氮沉降對杉木人工林土壤可溶性有機質(zhì)數(shù)量和結(jié)構(gòu)的影響

焦宏哲,李 歡,陳 惠,司友濤,鮑 勇,孫 穎,楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

可溶性有機質(zhì)是能通過0.45 μm孔徑濾膜大小的且能溶解于水、酸或堿溶液的、不同大小和結(jié)構(gòu)的有機分子混合體[1]。DOM占土壤有機質(zhì)的比例小于5%,但其是陸地生態(tài)系統(tǒng)中極為活躍的部分[2- 3]。植物凋落物、微生物生物量、枯死根及根系分泌物是土壤DOM的主要來源,它們通過淋溶、分解等過程轉(zhuǎn)化為DOM[4]。隨后,DOM可能被微生物分解利用,也可能從表層土壤遷移到深層土壤,或者被土壤顆粒吸附。因此,DOM在調(diào)節(jié)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分庫物質(zhì)循環(huán)和能量流動等方面均發(fā)揮重要作用。

氮沉降在近年來受到廣泛關(guān)注,已成為全球氣候變化的主要趨勢之一。由于化石燃料燃燒與農(nóng)業(yè)化肥的使用,大氣氮沉降比例不斷增加,我國已成為繼歐洲、美國之后的全球第三大高氮區(qū)[5]。目前陸地上年均大氣氮沉降量已達43.47 Tg/a,預(yù)計至2050年大氣氮沉降量將比2000年翻一番[6]。氮沉降會改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程,如森林初級生產(chǎn)力[7]、土壤呼吸[8]、土壤氮礦化[9]和微生物群落結(jié)構(gòu)[10]等。

目前,已有大量關(guān)于氮沉降對土壤表層DOM影響的研究[11- 12],而關(guān)于氮沉降對不同深度土壤DOM含量和結(jié)構(gòu)的研究仍然不明確。Fang等[13]在青藏高原高寒草甸的研究表明,氮沉降顯著增加0—10 cm土層土壤DOC含量,降低10—20 cm土層DOC含量。這可能是因為表層土壤有機質(zhì)庫增加造成的。Rappe—George等[14]在瑞典中部云杉林的研究發(fā)現(xiàn),氮沉降對O層(有機層)土壤DOC含量無顯著影響,但提高了B層(淀積層)DOC含量。Xu等[15]在長白山紅松闊葉混交林研究發(fā)現(xiàn),氮沉降對0—15 cm土層土壤DOC含量無顯著影響,但15—60 cm土層土壤DOC含量降低。隨著光譜學(xué)分析手段的更新與發(fā)展,土壤DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析取得進一步發(fā)展。運用紫外可見光譜分析的芳香性指數(shù)可以表示DOM中芳香化合物的含量,AI越高,表明其含有的芳香族化合物越多[16]。運用熒光光譜分析的發(fā)射腐殖化指數(shù)可以指示DOM中分子的縮合程度,HIX越大,表明DOM中含有更多濃縮的芳香環(huán)難分解組分[17]。元曉春等[18]研究表明,氮沉降會使0—15 cm和15—30 cm土層土壤DOM芳香性指數(shù)、腐殖化指數(shù)提高。Fang等[13]卻發(fā)現(xiàn)氮沉降對0—10 cm和10—20 cm土層土壤DOM腐殖化指數(shù)影響不明顯。因此,氮沉降對不同深度土壤DOM的影響極為復(fù)雜,十分有必要開展進一步的研究。

我國濕潤亞熱帶地區(qū)是全球同緯度的“綠洲”,森林資源和生物資源豐富。近年來,大面積的常綠闊葉林通過皆伐、煉山和整地等傳統(tǒng)營林措施被改造成杉木人工林。杉木是中國南方重要的速生和用材樹種,其種植面積占全國總?cè)斯ち置娣e的25.55%[19]。相比溫帶,在亞熱帶濕潤的氣候條件下,DOM的淋溶、遷移及積累成為亞熱帶地區(qū)的重點關(guān)注內(nèi)容[20]。氮沉降對土壤DOM在碳、氮養(yǎng)分循環(huán)中的影響機制較為復(fù)雜,尚未明確[14- 21]。因此,研究土壤DOM對氮沉降的響應(yīng)為了解未來全球環(huán)境變化背景下該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化起到至關(guān)重要的作用。本研究在福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站的氮沉降試驗平臺,以不同深度(0—10 cm和10—20 cm)土壤DOM為對象,結(jié)合紫外-可見光譜(UV-Vis)、熒光光譜(FS)等技術(shù),探討氮沉降對土壤DOM含量以及化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響,并揭示亞熱帶杉木人工林土壤DOM對氮沉降的響應(yīng)機制。

1 試驗地概況與試驗方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化野外觀測研究站陳大觀測點(26°19′N,117°36′E)。該地平均海拔300 m,年均氣溫19.1 ℃,多年平均降水量1749 mm,年均蒸發(fā)量1585 mm,相對濕度81%,屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候。土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤[22]。

1.2 實驗設(shè)計

試驗所選樣地為杉木幼林地。參照中亞熱帶地區(qū)氮沉降水平的背景值36.3 kg hm-2a-1[23],并結(jié)合未來大氣氮沉降可能繼續(xù)增加的氮沉降趨勢,試驗樣地內(nèi)設(shè)對照(CT)、高氮(HN: 80 kg hm-2a-1)、低氮(LN: 40 kg hm-2a-1)3種處理,每種處理設(shè)3個小區(qū)(重復(fù)),共9個面積為2 m×2 m的小區(qū)。小區(qū)四周采用PVC板(200 cm×70 cm)使其與周圍土壤隔開。小區(qū)土壤取自附近成熟杉木林土壤,按0—10 cm和10—20 cm將土壤分層取回,剔除根系、石塊和其他雜物,再分層混合均勻,按10—20 cm和0—10 cm的順序重填回2 m×2 m的小區(qū)內(nèi)。2013年11月,每個小區(qū)內(nèi)栽植4棵1年生杉木幼苗(樣地內(nèi)除杉木幼苗外,沒有其他地表植被)。氮沉降處理于2014年3月開始,在HN和LN小區(qū)內(nèi),按照處理水平要求,使用硝酸銨(NH4NO3)溶于去離子水模擬氮沉降,每月月初以溶液的形式對小區(qū)進行噴灑,全年分12次模擬氮沉降。為消除因外加水而造成的影響,對照小區(qū)噴灑等量的去離子水。

1.3 樣品采集

2015年1月和4月在各個小區(qū)按S型布設(shè)5個土壤取樣點,按0—10 cm和10—20 cm分層取樣。將每個小區(qū)中的相同層次的5個取樣點土樣混合成一個樣品迅速帶回室內(nèi),人工挑除凋落物、細根和砂礫,過2 mm篩。一部分用于測定土壤基本理化性質(zhì),另一部分用于提取DOM。

1.4 樣品測定

1.4.1土壤基本理化性質(zhì)測定

土壤pH使用CHN868型pH計測定,水土比為2.5∶1。采用烘干法測定土壤含水量。土壤總有機碳及土壤總氮用碳氮元素分析儀(Elementar Vario EL III,Elementar,German)測定。

1.4.2土壤DOM的測定

土壤DOM的提取采用水浸提法[24]。稱取15 g鮮土于50 mL離心管中,加入30 mL去離子水(水土比為2∶1,體積質(zhì)量比),振蕩30 min后,以轉(zhuǎn)速4000 r/min離心10 min,再用0.45 μm濾膜過濾,濾液中的有機物即為土壤DOM。

濾液中DOC和DON(可溶性有機氮,Dissolved organic nitrogen)含量分別采用有機碳分析儀(TOC—VCPH,Shimadzu,Kyoto,Japan)和連續(xù)流動分析儀(Skalar San++,Netherlands)測定。用紫外-可見光分光度計(UV—2450,Shimadzu,Kyoto,Japan)測定DOM溶液在254 nm處的吸光度值。利用待測液254 nm處吸收值和DOC含量能夠計算芳香性指數(shù)(Aromaticity Index,AI)[25],AI=(UV254/C)×100[26]。熒光光譜采用日立熒光光譜儀(F7000,Hitachi,Tokyo,Japan)測定,激發(fā)和發(fā)射光柵狹縫寬度為5 nm,掃描速度為1200 nm/min,其中發(fā)射波長范圍為300—480 nm。為提高靈敏度,熒光光譜測定前使用2 mol/L鹽酸將所有待測液的pH值調(diào)成2[27]。熒光發(fā)射光譜腐殖化指數(shù)(Humification index,emission mode,HIXem)為熒光發(fā)射光譜中∑(435—480 nm)區(qū)域與∑(300—345 nm)區(qū)域的峰面積比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析和獨立樣本t檢驗比較同一時間同一土層下不同處理間或同一時間同一處理不同土層間的土壤理化性質(zhì)和DOM含量及其光譜學(xué)特征的差異性；采用三因素方差分析檢驗時間、氮沉降、土層對各指標的影響；采用Canoco Software 5.0 軟件以土壤DOM為響應(yīng)變量,以土壤理化性質(zhì)為解釋變量進行冗余分析。圖表由Excel和Origin完成。

2 結(jié)果

2.1 氮沉降對土壤理化性質(zhì)的影響

2015年1月,在0—10 cm和10—20 cm土層,CT處理的土壤含水量、pH、SOC、STN顯著高于HN和LN處理(表1)。與0—10 cm土層相比,10—20 cm土層LN處理的土壤含水量顯著降低。2015年4月,在0—10 cm土層,HN和LN處理的土壤含水量顯著低于CT。在0—10 cm和10—20 cm土層,CT、HN、LN三種處理間的pH、SOC、STN、C/N均無顯著差異。與0—10 cm土層相比,10—20 cm土層CT處理的土壤含水量、SOC、STN、C/N顯著降低,而CT、HN、LN處理的pH顯著升高。方差分析表明,氮沉降、土層、時間和氮沉降交互作用、時間、氮沉降和土層三者交互作用對土壤含水量作用顯著(表2),時間、氮沉降、土層、時間和氮沉降交互作用對pH有顯著作用,氮沉降、土層對SOC和STN作用顯著。

表1 不同取樣土層下不同處理的土壤性質(zhì)

2.2 氮沉降對土壤DOM含量的影響

2015年1月,10—20 cm土層的HN、LN處理的土壤DOC含量顯著高于CT處理(圖1)。0—10 cm土層的三種處理DON含量差異顯著,表現(xiàn)為HN>LN>CT；10—20 cm土層的三種處理DON含量也存在差異顯著,表現(xiàn)為LN>HN>CT。2015年4月,0—10 cm和10—20 cm土層的HN、LN處理的土壤DOC、DON含量顯著高于CT處理。0—10 cm土層的同種處理的DOC和DON高于10—20 cm土層。方差分析表明,時間、氮沉降、土層、時間和氮沉降交互作用、時間和土層交互作用對DOC有顯著影響,時間、氮沉降、土層、時間和氮沉降交互作用、氮沉降和土層交互作用、時間、氮沉降和土層三者交互作用對DON有顯著影響(表2)。

表2 時間、氮沉降、土層對土壤性質(zhì)、土壤DOM的數(shù)量及其光譜學(xué)特征的影響的方差分析

圖1 不同取樣土層下不同處理的土壤可溶性有機碳及可溶性有機氮的數(shù)量Fig.1 The quantity of soil dissolved organic carbon and nitrogen of different treatments at different soil layers1: 2015年1月; 2: 2015年4月; CT: 對照Control; HN: 高氮High nitrogen deposition; LN: 低氮Low nitrogen deposition;不同大寫字母表示同一時間同一處理不同土層間差異顯著,不同小寫字母表示同一時間同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)；結(jié)果表示為平均值±標準差(n=3)

2.3 氮沉降對土壤DOM芳香性指數(shù)的影響

2015年1月,0—10 cm三種處理芳香性指數(shù)差異顯著,表現(xiàn)為HN>LN>CT；10—20 cm土層的HN、LN處理的芳香性指數(shù)顯著高于CT處理(圖2)。與0—10 cm土層相比,10—20 cm土層HN、LN處理的芳香性指數(shù)顯著降低。2015年4月,0—10 cm和10—20 cm土層的HN、LN處理的芳香性指數(shù)顯著低于CT處理。方差分析表明,時間、氮沉降、土層、時間和氮沉降交互作用、時間和土層交互作用、時間、氮沉降和土層三者交互作用對芳香性指數(shù)有顯著影響(表2)。

2.4 氮沉降對土壤DOM熒光光譜特征的影響

2015年1月,與0—10 cm土層相比,10—20 cm土層LN處理的HIXem顯著降低(圖3)。2015年4月,0—10 cm和10—20 cm土層的HN、LN處理的HIXem顯著低于CT處理。方差分析表明,時間、氮沉降、土層、時間和氮沉降交互作用、土層和氮沉降交互作用對HIXem作用顯著(表2)。

圖2 不同取樣土層下不同處理土壤DOM的紫外光譜特征 Fig.2 Characteristics of ultraviolet spectra of soil DOM of different treatments at different soil layersDOM: 可溶性有機質(zhì)Dissolved organic matter

圖3 不同取樣土層下不同處理土壤DOM的熒光光譜特征 Fig.3 Characteristics of fluorescence spectra of soil DOM of different treatments at different soil layers

2.5 氮沉降對土壤DOM影響的RDA分析

以土壤DOM為響應(yīng)變量,以土壤理化性質(zhì)為解釋變量,并結(jié)合不同的處理樣點,分別對1月和4月0—10 cm和10—20 cm土層的土壤DOM進行冗余分析(RDA),如圖4。1月時，第一軸和第二軸共同解釋了0—10 cm土層土壤DOM變異的89.8%,其中土壤pH、含水量分別解釋了82.5%和7.3%。兩軸共同解釋1月10—20 cm土層土壤DOM變化的78.7%,土壤含水量和SOC分別解釋了75.7%和3.0%。4月時，第一軸和第二軸共同解釋了0—10 cm土層土壤DOM變異的77.0%,其中土壤含水量、SOC分別解釋了73.3%和3.7%。兩軸共同解釋了4月10—20 cm土層土壤DOM變化的61.7%,pH、含水量分別解釋了變異的52.9%和8.8%。

圖4 氮沉降對土壤DOM影響的冗余分析Fig.4 Correlations of soil DOM to soil properties as determined by redundancy analysis(RDA) CT1, 2, 3: 對照處理的三個重復(fù)Three replicates of control treatment; HN1, 2, 3: 高氮處理的三個重復(fù)Three replicates of high nitrogen deposition treatment 1, 2, 3; LN1, 2, 3: 低氮處理的三個重復(fù)Three replicates of low nitrogen deposition treatment 1, 2, 3; M: 土壤含水量Soil moisture; SOC: 土壤有機碳Soil organic carbon; DOC: 可溶性有機碳Dissolved organic carbon; DON: 可溶性有機氮Dissolved organic nitrogen; AI: 芳香性指數(shù)Aromaticity index; HIXem: 熒光發(fā)射光譜腐殖化指數(shù)Humification index of emission mode

3 討論

3.1 氮沉降對不同深度土壤理化性質(zhì)的影響

土壤含水量是影響生態(tài)過程的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn),1月和4月時,0—10 cm土層的HN和LN處理土壤含水量顯著低于CT(表1)。這主要是因為氮沉降會導(dǎo)致土壤有效氮含量增加,有效氮被植物體吸收后,會促進植物生長,進而促進植物根系發(fā)育,有利于水分吸收[28]。且植物根系多集中在0—10 cm土層土壤[29],使植物根系從表層土壤中汲取更多的水分,因此0—10 cm土層氮沉降處理的土壤含水量顯著降低。

土壤有機質(zhì)的變化受有機物輸入量、微生物、水分等多種因素的綜合影響。4月時,與0—10 cm土層相比,10—20 cm土層CT處理的SOC、STN、C/N顯著降低(表1)。且土層對SOC、STN影響顯著(表2)。這與趙佳寶等[30]人研究結(jié)果一致,可能是凋落物的分解主要發(fā)生在土壤表層,增加了土壤有機質(zhì)的積累。另外,0—10 cm土層土壤聚集更多植物根系,細根輸入的土壤有機質(zhì)占30%—80%[31],有利于土壤有機質(zhì)在表層積累。因此10—20 cm土層的土壤有機質(zhì)含量低于0—10 cm土層。

3.2 氮沉降對不同深度土壤DOM數(shù)量和結(jié)構(gòu)的影響

1月和4月時,0—10 cm土層CT、HN、LN處理的土壤DOC和DON含量高于10—20 cm,這與Fang等[13]研究結(jié)果一致,可能由兩方面的原因所致。第一,凋落物的分解主要集中在土壤表層,且大多數(shù)植物的細根集中在土層0—10 cm[29],而土壤DOM主要來源于凋落物降解和根系分泌物,0—10 cm土層積累更多DOM。第二,10—20 cm土層的同種處理的土壤pH顯著高于0—10 cm土層(表1),所以當(dāng)土壤pH升高,土壤顆粒表面電荷增加,SOM和土壤顆粒的結(jié)合力升高,SOM受到的物理保護增強[34],SOM不易轉(zhuǎn)化為DOM。4月為植物生長季,植物通過新鮮凋落物、根系及根系分泌物向0—10 cm土層土壤輸入有機質(zhì),促進土壤SOC積累,土壤SOC易轉(zhuǎn)化為DOC。因此,4月時0—10 cm土層HN、LN處理的土壤DOC和DON含量顯著高于CT。但最主要的是,氮沉降會促進植物生長[35],增加新鮮有機質(zhì)向土壤輸入,有利于DOM的積累[36]。因此4月時兩土層HN、LN處理的土壤DOC和DON含量顯著高于CT(圖1)。本研究發(fā)現(xiàn),1月時兩土層HN、LN處理的AI顯著高于CT,而4月時兩土層HN、LN處理的AI、HIXem顯著低于CT。1月為非生長季,植物向土壤輸送的新鮮有機質(zhì)很少,且氮沉降處理會使氮和木質(zhì)素及其降解中間產(chǎn)物結(jié)合,木質(zhì)素降解受到抑制,木質(zhì)素作為凋落物中最難分解的復(fù)合物不斷積累,土壤AI含量增加[37]。而4月為生長季,植物向土壤輸送的新鮮有機質(zhì)(尤其是小分子物質(zhì))增多。且杉木凋落物氮含量較低[38](6 g/kg),不能滿足參與凋落物分解的微生物生長需要,氮沉降處理在一定程度上增加了凋落物分解可利用的氮素,加速凋落物分解,減少難分解物質(zhì)積累,因而HN、LN處理的AI、HIXem下降。這與李仁洪等[39]研究一致。

冗余分析表明,1月時,0—10 cm土層的土壤含水量和pH是顯著影響土壤DOM數(shù)量和結(jié)構(gòu)的因子(圖4),10—20 cm土層的土壤含水量和SOC是影響土壤DOM的重要因子。4月時,0—10 cm土層的土壤含水量和SOC是顯著影響土壤DOM數(shù)量和結(jié)構(gòu)的因子。在10—20 cm土層,pH和土壤含水量是影響土壤DOM的重要因子。0—10 cm土層的SOC與DOC含量呈負相關(guān)(DOC與SOC夾角大于90°,圖4)。0—10 cm土層土壤覆蓋更多植物凋落物,且分布了主要的植物根系,有利于土壤SOC的積累,4月氣溫較高,加速土壤SOC分解,土壤SOC易轉(zhuǎn)化為DOC。本研究發(fā)現(xiàn),土壤含水量對土壤DOM的影響似乎只是“表觀”上的。一方面,理論上土壤含水量越高,DOC含量也越高,即土壤含水量與DOC含量呈正相關(guān)關(guān)系。而本研究發(fā)現(xiàn)0—10 cm土層HN、LN處理的土壤含水量顯著降低(表1),HN、LN處理的DOC、DON顯著升高(圖1),即土壤土壤含水量與DOC、DON含量呈負相關(guān)關(guān)系。因此,氮沉降促進植物的生長才是土壤DOM增加的真正原因。另一方面,0—10 cm土層土壤含水量作用大于10—20 cm土層,即在0—10 cm土層,土壤含水量解釋度為73.2%；而在10—20 cm土層,土壤含水量解釋度僅為8.8%(圖4)。這可能是因為氮沉降通過調(diào)節(jié)植物的生長促進新鮮有機質(zhì)主要向土壤表層輸入并使植物吸收更多土壤表層水分,使土壤DOM含量增加。所以,更突顯了土壤含水量和土壤DOM含量的負相關(guān)關(guān)系。在10—20 cm土層,pH影響土壤DOM的機理,即土壤pH升高,SOM和土壤顆粒的結(jié)合力升高,SOM受到的物理保護增強[34],SOM不易轉(zhuǎn)化為DOM。因此pH與DOC、DON的含量呈負相關(guān)的關(guān)系(DOC、DON與pH的夾角大于90°,圖4)。

4 結(jié)論

氮沉降會促使0—10 cm和10—20 cm土層土壤DOM含量增加。此外,1月時植物向土壤輸送的新鮮有機質(zhì)很少,氮沉降處理會抑制木質(zhì)素降解,兩土層芳香性指數(shù)升高。4月時氮沉降能夠增加凋落物分解可利用的氮素,加速凋落物分解,難分解物質(zhì)減少,促使兩土層氮沉降處理的芳香性指數(shù)、腐殖化程度顯著降低。模擬氮沉降的時間長短對土壤DOM也有一定的影響,因此試驗樣區(qū)氮沉降模擬試驗還需持續(xù)進行,以便更好地探究土壤DOM數(shù)量及結(jié)構(gòu)對氮沉降的長期響應(yīng),為揭示氮沉降對土壤DOM的影響以及探索中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。