硬化地表对油松和白蜡树下非根围及根围土壤微生物量碳氮的影响

2020-04-16于伟伟陈媛媛崔博文王效科

生态学报 2020年4期

于伟伟,陈媛媛,杨宁,崔博文,王效科, 3,*

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049 3 北京城市生态系统研究站, 北京 100085

硬化地表是城市化的重要标志[1]。城市地表硬化是指利用地面砖、石材砖、柏油、水泥、混凝土、沥青等覆盖自然土壤,便于行人和车辆通行的现象[2],主要分为透水硬化(透水混凝土砖块路面,人行道等)和不透水硬化(混凝土建筑,柏油路面等)两种形式[3]。硬化地表在为城市提供干净整洁的环境的同时,也产生一系列负面影响,如减少雨水下渗形成地表径流[4],增加地表温度[5],改变土壤和植物的蒸发[6],阻止土气交换[7]等。为了缓解硬化地表给城市带来的不利影响和城市绿地面积不足,城市绿化树木已经栽种到硬化地表上[8],然而硬化地表会抑制树木的生长[6—9],降低植物根茎生物量[10]。不同类型硬化地表对树木生长的影响存在差异,有研究认为透水硬化地表上植物生长优于不透水硬化地表[11-12],也有研究认为两种类型硬化地表对树种生长影响无显著差异[13]。可能由于不同树种对硬化地表的响应存在差异[14]。

土壤微生物是生物地球化学循环的驱动者,是生态系统功能和服务的重要支撑者。土壤微生物量能够直接或间接反映土壤肥力状况,与碳、氮等养分循环密切相关,对土壤养分转化和供应起重要作用[15]。城市化过程中土地覆盖方式的变化会显著影响碳储存的数量、理化性状以及空间分布[16],进而影响土壤微生物量。硬化地表从多方面影响土壤性质,如增加土壤的紧实度[17]、改变土壤理化特性[18-19]、提高土壤温度、降低土壤含水量[20]、引起土壤碳流失[21]、阻碍凋落物进入土壤、造成土壤微生物量碳、氮含量降低[18, 22-23]。与不透水硬化相比,透水硬化能在一定程度上缓解硬化地表对土壤微生物的消极影响[23]。Francini等[24]发现不同地表植被及树种对土壤微生物的影响不同。已有研究均为硬化地表对树木生长和非根围土壤微生物的研究,硬化地表对不同树种非根围和根围土壤微生物量碳、氮(MBC, Microbial Biomass Carbon; MBN, Microbial Biomass Nitrogen)影响的研究还较少见报道。非根围及根围土壤微生物对硬化地表响应的差异并不清楚,致使硬化地表对城市土壤微生物地下过程的影响认识不全面。

本研究原位模拟透水和不透水两种类型硬化地表,并设置自然地表为对照,选取5年树龄的常绿针叶树油松(Pinustabulaeformis)和落叶阔叶树白蜡(Fraxinuschinensis)林中非根围(距离树干0.7 m左右)和根围(2020 cm的树池内)0—20 cm的表层土,采用氯仿熏蒸浸提法分析土壤MBC、MBN,探讨不同类型硬化地表对土壤微生物量的影响及不同树种非根围和根围土壤微生物的响应,为全面评价城市绿地生态系统提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在北京市昌平区马池口镇丈头村种子管理站(40°12′N,116°08′E),属暖温带大陆性季风气候,四季分明,年平均降水量550.3 mm,集中于夏季的6—8月份,年均气温12.1 ℃。土壤类型为潮土,质地为砂壤。硬化地表于2012年4月铺设,试验开始前土壤基本理化性质为：有机质含量16.4 g/kg,全氮0.9 g/kg,速效磷38.1 mg/kg,速效钾102.1 mg/kg,土壤pH值为8.3。

1.2 试验设计

试验地于2012年4月12日铺设,设置对照、透水地表和不透水地表三个处理,以自然地表作为对照,渗透率超过0.4 mm/s的透水砖铺设地面作为透水地表,渗透率几乎为0的不透水砖铺设地面作为不透水地表。每个处理3个重复,分别种植油松和白蜡,每个重复种植树木23棵,分5行,行距和株距均为1 m。硬化地表上树根周围留有20 cm×20 cm的方形树坑。试验所用砖的大小为20 cm×10 cm×6 cm(长×宽×高)。供试油松和白蜡选用1年生幼苗,于2012年4月16日移栽。

1.3 样品的采集与测定

于2015年9月9日用直径2.5 cm的土钻采集0—20 cm土层的土壤样品。每个小区按“Z”形随机采用5点混样的方法取距离树干0.7 m左右的土样作为非根围土,取树池内的土样作为根围土,硬化地表撬开砖,取完土后将砖复原,不透水硬化处理用水泥密封砖缝。样品带回实验室过2 mm筛后风干并分二份,一份放在4 ℃冰箱用于微生物碳、氮的测定,另一份风干用于土壤理化性状的测定。

1.4 分析方法

微生物量碳、氮的测定采用氯仿熏蒸-浸提-非色散红外吸收法：称取两份鲜土(25 g),一份用氯仿熏蒸24 h,另一份未熏蒸；用100 mL 0.5 mol/L的K2SO4溶液萃取,在摇床上震荡30 min,用Whatman滤纸过滤；滤液用总有机碳(氮)分析仪(Elementar, Liqui TOC II, Germany)测定[25]。

土壤微生物生物量碳(C)和氮(N)计算：

C=CF-CUF/K

(1)

N=NF-NUF/K

(2)

式中,CF和NF分别为熏蒸土壤浸提液的碳和氮含量,CUF和NUF分别为未熏蒸土壤浸提液中的碳和氮含量,K为熏蒸提取法的转换系数,取值0.45。

土壤理化性状的测定参见土壤农化分析[15],土壤全碳、全氮和有机碳用元素分析仪测定[26],土壤pH值(土水比1∶ 5)用pH计测定[27]测定。

1.5 数据处理

运用SPSS 22.0对数据进行统计分析。不同硬化处理间土壤微生物量碳的差异采用One-Way ANOVA进行显著性分析,非根围和根围之间采用非配对两样本平均值显著差异检验。用Origin Pro 2016制图。

2 结果与分析

2.1 硬化地表对不同树种土壤理化性状的影响

硬化地表对不同树种下土壤理化性状有不同程度的影响(表1)。与Ctr相比,IPP使油松非根围和根围土壤含水量均显著降低11%(P<0.05),使白蜡根围土含水量显著降低27%(P<0.05)。与PP相比,IPP使油松非根围土壤全碳、全氮和C/N分别显著升高18%、27%和显著降低16%(P<0.05),使根围土壤含水量显著降低11%(P<0.05)；使白蜡根围土壤含水量和全碳分别显著降低33%和升高12%(P<0.05)。

表1 不同硬化处理下土壤理化性质

同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)

2.2 硬化地表对不同树种微生物量碳的影响

土壤MBC在不同树种、不同位置均存在显著差异,树种和处理以及树种和位置的交互作用对土壤MBC均有显著影响(图1)。与Ctr相比,PP和IPP使油松非根围土壤MBC分别显著降低74%和83%(P<0.05),使白蜡非根围土壤MBC分别显著降低72%和69%(P<0.05)；PP使白蜡根围土壤MBC显著降低52%(P<0.05)。与根围土相比,油松非根围土壤MBC在PP和IPP下分别显著降低75%和87%(P<0.05)；白蜡土壤MBC在IPP下显著降低76%(P<0.05)。可见,硬化地表降低非根围土壤MBC。

2.3 硬化地表对不同树种微生物量氮的影响

土壤MBN在不同树种、不同位置均存在显著差异,位置和处理以及位置和树种的交互作用对土壤MBN均有显著影响,树种、处理以及位置三者的交互作用对对土壤微生物量氮也有显著影响(图1)。与Ctr相比,PP和IPP使油松非根围土壤MBN分别显著降低67%和80%(P<0.05),使白蜡非根围土壤MBN分别显著降低64%和64%(P<0.05)；使油松根围土壤MBN分别显著降低84%和37%(P<0.05)。与PP相比,IPP使油松根围土壤MBN显著升高43%(P<0.05),使白蜡根围土壤MBN显著升高38%(P<0.05)。与根围土相比,油松和白蜡非根围土壤MBN在IPP下分别显著降低74%和78%(P<0.05)。

图1 土壤微生物量碳氮的分布Fig.1 Allocation of soil microbial carbon and nitrogen N-R：非根围non-rhizosphere；R：根围rhizosphere；Ctr：自然地表control；PP：透水硬化地表pervious pavement；IPP：不透水硬化地表impervious pavement；T：处理treatments；L：位置location； S：树种tree species； *：*<0.05, **<0.01；ns：不显著 no significant difference; 图中小写字母表示硬化处理间差异,大写字母表示非根围和根围差异(P<0.05) ;F: F检验值

2.4 硬化地表对土壤微生物量碳与有机碳比值(MBC/OC) 和微生物量氮与全氮比值(MBN/TN)的影响

土壤MBC/OC(微生物量碳/有机碳)和MBN/TN(微生物量氮/全氮)反应土壤微生物对养分的利用率。硬化地表下不同树种土壤MBC/OC 和MBN/TN存在差异(表2)。就不同类型硬化地表而言,与Ctr相比,油松和白蜡非根围土壤MBC/OC 与MBN/TN在PP和IPP下均显著降低(P<0.05),油松根围土壤MBN/TN在PP和IPP下均显著降低(P<0.05),白蜡根围土壤MBC/OC 与MBN/TN在PP下均显著降低(P<0.05)。就根围和非根围土而言,与根围土相比,油松非根围MBC/OC在PP和IPP下均显著降低(P<0.05),MBN/TN在IPP下显著降低(P<0.05)；白蜡非根围土壤MBC/OC和MBN/TN在IPP下均显著降低(P<0.05)。

表2 硬化地表下不同树种非根围和根围土壤MBC/OC、MBN/TN/%

同列不同小写字母表示硬化处理间差异显著,同行不同大写字母表示非根围和根围间差异显著(P<0.05)

2.5 微生物量碳、氮与土壤理化性质之间的关系

土壤微生物量碳氮与土壤理化性质相关分析(表3)。土壤微生物量碳与土壤全碳显著正相关(P<0.05),与全氮、有机碳极显著正相关(P<0.01)。土壤微生物量氮与土壤全碳、全氮显著正相关(P<0.05),与有机碳极显著正相关(P<0.01),与含水量显著负相关(P<0.05)。其中,土壤微生物量碳和土壤微生物量氮呈极显著正相关(P<0.01)。土壤微生物量碳氮与土壤理化性质的相关性较好,表明硬化地表下土壤微生物量碳氮能够作为反应土壤质量变化的指标。

表3 硬化地表下土壤微生物量碳、氮与土壤理化性质相关分析

N=36, **<0.01, *<0.05

3 讨论

本研究发现硬化地表下两个树种非根围土壤微生物MBC和MBN 均显著降低(P<0.05)(图1)。以往关于硬化地表对土壤微生物影响的研究均为非根围土壤,Piotrowska和Charzyński[23]通过野外实际采样的方法研究半透水和不透水硬化地表对土壤微生物的影响,结果表明两种类型的硬化地表均降低土壤MBC、MBN；Wei等[22]通过现场观测也发现不透水硬化地表降低土壤MBC、MBN,均与本研究一致。一方面,植物凋落物为土壤微生物提供食物和能量,硬化地表阻碍凋落物进入土壤[21],造成土壤MBC、MBN含量降低[18, 22-23]；另一方面,硬化地表从多方面影响土壤性质,如硬化地表增加土壤的紧实度[17]、提高土壤温度、降低土壤含水量[20],进而改变土壤理化特性[18-19],本研究中也发现不同类型的硬化地表下土壤理化性状有不同程度的改变(表1),土壤MBC、MBN与土壤理化性状关系密切(表3),理化性状的改变自然也会引起土壤MBC、MBN的变化；其次,硬化地表导致土壤质量降低,可供土壤微生物利用的C、N养分减少,也不利于土壤微生物的生长。本研究中两个树种在PP和IPP下非根围土壤MBC/OC(微生物量碳/有机碳) 和MBN/TN (微生物量氮/全氮)均显著降低(表2),MBC/OC、MBN/TN被定义为微生物商[28],对土壤质量的变化具有指示意义,该比值越高,土壤质量越高,越利于土壤微生物的生长[29]。刘恩科等[30]通过研究农田土壤微生物发现MBC/OC、MBN/TN的变化趋势和MBC、MBN一致,本试验关于非根围土壤微生物的研究与之相符。可见,硬化地表导致非根围土壤质量下降。

本研究发现不同硬化地表对两个树种根围土壤微生物量的影响与非根围不同(图1,表2)。与Ctr相比,油松根围土壤MBN和MBN/TN均表现为Ctr>PP>IPP(P<0.05),白蜡根围土壤MBC、MBC/OC和MBN/TN均表现为Ctr, IPP>PP(P<0.05),MBN表现为IPP>PP(P<0.05)。一方面,硬化地表压紧土壤[17],不利于土壤微生物的生长,会导致硬化地表下土壤微生物量降低[18, 22-23],但硬化地表下树木根系伸展受阻,树池中根系会增多[12],根系分泌物含量也会增多,一定程度上又能促进土壤微生物的生长,加之树池中一定量枯枝落叶的堆积,为微生物提供养分,Viswanatha[6]研究发现透水和不透水硬化地表下根围土壤二氧化碳排放速度和二氧化碳浓度均较高,表明树池中微生物呼吸作用强烈,所以本试验硬化地表下根围土壤MBC、MBN并没有完全表现出来降低的趋势,但Viswanatha[6]的研究发现透水硬化地表下根围土壤氧气浓度比不透水高,并认为透水硬化地表对根围土更有利,本试验并没有发现这一有利现象；另一方面,硬化地表材质不同,土壤微生物量降低程度也不同,透水硬化更利于水分流失,养分会随水分流出,Morgenroth和Visser[11]研究发现透水硬化地表上植物生长优于不透水硬化,本研究发现油松根围土壤微生物量在透水硬化地表下高于不透水硬化地表,与之一致。本试验对于根围土壤微生物的研究发现土壤微生物MBC/OC、MBN/TN(微生物商)的变化趋势和MBC、MBN并不完全一致,这与张明等[31]的研究相符。可见,微生物商更能反应土壤质量[29]。

本研究发现硬化地表下根围土壤微生物量会高于非根围土,不同树种的响应也存在差异。一方面,地表硬化降低土壤含水量[20],阻止土气交换[7],增加地表温度[5],导致非根围土壤微生物生存环境恶劣,同时,硬化地表使非根围地表与土壤分开,阻挡枯枝落叶进入非根围土,使得非根围土壤养分不足,均不利于非根围土壤微生物的生长,而根围树池中土壤没有硬化地表的阻隔,不仅有一定量枯枝落叶的堆积,还能积存一定量的水分,树池又在树荫下,不会导致温度过高,所以硬化地表下根围土壤MBC、MBN会高于非根围土；另一方面,硬化地表土地紧实不利于根系伸展[12],树木根系多聚集在树池,导致非根围根系减少,树池中根围土根系分泌物会高于非根围；其次,油松和白蜡分别属于常绿针叶树和落叶阔叶树,Polyakova和Billor[32]研究发现不同树种凋落物不同,凋落物的种类及数量与土壤微生物量密不可分,加之不同树种根系分泌物不同,树种对不同类型硬化地表的响应存在差异[14],本研究发现油松根围土壤微生物MBN在透水硬化下高于不透水,白蜡根围土壤微生物MBN在透水硬化地表下低于不透水,表明不同树种根围土壤微生物对不同类型硬化地表的响应存在差异。同时,不同类型硬化地表温度及表层土壤温度不同[14],而种植不同树种也会改变土壤温度及水分含量,土壤温度和水分的变化也会影响土壤微生物的生长。

相关分析结果显示,土壤MBC、MBN与土壤全碳、全氮、有机碳显著正相关,MBC和MBN之间也显著正相关。表明本研究中土壤MBC、MBN与土壤养分关系密切,可以作为土壤质量的显示因子,进一步验证前人的研究结果[33]。本研究中土壤MBC与含水量关系不大,MBN与含水量负相关,说明土壤MBC、MBN与土壤养分的关系存在差异,张洁等[34]发现土壤MBN受土壤含水量的影响更大。本研究发现土壤MBC、MBN与土壤pH并没有相关性,这与Srivastava的研究一致[35],但Xu等[36]认为土壤pH值与城市土壤微生物密切相关并且是土壤微生物变化的驱动因子,可能由于本研究中土壤pH值均为中性偏碱,说明在一定范围内pH值并不一定是城市土壤微生物变化的驱动因子。本研究发现MBC、MBN与土壤C/N并没有相关性,张立欣等[37]认为C/N是影响土壤MBC、MBN变化的主要因素之一,可能由于不同类型硬化地表以及不同树种根围和非根围土等复杂因素的影响导致。