南亚热带马尾松人工林土壤氮矿化对减雨的响应

闵惠琳,陈 琳,*,刘世荣,曾 冀,李 华,郑 路

1 中国林业科学研究院热带林业实验中心, 凭祥 532600 2 广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站, 凭祥 532600 3 中国林业科学研究院, 北京 100091

氮素的有效性是限制森林生产力的主要因素之一。有机氮为土壤氮素的主要存在形式,有机氮通过微生物的矿化作用转化为无机态氮,进而被植被吸收利用[1],因此土壤氮矿化是森林生态系统氮素循环的一个重要过程[2]。在全球气候变化下,全球和区域降水格局发生明显改变,如中高纬度地区降雨量明显增加,而亚热带和低纬度地区降雨量减少30%以上,同时降雨量和降雨强度的季节规律也发生变化[3]。全球降水格局的变化将通过影响土壤的理化性质、微生物和酶活性等影响土壤氮矿化过程,从而影响森林生态系统生物多样性及生产力[4],因此研究土壤氮矿化对降雨变化的响应机制具有重要意义。

土壤氮矿化速率对土壤氮素有效性起决定性作用,是反映陆地生态系统植物生长及其健康状况的关键指标[5]。土壤氮矿化速率受土壤微生物群落组成和活性、土壤温湿度、土壤通透性、有机氮含量等多种因素的影响[6- 9]。降水通过改变土壤通气条件和水分渗透性,对土壤酶活性、微生物以及凋落物分解产生影响,进而对土壤氮转化过程有重要的调控作用[10]。以往关于降水变化对森林土壤氮矿化的影响研究多是采用室内培养比较不同土壤水分状况对土壤氮矿化的影响,而野外降水模拟研究较缺乏,由于不同研究的降水处理、群落和土壤类型等不同,降水变化对土壤氮矿化作用的影响机制复杂且存在地区差异[11-16],因此有必要对不同气候区和森林类型进行深入研究。

马尾松(PinusmassonianaLamb.)适应性强、耐干旱与瘠薄,是我国覆盖面积最大的针叶树种[17],也是我国热带和亚热带地区重要的乡土树种。目前,马尾松人工林土壤氮矿化的研究,一方面是关注其动态变化特征[18- 19],二是控制实验条件对土壤氮矿化的影响,如凋落物的去除、添加和去除根系[18,20- 22],然而南亚热带马尾松土壤氮矿化对降水变化的响应机制尚不清楚。因此,本研究以南亚热带马尾松人工林为对象,采用PVC顶盖埋管法,开展模拟穿透雨减少50%控制实验,探讨马尾松人工林土壤氮矿化对降雨减少的响应规律及其影响因素,为预测土壤氮素矿化对降水变化的响应提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于中国林业科学研究院广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站热带林业实验中心伏波实验场(106°52′32″E,22°01′58″N),属南亚热带季风气候,干雨季节明显,年降雨量1361 mm,主要集中于5—10月,试验区近50年来,年均降雨量总体上呈下降趋势(图1),年均温20.5—21.7℃,极端高温40.3℃,极端低温-1.5℃,地貌以低山丘陵为主,海拔400—650 m,土壤主要是花岗岩风化形成的红壤,土壤厚度大于100 cm。试验林为1983年种植在杉木采伐迹地上的新造马尾松林地,面积6.3 hm2,海拔550 m[23]。

马尾松林分生长状况见表1,林下主要物种有大叶栎(QuercusgriffithiiHook. f. et Thoms ex Miq.)、杉木(Cunninghamialanceolate(Lamb.) Hook.)、火力楠(MicheliamacclureiDandy),柏拉木(BlastuscavalerieiLour.)、越南悬钩子(RubuscochinchinensisTratt.)、酸藤子(Embelialaeta(L.) Mez)、乌毛蕨(BlechnumorientaleL.)、小花露籽草(Ottochloanodosavar. micrantha (Balansa) Keng f.)、金毛狗(Cibotiumbarometz(L.) J. Sm.)、五节芒(Miscanthusfloridulus(Lab.) Warb. ex Schum. et Laut.)等。

表1 马尾松人工林林分特征

1.2 试验设计和取样测定

2017年6月—2018年5月,在立地条件相对均一的条件下,于马尾松人工林林冠下布设6个20 m × 20 m样地,进行减少50%穿透雨和不减雨(对照)模拟试验。根据该区域近50年来年均降雨量呈减少的变化趋势(图1)及全球干旱模拟控制实验大多数采用的50%截雨比例,本研究设置了减少50%穿透雨处理[24],减雨样地具体布设参见陈琳等的方法[23]。

图1 研究区域1970—2018年均降雨量变化Fig.1 The change of average annual rainfall during the year between 1970 and 2018 in the study area

采用PVC顶盖埋管法原位测定土壤净氮矿化速率[25],于2017年6月26日—2017年7月31日、2017年9月29日—2017年10月26日、2017年12月25日—2018年1月23日、2018年3月30日—2018年5月2日,分4个周期培养。

1.3 数据处理

土壤净氮矿化速率(NMR)为净氨化速率(NAR)和净硝化速率(NNR)之和[28],计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

利用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析,采用Pearson分析土壤理化性质、土壤微生物量和群落组成与土壤氮矿化速率之间的相关性。在相关性分析的基础上,选择相关性显著的指标,进一步对土壤氮矿化速率与其他指标进行主成分回归分析,揭示影响土壤矿化速率的关键因子。主成分回归分析之前,先进行KMO检验,当满足KMO>0.5,P<0.05条件时进行主成分回归,因此本文仅对土壤净硝化速率与各指标进行主成分回归分析。

2 结果与分析

2.1 马尾松人工林土壤理化性质对减雨的响应

由图2所示,马尾松人工林减雨处理与对照样地的土壤含水量、铵态氮和硝态氮浓度变化规律基本一致,均表现出雨季(2017年6月—10月)大于旱季(2018年1月—5月)。土壤铵态氮是马尾松无机氮存在的主要形态,铵态氮浓度为硝态氮浓度的2.5—8.2倍。与对照相比,减雨导致0—10 cm和10—20 cm土层含水量分别减少了19.8%和10.6%(P<0.05),而2018年3月30日10—20 cm土层硝态氮浓度显著增加了29%(P<0.05)。但是,不同处理之间两个土层的铵态氮浓度均差异不显著(P>0.05)。

图2 马尾松人工林铵态氮、硝态氮和土壤含水量对穿透雨减少的响应Fig.2 Responses of concentration and soil water content to throughfall reduction in P. massoniana plantation

减雨处理对马尾松人工林土壤理化性质和土壤酶的影响程度因季节和土壤深度的不同而不同(表2),旱季,减雨导致0—10、10—20 cm土层可溶性有机碳均显著降低(P<0.05),分别减少了59.94%和37.78%,而对土壤酶活性无显著影响(P>0.05)。雨季,减雨导致10—20 cm土层pH、0—10 cm土层过氧化物酶和10—20 cm土层蛋白酶活性显著降低(P<0.05),而0—10 cm蛋白酶和10—20 cm土层N-乙酰-葡萄糖苷酶活性显著升高(P<0.05)。从土层深度来看,除了pH和可溶性有机氮随着土层的加深而升高之外,其余指标均随着土层深度的加深而降低。从季节来看,pH和可溶性有机碳均为旱季>雨季(P<0.05),蛋白酶和过氧化物酶表现出旱季<雨季的规律(P<0.05)。

表2 马尾松人工林土壤理化性质对穿透雨减少的响应

2.2 马尾松人工林土壤微生物量和群落组成及其对减雨的响应

从表3可以看出减雨处理、土层和季节对土壤微生物量有不同程度的影响。减雨导致雨季0—10 cm土层微生物量碳氮比显著减少了45.85%(P<0.05)。在减雨处理下,雨季除真菌饱和脂肪酸之外,其余指标均有不同程度的降低；旱季细菌饱和脂肪酸和丛枝菌根真菌饱和脂肪酸也随着减雨处理而降低。减雨导致旱季10—20 cm土层丛枝菌根真菌饱和脂肪酸显著减少了26.83%(P<0.05)。真菌饱和脂肪酸和丛枝菌根真菌饱和脂肪酸均随着土层深度的加深而降低,细菌和真菌饱和脂肪酸比均随着土层深度的加深而升高。

表3 马尾松人工林土壤微生物量和群落组成对穿透雨减少的响应

2.3 马尾松人工林土壤氮矿化速率对减雨的响应

马尾松人工林的土壤氮矿化以土壤氨化作用为主(图3)。减雨处理与对照两个土层的土壤净氮矿化速率均差异不显著(P>0.05),而穿透雨减少导致2017年12月—2018年1月0—10 cm土层净氨化速率显著增加(P<0.05),使2018年3—5月0—10 cm 土层净硝化速率显著减少(P<0.05)。

图3 马尾松人工林土壤净氨化、净硝化和净氮矿化速率对穿透雨减少响应Fig.3 Responses of net ammonification rate (NAR), net nitrification rate (NNR) and net mineralization rate (NMR) to throughfallreduction 相同培养周期和土壤深度,不同小写字母表示处理和对照之间差异显著 (P<0.05)

2.4 土壤净氮矿化速率与土壤理化性质、土壤微生物量和群落饱和脂肪酸的关系

如表4所示,土壤净氨化速率与N-乙酰-葡萄糖苷酶存在极显著负相关关系(P<0.01),土壤净硝化速率与土壤含水量、硝态氮、铵态氮、N-乙酰-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、酚氧化酶、过氧化物酶、细菌、真菌饱和脂肪酸及细菌真菌饱和脂肪酸比均存在显著相关关系(P<0.05),土壤净氮矿化速率与理化性质、微生物量和群落饱和脂肪酸均无显著相关关系(P>0.05)。

表4 马尾松人工林土壤氮矿化与理化性质、微生物量和群落结构的相关关系

为了进一步比较各指标对土壤净氮转化速率的影响程度,从表4中选择具有显著相关性的指标进行主成分回归分析。与土壤净硝化速率显著相关的指标均入选回归方程,土壤净硝化速率与各指标的主成分回归分析方程为：y=-0.015+0.005X1+ 0.006X2+ 0.001X3+ 0.005X4- 0.002X5+ 0.006X6- 0.006X7- 0.001X8+ 0.005X9+0.007X10(R2=0.653,P<0.01)。各变量对土壤净硝化速率的影响程度排序依此为：X10>X2>X7>X6>X9>X1>X4>X5>X3>X8,说明土壤含水量的影响程度最大,β-葡萄糖苷酶、细菌真菌饱和脂肪酸比及真菌饱和脂肪酸的影响次之。

3 讨论

3.1 减雨对土壤氮矿化速率和土壤理化性质的影响

南亚热带马尾松人工林土壤氮矿化过程以氨化过程为主,这与土壤酸碱性密切相关[29],马尾松人工林土壤pH在4.02—4.88之间,为酸性土壤,不利于发生硝化过程,该结果与肖好燕[30]、葛晓敏[31]等在其他地区的研究结果一致。降水改变直接影响土壤的水分状况和土壤物理生物化学过程,从而对土壤氮矿化过程产生影响[32,12]。本研究中,穿透雨减少导致2018年3月30日10—20 cm土层硝态氮浓度显著增加了29%(P<0.05),倪梦颖等[33]隔离50%降雨也得到硝态氮浓度在旱季突增,这可能与旱季偶发的强降雨有关。穿透雨减少对马尾松人工林土壤铵态氮、总氮和土壤净氮矿化速率的影响均不显著,这可能是因为大气中的水蒸气进入土壤中刺激耐旱微生物过程,使得土壤含水量的减少不足以影响土壤氮的供应[34]。这在Homyak等[35]的研究中得到证实,他发现降水减少并未导致土壤中矿质氮减少,并且在土壤含水量较低时,积极地微生物量氮处理过程仍在进行。总体上,穿透雨减少对土壤pH值的影响并不大,仅导致雨季10—20 cm土层pH显著降低(P<0.05),从4.21下降到4.13；而季节对土壤pH影响更为明显,表现为旱季pH(4.75)显著大于雨季(4.13),雨季pH较低可能与增温等其他因素有关,温度升高后,土壤盐溶液的浓度、CO2和交换性阳离子会发生改变,进而影响土壤的pH[36-37]。

穿透雨减少导致马尾松人工林土壤净氨化速率在2017年12月—2018年1月出现短暂升高的现象,这可能是雨季累积的铵态氮再利用的结果,此现象通常出现在旱季的初期[38]。降水改变影响土壤湿度、土壤水分渗透性,影响硝化和反硝化细菌,进而影响土壤净硝化速率,同时受到季节性的影响[39]。旱季,穿透雨减少导致马尾松人工林0—10 cm土层净硝化速率显著减少(P<0.05),这与Chen等[12]减少旱季降水得到的结论一致,但是与任艳林等[11]减雨30%得到土壤净硝化速率增加的结论不一致,一方面,由于3—5月土壤含水量和土壤中铵态氮含量均处于较低水平(图2),较低可矿化底物数量和氧气浓度抑制了硝化作用[40]。另一方面,土壤水分减少导致硝化细菌活性受到抑制[41]。雨季,穿透雨减少对马尾松人工林土壤净氨化速率、净硝化速率均无显著影响,这可能是因为微生物长期处于南亚热带湿热环境中,对温度和水分的敏感性有所降低,也可能与马尾松耐旱性强有关。Chen等[13]也研究发现穿透雨减少对红椎人工林土壤净硝化速率有显著影响,但是因季节和土层的差异而不同。

3.2 减雨对土壤氮矿化速率和微生物量和群落组成的影响

土壤微生物是有机质分解的主要贡献者之一,对土壤氮矿化过程具有重要的调控作用,在森林生态系统养分循环中扮演着重要的角色[42]。微生物对水分的变化很敏感,通常微生物活性随着土壤干燥而降低[43]。Ren等[44]研究表明在年降水量大于600 mm的地区,降水减少引起微生物生物量显著降低。Homyak等[35]发现在热带当降水减少很小一部分时,微生物生物量增加,而当降水减少接近100%时,微生物生物量显著减少。本研究中,减雨处理减少了土壤微生物生物量碳、氮的含量和碳氮比,这与向元彬等[32]研究华西雨屏区常绿阔叶林得到的结果一致,可能由于降水改变使得微生物的繁殖速度、活性及微生物对底物的利用等受到抑制,从而使得土壤微生物量碳、氮含量降低。已有研究表明降水量变化显著影响土壤微生物群落组成[45-46],或者对其无影响[47-49],本研究中,穿透雨减少导致马尾松人工林旱季10—20 cm土层丛枝菌根真菌饱和脂肪酸显著减少26.83%(P<0.05),对细菌和真菌饱和脂肪酸无显著影响,表明细菌和其他真菌与丛枝菌根真菌相比具有更强的细胞壁和潜在更先进的渗透调节策略,因此对干旱有更好的耐受性,这也表明土壤微生物群落中的不同类群对土壤湿度和降雨模式的变化可能有不同的反应。而雨季穿透雨减少对细菌、真菌、丛枝菌根真菌饱和脂肪酸均无显著影响,这与吴华清等[50]、Chen等[13]的研究结论一致,有研究表明在雨季只有土壤湿度超过一定范围才会对土壤微生物活动产生影响[51]。徐嘉等[52]通过降水控制,研究得到在旱季穿透雨减少显著减少了红锥人工林真菌、丛枝菌根真菌饱和脂肪酸和真菌细菌比,反之,在雨季显著增加了细菌、真菌和丛植菌根真菌饱和脂肪酸,可能是受到土壤温湿度变化程度、采样时间及不同树种的影响,使得其与本研究结论不同。

土壤酶是一种具有蛋白质性质的高分子生物催化剂,直接参与土壤氮素的矿化过程,酶活性与土壤供氮能力及土壤氮矿化速率密切相关[53]。土壤水分是土壤酶活性变化的重要驱动因素[54]。本研究中,减雨导致雨季0—10 cm土层过氧化物酶和10—20 cm土层蛋白酶活性显著降低(P<0.05),由于减少土壤含水量限制了酶及底物的扩散[55],这与Sardans等[56]研究得到蛋白酶活性随土壤含水量降低而减小的结论一致。然而,减雨导致雨季0—10 cm蛋白酶和10—20 cm土层N-乙酰-葡萄糖苷酶活性显著升高(P<0.05),这与李帅军等[57]的研究结果相似,可能由于微生物分泌更多的酶来抵制或适应不利环境而导致两种酶短暂升高,然而随着干旱胁迫的加剧,酶活性是否会急剧下降还有待进一步研究证明。减雨对旱季酶活性无显著影响(P>0.05),可能由于研究区降水充沛,隔离降雨后的土壤水分含量并未到达限制水平,因此酶活性并未显著降低。

3.3 土壤净氮矿化速率与土壤理化性质、土壤微生物量和群落饱和脂肪酸的关系

土壤氮矿化速率与土壤温湿度、土壤通透性、有机氮含量等因素密切相关[5-6],且受到微生物群落组成及酶活性的直接影响[53,58]。本研究中,土壤含水量是对土壤净硝化速率影响力最大的变量,于兴修等[59]进行逐步回归分析亦得到土壤含水量是土壤氮矿化速率的主要影响因子。土壤净氨化速率、净氮矿化速率与群落饱和脂肪酸相关性不显著,说明土壤氮转化速率与微生物生长存在异步现象[60]。然而,土壤净氨化速率与N-乙酰-葡萄糖苷酶存在极显著负相关关系(P<0.01),土壤净硝化速率与N-乙酰-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、酚氧化酶和过氧化物酶均存在显著正相关关系(P<0.05)。陈影等[61]研究表明土壤氮硝化量与蛋白酶、过氧化氢酶等显著正相关,这与本研究结果类似。

4 结论

穿透雨减少导致马尾松人工林旱季0—10 cm土层净硝化速率显著减少,旱季初期0—10 cm土层净氨化速率短暂升高,而对土壤净氮矿化速率影响不显著。土壤净氨化速率与N-乙酰-葡萄糖苷酶呈极显著负相关,土壤净硝化速率与土壤含水量、β-葡萄糖苷酶、真菌饱和脂肪酸、硝态氮、N-乙酰-葡萄糖苷酶及酚氧化酶呈显著正相关,与细菌真菌饱和脂肪酸比、细菌饱和脂肪酸及铵态氮呈显著负相关。此外,穿透雨减少显著影响土壤含水量、硝态氮、pH、可溶性有机碳、过氧化物酶、N-乙酰-葡萄糖苷酶、蛋白酶及丛枝菌根真菌饱和脂肪酸。总之,穿透雨减少50%改变了马尾松人工林的土壤氮素有效性,未来将影响林木对土壤养分的吸收及林分生长发育。虽然本研究探讨了短期减雨对土壤氮矿化的影响及其土壤理化性质和微生物调节机制,但是土壤氮矿化对长期减雨的响应以及土壤氮矿化的变化如何影响树木生长和养分吸收,有待进一步深入研究。