草甸草原植物中微量元素吸收特點及其對硫添加的響應

張玉革, 劉夢霖,, 高金影,, 馮 雪, 李天鵬, 姜 勇,3

(1. 沈陽大學 區域污染環境生態修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044;2. 中國科學院沈陽應用生態研究所 額爾古納森林草原過渡帶生態系統研究站, 遼寧 沈陽 110016;3. 河北大學 生命科學學院, 河北 保定 071002)

土壤酸化是一個全球性環境問題[1],可導致土壤肥力下降、出現重金屬遷移增加等土壤退化現象。隨著工業化和城市化進程的加快,化石燃料燃燒及氮肥使用增加等會排放出大量的二氧化硫和氮氧化物[2],加速了對土壤圈和生物圈的酸化,給自然環境和生物健康造成巨大威脅。由于減排策略實施和新能源的開發利用,全球范圍內大氣硫沉降逐漸減少,但中國、印度等國家仍維持在較高水平[3]。過去20年,我國受硫沉降影響的區域由南部和東部向北部和西部擴散,內蒙古自治區東北部草甸草原區硫沉降量增加了1倍左右,未來可能在較長時間范圍內持續增加[4]。土壤酸化影響草原植物群落結構及植物養分吸收,而草原植物葉片和根系中微量元素吸收如何響應硫沉降及導致的土壤酸化問題等相關研究相對較少。

在英國開展的長達15年的野外試驗[14]表明,元素S添加導致的土壤酸化對土壤和植物的影響是長期存在的,土壤酸化顯著降低了土壤有效Ca濃度,進而又降低了植物中的Ca濃度,而對植物中的Fe、Mn濃度無顯著影響。草地生態系統研究[15]發現,針茅和冷蒿2個優勢物種葉片Mn濃度均與土壤有效Mn濃度呈顯著正相關,而植物Fe吸收不僅受土壤有效Fe濃度影響,還受植物Fe、Mn元素拮抗作用調控。與植物葉片不同,根系對水分和養分的競爭強度遠遠高于地上部分對資源的競爭[16]。有研究[17]發現,櫻桃番茄隨著土壤酸化程度增加會降低根系Mg和Fe濃度,而增加根系Mn濃度。而在植物群落上,探討草原植物根系金屬養分吸收對土壤酸化響應的相關研究還較少。

本研究通過呼倫貝爾草甸草原野外單質S添加模擬土壤酸化控制實驗,探究S沉降及土壤酸化背景下植物群落葉片及根系中微量元素的差異性吸收及其與土壤理化性質和有效養分之間的關系,研究結果有助于評估和預測半干旱草原土壤-植物養分循環過程對土壤酸化的響應。提出3個科學假設:

假設① 不同草原植物物種有不同的養分吸收偏好,因此不同物種葉片中量及微量元素濃度可能會存在顯著差異;

假設② S添加導致的土壤酸化可加速土壤鹽基離子淋失,進而抑制不同物種葉片和植物群落葉根對Ca、Mg元素吸收;

假設③ S添加導致的土壤酸化可促進土壤微量元素活化,進而增加物種葉片和植物群落葉根對Mn元素的奢侈吸收,但由于植物Fe、Mn吸收的拮抗作用,植物對Fe的吸收可能受到抑制植物Mn吸收的抑制。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

研究地點位于內蒙古自治區呼倫貝爾市的中國科學院沈陽應用生態研究所額爾古納森林草原過渡帶生態系統研究站(50°12′19″ N,119°30′28″E)。該區域為溫帶寒溫帶大陸性氣候,海拔523 m。具有鮮明的季節變化特點,春季降水少,溫度回升快;夏季短暫燥熱,雨量充沛,雨熱同期;秋季降溫快,初霜早;冬季寒冷漫長降水少。年平均降水量約363 mm,其中約70%的降水發生在5月至9月之間,年平均氣溫-2.45 ℃。植被以羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、寸草苔(Carexduriuscula)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)等禾本科植物為優勢物種,以柴胡(Bupleurumscorzonerifolium)、白頭翁(Pulsatillaturczaninovii)、達烏里芯芭(Cymbariadahurica)、冷蒿(Artemisiafrigida)等物種為常見種。該研究區的草原類型為草甸草原,土壤類型為黑鈣土,土壤有機質質量分數為50～60 g·kg-1,土壤砂、粉、黏粒濃度分別占39%、37%、24%,容重約為1.21 g·cm-3。

1.2 試驗設計

本試驗依托額爾古納硫添加試驗平臺。硫添加試驗開始于2017年5月,為隨機區組試驗,包括8個硫添加處理,分別為0、1、2、5、10、15、20、50 g·m-2·a-1。每個處理5次重復,每個小區為6 m×6 m,相鄰小區之間有2 m緩沖帶,共計40個小區。選取元素硫粉末(>99.9%)來模擬硫輸入及其導致的土壤酸化效應。自2017年起,每年5月中旬將不同劑量硫磺粉末與200 g處理過的土壤混合后均勻撒施于相應小區。元素硫添加試驗2年后(2019年8月),土壤pH值隨硫添加量增加顯著下降,各處理0～10 cm土層土壤pH值分別為6.95、6.80、6.69、6.70、6.77、6.47、6.17、5.19。

1.3 樣品采集與測定

1) 樣品采集:在試驗處理的第3年(2019年),于8月中旬采集土壤樣品(0～10 cm)。利用直徑5 cm土鉆在每個小區隨機選取5點取土并混合為1份土壤樣品,共采集土壤樣品40份。所取土壤樣品過2 mm篩,去除植物殘體和礫石,在實驗室自然風干,用于測定土壤理化性質。植物樣品同樣采集于2019年8月中旬,在每個小區隨機放置1個1 m×1 m樣方框,分物種剪下框內所有植物并裝入寫好編號的信封內。所有植物帶回實驗室先在烘箱105 ℃殺青30 min,后在65 ℃下烘48 h至恒重。選取針茅、糙隱子草、白頭翁、達烏里芯芭4個物種葉片進行前處理,用Retsch M400型球磨儀(德國萊馳公司生產)粉碎過100目篩(孔徑為0.149 mm)以備用于測定葉片元素質量分數。之后進行植物群落根系樣品采集,在每個小區用直徑為5 cm的根鉆采集3鉆0～10 cm土塊,篩分出根系,沖洗干凈,在65 ℃下烘干,球磨儀粉碎過100目篩,備用。

2) 土壤及植物指標測定:土壤pH值采用S210型酸度計(德國梅特勒-托利多公司生產)測定(土水為比1∶5)。土壤交換性酸采用氯化鉀(KCl)浸提、氫氧化鈉(NaOH)中和滴定法測定。土壤交換性鈣鎂(Ca2+、Mg2+)采用1 mol·L-1的乙酸銨(NH4OAc)浸提,土壤有效態微量元素(Fe2+、Mn2+)采用二乙三胺五乙酸(DTPA)法浸提、AA6800型原子吸收分光光度計(日本島津公司生產)測定。植物葉片及根系元素質量分數采用H2SO4-HClO4消煮后用5100ICP-OES型電感耦合等離子體發射光譜儀(美國珀金埃爾默公司生產)測定。

1.4 數據處理

植物群落根系養分質量分數為混合根系養分質量分數的測定值,群落葉片養分質量分數采用式(1)計算:

CWM= ∑piti。

(1)

式中:CWM為群落葉片養分質量分數,mg·kg-1或g·kg-1;pi為物種i的地上生物量占地上總生物量的百分比,%;ti為物種i的養分質量分數,mg·kg-1或g·kg-1。

采用SPSS統計軟件進行鄧肯多重比較法檢驗植物中微量元素質量分數在硫添加處理下的差異顯著性(P<0.05),并用Peason相關分析,分析土壤指標和植物元素質量分數之間的相關關系。利用Origin 8.5軟件作圖,圖中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 物種水平葉片中微量元素質量分數對硫添加響應

硫添加下草甸草原不同植物物種葉片對中微量元素Ca、 Mg、 Fe、Mn的吸收具有顯著差異,如圖1所示,雜類草(白頭翁和達烏里芯芭)葉片Ca和Mg質量分數顯著高于禾草(針茅和糙隱子草),而雜類草葉片Fe、Mn質量分數則顯著低于禾草。硫添加處理下,植物物種的Ca質量分數較為穩定,但針茅和白頭翁葉片Ca質量分數在硫添加量為50 g·m-2·a-1時表現為顯著下降(圖1(a));4個物種葉片Mg質量分數對硫添加的響應均不顯著(圖1(b));硫添加顯著降低白頭翁和達烏里芯芭葉片Fe質量分數,而加硫對針茅和糙隱子草葉片Fe質量分數有正向影響,但不同硫添加量間差異不顯著(圖1(c));隨硫添加量的增加,4個物種葉片Mn質量分數均顯著增加(圖1(d))。

(a) 硫添加對4個物種葉片Ca質量分數的影響(b) 硫添加對4個物種葉片Mg質量分數的影響(c) 硫添加對4個物種葉片Fe質量分數的影響

2.2 群落水平葉片和根系中微量元素質量分數對硫添加響應

由圖2可知,植物群落水平根系Ca、Fe、Mn質量分數高于葉片,其中根系Fe質量分數是葉片的幾倍至數十倍;而根系和葉片Mg質量分數比較接近。群落水平葉片Ca質量分數對硫處理的響應不顯著,而根系Ca質量分數在硫添加量為50 g·m-2·a-1時顯著下降(圖2(a));群落水平葉片和根系Mg質量分數對硫處理的響應均不顯著(圖2(b))。群落水平葉片Fe質量分數在中量硫添加量(10 g·m-2·a-1)下最高,低量和高量硫添加下相對較低,根系Fe質量分數對硫添加無顯著響應(圖2(c));硫添加顯著增加群落葉片和根系Mn質量分數(圖2(d))。

(a) 硫添加對群落葉片和根系Ca質量分數的影響(b) 硫添加對群落葉片和根系Mg質量分數的影響(c) 硫添加對群落葉片和根系Fe質量分數的影響

2.3 植物群落葉片和根系中微量元素質量分數與土壤性質的關系

從表1可知,植物群落葉片Ca、Fe質量分數與土壤pH值、交換性Al、交換性Ca、Mg、DTPA-Fe、DTPA-Mn無顯著相關性;葉片Mg質量分數與土壤交換性Mg顯著正相關;葉片Mn質量分數與土壤pH值、交換性Ca顯著負相關,與交換性Al、DTPA-Fe、DTPA-Mn顯著正相關。植物群落根系Ca質量分數與土壤pH值顯著正相關,與土壤交換性Al和DTPA-Mn顯著負相關;根系Mg、Fe質量分數與土壤性質間無顯著相關性;根系Mn質量分數與土壤pH值顯著負相關,與交換性Al、DTPA-Fe、DTPA-Mn顯著正相關。

表1 植物群落水平葉片和根系中微量元素質量分數與土壤性質間的Pearson相關系數

3 討 論

3.1 硫添加對草甸草原4個物種葉片中微量元素質量分數的影響

本研究中,不同植物物種葉片Ca、Mg、Fe、Mn質量分數存在顯著差異,假設①成立。根據高等植物營養學原理,不同功能群植物物種對中微量元素的吸收存在差異,主要是植物發育過程中代謝途徑以及養分在植物器官中的分配存在差異所致[18]。4個物種的葉片中微量元素質量分數對硫添加的響應具有顯著的物種特異性。針茅和白頭翁葉片Ca質量分數在硫添加量低于20 g·m-2·a-1處理時無顯著變化,而在硫添加量為50 g·m-2·a-1處理下才顯著降低,說明只有當土壤離子變化超過植物耐受范圍時才會引起植物的響應,這與假設②一致。亞熱帶森林的酸添加試驗表明,中低水平的酸化能夠顯著增加杉木Ca和Mg質量分數,但在高水平酸化處理下出現下降趨勢[19]。在高硫處理下針茅和白頭翁葉片Ca質量分數顯著降低主要原因是土壤酸化增加了鈣鎂離子的淋失[20],這一結果與中國北方半干旱草原和歐洲草原的研究結果一致[21-22]。半干旱草原的研究發現,豬毛蒿和風毛菊2個雜類草葉片Ca質量分數同時受到土壤酸化的抑制[21],這種Ca吸收的降低可能減少植物抵抗環境脅迫的能力[23-24]。不同物種對土壤酸化的差異性響應,可能歸因于植物根系形態特征和根系深度分布模式的不同導致植物對土壤中量元素變化的響應不同[21]。硫添加對4個物種的葉片Mg質量分數均無顯著影響,與西北黃土高原的一項研究結果一致,土壤酸化下多年生C4禾草的地上組織Mg質量分數也表現出較好的穩定性[25]。這一結果與假設②不一致,由于草甸草原黑鈣土富含中量元素,短期的硫添加對植物Mg吸收的影響不大。

本研究發現,兩個雜類草物種白頭翁和達烏里芯芭葉片Fe質量分數在硫添加下均顯著降低,而禾本科物種針茅和糙隱子草Fe質量分數無顯著變化(圖1(c)),4個物種葉片Mn質量分數隨硫添加量的增加均顯著增加(圖1(d))。這種葉片Fe吸收的差異主要由于雜類草Mn、Fe元素吸收表現出顯著的拮抗作用,Mn與Fe競爭相同的吸收位點,較高的Mn積累抑制雜類草對Fe的吸收[26]。雜類草的Fe的吸收主要由還原反應介導,即根細胞內的鐵還原酶將Fe3+還原成Fe2+,然后在鐵運輸蛋白的作用下吸收Fe2+進入根內并伴隨著Mn2+離子的運輸[18,27]。土壤酸化引起的土壤有效Mn質量分數增加導致Mn2+直接與Fe2+競爭,造成雜類草葉片Mn積累抑制Fe吸收[15]。禾本科植物可同時吸收Fe3+和Fe2+,進而這種拮抗作用對禾草葉片地上部Fe吸收影響較雜類草小。本研究表明,不同功能群物種Fe和Mn吸收存在顯著差異性,由于雜類草Mn吸收顯著抑制Fe吸收,加之Mn的奢侈吸收,可能會影響雜類草的生理生化過程進而導致一些雜類草物種因土壤酸化而在植物群落中的率先丟失。假設3得到實驗驗證。

3.2 硫添加對草甸草原植物群落葉片和根系中微量元素質量分數的影響

本研究是硫添加實驗處理的第2年,盡管針茅和白頭翁葉片Ca質量分數對高量硫酸添加(50 g·m-2·a-1)表現出顯著響應,但群落水平上葉片Ca質量分數對硫添加并未有顯著響應,這可能是由于實驗處理時間較短,植物群落尚能抵抗土壤酸化脅迫[28]。根據質量比假說,生態系統過程主要由優勢物種的功能特征決定[29],因此本研究中草地植物群落葉片Ca質量分數可能主要受優勢物種(羊草和寸草苔生物量占比在60%以上)的影響。與之相反,根系Ca質量分數受到硫添加的抑制,這種葉片和根系的差異性響應,表明植物可能會通過調節不同器官的養分吸收策略進而保持體內的養分相對平衡[30]。另一種可能的原因是,根系與葉片所處的生長環境不同,其對土壤性質變化的敏感性要高于葉片[31]。本研究中,植物群落根系Ca質量分數與土壤pH值顯著正相關,與土壤交換性Al顯著負相關(表1)。由于Ca離子與Al離子會競爭交換位點,土壤中高量的交換性Ca會幫助植物抵御土壤Al的毒害[32],而硫添加導致的土壤鈣淋失可能導致植物根系潛在遭受Al毒害[33]。與Ca相比,植物中Mg質量分數較為穩定,群落葉片和根系Mg質量分數對硫添加均無顯著響應,且僅有群落葉片Mg與土壤交換性Mg呈顯著正相關(圖2(b),表1)。主要原因是短期硫添加并未顯著改變土壤交換性Mg質量分數(未發表數據),因此不同物種Mg質量分數未受到硫添加處理的顯著影響。在群落水平上,假設②不成立。

Ca和Mg是植物結構組織和基本代謝的基礎元素,是有機化合物的組成成分,往往受到更嚴格的生物調控[34]。而微量元素Fe、Mn的環境敏感性高,生物控制弱,對環境變化的響應更快[30]。本研究中,硫添加可增加植物群落葉片Fe質量分數(圖2c)且與土壤理化和DTPA-Fe的相關性很弱,符合土壤和植物元素質量分數之間存在微弱耦合關系的觀點[35]。有研究發現,在硫充足的情況下,禾本科植物根系Fe質量分數更易受土壤硫有效性的影響[36],主要是因為Fe和S營養之間存在共同的穩態調節機制[37]。S供應充足時,植物會增加對S的同化和蛋氨酸的合成,同時增加Fe載體的分泌,因此施S可導致植物葉片Fe吸收增加[36]。本研究所選取的草甸草原主要以禾草為優勢物種,植物群落葉片Fe質量分數對硫添加的正向響應與禾草的響應(圖1(c))趨勢一致。群落植物不同器官對Mn元素的吸收受到土壤pH值的調控,與土壤pH值顯著負相關,而與土壤交換性Al、DTPA-Mn顯著正相關,植物群落地上、地下器官的元素質量分數具有相似的變異模式(圖2(d),表1)。多項研究表明,土壤酸化可顯著促進草原植物對Mn的奢侈吸收,而酸化導致的植物Mn毒害也是草原植物多樣性降低的一個重要機制[11,15,28]。在物種水平和群落水平上,假設③均成立,即土壤酸化促進植物Mn吸收,植物Mn與Fe吸收在一定程度上存在拮抗作用。

4 結 論

草甸草原不同物種對中量元素Ca、Mg和微量元素Fe、Mn的吸收存在顯著的差異性,禾草葉片對微量元素Fe、Mn具有較高的富集能力,而雜類草則含有較高量的中量元素Ca、Mg。石灰性草甸草原交換性Ca、Mg質量分數相對較高,不同物種葉片Ca、Mg對短期的硫添加的響應較弱;硫添加顯著降低土壤pH值、增加交換性Al質量分數,致使土壤酸化并活化土壤Mn和Fe,因此所有物種葉片Mn質量分數均隨硫添加量的增加而顯著增加;雜類草葉片Fe質量分數隨硫添加量而顯著降低,存在顯著的錳鐵拮抗效應。在群落水平上,根系Ca、Fe、Mn質量分數顯著高于葉片,表明草原植物不同器官對中微量元素的富集能力具有顯著差異。短期硫添加誘導的土壤酸化對植物群落葉片和根系的Mn質量分數、根系Ca質量分數具有顯著影響,對葉片和根系的Mg、Fe質量分數影響相對較小。研究結果有助于評估和預測半干旱草原土壤-植物系統養分循環過程對土壤酸化的響應,為草原生態系統養分管理及可持續利用提供數據支撐。