土壤经历干旱和湿润这种交替出现的循环过程是干湿交替^[1], 降雨、蒸散、排水等过程均会引起土壤水分变化^[2-3], 土壤常常经历干湿交替。干湿交替会影响钾、氮、磷的转化和运移^[4-6], 还会让土壤发生“Birch效应”^[7], 影响微生物活动和土壤微生物呼吸。速效养分、土壤水溶性有机碳与植物、微生物生长活动息息相关, 参与生物地球化学循环^{[4-6, 8]}。土壤表层土的速效养分最直接地影响到植物生长, 钾、氮、磷在供给植物生长过程中, 参与钾循环、氮循环、磷循环。土壤水溶性有机碳(DOC, Dissolved organic carbon)是土壤中易被微生物氧化的碳源^[9]和微生物的重要能量来源^[8], 参与碳循环并且是土壤碳库比较活跃的成分。DOC可作为衡量微生物活动CO₂释放量的重要指标^[10]和土壤有机碳矿化作用的指示指标^[11]。

根据全球气候系统的预估, 未来各地区降水的变化趋势不一致, 全球很多区域强降水、干旱等极端气候事件增多, 在大部分中纬度陆地地区和湿润的热带地区, 极端降水事件很可能强度更大, 频率更高^{[2, 12]}。这意味着温带地区未来会经历周期更短、更加剧烈的干湿交替(多次降雨或单次长时间的连续降雨引起的干湿交替)。

国内外很多学者研究表明干湿交替过程对不同速效养分、DOC有重要影响, 频繁的干湿交替影响氮素在土壤中的累积、迁移、损失等过程, 不同的研究学者对干湿交替影响下土壤氮素转化的说法却不一致:干湿交替可能会使土壤氮素矿化增加、降低或影响不显著^[6]。干湿交替会降低土壤中水溶性有机碳含量^{[8, 11, 13-17]}, 也有学者持有不同观点:干湿交替以及频繁的干湿交替会增加土壤中的水溶性有机碳^[18-19], 还有研究表明溶解性有机碳随干湿交替次数增加而增加^[19]。因为不同研究试验中选取的土壤类型、设置的干湿交替频率、时间长短、温度、干旱湿润程度、培养环境不同, 干湿交替对不同速效养分、DOC的影响结果不同, 现仍未统一。

目前国内外研究主要集中在干湿交替对碳库的影响、对困难立地土壤的影响、对生物地球化学循环的影响等方面, 大多研究中干湿交替频率和干燥与湿润的持续时间依据各自地区或者土壤特性来定, 程度多样, 导致各干湿交替各具特色, 结果不一, 难以探讨干湿交替频率增加、干燥与湿润的持续时间减少, 对速效养分、DOC影响程度。本研究针对不同的干湿交替频率进行室内模拟控制实验设计, 设计总长度一定、一系列频率不同的干湿交替实验, 同时保持其他条件一致:同一种土壤、相同的干湿交替的干旱、湿润程度、培养温度一定等, 对比分析不同干湿交替频率下速效钾、硝态氮、铵态氮、速效磷、DOC的变化。从而研究土壤微环境在不同干湿交替频率影响下的变化状况, 为更好地理解长时间的季节性变化下的营养物质保持与损失的生物地理化学相关作用, 为不同降水格局下半干旱地区表层土壤微环境的改变提供变化依据, 进而为半干旱地区表层土壤微环境对全球气候变化背景下降水格局改变的响应提供依据^[2]。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究选取北京褐土作为研究对象, 取表层土(0—10cm)土于北京市西山试验林场(39°58′17.5″N与116°11′08.9″—116°11′08.8″E的范围, 海拔255—257m), 将土样带回实验室, 风干后挑出石块与可见植物残体, 过2mm筛, 置于阴凉通风处备用。土壤理化性质详见表 1。

土壤表层取6个环刀, 采用烘干法^[20]测量土壤饱和含水量、容重、总孔隙度。

1.2 试验方案

取风干土50g于250mL磨砂广口瓶, 置于光照培养箱(25℃, 光照12h, 黑夜12h, 用黑布遮住培养箱门)中进行培养。每24h用小风扇给广口瓶进行通气。试验进行58d, 其中前10d为土壤培育期, 采取湿润处理。设置土壤培育期是因为微生物在物理干扰后需要经过一段时间(10d左右)活动才能稳定下来, 也为了在试验处理开始前让风干土进入湿润状态^[21-22]。后48d为试验期, 采取干燥-湿润交替处理, 共设置5组不同频率的干湿交替试验组(在48d内, 进行0、1、2、3、4次干湿交替), 其中干湿交替组4组, 恒湿组1组(0次干湿交替, 记为CM, constantly moist), 所有组均设置3个重复。具体干湿交替时间安排表见图 1。试验结束后(第59天)风干后取土进行各项指标测定(图 1), 与试验前的土壤理化性质进行比较分析。

试验期干湿交替组干燥处理过程与湿润处理过程采取相同天数, 一次干燥后再湿润的过程视为一次干湿交替, 恒湿组的土壤则一直处于恒湿状态。干燥处理如下:于磨砂广口瓶内悬挂小包干燥剂(经105℃过夜干燥后的硅胶, 可重复利用)^[18]并每天更换一次使土壤含水量降低, 每天称重来记录土壤含水量(用这种方法, 土壤会在3天内达到风干状态, 并且土壤含水量不会再进一步下降)。湿润处理如下:用滴管向土壤中滴加蒸馏水, 用称重法使其重量含水量达到土壤饱和含水量的68%, 每天适当滴加蒸馏水维持其土壤含水量恒定(且各组统一)^[23]。

取样时间为箭头所指时间。阴影部分表示湿润处理时间, 空白部分表示干燥处理时间, 前10天阴影部分表示10d的培育期, 后48天设置0、1、2、3、4次干湿交替, 0次干湿交替为恒湿组(CM, constantly moist)。一次干湿交替中干燥时长与湿润时长相同, 1次干湿交替(DW1, 1 drying-rewetting cycle), 干湿交替周期48d, 其中干燥24d, 湿润24d;DW2组(2 drying-rewetting cycles)干湿交替周期24d, 其中干燥12 d, 湿润12 d; DW3组(3 drying-rewetting cycles)干湿交替周期16d, 其中干燥8d, 湿润8d;DW4组(4 drying-rewetting cycles)干湿交替周期12d, 其中干燥6d, 湿润6d。

1.3 测定指标、方法与数据分析方法

速效钾用乙酸铵提取法-火焰光度计进行测量^[24-25], 速效磷用NaHCO₃提取法-Smartchem全自动化学分析仪进行测量^{[5, 26]}, 铵态氮采用KCl溶液浸提-Smartchem全自动化学分析仪测量^[27-28], 硝态氮采用KCl溶液浸提-Smartchem全自动化学分析仪测量^[27], 水溶性有机碳取1 : 5水土比溶液震荡后过滤清液, 过0.45μm膜, 酸化后用Liqui TOC-Analyzer总有机碳分析仪测定^[8], 土壤pH用pH计测量1 : 5水土比溶液过滤后的清液^{[8, 25, 29]}。

采用SPSS 18.0(Chicago, USA)软件, 单因素方差分析(one-way ANOVA)检验了不同干湿交替频率对土壤pH、速效钾、速效磷、铵态氮、硝态氮、水溶性有机碳、水溶性K⁺、水溶性Na⁺的影响, 并用LSD法进行两两比较。

2 结果 2.1 试验前后速效养分、DOC的变化

土壤试验前后速效养分、DOC的变化见表 2, 结果表明:与试验前相比较, 在干湿交替处理下, 土壤中速效钾含量平均降低了10.35%(P=0.004), DW1、DW2、DW3、DW4组分别降低了12.21%、11.53%、11.53%、6.11%;硝态氮含量平均提高了400.73%(P < 0.001), DW1、DW2、DW3、DW4组分别提高了356.40%、408.22%、392.03%、446.25%;土壤铵态氮含量平均降低了73.68%(P < 0.001), DW1、DW2、DW3、DW4组分别降低了72.45%、80.57%、71.89%、69.81%;土壤中DOC含量平均降低了38.39%(P < 0.001), DW1、DW2、DW3、DW4组分别降低了39.93%、34.15%、34.78%、44.70%。不同频率的干湿交替组对速效磷、pH影响不显著(P＞0.05), 与试验前无显著差异, 速效磷平均只降低32.68%, DW1、DW2、DW3、DW4组分别降低了1.90%、43.33%、50.57%、34.90%, pH平均只增加了1.91%, DW1、DW2、DW3、DW4组分别提高了2.42%、1.09%、3.56%、0.57%, 见表 2。

2.2 不同干湿交替频率对速效养分的影响

对干湿交替组与恒湿组速效养分进行两两比较结果(图 2), 结果表明:DW1、DW2、DW3组的土壤速效钾含量显著低于CM组, 但DW4组与CM组没有显著差异, 对比CM组, DW组平均降低了9.73%(P=0.005), 不同频率的各组对比中, DW1、DW2、DW3、DW4组无显著差异, DW4均值略大于DW1、DW2、DW3组(图 2a), DW4组比DW1组高6.96%;对比CM组, 各DW组硝态氮含量显著低于CM组, DW组平均降低了20.83%(P < 0.000), DW2、DW3两组之间不存在显著差异, DW4组与DW1组存在显著差异(图 2b), DW4组比DW1组高19.69%(P=0.016);土壤铵态氮含量在不同频率的干湿交替组之间没有显著差异(表 2), 对比CM组, DW组平均降低了27.72%, 最高值为DW4组, 最低为DW2组, DW4组比DW2组高55.34%。由对比结果可知, 随着干湿交替频率的增加, 干湿交替组速效钾及硝态氮含量与恒湿组趋于同一水平。

虚线代表各指标的试验前的水平。不同字母表示在0.05水平上的差异显著性, 相同字母表示在0.05水平上组间差异不显著。组别中DW1、DW2、DW3、DW4是1、2、3、4次干湿交替组(1, 2, 3, 4 drying-rewetting cycles)的简称, CM是恒湿组(constantly moist)的简称。

2.3 不同干湿交替频率对DOC的影响

对干湿交替组及恒湿组DOC含量进行两两比较, 结果如下:各DW组的DOC含量显著低于CM组, DW组平均低于CM组22.89%(P < 0.000), 不同频率干湿交替组对比中, DW4组DOC含量显著低于DW2、DW3组(图 3), 对比DW2、DW3组, DW4组分别降低了16.02%、15.20%(P＜0.05)。土壤经历恒湿状态会降低DOC含量, 较试验前降低了20.01%, 土壤经历干湿交替状态DOC降低的程度比较大, 相较恒湿状态, 干湿交替能显著降低土壤中DOC含量。

3 讨论 3.1 试验前后速效养分、DOC的影响

本试验中干湿交替能显著降低土壤中速效钾含量, 速效钾的含量在干湿交替后降低是因为溶液中的钾离子或吸附在土壤颗粒上的交换性钾离子进入2 : 1型黏土矿物的晶层之间, 被镶嵌在六角形网眼中, 转化成非交换性钾, 从而降低钾的有效性^{[25, 30]}。

干湿交替刺激土壤提升其硝化势^{[11, 19]}, 使硝态氮提高^[27], 铵态氮降低^{[1, 6, 11, 19, 31-32]}, 这在本试验中得到了验证, 与土壤中的氮转化过程有关, 氮转化过程包括硝化作用、生物固氮作用、反硝化作用和氨化作用^[33-35]。试验过程中, 每24h会进行通气一次, 氧气供应良好, 适于硝化作用的发生, 通气培养有利于硝化细菌活动, 土壤中存在的铵态氮和有机氮矿化产生的铵态氮, 都会很快经硝化作用形成硝态氮^[36-37]。另外, 恒湿组CM硝态氮含量最高是因为湿润状态维持68%的土壤饱和含水率, 并未大量堵塞土壤中孔隙, 在通气良好的情况下, 长期积累硝态氮的结果。

任文畅在综述干湿交替对土壤磷素迁移转化影响中提出干湿交替对磷素转化为难利用的磷的效果在不同的研究者的相关研究中出现不同结果, 仍存在争议^[38], 曹琳研究三峡库区消落带干湿交替与磷转化机理研究中发现干湿交替对不同形态磷有不同的作用效果:有利于土壤释放较稳定的闭蓄态磷和钙结合态磷, 同时有利于累积活性高的有机磷和活性磷^[39]。故干湿交替对比连续水淹, 土壤释放磷的量是增多还是减少, 目前还存在争议。本试验中干湿交替对速效磷的影响并不显著, 相较于曹琳的试验中较长时间(1a)的干湿季节^[40], 本试验的干湿交替总时长(48d)较短, 故变化规律体现不出来。

土壤水溶性有机碳是土壤中易氧化的碳源^[9], 可作为土壤有机碳矿化作用的指示指标^[11]和衡量CO₂释放量的重要指标^[10]。干湿交替显著减少土壤中水溶性有机碳含量^{[8, 11, 13-17]}, 土壤呼吸量与土壤有机碳含量之间存在负相关关系^[17], 干湿交替可能提高了土壤呼吸总量, 土壤水溶性有机碳含量因而降低。Fierer等^[41]研究两种草地在干湿交替试验中释放的CO₂量大约是用K₂SO₄溶液提取的有机碳的10—20倍, 与本文研究结果一致:本试验中干湿交替释放的CO₂量大约是水溶性有机碳的80倍(数据未显示)。土壤中原有的或分解得到的水溶性有机碳会源源不断的供应给土壤呼吸作用, 干湿交替会降低土壤中水溶性有机碳。与此同时, 很多学者持有不同观点, 认为干湿交替以及频繁的干湿交替会增加土壤中的水溶性有机碳, 大体因为土壤结构膨胀、团聚体破坏、微生物在干旱时期的死亡、水分对微生物活性的影响等^{[10, 19]}过程导致水溶性有机碳增加。

3.2 不同干湿交替频率对速效钾、硝态氮的影响 3.2.1 速效钾

土壤经过1次、2次和3次干湿交替处理后, 速效钾的含量显著低于恒湿组^[5], 随着干湿交替频率增加, 当达到4次时(周期小于等于12d时), 干湿交替DW4组土壤速效钾与恒湿组CM已不存在显著差异(图 2a)。

在本研究中, 低次数的干湿交替使土壤速效钾含量降低(DW1、DW2、DW3)是由于干湿交替的土壤会发生明显的固钾作用^{[4, 25]}; 而丛日环等^[42]研究指出如果土壤速效钾水平不高, 则不仅不会固定, 频繁的干湿交替还可能使土壤发生释钾现象, 频率高的DW4组中前几次的干湿交替使得土壤速效钾水平不高, 但随着干湿交替次数趋于频繁, 土壤可能出现的释钾现象, 导致土壤速效钾升高。由此可推测, 在多次的干湿交替过程中, 对土壤速效钾的影响存在两个阶段:第一阶段是前几次干湿交替使得土壤速效钾的降低; 第二阶段是随着干湿交替次数的增加, 土壤开始出现释钾现象, 速效钾含量开始回升。事实上, 针对本研究, 固定时间内(48d), 干湿交替频率越高, 进行越多次数的干湿交替, 土壤速效钾含量越可能回升, 随着干湿交替频率增加达到4次, 土壤速效钾含量与恒湿组速效钾含量已经无显著差异, 4次干湿交替频率是出现速效钾回升的临界次数。

3.2.2 硝态氮

随着本试验中干湿交替频率增加, 硝态氮含量增加可从有机氮与无机氮转化的方面来进行分析。Miller等^[32]的研究指出低频率的干湿交替的净氮矿化量较高频率的干湿交替低, 低频率的干湿交替循环更容易促进氮固定, 高频率的干湿交替循环更容易促进氮矿化。

干湿交替对土壤氮素矿化的影响还可从培养时间方面来分析, 对半干旱生态系统中的土壤研究发现, 在干土再湿润最初的一段时间内对土壤氮素矿化的刺激程度要高于土壤氮素的固定, 并引起土壤无机氮的短期波动, 经过一段时间, 氮素的矿化和固定速率均降低, 将达到一个平衡^{[6, 43]}。干湿交替频率越高, 周期越短, 在相同时长之下, 干土再湿润次数越多, 硝态氮含量就会明显高于次数较少达到氮素的矿化和固定速率平衡的干湿交替组。在本研究中, 氮固定过程与氮矿化过程之间也存在某种平衡, 当干湿交替达到某一频率(4次, 周期小于12d), 就可能会改变它们之间的平衡状态, 频率继续增加会使得氮矿化过程比重增加, 硝态氮含量增加, DW1、DW2与DW3组干湿交替频率相对较低, 氮素的矿化和固定速率能够在周期内回到平衡状态, 因此硝态氮含量显著低于DW4组。

综上, 由本研究结果, 干湿交替频率与速效钾、硝态氮之间的关系为:不同的干湿交替频率对土壤速效钾、硝态氮含量影响程度不同, 频率增加到4次干湿交替后, 土壤速效钾含量与恒湿组已无显著差异, 而硝态氮也出现明显的上升趋势。总结干湿交替对速效钾、硝态氮的影响可知, 土壤速效养分的含量变化是一个复杂的平衡系统, 当受到干湿交替刺激的时, 该平衡会向着土壤养分增加或减少改变。实际上, 以数学微积分的概念来看, 在固定时间段内, 干湿交替频率的增加, 干燥天数更分散地插入其中, 干燥与湿润状态持续时间变短, 平衡改变越频繁, 使得干湿交替组土壤养分含量与恒湿组趋于同一水平。以往研究速效养分与干湿交替的影响并未集中在干湿交替频率上, 多数研究只采取一次干湿交替或两种不同频率的干湿交替, 而不同研究者的试验之间, 变量太多, 故控制其他因素、针对不同干湿交替频率对速效养分的试验就显得很必要, 本文针对此进行了试验, 详细探究了不同干湿交替频率下速效钾和硝态氮的含量变化。

3.3 不同干湿交替频率对DOC的影响

DOC含量中, 各DW组显著低于CM组(P < 0.05)(图 3), 即对比恒湿组, 干湿交替处理相对降低了土壤可溶性有机碳含量。微生物由干燥阶段进入湿润阶段会刺激微生物活性, 释放CO₂^[44], 主要经历3个阶段:突然复水导致微生物迅速代谢掉大量细胞溶质或产生渗透调节物质来降低自身溶质的浓度^{[19, 45]}, 来平衡突然改变的细胞内外水势^[46-47]; 复水后, 在水分条件好的情况下微生物进行频繁的生长繁殖活动, 平衡水势与生长繁殖过程中频繁的微生物活动会极大地消耗土壤中DOC这类小分子有机碳水化合物; 随着持续湿润和底物消耗, 微生物活动减弱直至一个平缓状态。本研究中干湿交替处理下DOC含量低于恒湿组有可能是干湿交替作用下土壤DOC的消耗量大于土壤DOC的供应量所致, 在张雪雯等^[8]、王苑等^[15]设计的多次干湿交替实验中, 每一次干湿交替后土壤DOC总低于恒湿组, 很好地解释了这一结果。目前土壤DOC的相关研究中提及的供应来源有:土壤团聚体破碎^{[10, 15, 31]}、崩解作用^[46]、微生物在干旱阶段死亡而暴露到土壤中有机质^{[10, 48]}等, 但大多只是推测, 缺乏在单一因素影响下针对DOC消耗量与供应量的量化研究, 这也是本研究和今后研究中的难点。

4 结论

(1) 经过干湿交替, 土壤中速效钾、铵态氮、DOC的含量下降, 硝态氮含量增加, 速效磷、pH的变化不明显。土壤中速效钾、硝态氮、DOC含量恒湿组比干湿交替组高。

(2) 在固定时间内(48d), 随着干湿交替的频率增加(从1次到2、3、4次), 周期变短(从48d到24、16、12d), 干燥与湿润的持续时间变短(从24d到12、8、6d), 干湿交替组的速效钾、硝态氮含量分别趋于恒湿组的速效钾、硝态氮水平。低频率的干湿交替使得土壤速效钾含量减少, 高频率可能在后期出现释钾现象, 4次干湿交替频率是出现速效钾回升的临界次数, 速效钾含量随着干湿交替频率增加可能会有所增加, 趋近恒湿组速效钾水平。干湿交替频率增加更频繁的打破平衡, 促进矿化, 随着干湿交替频率增加, 硝态氮含量增加, 趋近恒湿组硝态氮水平。