全球气候变化背景下, 陆地生态系统碳循环与收支研究一直是国内外学者的研究重点^[1], 而森林生态系统中土壤呼吸是森林碳循环的重要组成部分^[2].目前酸雨是一个全球性问题, 我国作为酸雨污染最为严重的国家之一, 南方地区尤为严重, 近年来降雨pH大多4.5以下甚至有达到3.0的极端情况出现^{[3, 4]}.森林生态系统中, 酸雨在破坏植被的同时还会对土壤微生物与理化性质产生影响, 破坏碳氮循环与转化过程; 如李泽^[5]的研究表明酸雨淋溶下土壤pH、有机质、可溶性有机碳、全氮、矿化氮含量均降低, Lv等^[6]发现酸雨对针叶林与阔叶林土壤微生物生物量和大部分酶活性有抑制作用, Ouyang等^[7]发现酸雨处理增强了土壤碳的矿化但是降低了氮的矿化.

森林土壤呼吸会因为土壤微生物、根系、凋落物和气候等因素产生变化^[8], 而酸雨会影响土壤微生物结构与功能、植物根系状况与凋落物性质等, 进而影响土壤呼吸^{[5, 9]}.目前关于酸雨对于森林土壤呼吸的影响研究结果并不一致, 如张旭^[10]2013~2015年的研究表明, 模拟酸雨对土壤呼吸速率产生了抑制, Liang等^[11]发现酸雨处理下土壤呼吸在第一年略有下降, 第二年显著降低, 而陈书涛等^[12]在针阔混交林的试验观测到土壤呼吸在不同模拟酸雨处理之间无显著差异; 这主要是因为野外自然状况下关于酸雨对森林土壤呼吸的影响研究较少, 且存在区域与时间差异, 缺乏长期野外模拟试验观测造成的.作为土壤呼吸的组成部分, 自养呼吸(根系呼吸)与异养呼吸(微生物呼吸、动物呼吸等)发生的方式不同, 对于影响因素的反馈也有差异, 因而对于酸雨的响应存在区别^[13].准确区分土壤呼吸不同组分一直是地下生物学与碳循环研究中的难点与热点.关于自养呼吸与异养呼吸对于酸雨响应的差异, 陈书涛等认为模拟酸雨增加了异养呼吸在土壤呼吸的比例, 即自养呼吸占比减少^[11].目前这方面研究整体较少, 结果尚不明确.

在我国三峡库区重庆是典型的酸雨区, 近年来由于工业发展以及机动车辆增多, 重庆酸雨由硫酸型向硫酸与硝酸混合型转化^[14].有研究表明, 2000~2009年重庆降水酸化有加重趋势, 酸雨频率为90%左右^[15]; 2009~2013年降雨年均pH在4.26~4.79之间, 始终低于5.6属于酸性降雨, 酸雨频率整体呈增加趋势^[16].近年来由于减排控制政策, 降雨污染有所缓解, 但是酸雨状况仍然严重, 需要进一步分析降雨酸化的影响.本文基于重庆缙云山地区针阔混交林的模拟酸雨试验, 监测了土壤呼吸与土壤性质变化, 研究酸雨添加下土壤呼吸与其组分变化特征, 通过了解酸雨强度增加情况下亚热带森林土壤碳循环变异规律, 给酸雨背景下合理管理经营森林提供理论依据, 以期为政府制定相关规划与政策提供重要参考.

研究区位于重庆缙云山地区(106°17′~106°24′E, 29°41′~29°52′N), 属于三峡库区, 海拔170~950 m.研究区气候属于典型的亚热带季风湿润气候, 年均降雨量为1 611.8 mm, 年均相对湿度87%, 雨季(4~9月)降雨占全年的77.2%;年均气温13.6℃, 年蒸发量为777.1 mm.每年7月末到8月中旬间, 研究区降雨少且蒸发量大, 属于伏旱期.研究区土壤为黄壤, pH在3.5~4.5之间, 属于酸性土壤, 抗侵蚀能力较弱.植被覆盖率较高达到了96.6%, 研究区主要林分类型有针阔混交林、常绿阔叶林和竹林等(表 1).试验选择在针阔混交林内建立样地, 该林区具有多种代表性生态系统, 形成缙云山地区典型的生态综合体的物种基因库, 能够反映该地区的森林天然本底.

表 1 (Table 1)

表 1 样地林分基本情况 Table 1 Basic set-up of stand in sample plots 立地因子 林分概况 主要树种 编号 海拔 /m 坡度 /(°) 坡向 起源 郁闭度 林分密度 /株·hm-2 平均胸径 /cm 平均树高 /m 1 868.4 12 西北 天然 0.88 2 185 10.22 12.74 四川大头茶(Gordonia acuminata)、白毛新木姜子(Neolitsea aurata)、四川杨桐(Adinandra bockiana)、四川山矾(Symplocos setchuanensis)、马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata) 2 855.3 13 西北 天然 0.87 2 200 11.45 12.55 3 862.3 12 西北 天然 0.88 2 148 13.21 11.95

表 1 样地林分基本情况 Table 1 Basic set-up of stand in sample plots

在针阔混交林内设置3个立地条件相近的40 m×40 m的样地, 在每块样地内设置24个2 m×2 m的样方进行试验, 两个样方之间的距离大于4 m, 防止互相影响造成干扰.试验采用壕沟断根法区分土壤总呼吸(R_s)与异养呼吸(R_h)：选取一半样方做断根处理, 在样方四周挖壕沟(40 cm), 然后插入PVC板, 去除样方内所有根, 并保持原状土层.断根处理样方在2015年6月~2015年12月空置6个月, 使断根完全分解腐烂, 防止断根分解时产生的CO₂造成R_h测定结果偏高.

本试验分为断根与不断根两个处理组, 每组设置对照(pH 4.5)、低强度酸(pH 4.0)、中强度酸(pH 3.25)和高强度酸(pH 2.5)这4个pH梯度, 在不断根处理组分别表示为CK、T4.0、T3.25和T2.5, 断根处理组表示为RCCK、RCT4.0、RCT3.25和RCT2.5.每块样地内每个处理设置3个重复, 共72个样方.对照组按照自然状态降雨年均pH值4.5设置, pH 3.25组按照降雨pH最低值设置, 考虑极端状况下降雨pH可能降低, 设置pH 2.5组, 最后添加pH4.0组形成梯度^{[8, 12]}.为了反映降雨中S :N的摩尔比趋势, 使用n(H₂SO₄)和n(HNO₃)比例5 :1配置pH 1.0的酸雨母液^[17], 再利用去离子水和酸雨母液混合配置至pH为4.5、4.0、3.25和2.5.试验时段为2016年1月~2017年4月, 试验期间两周施酸一次, 使用喷壶人工在林地来回均匀喷洒, 1 d内喷完所有样方.每次每样方施酸8 L, 等于2 mm降雨, 全年施酸量等于年平均降雨量的3.54%.自然状态样方的全年H⁺负载输入为0.429 2 kmol·hm^-2, pH 2.5、pH 3.25、pH 4.0与对照处理的样方添加的H⁺负载分别是自然降雨的4、0.62、0.11以及0.04倍^{[8, 12]}.

每个样方中间位置布设一个土壤环(外径20 cm、内径19.5 cm、高12 cm)插入土壤, 露出地面2.5 cm, 去除环内一切活物.采用LI-8100开路式土壤呼吸观测系统(LI-COR, Lincoln, NE, USA)观测自然状态下不断根样方的土壤总呼吸速率和断根样方的异养呼吸速率.试验期每个月在上、中、下旬各选取连续2d晴好天气在09:00~11:00测量两次, 取平均值作为日均土壤呼吸速率, 试验区之前研究已经证明这个时间段的观测值与土壤呼吸日均值接近.每处理9个样方共9次重复.每次施酸2天后观测土壤呼吸以防止喷洒使土壤呼吸脉动.采用Em50G数据采集器(METER Group, Inc, U.S.A)配套5TM土壤水分、温度传感器测定5 cm深处土壤温度与土壤湿度(体积分数), 在每个样方内布设一个传感器.

2016年4月、7月、10月以及2017年1月和4月, 使用土钻(10 cm×7 cm)在样方内采用五点法钻取表层土(0~10 cm)土芯, 五钻合一放入塑封袋标记后带回实验室处理.用蒸馏水将土芯套筛后冲洗, 将根系样品在65℃下烘干至恒重, 利用游标卡尺区分细根(d < 10 mm), 称重记录细根重量, 每次采集每个处理9个重复.

每次采集根系样品时, 对表层土(0~10 cm)采用五点法用环刀取土样, 装入塑封袋均匀混合后带回实验室, 风干、碾磨、过筛后4℃冷藏储存, 每次采集每个处理9个重复.土壤样品用来测定土壤有机碳、总氮含量及pH.有机碳采用重铬酸钾外加热氧化法测定, 全氮消煮后采用德国SEAL/AA3连续流动分析仪进行测定, 土壤pH值采用玻璃电极法(土水比为1 :2.5).土壤的测定结果以干重计算.

采用重复测量方差分析(repeated-measures analysis of variance)进行差异显著性检验(P < 0.05), 之后采用LSD法进行多重比较.采用线性模型拟合异养呼吸与土壤总呼吸关系并分析正比例函数关系.采用指数函数模型拟合土壤温度与土壤呼吸关系, 二次函数模型拟合土壤湿度与土壤呼吸关系, 加入一个相互作用项(土壤温度×土壤水分)的双因素模型拟合土壤温度、湿度与土壤呼吸的关系.采用皮尔逊相关系数(Pearson's correlation coefficient)分析土壤pH、碳氮比和细根生物量与土壤呼吸之间的相关性.由于土壤呼吸是非逐日测定的, 将观测的土壤呼吸和5 cm土壤温湿度建立拟合方程计算每日土壤呼吸速率, 将每日的CO₂排放量相加获得累积土壤呼吸量.上述计算、分析与图形绘制, 采用Excel 2016、SPSS 19.0软件完成.

不同处理的土壤温度具有相同的季节变化趋势, 夏季最高, 冬季最低; 土壤湿度受降雨影响波动强烈, 在8、9月出现全年最低值(图 1).对月均土壤温度与土壤湿度做重复测量方差分析表明, 对于不断根及断根样方, 时间均能显著影响土壤温度与湿度(P＜0.01), 而不同模拟酸雨强度(P＞0.05)及酸雨与时间的交互作用(P＞0.05)均无显著影响(表 2).不断根样方的CK、T4.0、T3.25和T2.5处理土壤温度在6.63~24.97、6.57~25.08、6.48~24.68和6.46~24.95℃之间, 土壤湿度分别介于18.67%~33.37%、19.70%~33.30%、19.71%~33.88%和19.26%~33.29%之间(图 1).断根样方的RCCK、RCT4.0、RCT3.25和RCT2.5处理土壤温度在6.99~24.51、6.70~24.90、6.77~24.98和6.88~24.43℃之间, 土壤湿度分别介于14.05%~29.60%、14.23%~30.33%、13.88%~29.88%和13.96%~29.53%之间(图 1).

图 1

Fig. 1

图中ST-CK、ST-T4.0、ST-T3.25、ST-T2.5、ST-RCCK、ST-RCT4.0、ST-RCT3.25、ST-RCT2.5表示各处理的5 cm土壤温度, SM-CK、SM-T4.0、SM-T3.25、SM-T2.5、SM-RCCK、SM-RCT4.0、SM-RCT3.25、SM-RCT2.5表示各处理的5 cm土壤湿度 图 1 不同处理下5 cm土壤温度与湿度动态变化 Fig. 1 Dynamic changes of soil temperature and soil moisture at 5 cm for different treatments

表 2 (Table 2)

表 2 土壤呼吸、温湿度、pH、碳氮比和细根生物量的重复测量方差分析1) Table 2 Repeated measures analysis of variance of soil respiration, soil temperature, soil moisture, pH, C/N ratio, and fine root biomass 变量 处理 df 均方 F P 时间 4 128 18.636 6801.083 ＜0.01** 不断根样方 酸雨 3 32 0.618 294.841 ＜0.01** 季度平均土壤呼吸速率 时间×酸雨 12 128 0.140 51.055 ＜0.01** 时间 4 128 9.05 4 562.33 ＜0.01** 断根样方 酸雨 3 32 0.90 552.03 ＜0.01** 时间×酸雨 12 128 0.19 93.64 ＜0.01** 时间 15 480 1 013.82 16 420.17 ＜0.01** 不断根样方 酸雨 3 32 0.02 0.27 0.85 月均土壤温度 时间×酸雨 45 480 0.04 0.65 0.96 时间 15 480 1 009.02 16 894.44 ＜0.01** 断根样方 酸雨 3 32 0.02 0.41 0.75 时间×酸雨 45 480 0.02 0.38 0.98 时间 15 480 0.03 175.81 ＜0.01** 不断根样方 酸雨 3 32 0.00 0.01 0.99 月均土壤湿度 时间×酸雨 45 480 0.00 0.05 0.99 时间 15 480 0.01 39.09 ＜0.01** 断根样方 酸雨 3 32 0.00 0.06 0.98 时间×酸雨 45 480 0.00 0.03 0.99 时间 4 128 1.44 184.92 ＜0.01** 不断根样方 酸雨 3 32 0.03 2.75 0.06 pH 时间×酸雨 12 128 0.04 4.99 ＜0.01** 时间 4 128 0.53 82.43 ＜0.01** 断根样方 酸雨 3 32 0.01 1.23 0.32 时间×酸雨 12 128 0.02 3.50 ＜0.01** 时间 4 128 179.19 1106.85 ＜0.01** 不断根样方 酸雨 3 32 36.79 258.72 ＜0.01** C/N 时间×酸雨 12 128 18.68 115.41 ＜0.01** 时间 4 128 63.47 419.87 ＜0.01** 断根样方 酸雨 3 32 30.24 200.03 ＜0.01** 时间×酸雨 12 128 95.69 394.83 ＜0.01** 时间 4 128 3.82 644.00 ＜0.01** 细根生物量 不断根样方 酸雨 3 32 0.51 87.97 ＜0.01** 时间×酸雨 12 128 0.05 7.50 ＜0.01** 1) *表示P＜0.05水平差异显著, * *表示P＜0.01水平差异显著

表 2 土壤呼吸、温湿度、pH、碳氮比和细根生物量的重复测量方差分析1) Table 2 Repeated measures analysis of variance of soil respiration, soil temperature, soil moisture, pH, C/N ratio, and fine root biomass

图 2所示, 在不断根与断根的样方内, 各处理的土壤呼吸速率均呈现单峰变化趋势, 与土壤温度的变化趋势基本一致, 与土壤含水量的变化趋势相差较大.在不断根样方中, CK、T4.0、T3.25和T2.5处理的土壤呼吸速率变化范围分别为：0.95~3.35、0.94~3.36、0.63~3.22和0.58~3.25μmol·(m²·s)^-1, 2016年均值分别为1.89、1.88、1.75和1.74μmol·(m²·s)^-1, 呼吸峰值均出现在7月与8月(图 2).在断根样方中, RCCK、RCT4.0、RCT3.25、RCT2.5处理的土壤呼吸速率变化范围分别为0.62~2.43、0.62~2.48、0.55~2.12和0.32~2.22μmol·(m²·s)^-1, 2016年均值分别为1.37、1.32、1.19和1.08 μmol·(m²·s)^-1, 呼吸峰值均出现在7月与8月(图 2).断根处理样方的异养呼吸速率明显低于不断根样方的土壤总呼吸速率.

图 2

Fig. 2

图中误差线为标准误差(SE), 下同 图 2 不同处理下土壤呼吸动态变化 Fig. 2 Dynamic changes of soil respiration for different treatments

对季度平均土壤呼吸速率做重复测量方差分析表明, 不断根与断根样方的时间(P＜0.01)、不同模拟酸雨处理(P＜0.01)及酸雨与时间的交互作用(P＜0.01)均能显著影响土壤呼吸速率(表 2).不断根样方与断根样方的不同模拟酸雨处理在7月之前差异不显著(P＞0.05), 7~9月部分处理差异显著, 10月之后差异均显著(P＜0.01)并呈现对照＞pH4.0＞pH3.25＞pH2.5, 说明不断根与断根样方的土壤呼吸在试验开始几个月之后不同模拟酸雨处理间出现差异(图 3).

图 3

Fig. 3

图中不同小写字母表示同一时间不同处理间的显著性差异(P＜0.05) 图 3 不同处理下季度平均土壤呼吸 Fig. 3 Quarterly average of soil respiration for different treatments

不断根样方2016年的累积土壤呼吸量按照CK、T4.0、T3.25和T2.5排列, 范围为628.11~707.63 g·m^-2, 各模拟酸雨处理相比对照分别降低3.89%、9.64%和11.24%;断根样方按照RCCK、RCT4.0、RCT3.25和RCT2.5排列, 范围为376.67~506.01 g·m^-2, 各模拟酸雨处理相比对照分别降低6.79%、13.23%和25.56%(图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 2016年累积土壤呼吸量 Fig. 4 Cumulative soil respiration in 2016

如图 5, 回归分析表明, 不断根处理的土壤总呼吸与断根处理的异养呼吸之间存在极显性(P＜0.01)的正相关关系, 各处理R²均在0.8以上.对照、pH 4.0、pH 3.25和pH 2.5处理下异养呼吸与土壤总呼吸的比例分别为72.0%、69.3%、67%和61.6%, 表明随着酸雨酸度的增加, 异养呼吸占比逐渐降低.

图 5

Fig. 5

图 5 土壤总呼吸与异养呼吸关系 Fig. 5 Relationship between total soil respiration and heterotrophic respiration

对于不断根及断根样方, 重复测量方差分析表明, 时间(P＜0.01)及时间与不同模拟酸雨处理的交互作用(P＜0.01)能显著影响土壤pH, 但是土壤pH在不同处理间(P＞0.05)差异不显著(表 2).不断根样方土壤pH平均值为3.97, 最低值和最高值分别为3.72和4.33[图 6(a1)]. 4月与7月土壤pH在不同模拟酸雨强度间差异不显著. 10月之后部分处理间差异显著, 但是没有表现出明显规律[图 6(a)].断根样方土壤pH平均值为3.78, 最高值和最低值分别为3.60~3.94[图 6(a2)].其各个时间点的土壤pH变化与不断根样方类似, 4月与7月各处理间差异不显著, 10月之后部分处理间差异显著[图 6(a)].

图 6

Fig. 6

图中不同小写字母表示同一时间不同处理间的显著性差异(P＜0.05) 图 6 不同处理下土壤pH、碳氮比和细根生物量变化 Fig. 6 Variation in soil pH, C/N ratio, and fine root biomass for different treatments

重复测量方差分析表明, 时间(P＜0.01), 不同模拟酸雨强度(P＜0.01)及其交互作用(P＜0.01)均能显著影响土壤碳氮比(表 2).对于不断根及断根样方, 4月的土壤碳氮比在不同模拟酸雨强度间差异不显著. 7月和10月土壤碳氮比均有部分处理差异不显著. 10月之后土壤碳氮比在不同梯度的酸处理间差异显著并呈现pH 4.0＜pH 3.25＜pH 2.5, 对照组与pH 4.0组差异不显著.不断根样方T3.25和T2.5组相比对照提高了23.16%~47.38%, 断根样方RCT3.25和RCT2.5组相比对照提高了38.47%~55.33% [图 6(b2)].对于不断根样方及断根样方, 碳氮比范围为8.38~19.43, 小于25 :1, 说明土壤环境适合微生物生存, 整体断根样方土壤碳氮比较不断根样方大[图 6(b)].

重复测量方差分析表明, 时间(P＜0.01)、不同模拟酸雨强度(P＜0.01)及其交互作用(P＜0.01)均能显著影响细根生物量(表 2). 4月的细根生物量在不同模拟酸雨强度间差异不显著. 7月pH 3.25处理的细根生物量最高且对照与pH4.0差异不显著. 10月及以后细根生物量在不同处理间差异显著且CK＞T4.0＞T3.25＞T2.5, 相比对照T4.0、T3.25和T2.5分别降低了1.40%~18.67%[图 6(c)].

不断根样方, 季节性变化的土壤呼吸与各个模拟酸沉降处理的土壤温度均呈现极显著的指数相关(P＜0.01, 表 3). 5 cm深度的土壤温度解释了土壤呼吸季节变化的86.9%~93.3%. CK、T4.0、T3.25和T2.5处理的土壤呼吸Q₁₀值(温度敏感性)随酸度降低逐渐增加, 分别为1.84、1.99、2.18和2.39.各个处理的季节性变化土壤呼吸与土壤含水量之间没有显著的二次函数关系(P＞0.05, 表 3).断根样方与不断根类似, 季节性变化的土壤呼吸与土壤温度均呈现极显著指数相关(P＜0.01), 土壤温度解释了76.8%~91.4%的变化, RCCK、RCT4.0、RCT3.25和RCT2.5处理的土壤Q₁₀值分别为1.92、2.14、2.01和2.32, 模拟酸雨处理均要大于对照组(表 3).各处理的季节性变化土壤呼吸与土壤含水量之间有显著的二次函数关系(P＜0.05), 但是R²均在0.2以下(表 3).另外, 不管不断根样方还是断根样方, 土壤温度与土壤含水量的双因素模型比单因素模型具有更高的R²值(表 3).

表 3 (Table 3)

表 3 土壤呼吸与5 cm土壤温湿度关系1) Table 3 Relationship between soil respiration and soil temperature and water at 5 cm 处理 5 cm土壤温度 5 cm土壤含水量 5 cm土壤温度与含水量 拟合方程(y=a×eb×T) Q10 拟合方程(y=cM2+dM+e) 拟合方程(y=f×eg×T×Mh) a b R2 a b c R2 a b c R2 CK 0.73 0.06 0.89** 1.84 254.10 -121.16 15.96 0.11 1.20 0.06 0.36 0.90** 不断根样地 T4.0 0.62 0.07 0.93** 1.99 131.18 -64.22 9.48 0.02 0.54 0.07 -0.11 0.93** T3.25 0.48 0.08 0.87** 2.18 217.92 -109.45 15.16 0.02 0.31 0.08 -0.34 0.87** T2.5 0.42 0.09 0.89** 2.39 317.95 -161.80 21.93 0.05 0.31 0.09 -0.23 0.89** RCCK 0.49 0.07 0.84** 1.92 275.66 -121.70 14.58 0.19* 0.46 0.07 -0.04 0.84** 断根样地 RCT4.0 0.38 0.08 0.91** 2.14 241.32 -108.55 13.28 0.15* 0.39 0.08 0.02 0.91** RCT3.25 0.39 0.07 0.86** 2.01 238.11 -107.52 13.11 0.17* 0.26 0.07 -0.26 0.86** RCT2.5 0.26 0.08 0.77** 2.32 219.35 -99.58 12.14 0.13* 0.29 0.08 0.06 0.77** 1)*表示相关性达到显著水平P < 0.05; **表示相关性达到极显著水平P < 0.01;式中, y表示土壤呼吸速率[μmol·(m2·s)-1], T表示5 cm土壤温度(℃), M表示5 cm土壤湿度, a、b、c、d、e、f、g、h为常数

表 3 土壤呼吸与5 cm土壤温湿度关系1) Table 3 Relationship between soil respiration and soil temperature and water at 5 cm

相关分析结果(表 4)表明, 在不断根样方, 土壤呼吸速率与细根生物量有极显著的正相关关系(P＜0.01);与土壤pH和碳氮比均有显著的负相关关系(P＜0.05).细根生物量与土壤pH和土壤C/N比均有显著的负相关关系(P＜0.05, 表 4).在断根样方, 土壤呼吸速率与土壤pH和碳氮比均有极显著的负相关关系(P＜0.01)(表 4).

表 4 (Table 4)

表 4 土壤呼吸与土壤pH、C/N和细根生物量关系1) Table 4 Relationship between soil respiration and soil pH, C/N ratio, and fine root biomass 变量 不断根样地 断根样地 土壤呼吸 pH C/N 细根生物量 土壤呼吸 pH C/N 土壤呼吸 1 1 pH -0.51* 1 -0.62** 1 C/N -0.45* 0.12 1 -0.61** 0.47* 1 细根生物量 0.64** -0.47* -0.53* 1 1) *表示相关性达到显著水平, P < 0.05; **表示相关性达到极显著水平, P < 0.01

表 4 土壤呼吸与土壤pH、C/N和细根生物量关系1) Table 4 Relationship between soil respiration and soil pH, C/N ratio, and fine root biomass

本研究表明, 在不断根与断根样方, 模拟酸雨使2016年土壤呼吸积累量降低了3.89%~25.56%(图 4), 抑制效果随着pH降低而增强; 试验初期(7月前)各模拟酸雨处理的变化差异不明显, 之后(10月后)模拟酸雨对土壤呼吸逐渐产生抑制(图 3).这与梁国华等^[10]和张旭等^[12]的研究结果一致, 与陈书涛等的研究结果模拟酸雨对土壤呼吸没有明显促进或抑制作用不一致^[11].由于模拟酸雨对与土壤温度和水分无显著影响, 温度只能解释土壤呼吸的季节性变化, 所以温度和水分对模拟酸雨条件下土壤呼吸的差异贡献不大.

土壤呼吸主要由根系的自养呼吸与土壤微生物的异养呼吸组成, 模拟酸雨对土壤呼吸的影响是对这两种呼吸的综合影响的表现.造成土壤呼吸速率与呼吸积累量降低的原因主要是：①首先, 土壤本身对于酸雨的输入具有很强的缓冲作用, 酸性物质会被缓冲物质抵消一部分, 对于土壤微生物和植物根系的影响也被抵消一部分, 对于土壤呼吸的影响表现得不那么明显^{[18, 19]}, 因而4月与7月采集的土样pH差异不显著[图 6(a)和表 2].另外试验初期由于模拟酸雨处理施加的酸液由硫酸与硝酸配置, NO₃^-作为氮源添加促进了根系生长^[20], 酸雨与氮素共同作用导致根系生物量变化规律不明显, 如7月pH 3.25处理的细根生物量最高且对照与pH 4.0差异不显著[图 6(c)], 根系呼吸变化也不明显^[21].这些因素导致了前期酸雨处理对于土壤呼吸的影响较弱. ②随着酸雨的持续添加, 土壤中一些有害元素如活性铝被活化释放, 对植物根系产生了毒害效果, 降低了根系生物量^[22].模拟酸雨处理的细根生物量10月之后显著低于对照组, 不同酸雨强度降低了1.40%~18.67%[图 6(c)].根系呼吸占土壤总呼吸的32%左右, 土壤呼吸随着根系生物量的降低而降低. ③试验后期模拟酸雨对于土壤碳氮循环过程比如氨化硝化作用产生影响, 改变了土壤环境, 使得土壤微生物活性降低, 抑制土壤异养呼吸^{[23, 24]}.一般土壤碳氮比范围在25以内时, 土壤适合微生物对有机质的分解活动^[25].目前研究中重庆缙云山森林土壤不同季节的碳氮比在8.53~25之间^{[26, 27]}, 与之类似, 本研究中土壤碳氮比为8.38~19.43[图 6(b)].但是10月之后模拟酸雨处理的土壤碳氮比显著高于对照组, T3.25与T2.5提高了23.16%~47.38%, RCT3.25与RCT2.5提高了38.47%~55.33%[图 6(b)].碳氮比提高不利于微生物在有机质分解的养分释放, 会使微生物在分解有机质的过程中出现氮受限, 从而抑制微生物呼吸^[28].不断根样方与断根样方中土壤呼吸速率与土壤碳氮比的显著负相关关系也说明了这点(表 4).酸雨添加下土壤碳氮比的增加对于微生物有机质分解能力有负面影响, 影响了微生物呼吸, 抑制了土壤总呼吸.

目前关于酸雨对于土壤呼吸组分影响的研究较少, 特别是对于其中自养与异养部分相互关系的研究很少.陈书涛等^[12]于2015年的研究发现, 模拟酸雨增加了异养呼吸在土壤总呼吸的比例, 由此表明模拟酸雨减少了自养呼吸占比.本研究结果与其不同, 酸雨强度增加减少了异养呼吸占比, 减少程度随着模拟酸雨pH降低增强(图 5).作为土壤呼吸的组成部分, 根系的自养呼吸与土壤微生物的异养呼吸发生机制不一样(由于动物呼吸占比很少, 在本研究被忽略), 对于酸雨的反馈方式也有差异^[13].酸雨的输入会影响根系生长, 从而影响了根系呼吸^[22].而随着酸雨的添加土壤性质发生改变, 养分环境的变化会影响微生物群落与数量, 微生物对于土壤微环境需要重新适应^[29].本研究中模拟酸雨处理减少了异养呼吸占比, 即酸雨强度增加对于异养呼吸的抑制更加强烈, 说明相比根系土壤微生物对于土壤环境改变的响应更为强烈.

土壤温度是影响土壤呼吸季节性变化的最主要原因, 根系和微生物的活性以及底物的分解都对土壤温度有依赖性.本研究中土壤呼吸及异养呼吸的温度敏感系数在1.84~2.39之间变异(表 3), 在Peng等^[30]的研究中国针阔混交林的土壤呼吸温度敏感系数范围(1.82~3.74)内.而且研究中土壤呼吸和异养呼吸的Q₁₀值均随酸度降低逐渐增加, 增幅为8.37%~29.73%(表 3), 这个结果与张勇等^[31]的研究一致.模拟酸雨增加土壤呼吸的温度敏感性系数, 可能是根系呼吸和微生物呼吸的温度敏感性同时增加, 或者微生物呼吸的温度敏感性增幅大于根系呼吸的降幅.本研究推断极有可能是酸雨影响了呼吸底物的质量, 增加了微生物呼吸的温度敏感性, 从而改变了土壤呼吸敏感性^[32].土壤呼吸过程中分解呼吸底物, 较复杂的底物一般较难分解, 需要的能量也随之增加, 具有的活化能增高, 表现为温度敏感性升高.本研究中模拟酸雨处理增加了土壤的碳氮比[图 6(b)], 导致供应给微生物的底物不易分解, 具有的活化能升高, 表现为温度敏感性升高.另外, 模拟酸雨可能影响根系的温度敏感性, 虽然与对照相比, 模拟酸雨降低了1.40%~18.67%的根系生物量[图 6(c)], 但是根系生物量与根系呼吸温度敏感性的关系尚不清楚.区分模拟酸雨下土壤微生物与根系呼吸的温度敏感性, 是下一步的研究重点.

本研究中土壤湿度与土壤呼吸的相关性较弱, 水热双因子模型相对单因素模型虽然提升了R²值, 但是提升效果微弱(表 3).这一方面是由于土壤湿度的季节变异性小, 观测期间未有极端值出现; 另一方面土壤温度能够解释大部分土壤呼吸的季节性变异, 土壤湿度作用较小.

有研究表明, 酸雨会显著降低土壤pH值, 加速土壤酸化^[12], 抑制根系生长, 影响根系呼吸^[22], 另外土壤有机碳与土壤碳氮比均会随着模拟酸雨的酸度增强而变大^[33], 而土壤pH值、有机碳和碳氮比等土壤理化性质会影响土壤呼吸^[34].本研究中, 在不断根与断根样方, 土壤呼吸速率与细根生物量有显著的正相关关系, 与土壤pH和碳氮比有显著的负相关关系(表 4).由于研究区模拟酸雨下土壤酸化影响了根系生长以及有机质分解, 改变了碳氮循环过程如氨化硝化作用等, 使碳氮比等土壤性质发生变化, 影响了微生物的功能、活性以及对于底物的应用, 从而影响土壤呼吸^[23].

(1) 模拟酸雨对土壤总呼吸与异养呼吸产生了抑制作用, 这种抑制在试验初期2016年7月前不显著, 之后酸雨效应累积, 2016年10月后对土壤呼吸产生显著抑制.

(2) 酸雨对于异养呼吸的抑制超过了自养呼吸, 并随着酸雨酸度增加对异养呼吸产生更强的抑制.

(3) 模拟酸雨虽然增加了土壤呼吸的温度敏感性, 但是对土壤温度与湿度无显著影响.土壤温度与水分对模拟酸雨下土壤呼吸的差异贡献不大.

(4) 模拟酸雨显著增加了土壤碳氮比、降低了细根生物量.土壤呼吸与细根生物量有显著正相关关系, 与土壤碳氮比有显著负相关关系.因此细根生物量与碳氮比是酸雨处理下土壤呼吸差异的主要影响因素.