黄河口碱蓬湿地土壤硫矿化特征对外源氮输入的响应

陈冰冰,孙志高,3,*

1 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007 2 福建师范大学地理研究所, 福州 350007 3 福建师范大学福建省亚热带资源与环境重点实验室, 福州 350007

硫是植物生长必需的中量矿质营养元素,在植物生长发育过程中有着不可替代的作用,如参与蛋白质、氨基酸和叶绿素形成,控制光合过程中碳水化合物代谢以及影响植物呼吸和抗逆性等[1]。湿地土壤是植物所需硫养分的主要来源,土壤中的硫主要以有机硫为主体,而可被植物直接吸收利用的主要是无机硫。由于有机硫只有通过矿化等过程转化为无机硫后才能被植物吸收利用,所以探讨湿地土壤中硫的矿化特征及潜势对明确土壤供硫能力具有重要意义。目前,国内外关于土壤硫矿化的研究大多集中在农业上,研究内容主要涉及土壤母质[2-4]、土壤类型[5-6]、温度[7]、水分条件[2- 3]、施肥状况[7- 10]和作物残茬添加[11-13]等因素对土壤硫矿化速率和潜势的影响,而关于自然湿地土壤硫矿化特征的研究还比较薄弱。尽管国内关于自然条件下湿地土壤硫矿化特征的研究已涉及了三江平原淡水沼泽湿地[14],但有关养分改变条件下湿地土壤硫矿化的相关研究还不多见。

黄河口湿地是我国暖温带最广阔、最完整和最年轻的滨海湿地,而碱蓬(Suaedasalsa)是黄河口湿地中最为典型的盐生植被,其在维持湿地系统正常演替、防风固堤和调节气候等方面发挥着重要作用。近年来,黄河口营养盐入海通量一直保持在较高水平(1.49×104—3.91×104t)[15],加之该区当前氮湿沉降量也已接近其临界负荷(4.0 g m-2a-1)[16-17],由此导致其对湿地植被生长、土壤养分赋存及转化等可能产生深刻影响。当前,关于外源氮输入对黄河口湿地土壤硫矿化过程的影响研究还鲜有报道,而对其进行研究有助于明晰未来黄河口氮负荷增强条件下湿地土壤的供硫潜势。为此,选择黄河口滨岸高潮滩碱蓬湿地为研究对象,将野外原位氮输入试验末期(生长季末)获取的土壤进行室内培养,探讨了不同氮处理土壤硫矿化特征及潜势。研究结果有助于明确湿地土壤在次年植物生长初期的供硫能力,并可为湿地土壤硫转化机理的揭示提供重要科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

研究区位于山东黄河三角洲国家级自然保护区(37°40′—38°10′ N, 118°41′—119°16′ E),该保护区是我国最大的河口三角洲自然保护区,总面积15.3×104hm2,主要保护新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类。保护区属暖温带季风气候,四季分明,雨热同期,年平均气温12.1 ℃,无霜期196 d,年降水量551.6 mm,降水季节分配不均,全年降水80%集中在6—8月。该区主要植被类型包括芦苇(Phragmitesaustralis)、柽柳(Tamarixchinensis)、碱蓬(Suaedasalsa)和白茅(Imperatacylindrica)等,土壤类型主要为滨海盐土。

1.2 研究方法

1.2.1培养土壤获取

选择黄河口北部滨岸高潮滩碱蓬湿地为研究对象,于2014年4—10月进行野外原位氮输入模拟试验。依据研究区现有资料,综合考虑陆源氮输入(2.5—3.5 g m-2a-1)和氮沉降(3—4.5 g m-2a-1)的影响,将自然背景条件下的氮输入量确定为6.0 g m-2a-1(N0)。本研究的氮添加量试验梯度据此设置,即：(1)对照处理N0,无额外氮输入量；(2)低氮处理(N1),1.5N0(9.0 g m-2a-1,实际输氮量为3.0 g m-2a-1),模拟未来较低氮输入量；(3)中氮处理(N2),2.0N0(12.0 g m-2a-1,实际输氮量为6.0 g m-2a-1),模拟未来较高氮输入量；(4)高氮处理(N3),3.0N0(18.0 g m-2a-1,实际输氮量为12.0 g m-2a-1),模拟未来更高氮输入量。每个处理随机布设3个重复样地(5 m×10 m)。野外试验样地的高程相近,植被密度较为一致,表层土壤容重为(1.28±0.08)g/cm3,黏粒、粉粒和砂粒含量分别为7.83%±2.52%、76.84%±2.39%和15.33%±0.13%,pH为7.90±0.05,EC为(3.58±1.48)mS/cm。自4月下旬开始,每隔25 d左右以CO(NH2)2水溶液的形式对不同处理样地进行外源氮输入强度的模拟,对照样地喷洒等量的水。持续输氮一个生长季后,在植物生长季末(10月下旬),分别在上述N0、N1、N2和N3样地内采集相应氮梯度下的表层土壤(0—10 cm)(分别记为NS0、NS1、NS2和NS3),带回实验室自然风干过筛后备用。不同氮处理下湿地土壤的基本性质如表1所示。

表1 不同氮处理土壤基本性质

1.2.2矿化实验设计

1.2.3指标计算

不同氮处理土壤硫累积矿化量与矿化时间之间的关系采用一级动力学方程进行模拟,即[11]：

St=S0[1-exp(-kt)]

式中,St为t时刻硫累积矿化量(mg/kg)；S0为硫矿化势(mg/kg)；k为一级动力学常数；t为矿化时间(d)。

1.2.4数据统计与分析

运用Origin 8.0软件对数据进行作图、计算和数学模拟,采用SPSS 23.0软件对不同氮处理土壤的硫矿化量和累积矿化量进行单因素方差分析,对土壤硫矿化量与pH、EC之间的关系进行Pearson相关分析,显著水平设定为P=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同氮处理土壤硫矿化特征

不同培养条件下,不同氮处理土壤的硫矿化量随培养时间均呈相似变化特征(图1),非淹水条件下不同氮处理土壤硫矿化量的波动变化特征较淹水条件更为明显。四种氮处理土壤的硫矿化量在非淹水条件下整体表现为NS3>NS1>NS2>NS0(P<0.05),且其均于培养第3天达到最大值(NS0: 57.88 mg/kg；NS1: 70.56 mg/kg；NS2: 117.62 mg/kg；NS3: 100.68 mg/kg)；之后,不同氮处理土壤的硫矿化量均呈较大波动变化。与之相比,淹水条件下不同氮处理土壤的硫矿化量较为接近(P>0.05),且亦于培养第3天取得最大值(NS0: 143.09 mg/kg；NS1: 164.30 mg/kg；NS2: 133.67 mg/kg；NS3: 162.14 mg/kg)；之后,其矿化量骤然降低,并均于第21天后趋于平稳。比较而言,淹水条件下不同氮处理土壤的硫矿化量在培养初期(0—7 d)明显高于非淹水条件。

图1 不同培养条件下各氮处理土壤硫矿化特征Fig.1 Sulfur mineralization characteristics of soils with different N import treatments under different incubation conditionsNS0：对照处理下获取的土壤；NS1：低氮处理下获取的土壤；NS2：中氮处理下获取的土壤；NS3：高氮处理下获取的土壤;不同字母表示数据间在P<0.05水平上差异显著

2.2 不同氮处理土壤硫累积矿化特征

连续培养119 d后,不同氮处理土壤(NS0、NS1、NS2和NS3)在非淹水条件下的硫累积矿化量分别为233.03、419.99、401.16、526.51 mg/kg,而在淹水条件下分别为263.52、313.58、251.53 mg/kg和322.05 mg/kg。除NS0外,其他3种氮处理土壤在非淹水条件下的硫累积矿化量整体均高于淹水条件(图2),且培养119 d后,非淹水条件下相同氮处理土壤的硫累积矿化量为淹水条件下相应数值的1.34倍(NS1)、1.59倍(NS2)和1.63倍(NS3)(表2)。尽管如此,淹水条件下4种氮处理土壤的硫累积矿化量在培养初期(0—7 d)整体均高于非淹水条件。就相同培养条件而言,不同氮处理土壤的硫累积矿化量在非淹水条件下整体表现为NS3最高,NS1和NS2相近,NS0最低；而在淹水条件下则表现为NS3和NS1较高且相近,NS0次之,NS2最低。不同水分条件下,不同氮处理土壤的硫累积矿化量在0—14 d均迅速增加。其中,非淹水条件下不同氮处理土壤(NS0、NS1、NS2和NS3)的硫累积矿化量在培养7 d后分别为104.88、133.49、174.75 mg/kg和196.09 mg/kg,分别占119 d累积矿化量的45.01%、31.79%、43.56%和37.24%；培养14 d后的硫累积矿化量分别为126.71、172.23、218.77 mg/kg和254.19 mg/kg,分别占119 d累积矿化量的54.38%、41.01%、54.53%和48.28%。但在淹水条件下,不同氮处理土壤(NS0、NS1、NS2和NS3)的硫累积矿化量在培养7 d后分别为203.18、254.11、182.22 mg/kg和240.54 mg/kg,分别占119 d累积矿化量的77.10%、81.04%、72.44%和74.69%；培养14 d后的硫累积矿化量分别为219.06、272.24、199.93 mg/kg和265.77 mg/kg,分别占119 d累积矿化量的83.13%、86.82%、79.49%、82.52%(表2)。

图2 培养期间不同氮处理土壤硫累积矿化量变化Fig.2 Variations of cumulative sulfur mineralized in soils with different N import treatments during the incubation experiment

表2 不同培养阶段的硫矿化量以及其占总矿化量的比例

2.3 不同氮处理土壤硫矿化势

不同水分条件下,不同氮处理土壤的硫累积矿化量与矿化时间均符合一级动力学方程(表3)。随着培养时间的延长,不同氮处理土壤中的硫矿化量均逐渐降低。不同水分条件下土壤硫矿化势(S0)除NS0相差不大外,其他3种氮处理土壤(NS1、NS2和NS3)均表现为非淹水条件大于淹水条件。就相同水分条件而言,不同氮处理土壤的硫矿化势(S0)在非淹水条件下表现为NS3>NS1>NS2>NS0,在淹水条件下则表现为NS3>NS1>NS0>NS2(表3),说明高氮处理下湿地土壤具有最高的供硫潜势。

表3 不同氮处理土壤硫矿化势(S0)和矿化速率常数(k)

3 讨论

3.1 外源氮输入条件下湿地土壤硫矿化特征

图3 不同培养条件下各氮处理土壤pH和EC变化Fig.3 Variations of pH and EC in soils with different N import treatments under different incubation conditions

不同水分条件下,不同氮处理土壤的硫矿化特征可能与培养过程中pH和EC的变化有关(图3)。相关分析表明,淹水条件下NS0的硫矿化量与pH呈显著负相关(P<0.05),而4种氮处理土壤的硫矿化量均与EC呈极显著正相关(P<0.01)；非淹水条件下,仅NS2和NS3的硫矿化量与EC呈显著正相关(P<0.05)(表4)。大多数研究表明硫矿化与pH的相关性不显著[5,18-19],而Tabatabai和Al-Khafaji的研究发现硫矿化与pH呈显著负相关[20],这与本研究上述相关结果相近。本研究中,不同氮处理土壤的硫矿化量在非淹水条件下整体表现为NS3>NS1>NS2>NS0(P<0.05),在淹水条件下则较为接近(P>0.05),而这可能与培养过程中土壤EC的变化有关。据图3可知,不同氮处理土壤的EC在非淹水条件下表现为NS3>NS1>NS2>NS0,而在淹水条件下则变化不大。另外,不同水分条件下不同氮处理土壤硫矿化量均在培养第3天取得最大值,这一方面可能与培养初期土壤中可矿化的有机硫含量较高有关。相关研究也得到类似结论。迟凤琴等(2008)关于东北黑土有机硫矿化的研究表明,培养前4周的有机硫矿化量远大于其后期的矿化量,占整个培养过程(14周)累积矿化量的50%—62%[7]。褚磊等在对土壤有机硫矿化的研究综述中亦指出,在开放系统中,土壤有机硫在培养初期可大量矿化[21]。另一方面,土壤微生物群落及其活性也是导致硫大量矿化的重要原因。本研究中,不同氮处理土壤的EC值均在培养初期最高(图3),而相对应土壤的硫矿化量在培养初期也最大,这可能与培养初期土壤中一些耐高盐分微生物的活性较强有关。现有研究的确发现,河口盐沼土壤中有一些适应盐碱环境的微生物,特别是嗜盐菌的数量较高[22]。因此,培养初期一些耐高盐分微生物的较强活性在一定程度上可能促进了土壤硫的矿化。

表4 不同氮处理土壤硫矿化量与pH和EC的相关关系

不同氮处理土壤的硫累积矿化量及矿化势(S0)在非淹水条件下表现为NS3>NS1≈NS2>NS0,而在淹水条件下表现为NS3≈NS1>NS0>NS2。就非淹水条件下而言,不同氮输入处理均有利于土壤硫的矿化,即土壤中的氮含量越高,其累积矿化量越高,土壤潜在的供硫能力越强。但这一机制在淹水条件下则发生明显改变,主要表现为NS2的累积矿化量及矿化势不但低于NS3和NS1,而且还低于NS0,原因与淹水培养过程中的厌氧条件可能更有利于土壤中由微生物参与的生物反硝化作用[28]以及由Fe、Mn等导致的化学反硝化作用的进行有关[29]。正是由于厌氧条件下土壤中的氮通过反硝化作用以气态(N2O和N2)形式从土壤中损失,才使得存留在土壤中的氮含量减少,最终导致其对硫矿化的促进作用减弱。已有研究表明,不同氮处理下土壤反硝化速率(以N2O排放通量表征)与氮输入量之间并非线性关系[30],当输氮量未达到该临界值时,反硝化速率不断增加；当到达该临界值后,则取得最高值；超过该临界值后,反硝化速率反而降低[30]。这一结论可用于解释中氮(N2)处理下的土壤硫累积矿化量及矿化势甚至低于对照处理(N0)的研究结果,即中氮处理可能处于本研究氮输入的临界值范围。在该处理下,土壤反硝化作用进行的可能更为强烈,土壤中的氮以气态形式损失最多,由此使得土壤中剩余的氮甚至低于N0处理,进而使得其对硫矿化的促进作用大大减弱。

3.2 本研究与国内相关研究对比

图4 本研究与中国不同类型土壤硫矿化势 (S0)[2-4,8] 对比Fig.4 Comparison of potentially mineralizable sulfur pool (S0) in different soil types of China标注a表示淹水条件，未标注a表示非淹水条件；标注b表示培养温度为20℃，标注c表示培养温度为25℃，未标注b和c的培养温度均为30℃；图中☆表示本研究区域土壤(盐土，母质为黄土)

本研究将得到的土壤硫矿化势(S0)与国内相关研究数据进行了统计与对比,结果如图4所示。据图可知,除少数研究结果外,可将大部分研究结果大致划分为三组(图中以A、B、C标注),每一组包含的硫矿化势信息在很大程度上取决于不同类型土壤的理化性质(如pH、有机碳、TS和有机硫),而不同类型土壤理化性质的差异又主要取决于土壤成土母质的差异。图4中A组包括的土壤类型主要为红壤、水稻土、紫色土和黑土。红壤的母质基础有花岗岩母质、砂页岩母质和第四纪红色母质等,其S0范围为37.8—133 mg/kg；水稻土的母质基础为花岗岩母质、砂页岩母质、紫砂岩母质和第四纪红土母质等,其S0范围为62.84—126.4 mg/kg；紫色土的母质基础主要为紫砂岩母质,其S0介于62.76—63.65 mg/kg之间；黑土的母质基础有石灰岩、玄武岩、第三纪河湖相沉积物以及近代河流沉积物等,但以石灰性母质为主,其S0范围为12—71.3 mg/kg。图4中B组包括的土壤类型主要为冲积土、褐土和栗钙土。冲积土是河流两岸基岩及其上部覆盖的松散物质被河流流水剥蚀后搬运、沉积在河床较平缓地带形成的沉积物,样品来自河北省,其S0介于16—18 mg/kg之间；褐土多发育于碳酸盐母质上,样品来自北京,其S0介于51.2—72.1 mg/kg之间；栗钙土的成土母质为第四纪黄土母质,样品来自青海省,其S0介于89—131.3 mg/kg之间。图4中C组包括的土壤类型主要为黄土和滨海盐土。黄土来自陕西省,其S0介于246.3—266 mg/kg之间；滨海盐土即为本研究区的土壤类型,主要是由黄河携带大量泥沙(大多来源于黄土高原)在河海相互作用下冲积而成的,成土母质主要源于黄土母质,故其S0值(219.99—240.38 mg/kg)与黄土较为接近。与A—C组中的土壤类型不同,图中棕壤的成土母质多为花岗岩、片麻岩及砂页岩的残积坡积物,或厚层洪积物,样品来自山东省,其S0介于22.1—159.7 mg/kg之间。由此可见,土壤母质基础是影响土壤硫矿化势的关键因素。

由于本研究的培养土壤均采自滨岸高潮滩,生长季内地表通常无积水,且土壤含水量也不高(13.75%—40.13%),故非淹水条件下的硫矿化实验结果更接近于研究样地的实际情况。在未来黄河口氮负荷增加情况下,土壤氮含量状况将会发生较大改变,而这将会促进土壤硫的矿化,进而可在一定程度上提高土壤的潜在供硫能力。但在淹水条件下,不同氮处理土壤有机硫的矿化实验结果可用于评估研究样地的一些极端情况,即当研究样地受到强降水、大潮或风暴潮影响而使得湿地土壤处于短期滞水状态时,不同氮处理土壤的潜在供硫能力将发生明显降低,特别是中氮输入(N2)条件下土壤供硫潜势的降幅最为明显。