿液吸收CO2前的濃度；C2為堿液吸收CO2后的濃度；V為培養(yǎng)過(guò)程中堿液的體積；M為CO2的摩爾質(zhì)量。

圖1 土壤干濕交替變化處理

土壤可溶性有機(jī)碳測(cè)定采用如下方法[2]：稱取5 g新鮮土樣放入50 ml的離心管中，加入25 ml去離子水，將離心管置于振蕩機(jī)中在常溫條件下以120 r/min的速度振蕩1.5 h，再將離心管置于離心機(jī)以3 000 r/min的速度離心10 min，將土壤提取液經(jīng)過(guò)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾。利用multi N/C 3100 TOC分析儀(德國(guó)耶拿分析儀器股份公司，耶拿，德國(guó))，測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳含量。

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測(cè)定采用如下方法[25]：稱取土壤5.00 g置于50 ml離心管中，加入0.05 ml/L K2SO4溶液25 ml，將離心管置于搖床中在常溫條件下以120 r/min的速度震蕩1.5 h，再將離心管置于離心機(jī)以3 000 r/min的速度離心10 min，將土壤提取液上經(jīng)過(guò)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾，利用連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國(guó)SEAL公司，諾德施泰特，德國(guó))測(cè)定所得溶液即可得到銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。無(wú)機(jī)氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮二者之和。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

本研究中引入Orwin & Wardle穩(wěn)定系數(shù)，用以表征土壤各個(gè)指標(biāo)應(yīng)對(duì)干濕交替干擾的穩(wěn)定性，其計(jì)算公式如下[20]：

(2)

采用Excel 2013處理初始數(shù)據(jù)，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素分析，并利用Sigmaplot 12.5繪圖軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕交替對(duì)土壤呼吸的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，CO2累積排放量逐漸增加。培養(yǎng)前期，CO2排放量隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而逐漸加快，但到培養(yǎng)中后期，CO2排放量隨時(shí)間增加逐漸減慢。在培養(yǎng)過(guò)程中，低強(qiáng)度干濕交替條件下高頻率較低頻率的CO2排放量少(圖2A，B)。

方差分析表明，干濕交替強(qiáng)度對(duì)CO2排放量影響顯著(p=0.028)，而干濕交替頻率以及頻率和強(qiáng)度的交互作用對(duì)CO2排放量沒(méi)有顯著影響(表1)。高強(qiáng)度干濕交替下土壤呼吸顯著高于低強(qiáng)度處理，其CO2釋放量分別為(8.06±0.29) g/kg和(7.12±0.25) g/kg。相同干濕交替強(qiáng)度條件下，低頻處理CO2釋放量高于高頻處理。高強(qiáng)度干濕交替處理下，低頻、高頻處理CO2釋放量分別為(8.17±0.15) g/kg，(7.93±0.58) g/kg。低強(qiáng)度干濕交替處理下，低頻、高頻處理CO2釋放量分別為(7.40±0.42) g/kg，(6.84±0.25) g/kg(圖3A)。

土壤水分是影響土壤呼吸作用的主要因素[16,27]。本研究中干濕交替強(qiáng)度顯著影響了CO2排放量，即低強(qiáng)度干濕交替抑制了土壤呼吸。研究表明土壤含水量變化于60%～70%左右適宜于微生物活動(dòng)及土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用[28]。當(dāng)土壤處于較干燥的情況下，適當(dāng)增加土壤水分能夠提高土壤呼吸作用增加CO2釋放量，但是當(dāng)土壤中水分超過(guò)一定水平時(shí)，土壤的空隙被水分填充，土壤氧氣缺乏，好氧微生物活性降低，CO2的釋放受到抑制[23]。本研究中土壤水分含量范圍在51.0%～72.5%，該土壤含水量比較適合于土壤微生物活動(dòng)，尤其是高強(qiáng)度干濕交替，從而導(dǎo)致了高強(qiáng)度干濕交替下土壤呼吸最強(qiáng)烈。在本研究中，不同干濕交替處理下土壤呼吸釋放的CO2量介于6～9 g/kg，這一范圍與以往研究的CO2釋放量范圍一致[11-12,15]。

圖2 干濕交替對(duì)若爾蓋高寒濕地土壤呼吸的影響

表1 干濕交替對(duì)若爾蓋高寒濕地土壤呼吸及

研究表明，相對(duì)于淹水或土壤水分飽和條件，干濕交替能促進(jìn)土壤呼吸，其影響機(jī)制主要是干濕交替對(duì)微生物活性的激活效應(yīng)及土壤物理結(jié)構(gòu)的裂變作用[5]。干旱條件下，土壤中的有機(jī)碳擴(kuò)散受到抑制，難以被微生物所利用，降低土壤呼吸作用，甚至?xí)?dǎo)致微生物的死亡，在一定程度上增加土壤中可利用有機(jī)碳[15-16]。濕潤(rùn)之后土壤團(tuán)聚體膨脹裂解，使原本受團(tuán)聚體保護(hù)的穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)暴露，為微生物的正常代謝和生長(zhǎng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)[5,13,16]，且重新濕潤(rùn)后，微生物的活性和新陳代謝能力增強(qiáng)，微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的利用提高[5,13]。隨著干濕交替強(qiáng)度的增加，土壤激發(fā)作用隨之增強(qiáng)，這是因?yàn)樾?qiáng)度的降水只能濕潤(rùn)表層土壤，且水分蒸發(fā)迅速，無(wú)法到達(dá)下層土壤對(duì)微生物產(chǎn)生激活作用[29]。隨著干濕交替次數(shù)的增加，干濕交替對(duì)土壤呼吸作用的激發(fā)效應(yīng)逐漸減弱，主要表現(xiàn)為激發(fā)效應(yīng)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)、激發(fā)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間縮短及激發(fā)量的減少[16]。這與本研究中在培養(yǎng)后期CO2的釋放量逐漸減少的結(jié)果一致。其可能原因是隨著干濕交替過(guò)程的不斷進(jìn)行，沒(méi)有外源有機(jī)碳的輸入，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性得以提高，所釋放的有機(jī)物質(zhì)減少[30]，土壤中可供微生物利用的有機(jī)物質(zhì)的可得到性降低，導(dǎo)致土壤呼吸作用受到抑制，所釋放的CO2量也相應(yīng)減少[5,12,16]。本研究中干濕交替頻率對(duì)土壤呼吸沒(méi)有顯著影響，可能是由于干濕交替高低頻率下土壤含水量波動(dòng)變化差異不是很大，土壤微生物群落和活性變化不大，從而導(dǎo)致土壤呼吸沒(méi)有顯著差異。

2.2 干濕交替對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳和無(wú)機(jī)氮的影響

干濕交替強(qiáng)度顯著影響土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量(p=0.041)和DOC/無(wú)機(jī)氮(p=0.003)(表1)。低強(qiáng)度干濕交替處理下DOC含量和DOC/無(wú)機(jī)氮的比值顯著高于高強(qiáng)度處理(圖3B，D)。干濕交替強(qiáng)度和頻率對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮沒(méi)有顯著影響。銨態(tài)氮含量受干濕交替頻率及交互作用的影響顯著，硝態(tài)氮受干濕交替強(qiáng)度及交互作用的影響顯著(表1)。在高強(qiáng)度干濕交替下，增加頻率顯著增加了銨態(tài)氮含量，降低了硝態(tài)氮含量；在低強(qiáng)度干濕交替下，頻率變化對(duì)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均沒(méi)有顯著影響(圖3E，F(xiàn))。

土壤DOC是土壤中容易被微生物所利用的碳源。干濕交替過(guò)程中土壤呼吸作用大量消耗土壤中的可利用性碳，進(jìn)而對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響。本研究中干濕交替強(qiáng)度增加顯著增加了土壤呼吸，高強(qiáng)度干濕交替處理下土壤可溶性有機(jī)碳的含量顯著低于低強(qiáng)度處理，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[4]。本研究中干濕交替對(duì)無(wú)機(jī)氮含量沒(méi)有顯著影響，但對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮有影響，在高強(qiáng)度干濕交替條件下，干濕交替頻率的增加降低了硝態(tài)氮含量，增加了銨態(tài)氮含量，這與前人的研究結(jié)果較為一致[10,25,31]在高強(qiáng)度干濕交替條件下，高頻率的干濕交替下土壤保持較高的含水量，有利于反硝化作用的進(jìn)行，而硝化作用受到抑制[32]，因此降低了硝態(tài)氮含量，增加了銨態(tài)氮含量。

注：不同大小寫字母代表同一干濕交替頻率下不同強(qiáng)度之間差異顯著；*代表同一干濕交替強(qiáng)度下不同頻率之間差異顯著(p<0.05)。

2.3 土壤呼吸和土壤碳氮穩(wěn)定性

干濕交替強(qiáng)度顯著影響DOC/無(wú)機(jī)氮穩(wěn)定性，干濕交替頻率、強(qiáng)度與頻率的交互作用顯著影響土壤銨態(tài)氮穩(wěn)定性，硝態(tài)氮穩(wěn)定性受干濕交替強(qiáng)度和頻率交互作用的影響顯著。干濕交替強(qiáng)度和頻率對(duì)土壤呼吸穩(wěn)定性、DOC和無(wú)機(jī)氮穩(wěn)定性均沒(méi)有顯著影響(表2)。

高強(qiáng)度干濕交替處理顯著增加了DOC/無(wú)機(jī)氮的穩(wěn)定性(圖4D)。在高強(qiáng)度干濕交替下，增加頻率有利于維持土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的穩(wěn)定性(圖4E，F(xiàn))。

表2 干濕交替對(duì)土壤穩(wěn)定性的影響

土壤穩(wěn)定性是土壤健康的指標(biāo)之一，是土壤抵抗人為干擾和自然環(huán)境變化的能力[33-34]。本研究中選取了土壤呼吸釋放CO2總量、DOC，DOC/無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等指標(biāo)反映若爾蓋濕地土壤對(duì)于干濕交替干擾的抵抗性。本研究中干濕交替強(qiáng)度、頻率及交互作用對(duì)土壤呼吸穩(wěn)定性均無(wú)顯著影響，主要由于本研究中土壤水分的波動(dòng)變化不是很劇烈(圖1)，高頻率下土壤含水量變化于55.6%～64.0%(高強(qiáng)度)和51.0%～56.9%(低強(qiáng)度)，低頻率下土壤含水量變化于57.9%～72.5%(高強(qiáng)度)和51.6%～61.9%(低強(qiáng)度)，該土壤含水量范圍都比較適合于土壤微生物活動(dòng)，即較小的干濕交替變化對(duì)土壤微生物進(jìn)行碳氮礦化作用的影響不大，導(dǎo)致土壤呼吸穩(wěn)定性沒(méi)有差異。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮穩(wěn)定性對(duì)干濕交替的響應(yīng)趨勢(shì)較為一致。研究表明，相對(duì)于硝態(tài)氮，微生物會(huì)優(yōu)先選擇銨態(tài)氮作為氮源，其原因可能是利用銨態(tài)氮所消耗的能量較少[35]。在高強(qiáng)度干濕交替下，低頻率促進(jìn)微生物消耗更多的銨態(tài)氮，導(dǎo)致土壤中的銨態(tài)氮顯著減少，降低了其穩(wěn)定性。

注：不同大小寫字母代表同一干濕交替頻率下不同強(qiáng)度之間差異顯著；*代表同一干濕交替強(qiáng)度下不同頻率之間差異顯著(p<0.05)。

3 結(jié) 論

干濕交替強(qiáng)度和頻率對(duì)若爾蓋高寒濕地土壤呼吸及其穩(wěn)定性影響不同。干濕交替強(qiáng)度顯著影響若爾蓋高寒濕地土壤呼吸、DOC及DOC/無(wú)機(jī)氮的比值，低強(qiáng)度干濕交替顯著降低了CO2排放，同時(shí)有利于增加可溶性有機(jī)碳的含量和提高DOC/無(wú)機(jī)氮的比值。土壤銨態(tài)氮及穩(wěn)定性受干濕交替頻率及交互作用的顯著影響，硝態(tài)氮受干濕交替強(qiáng)度及交互作用的顯著影響。土壤呼吸、DOC和無(wú)機(jī)氮穩(wěn)定性均不受干濕交替強(qiáng)度、頻率及交互作用的顯著影響。因此，降水模式改變，尤其是降水量的變化，影響土壤干濕交替強(qiáng)度，將對(duì)若爾蓋高寒濕地土壤呼吸和DOC、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響高寒濕地土壤活性碳氮的穩(wěn)定性。未來(lái)可進(jìn)一步加強(qiáng)氣候變化下高寒濕地碳氮循環(huán)過(guò)程研究，為深入理解高寒濕地應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供基礎(chǔ)。