作者简介:范利超(1988—),男,山东菏泽人,硕士,主要从事土壤碳氮循环方面的研究,E-mail:flcxsy@126.com。
通过添加碳酸钙调节茶园土壤pH值,利用室内培养试验研究铝离子对不同pH值茶园土壤基础呼吸的影响。结果表明,使用碳酸钙可以显著提高茶园土壤pH值,但土壤水溶性有机碳含量显著下降。添加铝离子降低了土壤pH值,减少了土壤微生物量和水溶性有机碳含量,对土壤基础呼吸有抑制作用。
土壤呼吸是大气二氧化碳的重要贡献源, 每年通过土壤呼吸释放到大气中的二氧化碳量是化石燃料燃烧(石油和煤炭)和森林砍伐退化两者排放二氧化碳量之和的10倍[1], 且通过土壤呼吸向大气中释放二氧化碳的量在逐年增加[2]。土壤呼吸具有很强的温度敏感性, 即随着温度升高, 土壤呼吸速率显著增加, 特别是在全球变暖的背景下, 土壤呼吸受全球气候变化的影响更加明显[3]。土壤呼吸主要由根际呼吸(根呼吸和根际微生物呼吸)和非根际土壤微生物呼吸(细菌和真菌的腐食活动)组成, 后者也被称为土壤基础呼吸[4]。大量的研究表明, 土壤呼吸主要受生物因素和非生物因素的影响[5]。其中, 根呼吸主要受根系生物量[6]、光合作用产物向根系的分配比例等影响[7]; 土壤基础呼吸主要受土壤微生物量、有机质含量和土壤理化性质等影响[8]。
世界范围内, 土壤呼吸现已在森林生态系统[9]、农业生态系统[10]和草地生态系统[11]中进行了大量的研究, 而在茶园生态系统中关于土壤呼吸的研究相对滞后。茶树是多年生常绿植物, 主要种植于热带和亚热带区域。2015年我国茶园种植面积高达288万hm2, 是我国重要的经济作物之一, 在高效农业和提高茶农生活水平方面起着十分重要的作用。茶树是典型的喜酸植物, 能在pH值3.2~6.8的土壤中生长, 以pH值4.5~6.5最为适宜[12]。茶树是典型的聚铝植物, 老叶和根系的平均铝含量分别为15.3和10.1 g· k
土壤样品采集于地处杭州的中国农业科学院茶叶研究所试验茶园(120° 09'E, 30° 14'N)。杭州属亚热带季风气候区, 四季分明, 夏季高温多雨, 冬季寒冷干燥。试验用茶树品种为龙井43, 树龄40 a左右。茶园每年施纯N 600 kg· hm-2, N:P:K比例约为4:1:1, 另施商品有机肥或菜籽饼肥2 250 kg· h
供试土壤的成土母质为安山斑岩, 土壤为红壤。于2013年9月采集0~20 cm土层土壤, 过2 mm筛, 分成3组, 分别加0、4、8 g· kg-1的CaCO3(以干重计), 将土壤与碳酸钙充分混合均匀后, 于2013年10月装盆(高25 cm, 直径15 cm), 每盆种植5~6株无性系茶苗, 此后正常管理以确保茶苗成活。经过10个月的反应, 至2014年7月, 添加0、4、8 g· kg-1碳酸钙的土壤pH值分别为3.87、4.17、4.65。
2014年7月取上述3组土壤各100 g(以干重计)于250 mL锥形瓶(上下各有一个滤嘴), 土壤处理为添加AlCl3 960 mg· kg-1。土壤含水量调节至田间持水量的60%, 将培养瓶放在25 ℃的恒温培养箱中敞口培养。在培养箱内放置2个烧杯, 一个盛稀NaOH溶液用于吸收土壤基础呼吸排放的CO2, 另一个盛水维持培养箱内的湿度[16]。培养土样在测量前预处理3 d, 重复3次。分别在培养的第1、2、4、7和21天测定土壤基础呼吸速率。
土壤呼吸采用北京均方理化GXH-3051A型红外分析仪测定, 土壤基础呼吸速率用单位时间、单位重量土壤排放CO2-C的量(mg C· kg-1· h-1)表示[16]。土壤基本理化性质测定方法同范利超等[17], 简述如下。土壤全氮和有机碳采用VarioMax碳氮自动分析仪(Elementar, German)测定。土壤pH值使用玻璃电极法(DRION 3 STAR pH计, Thermo Jarrell Ash Corporation, USA)测定, 土液比1:1。土壤含水量用烘干法[(105± 2)℃, 24 h]测定。土壤田间持水量采用容量法测定。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸— 0.5 mol· L-1 K2SO4提取法测定, 测定前在温度25 ℃、相对湿度5%的恒温恒湿培养箱中预培养7 d。土壤水溶性有机碳(water soluble organic carbon, WSOC)使用TOC碳氮分析仪(multi N/C 2100, Analytikjena, German)测定。
所有数据在Excel 2010平台上整理, 用SPSS 19.0软件进行数据处理及方差分析, 对有显著差异的处理采用LSD法进行多重比较, 采用Sigma Plot 12.0软件作图。
如图1所示, 土壤有机碳和全氮含量随着土壤pH值的增加而减少, 但添加铝离子对土壤有机碳含量无显著影响(P> 0.05)。土壤水溶性有机碳随着土壤pH值的增加而减少, 添加铝离子则进一步降低了土壤水溶性有机碳的含量。与对照(CK)相比, 添加铝离子后, pH值3.87、4.17和4.65土壤的水溶性有机碳含量分别降低了51.9%、57.3%和35.1%。铝对土壤微生物量碳的影响则随土壤pH不同略有差异, 添加铝离子对pH值3.87的土壤影响不大, 但添加了铝离子后, pH值4.17和4.65的土壤微生物量碳明显降低, 其中pH值4.65的土壤上降幅达显著水平(P< 0.05)。添加铝离子后, 土壤pH值与对照相比均显著(P< 0.05)降低, pH值3.87、4.17和4.65土壤的pH值分别下降了25.9%、24.2%和21.3%。
由图2可知, 对照土壤中基础呼吸速率以pH值4.17的土壤最高, 且显著(P< 0.05)高于pH值3.87和4.65的土壤, 说明茶园土壤基础呼吸速率并不必然随着土壤pH值的增加而增强。添加铝离子后, 茶园土壤基础呼吸速率表现为培养初期相对较高, 随后下降, 但整体趋势较为平缓, 与不加铝的对照土壤相比, 3组pH值的土壤基础呼吸速率均有大幅降低, 说明铝离子对土壤呼吸有明显的抑制作用。
由图3可知, 对照土壤中, pH值4.17的土壤基础呼吸碳通量显著(P< 0.05)高于土壤pH值为3.87和4.65的土壤。添加铝离子后, 各组pH值的土壤呼吸碳通量均比对照降低, pH值4.17与4.65组的差异达显著水平(P< 0.05)。另外, pH值4.17的土壤呼吸碳通量的降幅最大。
在本研究中, 施用碳酸钙在显著提高茶园土壤pH值的同时, 微生物量碳也随之增加。土壤微生物量增加需要消耗必要的底物, 因而使土壤水溶性有机碳含量降低。这与Kemmitt等[18]的研究结果相似。然而黄莹[19]通过对茶园土壤施用碳酸钙处理2个月的研究表明, 施碳酸钙处理后土壤水溶性有机碳含量显著增加。黄莹研究还发现, 施碳酸钙促使土壤基础呼吸速率升高。本研究也表明, 施用碳酸钙处理后茶园土壤基础呼吸碳通量明显增加, 特别是土壤pH值4.17组的土壤上增幅达显著水平, 这可能与碳酸钙处理后土壤酸度降低, 微生物数量及活性增加有关, 进而使得土壤呼吸速率增强。
在本研究中, 添加铝离子后土壤水溶性有机碳下降了35%~57%。这可能是由于铝离子抑制了微生物活性, 使有机碳分解速率降低。伴随着水溶性有机碳含量的降低, 土壤的基础呼吸速率也随之降低。这与Kraal等[20]研究结果相同。综上, 本研究表明, 向土壤中添加铝离子, 会降低土壤pH值, 减少土壤微生物量和水溶性有机碳含量, 对土壤基础呼吸有抑制作用。在严重酸化的茶园土壤中施用碳酸钙可以显著提高土壤pH值, 但土壤水溶性有机碳含量显著下降。
The authors have declared that no competing interests exist.
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|