10年模拟氮沉降对苦竹林根际与非根际土壤铝组分的影响

2021-10-12陈雨芩陈冠陶王宇陈蕙心李青桦涂利华

生态环境学报 2021年7期

陈雨芩，陈冠陶 , ，王宇，陈蕙心，李青桦，涂利华 *

1. 四川农业大学林学院/长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室，四川成都 611130；

2. 四川农业大学林学院/长江上游林业生态工程四川省重点实验室，四川成都 611130；

3. 德国哥廷根大学森林科学和森林生态学院热带和亚热带生态系统土壤学系，德国哥廷根 37077

化石燃料和化肥的大量使用导致了过量的氮（N）元素沉降到陆地生态系统，在直接干扰陆地生态系统N循环的同时也导致土壤不断酸化。Tian et al.（2015）整合分析了全球106项研究，结果表明N添加使全球土壤pH平均降低了0.26单位。不同的自然生态系统的背景pH值差异较大，土壤pH缓冲能力各异，因此，N沉降导致的土壤酸化对生态系统的影响也不同。对于弱酸性土壤而言，其主要通过土壤胶体吸附的盐基离子和土壤溶液中 H+的置换来抵抗土壤酸化（罗承德，1993）。当土壤持续酸化，盐基离子被大量消耗损失后即进入了铝（Al）缓冲体系，这时土壤溶液中的H+攻击土壤矿物颗粒表面，导致稳定的Al原子变为交换性Al3+，随后Al3+被吸附在土壤胶体的阳离子交换位点，并与土壤溶液中的Al3+保持动态平衡（Brady et al.，2017）。这个过程涉及到Al由非常稳定的矿物结构原子到吸附态最后到游离态的不断演化（沈仁芳，2008）。因此只有系统的研究土壤中不同Al组分的动态变化，才能深入了解 Al在土壤酸化过程中的响应状况。

随着土壤酸化，活性 Al[Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2+等的总称]被释放到土壤溶液中，对植物造成 Al毒害（Drabek et al.，2005；Delhaize et al.，2007；Niu et al.，2020）。其中，Al3+和单体羟Al络合物对植物毒性最大（Matúš et al.，2006；Chen et al.，2018a），而可溶性有机Al、Al氟化物、Al硫酸和Al硅酸络合物对植物毒性较小（Nogueirol et al.，2015）。根际是根系与土壤相互作用最频繁的微生态区域，活性 Al首先会对植物根部产生毒害效应（Delhaize et al.，1995；Siecińska et al.，2019；王平等，2007）。在酸性土壤中，大量的活性Al会抑制根系生长，损害根系组织，导致钙（Ca）、镁（Mg）和磷（P）缺乏以及其他生理胁迫（Álvarez et al.，2011；Collignon et al.，2012）。同时，根系也可通过根系分泌物来对根际土壤环境进行一定程度的主动调节（Barceló et al.，2002；Ma et al.，2003）。植物根系进化出的一些代谢功能可用于缓解 Al毒害（Schaedle et al.，1989；Cuenca et al.，1990），比如通过释放Al螯合物的配体，将Al3+再次固定；微调土壤环境，使根际土壤pH稳定；增加碱性阳离子（如Ca2+、Mg2+、K+等）的水平。根际土壤是直接包裹根系的土壤，相对于非根际土壤，其化学特性对于植物生长更具有意义。有研究表明，与非根际土壤相比，森林中根际土壤有更丰富的生物可溶性Al和极少的交换性Al（Collignon et al.，2012）。因此研究根际土壤 Al组分动态将更具体、直接的关注到土壤酸化对植物的潜在威胁。

位于中国西南的“华西雨屏区”，由于其特殊的气候和地形使其具有高水平的背景 N沉降和酸沉降速率（Tu et al.，2013）。本研究所在的竹林，土壤pH（KCl）约为3.4，属强酸性土壤，且前期研究已观察到6年的高N添加处理显著增加了0—20 cm土壤中可交换的Al3+浓度和NO3−-N浓度，降低了土壤pH值和根系生物量（Chen et al.，2017；Chen et al.，2018b）。为更深入认识该竹林生态系统土壤Al组分对长期N沉降的响应，本研究持续N添加10年后分析了0—10 cm土层根际土壤和非根际土壤的Al组分状况。该研究有助于深入认识N沉降导致土壤酸化的作用机理，可为区域生态系统管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 样地概况

试验地位于“华西雨屏”核心地带的四川省洪雅县柳江镇苦竹岗（29°95′N，103°38′E），属中亚热带性山地气候，年均温 14—16 ℃，年降水量为1489.8 mm，年均相对空气湿度为82%，土壤类型为紫色土。研究区为 2000年退耕还林工程建成的苦竹林，于2007年10月选择其中一块较具代表性的、地势平坦、人为干扰较小的林分作为试验样地。土壤基本理化性质见文献（涂利华等，2009）。

1.2 试验设计

2007年10月下旬建立12个3 m×3 m的样方，每个样方之间设>3 m的缓冲带。用硝酸铵（NH4NO3）进行N添加处理，共设4个水平：对照（CK，N 0 g·m−2·a−1）、低 N（LN，N·5 g·m−2·a−1）、中 N（MN，N·15 g·m−2·a−1）和高 N（HN，N·30 g·m−2·a−1），每个水平 3 个重复。将年施用量分成12等份，从2007年11月开始，每月下旬对各样方进行定量外源N沉降处理，具体方法是将各水平所需NH4NO3溶解至1 L水中，用喷雾器在该水平样方中来回均匀喷洒，对照只喷洒等量的自来水。

1.3 土样采集与处理

2017年7月在各样方随机选取3根长势一致、健康的苦竹（Pleioblastus amarus），用锄头将苦竹的根系带土完整挖出，用毛刷刷下细根表面附着的土作为根际土壤，采用蛇形五点取样法采集各样方0—10 cm的非根际土壤样品。将同一样方的根际与非根际土壤分别充分混合均匀后利用四分法取部分土壤制备样品，挑除其中可见根和植物残体并风干，之后将土壤分为两份，一份过2 mm筛用于土壤pH的测定，一份过0.15 mm筛用于土壤各组分Al含量的测定。

1.4 测定方法

土壤 pH 用电位法测定（KCl꞉土=5꞉1，LY/T 1239—1999）；土壤 Al组分的提取参考改进后的Tessier法（Tessier et al.，1979），分别得到交换态Al（Exchangeable Al）、碳酸态 Al（Carbonate Al）、铁锰氧化态Al（Iron-manganese oxides Al）、有机络合态 Al（Organically bound Al）和残留态 Al（Residual Al），具体提取步骤参见文献（Walna et al.，2005）；各组分Al含量的测定采用Al试剂比色法（LY/T 1270—1999）。

1.5 计算和统计方法

试验数据用Excel 2010（Microsoft Corporation，USA）进行统计并计算均值，用SPSS 20.0（SPSS Inc.，USA）统计分析软件对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验不同N添加处理下根际与非根际土壤的交换态Al、碳酸态Al、铁锰氧化态Al、有机络合态Al、残留态Al和pH之间的差异，并用最小显著差数法（LSD法）进行多重比较检验N处理对各指标的显著性，显著水平为ɑ=0.05，采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）检验根际与非根际和不同N添加处理的交互作用。对根际与非根际土壤的pH和各Al组分进行了相关性分析。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 N添加对苦竹林根际与非根际土壤pH的影响

对照处理下，非根际土壤pH（3.41）显著低于根际土壤（3.97）。双因素方差分析结果表明，N处理效应、根际非根际效应及两者交互效应均为极显著（图 1）。具体来看，在对照处理下，根际土壤pH比非根际土壤pH大0.56个单位。对于根际土壤，LN、MN和HN处理均使pH值显著降低，分别下降了0.41、0.44和0.76个单位。对于非根际土壤，LN和 MN处理与对照之间无显著差异（P>0.05），而HN处理下的pH为3.09，比对照显著下降了0.32个单位（P<0.05）。N添加处理下，根际土壤pH依然大于非根际土壤，但与对照处理相比，差距明显减小。

图1 N添加对根际与非根际土壤pH的影响Fig. 1 Effect of nitrogen addition on rhizospheric and bulk soil pH value

2.2 N添加对苦竹林根际与非根际土壤各Al组分含量的影响

双因素方差分析结果表明，总体来看，根际与非根际土壤的所有Al组分形态均无显著差异。N添加对根际土壤交换态Al组分和有机络合态Al组分含量有显著影响（P<0.05），而对其他Al组分含量无显著影响（P>0.05；图2）。根际土壤pH与交换态Al组分含量呈极显著负相关（P<0.01），与有机络合态Al组分含量呈显著负相关（P<0.05），与其他3个Al组分无显著相关性（P>0.05；表1）。对照中根际土壤交换态Al、碳酸态Al、铁锰氧化态Al、有机络合态Al、残留态Al组分含量分别为3.4、9.6、732.2、2097.2、3026.3 mg·kg−1，交换态和碳酸态 Al组分最少，有机络合态和残留态Al组分最多，含量按照交换态Al、碳酸态Al、铁锰氧化态Al、有机络合态Al、残留态Al组分的顺序依次增加。N添加处理后，根际土壤交换态Al含量在HN添加处理后显著增加为 5.9 mg·kg−1，与对照相比增加了 75.2%，LN、MN和HN处理的有机络合态Al含量分别为2098.0、2426.8、2384.9 mg·kg−1，其中MN 和HN显著增加了15.7%和13.7%（P<0.05）。N添加处理下根际土壤的碳酸态Al含量平均为10.3 mg·kg−1；铁锰氧化态Al含量在 684.7—910.5 mg·kg−1之间，其中 HN 处理的 Al含量相比对照增加了 24.3%，但并不显著（P>0.05）；残留态 Al含量平均为 3099.7 mg·kg−1，与对照相比均未达到显著水平（P>0.05）。

对照中非根际土壤的交换态Al、碳酸态Al、铁锰氧化态Al、有机络合态Al和残留态Al含量分别为 4.2、9.4、691.7、2203.4、3194.3 mg·kg−1，含量高低顺序与根际土壤 Al含量一致。N添加对非根际土壤各组分Al含量的影响均不显著（P>0.05；图2）。非根际土壤pH与交换态Al组分呈极显著负相关（P<0.01），与其他4个Al组分无显著相关性（P>0.05；表1）。N添加处理下交换态Al含量平均为3.4 mg·kg−1，与对照相比，LN、MN处理分别使交换态Al含量减少了34.2%、40.6%，而HN处理增加了17.6%；N添加处理的铁锰氧化态Al含量平均值为785.7 mg·kg−1，与对照相比LN处理使铁锰氧化态Al含量减少了3.5%，而MN、HN分别增加了 15.9%、28.3%，但均未达到统计学显著水平（P>0.05）。N添加处理下碳酸态Al含量平均为10.0 mg·kg−1，有机络合态 Al含量平均为 2209.5 mg·kg−1，残留态 Al含量平均为 3139.8 mg·kg−1，与对照相比均无明显变化趋势。

表1 根际与非根际土壤的pH与各Al组分的相关性分析Table 1 Correlation analysis of pH and Al fractions in rhizosphere and bulk soil

图2 N添加对根际与非根际土壤各个Al组分含量的影响Fig. 2 Effect of nitrogen addition on Aluminum fractions of rhizospheric and bulk soil

2.3 各个组分Al含量占总 Al含量的比例对N添加的响应

由表2可见，根际与非根际土壤各Al组分占总 Al的比例大小均表现为：交换态<碳酸态<铁锰氧化态<有机络合态<残留态。对照中根际土壤的各个 Al组分占总 Al比例由小到大依次为 0.06%、0.16%、12.48%、35.73%、51.57%。其中，HN处理下交换态Al组分占比比CK和LN处理均显著增加了50.0%（P<0.05）；MN、HN处理的有机络合态Al组分占比分别比LN显著增加了10.3%、9.1%；与LN相比MN、HN处理分别使残留态Al占比下降了5.8%、12.0%，但未达到显著水平（P>0.05），对照和各N处理间的碳酸态和铁锰氧化态Al占比均无明显变化。

表2 N添加对土壤各个Al组分占总Al的质量分数（%）的影响Table 2 Effect of nitrogen addition on mass fraction of each Aluminum fractions in total Aluminum

对照中非根际土壤交换态、碳酸态、铁锰氧化态、有机络合态和残留态 Al组分分别占总 Al的0.07%、0.15%、11.37%、36.10%、52.31%。对照和N处理对各个Al组分占比均无显著影响（P>0.05）。

3 讨论

在酸性土壤中，土壤酸度主要取决于交换性Al的含量，土壤交换性 Al在很大程度上制约着土壤的 pH（Blaser et al.，2008；Collignon et al.，2012）。本研究区在模拟N沉降处理6年和10年后均发现HN添加处理显著降低了非根际土壤 pH（Chen et al.，2018b；陈雨芩等，2018）。国内外N添加研究大多发现N添加导致土壤pH显著下降（胡波等，2015；单文俊等，2019）。这主要是由于N添加增强了土壤硝化作用，从而将 H+释放到土壤溶液中（Teklehaimanot et al.，2007），并导致与吸附在土壤胶体上的碱离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）发生取代反应。这会导致碱性阳离子的流失，特别是在湿润地区（Lu et al.，2009；Lucaset al.，2011）。当土壤胶体吸附的H+超过一定阈值时，土壤矿物晶格解体，释放出可交换的 Al3+。Al3+的水和反应释放出更多的H+，从而加剧土壤酸化。对中国南方47个酸性土壤样品的研究表明，土壤pH与交换性Al的数量呈极显著的负相关（孔晓玲等，1992），这与本研究结果一致。本研究中，虽然只有HN处理显著增加了根际土壤的交换性Al含量及其占总Al含量的比例，但是LN、MN处理也使根际土壤的交换性Al含量呈现上升趋势。与CK处理相比，HN处理也使非根际土壤的交换性Al含量增加了14.98%，但未达到显著水平。这部分解释了本研究中观察到的土壤pH对N添加处理的响应情况。

本研究中，在自然状况下，根际土壤的pH值比非根际土壤高0.56个单位。这与周思婕等（2019）研究的模拟酸雨处理下马尾松根际土壤pH高于非根际的结果一致。根系可以通过根系分泌物来调节根系环境（Siecinska et al.，2016）。N添加处理后，根际土壤pH依然高于非根际土壤，但是根际土壤pH对N添加的响应强度更大，导致根际与非根际土壤pH差异显著缩小。这说明了根际土壤pH对N添加的响应更为敏感，N添加对根际土壤pH的影响更值得关注，因此根际土壤pH的响应代表着N添加和植物调节后的综合效应，对于认识N沉降对植物生长、代谢和区域物种多样性的影响有重要意义。

土壤溶液中 Al的化学过程是很复杂的，许多因素如pH和土壤有机质含量和质量都能影响Al组分。一般来说，总Al的溶解度会随着pH的降低而增加（Street et al.，2007）。本研究中，HN处理下根际土壤有机络合态 Al含量和比例显著提高的原因一方面可解释为HN处理下根际土壤使pH值显著下降了0.76个单位，根际土壤pH与有机络合态Al组分呈显著负相关关系。另一方面，根系可通过分泌有机酸，导致不同形态的 Al组分具有向有机络合态Al转化的趋势。一些植物通过释放螯合Al的有机酸来解毒根际的Al（Ryan et al.，2001）。孙晓等（2013）的研究结果也表明，在集约经营的雷竹林土壤中有机络合态 Al含量随着种植年限的增加而增加。此外，本研究区的土壤pH为3.7，此时土壤pH和Al形态对外界酸输入已经不敏感，所以一些Al组分的变化较小。