10年模擬氮沉降對苦竹林根際與非根際土壤鋁組分的影響

陳雨芩 ，陳冠陶 , ，王宇 ，陳蕙心 ，李青樺 ，涂利華 *

1. 四川農業大學林學院/長江上游森林資源保育與生態安全國家林業和草原局重點實驗室，四川 成都 611130；

2. 四川農業大學林學院/長江上游林業生態工程四川省重點實驗室，四川 成都 611130；

3. 德國哥廷根大學森林科學和森林生態學院熱帶和亞熱帶生態系統土壤學系，德國 哥廷根 37077

化石燃料和化肥的大量使用導致了過量的氮（N）元素沉降到陸地生態系統，在直接干擾陸地生態系統N循環的同時也導致土壤不斷酸化。Tian et al.（2015）整合分析了全球106項研究，結果表明N添加使全球土壤pH平均降低了0.26單位。不同的自然生態系統的背景pH值差異較大，土壤pH緩沖能力各異，因此，N沉降導致的土壤酸化對生態系統的影響也不同。對于弱酸性土壤而言，其主要通過土壤膠體吸附的鹽基離子和土壤溶液中 H+的置換來抵抗土壤酸化（羅承德，1993）。當土壤持續酸化，鹽基離子被大量消耗損失后即進入了鋁（Al）緩沖體系，這時土壤溶液中的H+攻擊土壤礦物顆粒表面，導致穩定的Al原子變為交換性Al3+，隨后Al3+被吸附在土壤膠體的陽離子交換位點，并與土壤溶液中的Al3+保持動態平衡（Brady et al.，2017）。這個過程涉及到Al由非常穩定的礦物結構原子到吸附態最后到游離態的不斷演化（沈仁芳，2008）。因此只有系統的研究土壤中不同Al組分的動態變化，才能深入了解 Al在土壤酸化過程中的響應狀況。

隨著土壤酸化，活性 Al[Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2+等的總稱]被釋放到土壤溶液中，對植物造成 Al毒害（Drabek et al.，2005；Delhaize et al.，2007；Niu et al.，2020）。其中，Al3+和單體羥Al絡合物對植物毒性最大（Matú? et al.，2006；Chen et al.，2018a），而可溶性有機Al、Al氟化物、Al硫酸和Al硅酸絡合物對植物毒性較小（Nogueirol et al.，2015）。根際是根系與土壤相互作用最頻繁的微生態區域，活性 Al首先會對植物根部產生毒害效應（Delhaize et al.，1995；Siecińska et al.，2019；王平等，2007）。在酸性土壤中，大量的活性Al會抑制根系生長，損害根系組織，導致鈣（Ca）、鎂（Mg）和磷（P）缺乏以及其他生理脅迫（álvarez et al.，2011；Collignon et al.，2012）。同時，根系也可通過根系分泌物來對根際土壤環境進行一定程度的主動調節（Barceló et al.，2002；Ma et al.，2003）。植物根系進化出的一些代謝功能可用于緩解 Al毒害（Schaedle et al.，1989；Cuenca et al.，1990），比如通過釋放Al螯合物的配體，將Al3+再次固定；微調土壤環境，使根際土壤pH穩定；增加堿性陽離子（如Ca2+、Mg2+、K+等）的水平。根際土壤是直接包裹根系的土壤，相對于非根際土壤，其化學特性對于植物生長更具有意義。有研究表明，與非根際土壤相比，森林中根際土壤有更豐富的生物可溶性Al和極少的交換性Al（Collignon et al.，2012）。因此研究根際土壤 Al組分動態將更具體、直接的關注到土壤酸化對植物的潛在威脅。

位于中國西南的“華西雨屏區”，由于其特殊的氣候和地形使其具有高水平的背景 N沉降和酸沉降速率（Tu et al.，2013）。本研究所在的竹林，土壤pH（KCl）約為3.4，屬強酸性土壤，且前期研究已觀察到6年的高N添加處理顯著增加了0—20 cm土壤中可交換的Al3+濃度和NO3?-N濃度，降低了土壤pH值和根系生物量（Chen et al.，2017；Chen et al.，2018b）。為更深入認識該竹林生態系統土壤Al組分對長期N沉降的響應，本研究持續N添加10年后分析了0—10 cm土層根際土壤和非根際土壤的Al組分狀況。該研究有助于深入認識N沉降導致土壤酸化的作用機理，可為區域生態系統管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗地位于“華西雨屏”核心地帶的四川省洪雅縣柳江鎮苦竹崗（29°95′N，103°38′E），屬中亞熱帶性山地氣候，年均溫 14—16 ℃，年降水量為1489.8 mm，年均相對空氣濕度為82%，土壤類型為紫色土。研究區為 2000年退耕還林工程建成的苦竹林，于2007年10月選擇其中一塊較具代表性的、地勢平坦、人為干擾較小的林分作為試驗樣地。土壤基本理化性質見文獻（涂利華等，2009）。

1.2 試驗設計

2007年10月下旬建立12個3 m×3 m的樣方，每個樣方之間設>3 m的緩沖帶。用硝酸銨（NH4NO3）進行N添加處理，共設4個水平：對照（CK，N 0 g·m?2·a?1）、低 N（LN，N·5 g·m?2·a?1）、中 N（MN，N·15 g·m?2·a?1）和高 N（HN，N·30 g·m?2·a?1），每個水平 3 個重復。將年施用量分成12等份，從2007年11月開始，每月下旬對各樣方進行定量外源N沉降處理，具體方法是將各水平所需NH4NO3溶解至1 L水中，用噴霧器在該水平樣方中來回均勻噴灑，對照只噴灑等量的自來水。

1.3 土樣采集與處理

2017年7月在各樣方隨機選取3根長勢一致、健康的苦竹（Pleioblastus amarus），用鋤頭將苦竹的根系帶土完整挖出，用毛刷刷下細根表面附著的土作為根際土壤，采用蛇形五點取樣法采集各樣方0—10 cm的非根際土壤樣品。將同一樣方的根際與非根際土壤分別充分混合均勻后利用四分法取部分土壤制備樣品，挑除其中可見根和植物殘體并風干，之后將土壤分為兩份，一份過2 mm篩用于土壤pH的測定，一份過0.15 mm篩用于土壤各組分Al含量的測定。

1.4 測定方法

土壤 pH 用電位法測定（KCl?土=5?1，LY/T 1239—1999）；土壤 Al組分的提取參考改進后的Tessier法（Tessier et al.，1979），分別得到交換態Al（Exchangeable Al）、碳酸態 Al（Carbonate Al）、鐵錳氧化態Al（Iron-manganese oxides Al）、有機絡合態 Al（Organically bound Al）和殘留態 Al（Residual Al），具體提取步驟參見文獻（Walna et al.，2005）；各組分Al含量的測定采用Al試劑比色法（LY/T 1270—1999）。

1.5 計算和統計方法

試驗數據用Excel 2010（Microsoft Corporation，USA）進行統計并計算均值，用SPSS 20.0（SPSS Inc.，USA）統計分析軟件對試驗數據進行統計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗不同N添加處理下根際與非根際土壤的交換態Al、碳酸態Al、鐵錳氧化態Al、有機絡合態Al、殘留態Al和pH之間的差異，并用最小顯著差數法（LSD法）進行多重比較檢驗N處理對各指標的顯著性，顯著水平為ɑ=0.05，采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）檢驗根際與非根際和不同N添加處理的交互作用。對根際與非根際土壤的pH和各Al組分進行了相關性分析。圖表中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 N添加對苦竹林根際與非根際土壤pH的影響

對照處理下，非根際土壤pH（3.41）顯著低于根際土壤（3.97）。雙因素方差分析結果表明，N處理效應、根際非根際效應及兩者交互效應均為極顯著（圖 1）。具體來看，在對照處理下，根際土壤pH比非根際土壤pH大0.56個單位。對于根際土壤，LN、MN和HN處理均使pH值顯著降低，分別下降了0.41、0.44和0.76個單位。對于非根際土壤，LN和 MN處理與對照之間無顯著差異（P>0.05），而HN處理下的pH為3.09，比對照顯著下降了0.32個單位（P<0.05）。N添加處理下，根際土壤pH依然大于非根際土壤，但與對照處理相比，差距明顯減小。

圖1 N添加對根際與非根際土壤pH的影響Fig. 1 Effect of nitrogen addition on rhizospheric and bulk soil pH value

2.2 N添加對苦竹林根際與非根際土壤各Al組分含量的影響

雙因素方差分析結果表明，總體來看，根際與非根際土壤的所有Al組分形態均無顯著差異。N添加對根際土壤交換態Al組分和有機絡合態Al組分含量有顯著影響（P<0.05），而對其他Al組分含量無顯著影響（P>0.05；圖2）。根際土壤pH與交換態Al組分含量呈極顯著負相關（P<0.01），與有機絡合態Al組分含量呈顯著負相關（P<0.05），與其他3個Al組分無顯著相關性（P>0.05；表1）。對照中根際土壤交換態Al、碳酸態Al、鐵錳氧化態Al、有機絡合態Al、殘留態Al組分含量分別為3.4、9.6、732.2、2097.2、3026.3 mg·kg?1，交換態和碳酸態 Al組分最少，有機絡合態和殘留態Al組分最多，含量按照交換態Al、碳酸態Al、鐵錳氧化態Al、有機絡合態Al、殘留態Al組分的順序依次增加。N添加處理后，根際土壤交換態Al含量在HN添加處理后顯著增加為 5.9 mg·kg?1，與對照相比增加了 75.2%，LN、MN和HN處理的有機絡合態Al含量分別為2098.0、2426.8、2384.9 mg·kg?1，其中MN 和HN顯著增加了15.7%和13.7%（P<0.05）。N添加處理下根際土壤的碳酸態Al含量平均為10.3 mg·kg?1；鐵錳氧化態Al含量在 684.7—910.5 mg·kg?1之間，其中 HN 處理的 Al含量相比對照增加了 24.3%，但并不顯著（P>0.05）；殘留態 Al含量平均為 3099.7 mg·kg?1，與對照相比均未達到顯著水平（P>0.05）。

對照中非根際土壤的交換態Al、碳酸態Al、鐵錳氧化態Al、有機絡合態Al和殘留態Al含量分別為 4.2、9.4、691.7、2203.4、3194.3 mg·kg?1，含量高低順序與根際土壤 Al含量一致。N添加對非根際土壤各組分Al含量的影響均不顯著（P>0.05；圖2）。非根際土壤pH與交換態Al組分呈極顯著負相關（P<0.01），與其他4個Al組分無顯著相關性（P>0.05；表1）。N添加處理下交換態Al含量平均為3.4 mg·kg?1，與對照相比，LN、MN處理分別使交換態Al含量減少了34.2%、40.6%，而HN處理增加了17.6%；N添加處理的鐵錳氧化態Al含量平均值為785.7 mg·kg?1，與對照相比LN處理使鐵錳氧化態Al含量減少了3.5%，而MN、HN分別增加了 15.9%、28.3%，但均未達到統計學顯著水平（P>0.05）。N添加處理下碳酸態Al含量平均為10.0 mg·kg?1，有機絡合態 Al含量平均為 2209.5 mg·kg?1，殘留態 Al含量平均為 3139.8 mg·kg?1，與對照相比均無明顯變化趨勢。

表1 根際與非根際土壤的pH與各Al組分的相關性分析Table 1 Correlation analysis of pH and Al fractions in rhizosphere and bulk soil

圖2 N添加對根際與非根際土壤各個Al組分含量的影響Fig. 2 Effect of nitrogen addition on Aluminum fractions of rhizospheric and bulk soil

2.3 各個組分Al含量占總 Al含量的比例對N添加的響應

由表2可見，根際與非根際土壤各Al組分占總 Al的比例大小均表現為：交換態<碳酸態<鐵錳氧化態<有機絡合態<殘留態。對照中根際土壤的各個 Al組分占總 Al比例由小到大依次為 0.06%、0.16%、12.48%、35.73%、51.57%。其中，HN處理下交換態Al組分占比比CK和LN處理均顯著增加了50.0%（P<0.05）；MN、HN處理的有機絡合態Al組分占比分別比LN顯著增加了10.3%、9.1%；與LN相比MN、HN處理分別使殘留態Al占比下降了5.8%、12.0%，但未達到顯著水平（P>0.05），對照和各N處理間的碳酸態和鐵錳氧化態Al占比均無明顯變化。

表2 N添加對土壤各個Al組分占總Al的質量分數（%）的影響Table 2 Effect of nitrogen addition on mass fraction of each Aluminum fractions in total Aluminum

對照中非根際土壤交換態、碳酸態、鐵錳氧化態、有機絡合態和殘留態 Al組分分別占總 Al的0.07%、0.15%、11.37%、36.10%、52.31%。對照和N處理對各個Al組分占比均無顯著影響（P>0.05）。

3 討論

在酸性土壤中，土壤酸度主要取決于交換性Al的含量，土壤交換性 Al在很大程度上制約著土壤的 pH（Blaser et al.，2008；Collignon et al.，2012）。本研究區在模擬N沉降處理6年和10年后均發現HN添加處理顯著降低了非根際土壤 pH（Chen et al.，2018b；陳雨芩等，2018）。國內外N添加研究大多發現N添加導致土壤pH顯著下降（胡波等，2015；單文俊等，2019）。這主要是由于N添加增強了土壤硝化作用，從而將 H+釋放到土壤溶液中（Teklehaimanot et al.，2007），并導致與吸附在土壤膠體上的堿離子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）發生取代反應。這會導致堿性陽離子的流失，特別是在濕潤地區（Lu et al.，2009；Lucaset al.，2011）。當土壤膠體吸附的H+超過一定閾值時，土壤礦物晶格解體，釋放出可交換的 Al3+。Al3+的水和反應釋放出更多的H+，從而加劇土壤酸化。對中國南方47個酸性土壤樣品的研究表明，土壤pH與交換性Al的數量呈極顯著的負相關（孔曉玲等，1992），這與本研究結果一致。本研究中，雖然只有HN處理顯著增加了根際土壤的交換性Al含量及其占總Al含量的比例，但是LN、MN處理也使根際土壤的交換性Al含量呈現上升趨勢。與CK處理相比，HN處理也使非根際土壤的交換性Al含量增加了14.98%，但未達到顯著水平。這部分解釋了本研究中觀察到的土壤pH對N添加處理的響應情況。

本研究中，在自然狀況下，根際土壤的pH值比非根際土壤高0.56個單位。這與周思婕等（2019）研究的模擬酸雨處理下馬尾松根際土壤pH高于非根際的結果一致。根系可以通過根系分泌物來調節根系環境（Siecinska et al.，2016）。N添加處理后，根際土壤pH依然高于非根際土壤，但是根際土壤pH對N添加的響應強度更大，導致根際與非根際土壤pH差異顯著縮小。這說明了根際土壤pH對N添加的響應更為敏感，N添加對根際土壤pH的影響更值得關注，因此根際土壤pH的響應代表著N添加和植物調節后的綜合效應，對于認識N沉降對植物生長、代謝和區域物種多樣性的影響有重要意義。

土壤溶液中 Al的化學過程是很復雜的，許多因素如pH和土壤有機質含量和質量都能影響Al組分。一般來說，總Al的溶解度會隨著pH的降低而增加（Street et al.，2007）。本研究中，HN處理下根際土壤有機絡合態 Al含量和比例顯著提高的原因一方面可解釋為HN處理下根際土壤使pH值顯著下降了0.76個單位，根際土壤pH與有機絡合態Al組分呈顯著負相關關系。另一方面，根系可通過分泌有機酸，導致不同形態的 Al組分具有向有機絡合態Al轉化的趨勢。一些植物通過釋放螯合Al的有機酸來解毒根際的Al（Ryan et al.，2001）。孫曉等（2013）的研究結果也表明，在集約經營的雷竹林土壤中有機絡合態 Al含量隨著種植年限的增加而增加。此外，本研究區的土壤pH為3.7，此時土壤pH和Al形態對外界酸輸入已經不敏感，所以一些Al組分的變化較小。

4 結論

本研究結果表明，在植物根系的調節作用之下，高N添加使得土壤Al向交換態和有機絡合態的組分的發展，使其在土壤總Al中的比例上升，雖然部分活化的 Al3+被絡合減緩了 Al毒害，但是長期高速率的N沉降依然會使交換態Al含量顯著增加，從而對生態系統造成潛在危害。