增温对农田土壤碳氮循环关键过程的影响

刘 艳,陈书涛*,刘 燕 ,高 慧 ,安俊宝 ,甄晓龙 ,李宏娜 ,汪 萌 (.南京信息工程大学江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室,江苏 南京 20044；2.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏 南京 20044)

陆地生态系统碳循环与大气 CO2浓度升高有密切联系[1],土壤 CO2排放量增加可能会导致大气中 CO2浓度增加,并对全球变暖提供积极反馈作用[2].全球每年因土壤呼吸作用向大气中释放的碳估算值约为 75～120Pg[3],另一种温室气体N2O主要是通过土壤微生物的硝化和反硝化过程产生[4-6].土壤CO2、N2O排放与土壤碳氮循环过程有关,因此,通过模拟增温试验研究气候变暖情形下生态系统碳氮循环的规律具有重要意义.

在全球变化的情景下,农田土壤 CO2排放速率、硝化及反硝化作用研究已经成为研究的焦点.King等[7]研究表明全球土壤碳库在气候变暖条件下会降低,不同的气候情景下土壤碳库减少量不同.徐小锋等[8]研究表明温度升高,土壤有机碳分解加速,进而减少土壤碳储存,同时植被碳库向土壤碳库的流动增加从而增加土壤碳库,这两种作用在不同生态系统的比重不同,在全球尺度上表现为土壤碳库的减少.Breuer等[9]研究表明土壤温度促进硝化作用,而水分含量起到抑制的作用.然而,以往研究中,关于增温影响土壤碳氮循环关键过程的系统研究尚不多见,特别是,在增温的农田生态系统中,农田土壤碳氮如何转化及其关键过程与正常农田是否存在差异尚没有较好的科学解释.

本研究通过观测农田模拟增温和对照处理土壤CO2排放速率、硝化–反硝化速率及相关土壤碳氮指标,分析了模拟增温对农田土壤碳氮循环关键过程的影响规律,以期为了解全球变暖情境下,增温对土壤碳氮循环的潜在影响提供基础资料和科学依据.

1 材料和方法

1.1 试验区概况

观测地点位于南京信息工程大学农业气象试验站(32.16°N,118.86°E)试验田,于 2010 年 11月～2011年10月在该试验田进行冬小麦–大豆生长季田间试验.该区多年平均气温为15.6℃,多年平均降水量为 1100mm.供试土壤为潴育型水稻土(灰马肝土属),土壤质地为壤质黏土,耕层土壤黏粒含量为26.1%,土壤pH(H2O)值为6.3,有机碳和全氮的含量分别为19.4 g/kg和1.45g/kg.

1.2 试验设计

供试冬小麦品种为扬麦12号,于2010年11月3日播种,大豆品种为八月白,于2011年7月1日播种,分别在冬小麦返青后、大豆出苗后进行模拟增温处理.采用随机区组试验,设置增温和对照处理,增温和对照各3个重复,共6个小区,每个小区面积为 2.5m×2.5m.每天 24h通过红外辐射加热管对试验小区进行模拟增温,每根红外辐射加热管长 1.0m,功率 1000W,安装在不锈钢反射灯罩之下,不锈钢灯罩边缘向下倾斜,防止下雨天雨水斜向进入到不锈钢罩内淋湿加热管,对照处理仅有不锈钢罩,无红外辐射加热管.每个加热管均通过供电发热,各自具有独立的电源控制开关,并由漏电保护总开关控制其开启和关闭.经通电加热测试,在 3个增温装置正面处的温度几乎完全一致,差值≤0.2℃,各个重复的温控效果均一、良好.对5cm土壤温度的季节动态监测结果表明:在冬小麦–大豆轮作阶段,增温处理土壤温度显著高于对照,两者季节平均差值为4.9℃(图1).

图1 土壤温度的季节动态变化Fig.1 Seasonal variations in soil temperature

1.3 土壤CO2产生速率、硝化和反硝化速率测定

以直径6.0cm、高4.3cm的不锈钢环刀取土壤样品,每个处理采集6个土壤样品作为重复,采样后立即用塑料盖密封环刀,防止水分散失,并迅速送到 BaPS系统中进行分析.主要测定土壤CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率,测定结果为6个土壤样品的平均值,其含义为每kg土壤每h产生的以CO2形式释放的碳量和每kg土壤每 h通过硝化或反硝化作用转化的氮的量,单位均为 μg/ (kg·h)[10-11].

1.4环境与生物因子测定

在测定根系生物量、水溶性有机碳(DOC)、硫酸根、硝酸根时所用土壤为环刀所取,这可保持与土壤 CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率所取土层的一致,并且在每个处理设置了重复取样小区和小区内重复采样环刀,可减小采样误差.待土壤 CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率测定结束后,将土壤样品中的根挑出,用自来水洗净,先在烘箱中以105℃杀青1h,再于70℃烘干至恒重后称其干重,土壤根生物量以每 g土壤中所含的根生物量(即 mg/g)为计量单位.采用重量法测定土壤质量含水量,并换算为体积含水量.采用比色法测定土壤水溶性有机碳(DOC)[12].采用ICS-2000型离子色谱仪(美国戴安公司)测定土壤中硝酸根、亚硝酸根和硫酸根[13].

1.5数据分析

进行方差分析研究增温和对照处理各碳氮循环过程(如:土壤CO2产生速率、硝化速率、反硝化速率等)的差异.进行 Pearson相关分析研究土壤各碳氮循环过程之间的相互关系.

2 结果与分析

2.1 土壤CO2排放速率动态变化

表1 土壤CO2产生速率、硝化及反硝化速率的比较[μg/(kg·h)]Table 1 Comparison of mean CO2 production rates,nitrification rates and denitrification rates [μg/(kg·h)]

图2 土壤CO2产生速率的季节变化Fig.2 Seasonal variations in soil CO2 production rates

由表 1可见,本观测阶段测定的增温和对照处理的土壤 CO2产生速率均值分别为(149.7±19.6)μg/(kg·h)和(114.5±11.6)μg/(kg·h).如图 2 所示,5月13日增温土壤CO2产生速率略低于对照处理,增温对5月13日观测CO2产生速率无显著影响,而8月16日、9月2日、10月11日增温土壤 CO2产生速率明显高于对照处理,且促进了土壤CO2的排放(10月11日增温和对照处理间土壤CO2产生速率存在极显著性差异).

2.2 土壤硝化和反硝化作用

基于BaPS的土壤硝化速率测定表明,本观测阶段测定的增温和对照处理的土壤硝化速率均值分别为(563.6±119.5)和(399.9±98.2)μg/(kg·h),反硝化速率均值分别为(319.7±94.6)和(216.2±44.7)μg/(kg·h)(表 1).由图 3 可见,本观测阶段,增温处理土壤硝化速率、反硝化速率均高于对照处理,其中2011年8月16日模拟增温和对照处理间土壤硝化速率有边际性显著差异(P＜0.1),在其余观测日增温与对照处理之间无显著差异,但增温对土壤硝化、反硝化速率均起到了一定的促进作用.同期土壤根生物量、DOC的变化总体上呈现先下降后增加的趋势,除2011年5月13日增温处理高于对照处理之外,在其余所有测定日增温处理均低于对照处理. 同期土壤亚硝酸根、硝酸根、硫酸根阴离子前期的变化增温处理低于对照处理,后期增温处理高于对照处理(图4).

图4 根生物量、DOC动态变化Fig.4 Dynamics of root biomass and DOC

2.3 土壤CO2产生速率、硝化和反硝化作用的影响因素

表2 土壤CO2产生速率、硝化及反硝化速率的双因素(增温和时间)方差分析Table 2 Two factors (warming and time ) ANOVA analysis for soil CO2 production, nitrification and denitrification rates

由于测定冬小麦和大豆两个生长季,故采用双因素(增温和时间)方差分析,表 2表明,增温对土壤CO2产生速率有显著影响;时间对土壤CO2产生速率、反硝化速率有极显著影响,因此增温对CO2产生速率、反硝化速率有一定累积效应.

Pearson相关分析结果(表 3)表明,在增温处理中,土壤CO2产生速率与土壤含水量、硝化速率与反硝化速率之间存在显著相关关系(P＜0.05),DOC与土壤温度存在显著相关性(P＜0.05);硝化速率与反硝化速率之间存在显著相关关系,这表明两个氮转化速率之间也存在内在联系.硫酸根离子与硝酸根离子之间也存在显著的相关关系.

图5 土壤亚硝酸根、硫酸根、硝酸根季节变化Fig.5 Seasonal variations in soil nitrite, sulfate and nitrate

3 讨论

3.1 温度升高对土壤CO2产生速率的影响

Kirschbaum等[14]发现在气候变暖条件下,温度每升高 1℃,土壤有机碳损失 10%,如果对于储碳量多,气温比较低的高纬地区,这一比例会更高.Niu等[15]在中国内蒙古多伦针对草地系统观测结果表明增温试验降低了土壤中 CO2的交换.Welker等[16]研究表明长时间增温可以增加北极高纬度地区苔原生态系统CO2的交换,但夏天某些地区会减少.孔雨光等[17]研究表明土壤中各种酶活性通过影响土壤中有机质的分解和转化速率,从而影响土壤 CO2产生速率.Chen等[18]研究表明随温度升高土壤有机碳平均滞留时间减小.即碳周转速度加快.进而可能会导致土壤碳库的减少.在本研究中,随着温度的升高,土壤 CO2产生速率增加.小麦-大豆轮作生长季,增温处理比对照土壤CO2产生速率高,特别是在大豆生长季,这种促进作用更明显.本研究结果与以往的研究具有一致性.另外,增温处理土壤CO2产生速率与水分具有显著相关性(表3),而对照处理则无类似规律.本研究中,在主要生长季增温处理土壤水分含量比对照低约10%,在增温条件下,水分条件成为土壤CO2产生速率的重要影响因子,因而,增温对土壤 CO2产生速率的影响不仅体现在温度本身的效应,还通过影响土壤水分条件进而对土壤CO2产生速率产生间接影响.

表3 土壤CO2产生速率(R)、硝化速率(N)、反硝化速率(D)、土壤温度(T)、土壤含水量(W)、根生物量(B)、水溶性有机碳(DOC)、亚硝酸根 、硫酸根 、硝酸根离子的Pearson相关分析Table 3 Pearson correlation analysis of Soil CO2 production rate (R), denitrification rate (D), nitrification rate (N), soil temperature (T), soil water content (W), root biomass (B), DOC, Nitrite, Sulfate and Nitrate

3.2 温度升高对土壤硝化、反硝化作用的影响

Breuer等[9]研究表明土壤温度促进硝化作用,而水分含量起到抑制的作用,Sabey等[19]发现在25℃时硝化作用最强,Verchot等[20]在美国黄石国家公园进行的研究发现总硝化速率与全碳、全氮、碳氮比等土壤理化性质指标都不存在显著相关性.Menyailo 等[21]报道,在土壤化学性质和初始酶浓度等各项指标中,碳氮比能够解释中西伯利亚地区不同土壤类型间反硝化作用和N2O释放量的87%的差异.本研究中,冬小麦-大豆轮作生长季,增温均促进了土壤硝化速率,这与Breuer等[9]的结果一致.增温对土壤硝化作用的影响不仅体现在温度直接影响,由于本研究中作物主要生长季增温和对照的平均土壤湿度分别为11.1%和12.2%,水分条件的改变可能影响土壤硝化速率.因而,与土壤 CO2产生速率类似,增温对土壤硝化速率也通过土壤水分条件产生间接影响.

增温对土壤碳氮循环的影响存在季节性效应和长期效应,在本研究一年的观测阶段中已经观测到增温对某些碳氮循环过程产生了影响,要更深入地研究增温对土壤碳氮循环过程的影响并阐明其机制,还需要进行更长期的定位观测试验.

4 结论

4.1 在冬小麦田和大豆田, 模拟增温均促进了土壤CO2产生速率,增温对大豆田土壤CO2产生速率的促进作用高于冬小麦田,并且这种促进作用主要体现在作物生长后期.

4.2 模拟增温显著促进了冬小麦–大豆田的土壤硝化,但对反硝化速率无显著影响.

4.3 模拟增温对土壤中根生物量、DOC、亚硝酸根、硫酸根及硝酸根含量无显著影响.

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