喀斯特系統(tǒng)土壤厚度下土壤DOC淋失對氮沉降的響應(yīng)

黃梅 周運超 白云星

摘 要：為研究喀斯特系統(tǒng)土壤DOC淋失在不同土壤厚度下對氮沉降的響應(yīng)過程。以喀斯特石灰土為供試體，采用土柱淋溶法，試驗設(shè)計3種不同土壤厚度（10、25、50 cm）的淋溶管，淋溶管為 PVC 材質(zhì)，直徑 20 cm，選擇3種不同氮沉降LN（191.08 g/m2）、MN（254.78 g/m2）、HN（318.47 g/m2），土表施予多年生黑麥草為研究對象。結(jié)果表明：氮沉降對土壤DOC淋失有一定的促進作用;土壤厚度對土壤DOC淋失有顯著影響，土壤厚度越淺，氮沉降越大，DOC淋失越大，反之則越小。該研究可為解決喀斯特系統(tǒng)土壤碳循環(huán)問題與土壤質(zhì)量評價提供一定參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氮沉降;土壤厚度;喀斯特;土壤DOC;淋失

中圖分類號：S152;Q948 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2019）05-0043-07

Abstract：In order to study how the response of soil DOC leaching to nitrogen deposition under different soil thickness in karst system， using karst lime soil as the test sample， three different soil thickness （10 cm， 25 cm， 50 cm） leaching tubes were designed by soil column leaching method. The leaching tube was made of PVC material with a diameter of 20cm. Three different nitrogen depositions， LN （191.08 g/m2）， MN （254.78 g/m2）， and HN （318.47 g/m2） were selected， and perennial ryegrass was applied to the soil surface. The results showed that nitrogen deposition had a certain effect on soil DOC leaching. Soil thickness had a significant effect on soil DOC leaching. The shallower the soil thickness， the larger the nitrogen deposition， the larger the DOC leaching loss， and vice versa. This study can provide some reference and basis for solving the soil carbon cycle problem and soil quality evaluation of karst system.

Keywords：Nitrogen deposition; soil thickness; karst; soil DOC; leaching

0 引言

隨著社會發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)進程的加快，施肥和化學(xué)染料燃燒等人類活動導(dǎo)致在全球范圍內(nèi)大氣氮沉降的現(xiàn)象日益增加。目前，人為氮沉降的污染主要集中在北美、歐美及亞洲部分地區(qū)[1]，我國已經(jīng)成為僅次于歐洲和美國的第三大氮沉降區(qū)域[2]，且存在氮沉降持續(xù)升高的巨大風(fēng)險[3]，對生態(tài)系統(tǒng)平衡產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。氮素的輸入是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的四大機制之一[4]，而土壤作為氮沉降的受體，外氮源的輸入會使土壤有機碳礦化[5]，直接或間接影響土壤碳的輸入輸出[6]，并對土壤碳循環(huán)的動態(tài)發(fā)展不利[7-8]。

土壤溶解性有機碳（DOC）有一定溶解性，且在土壤中移動較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解和易礦化[9]，是土壤有機碳的組成部分之一。作為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的基本組成部分，DOC淋失是土壤有機碳損失的重要途徑[9]，DOC淋失變化對土壤碳循環(huán)有著重要的影響。碳、氮作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的兩大生源要素[10]，已有部分學(xué)者研究了氮沉降與土壤DOC的關(guān)系，Deforest等[11]，Gundersen等[12]，許凱等[13]，魏春蘭等[14]都研究了氮沉降對森林土壤中DOC的變化，也有部分學(xué)者研究了不同的施肥方式[15]和生物炭添加[16]和地表徑流[17]等與土壤DOC淋失量的影響關(guān)系，但鮮見氮沉降對土壤DOC淋失量的影響。因石漠化問題的加劇，使得喀斯特生態(tài)系統(tǒng)極為敏感和脆弱[18]，喀斯特地區(qū)地形破碎、土壤分布不均勻、土層淺薄、土地利用類型復(fù)雜多樣[18]，且水熱狀況、植被的立地條件以及土壤的發(fā)育程度等都與非喀斯特地區(qū)不同[19]。喀斯特石漠化特點使得氮沉降變化下，研究土壤碳循環(huán)與土壤質(zhì)量評價等問題帶來了的巨大挑戰(zhàn)。故從喀斯特系統(tǒng)背景出發(fā)，研究喀斯特土壤厚度下土壤DOC淋失對氮沉降的響應(yīng)，對喀斯特土壤碳庫儲量的估算與土壤質(zhì)量評價具有重要意義。為此本文以喀斯特石灰土為供試體，采用土柱淋溶法，試圖明晰喀斯特系統(tǒng)土壤DOC淋失在不同土壤厚度下如何響應(yīng)氮沉降的變化，以期為喀斯特系統(tǒng)土壤碳循環(huán)問題與土壤質(zhì)量評價提供一定參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地概況

試驗地點設(shè)在貴州省貴陽市貴州大學(xué)南校區(qū)林學(xué)院苗圃（E106°27′-106°52′，N26°11′-26°34′），其位于貴州高原中部、貴陽市南郊。該區(qū)海拔1 100 m，屬中國亞特帶濕潤溫和型氣候類型，年平均降水量1 178.3 mm，最高的1977 年為1 539.2 mm，最低的1962年為891.6 mm;年日照時數(shù)在1 125～1 140 h之間，年日平均氣溫為15.3 ℃，最熱月（7月）和最冷月（1月）的平均氣溫分別為23.7、4.6 ℃。該區(qū)供試的土壤類型為喀斯特發(fā)育形成的石灰土，土壤養(yǎng)分含量見表1。

1.1.2 淋溶試驗裝置

采用模擬野外巖溶土壤系統(tǒng)的土柱淋溶法，土柱裝置為PVC材質(zhì)的淋溶管，高分別為10、25、50 cm，內(nèi)徑20 cm，在圓柱管下端鋪上2 cm厚的用去離子水洗凈的干燥石英砂（起過濾水樣作用）并在底部管口處鋪上尼龍網(wǎng)，將圓柱底部封緊。按容重為1.2 g/cm3混合均勻的石灰土分別裝入10、25、50 cm的淋溶管內(nèi)，將各土柱分別裝入10、25、50 cm土層，安裝土柱時，將土柱壁邊緣的土壤壓實，確保無貼壁水流入滲，盡量減少邊緣效應(yīng)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

于2016年5月，在貴州大學(xué)南校區(qū)苗圃選擇9塊5 m×5 m立地條件及長勢基本一致的試驗地，土柱安裝好之后，將之前稱好的重量為5 g的多年生黑麥草種子均勻撒在距離土壤表面只有2～3 cm的土壤上，表面再用2～3 cm的土壤覆蓋。依據(jù)隨機區(qū)組試驗設(shè)計原理進行樣地設(shè)置，本試驗共分3個處理水平，氮沉降處理水平的設(shè)置主要基于目前自然氮沉降水平及其至本世紀(jì)末的可能變化，參考國內(nèi)已有施氮試驗[20-21]。按氮沉降量由低到高分別標(biāo)記為低氮（LN，191.08 g/m2）、中氮（MN，254.78 g/m2）、高氮（HN，318.47 g/m2），每個處理重復(fù)3次，施用氮肥均為尿素（含N 460 g/kg），共計 27 個處理，具體施用方法是： 將需要施入的氮量換算成每個小區(qū)所需的尿素量，將尿素充分溶于 20 L 水中，在模擬自然降雨前，以噴壺在草地人工來回噴灑。

1.2.2 淋溶試驗

裝填好土柱之后，通過模擬自然降雨淋溶，從2016年5月13日開始，每半個月模擬淋洗一次降雨，每次500 ml，共淋洗12次，累計淋溶量為6L，淋洗液的總量相當(dāng)于1 178 mm的降雨量，與當(dāng)?shù)氐钠骄涤炅恳恢?。淋溶液的pH調(diào)至6.0，與當(dāng)?shù)赜晁膒H大致相同。淋洗開始后，用500 ml的燒杯收集淋濾液，直到淋濾液滴完為止，將收集到的淋濾液用真空抽濾泵過 0.45 μm玻璃纖維濾膜后，保存在 4 ℃條件下，待測土壤淋濾液DOC（保存 1～2 d）。

在10、25、50 cm土層采集土壤樣品，2016年5月初開始采集土樣，采集頻率為每個月 1 次，每次樣品采集后， 將相同區(qū)組的同一土壤厚度下土壤樣品混合，每個處理 3個重復(fù)，土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，挑去肉眼可見的細(xì)根和石塊，過 2 mm篩研磨保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測定方法

土壤樣品中有機碳含量利用重鉻酸鉀-外加熱法分析;淋濾液樣品先加入磷酸前處理去除無機碳對DOC測量結(jié)果的干擾[22]，淋濾液DOC采用Elementar High TOCⅡ型總有機碳/氮分析儀分析。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 統(tǒng)計分析軟件和 Excel 軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤厚度對土壤有機碳與DOC淋失的影響

通過模擬自然降雨，氮沉降影響下3種土壤厚度的土壤有機碳變化情況（表1），研究表明3種氮沉降處理土壤有機碳的含量隨著氮沉降量的增加而增加，LN、MN和HN處理的土壤有機碳含量大小順序表現(xiàn)為LN10～25 cm>25～50 cm，以0～10 cm土壤厚度的土壤有機碳含量最大。不同氮沉降處理土壤有機碳含量之間差異極顯著（P<0.01）。

土壤DOC是土壤中碳元素的一種重要存在形式，經(jīng)過分析不同土壤厚度處理土壤有機碳含量與DOC淋失量變化之間的關(guān)系，根據(jù)圖1可以看出，兩者之間的變化表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。經(jīng)線性回歸擬合得到，0～10 cm土層厚度下為：y=16.998x-31.185（R2=0.732 2）;10～25 cm土層厚度下為：y=13.077x-35.199（R2=0.753 6）;25～50 cm土層厚度下為：y=6.976 9x-6.532 3（R2=0.707 7）。根據(jù)表1，土壤有機碳含量變化是：0～10 cm>10～2 5 cm>25～50 cm，同時，經(jīng)擬合方程可知，土壤DOC淋失變化也是：0～10 cm>10～25 cm>25～50 cm。這表明，土壤有機碳含量的變化在一定程度上制約著土壤DOC 淋失的變化。同時，比較土壤有機碳含量與土壤DOC淋失量的土層厚度變異可知，不同氮沉降處理土壤DOC淋失幅度隨土層厚度的變異均遠大于土壤有機碳，與土壤有機碳的變化相比，土壤DOC淋失量的變化更為敏感和迅速。

2.2 十二次降雨土壤DOC淋失過程

土柱淋溶系統(tǒng)中淋濾液DOC的遷移狀況響應(yīng)于降雨次數(shù)的動態(tài)。根據(jù)圖2可知，十二次降雨的動態(tài)變化，在10 cm土層HN、MN、LN處理土壤DOC的淋失量隨降雨次數(shù)增多，逐漸減少，但累計淋失量逐漸增大。25 cm土層土壤DOC淋失量隨降雨次數(shù)增多而減小，后再第7次時出現(xiàn)峰值，然后又減小，但累計淋失量逐漸增大（圖3）。50 cm土層土壤DO淋失量隨降雨次數(shù)增多緩慢減小，也在第7次時出現(xiàn)峰值，隨后逐漸趨于平緩，累計淋失量逐漸增大。3種土壤厚度淋濾液DOC的淋出量高低順序為：10 cm>25 cm>50 cm，說明土壤厚度增加土壤DOC淋失量減少。

2.3 不同土壤厚度下氮沉降對土壤DOC淋失影響

人工模擬氮沉降對淋濾液DOC的淋失量影響（圖3），由圖3可知，在10 cm土層時不同氮沉降處理土壤DOC淋失量順序：HN>MN>LN，其中以HN氮沉降淋濾液DOC的淋失量最大為204.85 mg，HN、MN、LN處理之間差異不顯著;在25 cm土層時不同氮沉降處理土壤DOC淋失量順序：HN>MN>LN，其中以HN氮沉降淋濾液DOC的淋失量最大為175.35 mg，HN氮沉降淋濾液DOC的淋失量最小為76.71 mg，HN與LN處理之間差異極顯著，MN與HN、LN差異顯著;在50 cm土層時不同氮沉降處理土壤DOC淋失量順序：HN>MN>LN，其中以HN氮沉降淋濾液DOC的淋失量最大為153.02 mg，HN與MN、LN處理之間差異顯著，LN與MN差異不顯著。由此可以看出不同土壤厚度下，土壤DOC淋失響應(yīng)氮沉降處理變化不同。表明增施氮肥給土壤提供了豐富的有機物，提高了土壤DOC的含量，通過模擬降雨試驗，土壤DOC逐漸由土體向水體遷移，淋濾液DOC的淋出量增多。

3 討論

3.1 土壤DOC淋失對氮沉降的響應(yīng)

土壤溶解有機碳（DOC）主要來源于林木下的枯落物、腐殖質(zhì)分解、微生物生物量和根系分泌物等[23-24]。氮沉降進入土壤系統(tǒng)會使其發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致DOC遷移淋溶。本文研究得出，不同氮沉降處理下，土壤DOC淋失量順序：HN>MN>LN，HN更容易促進DOC淋失，各處理之間差異不顯著。Findlay 等[25]曾報道，氮沉降可能導(dǎo)致土壤可溶性有機碳大量流失;以及Pregitzer[26]等，在美國北部闊葉林開展的一項連續(xù) 8 a的模擬氮沉降結(jié)果表明，氮輸入對土壤DOC的生產(chǎn)和淋溶有明顯的促進作用，研究結(jié)果與本文一致。原因可能是由于外加氮素滿足了微生物對氮素的需求[27]，此外，氮沉降增加也會使土壤中可溶性酚類物質(zhì)逐漸積累[11]，從而增加土壤中DOC的含量，通過模擬降雨試驗，土壤DOC逐漸由土體向水體遷移，淋濾液DOC的淋出量增加。土壤活性有機碳占土壤有機碳總量的比例雖小，但它可以靈敏地反映土壤微小變化，可作為土壤有機碳有效性和土壤質(zhì)量的早期指標(biāo)[29-30]。因為土壤DOC是土壤有機碳的組成部分之一[31]，故兩者之間關(guān)系敏感。由圖4可以看出，土壤有機碳和DOC之間的變化表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），兩者相比較來說，DOC淋失幅度隨土層厚度的變異均遠大于土壤有機碳，與土壤有機碳的變化相比，土壤DOC淋失量的變化更為敏感和迅速。原因可能是土壤DOC具有穩(wěn)定性差、易氧化、易礦化、在土壤中移動快、容易受植物和微生物影響和活性高等特點[9，29]。

3.2 土壤厚度對DOC淋失的影響

由于特殊的氣候條件和長期的巖溶作用，使得喀斯特地區(qū)成土速度緩慢，土層極薄，巖石裸露率高，土地存在嚴(yán)重的不連續(xù)性和非均質(zhì)性[32-33]。 土壤厚度是巖溶石漠化地區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展的主要限制因子，表征土壤的空間大小[34]，土壤厚度是土壤的一個重要基本特性，能直接反映土壤的發(fā)育程度，是野外鑒別土壤肥力的重要指標(biāo)，也是喀斯特地貌土地生產(chǎn)力的決定因子之一[11]。研究表明，土壤厚度對DOC淋失量有極顯著的影響，DOC淋失量隨土壤厚度增加而減少，且不同土壤厚度之間差異顯著（P<0.05）（圖4）。3種土壤厚度的土壤淋濾液DOC的淋失量高低順序為：10 cm>25 cm>50 cm。因此土壤層次越薄，土壤DOC的淋失量就越大，表明土壤厚度對土壤DOC的淋失量有直接的影響。由于喀斯特地區(qū)土層厚度深淺不一[35]，對于土層厚的土壤，LN處理作用到深層土壤的能力小，HN處理作用到深層土壤能力強，故HN促進土壤DOC淋失?？λ固氐厣稀叵露Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤異質(zhì)性較高，因此，不同土壤厚度DOC淋失對同一氮沉降處理的響應(yīng)也有所不同。

4 結(jié)論

3種土壤厚度淋濾液DOC的淋出量高低順序為：10 cm>25 cm>50 cm，說明土壤厚度增加土壤DOC淋失量減少。在10 cm土層時不同氮沉降處理土壤DOC淋失量順序：HN>MN>LN，HN、MN、LN處理之間差異不顯著;在25 cm土層時不同氮沉降處理土壤DOC淋失量順序：HN>MN>LN，HN與LN處理之間差異極顯著，MN與HN、LN差異顯著;在50 cm土層時不同氮沉降處理土壤DOC淋失量順序：HN>MN>LN，HN與MN、LN處理之間差異顯著，LN與MN差異不顯著。由此可以看出氮沉降對土壤DOC 淋失有促進作用，喀斯特系統(tǒng)不同土壤厚度下，土壤DOC淋失響應(yīng)氮沉降處理變化不同。

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