易分解有機碳對不同恢復年限森林土壤激發效應的影響

丘清燕,姚快樂,劉 駿,*,葛志強,許文斌,劉紅曉,胡亞林

1 福建農林大學林學院森林生態穩定同位素研究中心,福州 350002 2 中國科學院華南植物園,中國科學院退化生態系統植被恢復與管理重點實驗室,廣州 510650

土壤有機碳庫是陸地生態系統最大的碳庫,其微小的改變都將引起大氣中CO2濃度的急劇改變[1]。外源易分解有機物的輸入可以加快或減緩原有土壤有機碳(SOC)的礦化,即形成正或負激發效應[2]。當前大量的研究表明,易分解有機物添加加快原有土壤有機碳的分解(即,產生正激發效應)[3- 5],但也有些研究結果顯示易分解有機物對土壤有機碳分解沒有影響[6]或是減緩土壤有機碳分解(即,負激發效應)[7]。雖然傳統的觀點認為,土壤激發只能持續相對較短的時間,但是近期研究發現,即便添加的易分解有機物被完全分解后,激發效應仍可以持續數周甚至數個月,并最終影響土壤碳平衡[8-9]。在植物-土壤系統中,由于凋落物、根系分泌物以及土壤微生物的裂解死亡都源源不斷地向土壤中輸入新鮮易分解有機物。因而,研究植物-土壤系統中易分解有機物輸入對土壤有機碳礦化的影響,對于評估與預測土壤碳庫的穩定性具有重要的意義。

當前大多數研究認為,雖然土壤激發效應是由易分解有機物輸入誘導的,但是激發的強度與方向受土壤養分(尤其是土壤氮)可利用性的控制[3,10-11]。在研究土壤氮可利用性對土壤激發效應影響時,絕大多數研究都直接向土壤中添加可利用氮[3,11]。這就導致微生物在利用這部分氮時與微生物通過分解土壤復雜有機質獲得氮素在氮的獲取方式上有所不同,無法模擬實際條件下鑲嵌在復雜土壤有機質中養分元素的實際狀況[12]。因而,根據土壤養分可利用性的自然變化梯度來研究土壤養分可利用性的變化對土壤激發效應的影響顯得更具有實際意義。處于同一恢復系列不同恢復階段的森林土壤具備上述這一特征,而且同一恢復系列也將土壤形成因子(母質、氣候、植被、地形、時間)的變異減小到了最低限度,是研究土壤養分可利用性變化對土壤激發效應影響的一個極好的模式系統[13]。

福建省長汀縣是中國南方紅壤地區的典型水土流失區,該區曾因為植被稀少、山嶺裸露、氣候炎熱,而被稱之為“火焰山”[14]。自20世紀80年代以來,當地開展大量的水土保持與生態恢復實踐,使得治理區植被覆蓋率顯著提高[15]。在植被恢復過程中,由植物凋落物或是根系分泌物向土壤中輸入的易分解有機物隨之增加[16],而且凋落物的歸還也進一步改變了土壤碳、氮、磷等養分狀況,使得處于不同恢復階段森林土壤的碳氮磷化學計量特征呈現明顯的差異性[17]。那么,在植被恢復過程中,易分解有機碳的輸入將對不同恢復階段具有不同養分特征的土壤有機質的分解有何影響仍不清楚。而且,當前有關激發效應的研究中少有關注易分解有機碳對不同時間序列侵蝕紅壤恢復區森林土壤激發效應影響的研究,這也限制了我們對該地區不同恢復年限森林土壤碳庫穩定性的認識。

鑒于此,本研究擬以福建省長汀縣具有相似立地條件和樣地情況的不同恢復年限(裸地、5年、15年、30年)馬尾松林以及天然林為研究對象,通過向土壤中添加13C標記葡萄糖來研究易分解有機碳輸入對不同恢復年限森林土壤激發效應的影響,探明處于不同恢復階段森林土壤有機碳的分解對易分解有機碳輸入的響應是否存在差異,這種差異是否與不同恢復階段土壤養分狀況改變有關?研究結果將為預測植被恢復過程中易分解有機物輸入對土壤碳庫和碳循環的影響提供數據支持,以便更好地進行森林生態系統碳管理。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗土壤于2017年8月29日采自福建省長汀縣河田鎮(116°18′—116°31′E,25°33′—25°48′N),該地區屬于典型的中亞熱帶季風氣候區,年平均降水量約1737 mm,年平均溫度17.5—18.8℃[17]。河田鎮屬河谷盆地,海拔300—500 m。土壤為中粗粒花崗巖發育的紅壤,抗蝕能力低。該地區地帶性植被為常綠闊葉林,不同恢復階段森林植被以馬尾松為主。本研究采集土壤有未經治理的來油坑裸地,經過治理的恢復年限為5年、15年與30年的馬尾松林以及當地村民為保護風水而得以保存下來的天然林,天然林估計林齡在70—110年左右。不同恢復年限馬尾松林的本底條件與未治理地基本相似。

1.2 土壤樣品的采集

土壤樣品采集時在每種恢復樣地選擇3個有代表性的樣地,進行多點采樣,采集0—20 cm土層的土壤,并將來自同一恢復樣地的土壤均勻混合,過2 mm篩,剔除石粒和根系。一部分土壤樣品風干后測定土壤pH、有機碳與全氮含量,另一部分土壤用于室內培養實驗。供試土壤基本理化性質見表1。

表1 不同恢復階段森林土壤理化性質

1.3 研究方法

1.3.1室內培養

稱取相當于干土重40 g的鮮土于玻璃培養瓶中(瓶高h=11 cm,半徑r=3.5 cm),用去離子水調節土壤水分含量到田間持水量的60%。每個恢復階段的森林土壤設置2個處理(添加99%13C標記葡萄糖與不添加葡萄糖),每個處理3個重復,并設置4次破壞性取樣,即總培養數為120個。將裝好土的培養瓶放在25℃恒溫培養箱中預培養7 d,使土壤中的微生物比較穩定。預培養后向實驗組添加1 g/kg13C標記葡萄糖 (相當于0.4 g C/kg),葡萄糖以溶液的形式添加,添加時將葡萄糖溶液(4 mL)均勻滴在土壤表面上。對照組添加等量的去離子水,并蓋上帶有孔隙的培養瓶蓋子,使培養過程保持通氣狀態。然后把培養瓶再次放入25℃恒溫生化培養箱內培養59 d。為了確保培養瓶中水分穩定每隔5 d采用稱重法補充水分。在本實驗中裸地、5年、15年、30年馬尾松林以及天然林不添加和添加葡萄處理依次表述為B,BG,5F,5FG,15F,15FG,30F,30FG,NF,NFG。

1.3.2氣體采集與測定

在氣體采集的前1 h將各培養瓶的蓋子打開,使其與周圍環境空氣混合均勻。 取樣時,密封瓶口,用注射器抽取玻璃瓶內的氣體5 mL,隔1 h后,再抽取第二針氣體。本實驗培養周期為59 d,分別在葡萄糖添加后的第1、2、4、5、7、9、13、21、29、39、48、54 d和59 d進行氣體采集,累計采樣13次。在采集完兩次氣體樣品(10 mL)之后再采集200 mL的同位素氣體樣品,并將其注入到提前抽好真空的氣袋里。

CO2濃度的測試分析采用氣相色譜法(島津Shimadzu, GC- 2014C, Japan)。CO2檢測器為氫火焰離子檢測器(FID),載氣為高純度的N2,流速為30 mL/min,H2為燃氣,流速為30 mL/min,空氣為助燃氣,流速為400 mL/min,檢測器溫度為200℃,分離柱溫度為55℃。CO2氣體的δ13C同位素值采用同位素比值質譜儀法進行測定(IRMS, Isoprime 100, UK)。

1.3.3氣體通量的計算

(1)

式中,F為土壤CO2排放通量,M為氣體的摩爾質量(g/mol),V0為標準狀態下(溫度273 K,氣壓101.3 kPa)氣體摩爾體積(22.41 L/mol),T0和P0分別為標準狀態下空氣的絕對溫度和氣壓,P為采樣時氣壓,T為采樣時的絕對溫度,dCt/dt為觀測時間內培養瓶內氣體濃度隨時間變化的直線斜率,正值表示排放,負值表示吸收,H為培養瓶瓶口到培養土壤的高度,r表示培養瓶半徑,m表示干土質量。

(2)

式中,Fi表示連續兩次采樣時CO2氣體平均排放通量(單位為μg C/kg/h),Di表示采樣的間隔天數(d),n表示采樣次數。

1.3.4不同來源碳對CO2排放的貢獻

土壤排放的總CO2中來自葡萄糖的比例

(3)

式中,f表示葡萄糖來源CO2排放占土壤總CO2排放的比例,其中δp表示葡萄糖的δ13C值,δck表示未添加葡萄糖土壤排放的CO2的δ13C值,δt表示添加葡萄糖土壤排放的CO2的δ13C值。

土壤有機碳來源CO2的排放比例=1-f

土壤激發效應PE=[CO2-C]t-[CO2-C]ck

式中,[CO2-C]t表示葡萄糖處理下來自土壤有機碳礦化的CO2排放速率;[CO2-C]ck表示未添加葡萄糖的土壤的CO2排放速率;

PEi表示連續兩次采樣時土壤激發效應平均值(單位為μg C/kg/h),Di表示采樣的間隔天數(d),n表示采樣次數。

采用一級動力學方程對土壤有機碳來源CO2的排放進行模擬。Ct=C0(1-e-kt),式中Ct表示t時刻的累積碳礦化(mg/kg),C0表示潛在礦化碳(mg/kg),k指的是分解速率常數。

1.3.5土壤理化分析

1.4 統計分析

采用SPSS 16.0 (SPSS, Chicago, IL, USA)進行統計分析。用ANOVA最小顯著性差異法(LSD)分析葡萄糖添加對不同恢復階段森林土壤不同來源CO2排放、MBC、DOC以及土壤可利用氮的影響。用線性回歸方程擬合了土壤可利用氮變化與土壤累積激發效應的回歸關系。統計顯著性水平設置為P<0.05。作圖采用SigmaPlot 12.5 (Systat Software Inc., California, USA)。

2 結果與分析

2.1 CO2排放

土壤總CO2與土壤有機碳來源CO2的排放模式相似。即,隨著恢復年限的增加呈現先增加后下降的趨勢(圖1)。15年馬尾松林土壤有機碳來源CO2的累積排放量最高((913±33) mg/kg),其排放量分別是裸地、5年、30年馬尾松林以及天然林土壤累積礦化量的17、4、2倍和2倍(圖1)。葡萄糖添加對各恢復階段森林土壤有機碳來源CO2排放的影響程度因不同恢復階段而異。葡萄糖的添加顯著降低了15年馬尾松林土壤有機碳來源CO2的排放,使其排放量減少了10%±1%。然而,葡萄糖的添加卻顯著促進了裸地與5年馬尾松林土壤有機碳來源CO2的排放,使其排放量分別提高了131%±27%與25%±5%。葡萄糖的添加雖然降低了30年馬尾松林與天然林土壤有機碳來源CO2的排放,但是差異并未達到顯著水平(P>0.05)。采用一級動力學方程對土壤有機碳來源CO2排放量進行模擬,結果發現,15年馬尾松林具有最大的潛在碳礦化量,其次為天然林、30年馬尾松林、5年馬尾松林以及裸地(表2)。葡萄糖的添加顯著降低了15年馬尾松林與天然林的潛在碳礦化量,但是顯著提高了裸地、5年馬尾松林及天然林土壤有機碳的分解速率常數(表2)。

圖1 不同土壤碳源累積CO2-C排放動態 (平均值±標準誤,n=3)Fig.1 Dynamics of cumulative CO2-C emission derived from different carbon sources (means±SE, n=3)B：裸地 Bare soil;BG：裸地+葡萄糖 Bare soil + glucose;5F：5年松林 5-year-old pine forest; 5FG：5年松林+葡萄糖 5-year-old pine forest + glucose;15F：15年松林 15-year-old pine forest; 15FG：15年松林+葡萄糖 15-year-old pine forest + glucose;30F：30年松林 30-year-old pine forest;30FG：30年松林+葡萄糖 30-year-old pine forest + glucose;NF：天然林 Natural forest;NFG：天然林+葡萄糖 Natural forest + glucose

處理Treatment潛在碳礦化量/(mg/kg)Potential mineralizable carbon分解速率常數/dDecomposition constants裸地 Bare soil101.23f0.02bc裸地+葡萄糖 Bare soil + glucose158.92f0.05a5年松林 5-year-old pine forest318.61e0.02cd5年松林+葡萄糖 5-year-old pine forest + glucose319.26e0.04b15年松林 15-year-old pine forest1807.28a0.01d15年松林+葡萄糖 15-year-old pine forest + glucose1372.31b0.02cd30年松林 30-year-old pine forest615.59c0.02bc30年松林+葡萄糖 30-year-old pine forest + glucose597.58c0.02bc天然林 Natural forest644.62c0.02c天然林+葡萄糖 Natural forest + glucose447.70d0.03b

同一列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)

葡萄糖來源CO2的排放量在5年馬尾松林中最高,其排放量分別是裸地、15年、30年馬尾松林與天然林的5.2、2.5、4.8倍與3.9倍(圖1)。葡萄糖來源CO2的排放主要集中在培養的前13 d,這一期間葡萄糖累積CO2排放量約占整個培養期間累積排放量的69%—97%。從整個培養期來看,裸地、5年、15年、30年馬尾松林以及天然林葡萄糖的累積CO2排放量占碳添加量的21%、107%、44%、22%和30%。

2.2 土壤激發效應

葡萄糖添加初期促進了各恢復階段森林土壤有機碳的礦化,即呈現正的激發效應(圖2)。然而,隨著培養時間的推移,土壤激發效應的方向在15年、30年馬尾松林以及天然林中從正激發轉變為負激發,在裸地與5年馬尾松林中,激發的方向大體保持正的激發效應,但是激發的強度逐漸減弱(圖2)。

從累積激發效應來看,葡萄糖的添加顯著促進了裸地與5年馬尾松林土壤有機碳的礦化,其礦化量分別比其余3個林型增加了87—160 mg/kg與69—143 mg/kg,差異均達顯著水平(P<0.05,圖2)。葡萄糖的添加對30年馬尾松林與天然林土壤有機碳的礦化無明顯影響,但是其顯著減緩了15年馬尾松林土壤有機碳的礦化。

圖2 土壤激發效應與累積激發效應動態 (平均值±標準誤,n=3)Fig.2 Dynamics of soil priming effect and cumulative priming effect (means±SE, n=3)

2.3 微生物量碳

在整個培養過程中,葡萄糖的添加并未顯著改變各恢復階段森林土壤的MBC含量(5年馬尾松林第21天除外)。但就不同恢復階段森林土壤MBC含量而言,天然林與15年馬尾松林土壤MBC略高于30年馬尾松林,但它們的MBC均顯著高于裸地與5年馬尾松林(P<0.05,圖3)。土壤MBC在培養的第21天達到最大值,但是隨著培養的進行土壤MBC顯著降低。

圖3 土壤微生物碳隨時間的變化 (平均值±標準誤,n=3)Fig.3 Dynamics of soil microbial biomass carbon (means±SE, n=3)

2.4 可溶性有機碳

在整個培養過程中,葡萄糖的添加主要提高了培養前期5年馬尾松林土壤DOC的含量 (P<0.05),而對其他恢復階段森林土壤DOC含量無明顯影響。就不同恢復階段森林土壤DOC而言,15年、30年馬尾松林以及天然林具有較高的土壤DOC含量,它們的DOC含量顯著高于5年馬尾松林與裸地(P<0.05,圖4)。

圖4 土壤可溶性有機碳隨時間的變化 (平均值±標準誤,n=3)Fig.4 Dynamics of soil dissolved organic carbon (means±SE, n=3)

2.5 可利用氮含量

土壤可利用氮含量隨著森林恢復年限的增加呈增加趨勢,而且天然林土壤可利用氮的含量顯著高于其他林型(P<0.05),其含量大約是裸地、5年、15年和30年土壤可利用氮含量的4—6,6—7,3—6,1—3倍(圖5)。葡萄糖的添加顯著降低了土壤中可利用氮的含量,而且這種降低在裸地、5年和30年馬尾松林中表現最為明顯。在培養結束時,添加葡萄糖與不添加葡萄糖土壤可利用氮的變化百分比與土壤累積激發效應之間存在顯著的正相關關系(圖6)。

圖5 土壤可利用氮隨時間的變化 (平均值±標準誤,n=3)Fig.5 Dynamics of soil available nitrogen (means±SE, n=3)

圖6 可利用氮的變化與土壤累積激發之間的關系 Fig.6 Relationships between the change of available nitrogen and cumulative priming effect

3 討論

3.1 不同恢復年限土壤有機碳來源CO2排放

在本研究中,土壤有機碳來源CO2的排放隨著森林恢復年限的增加呈現先增加后下降的趨勢,表明處于恢復中期的森林土壤具有較快的碳周轉速率。這一研究結果與前人的研究結果相似。例如,Kukum?gi等[19]對不同演替階段云杉林土壤呼吸的研究發現,處于演替中期(14—25年)的云杉林比演替早期(2—4年)、演替中后期(31—82年)的云杉林具有更強的土壤呼吸。Wang等[20]對加拿大北方森林的研究也發現,土壤呼吸隨著林齡(11—130年)的增加而降低。Saiz等[21]對愛爾蘭中部北美云杉林土壤呼吸的研究發現,11年云杉林具有最強的土壤呼吸速率,隨著林齡的增加土壤呼吸下降,當林齡達到47年時土壤呼吸基本達到平衡。處于演替中期的森林土壤具有較高的土壤呼吸呼吸速率可能與演替中期植物光合作用的大量產物主要向土壤根部輸送,進而提高土壤細根生物量以及根系分泌物的含量,從而促進了土壤呼吸[21-22]。雖然在本研究中,用于試驗的土壤已過2 mm篩,剔除了根系,但是研究發現15年馬尾松林土壤DOC含量要高于其他林型。因而,15年馬尾松林土壤CO2排放量較高可能與其具有較高的DOC含量有關。

3.2 易分解有機碳添加對土壤激發效應的影響

從本研究來看,葡萄糖添加對土壤激發效應的影響與森林恢復年限有關。葡萄糖添加主要促進了恢復初期土壤有機碳的礦化,對恢復后期森林土壤有機碳礦化的影響并不明顯(圖2),這表明處于恢復初期的森林SOC對外源易分解有機碳輸入極為敏感,而到了恢復中后期森林SOC穩定性較高,不易受外源有機碳輸入的影響。目前,關于易分解有機物對不同演替階段土壤激發效應的影響是否與演替階段有關還存在較大爭議。例如,Guelland等[23]對10、70年與120年老土壤有機碳的研究發現,植物凋落物輸入對土壤有機碳自身礦化無明顯影響,即激發效應并不顯著。然而,Blagodatskaya等[24]發現葡萄糖添加主要促進了十幾年年齡SOC的礦化,當土壤年齡超過這個限度時則促進作用不明顯。Sullivan等[12]對美國亞利桑那州原生演替的研究則發現,葡萄糖添加后土壤激發效應隨著演替的進行呈現“U”型變化趨勢。即,在演替的初期與演替的后期呈現正激發效應,但是在演替中期呈現負激發效應。其認為出現這種變化模式是因為演替早期的土壤受土壤氮素可利用性的限制,而演替后期的土壤則受土壤磷可利用性的限制,相比之下處于演替中期的土壤受這兩種元素的限制并不明顯。Guenet等[25]的研究結果也顯示,光裸地土壤有機碳礦化對外源易分解有機物輸入的響應比常年耕地更為敏感。在本研究中,葡萄糖添加后裸地、5年馬尾松林土壤的激發效應要強于30年馬尾松林與天然林,這可能是因為裸地與5年馬尾松林土壤的氮可利用性明顯小于30年馬尾松林和天然林(圖5)。土壤養分可利用性較低由易分解有機物誘導的土壤激發效應較強[10]。而且從土壤可利用氮的相對變化與土壤累積激發效應來看,土壤氮固持越強,其引起的土壤激發效應也越強。裸地、5年馬尾松林土壤的激發效應強,主要在于它們自身土壤氮素含量低,在葡萄糖添加后微生物需要通過分解土壤中原有SOC釋放的氮素來滿足自身對氮的需求。15年馬尾松林土壤激發效應在培養的中后期呈現負的激發效應除了與Sullivan 等[12]所認為的演替中期土壤受氮磷限制并不明顯有關外還可能與培養中后期土壤微生物大量裂解死亡后將原本被這些微生物固持的13C標記葡萄糖釋放出來,被剩余微生物所利用有關。因為有研究表明,微生物碳氮比比土壤有機質碳氮比低,從而更易被微生物利用[2,10]。

在整個培養過程中,葡萄糖的添加并未顯著提高不同恢復階段森林土壤的MBC。Rousk等[26]在研究不同葡萄糖添加量(0—4000 μg C/g)對土壤激發效應的影響時也發現,土壤微生物碳量變化并不明顯,而且過高的葡萄糖碳添加抑制了土壤細菌的生長,但是促進真菌的生長。由于大多研究表明,易分解有機物的輸入既可以加快原有SOC的分解也可以減緩原有SOC的分解,這主要與土壤中真菌和細菌的相對豐度發生變化有關。由于細菌屬于r-策略者其主要分解易分解有機物,而真菌屬于K-策略者其可以分解較難分解的SOC,細菌與真菌相對豐度的變化直接影響SOC的分解[27-28]。因而,在本研究中,葡萄糖添加初期促進SOC礦化除了與土壤氮素可利用性改變有關外還可能與葡萄糖添加促進了土壤真菌的生長但是抑制了土壤細菌的生長,抑或是葡萄糖添加促進了土壤真菌和細菌的生長,但是真菌的增長幅度比細菌快有關。隨著培養的進行,土壤激發強度減弱,土壤MBC也減少,表明隨著培養的進行,葡萄糖不斷被分解,其為微生物生長所提供的能量逐漸減少,微生物活性的降低減弱了激發強度。Xiao等[29]對廣西紅壤的研究也發現,易分解有機碳輸入后土壤MBC與土壤激發效應隨著培養的進行逐漸減弱。

4 結論

外源易分解有機物對不同恢復年限森林土壤有機碳礦化的影響與恢復年限有關。恢復早期森林土壤對外源易分解有機碳輸入的響應極為敏感,但是到了恢復中期,外源有機物的輸入減緩了土壤有機碳的礦化,促進土壤有機碳的積累。恢復后期森林土壤具有較強的穩定性,其對外源易分解有機物輸入的響應并不明顯。