增温和隔离降雨对杉木幼林土壤养分和微生物生物量的影响

增温和隔离降雨对杉木幼林土壤养分和微生物生物量的影响唐偲頔;郭剑芬;张政;蔡小真;杨玉盛
【摘要】在全球气候变化背景下,中国亚热带地区独特的地理位置决定了该地区在气候变暖的同时还会伴随干旱,但对于增温和隔离降雨的研究多集中在中高纬度地区,对亚热带等低纬度地区的研究较少.本研究通过设置对照、增温、隔离降雨和增温+隔离降雨4种处理,探讨增温和隔离降雨对杉木幼林表层土壤养分和微生物生物量的影响.结果表明:增温和隔离降雨均可使土壤养分有效性发生变化,增温使土壤可溶性有机碳、可溶性有机氮、有效磷浓度有所增加,而隔离降雨主要影响了N有效性,表现为土壤铵态氮浓度显著下降(P<0.05).增温后微生物生物量碳、氮均显著下降(P<0.05),增温和隔离降雨的交互作用对微生物生物量磷影响显著.在亚热带地区,氮磷养分有效性有可能是全球气候变化背景下影响土壤微生物生物量的重要因素,未来还需结合野外原位实验做进一步的研究.%Under the background of global climate change,the unique geographical location of subtropical zone in China determines that the region will be drought while warming.However,studies on soil warming and precipitation exclusion are mainly set in the middle and high latitudes,with few researches been done in low latitude areas.We investigated how soil warming and precipitation exclusion influenced soil nutrients and microbial biomass of surface soil of young Chinese fir(Cunninghamia lanceolata)plantation.Four treatments were set up,viz.control(CT),warming(W),precipitation exclusion(P),warming and precipitation exclusion interaction(WP).Results showed that warming and precipitation exclusion changed the soil nutrient availability.Warming increased the concentrations of dissolved organic C(DOC),dissolved
organic N(DON)and available phosphorus,which can be absorbed and utilized easily by microorganisms.Precipitation exclusion mainly affected the N availability,which showed a significant decrease of ammonium N concentration(P<0.05).Microbial biomass C,N and P decreased significantly under warming(P<0.05).The interaction of soil warming and precipitation exclusion influenced soil microbial biomass P(MBP)significantly.Under global change background,the nutrients availability of N and P may be the important factors which affect the soil microbial biomass in the subtropical regions.
【期刊名称】《亚热带资源与环境学报》
【年(卷),期】2017(012)001
【总页数】6页(P40-45)
【关键词】增温;隔离降雨;杉木幼林;土壤微生物生物量
【作者】唐偲頔;郭剑芬;张政;蔡小真;杨玉盛
【作者单位】福建师范大学地理科学学院,福州 350007;湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福州 350007
【正文语种】中文
【中图分类】S718.5
全球气候变暖是当前国际普遍关注的热点问题，预计到本世纪末全球温度可能升高1.1～6.4 ℃[1]。

温度对土壤生物化学循环起着十分重要的调控作用，如有许多温带森林的增温实验显示土壤增温可以提高土壤N净矿化作用和硝化作用，还可加
速有机氮向铵态氮转化和铵态氮向硝态氮的转化[2-3]。

土壤微生物是森林生态系
统中参与物质循环和能量流动的重要组成部分，通常认为土壤微生物对温度变化响应十分敏感，但在温带哈佛森林增温5 ℃的研究表明,微生物可以抵御温度变化长
达几年甚至十几年[4]，由于土壤增温实验多集中在温带、寒带地区[5]，不同区域
的土壤微生物对温度的响应可能有很大差异，因此需要更多实验来补充研究区域的空白。

温度升高可能导致陆地水分蒸发量增加，并对全球范围内降雨量、径流等因素产生影响，从而导致降水格局发生显著改变，主要表现为在高纬度地区降水有增加趋势，而在低纬度地区则减少[6]，中国亚热带地区独特的地理位置决定了该地
区在气候变暖的同时可能还会伴随干旱(处于低纬度地区)。

受温度与降水作用影响的土壤湿度对土壤中微生物的活性具有重要意义，并可通过影响微生物活动来调控土壤养分循环转化的过程，如有研究发现即使是中等干旱水平也可能导致氮(N)周
转速率的降低[7]。

隔离降雨实验是研究降水改变的常用方法，降水改变量由当地
年降水量决定，一般为降水量的30%～50%，隔离降雨实验同样多设置在中高纬
度地区，目前对低纬度地区的研究尚较缺乏[5]。

亚热带森林地区雨量丰沛、气温
较高，土壤高度风化，土壤脱硅、富含铁铝氧化物，与温带森林相比有着更高的生物N有效性和更快的N周转速率[8]，其森林土壤通常不受N限制而受P限制[9]。

亚热带森林土壤受到气候变暖和降水减少双重影响，该区域增温和隔离降雨实验却相对较少，加上其水热条件和土壤理化性质都与中高纬地区有很大差异，因此研究亚热带森林土壤对了解全球尺度上土壤微生物对气候变化的响应具有十分重要的意义。

本研究以杉木幼林为对象探讨增温和隔离降雨对亚热带森林土壤养分和微生物生物量的影响。

1.1 试验地概况
试验地设于福建三明森林生态系统与全球变化研究站的三明陈大金丝湾森林公园(26°19′N，117°36′E)，平均海拔300 m。

该区属于中亚热带湿润季风气候，年均
温20.1 ℃，年降水量1 670 mm，降水集中于3—8月份，区域内土壤为黑云母
花岗岩发育的红壤。

实验小区面积为2 m×2 m，选取1～2年生杉木幼苗，种植
于微型小区内，于2013年10月安装加热电缆(不增温小区也布设相同的电缆，1.0 Ohmm-1 TXLP/1 Nexans Norway)，电缆布置好之后半年开始通电增温(2014年4月)，平行布设，深度为10 cm，间距20 cm，并在最外围环绕一圈，保证样地增温的均匀性，使用PID土壤主动增温控制系统，实时监控以保证增温
效果[10]。

减少土壤扰动带来的影响，对照小区按同样方法布置电缆，但没有增温。

实验设置对照(CT)、增温(W)、隔离降雨(P)和增温+隔离降雨(WP) 4种处理，每
个处理设置5个重复，其中土壤增温幅度为5 ℃，隔离50%的自然降雨。

1.2 样品采集与处理
于增温满2年即2016年4月采集土壤样品，选在降水过后的晴朗天气进行采样，每个样地内采用多点混合取样法，采集0～10 cm深度的土壤，除去可见的石砾、植物根系和动植物残体，混合均匀之后迅速带回实验室进行室内分析。

每个土壤样品分为2部分，一部分土壤储存于4 ℃冰箱，用于微生物生物量、土壤含水量、
氨态氮、硝态氮等的测定；另一部分在室温下进行风干，过2 mm和0.149 mm 筛，用于土壤碳、氮、pH等指标的测定。

1.3 测定方法
土壤总有机氮浓度使用K2SO4(0.5 mol·L-1)溶液浸提，土壤速效氮浓度采用
KCl(2 mol·L-1)溶液浸提，全磷采用硫酸-高氯酸消煮法提取，土壤有效磷采用M3浸提法提取待测溶液，微生物生物量的提取采用氯仿熏蒸提取法[11]。

土壤含水率的测定采用铝盒烘干法；土壤pH值采用水土比(1∶2.5)测定；土壤碳、氮元素含
量采用碳氮元素分析仪(Elemental Analyzer Vario ELIII，德国)测定；土壤可溶性有机碳用总有机碳分析仪(SHIMADZU TOC-VCPH/CPN Analyzer，日本岛津)测定；土壤有机磷含量测定采用灼烧法；土壤总有机氮浓度及速效氮浓度、土壤有效
磷和全磷使用连续流动分析仪(Skalar San++，荷兰)测定。

1.4 数据分析与处理
所有数据处理和统计分析均采用Excel 2013和SPSS 19.0软件进行，相关图表用Origin 9.0软件作图。

采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较处理间差异，采用Pearson相关系数进行相关性分析，采用多因素方差分析(Multiple Comparisons ANOVA)来检验不同处理及交互作用的效应显著性[12]。

2.1 不同处理的土壤养分状况
不同处理的土壤理化性质如表1所示。

增温并未降低土壤含水率，而有隔离降雨
处理(P、WP)的土壤含水率显著低于无隔离降雨处理(CT、W；P<0.05)，这可能
是由于取样选在雨后的晴朗天气，削弱了增温对土壤含水率的影响。

有隔离降雨处理的土壤pH值均略高于无隔离降雨处理，但差异不显著。

有增温处理(W、WP)
的土壤可溶性有机碳(DOC)浓度均高于无增温处理(CT、P)，其中W处理的DOC
浓度最高，但除P处理的DOC浓度显著低于对照外(P<0.05)，其他处理与对照间差异并不显著；不同处理土壤可溶性有机氮(DON)浓度差异与DOC相似，表现为有增温处理DON浓度均高于无增温处理(P<0.05)，W处理DON浓度最高。

有
增温处理的土壤有效磷含量也均高于无增温处理，W处理的有效磷含量显著高于
其他处理(P<0.05)；不同处理的土壤有机磷含量相比对照均有显著下降(P<0.05)，CT处理浓度最高，WP处理浓度最低。

CT处理的土壤铵态氮浓度最高，是浓度最低的P处理的4.21倍；无隔离降雨处理土壤铵态氮浓度显著高于有隔离降雨处理的(P<0.05)；有隔离降雨处理的土壤硝态氮浓度显著高于增温处理的，但与对照
相比无显著差异。

增温显著影响土壤DOC、DON、有效磷、有机磷和硝态氮浓度，其中DOC、DON、有效磷浓度有所上升(表2)。

隔离降雨显著影响土壤DON、有机磷和矿质氮浓度，具体表现为土壤DON、有机磷和铵态氮浓度下降而土壤硝态氮浓度上升，
可见隔离降雨主要影响氮的养分有效性。

增温和隔离降雨的交互作用显著影响土壤DON和铵态氮浓度。

2.2 不同处理的微生物生物量
增温和隔离降雨显著降低了土壤微生物生物量碳(MBC)浓度(图1a)，CT处理的MBC浓度是最低的WP处理的2.7倍，增温和隔离降雨均显著影响了土壤MBC 浓度(P<0.05)，而两者的交互作用对土壤MBC浓度没有显著影响。

不同处理土壤的微生物生物量氮(MBN)浓度范围为18.33～44.41 mg·kg-1(图1b)，有增温处理的MBN均略低于无增温处理，其中CT处理的MBN浓度最高且显著高于其他处理，W处理的浓度最低；方差分析的结果表明增温、隔离降雨以及两者之间的交互作用对MBN浓度均有显著影响。

不同处理的土壤微生物生物量磷(MBP)浓度差异状况与MBN相同(图1c)，也表现为有增温处理的MBN均略低于无增温处理，其中P处理的MBP浓度最高且显著高于其他处理；方差分析的结果表明增温和增温隔离降雨交互作用对MBP浓度有显著影响，而隔离降雨对MBP浓度没有显著影响。

综上可以看出，增温后微生物生物量碳、氮、磷均有所下降。

可溶性有机质(DOM)是易被微生物利用的重要养分来源，包括可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)，DOM对环境变化的响应迅速，通常可以反映环境对土壤养分的影响[13]。

有研究表明全球变暖可能通过促进土壤有机质的分解使DOM增加，提高土壤养分有效性[14]，本研究结果也发现增温对土壤DOC、DON、有效磷浓度有着显著影响，增温后土壤DOC、DON、有效磷均有所上升，增温提高了易被微生物利用的速效性养分有效性。

温度也是调控土壤N转化的重要因素，有研究表明土壤温度升高可以通过提高土壤矿化速率来提高土壤N有效性[15]，本研究结果则发现增温没有显著改变土壤铵态氮浓度，有增温处理的土壤硝态氮浓度也比没有增温处理的低。

而本研究中隔离降雨处理的土壤铵态氮浓度发生了显著的
下降，可能是因为低的土壤含水率会限制底物扩散降低土壤矿化速率[16]，导致N 素养分有效性下降。

微生物生物量是土壤有机质活性成分，是土壤养分的储存库，微生物生物量的大小反映的是微生物对土壤养分同化和矿化的能力，微生物生物量周转快，对环境变化十分敏感[17]，微生物生物量发生微小的变化也很可能会影响到养分循环[18]，所以土壤微生物生物量可以作为气候变化响应的敏感指示物[19]。

增温虽然使DOC、DON浓度上升了，但MBC、MBN相比对照显著下降，在青藏高原森林生态系统的研究中也发现虽然增温处理显著提高了土壤养分有效性，但并没有影响土壤微生物生物量，表明微生物并不能直接得益于更高的养分有效性，增温增加的可溶性有机质可能部分用于微生物呼吸[14]。

增温改变了养分有效性也可能会导致微生物活性发生变化，有研究表明增温抑制了微生物活性[20]，从而改变微生物对养分的利用效率，导致微生物生物量发生变化。

因此，MBC和MBN的减少可能反映的是
微生物对养分利用效率下降，由于微生物利用的养分变少了，土壤可溶性有机质才会相对对照要高。

此外，Pearson相关性分析显示，MBC与MBN之间有显著正
相关关系，MBC、MBN都与土壤有机磷和铵态氮含量显著正相关，表明微生物生物量与土壤N、P状况有关，而有机磷和铵态氮浓度都显著受隔离降雨的影响，室内的水分梯度实验结果也显示降水变化会显著改变微生物生物量和微生物呼吸作用[21]。

这可能是因为有隔离降雨处理的土壤含水率显著低于对照和增温处理，前面提到的低含水率会抑制底物扩散从而降低养分有效性(铵态氮和有机磷含量下降)，微生物可利用的养分减少了，微生物生物量也随之下降。

MBP与土壤硝态氮之间
成显著正相关关系，这可能是由于亚热带森林土壤大多受到P限制[22]，在P限
制地区增加P的量时，土壤固N作用增加，从而增加土壤N有效性[23]，由于MBP容易矿化为有效磷，可能会使P的限制作用减弱，N转化增加，土壤硝态氮含量也随之上升。

土壤微生物生物量的变化与增温和隔离降雨后土壤N、P养分有
效性的变化有着密切关系，表明增温和隔离降雨及其交互作用通过改变土壤养分有效性来影响微生物生物量。

增温和隔离降雨均可影响杉木幼林表层土壤的养分有效性和微生物生物量，MBC、MBN均与土壤有机磷和铵态氮浓度显著正相关，MBP与土壤硝态氮浓度显著正
相关，增温和隔离降雨及其交互作用很可能是通过改变土壤养分有效性来影响微生物生物量。

N、P养分有效性可能是全球气候变化条件下影响亚热带森林土壤微生物群落的重要因素，这一结论还需更多野外原位实验进行验证。

*通信作者：郭剑芬(1977— )，女，福建龙岩人，教授，主要从事森林碳氮循环研究，(E-mail)**************.cn。

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