短期模拟增温对大青山油松人工林土壤理化性质的影响

冯 茹,郝晨阳,马秀枝,李依倩,李长生,张志杰

(1.内蒙古农业大学,呼和浩特 010018；2.呼和浩特市气象局,呼和浩特 010051)

近年来,气候变化引发的环境问题受到了高度重视,二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是导致全球气候变暖最重要的3种温室气体。根据第六次IPCC(2021)公布结果显示:自2011年以来,大气中温室气体含量持续上升,其中大气CO2,N2O和CH4含量分别达到了410ppm,332ppb和1866ppb[1]。随着工业革命的发展,碳氧化物和氮氧化物的排放打破了全球碳氮源和库的平衡[2-3]。土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)和土壤有机氮(Soil organic nitrogen,SON)是土壤养分的重要组成部分,具有维持土壤肥力的作用[4-5]。气候变暖可能会影响土壤水热、养分以及微生物的种类、丰度和活性,进而调控许多关键的森林生态系统循环过程[6-9]。

土壤理化环境的改变会影响土壤生态系统的碳氮循环过程和速率[10]。国内外学者开展了许多有关增温对土壤有机碳的影响研究,但由于生态系统的类型、增温设施的选择以及不同气候带的差异,研究结果也不尽相同。如:李晓菡等[11]利用Meta分析得出,增温使土壤有机碳含量降低了4.4%；Alatalo等[12]发现增温对潮湿草甸、高寒草甸的土壤有机碳含量没有影响；Yuan等[13]的试验证明,在增温条件下,高原鼠兔促进了青藏高原高山沼泽草甸土壤有机碳积累；樊利华等[14]、安申群等[15]的研究显示,有机质碳作为土壤碳中最为活跃的一部分,土壤易氧化有机碳(Readily organic carbon,ROC)在调节土壤碳氮循环中起着重要的作用；刘士丹[16]在黑土地增温试验研究中表明,温度和含水量升高时,土壤易氧化有机碳含量减少,并且土壤易氧化有机碳的含量会随着土层深度的增加而减少；王兴[17]所做的试验结果表明,在黄土高原撂荒草地,增温使土壤易氧化有机碳含量增加。

氮素是土壤的重要组成元素,可以间接反映植被的生长状况[18-19]；土壤微生物群落结构与活性受温度的影响。有些学者探究了增温对土壤氮库的影响,但研究结果也并不一致。如:Bai等[20]研究发现,增温促进了土壤净氮矿化速率和净硝化速率,从而促使了土壤氮库的量增加；赵盼盼等[21]在亚热带杉木人工幼林的研究中发现,短期增温对土壤氮并没有显著影响；杨成邦等[22]增温试验表明,增温促使杉木幼林和成熟林土壤总无机氮的含量降低；张欣等[23]增温和施氮研究表明,内蒙古荒漠草原土壤pH值增加,其中,0～10cm土层增加了0.15,10～20cm土层增加了0.02。

目前,利用开顶式增温室(OTC)增温装置,在温带干旱半干旱地区人工林内还没有开展模拟增温对土壤理化性质影响的有关研究。本文采用开顶式增温室法,利用模拟增温完整1年(2019-12—2020-11)的数据,研究短期模拟增温对大青山油松人工林土壤理化性质的影响,以期为后期该区域开展人工林生态系统对增温响应的研究提供基础数据及理论支持。

1 研究区概况

大青山是内蒙古面积最大的森林生态类型自然保护区,位于阴山山脉,是土默川平原的天然生态安全屏障[24]。平均海拔1 160m,树种为人工栽种的油松纯林,树龄在35a左右,平均树高9.29m。样地土层较薄,土壤为栗钙土。气候为温带大陆性半干旱季风气候,四季较为明显,春季风沙大而多；夏季气温舒适,降雨量较多；秋季气温凉爽,气温下降快,降雨量稀少；冬季天气较冷,少雨雪[25]。全年光照充足,平均气温6.7℃。近30年(1990—2021年)平均年降雨量410mm,主要集中在7—8月；蒸发量可以达到降雨量的4倍。

2 研究方法

2.1 样地设置

实验样地设置在内蒙古大青山乌素图气象站东侧油松人工林区(40°51′19″N,110°34′21″E),采用开顶式(Open Top Chamber,OTC)气室增温的方法来进行大气和土壤温湿度变化的监测。开顶式增温室由8块聚碳酸酯板(透光率为90%)链接成八边形棱台体,其规格为:底部直径2.75m,顶部直径1.5m,高2.42m。试验尽量选择地形条件、林下植被种类、郁闭度等最大限度地相对一致的区域来确定4个20m×20m的样方。每个样方设置增温(Increasing Temperature,IT)和对照(Control,CK)两个处理,共8个小区。每个样方间隔10m,相邻小区间隔5m。随机选取一个增温和一个对照小区安装温湿度监测仪,全年监测土壤及大气的温湿度变化。试验于2019年11月开始布置,于2020年6—9月进行土样采集、测定。

2.2 土壤及大气温湿度的测定

2019-12-01—2020-11-30,采用WN-30LDT多通道温湿度监测器对大青山油松人工林土壤层(5,10,20,40cm)温湿度进行动态监测,采用HOBO大气温湿度监测器(1.5m)对大青山大气温湿度进行动态监测,测定频率均为0.5h。

2.3 土壤样品的采集与处理

2020年6—9月,每月在各个小区用随机多点采样法进行土壤样品采集,不同处理样方用直径3.5cm的不锈钢土钻由上至下分0～10cm、10～20cm两个土层取样,同处理同深度取5钻土样混合为一个土壤样品。将土壤带回实验室,捡去土壤中的砾石和植物根系,用2mm孔径过筛,土壤样品贮存在4℃条件下,用于土壤有机碳、易氧化有机碳、全氮(Total Nitrogen,TN)等指标不同月份含量的测定。所有指标测定于1周内完成。

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[26]；土壤全氮采用凯氏定氮法测定[27]；土壤易氧化有机碳的测定[26]采用333mmol/L的高锰酸钾与土样混合,振荡离心后再用蒸馏水进行稀释,将稀释液在565nm的分光光度计上进行比色来测定；土壤pH按2.5∶1水土比,浸提液采用便携式酸度计(pHS-3c酸度计)测定[26]。

2.4 数据处理

原始数据,首先用Excel 2010 进行整理,然后用SPSS 22.0进行单因素方差分析以及正态分布检验,最后用Excel 2010绘图。土壤有机碳、土壤易氧化有机碳、全氮以单位质量的养分含量(g/kg)表示,土壤的C∶N以质量比表示。在进行数据分析的过程中,将显著性检验的值设定为α=0.05。

3 结果与分析

3.1 增温对土壤物理性质的影响

3.1.1增温对大气与土层温度的影响

图1为增温组年均大气和四个季节的土层温度与对照组相比较的温度增量变化情况。在增温处理下,大气温度与土壤温度在全年及各季节都处于增温状态,但增温幅度在各季节却有所不同。大气年均温度增加0.65℃,四个季节中,大气温度表现为夏季增温最大(1.18℃)、冬季最小(0.24℃)；5,10,20,40cm土层年均温度分别增加了1.07,1.41,1.12,0.59℃。四个季节中,土壤温度增温效果是冬季>秋季>春季>夏季；5,10,20,40cm土层在冬季分别增加了1.81,2.42,1.85,1.25℃；5,10,20,40cm土层在夏季分别增加了0.35,0.27,0.49,0.01℃。

图1 大气与土壤各层温度(较对照)增温效应

3.1.2增温对大气与土层湿度的影响

图2为年均和四个季节的增温与对照处理相比较的大气及不同土壤层次的湿度增量变化情况。土层湿度整体上对照处理高于增温处理；大气湿度年均增加0.83%,秋季大气湿度增加最高(1.75%)、夏季湿度增加最少(0.12%)。在增温处理下,5,10,20cm土层湿度降低了4.26%,3.86%,6.5%,但40cm土层湿度却增加1.37%；5,20cm土层在各季节湿度都降低,其中,5cm土层在夏季湿度降低最大(6.52%)、冬季降低最少(1.44%),20cm土层在春季湿度降低最大(7.75%)、冬季降低最少(5.49%)；10cm土层在夏季湿度降低最大(10.84%)、冬季湿度却增加了1.42%；40cm土层在各季节湿度都增加,40cm土层冬季湿度增加最高(1.91%)、夏季增加最少(0.87%)。

图2 大气与土壤各层湿度(较对照)变化

3.2 增温对土壤化学性质的影响

3.2.1增温对土壤pH的影响

如图3所示,增温处理的土壤pH值大于对照处理。在0～10cm土层,增温处理和对照处理的土壤pH值分别是8.34±0.13,8.27±0.27,增温处理比对照处理高0.07,差异不显著(P>0.05)；在10～20cm土层,增温处理和对照处理的土壤pH值分别是8.37±0.10,8.28±0.05,增温处理比对照处理高0.9,差异显著(P<0.05)。

图3 增温对土壤pH的影响

3.2.2增温对土壤有机碳含量的影响

在增温处理下,0～10cm土层的土壤有机碳年平均含量为12.00g/kg,10～20cm土层含量为7.36g/kg；在对照处理下,0～10cm土层的有机碳含量为13.76g/kg,10～20cm土层有机碳含量为8.05g/kg。增温处理较对照处理下,0～10cm土层的土壤有机碳含量下降12.79%,10～20cm土层下降8.57%。

由图4可知,不同土层土壤有机碳含量受季节影响较小,相同土层不同月份以及不同处理下差异均不显著。在0～10cm土层,对照处理下的土壤有机碳含量均大于增温处理；增温处理下,7月21日土壤有机碳含量最低(9.63g/kg),6月21日土壤有机碳含量最高(14.16g/kg)；对照处理下,不同月份土壤有机碳含量基本保持不变。在10～20cm土层,除7月21日的土壤有机碳含量为增温处理略大于对照处理,其余月份均为对照处理大于增温处理；在增温处理下,9月25日土壤有机碳含量最高(8.37g/kg),6月21日土壤有机碳含量最低(6.71g/kg)；在对照处理下,8月20日土壤有机碳含量最高(8.91g/kg),7月21日土壤有机碳含量最少(6.53g/kg)。

图4 增温对土壤有机碳含量的影响

3.2.3增温对土壤易氧化有机碳含量的影响

增温处理下,0～10cm土层易氧化有机碳年平均含量为3.46g/kg,10～20cm土层含量为2.17g/kg；对照处理下,0～10cm土层的易氧化有机碳含量为3.90g/kg,10～20cm土层易氧化有机碳含量为2.45g/kg。与对照相比,增温使得0～10cm土层的土壤易氧化有机碳降低了11.28%,10～20cm土层降低了11.43%。

由图5可知,随着时间的变化,各月份之间土壤易氧化有机碳含量没有明显的变化,含量差异不大,不同土层不同月份的土壤易氧化有机碳整体上为对照处理大于增温处理,仅6月21日的增温处理,在0～10cm土层的含量比对照处理大0.08g/kg。增温处理下,随着月份的增大,0～10cm土层中土壤易氧化有机碳含量逐渐降低；在10～20cm土层中,7月21日土壤易氧化有机碳含量最高(2.39g/kg)。对照处理下,在0～10cm土层中,8月20日土壤易氧化有机碳含量最高(4.04g/kg),在10～20cm土层中,7月21日土壤易氧化有机碳含量最高(2.58g/kg)。

图5 增温对土壤易氧化有机碳含量的影响

3.2.4增温对土壤全氮含量的影响

增温处理下,0～10cm土层的土壤全氮年平均含为0.89g/kg,10～20cm土层的含量为0.55g/kg；对照处理下,0～10cm土层的土壤全氮含量为0.94g/kg,10～20cm土层的含量为0.56g/kg。增温使得0～10cm土层土壤全氮含量下降了5.32%,10～20cm土层的含量下降了1.79%。

由图6可知,土壤全氮含量季节变化不明显。增温处理下,9月25日,0～10cm土层中土壤全氮含量比对照处理高0.03%；7月21日,10～20cm土层中土壤全氮含量比对照处理高8.75%。对照处理下,7月的土壤全氮含量显著低于6月和8月。不同土层不同月份,整体上土壤全氮含量对照处理大于增温处理。

图6 增温对土壤全氮含量的影响

3.2.5增温对土壤碳氮比(C∶N)的影响

在增温处理下,0～10cm土层的年均碳氮比为13.26,10～20cm土层的为13.22；对照处理下,0～10cm土层的年均碳氮比为14.81,10～20cm土层的为14.55。增温使得土壤碳氮比,0～10cm土层下降10.47%,10～20cm土层下降9.14%。

图7 增温对土壤碳氮比的影响

由图7可知,在增温处理下,0～10cm土层土壤碳氮比在7月差异显著,10～20cm土层在6月差异显著；其余不同土层不同月份,增温处理下的土壤碳氮比与对照处理下的无显著差异；在10～20cm土层中,随着月份的增加,增温处理下的土壤碳氮比逐渐上升；不同土层不同月份,土壤碳氮比大体上为对照处理大于增温处理。

4 讨论

4.1 增温对土壤物理性质的影响

生态系统中的物质转化和能量流动受温度变化的影响较大,此外还与土壤的水、养分也有关系[28]。本文中,OTC对土壤温度的增温效果较为明显,不同土层增温效果不同,5,10,20,40cm土层年均增温分别为1.07,1.41,1.12,0.59℃。Suzuki等[29]的研究发现,OTC增温对草地生态系统的土壤温度影响较小；石孙福等[30]在青藏高原草地的试验表明,OTC具有增温效果,高寒草甸温度升高1.53℃。上述研究说明,OTC对不同地理位置及不同生态系统增温效果不相同。有研究显示[31-32],21世纪我国各季节温度都在增加,其中西北和青藏高原相较其他地区增温明显,而西北地区表现为冬季地表效果最明显,这与本文对大青山油松人工林的增温效果研究结论相似。

4.2 增温对土壤化学性质的影响

本研究得出,增温使得土壤pH值增加,这与欧阳青等[33]的试验结果一致。本研究中,增温均降低了土壤有机碳及易氧化有机碳的含量,与大部分的研究结果相一致。如:Davidson等[34]的研究表明,土壤有机碳的含量随着温度的升高而降低,促进土壤有机质的分解和矿化过程；Miko[35]的研究也表明增温使有机碳含量降低；张俊华等[36]对海南热带橡胶园的研究发现,土壤易氧化有机碳的含量会随土层的加深而减少,且含量变幅较大。本研究中,增温使得土壤全氮及碳氮比降低,与保娅等[37]的研究结果一致,即土壤养分含量受土壤湿度的影响较小,增温促进了土壤中硝态氮和速效磷的转换,却降低了全氮、铵态氮、全磷和有机质的含量,但均未达到显著性水平；与白春华[38]的研究结果相反,其在内蒙古草原利用红外辐射进行增温,促进了土壤全氮含量和速效磷含量的增加。本文研究结果与其他研究结果存在差异,可能与观测时长、土壤的类型以及气候条件有关。

5 结论

1)OTC增温装置在增温方式下,大青山油松人工林5,10,20,40cm土层年均增温分别为1.07,1.41,1.12,0.59℃;大气年均增温0.65℃;土壤温度增温季节效果是冬季>秋季>春季>夏季。增温间接导致5,10,20cm土层年均湿度降低4.26%,3.86%和6.50%;大气及40cm土层湿度年均增加0.83%和1.37%。

2)增温使得0～10cm土层土壤pH较对照增加0.07,差异不显著；10～20cm土层较对照增加0.9,差异显著。增温使得土壤碳氮含量均有所降低,但均不显著,0～10cm土层土壤有机碳、易氧化有机碳、全氮含量分别减少12.79%，11.28%，5.32%；10～20cm土层含量分别减少8.57%，11.43%，1.79%。增温同时降低了土壤的碳氮比,其中土层0～10cm和10～20cm分别较对照降低了10.47%和9.14%。