氮添加對(duì)馬尾松和木荷幼苗根系土壤揮發(fā)性有機(jī)化合物的影響

黃幸然，謝承劼，潘若琪，徐 亞，鄭麗麗，易志剛

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002； 2.福建農(nóng)林大學(xué)土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002； 3.福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建 福州 350002)

土壤揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)是一類具有親脂性、高蒸氣壓、低沸點(diǎn)和低分子量的微生物初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物[1-2]，以烷烴、烯烴、醇類和醛酮類化合物為主[3-4]。土壤VOCs不僅在土壤生物和非生物過程發(fā)揮重要生態(tài)功效[5-6]，而且由于其具有較強(qiáng)的活性,會(huì)影響大氣環(huán)境和全球氣候變化。例如，VOCs在光照和氮氧化物等條件下經(jīng)過一系列復(fù)雜過程生成臭氧[7]，同時(shí)伴隨著氫氧自由基的減少，增加甲烷的半衰期[8]。此外，VOCs還與二次有機(jī)氣溶膠和云凝結(jié)核的形成密切相關(guān)[9-10]。但目前大多數(shù)研究集中在植物和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)VOCs的釋放[11]，而關(guān)于土壤VOCs的研究相對(duì)較少并且結(jié)果存在爭(zhēng)議[4,12]。

土壤微生物是土壤VOCs主要來源之一[7,13-14]。SCHADEetal[15]研究發(fā)現(xiàn)德國北部某農(nóng)田地表會(huì)釋放甲醇和丙酮，且人工松林地表甲醇、丙酮和乙醛的釋放與該林冠層排放通量相當(dāng)[16]，這是由于微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)釋放大量VOCs[12]。研究結(jié)果表明，土壤細(xì)菌主要以產(chǎn)生烯烴、醇類、酮類和萜烯類化合物為主，土壤真菌更多的是釋放醇類、苯類、醛類、酮類和砷類化合物[4]。此外，植物根系能夠合成和分泌氨基酸、有機(jī)酸、糖類、酚類和醛類等有機(jī)物[5,17]。土壤不僅可以作為VOCs的“源”，也能夠作為VOCs的“匯”。土壤顆粒物能夠吸附地表和凋落葉產(chǎn)生的VOCs[12]，植物根系組織也會(huì)吸收、累積或降解土壤中的VOCs[4,13]。例如，OWENetal[6]發(fā)現(xiàn)土壤微生物既可以合成單萜烯，也可以利用單萜烯作為碳源。土壤VOCs的“源”與“匯”是一個(gè)緊密相連且復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，受多種因素的影響。氮沉降作為全球氣候變化的重要環(huán)境因子，勢(shì)必會(huì)通過影響土壤微生物和植物根系來改變土壤VOCs通量。

中國已成為繼歐洲和北美地區(qū)之外的全球第三大氮沉降集中區(qū)，并且預(yù)計(jì)將會(huì)持續(xù)增加[18]。一方面，氮沉降增加會(huì)改變植物代謝過程和引起植物營養(yǎng)失衡，影響植物光合作用和根系活動(dòng)[19-20]。另一方面，氮沉降也會(huì)加快土壤酸化[21-22]，直接或間接改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[23]，最終影響土壤VOCs吸收與釋放[5,13]，同時(shí)土壤VOCs釋放的種類也會(huì)隨著地上植被不同而有所差異[24]。然而，關(guān)于氮沉降對(duì)土壤VOCs影響的研究尚不明確。此外，目前大多數(shù)模擬氮沉降的方式都采用直接向土壤施氮[21]，而忽略植物本身具有截留氮的能力[19]，導(dǎo)致模擬氮沉降得到的結(jié)果與實(shí)際氮沉降對(duì)土壤VOCs的影響存在一定的偏差。因此，在氮沉降增加背景下，研究不同施氮方式和氮水平對(duì)亞熱帶優(yōu)勢(shì)樹種馬尾松(PinusmassonianaLamb.)和木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)土壤VOCs釋放的影響，能夠?yàn)檎_評(píng)價(jià)土壤VOCs對(duì)大氣氮沉降增加的響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為建立土壤VOCs模型提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究方法

2012年3月，選取1年生的馬尾松和木荷兩種南亞熱帶樹種為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)前將幼苗移栽至花盆(高30 cm、 直徑40 cm)，添加等量預(yù)處理土壤(華南植物園游覽區(qū)季風(fēng)林表層土壤)，土壤理化性質(zhì)見劉雙娥等[25]，并置于溫室中培養(yǎng)。待2個(gè)月緩苗后，進(jìn)行添加氮處理。根據(jù)廣州降雨格局(年降水量為1 600～1 900 mm)和大氣氮沉降量(5.6 g·m-2·a-1)[26]，設(shè)置自然氮沉降(control，5.6 g·m-2·a-1)、 中氮(medium-N，15.6 g·m-2·a-1)和高氮(high-N，20.6 g·m-2·a-1)3個(gè)氮處理，每周施加硝酸銨溶液來模擬氮沉降。同時(shí)，設(shè)置兩種施氮方式：將配好的氮溶液用花灑均勻噴灑在土壤表層(土壤施氮，soil application of N，SAN)或者幼苗頂端(葉面施氮，foliage application of N，F(xiàn)AN)。每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)，共72盆植物。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見劉雙娥等[25]和HUANGetal[21]。

1.2 樣品采集

氮處理一年半后，于2013年10月采集土壤VOC樣品，具體操作如下：采樣前移除盆栽凋落物，在幼苗周圍(10 cm)用土鉆取0～15 cm的土壤樣品，兩盆相同處理植物土壤混合成一個(gè)土樣。取其中100 g左右土壤避光密封在Tedlar氣袋中，充入4 L經(jīng)過吸附柱(硅膠-活性炭-碘化鉀)去除大部分VOCs的零空氣，分別采集密封后0和30 min的Tedlar袋中的氣體(約300 mL)于Teflon采樣袋中，并于第一次(0 min)采樣后補(bǔ)充等體積的零空氣。同時(shí)測(cè)量采樣時(shí)的溫度，采集結(jié)束后采樣袋避光保存并盡快分析，土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)量土壤理化性質(zhì)。

1.3 樣品分析

使用質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(proton transfer reaction-time of flight-mass spectrometry, PTR-TOF-MS)分析土壤VOCs組成及含量。主要參數(shù)如下：漂移管工作電壓600 V；漂移管內(nèi)壓力220 Pa；進(jìn)樣流量150～200 mL·min-1。測(cè)量前后都進(jìn)行氣體校正，絕大部分VOCs的校準(zhǔn)曲線R2>0.99。此外，挑選部分樣品進(jìn)行預(yù)濃縮-GCMS測(cè)定，對(duì)PTR-TOF-MS的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步校正，保證結(jié)果可靠性。本實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算VOCs濃度的主要化合物反應(yīng)速率常數(shù)k值詳見表1。土壤理化性質(zhì)分析參照國標(biāo)方法。

表 1 主要化合物反應(yīng)速率常數(shù)kTable 1 Ion-molecule reaction rate constants (k) for proton transfer reactions between H3O+ and VOCs

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

單位干重土壤VOCs的通量E(pmol·g-1·h-1)：

(1)

式中: △C表示0和30 min時(shí)VOC的濃度差(nL·L-1)；V表示Tedlar體積(L)；Vn表示測(cè)量溫度下的氣體摩爾體積(L·mol-1)；W表示測(cè)量時(shí)的土壤干重(g)。

總VOCs(total VOCs)的通量為各類型土壤VOCs[非甲烷碳?xì)浠衔?NMHCs)、 含氧VOCs(OVOCs)、 含氮VOCs(NVOCs)、 含硫VOCs(SVOCs)、 芳香類VOCs(AVOCs)和鹵代VOCs(HVOCs)]通量的加和。

使用SPSS 20.0進(jìn)行多因素方差(ANOVA)、Duncan多重檢驗(yàn)法檢驗(yàn)和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法，檢驗(yàn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤VOC通量在不同氮水平或施氮方式間的差異顯著性(P<0.05)，對(duì)VOCs通量及其理化性質(zhì)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,使用SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

在各氮水平和施氮方式處理下，使用PTR-TOF-MS共檢測(cè)到100種VOCs，其中28種OVOCs，23種NMHCs，11種NVOCs，9種SVOCs，10種AVOCs和19種HVOCs。馬尾松和木荷幼苗根系土壤總VOCs的釋放量為19.50～70.94 pmol·g-1·h-1(圖1)。OVOCs和NVOCs是馬尾松和木荷幼苗根系土壤釋放的主要化合物類型，分別占總VOCs的22.04%～47.71%和3.31%～38.68%(圖2)。其中，OVOCs以乙醛、甲醇和乙烯酮為主，NVOCs以甲酰胺和丙胺為主。此外，單萜烯、二甲基二硫和苯酚分別為馬尾松和木荷幼苗根系土壤NMHCs、SVOCs和AVOCs的主要化合物(圖3)。

注： 不同小寫字母表示同一處理氮水平間差異顯著(P<0.05)。Note： different letters for a given variable indicate a significant difference (P<0.05) across different N levels.

總體而言，除葉面施氮高氮處理會(huì)顯著促進(jìn)馬尾松幼苗根系土壤總VOCs的釋放外，氮添加在兩種施氮方式下對(duì)馬尾松和木荷幼苗根系土壤總VOCs(OVOCs、 NMHCs、 SVOCs、 AVOCs和HVOCs)的釋放無顯著影響，但卻促進(jìn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的釋放(P<0.05，表2，圖1和圖2)。馬尾松和木荷幼苗根系土壤AVOCs、木荷幼苗根系土壤NMHCs在土壤施氮和葉面施氮處理下具有顯著差異。氮水平和施氮方式交互影響馬尾松幼苗根系土壤NVOCs的釋放。此外，馬尾松和木荷樹種之間在各處理下，根系土壤VOCs差異不顯著(圖2，表2)。

圖 2 不同氮處理下馬尾松和木荷幼苗根系土壤不同種類VOCs的百分比Figure 2 Contribution of different VOC species emitted from P. massoniana and S. superba seeding root zone soils under different N treatments

不同化合物對(duì)氮水平、施氮方式和樹種間的響應(yīng)不一致(表2，圖3)。在土壤施氮處理下，與對(duì)照氮水平相比，添加氮顯著促進(jìn)木荷幼苗根系土壤甲醇、甲酰胺和丙胺、馬尾松幼苗根系土壤乙烯酮的釋放，降低(P<0.05)木荷幼苗根系土壤乙醛和乙烯酮、馬尾松幼苗根系土壤單萜烯的排放，但對(duì)馬尾松和木荷幼苗根系土壤苯酚和二甲基二硫的通量無顯著影響。而在葉面施氮下，添加氮促進(jìn)(P<0.05)馬尾松幼苗根系土壤乙醛、乙烯酮和單萜烯、馬尾松和木荷幼苗根系土壤甲酰胺和丙胺的釋放，同時(shí)顯著降低木荷幼苗根系土壤苯酚釋放，對(duì)馬尾松和木荷幼苗根系土壤甲醇和二甲基二硫的通量無顯著影響。

表 2 氮水平、 施氮方式和樹種對(duì)馬尾松和木荷幼苗根系土壤各類VOCs通量的影響Table 2 Results of ANOVA for the effects of N levels, N application methods and tree species on VOC species fluxes of P. massoniana and S. superba seeding root zone soils

注：**，*分別表示相關(guān)性在0.01和0.05水平顯著性(P<0.01，P<0.05)。Note：**,*showed significant correlation at level of 0.01 and 0.05 (P< 0.01,P< 0.05).

注： 不同小寫字母表示同一處理下不同氮水平間差異顯著(P<0.05)。Note： different letters for a given variable indicate a significant difference (P<0.05) across different N levels.圖 3 不同氮處理對(duì)馬尾松和木荷幼苗根系土壤主要VOCs的影響Figure 3 Effects of N levels and N application methods on dominant VOC fluxes of P. massoniana and S. superba seedling root zone soils

3 討論

3.1 土壤VOCs種類及源匯

本研究所采集的馬尾松和木荷幼苗根系土壤樣品，共檢測(cè)出100種不同化合物，包括含氧VOCs(OVOCs)、 非甲烷碳?xì)?NMHCs)、 含氮VOCs(NVOCs)、 含硫VOCs(SVOCs)、 芳香類VOCs(AVOCs)和含鹵VOCs(HVOC)，其中以O(shè)VOCs和NVOCs為主，占總VOCs的38.45%～70.91%(圖1和2)。乙醛、甲醇、乙烯酮、單萜烯、甲酰胺、丙胺、苯酚和二甲基二硫是馬尾松和木荷幼苗根系土壤最主要的VOCs(圖3)。研究表明，土壤揮發(fā)性有機(jī)化合物種類繁多，以烷烴、烯烴、醛、酮、醚和有機(jī)酸等為主[3-4]。與本研究結(jié)果類似，GREENBERGetal[27]、SCHADWetal[16]發(fā)現(xiàn)，甲醇、乙醛、丙酮和乙酸是黃松種植地土壤最主要的揮發(fā)物。MANCUSOetal[28]研究結(jié)果表明3種不同類型土壤都會(huì)釋放甲醇、乙醇、異戊二烯、環(huán)戊烷、苯甲醚、檀烯、乙酸異戊酯和單萜烯。KRAMSH?Jetal[29]也發(fā)現(xiàn)永凍土解凍后釋放大量的甲醇和乙醇。不同土壤釋放的VOCs種類不一樣，可能是由于土壤植被種類和理化性質(zhì)的不同，造成植物根系和土壤微生物活動(dòng)出現(xiàn)差異。因此，在估算區(qū)域土壤VOCs貢獻(xiàn)時(shí)應(yīng)該考慮植被與土壤類型差異帶來的影響。本研究中，馬尾松和木荷盆栽根系土壤作為大多數(shù)VOCs的“源”(圖1和3)，這可能是由于土壤真菌和細(xì)菌分解土壤有機(jī)質(zhì)、植物根系分泌和合成代謝產(chǎn)物等過程會(huì)產(chǎn)生大量VOCs[5,8,12]。其次，本研究中土壤不是原位土壤，而是混勻土，破壞了土壤原有的物理結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致土壤體積膨脹、孔隙和水力學(xué)性質(zhì)等發(fā)生改變[30]，從而促進(jìn)了土壤VOCs的釋放。但是，土壤也是部分VOCs(如苯酚和二甲基二硫等)的“匯”(圖3)，這可能是由于微生物利用VOCs作為碳源，導(dǎo)致土壤吸收和降解VOCs[17]。GANetal[31]發(fā)現(xiàn)蕓苔屬植物釋放的溴甲烷20%～35%會(huì)被土壤所吸收。土壤中的丁烷氧化菌會(huì)降解污染丁烷[32]，苯酚降解菌則會(huì)促進(jìn)土壤對(duì)苯酚消耗[33]。此外，YOOetal[34]則發(fā)現(xiàn)Pseudomonassp.會(huì)利用土壤中某些VOCs(如α-蒎烯)，同時(shí)VOCs也會(huì)刺激土壤中微生物種群，促進(jìn)其他VOCs的釋放。因此，土壤的源與匯是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，不同類型土壤和微生物都會(huì)使VOCs“源”與“匯”發(fā)生差異。

3.2 添加氮對(duì)土壤VOCs的影響

目前，關(guān)于氮沉降對(duì)土壤VOCs的研究相對(duì)匱乏。本研究中，兩種氮增加方式均顯著地促進(jìn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的釋放(表2、 圖2)。這可能是由于土壤VOCs的釋放與土壤基質(zhì)密切相關(guān)，土壤營養(yǎng)組分的微小變化(添加KNO3或者(NH4)2SO4)都可能影響VOCs的種類和數(shù)量[35]。添加氮會(huì)提高土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量[21]，直接或者間接地改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[23]，進(jìn)而影響土壤揮發(fā)物的通量[2,13]。SEEWALDetal[36]使用PTR-MS檢測(cè)基質(zhì)誘導(dǎo)堆肥后土壤VOCs的釋放情況也發(fā)現(xiàn)，氮肥能夠通過改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)來促進(jìn)土壤VOC的釋放。另外，有研究表明，歐洲山楊異戊二烯釋放速率與土壤有效氮含量呈正相關(guān)，當(dāng)土壤養(yǎng)分充足時(shí)，異戊二烯釋放速率大；反之，營養(yǎng)匱乏時(shí)異戊二烯釋放量明顯下降，這與異戊二烯合成酶的活性有關(guān)[37]。馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的通量與土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈顯著的正相關(guān)(P<0.05，表3)，正好能解釋部分施氮促進(jìn)土壤NVOCs釋放的結(jié)果。

表 3 馬尾松和木荷幼苗土壤理化性質(zhì)與土壤各類VOCs通量的相關(guān)性分析Table 3 Correlations between the fluxes of different VOC species and soil physicochemical propertiesin P. massoniana and S. superba seedling root zone soils

注：**，*分別表示相關(guān)性在0.01和0.05水平顯著性(P<0.01，P<0.05)。Note：**，*showed significant correlation at 0.01 and 0.05 (P< 0.01,P< 0.05)，respectively.

不同施氮方式比較發(fā)現(xiàn)，只有在葉面施氮處理下，高氮顯著地促進(jìn)馬尾松土壤總VOCs的釋放，土壤施氮對(duì)馬尾松和木荷總VOCs(OVOCs、 NMHCs、 SVOCs、 AVOCs和HVOCs)的影響不大(圖1和圖2、 表2)。本研究中，添加氮降低土壤微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)生物量，改變微生物群落結(jié)構(gòu)[21]，從而影響土壤VOCs的釋放(圖1、 圖 2和圖3)。葉面施氮處理下，植物葉片和枝條具有截留部分氮溶液的作用[19]，都會(huì)使到達(dá)土壤中氮的形態(tài)和數(shù)量發(fā)生一定的變化[21]，最終導(dǎo)致植物對(duì)葉面添加氮的吸收效率比土壤施氮處理高。此外，土壤酸堿度和微生物等更易受土壤施氮處理影響。因此，可利用性氮素增加可能會(huì)促進(jìn)參與VOCs合成的微生物活性及增加植物細(xì)根生物量，從而導(dǎo)致葉面施氮對(duì)土壤VOCs釋放的增加作用更明顯。

不同化合物對(duì)添加氮的響應(yīng)不一致(表2，圖3)?？傮w而言，施氮促進(jìn)木荷幼苗根系土壤甲酰胺和丙胺、馬尾松幼苗根系土壤乙烯酮的釋放，對(duì)馬尾松和木荷幼苗根系土壤二甲基二硫的通量無影響。原因可能是由于施氮會(huì)影響不同類群土壤微生物，從而使土壤VOCs的產(chǎn)生與吸收發(fā)生變化[5,13]；其次，不同樹種的微生物類群、根系分泌物的不同可能也是導(dǎo)致土壤VOCs響應(yīng)差異的一個(gè)重要因素[24]。SMOLANDERetal[38]研究發(fā)現(xiàn)，單萜烯的濃度在針葉樹種土壤中高于闊葉樹種的土壤。LINetal[17]則發(fā)現(xiàn)針葉樹種根系VOCs(如單萜烯)含量較大，會(huì)加大對(duì)地表VOCs的貢獻(xiàn)。由于土壤的復(fù)雜性，土壤VOCs對(duì)添加氮的具體影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

通過不同的氮添加水平和方式對(duì)兩種盆栽植物根系土壤揮發(fā)性氣體通量的研究結(jié)果表明，馬尾松和木荷盆栽根系土壤是大部分土壤VOCs的“源”，主要以釋放含氧VOCs和含氮VOCs為主。兩種施氮方式對(duì)木荷幼苗根系土壤總VOCs影響不顯著，但馬尾松葉面氮添加處理下根系土壤總VOCs釋放量顯著增加。因此，在研究土壤VOCs對(duì)氮添加的響應(yīng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮林冠模擬氮沉降的方式，研究不同樹種的短期效應(yīng)和長期效應(yīng)，以更準(zhǔn)確估算氮沉降對(duì)土壤VOCs的影響。

氮添加除顯著促進(jìn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的釋放外，對(duì)其他類型VOCs影響不大，這與土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮增加密切相關(guān)。氮添加對(duì)土壤不同VOCs釋放的影響因氮水平、氮添加方式和樹種而異。然而本研究只局限于關(guān)注盆栽幼苗根系土壤的VOCs動(dòng)態(tài)，對(duì)于實(shí)際氮沉降影響下的土壤VOCs通量有待進(jìn)一步研究。