模拟酸雨对我国亚热带森林土壤有机碳矿化的影响研究

2022-05-25程锦萍王鹭唐志珍史文竹李庆项剑王艮梅张焕朝

农业资源与环境学报 2022年3期

程锦萍，王鹭，唐志珍，史文竹，李庆，项剑，王艮梅，张焕朝

（南京林业大学南方现代林业协同创新中心，南京林业大学林学院，南京 210037）

酸雨（Acid rain）指pH<5.60 的降水，可分为硫酸型、硝酸型和混合型三种。我国目前的酸雨类型逐渐由以硫酸型为主转变为以混合型为主[1-2]，受酸雨污染的面积约占国土面积的40%[3]，其中以亚热带地区最为严重[4]，且随着工农业的发展，SO2、NOx排放不断增加，污染面积进一步扩大[5]。在酸雨的淋溶作用下，森林植被的叶片遭腐蚀，叶肉细胞受损导致光合作用减缓。此外，土壤pH下降导致土壤逐渐酸化，土壤结构及理化性质的变化、养分的流失对土壤微生物活动、土壤呼吸速率和植物生长发育状况均产生重要影响[6]，使得碳循环和转化发生改变，最终影响土壤有机碳封存[7]。

土壤作为陆地生态系统中最大的有机碳库[8-9]，其细微的变化会对生态系统的碳平衡和温室效应造成显著的影响。土壤呼吸碳排放是陆地生态系统碳循环中仅次于总光合作用的主要途径[10]，其中土壤有机碳转化和凋落物的分解起到至关重要的作用。凋落物的分解是森林生态系统中林木养分归还土壤的重要途径[11-13]，其影响因素主要包括凋落物本身性质[14]、微生物活动[15]、酶活性[16]和环境因子等。不同树种叶片的碳、氮含量存在差异，一般而言，阔叶树种凋落叶片分解易于针叶树种，碳氮比越小越易分解[17]；而温度[13]、pH[18]、降水和氮沉降[19]等因素会对凋落物的分解起到促进或抑制的作用。同时，不同土壤微生物对土壤酸化的耐受性不同，不同凋落物对H+的缓冲能力也因其类型的不同而不同，因而对酸雨的响应差异较大[20]。南京地区酸雨中与浓度的比值逐年下降[21-22]，而氮元素的输入可能会降低碳氮比[23]，从而促进林地凋落叶片分解。

近年来，关于酸雨对土壤理化性质和植物生长发育影响的研究报道相对较多，而其对凋落物分解、土壤呼吸的影响还存在较大争议，研究结果呈现促进作用[24]、抑制作用[25]、先促进后抑制[4]或无显著性影响[16]等，差异较大，仍需进一步研究。本研究以添加凋落物的酸性、碱性土壤为研究对象，通过室内培养试验模拟不同酸雨处理下土壤CO2的排放，探究酸雨对凋落物分解和土壤呼吸的影响，为制定森林土壤应对酸雨沉降的措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土壤样品取自南京紫金山北麓枇杷林地和女贞林地（32°04′ N，118°48′ E），本地区属亚热带季风气候，四季分明，年平均降水量达1 106.5 mm。2019 年4 月，在两处林地各随机选取三点采集表层（0～20 cm）土壤，分别等量混合，一部分用于测定理化性质，一部分进行为期1 个月的培养试验。试验中添加的凋落物选取采样地主要树种的新鲜凋落叶片，分别为枇杷（Eriobotrya japonica）叶片、女贞（Ligustrum lucidum）叶片，带回实验室洗净，于40 ℃烘干后粉碎备用。

土壤有机碳（SOC）测定采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法；全氮（TN）测定采用凯氏定氮法；pH值的测定选用电位法。叶片有机碳采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法；全氮用浓H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法进行测定。具体步骤参见文献[26]。土壤与凋落叶的基本性质见表1。

表1 土壤和凋落叶的基本性质Table 1 Properties of the soil and leaf litter

1.2 试验设计

试验共分为10 组处理，每组处理设置3 个重复。取5 组250 mL 的培养瓶，分别加入50 g 风干后过2 mm 筛孔的枇杷林地土壤，从中随机选取1 组加入20 mL去离子水作为对照（SCK），其余4个处理在50 g土壤的基础上依次添加5 g 枇杷凋落叶片，与土壤充分混匀，并分别加入20 mL 去离子水（ST0）、T1 溶液（ST1）、T2 溶液（ST2）、T3 溶液（ST3）。同理，取5 组50 g风干后过2 mm 筛孔的女贞林地土壤，随机选取1组加入20 mL 去离子水作为对照（NCK），其余4 组处理在50 g 土壤的基础上依次添加5 g 女贞凋落叶片，与土壤充分混匀，并分别加入20 mL去离子水（NT0）、T1溶液（NT1）、T2溶液（NT2）、T3溶液（NT3）。

培养瓶用保鲜膜封口，扎小孔以保持瓶内空气流通，放置于25 ℃的恒温培养箱中进行避光培养，每隔3 d 补充去离子水以保持适宜的土壤含水量（40%）。

1.3 CO2排放通量的测定

分别于培养的第1、3、5、7、10、15、20、31 天测定CO2排放通量。采用岛津GC-2014B 气相色谱仪测定CO2浓度，检测器为氢气火焰离子（FID）检测器，载气为氮气，氢气为燃气，以空气助燃。气体测定前将培养瓶的保鲜膜换成硅胶塞形成密封环境，随即从瓶中抽取1 mL 气体以测定CO2浓度，密封培养3 h 后进行第二次测气，测定后换回原先的保鲜膜放置于培养箱继续培养。

通过测气当日2 次CO2浓度差值与时间间隔（3 h）的斜率计算出各处理下CO2排放通量，计算公式[27]如下：

式中：F为CO2排放通量，mg·kg-1·h-1；ρ为标准状态下CO2的密度（1.964 kg·m-3）；ΔC为CO2浓度差，µg·kg-1；Δt表示采气的时间间隔，3 h；V代表培养瓶的有效体积，250 mL；T为培养温度，℃；m为土壤样品质量，kg。

CO2累积排放量的计算公式[27]为：

式中：M为CO2累积排放量，g·kg-1；F为CO2排放通量，mg·kg-1·h-1；i表示采气次数；t为培养天数。

凋落叶碳的总分解量的估算采用差减法，计算公式为：

式中：P为凋落叶C 分解量，g·kg-1；M为CO2累积排放量，g·kg-1；Mj表示不同处理下CO2累积排放量，g·kg-1；M0表示未添加凋落叶的对照组CO2累积排放量，g·kg-1；m1和m2为添加的土壤和凋落叶质量，kg。

1.4 数据处理

用Excel 2010 对数据进行整理分析，采用SPSS 20.0 的单因素方差分析（ANOVA）和最小显著差异法（LSD）进行多重比较，分析不同处理在P<0.05 和P<0.01水平下的差异显著性，并用Origin 2019制图。

2 结果与分析

2.1 CO2排放通量的动态变化

为期1 个月的室内培养试验期间，不同处理下枇杷林地碱性土壤CO2排放通量呈先减小后增大最终减小并趋于稳定的变化（图1）。培养1 d时，ST1处理的CO2排放通量最高，达9.18 mg·kg-1·h-1，与其他各组均有显著差异（P<0.05），约为ST0 的2.05 倍，是SCK 的3.79 倍。培养15 d 后，各处理CO2排放通量均达到峰值，最高为ST3，达17.03 mg·kg-1·h-1，分别为ST0、SCK、ST1 和ST2 的1.31、2.17、1.38 和1.21 倍，重度酸雨ST1抑制了CO2的释放。总体而言，ST0的CO2排放通量均值为3.42 mg·kg-1·h-1，显著高于SCK（P<0.05），枇杷凋落叶的添加促进了CO2排放；而不同程度酸雨处理（ST1、ST2、ST3）的CO2平均排放通量均显著高于ST0，模拟酸雨促进了土壤CO2排放。

图1 模拟酸雨处理对枇杷林土壤CO2排放通量的影响Figure 1 Effects of simulated acid rain treatments on soil CO2 emission flux in Eriobotrya japonica forest

而对于女贞林地酸性土壤而言，不同酸雨处理下的CO2排放通量则呈现先增大后减小的趋势（图2）。重度酸雨NT1 处理在培养过程中明显抑制了CO2排放，培养15 d 时的排放通量仅为2.11 mg·kg-1·h-1，显著低于其他酸雨处理（P<0.05），且在培养20 d时表现为极显著差异（P<0.01）。而NT3 处理下CO2排放通量较高，培养15 d时达到峰值，排放通量为17.46 mg·kg-1·h-1，分别为NT0、NCK、NT1 和NT2 的1.26、4.06、8.27 和1.95 倍。与NCK 相比，添加女贞凋落叶片（NT0）对CO2排放的促进作用主要发生在培养中期，尤其在15 d 时显著增加了CO2的排放通量（P<0.05）。总体而言，CO2排放通量均值为1.57～4.82 mg·kg-1·h-1，表现为NT3>NT0>NT2>NCK>NT1，与NT0 相比，NT3 处理显著促进了CO2排放，而重度酸雨处理（NT1）则对CO2排放有极显著的抑制作用。

图2 模拟酸雨处理对女贞林土壤CO2排放通量的影响Figure 2 Effects of simulated acid rain treatments on soil CO2 emission flux in Ligustrum lucidum forest

2.2 CO2累积排放量变化

枇杷林地碱性土壤在培养初期CO2排放量较少，且ST1 处理显著高于其他处理（图3）。培养1个月后各处理CO2累积排放量为1.67～3.35 g·kg-1，表现为ST3>ST2>ST1>ST0>SCK。相比SCK而言，添加枇杷凋落叶的处理均显著增加了CO2累积排放量（P<0.05），且随时间的推移差异逐渐变大。同时，与ST0（2.87 g·kg-1）相比，模拟酸雨处理（ST1、ST2 和ST3）均促进了CO2的释放，其中，ST3处理显著高于ST0（P<0.05），促进作用最大；而ST1、ST2的累积排放量分别达到3.21、3.26 g·kg-1，但与ST0差异不显著。

图3 枇杷林地土壤CO2的累积排放量Figure 3 Cumulative CO2 emission from soil of Eriobotrya japonica forest

女贞林地酸性土壤的CO2累积排放量对不同强度的酸雨响应结果相差较大（图4）。培养1个月后各处理CO2累积排放量为0.99～3.90 g·kg-1，表现为NT3>NT0>NT2>NCK>NT1，其中，NT3 的CO2累积排放量约为NT1 的4 倍，二者的差值达2.91 g·kg-1，差异极显著（P<0.01）。相比于NCK 而言，添加女贞凋落叶的处理NT0 前期抑制了CO2的释放，培养20 d 后则表现为促进作用，但最终并未显著增加CO2的累积排放量。同时，与NT0（3.01 g·kg-1）相比，NT3、NT2 处理对CO2累积排放量的促进或抑制均未达显著水平（P>0.05），而NT1（0.99 g·kg-1）处理则显著抑制了CO2的释放。

图4 女贞林地土壤CO2的累积排放量Figure 4 Cumulative CO2 emission from soil of Ligustrum lucidum forest

本研究中，酸性土和碱性土的本底CO2累积排放量相差不大，且添加凋落叶后的变化趋势一致，分别增加了41.20%和71.72%。然而，不同pH模拟酸雨处理对二者CO2排放的影响差异较明显。CO2累积排放量均在酸度最低的T3 处理（pH 5.55）最高，酸性土和碱性土分别较纯水处理（T0）增加了29.58% 和16.62%。而pH 3.67 的酸雨条件下，酸性土的CO2排放较纯水处理降低了15.23%，碱性土则上升了13.62%。强酸性T1 处理（pH 1.65）下，两种土壤的CO2排放差异进一步扩大，其中，酸性土的CO2排放较纯水处理下降67.00%；而碱性土则较纯水处理上升了约11.69%，达3.21 g·kg-1，为酸性土（0.99 g·kg-1）的3.24倍。由此可见，不同强度酸雨对酸性和碱性土壤CO2排放的影响不同。

2.3 凋落叶的总分解量对不同模拟酸雨处理的响应

室内培养1个月后，枇杷林地碱性土壤中添加的枇杷凋落叶在不同程度的酸雨作用下损失碳的总量约为3.27～4.57 g·kg-1，表现为ST3>ST2>ST1>ST0（图5a）。与ST0 相比，模拟酸雨处理（ST1、ST2、ST3）均增加了枇杷凋落叶的分解。其中，ST3处理下的碳分解量达4.57 g·kg-1，是ST0 的1.40 倍，二者差异显著（P<0.05）；而ST1（4.19 g·kg-1）、ST2（4.34 g·kg-1）虽在一定程度上也促进了叶片的分解，但与ST0差异未达显著水平。

酸性土壤女贞凋落叶的分解量则表现为NT3>NT0>NT2>NT1 的规律（图5b）。其中，NT1 处理的女贞凋落叶碳损失量为-3.10 g·kg-1，极显著地抑制了土壤中女贞凋落叶的分解（P<0.01），说明重度酸雨有效地增加了土壤有机碳的累积。NT3 处理的女贞凋落叶碳损失量最大，达4.82 g·kg-1，显著高于NT2（1.14 g·kg-1，P<0.05），但与NT0（2.40 g·kg-1）差异未达显著水平。总体而言，酸性土壤中凋落叶的分解量随着酸雨pH的升高而增加。

图5 模拟酸雨处理对枇杷和女贞凋落叶分解C损失量的影响Figure 5 Effects of simulated acid rain treatments on decomposition C loss of leaf litter of Eriobotrya japonica and Ligustrum lucidum

3 讨论

3.1 不同处理对CO2排放的影响

本研究中，相对于CK而言，凋落叶添加处理促进了土壤CO2排放，尤其是对碱性土壤促进作用明显，其CO2累积排放量显著提高。这与WANG 等[28]的研究结果一致，凋落物分解产生的CO2对土壤呼吸的贡献达33%。添加凋落叶增加了土壤微生物的碳源供应[29]，对土壤原有有机碳的矿化起到了“激发效应”，且凋落叶本身的分解也会产生大量CO2[30]，从而明显增加CO2的排放。

然而，凋落叶添加后的土壤CO2排放随模拟酸雨强度的差异表现出不同的变化规律，这可能与酸雨pH、土壤本身性质、凋落叶分解特征有关。但无论是酸性土壤还是碱性土壤，轻度酸雨（pH5.55）处理下的CO2排放通量均在培养15 d 时出现最大值，且累积排放量高于其他处理。研究表明，弱酸环境会提高土壤微生物的群落多样性[4]，随着微生物活动程度加大，叶片的易分解物质不断被分解，从而使得产生的CO2排放量迅速增多。总体而言，短期的低强度酸雨不一定会显著抑制土壤呼吸，反而有可能促进CO2排放[3]。而重度酸雨（pH 1.65）对两种土壤的影响差异较大，因土壤对H+的缓冲能力随其酸碱性不同而有所差异，碱性土壤受酸雨影响较小，pH 下降较为缓慢[31]；相反，酸性土壤因其对H+的缓冲能力有限，土壤pH值变化较大[32]，重度酸雨会使土壤酸化，而H+过多会对微生物产生毒害作用[33]，导致土壤微生物种类、结构和活性的改变，从而抑制土壤有机碳的矿化和凋落物的分解，降低CO2的释放[21]。

3.2 凋落叶分解特征差异

本研究中，凋落叶分解后以CO2排放形式损失的碳量因土壤酸碱性不同而有明显差异。其中，不同强度的酸雨均增加了碱性土壤枇杷凋落叶分解的碳损失量，且pH 5.55 的酸雨处理最为明显。这可能是由于轻度酸雨为碱性土壤中微生物活动创造了适宜的环境，从而加快了凋落叶的分解速率[4]。

而酸性土壤中，女贞凋落叶分解的碳损失量对不同酸雨的响应不同。轻度酸雨（pH 5.55）对凋落叶分解有一定的促进作用，而重度酸雨（pH 1.65）则明显抑制了凋落叶分解。因为，随着酸雨酸性的增强，输入土壤中的H+不断增加，进而加重土壤酸化程度，导致微生物活性受到抑制，从而减缓凋落叶的分解速率[2]。相关研究表明，不同酸雨处理会降低凋落物分解，抑制土壤呼吸和微生物活性[21]，但土壤总有机碳含量会显著上升[8]。WU 等[25]通过长期模拟试验证实，不同酸雨对凋落物的养分释放有延缓作用，可显著降低土壤微生物量和凋落物的分解速率，促进有机碳的积累，对亚热带森林土壤有机碳固存具有重要意义。

酸雨强度、微生物活动和土壤类型都可能是导致凋落叶分解碳损失量出现差异的原因，故酸雨中H+对凋落物分解的影响取决于森林生态系统中土壤理化性质[34]。此外，酸雨本身并不影响凋落物碳、氮释放，而土壤碳、氮的减少可能与酸雨沉降和土壤微生物的取食偏好有关[5]。