模拟干湿交替对若尔盖高寒湿地土壤呼吸及可溶性碳氮稳定性的影响

乐 艺, 张晓雅, 高俊琴, 丁 艳, 李谦维

(北京林业大学 自然保护区学院, 北京 100083)

全球气候变化如气温升高、极端干旱和强降雨事件频发，已成为国内外广泛关注的研究热点问题[1]。极端干旱和强降雨事件通过影响干旱期长短、降雨量和降雨强度等，引起区域降水格局发生变化，导致土壤经历的干湿交替更频繁和复杂[1-3]。干湿交替是土壤反复经历干旱和湿润的一个自然过程[4]，能够导致土壤水分发生较大的波动、土壤涨缩及土壤团聚体变化，从而影响土壤微生物种类、数量及其活性，对土壤呼吸和有机质矿化作用产生影响[5-6]。

土壤呼吸是土壤中的有机碳在微生物的作用下转化为无机碳的过程，是碳循环过程中的重要环节[7-9]。一般来说，干湿交替能促进土壤呼吸[10-11]。干湿交替的干旱过程限制了土壤活性有机碳的扩散，影响了土壤微生物活性，从而对土壤碳的转化和矿化产生不同程度的影响[12]。同时，干旱过程引起土壤中部分微生物死亡，增加了土壤可利用有机碳源[13]。重新湿润后，土壤活性有机碳的扩散增强，微生物得以大量繁殖，且微生物的活性明显增加，在一定程度上加快土壤有机碳的矿化[11,13-14]。研究表明，干湿交替的重新湿润过程能引起土壤有机碳矿化速率短时激增的激发效应，促进土壤呼吸和CO2的排放[4,15]，但多次干湿交替的激发效应会逐渐减弱[16]。然而多次干湿交替的强度和频率对土壤呼吸的影响是否一致，还缺少相应研究，尤其是对高寒湿地土壤。

土壤可溶性有机碳是土壤活性碳库的重要组成部分，在土壤中不稳定且易被土壤微生物利用[2,17-18]。干湿交替通过破坏土壤团聚体结构，使原本受保护的有机质暴露，增强了土壤的矿化作用，增加了土壤可溶性有机碳含量[2,19]，改变了土壤中容易被植物吸收利用的养分，比如硝态氮和铵态氮含量。已有研究表明，干湿交替频率增加可降低土壤硝态氮含量，增加铵态氮含量[20]。但对多次干湿交替条件下土壤可溶性有机碳及无机氮的研究相对不足，尚没有一致的结论，尤其是高寒湿地土壤。

本研究以若尔盖高寒湿地土壤为研究对象，探究不同干湿交替强度和频率对高寒湿地土壤呼吸、土壤可溶性碳和无机氮的影响，为深入理解气候变化下高寒湿地土壤碳氮动态提供基础，也为高寒湿地应对气候变化和制定温室气体排放清单提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究土壤来自若尔盖高寒湿地。若尔盖高寒湿地位于青藏高原东部，是我国重要的水源涵养地和碳储藏区[21]，也是世界上最大的高原泥炭湿地。由于其位于高海拔地区，对气候变化敏感，若尔盖高寒湿地成为全球气候变化的敏感区和预警区[21-22]。该区属于寒温带大陆性季风气候，日照强、温差大，年平均气温0.6～1.2℃，年降水550～700 mm[2]。若尔盖高寒湿地以低山、丘陵、河谷和阶地地貌为主[23]，地表常年淹水、季节性淹水或临时性淹水。植物群落以西藏蒿草(Kobresiatibetica)、木里苔草(Carexmuliensis)、毛苔草(Carexlasiocarpa)为优势种[2]。2016年9月，选择若尔盖典型高寒沼泽湿地，设置4个1 m×1 m的样方，去除地表植被，采用多点混合法采集表层(0—20 cm)土壤2 kg，保持土壤原状带回实验室。

1.2 试验设计

根据野外观测的生长季降水量和降水频率，设置两个干湿交替强度即高强度(221 mm，约占全年降水量的40%，相当于试验期野外实际降水量)、低强度(155 mm，相当于70 %野外实际降水量)，两个频率即高频(8 d/次，野外降水频率均值)、低频(16 d/次，延长一倍野外降水频率)，另设恒定水分组(CK)作为对照，共5种干湿交替处理，每种处理5个重复(图1)。在250 ml培养瓶底部铺5 mm石英砂，野外采集的土壤经过挑根和过筛处理，平铺2 cm在培养瓶内。培养瓶底部放置装有10 ml浓度为1 mol/L NaOH的小棕瓶，NaOH溶液用于吸收培养过程中土壤呼吸释放的CO2，同时在培养瓶瓶口悬挂无水硅胶用于吸收培养过程中蒸发的水分，培养瓶密闭后置于人工气候箱恒温(15 ℃)无光条件下培养144 d，即高频率和低频率处理分别经历18，9个干湿交替周期。试验开始前，在室内常温避光条件下进行预培养试验以恢复微生物的活性。培养期间根据不同的干湿交替处理定期进行水分添加，每4 d更换一次干燥剂，同时称量培养瓶的质量，计算水分变化。培养期前64 d每8 d更换一次NaOH溶液，培养后期由于土壤呼吸速率减慢，每16 d更换一次，更换的碱液加入过量的BaCl2(1 mol/L)溶液后利用HCl (0.5 ml/L)进行酸碱滴定计算释放的CO2的量。

1.3 指标测定

利用NaOH溶液吸收土壤呼吸作用所释放的CO2。每次更换的NaOH溶液加入过量的BaCl2(1 mol/L)溶液，自动滴定仪(ZDJ-5型自动滴定仪)用0.5 mol/l盐酸溶液滴定剩余NaOH溶液的浓度[12,15]，自动滴定仪显示滴定过程中所用盐酸的体积，计算不同干湿交替处理条件下CO2的释放总量，其计算公式如下[24]：

(1)

式中：m为释放CO2的质量；C1为碱液吸收CO2前的浓度；C2为碱液吸收CO2后的浓度；V为培养过程中碱液的体积；M为CO2的摩尔质量。

图1 土壤干湿交替变化处理

土壤可溶性有机碳测定采用如下方法[2]：称取5 g新鲜土样放入50 ml的离心管中，加入25 ml去离子水，将离心管置于振荡机中在常温条件下以120 r/min的速度振荡1.5 h，再将离心管置于离心机以3 000 r/min的速度离心10 min，将土壤提取液经过0.45 μm微孔滤膜过滤。利用multi N/C 3100 TOC分析仪(德国耶拿分析仪器股份公司，耶拿，德国)，测定土壤可溶性有机碳含量。

土壤铵态氮和硝态氮测定采用如下方法[25]：称取土壤5.00 g置于50 ml离心管中，加入0.05 ml/L K2SO4溶液25 ml，将离心管置于摇床中在常温条件下以120 r/min的速度震荡1.5 h，再将离心管置于离心机以3 000 r/min的速度离心10 min，将土壤提取液上经过0.45 μm微孔滤膜过滤，利用连续流动分析仪(德国SEAL公司，诺德施泰特，德国)测定所得溶液即可得到铵态氮和硝态氮含量。无机氮为硝态氮和铵态氮二者之和。

1.4 数据计算与分析

本研究中引入Orwin & Wardle稳定系数，用以表征土壤各个指标应对干湿交替干扰的稳定性，其计算公式如下[20]：

(2)

采用Excel 2013处理初始数据，利用SPSS统计分析软件对数据进行双因素分析，并利用Sigmaplot 12.5绘图软件作图。

2 结果与分析

2.1 干湿交替对土壤呼吸的影响

随着培养时间延长，CO2累积排放量逐渐增加。培养前期，CO2排放量随培养时间的增加而逐渐加快，但到培养中后期，CO2排放量随时间增加逐渐减慢。在培养过程中，低强度干湿交替条件下高频率较低频率的CO2排放量少(图2A，B)。

方差分析表明，干湿交替强度对CO2排放量影响显著(p=0.028)，而干湿交替频率以及频率和强度的交互作用对CO2排放量没有显著影响(表1)。高强度干湿交替下土壤呼吸显著高于低强度处理，其CO2释放量分别为(8.06±0.29) g/kg和(7.12±0.25) g/kg。相同干湿交替强度条件下，低频处理CO2释放量高于高频处理。高强度干湿交替处理下，低频、高频处理CO2释放量分别为(8.17±0.15) g/kg，(7.93±0.58) g/kg。低强度干湿交替处理下，低频、高频处理CO2释放量分别为(7.40±0.42) g/kg，(6.84±0.25) g/kg(图3A)。

土壤水分是影响土壤呼吸作用的主要因素[16,27]。本研究中干湿交替强度显著影响了CO2排放量，即低强度干湿交替抑制了土壤呼吸。研究表明土壤含水量变化于60%～70%左右适宜于微生物活动及土壤有机质的矿化作用[28]。当土壤处于较干燥的情况下，适当增加土壤水分能够提高土壤呼吸作用增加CO2释放量，但是当土壤中水分超过一定水平时，土壤的空隙被水分填充，土壤氧气缺乏，好氧微生物活性降低，CO2的释放受到抑制[23]。本研究中土壤水分含量范围在51.0%～72.5%，该土壤含水量比较适合于土壤微生物活动，尤其是高强度干湿交替，从而导致了高强度干湿交替下土壤呼吸最强烈。在本研究中，不同干湿交替处理下土壤呼吸释放的CO2量介于6～9 g/kg，这一范围与以往研究的CO2释放量范围一致[11-12,15]。

图2 干湿交替对若尔盖高寒湿地土壤呼吸的影响

表1 干湿交替对若尔盖高寒湿地土壤呼吸及

研究表明，相对于淹水或土壤水分饱和条件，干湿交替能促进土壤呼吸，其影响机制主要是干湿交替对微生物活性的激活效应及土壤物理结构的裂变作用[5]。干旱条件下，土壤中的有机碳扩散受到抑制，难以被微生物所利用，降低土壤呼吸作用，甚至会导致微生物的死亡，在一定程度上增加土壤中可利用有机碳[15-16]。湿润之后土壤团聚体膨胀裂解，使原本受团聚体保护的稳定的有机质暴露，为微生物的正常代谢和生长提供物质基础[5,13,16]，且重新湿润后，微生物的活性和新陈代谢能力增强，微生物对有机物质的利用提高[5,13]。随着干湿交替强度的增加，土壤激发作用随之增强，这是因为小强度的降水只能湿润表层土壤，且水分蒸发迅速，无法到达下层土壤对微生物产生激活作用[29]。随着干湿交替次数的增加，干湿交替对土壤呼吸作用的激发效应逐渐减弱，主要表现为激发效应响应时间延长、激发效应持续时间缩短及激发量的减少[16]。这与本研究中在培养后期CO2的释放量逐渐减少的结果一致。其可能原因是随着干湿交替过程的不断进行，没有外源有机碳的输入，土壤团聚体的稳定性得以提高，所释放的有机物质减少[30]，土壤中可供微生物利用的有机物质的可得到性降低，导致土壤呼吸作用受到抑制，所释放的CO2量也相应减少[5,12,16]。本研究中干湿交替频率对土壤呼吸没有显著影响，可能是由于干湿交替高低频率下土壤含水量波动变化差异不是很大，土壤微生物群落和活性变化不大，从而导致土壤呼吸没有显著差异。

2.2 干湿交替对土壤可溶性有机碳和无机氮的影响

干湿交替强度显著影响土壤可溶性有机碳(DOC)含量(p=0.041)和DOC/无机氮(p=0.003)(表1)。低强度干湿交替处理下DOC含量和DOC/无机氮的比值显著高于高强度处理(图3B，D)。干湿交替强度和频率对土壤无机氮没有显著影响。铵态氮含量受干湿交替频率及交互作用的影响显著，硝态氮受干湿交替强度及交互作用的影响显著(表1)。在高强度干湿交替下，增加频率显著增加了铵态氮含量，降低了硝态氮含量；在低强度干湿交替下，频率变化对土壤硝态氮和铵态氮含量均没有显著影响(图3E，F)。

土壤DOC是土壤中容易被微生物所利用的碳源。干湿交替过程中土壤呼吸作用大量消耗土壤中的可利用性碳，进而对土壤可溶性有机碳含量产生影响。本研究中干湿交替强度增加显著增加了土壤呼吸，高强度干湿交替处理下土壤可溶性有机碳的含量显著低于低强度处理，这一结果与前人研究结果一致[4]。本研究中干湿交替对无机氮含量没有显著影响，但对硝态氮和铵态氮有影响，在高强度干湿交替条件下，干湿交替频率的增加降低了硝态氮含量，增加了铵态氮含量，这与前人的研究结果较为一致[10,25,31]在高强度干湿交替条件下，高频率的干湿交替下土壤保持较高的含水量，有利于反硝化作用的进行，而硝化作用受到抑制[32]，因此降低了硝态氮含量，增加了铵态氮含量。

注：不同大小写字母代表同一干湿交替频率下不同强度之间差异显著；*代表同一干湿交替强度下不同频率之间差异显著(p<0.05)。

2.3 土壤呼吸和土壤碳氮稳定性

干湿交替强度显著影响DOC/无机氮稳定性，干湿交替频率、强度与频率的交互作用显著影响土壤铵态氮稳定性，硝态氮稳定性受干湿交替强度和频率交互作用的影响显著。干湿交替强度和频率对土壤呼吸稳定性、DOC和无机氮稳定性均没有显著影响(表2)。

高强度干湿交替处理显著增加了DOC/无机氮的稳定性(图4D)。在高强度干湿交替下，增加频率有利于维持土壤铵态氮和硝态氮的稳定性(图4E，F)。

表2 干湿交替对土壤稳定性的影响

土壤稳定性是土壤健康的指标之一，是土壤抵抗人为干扰和自然环境变化的能力[33-34]。本研究中选取了土壤呼吸释放CO2总量、DOC，DOC/无机氮、无机氮、铵态氮和硝态氮等指标反映若尔盖湿地土壤对于干湿交替干扰的抵抗性。本研究中干湿交替强度、频率及交互作用对土壤呼吸稳定性均无显著影响，主要由于本研究中土壤水分的波动变化不是很剧烈(图1)，高频率下土壤含水量变化于55.6%～64.0%(高强度)和51.0%～56.9%(低强度)，低频率下土壤含水量变化于57.9%～72.5%(高强度)和51.6%～61.9%(低强度)，该土壤含水量范围都比较适合于土壤微生物活动，即较小的干湿交替变化对土壤微生物进行碳氮矿化作用的影响不大，导致土壤呼吸稳定性没有差异。铵态氮和硝态氮稳定性对干湿交替的响应趋势较为一致。研究表明，相对于硝态氮，微生物会优先选择铵态氮作为氮源，其原因可能是利用铵态氮所消耗的能量较少[35]。在高强度干湿交替下，低频率促进微生物消耗更多的铵态氮，导致土壤中的铵态氮显著减少，降低了其稳定性。

注：不同大小写字母代表同一干湿交替频率下不同强度之间差异显著；*代表同一干湿交替强度下不同频率之间差异显著(p<0.05)。

3 结 论

干湿交替强度和频率对若尔盖高寒湿地土壤呼吸及其稳定性影响不同。干湿交替强度显著影响若尔盖高寒湿地土壤呼吸、DOC及DOC/无机氮的比值，低强度干湿交替显著降低了CO2排放，同时有利于增加可溶性有机碳的含量和提高DOC/无机氮的比值。土壤铵态氮及稳定性受干湿交替频率及交互作用的显著影响，硝态氮受干湿交替强度及交互作用的显著影响。土壤呼吸、DOC和无机氮稳定性均不受干湿交替强度、频率及交互作用的显著影响。因此，降水模式改变，尤其是降水量的变化，影响土壤干湿交替强度，将对若尔盖高寒湿地土壤呼吸和DOC、铵态氮及硝态氮含量产生影响，进而影响高寒湿地土壤活性碳氮的稳定性。未来可进一步加强气候变化下高寒湿地碳氮循环过程研究，为深入理解高寒湿地应对全球气候变化提供基础。