降水变化对科尔沁沙地樟子松人工林土壤氮矿化和淋溶的影响

2020-11-12葛志强赵姗宇林贵刚孙学凯胡亚林

生态学报 2020年18期

葛志强,赵姗宇,林贵刚,孙学凯,胡亚林,,*

1 福建农林大学林学院,福州 350002 2 中国科学院沈阳应用生态研究所大青沟沙地实验站,沈阳 110016 3 中国科学院大学,北京 100049

随着全球气温升高,导致全球降水格局发生显著变化,极端干旱事件发生频率日益增多[1-2]。例如,研究发现我国北方半干旱地区降水呈现逐渐降低趋势,且长时间干旱的频率呈增加趋势[3-4]。降雨量或降雨频率的降低,将直接引起土壤干旱加剧,影响植物和微生物群落结构和功能[5],进而改变陆地生态系统水、碳、氮循环过程[6]。因此,研究降水变化对陆地生态系统结构和过程的影响及对全球气候变化的反馈具有重要意义。

降水变化能够显著改变陆地生态系统氮循环过程,一方面降水变化能够直接影响土壤水分、侵蚀和淋溶,另一方面降水能够影响植物、微生物的氮吸收和转化,进而直接或间接地改变土壤氮循环过程[13]。Homyak[14]报道了在相对干旱地区由于降水减少限制植物根系对土壤氮的吸收,进而增加土壤无机氮含量。然而,在相对湿润地区,降水增加会导致土壤氮淋溶流失增加[13, 15]。同时,降水变化对土壤氮矿化速率的影响亦存在不确定性,随着土壤水分增加,土壤氮矿化速率呈增加[16]、降低[17]或无显著差异[15]。

科尔沁沙地位于我国半干旱亚湿润地区,是我国三北防护林建设的重要区域,长期以来已营造大面积沙地樟子松人工林。然而,自20世纪90年代开始,早期引种的樟子松人工林出现生产力降低等衰退现象[18]。在干旱/半干旱地区,土壤水分是调控植物生长的关键因子。近年来,有研究表明在干旱/半干旱地区森林生态系统生产力可能受土壤水和氮的共同限制,而并非单一水分因子限制[19-20]。基于自然降水梯度或年际降水变化,有研究开展了降水变化对沙地樟子松人工林生长[21]、叶片水分利用效率[22]和N、P养分含量及生态化学计量比特征[23]的影响。然而,针对降水减少是否降低土壤氮养分有效性,进而导致沙地樟子松人工林生产力衰退的问题依然不清楚。因此,开展降水减少对土壤氮有效性的影响研究十分必要,有助于更好辨识干旱/半干旱地区森林生产力衰退的关键驱动机理[13]。本研究采用野外模拟降水减少控制试验,研究干旱加剧对沙地樟子松人工林土壤无机氮含量以及土壤氮矿化速率和氮淋溶过程的影响,以期揭示沙地樟子松人工林土壤氮养分有效性对干旱加剧的响应机制。

1 研究材料与方法

1.1 研究区概况

研究地区位于科尔沁沙地东南缘中国科学院沈阳应用生态研究所大青沟沙地生态实验站(42°58′N,122°21′E,海拔260 m),该地区属于半干旱亚湿润型气候,年降水量450 mm左右,降雨主要集中在7—8月份,年均蒸发量1780 mm,年均气温6.4℃,最高月平均气温23.8℃,最低月平均气温-12.5℃,年均总辐射5035 MJ/m2,10℃以上积温2890℃,无霜期150 d(1960—2016年气象站数据均值)。土壤类型为风沙土,沙粒含量91%,粉粒含量5%,粘粒含量4%,土壤容重约1.4 g/cm3,土壤有机碳含量4.04 g/kg,土壤全N含量0.22 g/kg,土壤全磷含量74 mg/kg。林下植被主要为狗尾草(Setariaviridis)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、芦苇(Phragmitescommunis)、兴安胡枝子(Lespedezadavurica)和细叶胡枝子(Lespedezahedysaroides)等。

1.2 模拟干旱梯度试验

2017年4月份,选择1块15年生沙地樟子松人工林,林分密度1333株/hm2,平均树高7.8 m,平均胸径12.79 cm,本研究共设置3个试验处理：自然降雨(CK)、减少30%降水(D30)和减少50%降水(D50),每个处理设置3块重复样方,随机分布于9块15 m × 15 m的样方。在林冠下布设V字型透明PVC板截留降水,通过PVC板面积进行减少降水30%和50%试验处理。为避免PVC截水板对林下光照、气温等微气候的影响,在CK处理布设呈倒V型透明PVC板。同时,在研究样地附近安装1套全自动雨量记录仪,测定样地降水量和气温(图1)。

图1 2017年研究样地降水量和气温月动态特征

1.3 样品采样与分析

1.4 数据计算与统计分析

首先,采用一般线性模型(GLM)分析降水处理、土层和采样时间对各指标的效应及其交互性作用,并用Tukey HSD进行降水处理均值的多重比较,统计显著水平为P<0.05。数据统计分析与绘图分别采用R 3.5.1和SigmaPlot 10.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 降水变化对土壤含水量的影响

降水变化、土层和采样时间均能够显著影响土壤含水量,且存在显著的土层×时间的交互性效应(表1)。在不同月份,土壤含水量与降水量变化趋势基本一致,土壤含水量随着降水量增加而增加(图2)。与CK处理相比,D30和D50处理土壤含水量分别降低14.6%和31.8%,其中CK与D50处理差异达显著性水平(P=0.005)。此外,沙地樟子松人工林10—20 cm土层含水量显著高于0—10 cm土层(P=0.01)。

图2 降水变化对0—10 cm和10—20 cm土层土壤含水量的影响

表1 不同处理因子(降水变化、土层和采样时间)对樟子松人工林土壤含水量和土壤无机N含量及形态影响的方差分析

2.2 降水对土壤无机N含量及形态的影响

图3 降水变化对土壤和SIN含量及比例的影响

2.3 降水变化对土壤净氨化、净硝化和净氮矿化速率的影响

除9—10月份D50处理土壤净氨化速率显著低于CK(P=0.01),不同降水处理土壤净氨化速率差异不显著(图4)。然而,土壤净硝化速率和净氮矿化在不同降水处理间差异显著(图4)。在6—7月份,D30(P=0.02)和D50(P=0.003)处理土壤净硝化速率显著低于CK处理；然而,7—8月份,减少降水处理增加土壤净硝化速率,其中D50处理土壤净硝化速率显著高于CK(P=0.04)。同样,在6—7月和7—8月份,不同降水处理土壤净氮矿化速率差异显著。降水处理和时间对土壤净氨化、净硝化和净氮矿化速率均存在显著交互性作用。

图4 降水变化对土壤净氨化速率、净硝化速率和净氮矿化速率的影响

土壤净氨化、净硝化和净氮矿化速率具有一致的月动态特征。土壤净氨化速率在7—8月份显著低于其他月份,表现为铵态氮固持。然而,在6—7月份土壤净硝化、净氮矿化速率达到最大值,且显著高于其他月份。此外,在8—9月份土壤净氮矿化速率显著高于7—8月份(P<0.001)和9—10月份(P<0.001)土壤净氮矿化速率。