張驍棟,王金枝,顏 亮,李 勇,吳海東,康曉明,*

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所,濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站, 阿壩藏族羌族自治州 624500

青藏高原是全球海拔最高的獨(dú)特地域單元,具有復(fù)雜的地理成分與生物區(qū)系,也是具有全球重要性的脆弱生態(tài)區(qū)[1]。青藏高原濕地多為高寒沼澤、高寒沼澤化草甸等,面積約4.91×105km2,在補(bǔ)給水源、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持區(qū)域生態(tài)平衡和保護(hù)生物多樣性等方面具有不可替代的作用[2]。位于青藏高原東南緣的四川省阿壩州若爾蓋高原是我國面積最大的高原泥炭沼澤分布區(qū)。1955—1980年期間,為了開辟牧場,在若爾蓋高原泥炭沼澤中開挖了人工溝渠,建設(shè)了排水工程[3]。水位下降加速沼澤濕地土壤有機(jī)質(zhì)分解和營養(yǎng)物質(zhì)流失[4],植被從沼生型向中生型演替,沼澤向草甸轉(zhuǎn)變[5- 6]。盡管目前青藏高原地區(qū)的氮沉降低于全國其他地區(qū),但1980—2013年青藏高原的濕沉降從低于 2 kg N hm-2a-1升至高于10 kg N hm-2a-1[7- 8]。濕地氮沉降不僅影響了生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和生物群落結(jié)構(gòu)[9],還影響了枯落物分解[10]和碳、氮循環(huán)等生物地球化學(xué)過程[11- 12]。

生物固氮是氮元素進(jìn)入自然生態(tài)系統(tǒng)的主要途徑之一,對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程和植被演替起重要作用[13]。沼澤濕地中生物固氮過程的主要參與者是土壤自由微生物,也稱為非共生固氮。土壤非共生固氮受土壤溫度、含水量、pH、碳、氮含量及植被類型等多種環(huán)境因素的影響[14]。目前有關(guān)土壤非共生固氮的研究集中在北方泥炭地[15- 16]、濱海濕地[17- 18]和海洋生態(tài)系統(tǒng)[19- 20],而關(guān)于第三極生態(tài)系統(tǒng)土壤固氮的研究還較少[21-22]。在芬蘭中部泥炭地的研究表明,淹水的泥炭蘚沼澤中的土壤非共生固氮速率(RNfix)隨著水位升高而提高,但是這種現(xiàn)象在排干后的林地中并未發(fā)現(xiàn)[16]。沼澤中水位對土壤非共生固氮的影響主要是通過含氧量變化引起的,因?yàn)檠鯕鈱ξ⑸锕痰赣幸种谱饔?固氮微生物群落和活性隨著土壤含氧量變化相應(yīng)改變[23]。另一方面,生物固氮是高耗能過程,所以一般認(rèn)為在無機(jī)氮充足的環(huán)境中固氮微生物會降低RNfix,表現(xiàn)為無機(jī)氮對RNfix的抑制作用[14, 24]。同時,也有研究表明無機(jī)氮對RNfix的抑制作用并非線性,微生物能在高無機(jī)氮的環(huán)境中仍能以較低的速率固氮[20, 24]。

沼澤濕地水位變化和氮沉降對土壤固氮過程具有潛在效應(yīng),但受自然條件下植被演替、土壤質(zhì)地、氣候等環(huán)境因子干擾,土壤水分和氮含量以及它們的交互作用對沼澤濕地土壤RNfix的影響格局和機(jī)制仍不清楚,野外調(diào)查研究難以剖分人類活動引起的高寒沼澤濕地水位下降和氮沉降產(chǎn)生的效應(yīng)。本研究采用中宇宙實(shí)驗(yàn)方法控制水位和模擬氮沉降,研究青藏高原若爾蓋高寒濕地土壤非共生固氮對水位和施氮及其交互作用的響應(yīng)特征。本研究將有助于理解人類活動對高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程的影響機(jī)制。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域的自然概況

本研究在四川省阿壩州若爾蓋高原(101.60°—103.50°E,32.33°—34.00°N)開展,位于青藏高原東北緣,海拔為3400—3600 m。若爾蓋縣年平均氣溫-0.7—1.1℃,最熱月(7月)平均氣溫11℃,最冷月(1月)平均氣溫-10.5℃；年均降水量650—750 mm,主要集中在6—9月,相對濕度78%。中宇宙實(shí)驗(yàn)的原狀土采自若爾蓋縣的阿西鄉(xiāng)(33.47°N,102.57°E),主要植被類型為一年及多年生草本組成的沼澤草甸,優(yōu)勢物種為木里薹草(Carexmuliensis)、西藏嵩草(Kobresiatibetica)、蕨麻(Potentillaanserina)等[25]。于2014年設(shè)立圍欄,使牦牛不能進(jìn)入圍欄內(nèi)區(qū)域[26],本研究所用的原狀土在圍欄內(nèi)挖取。圍欄區(qū)域附近的自然水位根據(jù)牧民用的采水井測定,約 -90 cm—-60 cm,表層10 cm土壤的平均pH值 7.81,平均含水量46%。

1.2 中宇宙實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中宇宙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建于若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站。2017年5月中旬,在阿西鄉(xiāng)的圍欄內(nèi)選取地形與植被較均一的區(qū)域,挖取60 cm(長)×60 cm(寬)×40 cm(高)的原狀土塊,置于60 cm(長)×60 cm(寬)×60 cm(高)的不銹鋼箱(以下稱“生態(tài)模擬箱”)中。生態(tài)模擬箱四周用泡沫隔熱膜包裹,以減少箱體受太陽輻射而溫度過高。共有27個裝有原狀土的生態(tài)模擬箱,設(shè)3個水位水平(WT-30,WT0和WT10)×3個施氮水平(N0,N4,N8)×3個重復(fù),實(shí)驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。三個水位水平分別使表層土處于未淹水(WT-30：-30 cm)、水氣交界(WT0：0 cm)和淹水(WT10:10 cm)的狀態(tài)。施氮處理參照青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的氮飽和閾值約4 g N m-2a-1 [7],設(shè)計(jì)對照(N0：不施氮),飽和(N4：4 g N m-2a-1)和過飽和(N8：8 g N m-2a-1)三個水平。水位設(shè)計(jì)在每個生態(tài)模擬箱角上插1根70 cm 的PVC管,伸至原狀土塊底部。將水位探頭伸入PVC管中監(jiān)測生態(tài)模擬箱水位。箱中水位用自動水位控制繼電器與小型水泵根據(jù)水位探頭的信號聯(lián)合控制,可使實(shí)際水位在設(shè)計(jì)水位的±1.5 cm范圍內(nèi)浮動。施氮時間分別為6月22日、7月29日和8月24日,將NaNO3溶解于濕地水中,均勻噴灑于生態(tài)模擬箱中。

1.3 樣品采集與理化指標(biāo)測定

1.4 土壤非共生固氮速率測定

土壤RNfix測定采用穩(wěn)定同位素15N2標(biāo)記法[18]。每個生態(tài)模擬箱的新鮮土樣去除植物組織后過2 mm篩,取約20 g,平均分成兩份,分別置于兩個普通60 mL廣口試劑瓶中。對照組試劑瓶直接密封；處理組試劑瓶用橡膠塞密封,用針筒抽出部分空氣,使瓶內(nèi)氣壓降至約0.7 kPa時注入15N標(biāo)記的混合空氣(20% O2和80%15N2,15N2>98%分子比)。將對照組和標(biāo)記組一起置于20℃培養(yǎng)10 d,結(jié)束培養(yǎng)后土壤60℃烘干72 h,研磨過100目篩后用穩(wěn)定同位素分析儀(EA Flash2000-Delta Advantage,Thermo Electron Corporation,美國)測定δ15N。土壤RNfix計(jì)算[27]如下：

(1)

其中,RNfix是土壤非共生固氮速率(μg N g-1d-1),Nsoil_labeled是標(biāo)記樣品的TN含量(μg/g),t是培養(yǎng)天數(shù)(d),m是培養(yǎng)的樣品干重(g),Atom%15Nsoil_labeled是標(biāo)記后土壤的15N原子百分含量,Atom%15Nsoil_unlabeled是未標(biāo)記土壤15N原子百分含量,Atom%15Ngas_labeled是標(biāo)記氣體的15N原子百分含量,Atom%15Ngas_unlabeled是未標(biāo)記氣體的15N原子百分含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析和作圖均采用R 3.5[28]完成。采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗(yàn)水位和施氮對土壤RNfix、土壤含水量、pH、無機(jī)氮、總有機(jī)碳、氮、植物生物量及植物氮含量等指標(biāo)的影響,并用duncan.test進(jìn)行多重比較(Package "agricolae")。不同氮處理下土壤RNfix對土壤含水量的響應(yīng)采用協(xié)方差分析,以土壤含水量為協(xié)變量,施氮處理為固定因子。用Pearson′s相關(guān)系數(shù)分析變量間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水位與施氮處理對土壤非共生固氮速率的影響

生態(tài)模擬箱表層土壤RNfix范圍是0.003—7.35 μg N g-1d-1,平均值為(2.43±1.03) μg N g-1d-1(圖1)。水位處理對土壤RNfix效應(yīng)顯著(表1),WT0和WT10處理中土壤Rnfix高于WT-30處理(圖1),WT0處理下RNfix平均值最高,為(3.30±1.23) μg N g-1d-1。雖然方差分析顯示施氮,以及水位與施氮的交互作用對RNfix都無顯著影響(表1),但協(xié)方差分析表明土壤RNfix隨著土壤含水量變化的斜率因施氮處理而顯著不同(表2)。對照處理(N0)中RNfix關(guān)于土壤含水量的斜率為0,而N4和N8施氮處理中土壤RNfix隨著含水量的斜率分別為0.30和0.50(圖1)。

圖1 不同水位與施氮處理下的土壤非共生固氮速率及其與土壤含水量的關(guān)系Fig.1 Rate of non-symbiotic N2 fixation under different water table and nitrogen addition treatments and its relationship with soil water content 不同小寫字母表示9個處理間差異顯著

表1 不同水位與施氮處理對植物與土壤性質(zhì)影響的方差分析

2.2 不同水位與施氮處理對土壤理化性質(zhì)的影響

施氮處理對土壤TN和SOC含量效應(yīng)顯著(表1)。N4和N8處理的土壤TN為(18.84±0.64) g/kg和(18.71±1.66) g/kg,高于N0處理的土壤TN含量(15.93±2.20) g/kg(圖2)。N8處理的SOC含量為(282.37±13.60) g/kg,高于N0和N4處理的土壤SOC含量 (239.79±21.28) g/kg和(226.62±33.84) g/kg(圖2)。土壤TN與SOC和RNfix無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

圖2 不同水位與施氮處理下生態(tài)模擬箱土壤理化性質(zhì)、植物生物量及氮含量Fig.2 Variations in soil properties, plant biomass, and plant nitrogen content among water table and nitrogen addition treatments不同小寫字母表示9個處理間差異顯著

2.3 不同水位與施氮處理對植物地上生物量與氮含量的影響

生態(tài)模擬箱中水位升高顯著降低植物地上生物量(表1),且在不淹水的WT-30和WT0處理中的植物地上生物量隨著施氮增加呈升高趨勢(圖2)。水位和施氮處理對植物氮含量均有顯著效應(yīng)(表1),隨著水位升高和施氮增加,植物氮含量呈增加趨勢,從WT-30N0的(18.97±1.34) g/kg 升至WT10N4的(22.41±0.97) g/kg(圖2)。植物地上生物量及其氮含量與RNfix無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

3 討論

3.1 水位對土壤非共生固氮速率的影響

初步研究了水位和施氮對若爾蓋高寒濕地土壤RNfix的影響。當(dāng)水位從不淹水升至淹水狀態(tài)時,土壤RNfix提高,且對含水量的響應(yīng)在施氮處理下更敏感(圖1)。研究結(jié)果與芬蘭中部泥炭沼澤的研究結(jié)果相似,淹水的沼澤中土壤RNfix高于排干的沼澤[16]。水位升高使土壤含水量增加的同時降低了土壤氧氣含量。由于氧氣對固氮酶有抑制性,因此土壤中較低的含氧量有助于提高RNfix[23]。生態(tài)模擬箱的水位從-30 cm升至10 cm,土壤含水量提高了約6%(圖2)。雖然土壤含水量變化不大,但RNfix從(1.34±0.47) μg N g-1d-1升至(3.30±1.23) μg N g-1d-1,提高了將近2倍。在北極地區(qū)的研究表明,土壤含水量低于60%時維管植物覆被的土壤固氮過程停止,因此60%土壤含水量可能是當(dāng)?shù)鼐S管植物覆被的土壤RNfix的臨界點(diǎn)[29]。生態(tài)模擬箱中的土壤含水量均在60%以上(圖2),且植被以木里薹草、西藏嵩草、蕨麻等維管植物為優(yōu)勢種,因此研究系統(tǒng)中土壤非共生固氮能持續(xù)進(jìn)行。然而,如果自然濕地中水位持續(xù)降低,土壤非共生固氮過程可能停止。

3.2 施氮對土壤非共生固氮速率的影響

3.3 不同施氮處理下土壤非共生固氮速率對土壤含水量敏感性

3.4 若爾蓋地區(qū)的生物固氮過程

植被、水分、溫度、營養(yǎng)等環(huán)境因子使土壤RNfix在不同生態(tài)系統(tǒng)間、不同微生境間和季節(jié)間呈現(xiàn)巨大差異[14]。本研究生態(tài)模擬箱中若爾蓋夏季表層土壤RNfix平均值為(2.43±1.03) μg N g-1d-1,低于北歐森林泥炭沼澤6.02 μg N g-1d-1[16]和智利的巴塔哥尼亞泥炭地4.2—19.6 μg N g-1d-1[18],但高于亞北極苔原夏季0.24—0.37 μg N g-1d-1[15],與中國東部的長江口灘涂0.12—2.65 μg N g-1d-1[17]接近?？傮w來說,土壤非共生固氮在水分充足的環(huán)境中能維持較高速率。由于氣候變化和人為排水引起的若爾蓋濕地水位下降,可能使土壤非共生固氮過程減弱。水位下降引起的植被群落變化,如從莎草優(yōu)勢種向禾草、雜草優(yōu)勢種演替[6, 25],也會使根際固氮微生物的群落組成和活性發(fā)生改變[16]。若爾蓋地區(qū)氮沉降水平較中國東部地區(qū)低,但近年來呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢,至2013年已達(dá)15—21 kg N hm-2a-1[8]。依據(jù)本研究的結(jié)果,在氮沉降增多的背景下,若爾蓋濕地自然水位抬升或?qū)嵤┻€濕措施將促進(jìn)土壤非共生固氮,從而加快生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化過程；反之,濕地退化和水位持續(xù)下降可能使土壤非共生固氮減弱甚至停止。

4 結(jié)論

研究探索了若爾蓋高寒濕地中水位和施氮處理對土壤非共生固氮速率的影響,表明水位是土壤RNfix的主要影響因子,土壤RNfix隨著土壤含水量增加而提高。盡管施氮對土壤RNfix沒有直接效應(yīng),但施氮可通過提高土壤有機(jī)碳間接促進(jìn)非共生固氮。研究有助于加深理解濕地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)對人類活動的響應(yīng)機(jī)制,為高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。