趙盼盼,高金濤,鄭 蔚,貝昭賢,劉志江,熊德成,葉旺敏,曾曉敏,袁 萍,楊舟然,陳岳民,*,楊玉盛

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

全球氣候變化包括全球變暖,氮沉降加劇,CO2等溫室氣體濃度升高,降水動蕩等多個方面,是當前研究的重要課題[1]。以氣候變暖為主要特征之一的全球變化正影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,威脅著人類的生存與健康,受到世界各國政府和科學家的普遍關(guān)注[2- 3]。IPCC(2013)根據(jù)氣候模型預測到21世紀末全球地表將平均增溫1.8—4.0℃[4]。溫度是影響氮磷礦化最重要的非生物因素之一,土壤溫度升高會影響有機物質(zhì)的分解,氮礦化,以及土壤養(yǎng)分的數(shù)量和遷移,從而影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能[5- 6]。

土壤養(yǎng)分是供給植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)來源元素[7]。N是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力最具限制性的營養(yǎng)因子之一,在生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)中扮演著重要角色[8]；P是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成成分[9]。N和P是限制植物初級生產(chǎn)力的關(guān)鍵元素,植物生長需要大量的N和P[10]。在草原生態(tài)系統(tǒng),當N含量比較充足的時候,P通常成為植物生長的限制因素[11]。N、P的耦合作用,主要是指土壤中的N素和P素彼此之間相互作用,以至于相互促進或相互制約的現(xiàn)象。N、P比值是N、P耦合作用的重要指標,其可以指示土壤養(yǎng)分的供需狀況。N、P比值的改變深刻影響土壤中養(yǎng)分的含量和植物生長,物種競爭,群落組成和生態(tài)系統(tǒng)功能等[12]。此外,有效N/P比值對植物營養(yǎng)限制比較敏感,并且和植物葉片的N/P比值密切相關(guān),因此有效N/P比值是評價和預測生態(tài)系統(tǒng)健康的重要參數(shù)[13]。

研究表明土壤溫度升高會影響土壤微生物活動,提高土壤酶活性和有效氮的含量,而土壤養(yǎng)分有效性的增加將會提高植物的初級生產(chǎn)力[14]。土壤中有效氮是限制高寒草地植物生長的關(guān)鍵因素之一[15]。許多研究結(jié)果表明,增溫會增加高寒草地土壤中有效氮,植物對土壤中可利用N的吸收也會增加[16- 17]。然而在內(nèi)蒙古溫帶草原地區(qū)增溫會降低全氮、全磷和有效氮；但也有研究發(fā)現(xiàn),增溫對土壤N、P的凈礦化速率和植物初級生產(chǎn)力沒有明顯影響[18- 19]。Zhang等[12]研究表明增溫對溫帶草原的N/P無顯著影響,對N、P耦合作用影響不明顯。還有研究表明,增溫和干旱使內(nèi)蒙古溫帶地區(qū)土壤生物地球化學解耦作用發(fā)生改變,植物生長受到限制,P脫離C和N,不再依賴于C、N含量,全N/P和有效N/P比值降低[14]。當前,關(guān)于全球變暖對土壤養(yǎng)分的影響大多集中在中高緯地區(qū)的草原、農(nóng)田、苔原和森林生態(tài)系統(tǒng)[20-21]。而關(guān)于亞熱帶地區(qū)森林土壤N、P之間的耦合作用對全球變暖的響應狀況鮮見報道。因此,為了進一步了解全球變暖背景下杉木人工幼林土壤養(yǎng)分響應過程和反饋狀況,本文的具體探究目標如下:(1) 短期增溫對亞熱帶杉木人工幼林土壤含水量和土壤溫度的影響；(2) 短期增溫對亞熱帶杉木人工幼林土壤N、P養(yǎng)分及其耦合作用的影響。

1 試驗區(qū)與試驗設計

研究區(qū)位于中國福建省三明市,試驗地位于福建師范大學大武夷常綠闊葉林野外定位站三明觀測點,陳大實驗站(26°19′N,117°36′E),位于戴云山東南方向和武夷山西北方向。該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候,年均溫度19.1℃,相對濕度81%,年均降雨量1749mm(主要集中在3—8月份),年均蒸發(fā)量1585mm[22]。

本試驗小區(qū)面積2m×2m,每個小區(qū)種植4棵杉木幼苗,小區(qū)四周用4塊PVC板(200cm×60cm)焊接而成。于2013年10月在增溫和不增溫小區(qū)均平行布設相同的加熱電纜,深度10cm,間距20cm。杉木幼苗處在兩條電纜線之間。電纜布設完成后5個月(2014年3月)開始通電增溫,樣區(qū)詳細布設介紹具體參見Zhang等[23]。據(jù)聯(lián)IPCC(2013)第五次氣候變化評估報告,到本世紀末,大氣溫度將升高0.3—4.8℃[4]。同時也參考了最早進行土壤增溫試驗的美國哈佛森林的增溫幅度設置,所以本研究將增溫幅度定為5℃[20]。其他增溫系統(tǒng)設計及增溫幅度結(jié)果具體參見陳仕東等[24]。

本試驗采用完全隨機區(qū)組設計,以增溫為固定因子。設對照(CK)、增溫(W)兩種處理,每個處理5個重復,共10個小區(qū)。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

2015年4月和2016年4月(增溫滿1年和兩年),在上述每個小區(qū)內(nèi)按照“S”型隨機設置5個取樣點,增溫電纜布設在10cm,用土鉆分別取0—10cm的土壤,每個小區(qū)同一土層土壤混合均勻。將采集的土壤迅速帶回實驗室,去除可見根系等動植物殘體,用于含水率的測定,剩下的土壤過2mm篩后分為兩部分,一部分用于土壤C,N養(yǎng)分的測定；另一部分土壤室溫風干研磨后過0.149mm篩用于測定土壤全N,P等基本理化指標。

2.2 土壤溫濕度及土壤養(yǎng)分的測定方法

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)過Microsoft Excel 2013軟件處理后,采用SPSS 19.0軟件進行分析,由Origin 9.0軟件進行繪圖。計算CR3000觀測數(shù)據(jù)1天內(nèi)的平均值,用折線圖表示2014年和2015年(增溫1年和兩年)土壤含水量和土壤溫度的動態(tài)變化。用單因素方差分析檢驗土壤含水量和土壤溫度在增溫和對照處理下有無顯著差異性(P<0.05)。用單因素和雙因素方差分析檢驗2015年和2016年土壤養(yǎng)分及其比值有無顯著差異性(Duncan法,α=0.05)；計算在增溫和對照兩個處理下土壤溫度、土壤含水量與土壤養(yǎng)分其比值的pearson相關(guān)系數(shù)(P<0.05,P<0.01和P<0.001)。

3 結(jié)果與分析

3.1 增溫對土壤理化性質(zhì)的影響

增溫后,土壤中全C、全N、pH均有所下降,但并未達到顯著影響(表1)。增溫對全P和C/N也無影響。但增溫顯著降低了土壤含水量(P<0.05)。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

不同小寫字母表示同一年份不同處理之間差異顯著(P<0.05)

3.2 增溫對土壤含水量、土壤溫度的影響

土壤含水量和土壤溫度呈現(xiàn)一個類似季節(jié)性的變化規(guī)律,在6—8月達到頂峰。增溫顯著降低了土壤含水量(P<0.05)。和對照組相比增溫幅度基本維持在5℃左右。增溫處理后,2014年,土壤含水量由24.07%下降到19.60%,土壤溫度由23.31℃升高到28.51℃；2015年,土壤含水量由21.86%下降到17.27%,土壤溫度由22.49℃升高到26.69℃(圖1)。

圖1 增溫對土壤含水量和土壤溫度的影響Fig.1 Effects of warming on soil water content and soil temperatureCK：對照Control；W：增溫Warming;不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

3.3 增溫對土壤N、P及其比值的影響

3.3.1 增溫對土壤N和P的影響

整體而言,短期增溫對全N、全P無顯著影響。但對速效性養(yǎng)分和MBN,MBP有顯著影響。

圖2 增溫對土壤養(yǎng)分的影響Fig.2 Effects of warming on soil nutrientsT：時間效應 Time effect；WT：增溫和時間交互作用Interaction effect of warming and time；不同小寫字母表示同一年份不同處理之間差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示不同年份同一處理之間差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=5)；*, ** 和 *** 分別代表P<0.05, P <0.01和P<0.001

圖3 增溫處理后土壤養(yǎng)分N/P和和MBN/MNP比的影響Fig.3 Effects of warming on soil N/P and MBN/MBP ratios

3.4 土壤溫度和含水量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

4 討論

4.1 增溫對土壤N、P的影響

表2 不同處理下土壤溫度和土壤含水量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

4.2 增溫對土壤N、P耦合作用的響應

耦合作用不僅受N和P之間的相互作用的影響,也受到土壤溫度、水分含量、土壤pH等其他因素影響[12]。土壤含水量通過影響有機物分解速率和氧化還原電位從而影響土壤和土壤溶液中離子含量[38]。水和溫度是生物地球化學過程的重要因素,干燥和溫暖的氣候?qū)⒋蟠蟾淖兩锪康姆e累,以不同的方式分解和存儲,可能破壞C、N和P的生物地球化學循環(huán),消極影響了這些生態(tài)系統(tǒng)提供的關(guān)鍵服務[14]。但是Zhang等人研究發(fā)現(xiàn)松嫩草原土壤溫度和土壤含水量與N、P元素呈顯著相關(guān)[12],其與本研究結(jié)論不一致的原因可能是氣候帶不同,植被類型不同,增溫后微生物活性也有一定的差別。Jiao等[14]研究表明土壤pH主要受氣候的長期影響,土壤的pH值對土壤N/P比值存在潛在影響。此外N/P比值也受研究地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和植被類型的影響[15]。

5 結(jié)論

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中國古典園林強調(diào)人與自然和諧共處，強調(diào)園林意境，這與現(xiàn)代景觀設計注重生態(tài)性、文化性、合理性是不沖突的。因此，很多古典園林設計手法是值得現(xiàn)代景觀設計師借鑒和深思的，中國古典園林藝術(shù)需要在現(xiàn)代景觀設計中得到傳承和發(fā)揚光大。

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