程錦萍，王鷺，唐志珍，史文竹，李慶，項(xiàng)劍，王艮梅，張煥朝

（南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南京 210037）

酸雨（Acid rain）指pH<5.60 的降水，可分為硫酸型、硝酸型和混合型三種。我國(guó)目前的酸雨類型逐漸由以硫酸型為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰旌闲蜑橹鱗1-2]，受酸雨污染的面積約占國(guó)土面積的40%[3]，其中以亞熱帶地區(qū)最為嚴(yán)重[4]，且隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，SO2、NOx排放不斷增加，污染面積進(jìn)一步擴(kuò)大[5]。在酸雨的淋溶作用下，森林植被的葉片遭腐蝕，葉肉細(xì)胞受損導(dǎo)致光合作用減緩。此外，土壤pH下降導(dǎo)致土壤逐漸酸化，土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的變化、養(yǎng)分的流失對(duì)土壤微生物活動(dòng)、土壤呼吸速率和植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況均產(chǎn)生重要影響[6]，使得碳循環(huán)和轉(zhuǎn)化發(fā)生改變，最終影響土壤有機(jī)碳封存[7]。

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)[8-9]，其細(xì)微的變化會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和溫室效應(yīng)造成顯著的影響。土壤呼吸碳排放是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中僅次于總光合作用的主要途徑[10]，其中土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和凋落物的分解起到至關(guān)重要的作用。凋落物的分解是森林生態(tài)系統(tǒng)中林木養(yǎng)分歸還土壤的重要途徑[11-13]，其影響因素主要包括凋落物本身性質(zhì)[14]、微生物活動(dòng)[15]、酶活性[16]和環(huán)境因子等。不同樹種葉片的碳、氮含量存在差異，一般而言，闊葉樹種凋落葉片分解易于針葉樹種，碳氮比越小越易分解[17]；而溫度[13]、pH[18]、降水和氮沉降[19]等因素會(huì)對(duì)凋落物的分解起到促進(jìn)或抑制的作用。同時(shí)，不同土壤微生物對(duì)土壤酸化的耐受性不同，不同凋落物對(duì)H+的緩沖能力也因其類型的不同而不同，因而對(duì)酸雨的響應(yīng)差異較大[20]。南京地區(qū)酸雨中與濃度的比值逐年下降[21-22]，而氮元素的輸入可能會(huì)降低碳氮比[23]，從而促進(jìn)林地凋落葉片分解。

近年來，關(guān)于酸雨對(duì)土壤理化性質(zhì)和植物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究報(bào)道相對(duì)較多，而其對(duì)凋落物分解、土壤呼吸的影響還存在較大爭(zhēng)議，研究結(jié)果呈現(xiàn)促進(jìn)作用[24]、抑制作用[25]、先促進(jìn)后抑制[4]或無(wú)顯著性影響[16]等，差異較大，仍需進(jìn)一步研究。本研究以添加凋落物的酸性、堿性土壤為研究對(duì)象，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)?zāi)M不同酸雨處理下土壤CO2的排放，探究酸雨對(duì)凋落物分解和土壤呼吸的影響，為制定森林土壤應(yīng)對(duì)酸雨沉降的措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土壤樣品取自南京紫金山北麓枇杷林地和女貞林地（32°04′ N，118°48′ E），本地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均降水量達(dá)1 106.5 mm。2019 年4 月，在兩處林地各隨機(jī)選取三點(diǎn)采集表層（0～20 cm）土壤，分別等量混合，一部分用于測(cè)定理化性質(zhì)，一部分進(jìn)行為期1 個(gè)月的培養(yǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中添加的凋落物選取采樣地主要樹種的新鮮凋落葉片，分別為枇杷（Eriobotrya japonica）葉片、女貞（Ligustrum lucidum）葉片，帶回實(shí)驗(yàn)室洗凈，于40 ℃烘干后粉碎備用。

土壤有機(jī)碳（SOC）測(cè)定采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法；全氮（TN）測(cè)定采用凱氏定氮法；pH值的測(cè)定選用電位法。葉片有機(jī)碳采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法；全氮用濃H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。具體步驟參見文獻(xiàn)[26]。土壤與凋落葉的基本性質(zhì)見表1。

表1 土壤和凋落葉的基本性質(zhì)Table 1 Properties of the soil and leaf litter

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共分為10 組處理，每組處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。取5 組250 mL 的培養(yǎng)瓶，分別加入50 g 風(fēng)干后過2 mm 篩孔的枇杷林地土壤，從中隨機(jī)選取1 組加入20 mL去離子水作為對(duì)照（SCK），其余4個(gè)處理在50 g土壤的基礎(chǔ)上依次添加5 g 枇杷凋落葉片，與土壤充分混勻，并分別加入20 mL 去離子水（ST0）、T1 溶液（ST1）、T2 溶液（ST2）、T3 溶液（ST3）。同理，取5 組50 g風(fēng)干后過2 mm 篩孔的女貞林地土壤，隨機(jī)選取1組加入20 mL 去離子水作為對(duì)照（NCK），其余4 組處理在50 g 土壤的基礎(chǔ)上依次添加5 g 女貞凋落葉片，與土壤充分混勻，并分別加入20 mL去離子水（NT0）、T1溶液（NT1）、T2溶液（NT2）、T3溶液（NT3）。

培養(yǎng)瓶用保鮮膜封口，扎小孔以保持瓶?jī)?nèi)空氣流通，放置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行避光培養(yǎng)，每隔3 d 補(bǔ)充去離子水以保持適宜的土壤含水量（40%）。

1.3 CO2排放通量的測(cè)定

分別于培養(yǎng)的第1、3、5、7、10、15、20、31 天測(cè)定CO2排放通量。采用島津GC-2014B 氣相色譜儀測(cè)定CO2濃度，檢測(cè)器為氫氣火焰離子（FID）檢測(cè)器，載氣為氮?dú)猓瑲錃鉃槿細(xì)?，以空氣助燃。氣體測(cè)定前將培養(yǎng)瓶的保鮮膜換成硅膠塞形成密封環(huán)境，隨即從瓶中抽取1 mL 氣體以測(cè)定CO2濃度，密封培養(yǎng)3 h 后進(jìn)行第二次測(cè)氣，測(cè)定后換回原先的保鮮膜放置于培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)。

通過測(cè)氣當(dāng)日2 次CO2濃度差值與時(shí)間間隔（3 h）的斜率計(jì)算出各處理下CO2排放通量，計(jì)算公式[27]如下：

式中：F為CO2排放通量，mg·kg-1·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2的密度（1.964 kg·m-3）；ΔC為CO2濃度差，μg·kg-1；Δt表示采氣的時(shí)間間隔，3 h；V代表培養(yǎng)瓶的有效體積，250 mL；T為培養(yǎng)溫度，℃；m為土壤樣品質(zhì)量，kg。

CO2累積排放量的計(jì)算公式[27]為：

式中：M為CO2累積排放量，g·kg-1；F為CO2排放通量，mg·kg-1·h-1；i表示采氣次數(shù)；t為培養(yǎng)天數(shù)。

凋落葉碳的總分解量的估算采用差減法，計(jì)算公式為：

式中：P為凋落葉C 分解量，g·kg-1；M為CO2累積排放量，g·kg-1；Mj表示不同處理下CO2累積排放量，g·kg-1；M0表示未添加凋落葉的對(duì)照組CO2累積排放量，g·kg-1；m1和m2為添加的土壤和凋落葉質(zhì)量，kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，采用SPSS 20.0 的單因素方差分析（ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行多重比較，分析不同處理在P<0.05 和P<0.01水平下的差異顯著性，并用Origin 2019制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2排放通量的動(dòng)態(tài)變化

為期1 個(gè)月的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)期間，不同處理下枇杷林地堿性土壤CO2排放通量呈先減小后增大最終減小并趨于穩(wěn)定的變化（圖1）。培養(yǎng)1 d時(shí)，ST1處理的CO2排放通量最高，達(dá)9.18 mg·kg-1·h-1，與其他各組均有顯著差異（P<0.05），約為ST0 的2.05 倍，是SCK 的3.79 倍。培養(yǎng)15 d 后，各處理CO2排放通量均達(dá)到峰值，最高為ST3，達(dá)17.03 mg·kg-1·h-1，分別為ST0、SCK、ST1 和ST2 的1.31、2.17、1.38 和1.21 倍，重度酸雨ST1抑制了CO2的釋放?？傮w而言，ST0的CO2排放通量均值為3.42 mg·kg-1·h-1，顯著高于SCK（P<0.05），枇杷凋落葉的添加促進(jìn)了CO2排放；而不同程度酸雨處理（ST1、ST2、ST3）的CO2平均排放通量均顯著高于ST0，模擬酸雨促進(jìn)了土壤CO2排放。

圖1 模擬酸雨處理對(duì)枇杷林土壤CO2排放通量的影響Figure 1 Effects of simulated acid rain treatments on soil CO2 emission flux in Eriobotrya japonica forest

而對(duì)于女貞林地酸性土壤而言，不同酸雨處理下的CO2排放通量則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)（圖2）。重度酸雨NT1 處理在培養(yǎng)過程中明顯抑制了CO2排放，培養(yǎng)15 d 時(shí)的排放通量?jī)H為2.11 mg·kg-1·h-1，顯著低于其他酸雨處理（P<0.05），且在培養(yǎng)20 d時(shí)表現(xiàn)為極顯著差異（P<0.01）。而NT3 處理下CO2排放通量較高，培養(yǎng)15 d時(shí)達(dá)到峰值，排放通量為17.46 mg·kg-1·h-1，分別為NT0、NCK、NT1 和NT2 的1.26、4.06、8.27 和1.95 倍。與NCK 相比，添加女貞凋落葉片（NT0）對(duì)CO2排放的促進(jìn)作用主要發(fā)生在培養(yǎng)中期，尤其在15 d 時(shí)顯著增加了CO2的排放通量（P<0.05）?？傮w而言，CO2排放通量均值為1.57～4.82 mg·kg-1·h-1，表現(xiàn)為NT3>NT0>NT2>NCK>NT1，與NT0 相比，NT3 處理顯著促進(jìn)了CO2排放，而重度酸雨處理（NT1）則對(duì)CO2排放有極顯著的抑制作用。

圖2 模擬酸雨處理對(duì)女貞林土壤CO2排放通量的影響Figure 2 Effects of simulated acid rain treatments on soil CO2 emission flux in Ligustrum lucidum forest

2.2 CO2累積排放量變化

枇杷林地堿性土壤在培養(yǎng)初期CO2排放量較少，且ST1 處理顯著高于其他處理（圖3）。培養(yǎng)1個(gè)月后各處理CO2累積排放量為1.67～3.35 g·kg-1，表現(xiàn)為ST3>ST2>ST1>ST0>SCK。相比SCK而言，添加枇杷凋落葉的處理均顯著增加了CO2累積排放量（P<0.05），且隨時(shí)間的推移差異逐漸變大。同時(shí)，與ST0（2.87 g·kg-1）相比，模擬酸雨處理（ST1、ST2 和ST3）均促進(jìn)了CO2的釋放，其中，ST3處理顯著高于ST0（P<0.05），促進(jìn)作用最大；而ST1、ST2的累積排放量分別達(dá)到3.21、3.26 g·kg-1，但與ST0差異不顯著。

圖3 枇杷林地土壤CO2的累積排放量Figure 3 Cumulative CO2 emission from soil of Eriobotrya japonica forest

女貞林地酸性土壤的CO2累積排放量對(duì)不同強(qiáng)度的酸雨響應(yīng)結(jié)果相差較大（圖4）。培養(yǎng)1個(gè)月后各處理CO2累積排放量為0.99～3.90 g·kg-1，表現(xiàn)為NT3>NT0>NT2>NCK>NT1，其中，NT3 的CO2累積排放量約為NT1 的4 倍，二者的差值達(dá)2.91 g·kg-1，差異極顯著（P<0.01）。相比于NCK 而言，添加女貞凋落葉的處理NT0 前期抑制了CO2的釋放，培養(yǎng)20 d 后則表現(xiàn)為促進(jìn)作用，但最終并未顯著增加CO2的累積排放量。同時(shí)，與NT0（3.01 g·kg-1）相比，NT3、NT2 處理對(duì)CO2累積排放量的促進(jìn)或抑制均未達(dá)顯著水平（P>0.05），而NT1（0.99 g·kg-1）處理則顯著抑制了CO2的釋放。

圖4 女貞林地土壤CO2的累積排放量Figure 4 Cumulative CO2 emission from soil of Ligustrum lucidum forest

本研究中，酸性土和堿性土的本底CO2累積排放量相差不大，且添加凋落葉后的變化趨勢(shì)一致，分別增加了41.20%和71.72%。然而，不同pH模擬酸雨處理對(duì)二者CO2排放的影響差異較明顯。CO2累積排放量均在酸度最低的T3 處理（pH 5.55）最高，酸性土和堿性土分別較純水處理（T0）增加了29.58% 和16.62%。而pH 3.67 的酸雨條件下，酸性土的CO2排放較純水處理降低了15.23%，堿性土則上升了13.62%。強(qiáng)酸性T1 處理（pH 1.65）下，兩種土壤的CO2排放差異進(jìn)一步擴(kuò)大，其中，酸性土的CO2排放較純水處理下降67.00%；而堿性土則較純水處理上升了約11.69%，達(dá)3.21 g·kg-1，為酸性土（0.99 g·kg-1）的3.24倍。由此可見，不同強(qiáng)度酸雨對(duì)酸性和堿性土壤CO2排放的影響不同。

2.3 凋落葉的總分解量對(duì)不同模擬酸雨處理的響應(yīng)

室內(nèi)培養(yǎng)1個(gè)月后，枇杷林地堿性土壤中添加的枇杷凋落葉在不同程度的酸雨作用下?lián)p失碳的總量約為3.27～4.57 g·kg-1，表現(xiàn)為ST3>ST2>ST1>ST0（圖5a）。與ST0 相比，模擬酸雨處理（ST1、ST2、ST3）均增加了枇杷凋落葉的分解。其中，ST3處理下的碳分解量達(dá)4.57 g·kg-1，是ST0 的1.40 倍，二者差異顯著（P<0.05）；而ST1（4.19 g·kg-1）、ST2（4.34 g·kg-1）雖在一定程度上也促進(jìn)了葉片的分解，但與ST0差異未達(dá)顯著水平。

酸性土壤女貞凋落葉的分解量則表現(xiàn)為NT3>NT0>NT2>NT1 的規(guī)律（圖5b）。其中，NT1 處理的女貞凋落葉碳損失量為-3.10 g·kg-1，極顯著地抑制了土壤中女貞凋落葉的分解（P<0.01），說明重度酸雨有效地增加了土壤有機(jī)碳的累積。NT3 處理的女貞凋落葉碳損失量最大，達(dá)4.82 g·kg-1，顯著高于NT2（1.14 g·kg-1，P<0.05），但與NT0（2.40 g·kg-1）差異未達(dá)顯著水平?？傮w而言，酸性土壤中凋落葉的分解量隨著酸雨pH的升高而增加。

圖5 模擬酸雨處理對(duì)枇杷和女貞凋落葉分解C損失量的影響Figure 5 Effects of simulated acid rain treatments on decomposition C loss of leaf litter of Eriobotrya japonica and Ligustrum lucidum

3 討論

3.1 不同處理對(duì)CO2排放的影響

本研究中，相對(duì)于CK而言，凋落葉添加處理促進(jìn)了土壤CO2排放，尤其是對(duì)堿性土壤促進(jìn)作用明顯，其CO2累積排放量顯著提高。這與WANG 等[28]的研究結(jié)果一致，凋落物分解產(chǎn)生的CO2對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)達(dá)33%。添加凋落葉增加了土壤微生物的碳源供應(yīng)[29]，對(duì)土壤原有有機(jī)碳的礦化起到了“激發(fā)效應(yīng)”，且凋落葉本身的分解也會(huì)產(chǎn)生大量CO2[30]，從而明顯增加CO2的排放。

然而，凋落葉添加后的土壤CO2排放隨模擬酸雨強(qiáng)度的差異表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，這可能與酸雨pH、土壤本身性質(zhì)、凋落葉分解特征有關(guān)。但無(wú)論是酸性土壤還是堿性土壤，輕度酸雨（pH5.55）處理下的CO2排放通量均在培養(yǎng)15 d 時(shí)出現(xiàn)最大值，且累積排放量高于其他處理。研究表明，弱酸環(huán)境會(huì)提高土壤微生物的群落多樣性[4]，隨著微生物活動(dòng)程度加大，葉片的易分解物質(zhì)不斷被分解，從而使得產(chǎn)生的CO2排放量迅速增多?？傮w而言，短期的低強(qiáng)度酸雨不一定會(huì)顯著抑制土壤呼吸，反而有可能促進(jìn)CO2排放[3]。而重度酸雨（pH 1.65）對(duì)兩種土壤的影響差異較大，因土壤對(duì)H+的緩沖能力隨其酸堿性不同而有所差異，堿性土壤受酸雨影響較小，pH 下降較為緩慢[31]；相反，酸性土壤因其對(duì)H+的緩沖能力有限，土壤pH值變化較大[32]，重度酸雨會(huì)使土壤酸化，而H+過多會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用[33]，導(dǎo)致土壤微生物種類、結(jié)構(gòu)和活性的改變，從而抑制土壤有機(jī)碳的礦化和凋落物的分解，降低CO2的釋放[21]。

3.2 凋落葉分解特征差異

本研究中，凋落葉分解后以CO2排放形式損失的碳量因土壤酸堿性不同而有明顯差異。其中，不同強(qiáng)度的酸雨均增加了堿性土壤枇杷凋落葉分解的碳損失量，且pH 5.55 的酸雨處理最為明顯。這可能是由于輕度酸雨為堿性土壤中微生物活動(dòng)創(chuàng)造了適宜的環(huán)境，從而加快了凋落葉的分解速率[4]。

而酸性土壤中，女貞凋落葉分解的碳損失量對(duì)不同酸雨的響應(yīng)不同。輕度酸雨（pH 5.55）對(duì)凋落葉分解有一定的促進(jìn)作用，而重度酸雨（pH 1.65）則明顯抑制了凋落葉分解。因?yàn)?，隨著酸雨酸性的增強(qiáng)，輸入土壤中的H+不斷增加，進(jìn)而加重土壤酸化程度，導(dǎo)致微生物活性受到抑制，從而減緩凋落葉的分解速率[2]。相關(guān)研究表明，不同酸雨處理會(huì)降低凋落物分解，抑制土壤呼吸和微生物活性[21]，但土壤總有機(jī)碳含量會(huì)顯著上升[8]。WU 等[25]通過長(zhǎng)期模擬試驗(yàn)證實(shí)，不同酸雨對(duì)凋落物的養(yǎng)分釋放有延緩作用，可顯著降低土壤微生物量和凋落物的分解速率，促進(jìn)有機(jī)碳的積累，對(duì)亞熱帶森林土壤有機(jī)碳固存具有重要意義。

酸雨強(qiáng)度、微生物活動(dòng)和土壤類型都可能是導(dǎo)致凋落葉分解碳損失量出現(xiàn)差異的原因，故酸雨中H+對(duì)凋落物分解的影響取決于森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤理化性質(zhì)[34]。此外，酸雨本身并不影響凋落物碳、氮釋放，而土壤碳、氮的減少可能與酸雨沉降和土壤微生物的取食偏好有關(guān)[5]。

4 結(jié)論

（1）輕度酸雨能促進(jìn)土壤呼吸，增加凋落葉的分解，加快有機(jī)碳礦化；而重度酸雨會(huì)顯著抑制酸性土壤有機(jī)碳礦化，減緩凋落葉分解，從而降低CO2的排放量，但對(duì)堿性土壤的有機(jī)碳礦化無(wú)抑制作用，反而增加了CO2的排放量；中度酸雨對(duì)兩類土壤的呼吸、凋落葉分解的影響均不明顯。

（2）凋落葉的添加會(huì)顯著增加堿性土壤的CO2排放量，但對(duì)酸性土壤CO2排放的影響因模擬酸雨pH的不同而有所差異。