增温施肥对农田土壤有机碳和全氮含量及δ13C、δ15N值的影响*

李佳珍,董文旭,陈 拓,胡春胜**

(1.北京大学深圳研究生院 深圳 518055; 2.深圳市海洋发展研究促进中心 深圳 518034; 3.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022; 4.深圳大学中国经济特区研究中心 深圳 518060; 5.深圳市自然资源和不动产评估发展研究中心 深圳 518034)

IPCC 第五次评估报告指出,与1986-2005年相比,全球平均地表温度在21世纪中期将升高0.4～2.6 ℃,在21世纪末将升高0.3～4.8 ℃。全球变暖会影响陆地生态系统的碳氮循环过程,尤其对土壤碳氮库有深远的影响。土壤碳储量大约是空气或植被的3 倍,且土壤有机碳库对气候变化极其敏感,土壤碳库的微小变化都会导致空气中CO浓度的巨大变化,从而对气候变化产生负反馈效应。此外,由增温引起的土壤有机碳的变化会调控氮的有效性,从而影响陆地生态系统的净初级生产力。

近年来,全球变暖对土壤有机碳的潜在影响已经受到很大关注。有研究表明增温会促进土壤有机质的分解,从而导致土壤碳氮的损失。Conant 等通过实验室培养,研究增温对巴西牧场土壤有机碳的影响,发现增温使轻组有机碳分解加快,CO排放增加,从而使土壤有机碳库减少; Basso等通过多模型集合分析发现温度升高3 ℃会导致土壤有机碳和氮损失,从而导致小麦()和玉米()的产量下降。同时,也有学者认为增温会增加土壤有机碳库,例如在南极半岛苔原地区,增温也会使地上生物量增加,从而增加土壤有机碳库; 在青藏高原高寒草甸的研究表明,气候变暖增加了微生物残留物,从而增加土壤有机碳的含量。此外,有研究认为增温对土壤有机碳库影响不大。在美国俄克拉荷马高草大草原的研究表明,增温会改变植物种类组成,降低轻组土壤有机碳含量,但使地上生物量增加,碳输入量和输出量基本平衡,土壤碳库基本不变。可见,土壤有机碳对全球变暖的响应还不十分清楚,需要更进一步探究,尤其是在研究较少的农田土壤。农田土壤是比较活跃的重要有机碳库,有机碳储量除了受自然条件的影响外,还受人类活动的影响,例如施肥和灌溉。有研究表明,施肥和灌溉作为基本的农业管理措施,是影响土壤有机碳库的重要因素。因此,研究增温、施氮和灌溉对农田土壤有机碳库的影响是非常有必要的。

同位素碳氮技术是研究土壤有机碳周转非常重要的手段。土壤有机碳不同组分存在不同的化学组成和周转速率,对全球升温的响应程度不同,而稳定同位素技术可以揭示不同组分有机碳的变化。一般重组有机碳的δC 和δN 值比轻组有机碳高,轻重组有机碳对气候变化响应的不同可能会导致土壤δC 和δN 的不同。一般情况下 土壤δC 和δN升高表明轻组有机碳分解较多 。此外,在土壤有机碳分解过程中,δN 的差异比δC 的差异大,且氮是影响土壤有机碳周转的一个很重要的因素,把碳氮同位素结合起来研究土壤有机碳周转是非常有意义的。但是,目前利用碳氮稳定同位素技术研究增温对土壤有机碳库影响的研究鲜有报道。

因此,为了探究土壤碳氮循环对增温的响应,本试验采用红外辐射加热装置模拟全球变暖,应用自然丰度的碳氮同位素技术,研究了增温、施氮和灌溉对华北平原小麦田土壤有机碳和全氮含量及δC、δN 值的影响,以期为应对全球气候变暖、实现农田土壤固碳减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

增温试验设置于中国科学院栾城农业生态系统试验站。该站位于114°41′E、37°50′N,海拔50 m,属半湿润半干旱季风气候。该站是华北平原高产农区的典型代表,土壤质地为砂壤土,蓄水保肥能力强。土壤表层0～20 cm 土壤有机质、总氮、速效磷和交换性钾含量分别为15 g·kg、1.1 g·kg、15 mg·kg和95 mg·kg。年平均温度为12.2 ℃,月平均气温最高为7月,最低为1月;年降水量为530 mm。2013年冬小麦季大气温度和降雨量如图1 所示。试验站主要栽培作物为冬小麦和夏玉米/夏大豆(),实行一年两熟制。因为红外辐射装置的限制,本试验区在2008-2011年进行冬小麦-夏大豆轮作,2012年夏季未种植大豆,为裸地。

图1 2012-2013年冬小麦季大气温度和降雨量Fig.1 Daily mean air temperature and precipitation during wheat growing season of 2012 to 2013

1.2 试验设计

试验设置增温和施氮两个因素,每个因素包括2个水平,共分为4 个处理,分别为不施氮不增温(N0T0)、不施氮增温(N0T1)、施氮不增温(N1T0)和施氮增温(N1T1)。每个处理设3 个重复。每个小区面积为4 m×4 m。

试验从2008年10月冬小麦季开始实施。每季冬小麦播种前施用尿素,施氮处理N0 和N1 的施氮量分别为0 kg(N)·hm和120 kg(N)·hm,在次年4月追肥时施用同量氮肥。磷肥(过磷酸钙)以底肥的形式在播种前一次性施入65 kg(P)·hm。冬小麦品种为‘石新828’,行距20 cm,播种量为220 kg·hm左右。冬小麦收获后种植大豆,期间施尿素一次,施氮量为75 kg(N)·hm。一般冬小麦季灌溉3 次(当地常规灌溉),大豆季灌溉1 次,每次灌溉量为80 mm。2012年裸地期间不施肥也不灌溉。冬小麦、大豆收获后,残留秸秆均从田间移除。

利用红外辐射加热器对样地(N0T1、N1T1)进行增温。每个增温小区放置2 套增温管,间距1 m,灯管距离地面1.8 m,每套管长2 m。辐射器的最大功率是1000 W·m,小麦生长期内进行24 h 不间断加热,使增温区土壤表层5 cm 温度比对照区高2 ℃。在对应的非增温处理小区内安装与增温区同样的装置,只是不安装红外辐射加热器,以降低设备阴影造成的试验误差。

1.3 测定项目及方法

2013年4月10日灌溉施肥,于3月28日和4月26日,在每个小区0～10 cm 和10～20 cm 土层取土。将土样风干,去除石块和动植物残体后,将样品粉碎过1 mm 筛。称取5 g 风干土样到小烧杯中,加入适量2 mol·L的HCl 溶液,并不断搅拌,使土壤中无机碳与HCl 充分反应,静置1 h 后,再次搅拌溶液使之充分反应,然后静置过夜。倒掉上层清液,再用去离子水洗涤,搅拌,沉淀,倒掉上清液,重复操作,直至上清液pH 呈中性为止。将酸化后的土样在60 ℃烘48 h,烘干后在干燥器中平衡24 h,再将样品粉碎过100 目筛。称取50 mg 粉碎样品用元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪(EA-IRMS)测定土壤有机碳含量、全氮含量、δC 和δN 值。

土壤δC 和δN 值的计算公式如下:

式中:为样品的C/C 或N/N 的比值,为标准的C/C 或N/N 的比值。碳同位素的国际标准物为Pee Dee Belemnite(δC=0.0‰),氮同位素的国际标准物为大气(δN=0.0‰)。

土壤C/N 比的计算公式如下:

式中: C/N 为碳氮比,SOC 为土壤有机碳含量(g·kg),TN 为土壤全氮含量(g·kg)。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 20 进行数据处理和统计分析,Origin 9.0 进行绘图。采用多因素方差分析(ANOVA)对数据进行统计分析,最小显著差异法(LSD)进行多重比较,差异显著水平为＜0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量及δ13C 值的变化

所有处理土壤有机碳含量为7.33～10.83 g·kg(图2)。灌溉前后,所有处理0～10 cm 土层的土壤有机碳含量均高于10～20 cm,但只在灌溉前N1T0 处理中达差异显著水平(＜0.05)。对于两个土层来说,灌溉后,所有处理土壤有机碳含量均有所提升,但大多差异不显著,只有N1T1 处理在0～10 cm 土层提升28%,达显著水平(＜0.05)。灌溉前(图2A),增温处理(N0T1 和N1T1)降低了0～10 cm 土层土壤有机碳的含量,并且N1T1 处理与不增温处理(N0T0 和N1T0)间差异显著(＜0.05); 10～20 cm 土层N1T1 处理显著降低了土壤有机碳的含量(＜0.05),其余3 个处理之间差异不显著。灌溉后(图2B),各土层增温处理(N0T1 和N1T1)的土壤有机碳含量相比于不增温处理(N0T0 和N1T0)虽有降低趋势,但差异不显著。

图2 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增温和施氮处理下不同土层的有机碳含量Fig.2 Contents of soil organic carbon at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

土壤有机碳δC 值为-22.19‰～-21.44‰(图3)。灌溉前后,所有处理0～10 cm 土层的δC 值均较10～20 cm 土层贫化,但差异均不显著。在两个土层,除N0T0 处理外,其余处理灌溉施肥后土壤有机碳的δC 均较灌溉施肥前富集,但差异均不显著。图3A显示,灌溉前,两个土层N1T0 处理的δC 值均较其余3 个处理贫化,但只有0～10 cm 土层达差异显著(＜0.05)。图3B显示,灌溉后,两个土层N1T0 处理的δC 值均较其余3 个处理贫化,在0～10 cm 土层与两个增温处理(N0T1、N1T1)差异显著(＜0.05),在10～20 cm 土层只与N1T1 差异显著(＜0.05),其余处理之间差异不显著。

图3 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增温和施氮处理下不同土层的有机碳δ13C 值Fig.3 δ13C natural abundances at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

2.2 土壤全氮含量及δ15N 值的变化

所有处理土壤全氮含量为0.87～1.07 g·kg(图4)。灌溉前后,各处理0～10 cm 土层全氮含量均高于10～20 cm 土层,并在灌溉前均达差异显著水平(＜0.05),灌溉后在N0T1 处理中差异显著(＜0.05)。对于两个土层来说,灌溉后所有处理土壤全氮的含量均有所提升,但只在N0T1 处理10～20 cm 土层达差异显著水平(＜0.05)。图4A 显示,灌溉前,各土层增温处理(N0T1 和N1T1)均降低了土壤全氮的含量,0～10 cm 土层只有施氮下增温的效果达显著水平(N1T1 显著低于N1T0)(＜0.05),而10～20 cm 土层两个增温处理(N0T1 和N1T1)均与不增温处理(N0T0和N1T0)间差异显著(＜0.05)。图4B 显示,灌溉后,各土层增温处理(N0T1 和N1T1)的土壤全氮含量均低于不增温处理(N0T0 和N1T0),但只有0～10 cm 土层达到差异显著水平(＜0.05)。

图4 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增温和施氮处理下不同土层的全氮含量Fig.4 Contents of soil nitrogen at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

各处理土壤δN 值为6.03‰～8.22‰(图5)。灌溉前后,各处理0～10 cm 土层δN 值均较10～20 cm土层贫化,但灌溉前只有N0T0 和N1T0 处理达显著水平(＜0.05),灌溉后除N0T0 处理差异不显著外,其余处理均达显著水平(＜0.05)。对于两个土层来说,N0T0 和N0T1 处理灌溉后土壤δN 较灌溉前富集,而N1T0 和N1T1 处理灌溉后较灌溉前贫化,但均未达到差异显著水平。图5A 显示,灌溉前,各土层增温处理(N0T1 和N1T1)的δN 值均比不增温处理(N0T0 和N1T0)富集,但只有0～10 cm 土层N0T0 处理与增温(N0T1 和N1T1)处理差异显著(＜0.05)。图5B 显示,灌溉后,各土层增温处理(N0T1 和N1T1)的δN 值均比不增温处理(N0T0 和N1T0)富集,0～10 cm 土层仅N0T1 和N1T0 处理间差异显著(＜0.05),而10～20 cm 土层增温处理(N0T1 和N1T1)均与N1T0 处理差异显著(＜0.05)。

图5 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增温和施氮处理下不同土层的δ15N 值Fig.5 δ15N natural abundances at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

2.3 C/N 比

各处理土壤C/N 比为8.10～9.73(图6)。灌溉前后,除灌溉后N0T1 处理外,其余处理0～10 cm 土层的土壤C/N 比均高于10～20 cm 土层。对于两个土层来说,灌溉后会提升所有处理的土壤C/N 比,但只有0～10 cm 土层两个增温处理(N0T1 和N1T1)和10～20 cm 土层N1T1 处理达显著水平(＜0.05)。图6A显示,灌溉前,0～10 cm 土层N0T1 处理土壤C/N 比最高,N0T0 和N1T0 处理次之,N1T1 处理最低; 除两个不增温处理(N0T0 和N1T0)之间差异不显著外,其余处理间差异均达显著水平(＜0.05)。10～20 cm土层土壤C/N 比与0～10 cm 变化趋势相同,除两个不增温处理(N0T0 与N1T0)之间和两个施氮处理(N1T0 与N1T1)之间差异不显著外,其余处理之间差异均达显著水平(＜0.05)。图6B显示,灌溉后,两个土层所有处理间均无显著性差异。

图6 2013年灌溉前(3月28日,A)和灌溉后(4月26日,B)不同增温和施氮处理下不同土层的碳氮比Fig.6 C/N ratios at two depths before(on March 28,A) and after(on April 26,B) irrigation under different fertilization and warming treatments in 2013

3 讨论

3.1 土壤有机碳及δ13C 值

本研究发现,随着土壤深度增加,有机碳含量呈降低的趋势,δC 呈富集的趋势,但差异不显著。有研究发现,土壤有机碳含量随土壤深度的增加而降低,δC 随土壤深度的增加而富集,主要因为表层土壤有新碳的输入,如小麦秸秆残留和根茬残留,同时C3 植物的δC 值在-27‰左右,远小于土壤本底的δC 值,造成土壤表层土壤有机碳含量较高且δC 值较低。但是深层土壤新碳输入较少,有机碳分解较彻底,重组碳的比例相对较大,并且重组碳的δC 值比新碳富集,造成深层土壤δC 值升高。而在本研究中,随土壤深度增加,土壤有机碳含量和δC 值未达到差异显著水平,可能是因为土壤有机碳和δC 较为稳定,5年的试验还不足以产生差异显著性,长期的影响有待进一步研究。

增温降低了土壤有机碳的含量,并在施氮条件下提升了δC 值,这说明施氮增温的交互作用会加快土壤有机碳的分解。有研究表明,增温加快了土壤有机碳的矿化,因为增温有可能加快土壤微生物的呼吸,从而加快土壤CO的排放。并且,在与本试验相同条件下,Liu 等的研究结果表明增温施氮会降低土壤有机碳含量。但是,也有研究结果与我们不同。Zhu 等连续5年增温处理轻微降低了高寒草地表层(0～10 cm)土壤有机碳含量,但是对深层土壤(30～40 cm)的影响相反。也有研究结果表明,连续5年增温对西藏高寒草甸土壤有机碳含量无显著影响。有研究表明,增温会加快土壤呼吸,加速土壤活性有机碳的分解,从而降低土壤活性有机碳含量。而土壤活性有机碳的δC 值一般比较贫化,当增温加快土壤活性有机碳分解时,造成轻组碳分解较多,重组碳的比例增加,从而导致δC 值富集。本研究发现,在施氮条件下,增温会提升土壤有机碳的δC 值,可能是因为增温施氮的交互作用更有利于土壤有机碳的矿化,从而造成更多轻组碳的分解。但也有研究表明,长期田间增温有利于稳定土壤有机碳的分解,而对土壤活性有机碳几乎没有影响。如Lin 等利用碳同位素区分土壤CO排放的来源,结果表明老碳分解产生的CO占土壤CO排放总量的很大一部分; 在俄克拉荷马州一个高草草原生态系统的长期试验表明,气候变暖增强了深层底土中老碳的分解。本研究中,施氮不增温(N1T0)处理土壤有机碳的δC 值与其余处理相比较贫化,可能因为施氮后植物碳对土壤的输入增加,导致施氮不增温处理土壤有机碳中新碳的比例较大。灌溉对土壤有机碳含量和δC 值影响较小,可能是因为灌溉前后时间较短,且土壤有机碳和δC 均较稳定,在短时间内不会有较大的变化。

3.2 土壤全氮及δ15N 值

土壤全氮含量和δN 值的变化也能反映土壤有机碳的动态过程。与土壤有机碳变化相似,深层土壤全氮含量比表层低,同时土壤δN 值比表层富集,这与前人的研究结果一致。土壤表层的δN 值较低,主要是因为植物凋落物(3‰～4‰)和根系的δN 值(2‰～4‰)比土壤的低,所以相对贫化的δN值的凋落物和根系沉积到土壤中会造成表层土壤δN 值降低。同时,由于土壤氮的吸收和损失过程伴随着各种稳定同位素分馏过程,δN 富集的化合物会优先保存下来,造成土壤δN 值随土壤深度增加而升高。但是,如果植物对深层土壤氮的利用增加,将会导致植物叶片生物量对重氮(N)的吸收,从而使叶片中的δN 值更高,在返回土壤时,也会在表层土壤中产生更高的δN 值。

增温降低了土壤全氮含量,同时提升了δN 值,这表明增温会加快氮循环,从而增加土壤中氮的损失。Tang 等在水稻()田进行的连续5年增温试验表明,增温显著降低了土壤全氮含量,与本研究结果相同。还有研究表明,增温有利于植物对土壤氮的吸收,进而导致土壤全氮减少。但也有研究表明,增温对土壤全氮含量几乎没有影响,但对不同形态碳影响不同,降低了表土中闭蓄态颗粒有机物(oPOM)和底土中游离态颗粒有机物(fPOM)中全氮的含量。增温造成土壤δN 值富集,可能是因为增温加快土壤氮的矿化及硝酸盐淋溶,从而造成土壤氮的损失。此外,有研究表明,土壤有机质的分解通常导致δN 的富集,因此,本研究中增温土壤的δN 高于对照土壤,说明增温土壤中的有机质分解速度高于对照土壤。灌溉会提升土壤全氮的含量,但差异不显著。有研究表明,全氮含量随施氮量的增加而增加,随灌溉量的增加而降低,因为较高的土壤含水量促进微生物的生长和代谢活动,提高氮素利用率,从而降低全氮含量。灌溉后,δN值变化不显著,可能是因为一次的灌溉不会引起较为显著的变化。

4 结论

在全球气候变暖的背景下,本研究通过连续5年田间模拟增温试验,研究了灌溉前后增温和施氮处理对土壤有机碳、全氮含量及δC、δN 值的影响,发现: 1)增温降低了土壤有机碳含量,表明未来气候变暖可能会加快土壤有机碳分解; 在增温施氮条件下,不仅有机碳含量降低,同时土壤δC 值升高,表明增温施氮条件下会造成更多轻组有机碳分解。未来研究中,应该重视多因素的交互作用对土壤碳循环的影响。2)增温降低了土壤全氮含量,提升了土壤δN 值,表明气候变暖会加快土壤氮素分解,不利于土壤保氮。3)灌溉虽然在短期内并未对土壤有机碳、全氮含量和δC、δN 值产生显著影响,但其长期影响还需进一步探究。