馮 茹,郝晨陽(yáng),馬秀枝,李依倩,李長(zhǎng)生,張志杰

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),呼和浩特 010018；2.呼和浩特市氣象局,呼和浩特 010051)

近年來(lái),氣候變化引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題受到了高度重視,二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是導(dǎo)致全球氣候變暖最重要的3種溫室氣體。根據(jù)第六次IPCC(2021)公布結(jié)果顯示:自2011年以來(lái),大氣中溫室氣體含量持續(xù)上升,其中大氣CO2,N2O和CH4含量分別達(dá)到了410ppm,332ppb和1866ppb[1]。隨著工業(yè)革命的發(fā)展,碳氧化物和氮氧化物的排放打破了全球碳氮源和庫(kù)的平衡[2-3]。土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)和土壤有機(jī)氮(Soil organic nitrogen,SON)是土壤養(yǎng)分的重要組成部分,具有維持土壤肥力的作用[4-5]。氣候變暖可能會(huì)影響土壤水熱、養(yǎng)分以及微生物的種類(lèi)、豐度和活性,進(jìn)而調(diào)控許多關(guān)鍵的森林生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程[6-9]。

土壤理化環(huán)境的改變會(huì)影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)過(guò)程和速率[10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了許多有關(guān)增溫對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究,但由于生態(tài)系統(tǒng)的類(lèi)型、增溫設(shè)施的選擇以及不同氣候帶的差異,研究結(jié)果也不盡相同。如:李曉菡等[11]利用Meta分析得出,增溫使土壤有機(jī)碳含量降低了4.4%；Alatalo等[12]發(fā)現(xiàn)增溫對(duì)潮濕草甸、高寒草甸的土壤有機(jī)碳含量沒(méi)有影響；Yuan等[13]的試驗(yàn)證明,在增溫條件下,高原鼠兔促進(jìn)了青藏高原高山沼澤草甸土壤有機(jī)碳積累；樊利華等[14]、安申群等[15]的研究顯示,有機(jī)質(zhì)碳作為土壤碳中最為活躍的一部分,土壤易氧化有機(jī)碳(Readily organic carbon,ROC)在調(diào)節(jié)土壤碳氮循環(huán)中起著重要的作用；劉士丹[16]在黑土地增溫試驗(yàn)研究中表明,溫度和含水量升高時(shí),土壤易氧化有機(jī)碳含量減少,并且土壤易氧化有機(jī)碳的含量會(huì)隨著土層深度的增加而減少；王興[17]所做的試驗(yàn)結(jié)果表明,在黃土高原撂荒草地,增溫使土壤易氧化有機(jī)碳含量增加。

氮素是土壤的重要組成元素,可以間接反映植被的生長(zhǎng)狀況[18-19]；土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與活性受溫度的影響。有些學(xué)者探究了增溫對(duì)土壤氮庫(kù)的影響,但研究結(jié)果也并不一致。如:Bai等[20]研究發(fā)現(xiàn),增溫促進(jìn)了土壤凈氮礦化速率和凈硝化速率,從而促使了土壤氮庫(kù)的量增加；趙盼盼等[21]在亞熱帶杉木人工幼林的研究中發(fā)現(xiàn),短期增溫對(duì)土壤氮并沒(méi)有顯著影響；楊成邦等[22]增溫試驗(yàn)表明,增溫促使杉木幼林和成熟林土壤總無(wú)機(jī)氮的含量降低；張欣等[23]增溫和施氮研究表明,內(nèi)蒙古荒漠草原土壤pH值增加,其中,0～10cm土層增加了0.15,10～20cm土層增加了0.02。

目前,利用開(kāi)頂式增溫室(OTC)增溫裝置,在溫帶干旱半干旱地區(qū)人工林內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)展模擬增溫對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的有關(guān)研究。本文采用開(kāi)頂式增溫室法,利用模擬增溫完整1年(2019-12—2020-11)的數(shù)據(jù),研究短期模擬增溫對(duì)大青山油松人工林土壤理化性質(zhì)的影響,以期為后期該區(qū)域開(kāi)展人工林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)增溫響應(yīng)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論支持。

1 研究區(qū)概況

大青山是內(nèi)蒙古面積最大的森林生態(tài)類(lèi)型自然保護(hù)區(qū),位于陰山山脈,是土默川平原的天然生態(tài)安全屏障[24]。平均海拔1 160m,樹(shù)種為人工栽種的油松純林,樹(shù)齡在35a左右,平均樹(shù)高9.29m。樣地土層較薄,土壤為栗鈣土。氣候?yàn)闇貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候,四季較為明顯,春季風(fēng)沙大而多；夏季氣溫舒適,降雨量較多；秋季氣溫涼爽,氣溫下降快,降雨量稀少；冬季天氣較冷,少雨雪[25]。全年光照充足,平均氣溫6.7℃。近30年(1990—2021年)平均年降雨量410mm,主要集中在7—8月；蒸發(fā)量可以達(dá)到降雨量的4倍。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)置在內(nèi)蒙古大青山烏素圖氣象站東側(cè)油松人工林區(qū)(40°51′19″N,110°34′21″E),采用開(kāi)頂式(Open Top Chamber,OTC)氣室增溫的方法來(lái)進(jìn)行大氣和土壤溫濕度變化的監(jiān)測(cè)。開(kāi)頂式增溫室由8塊聚碳酸酯板(透光率為90%)鏈接成八邊形棱臺(tái)體,其規(guī)格為:底部直徑2.75m,頂部直徑1.5m,高2.42m。試驗(yàn)盡量選擇地形條件、林下植被種類(lèi)、郁閉度等最大限度地相對(duì)一致的區(qū)域來(lái)確定4個(gè)20m×20m的樣方。每個(gè)樣方設(shè)置增溫(Increasing Temperature,IT)和對(duì)照(Control,CK)兩個(gè)處理,共8個(gè)小區(qū)。每個(gè)樣方間隔10m,相鄰小區(qū)間隔5m。隨機(jī)選取一個(gè)增溫和一個(gè)對(duì)照小區(qū)安裝溫濕度監(jiān)測(cè)儀,全年監(jiān)測(cè)土壤及大氣的溫濕度變化。試驗(yàn)于2019年11月開(kāi)始布置,于2020年6—9月進(jìn)行土樣采集、測(cè)定。

2.2 土壤及大氣溫濕度的測(cè)定

2019-12-01—2020-11-30,采用WN-30LDT多通道溫濕度監(jiān)測(cè)器對(duì)大青山油松人工林土壤層(5,10,20,40cm)溫濕度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),采用HOBO大氣溫濕度監(jiān)測(cè)器(1.5m)對(duì)大青山大氣溫濕度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),測(cè)定頻率均為0.5h。

2.3 土壤樣品的采集與處理

2020年6—9月,每月在各個(gè)小區(qū)用隨機(jī)多點(diǎn)采樣法進(jìn)行土壤樣品采集,不同處理樣方用直徑3.5cm的不銹鋼土鉆由上至下分0～10cm、10～20cm兩個(gè)土層取樣,同處理同深度取5鉆土樣混合為一個(gè)土壤樣品。將土壤帶回實(shí)驗(yàn)室,撿去土壤中的礫石和植物根系,用2mm孔徑過(guò)篩,土壤樣品貯存在4℃條件下,用于土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、全氮(Total Nitrogen,TN)等指標(biāo)不同月份含量的測(cè)定。所有指標(biāo)測(cè)定于1周內(nèi)完成。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[26]；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定[27]；土壤易氧化有機(jī)碳的測(cè)定[26]采用333mmol/L的高錳酸鉀與土樣混合,振蕩離心后再用蒸餾水進(jìn)行稀釋,將稀釋液在565nm的分光光度計(jì)上進(jìn)行比色來(lái)測(cè)定；土壤pH按2.5∶1水土比,浸提液采用便攜式酸度計(jì)(pHS-3c酸度計(jì))測(cè)定[26]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù),首先用Excel 2010 進(jìn)行整理,然后用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析以及正態(tài)分布檢驗(yàn),最后用Excel 2010繪圖。土壤有機(jī)碳、土壤易氧化有機(jī)碳、全氮以單位質(zhì)量的養(yǎng)分含量(g/kg)表示,土壤的C∶N以質(zhì)量比表示。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中,將顯著性檢驗(yàn)的值設(shè)定為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 增溫對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

3.1.1增溫對(duì)大氣與土層溫度的影響

圖1為增溫組年均大氣和四個(gè)季節(jié)的土層溫度與對(duì)照組相比較的溫度增量變化情況。在增溫處理下,大氣溫度與土壤溫度在全年及各季節(jié)都處于增溫狀態(tài),但增溫幅度在各季節(jié)卻有所不同。大氣年均溫度增加0.65℃,四個(gè)季節(jié)中,大氣溫度表現(xiàn)為夏季增溫最大(1.18℃)、冬季最小(0.24℃)；5,10,20,40cm土層年均溫度分別增加了1.07,1.41,1.12,0.59℃。四個(gè)季節(jié)中,土壤溫度增溫效果是冬季>秋季>春季>夏季；5,10,20,40cm土層在冬季分別增加了1.81,2.42,1.85,1.25℃；5,10,20,40cm土層在夏季分別增加了0.35,0.27,0.49,0.01℃。

圖1 大氣與土壤各層溫度(較對(duì)照)增溫效應(yīng)

3.1.2增溫對(duì)大氣與土層濕度的影響

圖2為年均和四個(gè)季節(jié)的增溫與對(duì)照處理相比較的大氣及不同土壤層次的濕度增量變化情況。土層濕度整體上對(duì)照處理高于增溫處理；大氣濕度年均增加0.83%,秋季大氣濕度增加最高(1.75%)、夏季濕度增加最少(0.12%)。在增溫處理下,5,10,20cm土層濕度降低了4.26%,3.86%,6.5%,但40cm土層濕度卻增加1.37%；5,20cm土層在各季節(jié)濕度都降低,其中,5cm土層在夏季濕度降低最大(6.52%)、冬季降低最少(1.44%),20cm土層在春季濕度降低最大(7.75%)、冬季降低最少(5.49%)；10cm土層在夏季濕度降低最大(10.84%)、冬季濕度卻增加了1.42%；40cm土層在各季節(jié)濕度都增加,40cm土層冬季濕度增加最高(1.91%)、夏季增加最少(0.87%)。

圖2 大氣與土壤各層濕度(較對(duì)照)變化

3.2 增溫對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

3.2.1增溫對(duì)土壤pH的影響

如圖3所示,增溫處理的土壤pH值大于對(duì)照處理。在0～10cm土層,增溫處理和對(duì)照處理的土壤pH值分別是8.34±0.13,8.27±0.27,增溫處理比對(duì)照處理高0.07,差異不顯著(P>0.05)；在10～20cm土層,增溫處理和對(duì)照處理的土壤pH值分別是8.37±0.10,8.28±0.05,增溫處理比對(duì)照處理高0.9,差異顯著(P<0.05)。

圖3 增溫對(duì)土壤pH的影響

3.2.2增溫對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

在增溫處理下,0～10cm土層的土壤有機(jī)碳年平均含量為12.00g/kg,10～20cm土層含量為7.36g/kg；在對(duì)照處理下,0～10cm土層的有機(jī)碳含量為13.76g/kg,10～20cm土層有機(jī)碳含量為8.05g/kg。增溫處理較對(duì)照處理下,0～10cm土層的土壤有機(jī)碳含量下降12.79%,10～20cm土層下降8.57%。

由圖4可知,不同土層土壤有機(jī)碳含量受季節(jié)影響較小,相同土層不同月份以及不同處理下差異均不顯著。在0～10cm土層,對(duì)照處理下的土壤有機(jī)碳含量均大于增溫處理；增溫處理下,7月21日土壤有機(jī)碳含量最低(9.63g/kg),6月21日土壤有機(jī)碳含量最高(14.16g/kg)；對(duì)照處理下,不同月份土壤有機(jī)碳含量基本保持不變。在10～20cm土層,除7月21日的土壤有機(jī)碳含量為增溫處理略大于對(duì)照處理,其余月份均為對(duì)照處理大于增溫處理；在增溫處理下,9月25日土壤有機(jī)碳含量最高(8.37g/kg),6月21日土壤有機(jī)碳含量最低(6.71g/kg)；在對(duì)照處理下,8月20日土壤有機(jī)碳含量最高(8.91g/kg),7月21日土壤有機(jī)碳含量最少(6.53g/kg)。

圖4 增溫對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

3.2.3增溫對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳含量的影響

增溫處理下,0～10cm土層易氧化有機(jī)碳年平均含量為3.46g/kg,10～20cm土層含量為2.17g/kg；對(duì)照處理下,0～10cm土層的易氧化有機(jī)碳含量為3.90g/kg,10～20cm土層易氧化有機(jī)碳含量為2.45g/kg。與對(duì)照相比,增溫使得0～10cm土層的土壤易氧化有機(jī)碳降低了11.28%,10～20cm土層降低了11.43%。

由圖5可知,隨著時(shí)間的變化,各月份之間土壤易氧化有機(jī)碳含量沒(méi)有明顯的變化,含量差異不大,不同土層不同月份的土壤易氧化有機(jī)碳整體上為對(duì)照處理大于增溫處理,僅6月21日的增溫處理,在0～10cm土層的含量比對(duì)照處理大0.08g/kg。增溫處理下,隨著月份的增大,0～10cm土層中土壤易氧化有機(jī)碳含量逐漸降低；在10～20cm土層中,7月21日土壤易氧化有機(jī)碳含量最高(2.39g/kg)。對(duì)照處理下,在0～10cm土層中,8月20日土壤易氧化有機(jī)碳含量最高(4.04g/kg),在10～20cm土層中,7月21日土壤易氧化有機(jī)碳含量最高(2.58g/kg)。

圖5 增溫對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳含量的影響

3.2.4增溫對(duì)土壤全氮含量的影響

增溫處理下,0～10cm土層的土壤全氮年平均含為0.89g/kg,10～20cm土層的含量為0.55g/kg；對(duì)照處理下,0～10cm土層的土壤全氮含量為0.94g/kg,10～20cm土層的含量為0.56g/kg。增溫使得0～10cm土層土壤全氮含量下降了5.32%,10～20cm土層的含量下降了1.79%。

由圖6可知,土壤全氮含量季節(jié)變化不明顯。增溫處理下,9月25日,0～10cm土層中土壤全氮含量比對(duì)照處理高0.03%；7月21日,10～20cm土層中土壤全氮含量比對(duì)照處理高8.75%。對(duì)照處理下,7月的土壤全氮含量顯著低于6月和8月。不同土層不同月份,整體上土壤全氮含量對(duì)照處理大于增溫處理。

圖6 增溫對(duì)土壤全氮含量的影響

3.2.5增溫對(duì)土壤碳氮比(C∶N)的影響

在增溫處理下,0～10cm土層的年均碳氮比為13.26,10～20cm土層的為13.22；對(duì)照處理下,0～10cm土層的年均碳氮比為14.81,10～20cm土層的為14.55。增溫使得土壤碳氮比,0～10cm土層下降10.47%,10～20cm土層下降9.14%。

圖7 增溫對(duì)土壤碳氮比的影響

由圖7可知,在增溫處理下,0～10cm土層土壤碳氮比在7月差異顯著,10～20cm土層在6月差異顯著；其余不同土層不同月份,增溫處理下的土壤碳氮比與對(duì)照處理下的無(wú)顯著差異；在10～20cm土層中,隨著月份的增加,增溫處理下的土壤碳氮比逐漸上升；不同土層不同月份,土壤碳氮比大體上為對(duì)照處理大于增溫處理。

4 討論

4.1 增溫對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng)受溫度變化的影響較大,此外還與土壤的水、養(yǎng)分也有關(guān)系[28]。本文中,OTC對(duì)土壤溫度的增溫效果較為明顯,不同土層增溫效果不同,5,10,20,40cm土層年均增溫分別為1.07,1.41,1.12,0.59℃。Suzuki等[29]的研究發(fā)現(xiàn),OTC增溫對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤溫度影響較??；石孫福等[30]在青藏高原草地的試驗(yàn)表明,OTC具有增溫效果,高寒草甸溫度升高1.53℃。上述研究說(shuō)明,OTC對(duì)不同地理位置及不同生態(tài)系統(tǒng)增溫效果不相同。有研究顯示[31-32],21世紀(jì)我國(guó)各季節(jié)溫度都在增加,其中西北和青藏高原相較其他地區(qū)增溫明顯,而西北地區(qū)表現(xiàn)為冬季地表效果最明顯,這與本文對(duì)大青山油松人工林的增溫效果研究結(jié)論相似。

4.2 增溫對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

本研究得出,增溫使得土壤pH值增加,這與歐陽(yáng)青等[33]的試驗(yàn)結(jié)果一致。本研究中,增溫均降低了土壤有機(jī)碳及易氧化有機(jī)碳的含量,與大部分的研究結(jié)果相一致。如:Davidson等[34]的研究表明,土壤有機(jī)碳的含量隨著溫度的升高而降低,促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和礦化過(guò)程；Miko[35]的研究也表明增溫使有機(jī)碳含量降低；張俊華等[36]對(duì)海南熱帶橡膠園的研究發(fā)現(xiàn),土壤易氧化有機(jī)碳的含量會(huì)隨土層的加深而減少,且含量變幅較大。本研究中,增溫使得土壤全氮及碳氮比降低,與保婭等[37]的研究結(jié)果一致,即土壤養(yǎng)分含量受土壤濕度的影響較小,增溫促進(jìn)了土壤中硝態(tài)氮和速效磷的轉(zhuǎn)換,卻降低了全氮、銨態(tài)氮、全磷和有機(jī)質(zhì)的含量,但均未達(dá)到顯著性水平；與白春華[38]的研究結(jié)果相反,其在內(nèi)蒙古草原利用紅外輻射進(jìn)行增溫,促進(jìn)了土壤全氮含量和速效磷含量的增加。本文研究結(jié)果與其他研究結(jié)果存在差異,可能與觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、土壤的類(lèi)型以及氣候條件有關(guān)。

5 結(jié)論

1)OTC增溫裝置在增溫方式下,大青山油松人工林5,10,20,40cm土層年均增溫分別為1.07,1.41,1.12,0.59℃;大氣年均增溫0.65℃;土壤溫度增溫季節(jié)效果是冬季>秋季>春季>夏季。增溫間接導(dǎo)致5,10,20cm土層年均濕度降低4.26%,3.86%和6.50%;大氣及40cm土層濕度年均增加0.83%和1.37%。

2)增溫使得0～10cm土層土壤pH較對(duì)照增加0.07,差異不顯著；10～20cm土層較對(duì)照增加0.9,差異顯著。增溫使得土壤碳氮含量均有所降低,但均不顯著,0～10cm土層土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、全氮含量分別減少12.79%，11.28%，5.32%；10～20cm土層含量分別減少8.57%，11.43%，1.79%。增溫同時(shí)降低了土壤的碳氮比,其中土層0～10cm和10～20cm分別較對(duì)照降低了10.47%和9.14%。