氮沉降对杉木人工林土壤可溶性有机质数量和结构的影响

焦宏哲,李 欢,陈 惠,司友涛,鲍 勇,孙 颖,杨玉盛

1 福建师范大学地理科学学院, 福州 350007 2 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州 350007

可溶性有机质是能通过0.45 μm孔径滤膜大小的且能溶解于水、酸或碱溶液的、不同大小和结构的有机分子混合体[1]。DOM占土壤有机质的比例小于5%,但其是陆地生态系统中极为活跃的部分[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的主要来源,它们通过淋溶、分解等过程转化为DOM[4]。随后,DOM可能被微生物分解利用,也可能从表层土壤迁移到深层土壤,或者被土壤颗粒吸附。因此,DOM在调节森林生态系统养分库物质循环和能量流动等方面均发挥重要作用。

氮沉降在近年来受到广泛关注,已成为全球气候变化的主要趋势之一。由于化石燃料燃烧与农业化肥的使用,大气氮沉降比例不断增加,我国已成为继欧洲、美国之后的全球第三大高氮区[5]。目前陆地上年均大气氮沉降量已达43.47 Tg/a,预计至2050年大气氮沉降量将比2000年翻一番[6]。氮沉降会改变陆地生态系统的生物地球化学循环过程,如森林初级生产力[7]、土壤呼吸[8]、土壤氮矿化[9]和微生物群落结构[10]等。

目前,已有大量关于氮沉降对土壤表层DOM影响的研究[11- 12],而关于氮沉降对不同深度土壤DOM含量和结构的研究仍然不明确。Fang等[13]在青藏高原高寒草甸的研究表明,氮沉降显著增加0—10 cm土层土壤DOC含量,降低10—20 cm土层DOC含量。这可能是因为表层土壤有机质库增加造成的。Rappe—George等[14]在瑞典中部云杉林的研究发现,氮沉降对O层(有机层)土壤DOC含量无显著影响,但提高了B层(淀积层)DOC含量。Xu等[15]在长白山红松阔叶混交林研究发现,氮沉降对0—15 cm土层土壤DOC含量无显著影响,但15—60 cm土层土壤DOC含量降低。随着光谱学分析手段的更新与发展,土壤DOM化学结构的分析取得进一步发展。运用紫外可见光谱分析的芳香性指数可以表示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]。运用荧光光谱分析的发射腐殖化指数可以指示DOM中分子的缩合程度,HIX越大,表明DOM中含有更多浓缩的芳香环难分解组分[17]。元晓春等[18]研究表明,氮沉降会使0—15 cm和15—30 cm土层土壤DOM芳香性指数、腐殖化指数提高。Fang等[13]却发现氮沉降对0—10 cm和10—20 cm土层土壤DOM腐殖化指数影响不明显。因此,氮沉降对不同深度土壤DOM的影响极为复杂,十分有必要开展进一步的研究。

我国湿润亚热带地区是全球同纬度的“绿洲”,森林资源和生物资源丰富。近年来,大面积的常绿阔叶林通过皆伐、炼山和整地等传统营林措施被改造成杉木人工林。杉木是中国南方重要的速生和用材树种,其种植面积占全国总人工林面积的25.55%[19]。相比温带,在亚热带湿润的气候条件下,DOM的淋溶、迁移及积累成为亚热带地区的重点关注内容[20]。氮沉降对土壤DOM在碳、氮养分循环中的影响机制较为复杂,尚未明确[14- 21]。因此,研究土壤DOM对氮沉降的响应为了解未来全球环境变化背景下该地区森林生态系统结构和功能的变化起到至关重要的作用。本研究在福建三明森林生态系统与全球变化研究站的氮沉降试验平台,以不同深度(0—10 cm和10—20 cm)土壤DOM为对象,结合紫外-可见光谱(UV-Vis)、荧光光谱(FS)等技术,探讨氮沉降对土壤DOM含量以及化学结构的影响,并揭示亚热带杉木人工林土壤DOM对氮沉降的响应机制。

1 试验地概况与试验方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建三明森林生态系统与全球变化野外观测研究站陈大观测点(26°19′N,117°36′E)。该地平均海拔300 m,年均气温19.1 ℃,多年平均降水量1749 mm,年均蒸发量1585 mm,相对湿度81%,属于中亚热带季风气候。土壤为黑云母花岗岩发育的红壤[22]。

1.2 实验设计

试验所选样地为杉木幼林地。参照中亚热带地区氮沉降水平的背景值36.3 kg hm-2a-1[23],并结合未来大气氮沉降可能继续增加的氮沉降趋势,试验样地内设对照(CT)、高氮(HN: 80 kg hm-2a-1)、低氮(LN: 40 kg hm-2a-1)3种处理,每种处理设3个小区(重复),共9个面积为2 m×2 m的小区。小区四周采用PVC板(200 cm×70 cm)使其与周围土壤隔开。小区土壤取自附近成熟杉木林土壤,按0—10 cm和10—20 cm将土壤分层取回,剔除根系、石块和其他杂物,再分层混合均匀,按10—20 cm和0—10 cm的顺序重填回2 m×2 m的小区内。2013年11月,每个小区内栽植4棵1年生杉木幼苗(样地内除杉木幼苗外,没有其他地表植被)。氮沉降处理于2014年3月开始,在HN和LN小区内,按照处理水平要求,使用硝酸铵(NH4NO3)溶于去离子水模拟氮沉降,每月月初以溶液的形式对小区进行喷洒,全年分12次模拟氮沉降。为消除因外加水而造成的影响,对照小区喷洒等量的去离子水。

1.3 样品采集

2015年1月和4月在各个小区按S型布设5个土壤取样点,按0—10 cm和10—20 cm分层取样。将每个小区中的相同层次的5个取样点土样混合成一个样品迅速带回室内,人工挑除凋落物、细根和砂砾,过2 mm筛。一部分用于测定土壤基本理化性质,另一部分用于提取DOM。

1.4 样品测定

1.4.1土壤基本理化性质测定

土壤pH使用CHN868型pH计测定,水土比为2.5∶1。采用烘干法测定土壤含水量。土壤总有机碳及土壤总氮用碳氮元素分析仪(Elementar Vario EL III,Elementar,German)测定。

1.4.2土壤DOM的测定

土壤DOM的提取采用水浸提法[24]。称取15 g鲜土于50 mL离心管中,加入30 mL去离子水(水土比为2∶1,体积质量比),振荡30 min后,以转速4000 r/min离心10 min,再用0.45 μm滤膜过滤,滤液中的有机物即为土壤DOM。

滤液中DOC和DON(可溶性有机氮,Dissolved organic nitrogen)含量分别采用有机碳分析仪(TOC—VCPH,Shimadzu,Kyoto,Japan)和连续流动分析仪(Skalar San++,Netherlands)测定。用紫外-可见光分光度计(UV—2450,Shimadzu,Kyoto,Japan)测定DOM溶液在254 nm处的吸光度值。利用待测液254 nm处吸收值和DOC含量能够计算芳香性指数(Aromaticity Index,AI)[25],AI=(UV254/C)×100[26]。荧光光谱采用日立荧光光谱仪(F7000,Hitachi,Tokyo,Japan)测定,激发和发射光栅狭缝宽度为5 nm,扫描速度为1200 nm/min,其中发射波长范围为300—480 nm。为提高灵敏度,荧光光谱测定前使用2 mol/L盐酸将所有待测液的pH值调成2[27]。荧光发射光谱腐殖化指数(Humification index,emission mode,HIXem)为荧光发射光谱中∑(435—480 nm)区域与∑(300—345 nm)区域的峰面积比值。

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析和独立样本t检验比较同一时间同一土层下不同处理间或同一时间同一处理不同土层间的土壤理化性质和DOM含量及其光谱学特征的差异性；采用三因素方差分析检验时间、氮沉降、土层对各指标的影响；采用Canoco Software 5.0 软件以土壤DOM为响应变量,以土壤理化性质为解释变量进行冗余分析。图表由Excel和Origin完成。

2 结果

2.1 氮沉降对土壤理化性质的影响

2015年1月,在0—10 cm和10—20 cm土层,CT处理的土壤含水量、pH、SOC、STN显著高于HN和LN处理(表1)。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层LN处理的土壤含水量显著降低。2015年4月,在0—10 cm土层,HN和LN处理的土壤含水量显著低于CT。在0—10 cm和10—20 cm土层,CT、HN、LN三种处理间的pH、SOC、STN、C/N均无显著差异。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层CT处理的土壤含水量、SOC、STN、C/N显著降低,而CT、HN、LN处理的pH显著升高。方差分析表明,氮沉降、土层、时间和氮沉降交互作用、时间、氮沉降和土层三者交互作用对土壤含水量作用显著(表2),时间、氮沉降、土层、时间和氮沉降交互作用对pH有显著作用,氮沉降、土层对SOC和STN作用显著。

表1 不同取样土层下不同处理的土壤性质

2.2 氮沉降对土壤DOM含量的影响

2015年1月,10—20 cm土层的HN、LN处理的土壤DOC含量显著高于CT处理(图1)。0—10 cm土层的三种处理DON含量差异显著,表现为HN>LN>CT；10—20 cm土层的三种处理DON含量也存在差异显著,表现为LN>HN>CT。2015年4月,0—10 cm和10—20 cm土层的HN、LN处理的土壤DOC、DON含量显著高于CT处理。0—10 cm土层的同种处理的DOC和DON高于10—20 cm土层。方差分析表明,时间、氮沉降、土层、时间和氮沉降交互作用、时间和土层交互作用对DOC有显著影响,时间、氮沉降、土层、时间和氮沉降交互作用、氮沉降和土层交互作用、时间、氮沉降和土层三者交互作用对DON有显著影响(表2)。

表2 时间、氮沉降、土层对土壤性质、土壤DOM的数量及其光谱学特征的影响的方差分析

图1 不同取样土层下不同处理的土壤可溶性有机碳及可溶性有机氮的数量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: 对照Control; HN: 高氮High nitrogen deposition; LN: 低氮Low nitrogen deposition;不同大写字母表示同一时间同一处理不同土层间差异显著,不同小写字母表示同一时间同一土层不同处理间差异显著(P<0.05)；结果表示为平均值±标准差(n=3)

2.3 氮沉降对土壤DOM芳香性指数的影响

2015年1月,0—10 cm三种处理芳香性指数差异显著,表现为HN>LN>CT；10—20 cm土层的HN、LN处理的芳香性指数显著高于CT处理(图2)。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层HN、LN处理的芳香性指数显著降低。2015年4月,0—10 cm和10—20 cm土层的HN、LN处理的芳香性指数显著低于CT处理。方差分析表明,时间、氮沉降、土层、时间和氮沉降交互作用、时间和土层交互作用、时间、氮沉降和土层三者交互作用对芳香性指数有显著影响(表2)。

2.4 氮沉降对土壤DOM荧光光谱特征的影响

2015年1月,与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层LN处理的HIXem显著降低(图3)。2015年4月,0—10 cm和10—20 cm土层的HN、LN处理的HIXem显著低于CT处理。方差分析表明,时间、氮沉降、土层、时间和氮沉降交互作用、土层和氮沉降交互作用对HIXem作用显著(表2)。

图2 不同取样土层下不同处理土壤DOM的紫外光谱特征 Fig.2 Characteristics of ultraviolet spectra of soil DOM of different treatments at different soil layersDOM: 可溶性有机质Dissolved organic matter

图3 不同取样土层下不同处理土壤DOM的荧光光谱特征 Fig.3 Characteristics of fluorescence spectra of soil DOM of different treatments at different soil layers

2.5 氮沉降对土壤DOM影响的RDA分析

以土壤DOM为响应变量,以土壤理化性质为解释变量,并结合不同的处理样点,分别对1月和4月0—10 cm和10—20 cm土层的土壤DOM进行冗余分析(RDA),如图4。1月时，第一轴和第二轴共同解释了0—10 cm土层土壤DOM变异的89.8%,其中土壤pH、含水量分别解释了82.5%和7.3%。两轴共同解释1月10—20 cm土层土壤DOM变化的78.7%,土壤含水量和SOC分别解释了75.7%和3.0%。4月时，第一轴和第二轴共同解释了0—10 cm土层土壤DOM变异的77.0%,其中土壤含水量、SOC分别解释了73.3%和3.7%。两轴共同解释了4月10—20 cm土层土壤DOM变化的61.7%,pH、含水量分别解释了变异的52.9%和8.8%。

图4 氮沉降对土壤DOM影响的冗余分析Fig.4 Correlations of soil DOM to soil properties as determined by redundancy analysis(RDA) CT1, 2, 3: 对照处理的三个重复Three replicates of control treatment; HN1, 2, 3: 高氮处理的三个重复Three replicates of high nitrogen deposition treatment 1, 2, 3; LN1, 2, 3: 低氮处理的三个重复Three replicates of low nitrogen deposition treatment 1, 2, 3; M: 土壤含水量Soil moisture; SOC: 土壤有机碳Soil organic carbon; DOC: 可溶性有机碳Dissolved organic carbon; DON: 可溶性有机氮Dissolved organic nitrogen; AI: 芳香性指数Aromaticity index; HIXem: 荧光发射光谱腐殖化指数Humification index of emission mode

3 讨论

3.1 氮沉降对不同深度土壤理化性质的影响

土壤含水量是影响生态过程的关键因素。研究发现,1月和4月时,0—10 cm土层的HN和LN处理土壤含水量显著低于CT(表1)。这主要是因为氮沉降会导致土壤有效氮含量增加,有效氮被植物体吸收后,会促进植物生长,进而促进植物根系发育,有利于水分吸收[28]。且植物根系多集中在0—10 cm土层土壤[29],使植物根系从表层土壤中汲取更多的水分,因此0—10 cm土层氮沉降处理的土壤含水量显著降低。

土壤有机质的变化受有机物输入量、微生物、水分等多种因素的综合影响。4月时,与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层CT处理的SOC、STN、C/N显著降低(表1)。且土层对SOC、STN影响显著(表2)。这与赵佳宝等[30]人研究结果一致,可能是凋落物的分解主要发生在土壤表层,增加了土壤有机质的积累。另外,0—10 cm土层土壤聚集更多植物根系,细根输入的土壤有机质占30%—80%[31],有利于土壤有机质在表层积累。因此10—20 cm土层的土壤有机质含量低于0—10 cm土层。

3.2 氮沉降对不同深度土壤DOM数量和结构的影响

1月和4月时,0—10 cm土层CT、HN、LN处理的土壤DOC和DON含量高于10—20 cm,这与Fang等[13]研究结果一致,可能由两方面的原因所致。第一,凋落物的分解主要集中在土壤表层,且大多数植物的细根集中在土层0—10 cm[29],而土壤DOM主要来源于凋落物降解和根系分泌物,0—10 cm土层积累更多DOM。第二,10—20 cm土层的同种处理的土壤pH显著高于0—10 cm土层(表1),所以当土壤pH升高,土壤颗粒表面电荷增加,SOM和土壤颗粒的结合力升高,SOM受到的物理保护增强[34],SOM不易转化为DOM。4月为植物生长季,植物通过新鲜凋落物、根系及根系分泌物向0—10 cm土层土壤输入有机质,促进土壤SOC积累,土壤SOC易转化为DOC。因此,4月时0—10 cm土层HN、LN处理的土壤DOC和DON含量显著高于CT。但最主要的是,氮沉降会促进植物生长[35],增加新鲜有机质向土壤输入,有利于DOM的积累[36]。因此4月时两土层HN、LN处理的土壤DOC和DON含量显著高于CT(图1)。本研究发现,1月时两土层HN、LN处理的AI显著高于CT,而4月时两土层HN、LN处理的AI、HIXem显著低于CT。1月为非生长季,植物向土壤输送的新鲜有机质很少,且氮沉降处理会使氮和木质素及其降解中间产物结合,木质素降解受到抑制,木质素作为凋落物中最难分解的复合物不断积累,土壤AI含量增加[37]。而4月为生长季,植物向土壤输送的新鲜有机质(尤其是小分子物质)增多。且杉木凋落物氮含量较低[38](6 g/kg),不能满足参与凋落物分解的微生物生长需要,氮沉降处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,减少难分解物质积累,因而HN、LN处理的AI、HIXem下降。这与李仁洪等[39]研究一致。

冗余分析表明,1月时,0—10 cm土层的土壤含水量和pH是显著影响土壤DOM数量和结构的因子(图4),10—20 cm土层的土壤含水量和SOC是影响土壤DOM的重要因子。4月时,0—10 cm土层的土壤含水量和SOC是显著影响土壤DOM数量和结构的因子。在10—20 cm土层,pH和土壤含水量是影响土壤DOM的重要因子。0—10 cm土层的SOC与DOC含量呈负相关(DOC与SOC夹角大于90°,图4)。0—10 cm土层土壤覆盖更多植物凋落物,且分布了主要的植物根系,有利于土壤SOC的积累,4月气温较高,加速土壤SOC分解,土壤SOC易转化为DOC。本研究发现,土壤含水量对土壤DOM的影响似乎只是“表观”上的。一方面,理论上土壤含水量越高,DOC含量也越高,即土壤含水量与DOC含量呈正相关关系。而本研究发现0—10 cm土层HN、LN处理的土壤含水量显著降低(表1),HN、LN处理的DOC、DON显著升高(图1),即土壤土壤含水量与DOC、DON含量呈负相关关系。因此,氮沉降促进植物的生长才是土壤DOM增加的真正原因。另一方面,0—10 cm土层土壤含水量作用大于10—20 cm土层,即在0—10 cm土层,土壤含水量解释度为73.2%；而在10—20 cm土层,土壤含水量解释度仅为8.8%(图4)。这可能是因为氮沉降通过调节植物的生长促进新鲜有机质主要向土壤表层输入并使植物吸收更多土壤表层水分,使土壤DOM含量增加。所以,更突显了土壤含水量和土壤DOM含量的负相关关系。在10—20 cm土层,pH影响土壤DOM的机理,即土壤pH升高,SOM和土壤颗粒的结合力升高,SOM受到的物理保护增强[34],SOM不易转化为DOM。因此pH与DOC、DON的含量呈负相关的关系(DOC、DON与pH的夹角大于90°,图4)。

4 结论

氮沉降会促使0—10 cm和10—20 cm土层土壤DOM含量增加。此外,1月时植物向土壤输送的新鲜有机质很少,氮沉降处理会抑制木质素降解,两土层芳香性指数升高。4月时氮沉降能够增加凋落物分解可利用的氮素,加速凋落物分解,难分解物质减少,促使两土层氮沉降处理的芳香性指数、腐殖化程度显著降低。模拟氮沉降的时间长短对土壤DOM也有一定的影响,因此试验样区氮沉降模拟试验还需持续进行,以便更好地探究土壤DOM数量及结构对氮沉降的长期响应,为揭示氮沉降对土壤DOM的影响以及探索中亚热带森林生态系统碳氮循环提供科学依据。