王 攀,余海龍,許藝馨,李春環(huán),黃菊瑩

1 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 銀川 750021 2 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 銀川 750021 3 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750021 4 寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 銀川 750021

工業(yè)革命以來(lái), 人類活動(dòng)產(chǎn)生了大量二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx), 導(dǎo)致大氣酸沉降增加。長(zhǎng)期酸沉降增加不但會(huì)引起土壤酸化, 而且可能造成碳(C):氮(N):磷(P)失衡和P限制增加, 導(dǎo)致生物多樣性降低和生態(tài)系統(tǒng)退化[1]。近年來(lái), 隨著大氣污染物控制措施的逐步推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的全面轉(zhuǎn)型, 酸沉降在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家呈降低趨勢(shì), 但在亞洲等發(fā)展中國(guó)家仍逐年增加[2]。研究發(fā)現(xiàn), 自1990年以來(lái)全國(guó)硫(S)沉降下降, N沉降普遍上升[3]; 然而, 隨著煤炭等行業(yè)的快速發(fā)展, 西北地區(qū)S、N沉降均加快, 且致酸物質(zhì)由以S為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐訬為主[4-5]。相關(guān)研究表明, 盡管估測(cè)的寧夏N沉降量低于華南、西南、華北等高N沉降區(qū)域, 但較低的N沉降臨界負(fù)荷[6]以及N沉降與S沉降的促進(jìn)/拮抗作用[7], 使得區(qū)域S、N沉降狀況同樣值得重視。燃煤電廠是SO2、NOx等酸前體物的主要工業(yè)排放源。因此, 在寧夏燃煤電廠周邊研究S、N沉降效應(yīng), 可為科學(xué)評(píng)估區(qū)域大氣污染物限排措施的實(shí)施效果提供數(shù)據(jù)支撐。

植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可指示系統(tǒng)C積累動(dòng)態(tài)以及N、P限制格局[8], 調(diào)控著植物生長(zhǎng)發(fā)育、微生物活動(dòng)和凋落物分解等關(guān)鍵過(guò)程。因此, 研究土壤、植物和微生物C∶N∶P平衡關(guān)系可為闡明全球變化的生態(tài)效應(yīng)提供新思路。通常認(rèn)為有機(jī)體C、N、P之間的比值相對(duì)穩(wěn)定, 在維持生態(tài)系統(tǒng)功能方面發(fā)揮著重要作用。例如, 在一定的外界條件下, 土壤中C和N的積累與消耗過(guò)程是相互耦合的, 二者比值的時(shí)空變異性較小[9]; 植物通過(guò)細(xì)胞成分或體內(nèi)環(huán)境的自主調(diào)控, 以保持元素組成相對(duì)穩(wěn)定[10]; 微生物則通過(guò)分泌胞外酶或調(diào)整生存策略等途徑來(lái)適應(yīng)底物養(yǎng)分條件的變化, 從而維持自身恒定的元素比[11]。然而, 近年來(lái)隨著酸沉降量的持續(xù)增加, 土壤和植物C∶N∶P平衡關(guān)系趨于解耦[12-13], 并通過(guò)對(duì)植被群落組成的影響改變微生物元素平衡關(guān)系[14], 導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低。目前, 國(guó)內(nèi)已有較多研究探討了酸沉降增加下土壤、植物和微生物C∶N∶P平衡特征, 但相關(guān)研究多為模擬N沉降試驗(yàn), 且多集中在酸性、中性和輕度堿性土壤, 尚缺乏針對(duì)工業(yè)排放源周邊S、N復(fù)合沉降下的研究, 尤其是土壤呈中重度堿性的區(qū)域。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

寧東基地是國(guó)家大型的煤炭生產(chǎn)基地, 位于寧夏中東部, 地處毛烏素沙地西南緣, 具有降水少(<300 mm)、蒸發(fā)強(qiáng)以及沙塵天氣多等氣候特征。土壤類型以灰鈣土、風(fēng)沙土及少量鹽堿土為主, 具有pH高、有機(jī)質(zhì)含量低、可溶性鹽濃度高等特點(diǎn)。天然植被稀疏, 多為草本、半灌木和灌木, 且呈斑塊狀聚集[16, 18]。

在寧東基地選擇寧夏發(fā)電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蓮臺(tái)電廠(38.17° N, 106.57° E, 海拔1258 m)、國(guó)網(wǎng)能源寧夏煤電有限公司鴛鴦湖電廠(38.06° N, 106.70° E, 海拔1279.6 m)和華電寧夏靈武發(fā)電有限公司靈武電廠(38.17° N, 106.35° E, 海拔1272.5 m)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中, 馬蓮臺(tái)電廠機(jī)組規(guī)模為2×330 MW, 是寧東基地第一個(gè)開工建設(shè)投產(chǎn)的重大工程和大型企業(yè)。鴛鴦湖電廠一期機(jī)組規(guī)模為2×660 MW, 二期機(jī)組規(guī)模為2×1100 MW, 是西部地區(qū)和國(guó)神集團(tuán)最大的電廠。靈武電廠一期機(jī)組規(guī)模為2×600 MW, 二期機(jī)組規(guī)模為2×1000 MW, 是寧夏“十一五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。靈武電廠地勢(shì)低洼, 相較馬蓮臺(tái)和鴛鴦湖電廠具有較高的土壤含水量和電導(dǎo)率(表1)。

表1 電廠周圍月平均S、N沉降量以及土壤性質(zhì)

1.2 野外取樣方法

依據(jù)前期調(diào)研結(jié)果, 本研究將取樣點(diǎn)統(tǒng)一設(shè)在3個(gè)電廠圍墻外東南方向(下風(fēng)向)遠(yuǎn)離農(nóng)田、牧場(chǎng)和道路等無(wú)人為活動(dòng)的扇形區(qū)域內(nèi), 按照不同取樣距離收集樣品。每個(gè)取樣距離上隨機(jī)選取3個(gè)植被分布較為均勻的區(qū)域作為采樣點(diǎn), 每個(gè)采樣點(diǎn)面積約10 m×10 m[16,18]。

此外, 參照邢建偉等[19]和《環(huán)境空氣降塵標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 15265—1994)[20], 采用手動(dòng)采樣器結(jié)合替代面法收集了1—6月(受采樣周期和技術(shù)手段限制, 未能完整采集到全年沉降樣品)每個(gè)采樣點(diǎn)的降水降塵混合樣品, 具體收集方法見項(xiàng)目組前期研究[16,18]。

表2 三個(gè)電廠取樣距離和所選植物種

1.3 室內(nèi)測(cè)試分析

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)依據(jù)生態(tài)化學(xué)計(jì)量?jī)?nèi)穩(wěn)性模型進(jìn)行計(jì)算[21]:

y=Cx1/H

其中,y為葉片/微生物生物量N、P、N∶P; 考慮到植物和微生物對(duì)土壤養(yǎng)分不同的吸收利用方式, 在計(jì)算葉片內(nèi)穩(wěn)性時(shí)x分別對(duì)應(yīng)土壤無(wú)機(jī)N、速效P和二者比值, 在計(jì)算微生物內(nèi)穩(wěn)性時(shí)x分別對(duì)應(yīng)土壤全N、全P和N∶P[22-23]; C和H分別為擬合常數(shù)和內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)。在P<0.05的條件下,H>4,y為穩(wěn)態(tài); 20.05的條件下,y為絕對(duì)穩(wěn)態(tài)[24]。

在Excel 2007中計(jì)算土壤、植物葉片和微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的變異系數(shù)(CV, 標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比)。使用Sigmaplot 12.5進(jìn)行圖的繪制。采用R 3.4.3中的vegen程序包分別對(duì)葉片和微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA): 先通過(guò)Log或Hellinger轉(zhuǎn)換使所有數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布, 再以葉片和微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征為響應(yīng)變量、以全部環(huán)境因子為解釋變量(影響較小的環(huán)境因子通過(guò)解釋變量前項(xiàng)選擇剔除)進(jìn)行RDA。同時(shí), 求得每個(gè)環(huán)境因子的條件效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 電廠周圍土壤、葉片和微生物生物量C、N、P及其比值的變化范圍

土壤和微生物各指標(biāo)相較植物葉片有較大變異系數(shù)(圖1和圖2): 土壤有機(jī)C、全N、全P、C∶N、C∶P和N∶P的變化范圍分別為1.14—11.88 g/kg、0.10—1.19 g/kg、0.39—0.80 g/kg、5.25—14.55、4.25—18.96和0.37—1.66; 微生物各指標(biāo)的變化范圍分別為28.95—129.57 mg/kg、3.09—31.60 mg/kg、0.64—5.24 mg/kg、1.92—10.99、8.43—63.89和2.71—8.64; 葉片各指標(biāo)的變化范圍分別為279.90—521.54 mg/g、11.40—51.10 mg/g、1.07—2.97 mg/g、8.53—40.36、100.02—438.66和6.30—27.42。總體而言, 土壤—葉片—微生物系統(tǒng)元素間比值的變異系數(shù)小于各元素含量的變異系數(shù)。

圖1 電廠周圍土壤C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征Fig.1 Soil C∶N∶P ecological stoichiometry around the studied power plantsCV: 變異系數(shù) Coefficient of variation

圖2 電廠周圍葉片和微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征Fig.2 The C∶N∶P ecological stoichiometry in leaves and microbes around the studied power plants

2.2 電廠周圍土壤、葉片和微生物C、N、P擬合關(guān)系

圖3中, 葉片全N和全P均與全C無(wú)顯著的線性關(guān)系(P>0.05), 全N和全P存在顯著的線性關(guān)系(P<0.001); 土壤和微生物3個(gè)元素間均存在極顯著的線性關(guān)系(P<0.001)。

2.3 電廠周圍葉片和微生物生物量N、P、N∶P內(nèi)穩(wěn)性

依據(jù)Persson等提出的內(nèi)穩(wěn)性判定閾值[24], 葉片全N和微生物生物量N∶P為絕對(duì)穩(wěn)態(tài); 葉片全P和N∶P為穩(wěn)態(tài); 微生物生物量P為弱穩(wěn)態(tài); 微生物生物量N為弱敏感態(tài)(圖4)。

2.4 葉片和微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子的關(guān)系

表3 葉片C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子RDA中各因子的條件效應(yīng)

圖3 電廠周圍葉片、微生物和土壤C、N、P擬合關(guān)系Fig.3 The relationships among C, N, P in leaves, microbes, and soils around the studied power plants

圖4 電廠周圍葉片和微生物生物量N、P、N∶P內(nèi)穩(wěn)性Fig.4 The homeostasis of N, P, and N∶P in leaves and microbes around the studied power plants

圖5 葉片C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子關(guān)系的RDAFig.5 RDA of C∶N∶P ecological stoichiometry in leaves explained by environmental factorsCp: 葉片全C Leaf total C; Np: 葉片全N Leaf total N; Pp: 葉片全P Leaf total P; C∶Np: 葉片C∶N Leaf C∶N; C∶Pp: 葉片C∶P Leaf C∶P; N∶Pp: 葉片N∶P Leaf N∶P; 月沉降量 Monthly deposition of 土壤 土壤 SIN∶ 土壤無(wú)機(jī)N Soil inorganic N; AP: 土壤速效P Soil available P; pH: 土壤pH Soil pH; BD: 土壤容重 Soil bulk density; EC∶ 土壤電導(dǎo)率 Soil electric conductivity; K+: 土壤K+Soil K+; Na+: 土壤Na+ Soil Na+; Mg2+: 土壤Mg2+ Soil Mg2+; UA: 土壤脲酶活性 Soil urease activity; PA: 土壤磷酸酶活性 Soil phosphatase activity

表4 微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子RDA中各因子的條件效應(yīng)

圖6 微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子關(guān)系的RDAFig.6 RDA of C∶N∶P ecological stoichiometry in microbes explained by environmental factorsMBC: 微生物生物量C Soil microbial biomass C; MBN: 微生物生物量N Soil microbial biomass N; MBP: 微生物生物量P Soil microbial biomass P; C∶Nm: 微生物生物量C∶N Soil microbial biomass C∶N; C∶Pm: 微生物生物量C∶P Soil microbial biomass C∶P; N∶Pm: 微生物生物量N∶P Soil microbial biomass N∶P

3 討論

3.1 電廠周圍植被-土壤系統(tǒng)C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的變化范圍及受限性

研究表明, 我國(guó)表層土壤平均有機(jī)C為2047 mmol/kg、全N為134 mmol/kg、全P為25 mmol/kg[25]。本研究對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行了摩爾濃度轉(zhuǎn)化, 轉(zhuǎn)化后的有機(jī)C為844.65 mmol/kg、全N為93.44 mmol/kg、全P為18.92 mmol/kg, 低于全國(guó)平均值, 但高于其他受人為干擾較少的同氣候類型區(qū)的觀測(cè)值[26-27]。此外, 全國(guó)尺度上土壤C∶N為14.4 (摩爾比, 下同)、C∶P為13.6、N∶P為9.3[25]。本研究中, 轉(zhuǎn)換后的各指標(biāo)分別為11.16、29.37和2.63, C∶N和N∶P低于全國(guó)平均值。土壤C∶N和C∶P可指示底物質(zhì)量, N∶P可指示N飽和狀況[8]。結(jié)合有機(jī)C、全N和全P的供給狀況, 以上結(jié)果意味著與自然條件下同類型區(qū)相比, 研究區(qū)土壤有較高的有機(jī)C水平和N、P供給能力; 且即使研究區(qū)具有較高的N沉降量[16], 其土壤N供給依然相對(duì)于P匱乏。此外, 較高的C∶N也意味著微生物分解有機(jī)N的速度較快, 可為植物提供較多的無(wú)機(jī)N。

本研究中, 葉片平均全N和全P分別為23.41 mg/g和1.95 mg/g, 高于全球尺度和全國(guó)水平草本植物的觀測(cè)值[28-29], 但與內(nèi)蒙古科爾沁沙地[30]等同類型地區(qū)的觀測(cè)值相近, 反映了干旱半干旱環(huán)境下植物較強(qiáng)的N吸收能力[31]和較高的土壤P供給能力[32]。考慮到葉片對(duì)環(huán)境變化的敏感性, 較高的葉片N、P也間接地反映了研究區(qū)較高的N沉降量[18]以及植物對(duì)P的協(xié)同吸收[33]。葉片C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比可以反映植物生長(zhǎng)過(guò)程中的N、P受限狀況。Koerselman和Meuleman認(rèn)為植物N∶P<14時(shí), 其生長(zhǎng)主要受N限制; N∶P > 16時(shí), 主要為P限制[34]。Güsewell則認(rèn)為該判斷閾值分別為N∶P<10和N∶P > 20[35]。本研究中, 平均葉片C∶N為19.86、C∶P為230.46、N∶P為12.33, 低于全球平均值[28,36], 但接近沙地植物的觀測(cè)結(jié)果[30]。結(jié)合全N和全P的變化特點(diǎn), 較低的葉片C∶N∶P意味著研究區(qū)植物可能主要受N的限制。

研究區(qū)微生物生物量C的變化范圍為28.95—129.57 mg/kg、生物量N為3.09—31.60 mg/kg、生物量P為0.64—5.24 mg/kg, 低于土壤肥力條件較好的我國(guó)草原區(qū)的報(bào)道值[37-38]。土壤有機(jī)質(zhì)是微生物生長(zhǎng)的底物, 因此通常認(rèn)為其與微生物生物量正相關(guān)。干旱區(qū)由于降水和溫度的限制, 植物生物量積累較低, 導(dǎo)致輸入到土壤中的有機(jī)質(zhì)較少; 此外, 與其他類型土壤相比, 研究區(qū)廣泛分布的風(fēng)沙土較弱的保水保肥能力, 可能進(jìn)一步阻礙了微生物生物量的積累[18]。全球尺度上, 微生物生物量C∶N的變化范圍為3—24(摩爾比, 下同)、N∶P為1—55, 平均C∶P為59.5[11]。本研究中, 轉(zhuǎn)化后的C∶N為6.69、C∶P為73.21、N∶P為11.07, 接近全球尺度的平均水平, 但高于我國(guó)草原區(qū)的報(bào)道值[37-38]。結(jié)合微生物生物量C、N、P的變化特點(diǎn), 較高的微生物生物量C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比證實(shí)了P可能是研究區(qū)微生物的主要限制因子[18]。

3.2 電廠周圍葉片和微生物元素內(nèi)穩(wěn)性

本研究中, 與微生物相比葉片各指標(biāo)的變異系數(shù)較小, 尤其全C (圖2); 微生物生物量C與N、C與N以及N與P間均極顯著相關(guān), 而植物葉片三種元素間未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性(圖3); 此外, 葉片全N、全P和N∶P內(nèi)穩(wěn)性較高, 微生物元素內(nèi)穩(wěn)性較低(圖4)。這可能意味著, 當(dāng)土壤環(huán)境發(fā)生改變時(shí), 研究區(qū)植物可以保持相對(duì)穩(wěn)定的葉片元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系, 與科爾沁沙地植物的反應(yīng)相似[39]。但其元素間耦合關(guān)系較弱, 反映了植物群落中不同物種對(duì)貧瘠養(yǎng)分環(huán)境的適應(yīng)策略的差異性; 微生物元素內(nèi)穩(wěn)性較弱, 且N∶P內(nèi)穩(wěn)性> P內(nèi)穩(wěn)性> N內(nèi)穩(wěn)性。這可能是因?yàn)楦邼舛韧庠碞輸入會(huì)引起微生物功能改變和活性降低[40], 進(jìn)而導(dǎo)致其元素內(nèi)穩(wěn)性下降。此時(shí), 微生物可以通過(guò)提高磷酸酶活性來(lái)削弱P限制(圖6), 以維持P和N的協(xié)同固持[41]。這不僅反映了微生物養(yǎng)分獲取對(duì)土壤基質(zhì)養(yǎng)分狀況的依賴, 而且其生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系對(duì)土壤環(huán)境變化敏感, 可作為表征土壤肥力狀況的生物學(xué)指標(biāo)[42]。

3.3 電廠周圍葉片和微生物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響因素

此外, 土壤酶活性和含水量也顯著影響著葉片和微生物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征(表3和表4):蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均與微生物生物量(C、N、P)正相關(guān), 而與C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比負(fù)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn), 土壤酶活性與微生物代謝活動(dòng)間存在著耦合關(guān)系[48]。本研究中隨著三種酶活性的增加, 微生物固持有機(jī)物的能力增強(qiáng), 進(jìn)而導(dǎo)致其C∶N和C∶P降低[18]; 反過(guò)來(lái), 隨著微生物活性的增強(qiáng), 其會(huì)分泌更多的酶以礦化有機(jī)物[49-50]。就植物而言, 3種酶活性與葉片C∶N正相關(guān), 與全N和N∶P負(fù)相關(guān), 與黃土丘陵區(qū)撂荒草地略有不同[51]。土壤水分在植物和微生物生理過(guò)程中扮演著重要角色, 其不僅可以調(diào)節(jié)植物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收、也決定著微生物可用底物和細(xì)胞水化基質(zhì)的擴(kuò)散速率[52]。本研究發(fā)現(xiàn), 土壤含水量與葉片全N呈負(fù)的相關(guān)性。這可能是因?yàn)楫?dāng)土壤含水量較高時(shí), 沙質(zhì)土壤N損失風(fēng)險(xiǎn)增加(如淋溶), 導(dǎo)致土壤N受限性升高, 從而阻礙根系對(duì)N的吸收[18]。此外, 有研究發(fā)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率亦調(diào)控著植物C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[53]。本研究中, 雖然土壤電導(dǎo)率在3個(gè)電廠間存在較大差異(表1), 但其對(duì)葉片和微生物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響均不顯著, 有待深入研究。

4 結(jié)論

鑒于酸沉降效應(yīng)的時(shí)間累積性、元素受限類型判定標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性、研究區(qū)土壤偏堿性以及3個(gè)電廠在土壤含水量和鹽漬化程度等方面存在的較大差異, 今后還需結(jié)合多個(gè)電廠的觀測(cè)值(酸沉降、土壤性質(zhì)和植物狀況等), 通過(guò)長(zhǎng)期的定位觀測(cè)深入探討植物-微生物-土壤元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其驅(qū)動(dòng)因子, 為科學(xué)評(píng)估工業(yè)排放源周邊酸沉降的累積效應(yīng)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。