丹江口水库库滨带典型植物群落氮矿化特征

占海歌,蒋娟,郝好鑫,杨彩迪,郭忠录

(华中农业大学水土保持研究中心,430070,武汉)

丹江口水库库滨带典型植物群落氮矿化特征

占海歌,蒋娟,郝好鑫,杨彩迪,郭忠录†

(华中农业大学水土保持研究中心,430070,武汉)

为明确库滨带典型植物群落矿化特征,探究植物化学性质与土壤氮矿化的关系,选取丹江口水库库滨带的苘麻和蛇床群丛。试验采取单一叶处理、单一根处理和根+叶混合等9种处理,分别测定第1、3、7、14、21、31、41、51和61 d的土壤氮矿化量,系统分析添加植物后土壤氮矿化特征。结果表明:1)添加植物后,土壤氮矿化可分为3个阶段,即前期(1～7 d)各处理矿化量均减小,中期(7～41 d)各处理矿化量都有所增加,幅度变化较大,后期(41～61 d)基本保持平衡,所有处理的土壤矿化量均小于对照(CK)的79.53 mg/kg,单一处理中,苘麻叶(QL)矿化量最高,达到71.62 mg/kg,混合处理最高为苘麻叶+蛇床根(QL+SR)26.43 mg/kg;2)添加植物后,土壤微生物的质量分数显著增加(P＜0.05),QL＞4个混合处理＞另外3个单一处理;3)整个试验期间,土壤氮矿化量与植物全碳和全氮质量分数显著相关(P＜0.05),主成分分析(PCA)结果显示全氮质量分数对土壤有机氮矿化影响最明显,重要程度为全氮＞C:N＞纤维素＞L:N＞多元酚;4)所有混合处理中,实测氮素矿化量均显著小于预测值(P＜0.01)。说明添加苘麻和蛇床后,土壤氮矿化表现为抑制作用,根茎混合处理没有激发效应。该研究为区域植被生态恢复、水土保持与非点源污染治理提供参考依据。

氮矿化;植物化学性质;净氮矿化量;丹江口水库

库滨带(riparian buffer strips)是水陆间重要的生态交错带,具有重要的水文、生态、美学和社会经济功能,其作为一种水土保持和控制非点源污染的重要生物措施,能维持河(湖)岸稳定和生物多样性,且对氮、磷等污染物具有截留作用[12]。土壤氮素矿化是指土壤有机氮在微生物的作用下,转化为无机氮的过程,是氮素循环的关键过程之一,外源有机物(凋落物和植物残体等)是生态系统重要氮源,经矿化作用生成大量无机氮,对土壤理化性质产生重要影响,对该生态系统适应性植物的选择有重要作用。大量研究表明:环境因子(温度和水分)[3]、土壤理化性质(有机质质量分数、质地、团聚体、水分和土壤温度等)[4]及人为活动[5]等非生物因素,对土壤氮矿化有重要的影响;土壤动物和微生物在其活动和代谢过程中,通过对有机质的破坏、分解及其他生化作用,而对氮素矿化产生影响。

国内外对植被与土壤氮矿化关系的研究主要集中在土壤类型[6]、水热条件[7]和植被种类[8]等因素,植被地上部分[911]的研究已有报道,但对地下部分植物根系以及地上地下混合处理的矿化研究鲜有报道。苘麻(Abutilon theophrastiMedicus)是丹江口库区库滨带最常见的一年生亚灌木状草本,野外调查发现其伴生的蛇床(Cnidium monnierL.Cuss)最为常见;因此,笔者研究不同部位植物添加土壤后的有机氮矿化特征,探究植物化学性质与土壤氮矿化的关系,为该区域植被生态恢复、水土保持与非点源污染治理,提供参考依据。

1 研究区概况

习家店镇位于湖北省丹江口市,丹江口水库北岸(E 110°10＇,N 32°43＇),属于北亚热带季风气候,年平均气温15.1℃,年均降水量在800 mm左右,降雨集中在4—10月份。该区地形的主要特点是高差大、坡度陡和切割深,海拔在500～1 500 m之间,总的地势是西北高、东南低、北陡南缓,汉江沿线形成峡谷和盆地相间的地貌。土壤以山地黄棕壤和黄褐土为主。该区处于亚热带常绿阔叶林和北亚热带常绿落叶阔叶林地带,适生的植物种类繁多,库周群丛生长显著,主要有柑橘(Citrus reticulateBlanco.)+小飞蓬(Conyza canadensisL.Cronq.)群丛,苘麻+蛇床群丛等。

2 材料与方法

2.1 样品采集

供试土样和植物(苘麻,蛇床),于2013年6月采自丹江口习家店镇库周库滨带。土样采自无植物生长的裸地,按“S”型路线随机采集0～10 cm表层土壤(黄棕壤),间距20 m,多点混合,土壤黏粒、粉粒和砂粒质量分数分别为14.07%、50.50%和35.43%(按美国制为粉壤土);植物样采集完整植株,带回实验室。土壤风干后,剔除杂质,研磨过2 mm筛,取少量过0.149 mm筛,分别做培养和化学分析试验。植物洗净后将地上部分和根分开,105℃杀青30 min,65℃烘干至恒重,磨碎过2 mm筛备用。

2.2 试验设计

2.2.1 试验处理以上述土壤及植物的叶和根为材料,并设置不添加植物的土壤为对照,采用室内需氧连续培养法,共9个处理,分别为对照(CK)、苘麻叶(QL)、苘麻根(QR)、蛇床叶(SL)、蛇床根(SR)、苘麻叶+蛇床叶(QL+SL)、苘麻叶+蛇床根(QL+ SR)、苘麻根+蛇床叶(QR+SL)、苘麻根+蛇床根(QR+SR),每个处理9个培养瓶对应9个取样时间点,3个重复,植物基本性质见表1。

表1 植物的初始化学性状Tab.1 Initial chemical properties of plant residuals usedg/kg

2.2.2 培养试验称取植物样(50.00±0.50)g,根叶混合植物样以质量比1∶1各添加0.25 g,混合均匀后平铺于容积为500 mL带盖的特制塑料广口瓶底部,加水使样品含水量为田间持水量的60%,温度设置为25℃,分别在培养的1、3、7、14、21、31、41、51和61 d取对应样本,测定土壤铵态氮和硝态氮的质量分数。每次取样将所有处理取下瓶盖,放置于空气中,完全通气4 h。培养期间每隔2 d称量,如果需要浇水保持容器恒重。

2.3 测定方法

土壤机械组成采用吸管法,容重采用环刀法,土壤和植物有机碳采用重铬酸钾外加热法,全磷采用氢氧化钠钼蓝比色法,全氮采用半微量凯氏法,铵态氮采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法,硝态氮采用氯化钾浸提-紫外分光光度法,微生物碳采用氯仿薰蒸浸提法,植物木质素和纤维素采用酸性洗涤剂-碘量法,半纤维素采用盐酸水解-DNS法以及多元酚采用Folin-Ciocalteu比色法。

2.4 数据处理

采用SPSS 17.0和Excel 2010等软件进行方差分析(在0.05水平上差异显著,在0.01水平上差异极显著),不同处理之间的多重比较采用LSD法,利用Pearson法,分析不同植物初始化学性质与土壤氮矿化量之间的相关关系,主成分分析(PCA)确定植物各化学性质的重要程度。

混合处理有机氮矿化累积量预测值=((苘麻叶或根处理)X+(蛇床叶或根处理)Y)/(X+Y)。式中:X,Y分别为对应处理所占混合植物样的质量分数之比,X,Y均为50%[12]。

3 结果与分析

3.1 添加植物后各处理矿化量比较

添加植物后,不同处理的土壤氮矿化量随时间推移而有所差异(表2)。整个试验期,各处理矿化量均小于对照CK,整体趋势表现为:前期减小,中期缓慢增大,最终基本处于平衡。在试验前期1～7 d,各处理的矿化量均表现为减小,其中QL的降幅最大,达到19.46 mg/kg;中期7～41 d,各处理的矿化量均有所增加,其中CK和QL增长幅度较大,达到49.43 mg/kg以上,而SL增长最小,仅为0.32 mg/ kg;后期41～61 d,各处理缓慢增长,并最终基本平衡。试验结束时,除混合处理QL+SL和QL+SR仍表现出增长趋势外,其他各处理基本达到平衡。

对于叶处理,苘麻和蛇床在试验期间,氮矿化量均表现为差异显著,差值最大是后期41～61 d,为64.76 mg/kg;根处理在试验前期1～7 d和中期7～41 d,苘麻和蛇床氮矿化量差异均不显著,后期41～61 d差异显著,差值最大为1.97 mg/kg;混合处理QL+SL和QL+SR以及QR+SL和QR+SR,在试验期氮矿化量差异均不显著。

表2 不同处理土壤氮矿化量Tab.2 Soil nitrogen mineralization rates under different treatmentsg/kg

图1 不同处理土壤微生物碳质量分数变化Fig.1 Carbon content of soil microbial with time under different treatments

3.2 添加植物后土壤微生物变化

土壤环境的改变会引起微生物的迅速响应,微生物碳的质量分数可作为一种较好的微生物活动数量的指示指标[13]。由图1可知,仅试验前期1～7 d,处理QR的微生物碳质量分数＜CK,其他阶段添加植物处理均大于CK,且均达显著水平。试验结束时,各处理微生物碳质量分数的大小顺序为QL＞QR+SL＞QL+SR＞QR+SR＞QL+SL＞QR＞SL＞SR＞CK,添加植物处理的微生物碳质量分数为CK的1.25～5.86倍,混合处理微生物碳质量分数＞单一处理(QL除外),总体表现为QL＞混合处理＞单一处理(QL除外)。说明添加植物后,土壤微生物质量分数会显著增加,苘麻茎叶的效果最好,混合处理的效果＞单一处理。

3.3 植物性质与土壤氮矿化的相关关系

不同时期土壤氮矿化量与植物性质相关分析见表3。结果表明,在整个试验期间,土壤氮矿化量与植物全磷、木质素、纤维素、半纤维素和多元酚质量分数相关性不显著,与全碳质量分数显著正相关,与全氮质量分数极显著正相关;在试验前期1～7 d和后期41～61 d,与植物C∶N和L∶N显著负相关。

表3 植物化学性质与氮累积矿化量的相关关系Tab.3 Pearson linear correlation coefficients between plant chemical properties and accumulative soil nitrogen mineralization rates

对植物化学性质进行主成分分析(PCA),参考叶回春等[14]方法,计算指标得分系数和权重。由表4可知:所有变量中,前3个主成分特征值＞1,累积方差达到85.26%;第1主成分中,植物全氮、C∶N和L∶N占有较高载荷,多元酚和纤维素分别在第2和第3主成分中占有最高载荷。因而,选择植物全氮、C∶N、L∶N、多元酚和纤维素作为最后决定植物化学性质的代表性指标,将各主成分对应的数据除以对应特征值的平方根,得到相应的每个指标的对应系数。由此可得到以下方程:

综合植物化学性质指标F1、F2、F3各指标乘以相应贡献率,除以总贡献率之和,即

表4 植物化学性质主成分分析表Tab.4 Principal component analysis of different plant chemical properties

由表3和表4可知,各植物化学性质得分系数和权重,由大到小顺序为N＞C∶N＞CE＞L∶N＞PP,说明植物全氮质量分数是土壤有机氮矿化最重要的决定因素,对土壤有机氮矿化有促进作用,植物C∶N、L∶N、多元酚和纤维素也有重要作用,其为矿化作用的抑制因素。

3.4 植物间的相互效应

对混合处理,通过假设检验,比较预测值和实测值之间的差异。氮素矿化量的实测值与预测值对比结果见表5,所有混合处理实测氮素矿化量均极显著,且小于预测值,说明混合植物处理并不能促进土壤中有机氮矿化,也无激发效应。

表5 混合处理氮矿化量预测值Tab.5 Predicted values of N mineralization under mixed treatments(mean±SE,n=3)

4 讨论

4.1 植物化学性质与有机氮矿化的关系

2种植物叶片处理的土壤氮矿化量,在试验期表现出显著性差异,根处理在试验前期和中期差异不显著,而后期差异显著。这可能与植物自身的化学性质有关[15],化学性质不同,会影响它们的分解速率[3]。B.R.Taylor等[16]研究发现,分解前期由N制约凋落物分解速率,后期由木质素浓度或L∶N比制约分解速率;Xu Xiaoniu等[17]也认为,植物质量分解前期主要受养分质量分数的影响,后期则受木质素和纤维素/木质素比支配。笔者研究认为:QL的全氮质量分数是SL的4.05倍,木质素和L∶N分别为SL的59.89%和14.75%(表1);主成分分析表明,植物化学性质重要程度,由大到小顺序为N＞C∶N＞CE＞L∶N＞PP。B.Berg等[18]发现,植物中N、P、K初始浓度高,使得初期分解较快。当N质量分数较低时,制约微生物的生长发育,增加N质量分数,可促进微生物活动,提高土壤氮矿化[3],土壤有机氮矿化与植物C∶N比呈负相关,C∶N＞25时,土壤氮矿化表现为固持作用[4],L∶N较高时,会将氮矿化限制在较低的水平,当L∶N降至较低后,土壤氮矿化会迅速增加[19]。研究中,各植物处理后,植物纤维素质量分数、C∶N、L∶N均较高,而全氮质量分数较低,这可能是导致添加植物后,各处理土壤有机氮矿化作用表现为固持的原因。

4.2 添加植物与土壤有机氮矿化的关系

研究表明,添加植物后,土壤有机氮矿化分为3个阶段,即前期减小,中期迅速增长,后期基本保持稳定,这与很多学者的研究相同[1617]。若将研究前期看作预培养,赵满兴等[20]认为培养的前一周时间,由于微生物需要逐步适应环境,并不能准确的反映有机氮矿化情况,笔者研究的中期和后期变化趋势与前人的结果一致。QL虽然是植物质量最好,仍表现为氮固持,这可能与土壤理化性质和植被种类有关。由于植被类型差异,而导致土壤氮矿化的不同,许晓静等[21]发现,针叶树种和豆科树种的凋落物分解N动态模型不同。土壤质地也可能是影响土壤氮矿化的原因,B.A.Roberts等[11]将棉花凋落物加到2种土壤中培养,结果均表现为氮固持,且黏壤土固持量＞砂壤土。这是因为黏粒的小孔隙持有更多水分,对土温变化的响应与砂壤土不同,进而影响微生物的种群数量和活动。而笔者研究中,土壤黏粒质量分数为14.07%,介于B.A.Roberts等试验用2种土壤黏粒质量分数之间。

T.B.Gartner等[22]对凋落物混合矿化研究认为,凋落物混合分解过程中,存在无效应、促进效应和抑制效应3种情况,而这3种情况并不是一成不变的,有可能随时间的推移而表现出来[17]。笔者研究中,混合处理无促进作用,也没产生激发效应,这与T.B.Gartner等[22]、A.Hector等[23]研究结论相反,这可能与参与矿化作用的微生物数量和活性有关。Bai Junhong等[24]发现,参与土壤有机氮矿化的微生物主要是真菌、细菌和放线菌,尽管试验期间,叶、根以及混合处理的土壤微生物质量分数显著增加(图1),可能参与矿化作用的相关微生物的数量并没有显著增长。M.Zaman等[7]发现,升高温度,有益于土壤氮矿化,当温度由25℃升高到40℃时,土壤氮矿化量从每天5.5 μg/kg增加到20.9 μg/ kg,这是因为温度的升高,使土壤可溶性碳增加,促进了微生物的活动。J.Dessureault-Rompre等[25]发现,大约80%的土壤有机氮矿化作用,发生在微生物活动的水层,且矿化作用的最佳含水量为田间持水量。综上所述,笔者研究的土壤有机氮矿化量较小。

5 结论

1)添加植物后的土壤有机氮矿化呈现3个阶段,即前期减小,中期缓慢增大,最终基本处于平衡;所有处理的有机氮矿化量均＜对照,矿化作用是抑制效应。由于植物化学性质的不同,叶处理试验期间,苘麻和蛇床氮矿化量均表现为差异显著;根处理在试验期前期和中期,苘麻和蛇床氮矿化量差异均不显著,后期差异显著;混合处理QL+SL和QL+ SR以及QR+SL和QR+SR在试验期,氮矿化量差异均不显著。

2)根叶混合处理显著增加了土壤微生物数量,但是土壤有机氮矿化并没增加,无激发效应。

3)主成分分析表明,影响土壤有机氮矿化的主要植物化学性质是全氮、C∶N、L∶N、多元酚和纤维素,其中全氮的影响效果最为明显,而全磷、木质素和半纤维素作用则较弱,其顺序为全氮＞C∶N＞纤维素＞L∶N＞多元酚。

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Soil nitrogen mineralization characteristics on typical vegetation community of riparian buffer strip in Danjiangkou Reservoir

ZHAN Haige,JIANG Juan,HAO Haoxin,YANG Caidi,GUO Zhonglu
(Research Center of Soil and Water Conservation,Huazhong Agricultural University,430070,Wuhan,China)

[Background]The soil nitrogen mineralization is controlled by various factors,including environmental factors,soil properties and plant residue qualities,etc.The objectives of our study are to clarify the soil mineralization characterization in typical vegetation community of riparian buffer strip in the Danjiangkou Reservoir,and to understand the correlation between plant chemical properties and soil nitrogen mineralization.[Methods]The soil used in experiment was collected from the upper 10 cm of the riparian buffer strips at 20 m interval.The leaves and roots of two typical plant species(Abutilon theophrastiMedicus andCnidium monnierL.Cuss)from riparian buffer strips were collected,dried, cleaned,and ground for the incubation experiment and chemical analysis.Soil,ground leaves and roots were mixed as 9 treatments of control(CK without any plants added),singleA.theophrastileaf(QL) and singleC.monnierleaf(SL),singleA.theophrastiroot(QR)and singleC.monnierroot(SR),mixed leaf and/or root(QL+SL,QL+SR,QR+SL,and QR+SR)for the laboratory incubation experiment.The soil mineralization rates were measured after 1,3,7,14,21,31,41,51 and 61 day (s)of incubation.[Results]1)There were 3 stages on soil mineralization after adding plants:the first stage(day 1-7)in which the rates of nitrogen mineralization declined,the second stage(day 7-41) in which the rates of nitrogen mineralization increased remarkably,and the last stage(day 41-61)in which the rates of nitrogen mineralization stayed in steady.The rates of soil mineralization in all treatments were less than that in the control(CK)of 79.53 mg/kg,the one with onlyA.theophrastileaf (QL)was the highest with 71.62 mg/kg among single treatments,while the mixed treatment with theA. theophrastileaf+C.monnierroot treatment(QL+SR)resulted in the highest mineralization rate of 26.43 mg·kg-1among the mixed treatments.2)The content of soil microbial biomass increased significantly after adding plant residues(P＜0.05)as the order in:QL＞all 4 mixed treatments＞other 3 single treatments(except QL).3)A significant correlation(P＜0.05)presented between soil N mineralization and the contents of total carbon and total nitrogen of plants during the whole experiment. The Principal Component Analysis(PCA)showed that the plant nitrogen content possessed the largest proportion in all factors,the significance was followed as:N＞C:N＞Cellulose＞L:N＞Polyphenols.4) All the measured N mineralization rates were significantly less than the predicted values(P＜0.01).[Conclusions]These results indicated that added plants restrained the soil nitrogen mineralization,and mixed treatments of root and leaf did not promote combined effect.This study may provide a reference basis for the regional restoration of vegetation,soil and water conservation,and the pollution control of non-point resources.

nitrogen mineralization;plant chemical properties;net N mineralization;Danjiangkou Reservoir

S154.1

:A

:2096-2673(2017)01-0043-08

10.16843/j.sswc.2017.01.006

2016- 06- 21

2016- 09- 09

项目名称:国家自然科学基金“植被缓冲带土壤水热特性对农业非点源污染物持留影响”(40901132);国家科技支撑计划课题“丹江口库区生态恢复与环境保障关键技术研究与示范”(2012BAC06B03)

占海歌(1990—),男,硕士研究生。主要研究方向:水土保持与生态恢复。E-mail:zhanhg826@163.com

†通信作者简介:郭忠录(1980—),男,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向:水土保持与生态恢复。E-mail:zlguohzau@ 163.com