黃河口堿蓬濕地土壤硫礦化特征對外源氮輸入的響應

陳冰冰,孫志高,3,*

1 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007 2 福建師范大學地理研究所, 福州 350007 3 福建師范大學福建省亞熱帶資源與環境重點實驗室, 福州 350007

硫是植物生長必需的中量礦質營養元素,在植物生長發育過程中有著不可替代的作用,如參與蛋白質、氨基酸和葉綠素形成,控制光合過程中碳水化合物代謝以及影響植物呼吸和抗逆性等[1]。濕地土壤是植物所需硫養分的主要來源,土壤中的硫主要以有機硫為主體,而可被植物直接吸收利用的主要是無機硫。由于有機硫只有通過礦化等過程轉化為無機硫后才能被植物吸收利用,所以探討濕地土壤中硫的礦化特征及潛勢對明確土壤供硫能力具有重要意義。目前,國內外關于土壤硫礦化的研究大多集中在農業上,研究內容主要涉及土壤母質[2-4]、土壤類型[5-6]、溫度[7]、水分條件[2- 3]、施肥狀況[7- 10]和作物殘茬添加[11-13]等因素對土壤硫礦化速率和潛勢的影響,而關于自然濕地土壤硫礦化特征的研究還比較薄弱。盡管國內關于自然條件下濕地土壤硫礦化特征的研究已涉及了三江平原淡水沼澤濕地[14],但有關養分改變條件下濕地土壤硫礦化的相關研究還不多見。

黃河口濕地是我國暖溫帶最廣闊、最完整和最年輕的濱海濕地,而堿蓬(Suaedasalsa)是黃河口濕地中最為典型的鹽生植被,其在維持濕地系統正常演替、防風固堤和調節氣候等方面發揮著重要作用。近年來,黃河口營養鹽入海通量一直保持在較高水平(1.49×104—3.91×104t)[15],加之該區當前氮濕沉降量也已接近其臨界負荷(4.0 g m-2a-1)[16-17],由此導致其對濕地植被生長、土壤養分賦存及轉化等可能產生深刻影響。當前,關于外源氮輸入對黃河口濕地土壤硫礦化過程的影響研究還鮮有報道,而對其進行研究有助于明晰未來黃河口氮負荷增強條件下濕地土壤的供硫潛勢。為此,選擇黃河口濱岸高潮灘堿蓬濕地為研究對象,將野外原位氮輸入試驗末期(生長季末)獲取的土壤進行室內培養,探討了不同氮處理土壤硫礦化特征及潛勢。研究結果有助于明確濕地土壤在次年植物生長初期的供硫能力,并可為濕地土壤硫轉化機理的揭示提供重要科學依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域

研究區位于山東黃河三角洲國家級自然保護區(37°40′—38°10′ N, 118°41′—119°16′ E),該保護區是我國最大的河口三角洲自然保護區,總面積15.3×104hm2,主要保護新生濕地生態系統和珍稀瀕危鳥類。保護區屬暖溫帶季風氣候,四季分明,雨熱同期,年平均氣溫12.1 ℃,無霜期196 d,年降水量551.6 mm,降水季節分配不均,全年降水80%集中在6—8月。該區主要植被類型包括蘆葦(Phragmitesaustralis)、檉柳(Tamarixchinensis)、堿蓬(Suaedasalsa)和白茅(Imperatacylindrica)等,土壤類型主要為濱海鹽土。

1.2 研究方法

1.2.1培養土壤獲取

選擇黃河口北部濱岸高潮灘堿蓬濕地為研究對象,于2014年4—10月進行野外原位氮輸入模擬試驗。依據研究區現有資料,綜合考慮陸源氮輸入(2.5—3.5 g m-2a-1)和氮沉降(3—4.5 g m-2a-1)的影響,將自然背景條件下的氮輸入量確定為6.0 g m-2a-1(N0)。本研究的氮添加量試驗梯度據此設置,即：(1)對照處理N0,無額外氮輸入量；(2)低氮處理(N1),1.5N0(9.0 g m-2a-1,實際輸氮量為3.0 g m-2a-1),模擬未來較低氮輸入量；(3)中氮處理(N2),2.0N0(12.0 g m-2a-1,實際輸氮量為6.0 g m-2a-1),模擬未來較高氮輸入量；(4)高氮處理(N3),3.0N0(18.0 g m-2a-1,實際輸氮量為12.0 g m-2a-1),模擬未來更高氮輸入量。每個處理隨機布設3個重復樣地(5 m×10 m)。野外試驗樣地的高程相近,植被密度較為一致,表層土壤容重為(1.28±0.08)g/cm3,黏粒、粉粒和砂粒含量分別為7.83%±2.52%、76.84%±2.39%和15.33%±0.13%,pH為7.90±0.05,EC為(3.58±1.48)mS/cm。自4月下旬開始,每隔25 d左右以CO(NH2)2水溶液的形式對不同處理樣地進行外源氮輸入強度的模擬,對照樣地噴灑等量的水。持續輸氮一個生長季后,在植物生長季末(10月下旬),分別在上述N0、N1、N2和N3樣地內采集相應氮梯度下的表層土壤(0—10 cm)(分別記為NS0、NS1、NS2和NS3),帶回實驗室自然風干過篩后備用。不同氮處理下濕地土壤的基本性質如表1所示。

表1 不同氮處理土壤基本性質

1.2.2礦化實驗設計

1.2.3指標計算

不同氮處理土壤硫累積礦化量與礦化時間之間的關系采用一級動力學方程進行模擬,即[11]：

St=S0[1-exp(-kt)]

式中,St為t時刻硫累積礦化量(mg/kg)；S0為硫礦化勢(mg/kg)；k為一級動力學常數；t為礦化時間(d)。

1.2.4數據統計與分析

運用Origin 8.0軟件對數據進行作圖、計算和數學模擬,采用SPSS 23.0軟件對不同氮處理土壤的硫礦化量和累積礦化量進行單因素方差分析,對土壤硫礦化量與pH、EC之間的關系進行Pearson相關分析,顯著水平設定為P=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同氮處理土壤硫礦化特征

不同培養條件下,不同氮處理土壤的硫礦化量隨培養時間均呈相似變化特征(圖1),非淹水條件下不同氮處理土壤硫礦化量的波動變化特征較淹水條件更為明顯。四種氮處理土壤的硫礦化量在非淹水條件下整體表現為NS3>NS1>NS2>NS0(P<0.05),且其均于培養第3天達到最大值(NS0: 57.88 mg/kg；NS1: 70.56 mg/kg；NS2: 117.62 mg/kg；NS3: 100.68 mg/kg)；之后,不同氮處理土壤的硫礦化量均呈較大波動變化。與之相比,淹水條件下不同氮處理土壤的硫礦化量較為接近(P>0.05),且亦于培養第3天取得最大值(NS0: 143.09 mg/kg；NS1: 164.30 mg/kg；NS2: 133.67 mg/kg；NS3: 162.14 mg/kg)；之后,其礦化量驟然降低,并均于第21天后趨于平穩。比較而言,淹水條件下不同氮處理土壤的硫礦化量在培養初期(0—7 d)明顯高于非淹水條件。

圖1 不同培養條件下各氮處理土壤硫礦化特征Fig.1 Sulfur mineralization characteristics of soils with different N import treatments under different incubation conditionsNS0：對照處理下獲取的土壤；NS1：低氮處理下獲取的土壤；NS2：中氮處理下獲取的土壤；NS3：高氮處理下獲取的土壤;不同字母表示數據間在P<0.05水平上差異顯著

2.2 不同氮處理土壤硫累積礦化特征

連續培養119 d后,不同氮處理土壤(NS0、NS1、NS2和NS3)在非淹水條件下的硫累積礦化量分別為233.03、419.99、401.16、526.51 mg/kg,而在淹水條件下分別為263.52、313.58、251.53 mg/kg和322.05 mg/kg。除NS0外,其他3種氮處理土壤在非淹水條件下的硫累積礦化量整體均高于淹水條件(圖2),且培養119 d后,非淹水條件下相同氮處理土壤的硫累積礦化量為淹水條件下相應數值的1.34倍(NS1)、1.59倍(NS2)和1.63倍(NS3)(表2)。盡管如此,淹水條件下4種氮處理土壤的硫累積礦化量在培養初期(0—7 d)整體均高于非淹水條件。就相同培養條件而言,不同氮處理土壤的硫累積礦化量在非淹水條件下整體表現為NS3最高,NS1和NS2相近,NS0最低；而在淹水條件下則表現為NS3和NS1較高且相近,NS0次之,NS2最低。不同水分條件下,不同氮處理土壤的硫累積礦化量在0—14 d均迅速增加。其中,非淹水條件下不同氮處理土壤(NS0、NS1、NS2和NS3)的硫累積礦化量在培養7 d后分別為104.88、133.49、174.75 mg/kg和196.09 mg/kg,分別占119 d累積礦化量的45.01%、31.79%、43.56%和37.24%；培養14 d后的硫累積礦化量分別為126.71、172.23、218.77 mg/kg和254.19 mg/kg,分別占119 d累積礦化量的54.38%、41.01%、54.53%和48.28%。但在淹水條件下,不同氮處理土壤(NS0、NS1、NS2和NS3)的硫累積礦化量在培養7 d后分別為203.18、254.11、182.22 mg/kg和240.54 mg/kg,分別占119 d累積礦化量的77.10%、81.04%、72.44%和74.69%；培養14 d后的硫累積礦化量分別為219.06、272.24、199.93 mg/kg和265.77 mg/kg,分別占119 d累積礦化量的83.13%、86.82%、79.49%、82.52%(表2)。

圖2 培養期間不同氮處理土壤硫累積礦化量變化Fig.2 Variations of cumulative sulfur mineralized in soils with different N import treatments during the incubation experiment

表2 不同培養階段的硫礦化量以及其占總礦化量的比例

2.3 不同氮處理土壤硫礦化勢

不同水分條件下,不同氮處理土壤的硫累積礦化量與礦化時間均符合一級動力學方程(表3)。隨著培養時間的延長,不同氮處理土壤中的硫礦化量均逐漸降低。不同水分條件下土壤硫礦化勢(S0)除NS0相差不大外,其他3種氮處理土壤(NS1、NS2和NS3)均表現為非淹水條件大于淹水條件。就相同水分條件而言,不同氮處理土壤的硫礦化勢(S0)在非淹水條件下表現為NS3>NS1>NS2>NS0,在淹水條件下則表現為NS3>NS1>NS0>NS2(表3),說明高氮處理下濕地土壤具有最高的供硫潛勢。

表3 不同氮處理土壤硫礦化勢(S0)和礦化速率常數(k)

3 討論

3.1 外源氮輸入條件下濕地土壤硫礦化特征

圖3 不同培養條件下各氮處理土壤pH和EC變化Fig.3 Variations of pH and EC in soils with different N import treatments under different incubation conditions

不同水分條件下,不同氮處理土壤的硫礦化特征可能與培養過程中pH和EC的變化有關(圖3)。相關分析表明,淹水條件下NS0的硫礦化量與pH呈顯著負相關(P<0.05),而4種氮處理土壤的硫礦化量均與EC呈極顯著正相關(P<0.01)；非淹水條件下,僅NS2和NS3的硫礦化量與EC呈顯著正相關(P<0.05)(表4)。大多數研究表明硫礦化與pH的相關性不顯著[5,18-19],而Tabatabai和Al-Khafaji的研究發現硫礦化與pH呈顯著負相關[20],這與本研究上述相關結果相近。本研究中,不同氮處理土壤的硫礦化量在非淹水條件下整體表現為NS3>NS1>NS2>NS0(P<0.05),在淹水條件下則較為接近(P>0.05),而這可能與培養過程中土壤EC的變化有關。據圖3可知,不同氮處理土壤的EC在非淹水條件下表現為NS3>NS1>NS2>NS0,而在淹水條件下則變化不大。另外,不同水分條件下不同氮處理土壤硫礦化量均在培養第3天取得最大值,這一方面可能與培養初期土壤中可礦化的有機硫含量較高有關。相關研究也得到類似結論。遲鳳琴等(2008)關于東北黑土有機硫礦化的研究表明,培養前4周的有機硫礦化量遠大于其后期的礦化量,占整個培養過程(14周)累積礦化量的50%—62%[7]。褚磊等在對土壤有機硫礦化的研究綜述中亦指出,在開放系統中,土壤有機硫在培養初期可大量礦化[21]。另一方面,土壤微生物群落及其活性也是導致硫大量礦化的重要原因。本研究中,不同氮處理土壤的EC值均在培養初期最高(圖3),而相對應土壤的硫礦化量在培養初期也最大,這可能與培養初期土壤中一些耐高鹽分微生物的活性較強有關。現有研究的確發現,河口鹽沼土壤中有一些適應鹽堿環境的微生物,特別是嗜鹽菌的數量較高[22]。因此,培養初期一些耐高鹽分微生物的較強活性在一定程度上可能促進了土壤硫的礦化。

表4 不同氮處理土壤硫礦化量與pH和EC的相關關系

不同氮處理土壤的硫累積礦化量及礦化勢(S0)在非淹水條件下表現為NS3>NS1≈NS2>NS0,而在淹水條件下表現為NS3≈NS1>NS0>NS2。就非淹水條件下而言,不同氮輸入處理均有利于土壤硫的礦化,即土壤中的氮含量越高,其累積礦化量越高,土壤潛在的供硫能力越強。但這一機制在淹水條件下則發生明顯改變,主要表現為NS2的累積礦化量及礦化勢不但低于NS3和NS1,而且還低于NS0,原因與淹水培養過程中的厭氧條件可能更有利于土壤中由微生物參與的生物反硝化作用[28]以及由Fe、Mn等導致的化學反硝化作用的進行有關[29]。正是由于厭氧條件下土壤中的氮通過反硝化作用以氣態(N2O和N2)形式從土壤中損失,才使得存留在土壤中的氮含量減少,最終導致其對硫礦化的促進作用減弱。已有研究表明,不同氮處理下土壤反硝化速率(以N2O排放通量表征)與氮輸入量之間并非線性關系[30],當輸氮量未達到該臨界值時,反硝化速率不斷增加；當到達該臨界值后,則取得最高值；超過該臨界值后,反硝化速率反而降低[30]。這一結論可用于解釋中氮(N2)處理下的土壤硫累積礦化量及礦化勢甚至低于對照處理(N0)的研究結果,即中氮處理可能處于本研究氮輸入的臨界值范圍。在該處理下,土壤反硝化作用進行的可能更為強烈,土壤中的氮以氣態形式損失最多,由此使得土壤中剩余的氮甚至低于N0處理,進而使得其對硫礦化的促進作用大大減弱。

3.2 本研究與國內相關研究對比

圖4 本研究與中國不同類型土壤硫礦化勢 (S0)[2-4,8] 對比Fig.4 Comparison of potentially mineralizable sulfur pool (S0) in different soil types of China標注a表示淹水條件，未標注a表示非淹水條件；標注b表示培養溫度為20℃，標注c表示培養溫度為25℃，未標注b和c的培養溫度均為30℃；圖中☆表示本研究區域土壤(鹽土，母質為黃土)

本研究將得到的土壤硫礦化勢(S0)與國內相關研究數據進行了統計與對比,結果如圖4所示。據圖可知,除少數研究結果外,可將大部分研究結果大致劃分為三組(圖中以A、B、C標注),每一組包含的硫礦化勢信息在很大程度上取決于不同類型土壤的理化性質(如pH、有機碳、TS和有機硫),而不同類型土壤理化性質的差異又主要取決于土壤成土母質的差異。圖4中A組包括的土壤類型主要為紅壤、水稻土、紫色土和黑土。紅壤的母質基礎有花崗巖母質、砂頁巖母質和第四紀紅色母質等,其S0范圍為37.8—133 mg/kg；水稻土的母質基礎為花崗巖母質、砂頁巖母質、紫砂巖母質和第四紀紅土母質等,其S0范圍為62.84—126.4 mg/kg；紫色土的母質基礎主要為紫砂巖母質,其S0介于62.76—63.65 mg/kg之間；黑土的母質基礎有石灰巖、玄武巖、第三紀河湖相沉積物以及近代河流沉積物等,但以石灰性母質為主,其S0范圍為12—71.3 mg/kg。圖4中B組包括的土壤類型主要為沖積土、褐土和栗鈣土。沖積土是河流兩岸基巖及其上部覆蓋的松散物質被河流流水剝蝕后搬運、沉積在河床較平緩地帶形成的沉積物,樣品來自河北省,其S0介于16—18 mg/kg之間；褐土多發育于碳酸鹽母質上,樣品來自北京,其S0介于51.2—72.1 mg/kg之間；栗鈣土的成土母質為第四紀黃土母質,樣品來自青海省,其S0介于89—131.3 mg/kg之間。圖4中C組包括的土壤類型主要為黃土和濱海鹽土。黃土來自陜西省,其S0介于246.3—266 mg/kg之間；濱海鹽土即為本研究區的土壤類型,主要是由黃河攜帶大量泥沙(大多來源于黃土高原)在河海相互作用下沖積而成的,成土母質主要源于黃土母質,故其S0值(219.99—240.38 mg/kg)與黃土較為接近。與A—C組中的土壤類型不同,圖中棕壤的成土母質多為花崗巖、片麻巖及砂頁巖的殘積坡積物,或厚層洪積物,樣品來自山東省,其S0介于22.1—159.7 mg/kg之間。由此可見,土壤母質基礎是影響土壤硫礦化勢的關鍵因素。

由于本研究的培養土壤均采自濱岸高潮灘,生長季內地表通常無積水,且土壤含水量也不高(13.75%—40.13%),故非淹水條件下的硫礦化實驗結果更接近于研究樣地的實際情況。在未來黃河口氮負荷增加情況下,土壤氮含量狀況將會發生較大改變,而這將會促進土壤硫的礦化,進而可在一定程度上提高土壤的潛在供硫能力。但在淹水條件下,不同氮處理土壤有機硫的礦化實驗結果可用于評估研究樣地的一些極端情況,即當研究樣地受到強降水、大潮或風暴潮影響而使得濕地土壤處于短期滯水狀態時,不同氮處理土壤的潛在供硫能力將發生明顯降低,特別是中氮輸入(N2)條件下土壤供硫潛勢的降幅最為明顯。