自工业革命以来,人类活动加速了全球活性氮的排放和固定^[1],目前,中国已成为三大氮沉降区域之一,仅次于欧洲和北美^[2-3]。大量的活性氮输入改变了陆地生态系统与氮相关的许多物理生物化学过程^[4]。全球气候变化导致了降雨格局的改变,北半球中纬度地区降雨量增大,亚热带地区降水量下降,南半球的降水量均增大^[5-6]。降雨是土壤水分最主要的来源,它能改变土壤通气条件,增加土壤湿度,对地下物理生物化学过程具有重要的调控作用^[7],氮素与水分是影响陆地生态系统的重要因子^[8]。因此,研究氮素与水分交互作用对陆地生态系统的影响具有重要的意义。

全球气候变化已成为毋庸置疑的事实^[9],近两个世纪来,人类活动制造的活性氮已经超过了自然陆地过程制造的活性氮^[10]。活性氮主要通过湿沉降和干沉降两种方式沉降陆地和海洋,氮沉降量随着大气中的活性氮的不断增加而升高^[11]。近几十年里全球的降水格局发生了很大的变化,而且雨量的增加是不平衡的,并且季节变化较大^[12-13]。氮沉降的持续增加和降水格局的改变势必会对森林生态系统过程造成影响。所以,氮沉降和降水格局的改变有可能会影响或改变森林生态系统过程中的土壤碳动态。目前,国内外学者展开了一系列模拟氮沉降或施氮对土壤呼吸影响的研究^[14-17]。但由于不同森林类型的差异以及土壤呼吸组成的复杂性,各种森林土壤呼吸过程对模拟氮沉降或施氮的响应并不一致。而降雨对土壤呼吸的研究主要集中在模拟降雨或自然降雨事件后短时间内对土壤呼吸的影响^[18-21],缺乏降雨对土壤呼吸影响的长期原位观测研究。而且目前的模拟氮沉降和降雨试验都是相互独立的研究,忽视了氮沉降和降雨的交互作用对土壤碳动态的影响或改变。

因此本研究以华西雨屏区常绿阔叶林为研究对象,通过野外原位试验,研究模拟氮沉降和降雨对华西雨屏区常绿阔叶林土壤呼吸的影响,探讨氮沉降、降雨以及其交互作用对土壤呼吸过程的影响和内在机制,其结果可为预测该区域森林生态系统土壤碳动态对氮沉降增加和降雨格局改变的响应提供基础数据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

研究区四川省雅安市雨城区碧峰峡(102°90′E,29°40 ′N),海拔高度977.62 m,≥10℃年积温5231 ℃,年均气温为16.2 ℃,最冷月为1月,平均气温6.1 ℃,最热月为7月,平均气温25.4 ℃,全年地面均温18.1 ℃。年日照时数为1039.6 h,全年太阳辐射总量为3640.13 MJ/cm²。无霜期为304 d,年平均降水量1772.2 mm,年蒸发量为1011.2 mm,全年相对湿度为79%。气候温和湿润,属亚热带湿润季风型山地气候。实验区为地带性的偏湿性亚热带常绿阔叶林,土壤类型以黄壤为主,土壤厚度大于60cm,林地条件基本一致。

1.2 试验地设置

2013年10月在实验地内选取未被破坏的、代表性的林地建立18个3m×3m的样方进行编号,每个样方间设>3m的缓冲带。试验设置氮沉降和降水2个因素,共6 种处理,即对照(CK)、氮沉降15 g N m^-2 a^-1 (N)、减雨10% (R)、增雨10% (W)、氮沉降15 g N m^-2 a^-1+减雨10% (NR)、氮沉降15 g N m^-2 a^-1+增雨10% (NW),每种处理重复 3次,共18个处理。按试验区近年来平均降雨量为1772mm计算,增加10%的降雨量为每年增加177.2mm的降雨量;减水使用自制的减雨架进行模拟减水,减雨架遮挡面积为减水样方面积的10%。各处理样方四周用PVC板材围起,将PVC 板插入地面15cm,用于阻止地表径流的流入,但不影响深层土壤的水分交流。减雨架上端离地 120—140cm 处,用5cm宽的瓦面状透明PVC 板凹槽搭建相应面积的挡雨面,并均匀分布在减雨架上面,形成减水的处理。增水用喷雾器在林地样方50cm高度来回均匀喷洒相应的清水量,形成增水处理。用NH₄NO₃和清水进行模拟氮沉降和降雨处理。将年降雨量、施氮量平均分成24等分,从2013年11月10日至2014年12月10日,每15d进行1次处理,施氮的方法是将每个样方所需NH₄NO₃溶解在2 L水中,用手提式喷雾器在林地样方50cm高度来回均匀喷洒,非施氮处理样方喷施2 L水。

1.3 土壤呼吸速率、温度、水分及微生物碳氮的测定

2013年10月在每个样方内随机安置3个PVC连接环,用于土壤呼吸速率的定期测定。土壤呼吸速率的测定采用开路式CO₂ 通量测量系统LI-8100(LI-COR,Lincoln,NE,USA),分别于每月下旬进行测定。样方模拟氮沉降和降水2次处理后进行土壤呼吸速率测定,测定时间为9:00—18:00,每间隔3h测定1次,共测定4次,以平均值作为该月土壤呼吸速率平均值。在测定土壤呼吸的同时测定0—10cm土壤温度和体积含水量。土壤温度采用 Li-8100 自带温度探头测定;使用时域反射仪测定土壤体积含水量。在氮沉降和降雨后的第13个月,采集各处理样方内0—20cm土层样品,测定微生物生物量碳、氮含量,微生物生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸提取法测定。

1.4 数据处理

土壤呼吸速率与土壤温度的单因素指数模型为R_S=ae^bt,式中R_S为土壤呼吸速率(μmol m ^-2s^-1),t为土壤温度(℃),a为t=0℃时的土壤呼吸速率,b为温度反应系数^[22]。

土壤呼吸速率与土壤湿度的单因素模型为一元二次项方程R_S= aW²+bW+c,线性模型为一元一次方程R_S=aW+b,W为土壤体积含水量,a、b、c为常数^[23]。

累计土壤呼吸计算方法为：R_S(CO₂)= 44×10^-6×86400×∑R_SiD_i,以日呼吸速率平均值作为该月土壤呼吸速率的平均值,式中 R_S(CO₂)为累计土壤呼吸(g/m²);R_Si为第i月平均土壤呼吸速率(μmol m ^-2s^-1);D_i为第i月天数(d),其余数值为单位换算系数^[24]。

Q₁₀值计算方法为Q₁₀=e^10b,式中b是土壤呼吸与土壤温度指数模型中温度反应常数^[25]。

为了解氮沉降和降雨共存对土壤呼吸(R_S)是否存在交互作用,采用下式计算土壤呼吸的净变化量(ΔR_S)：ΔR_S ＝ (R_{S氮＋降雨}－R_SCK)－(R_S降雨－R_SCK)－(R_S氮－R_SCK)^[26]。

利用Microsoft Excel 2007完成数据统计分析及图表生成,然后用LSD 进行多重比较不同处理间土壤呼吸速率、土壤微生物生物量碳氮的差异显著性。

2 结果与分析 2.1 模拟氮沉降和降雨对土壤呼吸速率变化的影响

由图 1可知,华西雨屏区常绿阔叶林不同的季节土壤呼吸速率差异较大,从1月开始各处理土壤呼吸逐渐增大,在7月达到最大值,而后逐渐减小。试验期间,CK、N、R、W、NR和NW处理土壤呼吸平均值分别为 1.49、1.26 、 1.68、 1.19、 1.34、1.01μmol m^-2s^-1,表现为：R>CK>NR>N>W>NW。2013年12月到2014年11月,R处理的CO₂释放量比CK增加了12.63%;而N、W、NR和NW分别比CK降低了15.76%、19.90%、10.17%和32.00%,NW处理对土壤呼吸的抑制作用最强。整个试验期间,R与N处理土壤呼吸速率差异达到显著水平(P<0.05)。同一降雨处理下,模拟氮沉降处理土壤呼吸速率均值较低;同一氮沉降处理下,减雨土壤呼吸速率较高,增雨土壤呼吸速率较低。重复测量方差分析表明,氮沉降和增雨抑制了常绿阔叶林土壤呼吸速率,减雨促进了常绿阔叶林土壤呼吸速率。

2.2 模拟氮沉降和降雨对累计土壤呼吸的影响

CK、N、R、W、NR和NW处理在试验期间的累计土壤呼吸分别为2040、1719、2298、1634、1833、1387 g/m²,与CK相比,R处理使华西雨屏区常绿阔叶林土壤呼吸年通量增加了258 g/m²,N、W、 NR和NW处理分别减少了321、406、207、653 g/m²。表明减雨处理使华西雨屏区常绿阔叶林土壤呼吸年通量增加,而其他处理使土壤呼吸年通量减少。

2.3 土壤温度对土壤呼吸速率的影响

华西雨屏区常绿阔叶林10cm土壤月平均温度呈单峰曲线,与土壤呼吸月动态变化趋势相似,7月最高,1月最低。采用指数模型R_S=ae^bt拟合土壤呼吸与土壤温度的关系,得出土壤呼吸与温度存在显著指数正相关关系(P＜0.01),方程拟合结果表明可解释土壤呼吸速率月动态变化的72.05%—89.81%。CK、N、R、W、NR和NW处理土壤呼吸速率的Q₁₀值分别为2.77、2.45、3.18、2.39、2.58和2.22。表明减雨增加了土壤呼吸的温度敏感性,而模拟氮沉降和增雨降低了土壤呼吸的温度敏感性。

2.4 土壤水分对土壤呼吸速率的影响

土壤水分表现为夏秋季节相对较高,春冬季节相对较低。试验期间,R处理平均土壤体积含水量为25.24%;W处理平均土壤体积含水量为29.25%。土壤呼吸速率和土壤含水量采用线性,一元二次方程进行回归分析,结果显示线性方程拟合可解释各处理土壤呼吸速率月动态变化的43.65%—78.54%(表 1),一元二次项方程可解释各处理土壤呼吸速率月动态变化的43.84%—84.76%。这表明,与土壤温度相比土壤水分对土壤呼吸速率的影响较小。

2.5 模拟氮沉降和降雨对土壤微生物生物量碳、氮的影响

经过连续一年的N沉降后,R处理土壤微生物生物量C和N分别比CK高5.98%、8.52%;N和W处理土壤微生物生物量C分别比CK降低了14.51%和17.22%,而土壤微生物生物量N分别比CK降低了19.51%和22.28%。N、W与CK、R处理土壤微生物生物量C、N差异达到显著水平(P<0.05)。由此可见,模拟氮沉降和增雨处理减少微生物生物量碳、氮的含量 (图 5),减雨增加了微生物生物量碳、氮的含量。

2.6 模拟氮沉降和降雨对土壤呼吸的交互作用

如果ΔR_S=0,模拟氮沉降和降雨无交互作用;ΔR_S＞0,存在协同作用;ΔR_S＜0,为拮抗作用。由表 2可知,通过年平均值来看,NR处理土壤呼吸的净变化量ΔR_S＜0;NW处理土壤呼吸的净变化量ΔR_S＞0。但土壤呼吸每月的净变化量ΔR_S变化规律不明显。模拟氮沉降和降雨对华西雨屏区土壤CO₂释放的影响,未表现出明显的交互作用。

3 讨论 3.1 模拟氮沉降和降雨对土壤呼吸的影响

研究表明,模拟氮沉降对土壤呼吸具有促进、抑制或无影响3 种作用^{[17, 27-28]},本研究表明,在模拟氮沉降12个月里,氮沉降处理抑制了CO₂的释放。氮沉降处理使华西雨屏区常绿阔叶林土壤向大气释放的CO₂减少15.76%。这与一些研究结果相同^{[15, 28]}。但也有研究表明模拟氮沉降促进了土壤呼吸速率。刘博奇^[29]对云冷杉红松林研究表明,氮沉降能使土壤中氮素的形态和含量发生变化,增加土壤中铵态氮(NH₄⁺)、硝态氮(NO₃^-)的水平,使根系对氮素的利用能力增加^[30],从而使土壤呼吸速率表现为促进作用。而吴迪^[31]等对长江中下游滩地杨树林的研究表明,氮沉降通过减少了根生物量、加速滩地土壤酸化、降低外生菌根真菌的物种丰富度和数量、抑制了与有机质分解有关的微生物、酶的数量及活性,使得土壤呼吸速率受到抑制。因此,不同的森林类型、立地条件以及不同的时空尺度上,氮沉降对土壤呼吸速率的作用也会有差异。

土壤水分是影响土壤呼吸速率的一个重要因素^[32]。目前,降雨对土壤呼吸影响的研究主要有两种：实验室培养和野外原位试验。实验室培养得到的结果比较一致,基本都表现为土壤呼吸速率随着土壤含水量的增加而增大。但在野外自然条件下,土壤水分对土壤呼吸的影响结果不同^[33]。有研究表明土壤呼吸随土壤含水量的增加呈线性增加^[34]。而本研究土壤呼吸速率年平均值表现为R处理高于W处理。李寅龙^[23]等研究表明,短花针茅草原的整个生长季,增雨30%处理显著增加土壤呼吸速率(P＜0.05)。而Oberbauer等^[35]在北极冻原的研究表明随着土壤地下水位的下降,土壤呼吸逐渐增加,主要原因是因为土壤地下水位下降改善了通气状况。可见,土壤水分对土壤呼吸的影响是一个复杂的过程,由于土壤温度、湿度、降水、植被、立地条件等环境因子的较大差异,使不同的区域以及同一区域的不同时期,土壤水分对土壤呼吸的影响结果不同。

土壤微生物生物量C、N 在一定程度上反映土壤中微生物数量和活性。本研究结果表明,经过12个月的模拟氮沉降和降雨处理,除R处理外,各处理土壤微生物生物量C、N 有所降低,其趋势与土壤总呼吸对氮沉降和降雨的响应一致。这可能是模拟氮沉降和降雨改变了植物根系生物量和微生物的繁殖速度,改变了土壤微生物生物量C、N含量,进而影响有机质的分解速率和微生物呼吸,导致处理间的土壤呼吸速率不同。

3.2 不同处理下土壤呼吸与温度、湿度的关系

Q₁₀值作为土壤呼吸对温度变化的敏感性指标被广泛应用^[22]。本研究利用指数模型R_S=ae^bt拟合土壤呼吸与土壤温度的关系,计算得出CK、N、R、W、NR和NW处理土壤呼吸速率的Q₁₀值,分别为2.77、2.45、3.18、2.39、2.58和2.22。表明减雨增加了土壤呼吸的温度敏感性,模拟氮沉降和增雨降低了土壤呼吸的温度敏感性。原因可能是华西雨屏区常绿阔叶林地下微生物、植物根系、土壤动物的代谢作用受到了氮沉降、降雨和温度的刺激而影响了土壤呼吸速率,改变了Q₁₀值。

将土壤呼吸速率作为因变量,土壤含水量做为自变量的模型广泛应用于土壤呼吸速率受的土壤含水量影响研究中^[36-37]。有研究表明,土壤呼吸与温度呈极显著相关性,但与土壤湿度的相关性较差^[38]。本研究用土壤呼吸速率与土壤含水量进行回归分析,结果显示线性方程拟合可解释各处理土壤呼吸速率月动态变化的43.65%—78.54%,一元二次项方程可解释各处理土壤呼吸速率月动态变化的43.84%—84.76%。这表明,与土壤温度相比土壤水分对土壤呼吸速率的影响较小。与线性模型相比,一元二次方程对土壤呼吸速率月动态变化的解释有一定增加。

3.3 模拟氮沉降和降雨对土壤呼吸的交互作用

本研究表明,华西雨屏区常绿阔叶林模拟氮沉降和降雨交互处理土壤呼吸每月的净变化量ΔR_S变化规律不明显,对土壤CO₂释放的影响未表现出明显的交互作用。李伟等^[39]对施氮和降水格局改变对土壤 CH₄和CO₂通量的影响的研究表明,对长白山阔叶红松林连续4a的模拟氮沉降和降水格局改变后,施氮和降水对土壤 CO₂释放未出现明显的交互作用,与本研究结果相似。土壤是个极其复杂的系统,参与影响土壤呼吸速率的因素多,比如温度、氮素、水分、土壤孔隙度、养分、凋落物、根系和微生物等等,而这些因素是相互作用的,共同作用于土壤呼吸。模拟氮沉降和降雨对土壤呼吸的交互作用包含了许多土壤物理生物化学过程,受其他因素的影响,其产生的效应是综合各种因素的共同结果,故规律性不是很强,其机理有待深入研究。