牛慧敏, 何雨欣, 卞嘉琛, 刁华杰, 郝 杰, 伊李凯, 王常慧*, 董宽虎*

(1.山西农业大学草业学院, 山西 太谷 030801; 2.草地生态保护与乡土草种质创新山西省重点实验室, 山西 太谷 030801; 3.山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站, 山西 右玉 037200)

草地作为全球第二大陆地生态系统,其碳汇作用也受到广泛关注[1],增强陆地生态系统碳汇是减缓大气二氧化碳(CO2)浓度上升和全球变暖的重要手段,也是实现我国“碳中和”目标的有效途径[2]。土壤呼吸作为土壤碳通量的重要组成部分,对调节碳平衡具有重要作用。草地生态系统土壤呼吸主要受人为干扰以及气候变化的影响,特别是在我国北方农牧交错带草地,人为干扰如施肥、刈割和放牧等更加频繁[3-4],土壤呼吸存在很大的变异性,但其相关研究比较匮乏。

在其它草地生态系统中,已有的多数研究表明外源养分输入促进了草地土壤呼吸[5],但也有研究呈现相反的结果[6]。究其原因不同养分添加类型、添加时间以及养分添加持续的时间[6]等都会对土壤呼吸产生直接或间接的影响[7-8]。同时大量研究表明,植物地上和地下生物量、土壤水分条件[9]、凋落物数量和质量、土壤微生物生物量[10]都会影响土壤呼吸[11]。浅耕翻可以增加土壤透气性、提高下层土壤中种子的发芽率和根茎型禾草的萌发和分蘖,因此被广泛应用到退化草地的修复进程中[12]。但目前农牧交错带关于浅耕翻对草地土壤呼吸的研究较少,影响的程度如何还不清楚。多养分氮磷钾(Nitrogen,phosphorus and potassium addition,NPK)添加和浅耕翻对土壤呼吸是否作存在交互用及其影响机制仍需要进一步探讨[13]。因此,厘清农牧交错带草地管理对土壤有机碳形成、周转和稳定性维持机制,提升该区域草地生态系统保碳增汇能力,对于“双碳”目标的实现具有重要意义[14-15]。

为了探究农牧交错带草地生态系统土壤呼吸对外源养分输入和浅耕翻的响应,本研究于2019年在晋北典型农牧交错带以赖草(Leymussecalinus)为优势种的草地建立了多养分与浅耕翻处理试验平台,研究生物因子和非生物因子对养分添加和浅耕翻及其互作效应的响应,进一步探究其对土壤呼吸及其温度敏感性的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究依托山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站(39°59′48″ N,112°19′40″ E)2019年9月建立的多养分添加+浅耕翻试验平台。该研究站海拔1 348 m,年降水量为425 mm,年平均气温4.6℃,降水主要集中在生长季6—8月。无霜期100～120天,属于中度盐渍化草地。0～10 cm土壤有机碳、全氮、有效磷含量为5.4 g·kg-1,0.8 g·kg-1和3.4 g·kg-1,pH值为9.62,土壤容重为1.23 g·cm-3。群落优势种是赖草、碱茅(Puccinelliadistans)、风毛菊(Saussureaamara)等。

1.2 试验设计

试验采取完全随机区组设计,包括4个处理:对照(CK)、浅耕翻(SP)、养分添加(NPK)、养分添加与浅耕翻(NPK+SP)。每个处理设置6个重复,共计24个小区,小区面积为36 m2(6 m×6 m)。养分添加(NPK)处理为氮(N)、磷(P)和钾(K)各添加10 g·m-2,其中氮添加为缓释尿素(N,46%),磷添加为过磷酸钙(P,12%),钾添加为硫酸钾(K,50%)。同时在养分添加处理小区补充微量元素100 g·m-2(采用Scotts Micromax复合肥,包括铁、锰、锌、铜、硼、钼、氯和镍)。N,P,K每年8月底添加,微量元素只在第一年一次性加入。浅耕翻处理方式:先移除地上所有生物量,人工用铁锹浅翻15 cm深,去除较大的根系。

1.3 测定指标及方法

1.3.1土壤呼吸的测定及呼吸熵和温度敏感性的计算 2019年9月在距离小区边缘1 m处安装了土壤呼吸环(材质,PVC;高10 cm,内径20 cm,露出地面3 cm)。在2020和2021年的生长季(5—9月),使用土壤碳通量自动测量系统LI-8100A(Li-COR Inc.,Lincoln,NE,USA)测定土壤呼吸,每月2次。每次测定前为消除地上部分对土壤呼吸的影响,需将PVC环内植物地上部分剪掉,剪草时注意要在不破坏土壤表面的情况下齐地面剪割,并将剪下的草移至环外。测定时检查PVC环的完整性以保证测定过程的气密性,测定时间120 s。同时测定土壤温度与土壤含水量,使用LI-8100A自带的温度传感器测定10 cm处的土壤温度,使用便携式土壤水分速测仪(DDR-300,USA)测定0～10 cm的土壤含水量。大气温度(℃)和降雨量(mm)采用小型气象站每小时测定4次(HOBO U30,美国,ONSET)。

土壤呼吸温度敏感性(Q10)的计算公式:

Rs=aebST

(1)

Q10=e10b

(2)

式中Rs代表土壤呼吸(μ mol·m-2·s-1),ST代表0～10 cm土壤温度(℃),a和b代表拟合系数,e是自然对数。

1.3.2植物地上、地下生物量的测定 地上生物量在每年8月生长季高峰采用收获法测定,在每个处理小区随机选取2个100 cm×20 cm的样方,用剪刀齐地面分类收集所有地上绿色植物及凋落物,放入烘箱杀青30 min后65℃烘干48 h至恒重,称重为地上生物量。采用土钻法测定地下生物量,在每个已经收获完地上生物量的样方框内,用内径7 cm的土钻分分别取 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm四层土壤,分层装入根袋(0.45 mm)冲洗干净根表面附着的泥土,晾干,烘箱(65℃,48 h)烘干后称重记录地下生物量。

1.3.3土壤微生物生物量的测定 在2020和2021年8月,使用内径3 cm的土钻于每个小区取0～10 cm土层的土壤进行冷藏保存,用于测定土壤微生物生物量。土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮含量采用氯仿熏蒸法-K2SO4浸提法,用TOC分析仪测定,计算公式参照Vance等的方法[16]测定。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2010整理数据。采用重复测量方差分析检验取样年份、养分添加(NPK)、浅耕翻(SP)及其交互作用对土壤呼吸、温度敏感性、土壤温度和土壤含水量的影响。通过单因素方差分析检验不同处理下土壤呼吸及各相关因子的差异。所有分析的差异显著性水平定义为P<0.05。使用SPSS 26.0软件。进行数据分析,绘图所使用的软件为Origin 2021。利用Amos26绘制结构方程模型。

2 结果与分析

2.1 养分添加和浅翻耕对土壤温度和土壤含水量的影响

2020和2021年生长季月平均气温呈现明显的季节动态,表现为单峰曲线(图1),呈先增加后降低趋势,7月达到最高值,2个生长季年平均气温分别为16.4℃和16.3℃。2020年和2021年生长季降水量差异较大(图1),最高值分别出现在2020年7月和2021年8月,生长季总降水量分别为426.6 mm和275.2 mm,2020年总降雨量(487.6 mm)大于平均年降雨量的1.12倍称为湿润年份,2021年生长季总降雨量(340.2 mm)小于平均年降雨量的0.88倍称为干旱年份。

图1 2020—2021年生长季(5—9月)月平均气温和月降水量Fig.1 Monthly mean temperature and monthly precipitation during the growing season (May—September) in 2020 and 2021

2020和2021年土壤温度呈现出明显的季节变化动态(图2)与年际差异(表1)。2020年生长季7—9月土壤温度月平均值在12.37℃～17.71℃之间,其中最大值出现在7月,最小值出现在9月。2021年生长季7—9月土壤温度月平均值在9.77℃～18.13℃之间,其中最大值出现在7月,最小值出现在5月。从两年的均值来看,养分添加显著降低了土壤温度(图2,P<0.05)。2020年生长季7—9月土壤含水量月平均值在9.0%～24.0%(v/v)之间,其中最大值出现在8月,最小值出现在7月。2021年土壤体积含水量月平均值在12.3%～21.0%(v/v)之间,最大值出现在5月,最小值出现在8月。从两年的均值来看,四个处理间差异不显著(图2)。

表1 不同处理和测定年份对土壤温度、含水量、呼吸及其温度敏感性影响的重复测定方差分析结果(P值)Table 1 Repeated analysis of variance of the effects of different treatments and years on soil temperature,water content,respiration and its temperature sensitivity (P value)

图2 2020—2021年生长季不同处理下土壤温度和土壤含水量的季节动态及两年平均值Fig.2 Seasonal dynamics and two-year mean values of soil temperature and soil water content in the growing seasons in 2020 and 2021 under different treatments注:CK,对照;SP,浅耕翻;NPK,养分添加;NPK+SP,养分添加与浅耕翻。* P<0.05;** P<0.01,***P<0.001。下同Note:CK,Control;SP,Shallow plough;NPK,Nutrient addition;NPK+SP,Nutrient addition and shallow ploughing. *,correlation is significant at the 0.05 level;**,correlation is significant at the 0.01 level;***,correlation is significant at the 0.001 level. The same as below

2.2 养分添加和浅翻耕对地上、地下生物量的影响

无论2020年还是2021年,浅耕翻都显著降低了地上生物量(P<0.05)。与对照相比,2020年和2021年的浅耕翻处理分别使得地上生物量显著降低了67.4%和53.7%。2020年和2021年的养分添加和浅耕翻处理对地下生物量没有产生显著影响,但在2021年,与养分添加相比,浅耕翻显著降低了地下生物量(图3,P<0.05)。

图3 2020—2021年不同处理对地上生物量和地下生物量的影响Fig.3 Effects of different treatments on above-ground biomass and underground biomass in 2020 and 2021注:柱形图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同Note:Different lowercase letters for the same growing season in in 2020 or 2021 indicate a significant difference among different treatments (P<0.05). The same as below

2.3 养分添加和浅翻耕对土壤呼吸和温度敏感性的影响

土壤呼吸在2020—2021年生长季呈现明显的季节动态及年际差异(图4)。生长季旺期(7月及8月)土壤呼吸大于生长季初期(5月)和末期(9月)。2020年养分添加、养分添加和浅耕翻与对照相比分别显著提高了土壤呼吸的29.4%和62.1%(图4,P<0.05);2021年养分添加与对照相比显著提高了土壤呼吸的44.3%(图4,P<0.05)。将两年的数据取平均值,发现养分添加、养分添加和浅耕翻与对照相比显著提高了土壤呼吸的39.0%,33.1%(图4,P<0.05)。总的来看,不同处理下土壤呼吸从大到小依次是NPK>NPK+SP>SP>CK(图4)。重复测量的结果表明测定时间对土壤呼吸的影响不显著(表1),养分添加处理和养分添加和浅耕翻处理对土壤呼吸的影响达到极显著水平(表1,P<0.05)。

图4 2020—2021年生长季不同处理对土壤呼吸的影响及年际均值Fig.4 Effects of different treatments on soil respiration and their interannual mean values during the growing season in 2020 and 2021

图5 2020—2021年生长季不同处理对土壤呼吸温度敏感性(Q10)的影响Fig.5 Effects of different treatments on soil respiration temperature sensitivity (Q10) during the growing season in 2020 and 2021

2020年生长季对照、浅耕翻、养分添加、养分添加+浅耕翻四个处理下土壤呼吸温度敏感性(Q10)分别为2.32,2.40,2.38 和3.28,四个处理间差异不显著。2021年生长季,对照、浅耕翻、养分添加、养分添加+浅耕翻四个处理下土壤呼吸温度敏感性(Q10)分别为1.81,2.44,1.52 和1.44。从图中可以发现,与对照相比,SP增加了温度敏感性,但两者并不显著,而与SP处理相比,NPK+SP交互处理的温度敏感性却显著降低了20.4%(图6)。

图6 浅耕翻和养分添加影响土壤呼吸及其温度敏感性的结构方程模型(SEM)Fig.6 Structural Equation model (SEM) on effects of shallow tillage and nutrient addition on soil respiration and its temperature sensitivity注:模型拟合结果良好。灰色箭头表示负效应,黑色箭头表示正效应。实线表示路径显著,虚线表示路径不显著。拟合结果为R2=0.35,P=0.403,RMSEA=0.044Note:The model fit is good. Black arrows indicate positive effects and the gray arrow indicates a negative effect. A solid line indicates that the path is significant,and a dashed line indicates that the path is not significant. Results of model fitting:R2=0.35,P=0.403,RMSEA=0.044

2.4 土壤呼吸及其温度敏感性的影响因子

结构方程模型表明地下生物量是调控土壤呼吸的关键因素,养分添加处理通过直接影响地下生物量进而影响土壤呼吸。养分添加处理通过直接影响土壤温度进而影响土壤微生物生物量碳含量,但土壤微生物生物量碳含量对土壤呼吸影响不显著。其中浅耕翻处理和养分添加处理都对地上生物量呈现显著正效应,但是地上生物量对土壤呼吸影响不显著。模型解释度为35%。

3 讨论

3.1 多养分添加与浅耕翻对土壤呼吸的影响

本研究显示短期多养分添加显著提高晋北农牧交错带草地的土壤呼吸,这与其他学者在丘陵区退耕草地以及典型草原草地中研究外源养分输入的结果一致[17-18]。之前的研究表明,地下生物量是土壤呼吸的主要调控因素[19],这与本实验的研究结果一致。结构方程模型也表明,养分添加主要通过增加地下生物量进而提高了土壤呼吸。在养分限制的草地生态系统中,养分添加通过提高土壤的资源可利用性[20]使得地上和地下生物量显著增加。地下生物量增加一方面增加了根系的自养呼吸,进一步提高了土壤的总呼吸;另一方面生物量的增加使得土壤微生物分解的底物增加[21-24],促进土壤呼吸,从而对草地碳通量产生影响。此外,本研究也发现土壤理化性质、微生物及生物量等其他因素对土壤呼吸无直接影响,这可能与观测的时间长短有关,因此未来可能需要进行长期深入的研究。

浅耕翻作为农牧交错带退化草地的修复管理措施之一。与其他学者在呼伦贝尔草甸草原研究发现耕翻显著促进了土壤呼吸的结果并不一致[25],在本研究地点发现短期浅耕翻对土壤呼吸的影响不显著。一方面,翻耕作为一种草地管理措施通过影响地上和地下的生物量动态[26]从而影响土壤呼吸。但本研究发现翻耕仅仅显著影响地上生物量,同时结构方程模型中地上生物量对土壤呼吸无显著影响。另一方面,前人的研究表明地上生物量的降低促使草地盖度的降低,可能增加了太阳对地表的辐射,从而提高了土壤温度,同时适度翻耕会提高土壤酶活性,改善土壤通气性[27],提高土壤微生物的活性从而促进土壤有机物的分解,会促使土壤呼吸增加。但在本研究中发现浅耕翻对土壤温度影响不大,这应该是短期浅耕翻对土壤呼吸的影响不显著的主要原因之一。

本研究表明短期(两年)养分添加显著促进了农牧交错带草地土壤呼吸,而短期浅耕翻则对土壤呼吸无显著影响。同时养分输入和浅耕翻存在显著的交互作用,但是本研究发现两年土壤呼吸养分添加和浅耕翻与养分输入的响应不同,2020年浅耕翻与养分输入对土壤呼吸表现出协同作用,2021年浅耕翻与养分输入对土壤呼吸的影响低于单独的浅耕翻或养分输入处理。由于2020年的降雨量超过年均降雨量,2021年的降雨量低于年均降雨量,这可能是年际降水量的差异及处理的累积效应影响了土壤呼吸。同时浅耕翻也可能削弱了养分添加对地下生物量的促进作用,从而对土壤呼吸造成影响。与胡姝娅等[28]在北方农牧交错带的研究中发现氮添加促进了土壤呼吸,刈割抑制土壤呼吸研究并不一致。目前关于草地养分输入和浅耕翻的交互研究较少,大多研究集中于养分输入和刈割。Han等[29]只发现氮添加对土壤呼吸的促进作用,Du等[30]发现氮添加和刈割显著抑制土壤呼吸,两者的交互作用不明显。表现不同的原因一是由于本研究刈割移除地上植物后,浅耕翻进一步改变土壤环境,对土壤微生物活性影响不同所引起的响应不同;二是因为草地生态系统的不同,养分添加的种类不同,都有可能使得相同或相似的处理呈现不同结果。

3.2 多养分添加与浅耕翻对温度敏感性的影响

2020年浅耕翻处理和养分添加都对Q10无显著影响,而2021年与浅耕翻相比,浅耕翻加养分添加处理后Q10降低,这可能是由于养分添加后改变了底物供应与质量,浅耕翻刺激了土壤微生物活性,引起Q10的改变。大量研究表明土壤呼吸温度敏感性受到土壤生物、底物供应与质量、温度、水分、测量时空等多种因素的影响[31]。同时由于两年Q10对不同处理呈现出不同的结果,这可能与降水有极大的关系,未来需要更大范围的时间尺度的测量来证明这一观点。

本研究中2021年浅耕翻后Q10变化不大,从图中可以发现,与对照相比,SP增加了温度敏感性,但并不显著,2021年降雨量低,土壤水分条件差,浅耕翻后使地上生物量减少、土壤含水量降低及土壤温度升高,改变了微生物群落组成和结构,从而引起Q10降低。在干旱年(2021)对土壤呼吸呈现拮抗作用,说明浅耕翻通过增强或削弱养分添加对Q10积极效应进而对土壤呼吸造成影响。同时由于浅耕翻移除了植物生物量,减弱了养分输入后对生产力的促进作用,削弱了养分输入对土壤呼吸的促进作用,进而影响其温度敏感性。高天明等[31]研究发现,浅耕翻有利于退化羊草草原生产力和土壤有机碳的快速恢复。同时本研究是一个短期的监测,长期的监测效果尚不清晰。因此在晋北赖草草地,浅耕翻对实现草地碳库的恢复与草地碳汇的增加的作用不大,从结果来看,更应关注肥料过度施用问题。同时当前研究的不足在于养分输入的形式单一,翻耕只有一种处理,不同深度的翻耕可能影响不同,未来可以进行更多的组合去探讨更多问题。

4 结论

晋北典型农牧交错带草地土壤呼吸对短期养分添加的响应敏感,显著提高了土壤呼吸;但是浅耕翻处理对土壤呼吸没有显著影响,浅耕翻和养分添加对土壤呼吸的影响存在交互作用并且与年际降水有关,在2020年表现为协同作用促进土壤呼吸。养分添加引起的生物量的变化是农牧交错带草地土壤呼吸的主要调控因子,未来管理农牧交错带草地需要兼顾草地生产与生态功能以及年际降水格局的变化降水。