水位和施氮對若爾蓋高寒濕地土壤非共生固氮的影響

張驍棟,王金枝,顏 亮,李 勇,吳海東,康曉明,*

1 中國林業科學研究院濕地研究所,濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室, 北京 100091 2 四川若爾蓋高寒濕地生態系統定位觀測研究站, 阿壩藏族羌族自治州 624500

青藏高原是全球海拔最高的獨特地域單元,具有復雜的地理成分與生物區系,也是具有全球重要性的脆弱生態區[1]。青藏高原濕地多為高寒沼澤、高寒沼澤化草甸等,面積約4.91×105km2,在補給水源、調節區域氣候、維持區域生態平衡和保護生物多樣性等方面具有不可替代的作用[2]。位于青藏高原東南緣的四川省阿壩州若爾蓋高原是我國面積最大的高原泥炭沼澤分布區。1955—1980年期間,為了開辟牧場,在若爾蓋高原泥炭沼澤中開挖了人工溝渠,建設了排水工程[3]。水位下降加速沼澤濕地土壤有機質分解和營養物質流失[4],植被從沼生型向中生型演替,沼澤向草甸轉變[5- 6]。盡管目前青藏高原地區的氮沉降低于全國其他地區,但1980—2013年青藏高原的濕沉降從低于 2 kg N hm-2a-1升至高于10 kg N hm-2a-1[7- 8]。濕地氮沉降不僅影響了生態系統生產力和生物群落結構[9],還影響了枯落物分解[10]和碳、氮循環等生物地球化學過程[11- 12]。

生物固氮是氮元素進入自然生態系統的主要途徑之一,對生態系統物質循環過程和植被演替起重要作用[13]。沼澤濕地中生物固氮過程的主要參與者是土壤自由微生物,也稱為非共生固氮。土壤非共生固氮受土壤溫度、含水量、pH、碳、氮含量及植被類型等多種環境因素的影響[14]。目前有關土壤非共生固氮的研究集中在北方泥炭地[15- 16]、濱海濕地[17- 18]和海洋生態系統[19- 20],而關于第三極生態系統土壤固氮的研究還較少[21-22]。在芬蘭中部泥炭地的研究表明,淹水的泥炭蘚沼澤中的土壤非共生固氮速率(RNfix)隨著水位升高而提高,但是這種現象在排干后的林地中并未發現[16]。沼澤中水位對土壤非共生固氮的影響主要是通過含氧量變化引起的,因為氧氣對微生物固氮酶有抑制作用,固氮微生物群落和活性隨著土壤含氧量變化相應改變[23]。另一方面,生物固氮是高耗能過程,所以一般認為在無機氮充足的環境中固氮微生物會降低RNfix,表現為無機氮對RNfix的抑制作用[14, 24]。同時,也有研究表明無機氮對RNfix的抑制作用并非線性,微生物能在高無機氮的環境中仍能以較低的速率固氮[20, 24]。

沼澤濕地水位變化和氮沉降對土壤固氮過程具有潛在效應,但受自然條件下植被演替、土壤質地、氣候等環境因子干擾,土壤水分和氮含量以及它們的交互作用對沼澤濕地土壤RNfix的影響格局和機制仍不清楚,野外調查研究難以剖分人類活動引起的高寒沼澤濕地水位下降和氮沉降產生的效應。本研究采用中宇宙實驗方法控制水位和模擬氮沉降,研究青藏高原若爾蓋高寒濕地土壤非共生固氮對水位和施氮及其交互作用的響應特征。本研究將有助于理解人類活動對高寒濕地生態系統氮循環過程的影響機制。

1 研究方法

1.1 研究區域的自然概況

本研究在四川省阿壩州若爾蓋高原(101.60°—103.50°E,32.33°—34.00°N)開展,位于青藏高原東北緣,海拔為3400—3600 m。若爾蓋縣年平均氣溫-0.7—1.1℃,最熱月(7月)平均氣溫11℃,最冷月(1月)平均氣溫-10.5℃；年均降水量650—750 mm,主要集中在6—9月,相對濕度78%。中宇宙實驗的原狀土采自若爾蓋縣的阿西鄉(33.47°N,102.57°E),主要植被類型為一年及多年生草本組成的沼澤草甸,優勢物種為木里薹草(Carexmuliensis)、西藏嵩草(Kobresiatibetica)、蕨麻(Potentillaanserina)等[25]。于2014年設立圍欄,使牦牛不能進入圍欄內區域[26],本研究所用的原狀土在圍欄內挖取。圍欄區域附近的自然水位根據牧民用的采水井測定,約 -90 cm—-60 cm,表層10 cm土壤的平均pH值 7.81,平均含水量46%。

1.2 中宇宙實驗設計

中宇宙實驗系統建于若爾蓋高寒濕地生態系統定位觀測研究站。2017年5月中旬,在阿西鄉的圍欄內選取地形與植被較均一的區域,挖取60 cm(長)×60 cm(寬)×40 cm(高)的原狀土塊,置于60 cm(長)×60 cm(寬)×60 cm(高)的不銹鋼箱(以下稱“生態模擬箱”)中。生態模擬箱四周用泡沫隔熱膜包裹,以減少箱體受太陽輻射而溫度過高。共有27個裝有原狀土的生態模擬箱,設3個水位水平(WT-30,WT0和WT10)×3個施氮水平(N0,N4,N8)×3個重復,實驗采用完全隨機設計。三個水位水平分別使表層土處于未淹水(WT-30：-30 cm)、水氣交界(WT0：0 cm)和淹水(WT10:10 cm)的狀態。施氮處理參照青藏高原高寒草甸生態系統的氮飽和閾值約4 g N m-2a-1 [7],設計對照(N0：不施氮),飽和(N4：4 g N m-2a-1)和過飽和(N8：8 g N m-2a-1)三個水平。水位設計在每個生態模擬箱角上插1根70 cm 的PVC管,伸至原狀土塊底部。將水位探頭伸入PVC管中監測生態模擬箱水位。箱中水位用自動水位控制繼電器與小型水泵根據水位探頭的信號聯合控制,可使實際水位在設計水位的±1.5 cm范圍內浮動。施氮時間分別為6月22日、7月29日和8月24日,將NaNO3溶解于濕地水中,均勻噴灑于生態模擬箱中。

1.3 樣品采集與理化指標測定

1.4 土壤非共生固氮速率測定

土壤RNfix測定采用穩定同位素15N2標記法[18]。每個生態模擬箱的新鮮土樣去除植物組織后過2 mm篩,取約20 g,平均分成兩份,分別置于兩個普通60 mL廣口試劑瓶中。對照組試劑瓶直接密封；處理組試劑瓶用橡膠塞密封,用針筒抽出部分空氣,使瓶內氣壓降至約0.7 kPa時注入15N標記的混合空氣(20% O2和80%15N2,15N2>98%分子比)。將對照組和標記組一起置于20℃培養10 d,結束培養后土壤60℃烘干72 h,研磨過100目篩后用穩定同位素分析儀(EA Flash2000-Delta Advantage,Thermo Electron Corporation,美國)測定δ15N。土壤RNfix計算[27]如下：

(1)

其中,RNfix是土壤非共生固氮速率(μg N g-1d-1),Nsoil_labeled是標記樣品的TN含量(μg/g),t是培養天數(d),m是培養的樣品干重(g),Atom%15Nsoil_labeled是標記后土壤的15N原子百分含量,Atom%15Nsoil_unlabeled是未標記土壤15N原子百分含量,Atom%15Ngas_labeled是標記氣體的15N原子百分含量,Atom%15Ngas_unlabeled是未標記氣體的15N原子百分含量。

1.5 數據分析

統計分析和作圖均采用R 3.5[28]完成。采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗水位和施氮對土壤RNfix、土壤含水量、pH、無機氮、總有機碳、氮、植物生物量及植物氮含量等指標的影響,并用duncan.test進行多重比較(Package "agricolae")。不同氮處理下土壤RNfix對土壤含水量的響應采用協方差分析,以土壤含水量為協變量,施氮處理為固定因子。用Pearson′s相關系數分析變量間的相關性。

2 結果與分析

2.1 水位與施氮處理對土壤非共生固氮速率的影響

生態模擬箱表層土壤RNfix范圍是0.003—7.35 μg N g-1d-1,平均值為(2.43±1.03) μg N g-1d-1(圖1)。水位處理對土壤RNfix效應顯著(表1),WT0和WT10處理中土壤Rnfix高于WT-30處理(圖1),WT0處理下RNfix平均值最高,為(3.30±1.23) μg N g-1d-1。雖然方差分析顯示施氮,以及水位與施氮的交互作用對RNfix都無顯著影響(表1),但協方差分析表明土壤RNfix隨著土壤含水量變化的斜率因施氮處理而顯著不同(表2)。對照處理(N0)中RNfix關于土壤含水量的斜率為0,而N4和N8施氮處理中土壤RNfix隨著含水量的斜率分別為0.30和0.50(圖1)。

圖1 不同水位與施氮處理下的土壤非共生固氮速率及其與土壤含水量的關系Fig.1 Rate of non-symbiotic N2 fixation under different water table and nitrogen addition treatments and its relationship with soil water content 不同小寫字母表示9個處理間差異顯著

表1 不同水位與施氮處理對植物與土壤性質影響的方差分析

2.2 不同水位與施氮處理對土壤理化性質的影響

施氮處理對土壤TN和SOC含量效應顯著(表1)。N4和N8處理的土壤TN為(18.84±0.64) g/kg和(18.71±1.66) g/kg,高于N0處理的土壤TN含量(15.93±2.20) g/kg(圖2)。N8處理的SOC含量為(282.37±13.60) g/kg,高于N0和N4處理的土壤SOC含量 (239.79±21.28) g/kg和(226.62±33.84) g/kg(圖2)。土壤TN與SOC和RNfix無顯著相關關系(P>0.05)。

圖2 不同水位與施氮處理下生態模擬箱土壤理化性質、植物生物量及氮含量Fig.2 Variations in soil properties, plant biomass, and plant nitrogen content among water table and nitrogen addition treatments不同小寫字母表示9個處理間差異顯著

2.3 不同水位與施氮處理對植物地上生物量與氮含量的影響

生態模擬箱中水位升高顯著降低植物地上生物量(表1),且在不淹水的WT-30和WT0處理中的植物地上生物量隨著施氮增加呈升高趨勢(圖2)。水位和施氮處理對植物氮含量均有顯著效應(表1),隨著水位升高和施氮增加,植物氮含量呈增加趨勢,從WT-30N0的(18.97±1.34) g/kg 升至WT10N4的(22.41±0.97) g/kg(圖2)。植物地上生物量及其氮含量與RNfix無顯著相關關系(P>0.05)。

3 討論

3.1 水位對土壤非共生固氮速率的影響

初步研究了水位和施氮對若爾蓋高寒濕地土壤RNfix的影響。當水位從不淹水升至淹水狀態時,土壤RNfix提高,且對含水量的響應在施氮處理下更敏感(圖1)。研究結果與芬蘭中部泥炭沼澤的研究結果相似,淹水的沼澤中土壤RNfix高于排干的沼澤[16]。水位升高使土壤含水量增加的同時降低了土壤氧氣含量。由于氧氣對固氮酶有抑制性,因此土壤中較低的含氧量有助于提高RNfix[23]。生態模擬箱的水位從-30 cm升至10 cm,土壤含水量提高了約6%(圖2)。雖然土壤含水量變化不大,但RNfix從(1.34±0.47) μg N g-1d-1升至(3.30±1.23) μg N g-1d-1,提高了將近2倍。在北極地區的研究表明,土壤含水量低于60%時維管植物覆被的土壤固氮過程停止,因此60%土壤含水量可能是當地維管植物覆被的土壤RNfix的臨界點[29]。生態模擬箱中的土壤含水量均在60%以上(圖2),且植被以木里薹草、西藏嵩草、蕨麻等維管植物為優勢種,因此研究系統中土壤非共生固氮能持續進行。然而,如果自然濕地中水位持續降低,土壤非共生固氮過程可能停止。

3.2 施氮對土壤非共生固氮速率的影響

3.3 不同施氮處理下土壤非共生固氮速率對土壤含水量敏感性

3.4 若爾蓋地區的生物固氮過程

植被、水分、溫度、營養等環境因子使土壤RNfix在不同生態系統間、不同微生境間和季節間呈現巨大差異[14]。本研究生態模擬箱中若爾蓋夏季表層土壤RNfix平均值為(2.43±1.03) μg N g-1d-1,低于北歐森林泥炭沼澤6.02 μg N g-1d-1[16]和智利的巴塔哥尼亞泥炭地4.2—19.6 μg N g-1d-1[18],但高于亞北極苔原夏季0.24—0.37 μg N g-1d-1[15],與中國東部的長江口灘涂0.12—2.65 μg N g-1d-1[17]接近。總體來說,土壤非共生固氮在水分充足的環境中能維持較高速率。由于氣候變化和人為排水引起的若爾蓋濕地水位下降,可能使土壤非共生固氮過程減弱。水位下降引起的植被群落變化,如從莎草優勢種向禾草、雜草優勢種演替[6, 25],也會使根際固氮微生物的群落組成和活性發生改變[16]。若爾蓋地區氮沉降水平較中國東部地區低,但近年來呈現持續增長趨勢,至2013年已達15—21 kg N hm-2a-1[8]。依據本研究的結果,在氮沉降增多的背景下,若爾蓋濕地自然水位抬升或實施還濕措施將促進土壤非共生固氮,從而加快生態系統富營養化過程；反之,濕地退化和水位持續下降可能使土壤非共生固氮減弱甚至停止。

4 結論

研究探索了若爾蓋高寒濕地中水位和施氮處理對土壤非共生固氮速率的影響,表明水位是土壤RNfix的主要影響因子,土壤RNfix隨著土壤含水量增加而提高。盡管施氮對土壤RNfix沒有直接效應,但施氮可通過提高土壤有機碳間接促進非共生固氮。研究有助于加深理解濕地生態系統氮循環對人類活動的響應機制,為高寒濕地生態系統的適應性管理提供科學依據。