模擬增溫及隔離降雨對中亞熱帶杉木人工林土壤可溶性有機質的數量及其結構的影響

李 歡,楊玉盛,司友濤,*,林偉盛,熊德成,劉小飛

1 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 2 福建省濕潤亞熱帶山地生態重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地,福州 350007

土壤有機質(soil organic matter, SOM)是森林生態系統中最大的碳庫[1],可溶性有機質(dissolved organic matter,DOM)代表SOM很小的一部分,具有很高的活性[2]。DOM通常定義為能夠通過0.45μm孔徑濾膜且大小和結構不同的有機物[3]。它是水溶性的天然有機化合物,成分復雜,包括單體化合物以及超分子體系[4]。在植物-微生物-土壤體系中,DOM對碳(C)、氮(N)循環具有重要的作用[5-6]。

從工業革命至今,化石燃料的大量開采和使用造成大氣中“溫室氣體”的劇增,產生了以氣候變暖為主要特征的氣候變化[7]。據2013年IPCC最新的氣候變化研究顯示,1880—2012年全球平均地表溫度大約上升了0.85℃[8]。氣候變暖導致陸地生態系統的降雨格局發生改變,報道指出,緯向平均降水很可能在高緯度和部分中緯度地區增加,而在亞熱帶地區則會減少[9]。溫度、水分是生態系統過程的重要因子,全球變暖和降雨格局發生改變將會影響森林生態系統的結構和功能[10-11],DOM作為陸地生物地球化學循環的重要組成部分,對土壤固碳、微生物和植物的養分有效性具有重要的意義[12],因此研究土壤DOM對溫度和水分的響應可以為預測未來森林生態系統C、N循環的趨勢提供科學依據。

文獻表明[3],可溶性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)的數量與溫度呈正相關關系,這歸因于在較高的溫度下,微生物的活性有所提高。在富含有機質的土壤中(如泥炭土),溫度升高有使DOM濃度增加的可能性[13]。Riikka等[14]通過模擬全球氣候變暖,研究土壤C對増溫的響應,結果表明：持續7年的增溫對亞北極區的土壤C庫只有輕微的影響,但增溫樣地的DOC含量比沒有增溫的樣地高,這可能是因為溫度升高提高了植物生長量,從而增加了可溶性C的輸入。Fr?berg等[15]通過對云杉林土壤進行長達14年的增溫(5℃)試驗,發現在旱季對土壤進行灌溉,使土壤保持潮濕狀態,DOC的濃度增加,他們認為在未來更為頻繁的降雨條件下,DOM在夏季和秋季的通量可能會增加。另有報道指出[16-17],旱季DOM的濃度會減少,一旦發生降雨,在相當長的時間里DOM的濃度則會增加。而Fenner等[18]發現,在干旱停止后,DOM的產生速率提高,這可能是因為酚氧化酶接觸氧氣后分解了酚類化合物。報道指出[19],由于氧化還原條件的改變,在旱期,含氮的DOM組分會減少。顯然,溫度和降水變化對DOM具有明顯的影響,但其中的機理還不甚清楚,亟待研究。

我國濕潤亞熱帶地區森林生物資源豐富,自然條件優越,分布著世界上現存面積最大、最典型的常綠闊葉林,但是大面積的常綠闊葉林被改造成了杉木人工林。杉木林作為最重要的人工林之一,占世界人工林面積的6.5%,占我國人工林面積的19%,對我國林業生產具有重要的意義。由于該區大力營造人工林,使其貢獻了我國森林碳匯能力的65%[20]。該地區高溫、高濕,有機質分解快,DOM在土壤中的遷移較為迅速,淋溶和損失的風險很大,它對生態系統碳氮循環中的作用可能比溫帶的森林更為重要[21]。氣候變暖,降雨減少可能是該地區未來氣候變化的趨勢,這可能會加大DOM的分解作用,從而不利于DOM的穩定與固持,使土壤養分流失。現有的野外增溫控制平臺主要集中在中高緯地區,而關于我國亞熱帶地區野外增溫結合多種氣候變化因子的試驗卻極少報道。因此,通過研究溫度和降水對土壤DOM的影響有助于了解全球氣候變化背景下該地區森林生態系統的結構與功能的變化。據此,本文在野外杉木幼林地建立多氣候因子試驗平臺,模擬未來全球氣候變化,以土壤DOM為對象,結合紫外-可見光譜(UV-Vis)、熒光光譜(FS)等技術,探討土壤增溫和降雨減少對DOM的數量及其組成的影響。

1 試驗地概況

試驗區位于福建三明森林生態系統與全球變化定位觀測研究站(26°19′N,117°36′E)。平均海拔為300m,屬中亞熱帶季風氣候,年均溫度為19.1℃,年均降雨量為1749mm,降雨季節主要集中在3月—8月,相對濕度為81%。土壤為黑云母花崗巖發育的紅壤[22]。

本試驗所選樣地為杉木幼林地,樣地內包含若干個面積為2m×2m的試驗小區,小區四周用4塊PVC板(200cm×70cm)焊接,使小區與小區之間的土壤隔開,以防止各小區相互干擾。小區內的土壤由周圍成熟杉木人工林土壤供給,具體方法為：將成熟杉木林的土壤分層(0—10、10—20、20—70cm)取回后剔除粗根、石塊和其他雜物,再分層混合均勻重填回2m×2m的試驗小區內,同時采用壓實法調整土壤容重與原位土壤容重接近,以消除土壤異質性。

試驗設對照(CK)、增溫(W)、隔離降雨(P)、增溫與隔離降雨的交互作用(WP)4種處理,每個處理3個小區(重復),共12個2m×2m的試驗小區。于2013年l0月在所有的試驗小區平行布設相同的加熱電纜,深度為10cm,間距為20cm,且在最外圍環繞一周,保證樣地增溫的均勻性。隔離降雨處理即在P和WP試驗小區內,在離地面1.5m處每隔5cm均勻地布設一個0.05m×5m的透明U型管,從而隔離50%的自然降雨[22]。于2013年11月在每個2m×2m小區種植4棵1年生2代半短側枝杉木幼樹,平均高度為(25.7±2.52)cm,平均主干基徑為(3.35±0.48)cm,杉木的位置設于兩條電纜線之間。電纜布設完成5個月后(2014年3月)開始通電增溫(只有W和WP小區增溫,且增溫小區始終比對照小區高5℃)。

2 研究方法

2.1 樣品采集

土壤樣品采集共有3個時間點,分別為：2014年10月、2015年1月和2015年4月(2014年10月和2015年1月為旱季,2015年4月為雨季)。樣地各月份大氣溫度和降雨量見圖1,3個采樣點的大氣月均溫度依次為19.1℃、9.8℃、17.5℃,月均降雨量依次為0.1、2.1、4.5mm。每次采樣均在各個小區按S型布設5個土壤取樣點,按0—10、10—20cm分層取樣。樣品帶回室內,去除碎屑、砂礫以及植物根系,再將每塊樣地中的相同層次的5個取樣點土樣混合成一個樣品,過2mm篩,取一部分測定土壤基本理化性質、土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和微生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN),其余部分用于提取DOM。

圖1 不同采樣時間試驗地的大氣溫度及降雨量Fig.1 Atmospheric temperature and rainfall in the experimental field at different sample time

2.2 土壤DOM的提取

土壤DOM的提取采用水浸提法[23]。稱取15g鮮土于50mL離心管中,加入30mL去離子水(水土比為2∶1,V/W),于振蕩機上振蕩30min,然后以轉速4000r/min離心10min,再用0.45μm濾膜過濾,濾液中的有機物即為土壤DOM。

2.3 樣品的分析與測定

pH采用CHN868型pH計(Thermo Orion)測定,水土比為2.5∶1;土壤含水量(soil water content,SWC)的測定采用烘干法;土壤總有機碳(soil organic carbon,SOC)和土壤總氮(soil total nitrogen,STN)采用碳氮元素分析儀(VarioMAX, Elementar, Munchen, Germany)測定。在不同的時間觀測點,4種處理的土壤基本性質見表1。

MBC和MBN的浸提采用氯仿熏蒸-硫酸鉀法[24]。用總有機碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu,Kyoto,Japan)測定提取液中的有機碳含量,用連續流動分析儀(San++,Skalar,Breda,Netherlands)測定提取液中有機氮的含量。土壤MBC的計算公式如下：BC=ΔEC/kC,式中：ΔEC為熏蒸與未熏蒸提取液中有機碳含量的差值;kC為轉換系數,該值取0.45;MBN的計算公式為：BN=ΔEN/kN,ΔEN為熏蒸與未熏蒸提取液中有機氮含量的差值;kN為轉換系數,該值取0.54。

濾液中的DOC、DON含量分別采用總有機碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu,Kyoto,Japan)和連續流動分析儀(San++,Skalar,Breda,Netherlands)測定。紫外可見吸光值采用紫外-可見分光光度計(UV-2450,Shimadzu,Kyoto,Japan,比色皿邊長為1cm)測定,待測液在波長為254nm處的吸收值(Special Ultraviolet-Visible Absorption, SUVA)與DOC的濃度能夠計算DOM的芳香性指數(Aromaticity index,AI),即AI=UV254/ DOC)×100[25]。熒光光譜采用日立熒光光譜儀(F7000,Hitachi,Toykyo,Japan)測定,激發和發射光柵狹縫寬度為5nm,掃描速度為1200nm/min,其中激發光譜波長為254nm,發射波長范圍為300—480nm;熒光同步波長范圍為250—500nm。熒光光譜測定前用稀鹽酸將待測溶液的pH值調為2,以提高靈敏度[25]。熒光發射光譜中Σ(435—480nm)區域與Σ(300—345nm)區域的峰面積比值為熒光發射光譜腐殖化指數(Humification index,emission mode,HIXem),可以用來表示DOM的聚合程度[26-28];熒光同步光譜波長460nm與345nm處熒光強度的比值為熒光同步光譜腐殖化指數(Humification index,synchronous mode,HIXsyn)[27-28]。

2.4 數據處理與分析

使用SPSS 19.0軟件進行數據分析。采用單因素方差分析和獨立樣本t檢驗比較同一時間觀測點下相同土層的不同處理間或同一處理的相同土層在不同時間下的土壤性質、MBC、MBN和DOM的數量及其光譜學特征值的差異性;采用三因素方差分析檢驗相同土層中溫度、降雨、時間對各指標的影響(文章中僅列出W、P、W×P的影響);采用相關性分析探討各指標之間的關系(P<0.05)。相關圖表采用Excel和Origin完成。

3 結果與分析

3.1 增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤理化性質的影響

表1為三個采樣時間點下不同處理的土壤理化性質。在第一個采樣點(2014年10月),對于0—10cm土層,與CK相比,僅W的土壤含水量顯著降低;W、WP的pH顯著小于CK;W、P、WP的SOC、STN、C/N略小于CK,但無顯著性差異。在10—20cm土層,W、P的土壤含水量顯著小于CK,WP無顯著差異性;與CK相比,僅W的pH顯著降低;W、P、WP的SOC、STN、C/N較CK小,但僅P的SOC、STN顯著小于CK。在第二個采樣點(2015年1月),0—10cm土層的土壤經P、WP處理后,土壤含水量顯著降低;W、WP的pH顯著小于CK;僅W的SOC顯著小于CK;在10—20cm土層,P的pH顯著小于CK,而各處理的土壤含水量、SOC、STN、C/N無顯著性差異。在第三個采樣點(2015年4月),0—10cm土層的土壤經WP處理后土壤含水量顯著下降;W、WP的pH顯著低于CK;各處理的SOC、STN、C/N無顯著性差異。在10—20cm土層,各處理的土壤含水量無顯著性差異;P的pH顯著小于CK;各處理的SOC、STN、C/N無顯著性差異。

表1 不同采樣時間下不同處理的土壤性質

不同大寫字母表示同一種處理在同一土層不同時間之間差異顯著, 不同小寫字母表示同一時間同一土層不同處理之間差異顯著(P<0.05);結果表示為平均值±標準差(n=3)

同一種處理的土壤含水量,隨著時間的變化有略微差異。對于兩個土層而言,在2014年10月,各處理的土壤含水量最低,這可能是因為該季為旱季,降雨少,且由于溫度較高,水分蒸發。到了2015年1月,氣溫下降,蒸發量減少,使得土壤含水量有所增加。在2015年4月,CK、W、WP的含水量比2015年1月有所降低,這可能是因為雖然該季為雨季,但是植物進入生長季,對水分的需求加大;而P的土壤含水量有所增加。隨著時間的推移,與CK相比,W、P、WP的土壤pH、SOC均有降低的趨勢。方差分析結果表明：在0—10cm土層,增溫(W)因子對土壤含水量的作用顯著;而在10—20cm土層,隔離降雨(P)因子對土壤含水量有顯著作用(表2)。對于兩土層而言,W對土壤pH的作用達到顯著水平,P僅對0—10cm土層的作用顯著(表2),說明溫度對pH的影響范圍更大。

3.2 增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤DOM數量的影響

圖2為不同采樣時間點下各處理土壤DOC及DON的數量。對兩個土層而言,在第一個采樣點,WP處理的DOC和DON含量最高;在第二個采樣點,W和WP處理的土壤DOC含量較高,而P和WP處理的DON含量較高;在第三個采樣點,與CK相比,W、P、WP的DOC含量顯著提高;同時僅W處理的DON顯著高于CK。在兩個土層中,同種處理的土壤DOC的數量隨著時間的推移而增加;同時,CK和W處理的土壤DON也逐漸增加,但P和WP處理的土壤DON呈現先增加后降低的趨勢。這可能是因為隨著植物的生長,來源于凋落物和根系分泌物的碳源變得相對豐富,致使各處理的DOC得到一定程度的累積;另外,2014年10月、2015年1月為旱季,2015年4為雨季,干濕交替可能會破壞土壤的結構,使吸附在土壤中的DOC釋放出來。植物生長量的增加可能導致CK、W的DON增加,進入雨季后,P、WP的土壤透氣性可能較差,影響了微生物的活性,降低了有機質的分解效率,DON的數量降低。方差分析結果顯示,W、W×P對0—10cm和10—20cm土層的DOC數量的影響顯著(表2)。W對0—10cm土層的DON數量影響顯著,而對10—20cm土層的DON數量無顯著性影響;P、WP對兩土層的DON數量均有顯著性影響(表2)。

圖2 不同采樣時間下不同處理的土壤可溶性有機碳及可溶性有機氮的數量Fig.2 The quantity of soil dissolved organic carbon and nitrogen of different treatments at different sample timeCK, 對照, control; W, 增溫, warming; P, 隔離降雨, precipitation reduction; WP, 增溫×隔離降雨, warming and precipitation reduction; 1, 0—10cm土層, 0—10cm soil depth; 2, 10—20cm土層, 10—20cm soil depth. 不同大寫字母表示同一種處理在同一土層不同時間之間差異顯著, 不同小寫字母表示同一時間同一土層不同處理之間差異顯著(P<0.05)。結果表示為平均值±標準差(n=3)

3.3 增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤微生物量碳、氮的影響

圖3為2015年1月和2015年4月不同處理的MBC、MBN。前期由于試驗時間相對較短,土壤微生物對新的環境可能正處于適應期,相對還不穩定,這樣不利于比較試驗處理對微生物的影響。因此,本試驗中并未對2014年10月的樣品進行土壤微生物量的測定。由圖3所示,在第二個采樣點,CK處理的土壤MBC含量最高;并且在10—20cm土層,WP和W相對于CK顯著降低了53%和24%。在第三個采樣點,W和P處理的土壤MBC含量高于CK土壤,并且在10—20cm土層P的MBC比CK高115%。在0—10cm土層,CK、W、P的MBC隨著時間的延遲呈上升趨勢,WP呈下降趨勢;在10—20cm土層,CK、WP的MBC隨時間而降低,W、P則升高。在第二個采樣點,在0—10cm土層,W的MBN顯著低于CK,P、WP則顯著高于CK;在10—20cm土層,W、WP的MBN小于CK。在第三個采樣點,與CK相比,WP、W兩個土層的MBN均顯著降低,而P處理顯著提高了0—10cm土層的MBN。隨著時間的延遲,在0—10cm土層中,CK、W、P的MBN越來越大,WP則越來越小;在10—20cm土層,W的MBN呈增長趨勢,CK、P、WP呈下降趨勢。

方差分析結果表明W、WP因子僅對10—20cm土層的MBC有顯著性作用;W對兩土層的MBN均有顯著性影響,對于下層土壤,僅W對MBN的作用顯著,而P對MBN無顯著性作用(表2)。

圖3 不同采樣時間下不同處理的土壤MBC、MBN含量Fig.3 The content of soil MBC,MBN of different treatments at different sample timeCK, 對照, control; W, 增溫, warming; P, 隔離降雨, precipitation reduction; WP, 增溫×隔離降雨, warming and precipitation reduction; 1, 0—10cm土層, 0—10cm soil depth; 2, 10—20cm土層, 10—20cm soil depth; 不同大寫字母表示同一種處理在同一土層不同時間之間差異顯著, 不同小寫字母表示同一時間同一土層不同處理之間差異顯著(P<0.05);結果表示為平均值±標準差(n=3)

3.4 增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤DOM的紫外光譜特征值的影響

圖4為不同時間下增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤DOM紫外光譜學特征的影響。在旱季(前兩個采樣點),P處理的土壤DOM的AI高于W和WP,但到了雨季(第三個采樣點)P處理的芳香性指數最低。在0—10cm土層,CK、W的芳香性指數隨著時間的推移先降低后升高,P、WP則隨時間的推移先升高后降低;在10—20cm土層,CK、P的芳香性指數隨著時間的推移而降低,W隨時間延遲先增大后減小,而WP則先降低后升高。方差分析結果表明,在0—10cm土層,W和P的交互作用(W×P)對DOM的芳香性指數有顯著的影響,而在10—20cm土層,雙因子的作用不顯著,單因子W、P對芳香性指數的作用顯著(表2)。

圖4 不同采樣時間下不同處理土壤DOM的紫外光譜特征 Fig.4 Characteristics of ultraviolet spectra of soil DOM of different treatments at different sample timeCK, 對照, control; W, 增溫, warming; P, 隔離降雨, precipitation reduction; WP, 增溫×隔離降雨, warming and precipitation reduction; 1, 0—10cm土層, 0—10cm soil depth; 2, 10—20cm土層, 10—20cm soil depth. 不同大寫字母表示同一種處理在同一土層不同時間之間差異顯著, 不同小寫字母表示同一時間同一土層不同處理之間差異顯著(P<0.05);結果表示為平均值±標準差(n=3)

3.5 增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤DOM熒光光譜特征的影響

如圖5所示,在0—10cm土層,CK、W、P、WP處理的土壤DOM,其熒光發射光譜腐殖化指數HIXem值和熒光同步光譜腐殖化指數HIXsyn的值均隨時間的推移先增大后減小;在10—20cm土層,CK、W的HIXem值逐漸減小,P、WP則先增大后變小,各處理的HIXsyn值則隨時間的推移先增大后減小。在第一個采樣點,W、WP的HIXsyn顯著小于CK;在下層土壤,W的HIXsyn小于CK,而P大于CK,結果與AI相呼應,說明該階段P增加了DOM的芳香性指數及腐殖化程度。在第二個采樣點,在0—10cm土層,W的HIXsyn值比CK顯著下降了76%;在10—20cm土層,P的HIXem顯著大于CK,W、WP的HIXsyn顯著小于CK,表明CK的結構比W、WP更為復雜。在第三個采樣點,在上層土壤中,與CK相比,W、P、WP的HIXem、HIXsyn有所降低;在10—20cm土層,各處理的HIXem、HIXsyn值無顯著性差異。方差分析顯示W、P因子對上層土壤DOM的腐殖化程度具有顯著性的影響,同時W對下層土壤的腐殖化程度也有顯著的作用(表2)。

4 討論

土壤含水量是影響生態過程的重要因子,增溫處理使土壤溫度升高,加速水分蒸發;隔離降雨處理則通過減少外源水分的輸入影響土壤含水量。總體來看,W對表層土的含水量有顯著影響,而P處理對下層土的含水量影響顯著(表2)。這是因為增溫后表層土壤的水分更容易蒸發,而下層土壤的土壤水分蒸發相對困難所以受增溫的影響較小[29]。土壤含水量還受到季節的影響,在旱季(前兩個采樣點),W、P和WP處理的土壤含水量基本都低于CT,這可能是因為該時期降雨少,且部分水分蒸發,因此降低了W、P、WP土壤中的水分。但在雨季(第三個采樣點),僅WP處理的表層土壤含水量顯著低于CT處理,這是因為大量的外源雨水輸入削弱了增溫和隔離降雨的作用;再有,該季氣溫回升加強水分的蒸發;同時,由于植物加速生長,增加了植物對水分的利用。

表2增溫、隔離降雨對土壤性質、MBC、MBN、土壤DOM的數量及其光譜學特征的影響的方差分析

Table2Varianceanalysesoftheeffectsofwarming,precipitationreductiononsoilproperties,MBC,MBN,thequantityandspectroscopiccharacteristicsofDOM

土層Soil layer/cm指標Index因子FactorWPW×P土層Soil layer/cm指標Index因子FactorWPW×P0—10土壤含水量???NSNS10—20???NSNS10—20NS?NS0—10DOC???NS???0—10pH????NS10—20???????10—20???NSNS0—10DON?????????0—10SOCNSNS??10—20NS??????10—20NSNS?0—10AINSNS???0—10STNNSNSNS10—20???NS10—20NSNSNS0—10HIXemNSNSNS0—10MBCNSNSNS10—20??NSNS10—20???NS???0—10HIXsyn????NS0—10MBN?????NS10—20?NSNS

W, 增溫, warming; P, 隔離降雨, precipitation reduction; WP, 增溫×隔離降雨, warming and precipitation reduction;SOC, 土壤有機碳, soil organic carbon; STN, 土壤總氮, soil total nitrogen; MBC, 微生物量碳, microbial biomass carbon; MBN, 微生物量氮, microbial biomass nitrogen; 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, aromaticity index; HIXem, 熒光發射光譜腐殖化指數, humification index, emission mode; HIXsyn, 熒光同步光譜腐殖化指數, humification index, synchronous mode; NS, 沒有顯著差異, no significant differences; *,P< 0.05; **,P<0.01;***,P<0.001

圖5 不同采樣時間下不同處理土壤DOM的熒光光譜特征Fig.5 Characteristics of fluorescence spectra of soil DOM of different treatments at different sample timeCK, 對照, control; W, 增溫, warming; P, 隔離降雨, precipitation reduction; WP, 增溫×隔離降雨, warming and precipitation reduction; 1, 0—10cm土層, 0—10cm soil depth; 2, 10—20cm土層, 10—20cm soil depth; 不同大寫字母表示同一種處理在同一土層不同時間之間差異顯著,不同小寫字母表示同一時間同一土層不同處理之間差異顯著(P<0.05);結果表示為平均值±標準差(n=3)

本研究中,增溫顯著影響兩層土壤的pH。溫度升高后,土壤鹽溶液的濃度、CO2和交換性陽離子會發生改變,進而影響土壤的pH[29-30]。增溫后土壤含水量的減少也是pH降低的原因之一。土壤水分高時,土壤中的電解質被稀釋,從而有更多的陽離子進入到溶液中,導致pH升高[31],因此土壤水分與土壤pH顯著正相關(表3)。

土壤含水量與MBC、DOC呈顯著正相關,但與SOC呈顯著負相關(表3)。這表明SOC的變化可能主要是以土壤微生物以及DOM為媒介來調控的。DOM是微生物可以直接利用的能量和養分源[32],也是土壤肥力的敏感指標[33],其含量對增溫和隔離降雨都很敏感(表2)。DOC含量高的土壤,越有利于微生物的分解,相應的SOC也就較少(表1,圖2)。

AI表示DOM中芳香化合物的含量和高分子縮聚作用的程度[34],它與芳香H的含量呈正相關關系[35]。AI越高,表示DOM含有豐富的芳香化合物如木質素的衍生化合物[36]。HIXem、HIXsyn決定了DOM的腐殖化程度[34]。HIXem、HIXsyn越大,表明DOM含更多難分解的物質[34]。較高的HIXem值表示分子結構越復雜,DOM組分包含高度縮合的芳香環和高分子化合物如腐殖質;而HIXsyn與芳香C的含量呈正相關[37]。由此表明,AI和HIXem、HIXsyn能夠用來分析DOM的分解難易程度。在2014年10月,W和WP的DOC高于CK,芳香性指數和腐殖化程度也較低,說明W和WP能夠降低SOC的活化能,促進SOC向DOC的轉化[38],增強微生物的活性,加速SOC的分解;方差分析顯示,增溫會顯著影響DOC的數量(表2)。此時,P處理的土壤DOC數量最少,芳香性指數和腐殖化程度較高,SOC的數量也較低;這是因為P處理會增加土壤的透氣性,加速土壤中原有DOC的礦化,同時由于缺乏新鮮DOM的輸入,所以SOC含量降低。再有,該階段屬于旱季,過少的降雨量會影響土壤營養的淋溶,而長時間的干旱造成植物缺水,不利于植物生長[39],加上植物根部對于水分的競爭也會加劇,由此造成地上部分獲取水分減少,使生物量降低[40],所以P處理減少了DOC的輸入。因此總體上CK處理的SOC含量最高。

在2015年1月,W處理的土壤DOC、DON的數量大于CK,再次證明了增溫有利于DOC、DON的產生。盡管高溫使得微生物的數量不多,但總體礦化作用較強,SOC持續活化為DOC、DON后很快被礦化,W處理的AI和HIXem降低也表明了DOC的易分解性,最終使得W處理的SOC含量最低。值得注意的是,此采樣的時間點是干旱的冬季,增溫不利于微生物生長。另一方面,增溫能夠增加植物細根的數量[14,41],而來源于植物根系的分泌物也是土壤C的重要組成部分[42],繼而通過激發效應[43-44],促進本底有機質的礦化[45- 47]。此階段P處理的DOC數量較少,且其組分難以分解(圖4,圖5);P處理導致土壤水分降低,從而影響植物的生長[39],因此缺乏外源有機質的輸入,這可能是其土壤SOC較低的重要原因。在此階段,WP處理的10—20cm土層的含水量最低,DOC的AI和HIXem也較低,但是SOC含量最高,這與WP處理較低的MBC相呼應,因為較少的微生物量減緩了SOC的分解。WP是W和P的雙重作用,溫度升高促使植物的生物量增加,提高外源有機質的輸入量,促進DOC、DON的數量增加,但由于微生物分解較慢,所以凈的結果是SOC的累積。

到了2015年4月,雨季來臨,增溫和隔離降雨對土壤水分的影響不明顯。相反,P處理的含水量是最高的,這可能是由于前期干旱的條件增加了土壤的孔隙,土壤蓄水能力增加,而較多的水分利于DOM的溶解釋放。旱季由于缺少擴散作用,微生物基質得到累積,進入雨季,細菌的溶解以及C的溶解度增強,導致DOC的濃度變大[48],細菌的溶解釋放大部分的親水性物質即芳香性低的物質[48],使得DOM的可利用性增強,更容易被降解[48],因此P處理的MBC和MBN最高,AI最低。W處理的DOC、DON最高,SOC含量最低,說明增溫一年后,W處理的土壤固碳能力較差。在所有處理中,WP的土壤含水量、MBC和MBN低,而SOC含量高,說明水分的相對缺乏是影響WP處理的關鍵因子,增溫能夠增加有機質的輸入,但是水分減少降低了微生物的活性,抑制有機質分解,因此在增溫和隔離降雨二者交互作用下,SOC得以累積。

整體而言,在試驗期,土壤增溫加速了有機質的分解,促進DOC、DON數量的增加,而其DOM的組分具有較低的芳香性指數和腐殖化指數,因此增溫使土壤DOM的結構變得相對簡單。隔離降雨對土壤DOM的作用在旱季和雨季略有差異,這可能是由于季節變化影響土壤的結構與環境而造成的。在增溫與隔離降雨的雙重作用下,土壤DOC及DON的數量相對增多,其結構較對照簡單,但相對單因子增溫試驗而言更為復雜。增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤DOM的影響較為復雜,未來還將持續觀測以更為深入地探究溫度及水分帶來的影響。

表3 各指標之間的相關性分析

SOC, 土壤有機碳, soil organic carbon; STN, 土壤總氮, soil total nitrogen; MBC, 微生物量碳, microbial biomass carbon; MBN, 微生物量氮, microbial biomass nitrogen; 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, aromaticity index; HIXem, 熒光發射光譜腐殖化指數, humification index, emission mode; HIXsym, 熒光同步光譜腐殖化指數, humification index, synchronous mode; *,P< 0.05; **,P<0.01;***,P<0.001

5 結論

溫度和水分是重要的生態因子,對森林生態系統的功能起著重要作用。增溫加速水分蒸發,隔離降雨通過限制外源雨水的輸入降低土壤含水量,因此增溫對表層土壤水分的影響較大,而隔離降雨對下層土壤水分的影響較大。土壤水分的改變直接影響土壤DOC的數量和質量、植物根系分泌物的產生以及土壤微生物的豐度。DOC和MBC是本試驗調控SOC含量變化的重要因子。增溫處理含較多易分解的DOM,因此SOC的含量低。隔離降雨的影響具有季節性,在旱季不利于植物的生長,并抑制微生物的活性,而在雨季，隔離降雨處理的土壤DOC和MBC明顯提升。增溫及隔離降雨的交互作用在一定程度上增加了土壤DOM的數量,但由于土壤的微生物活性降低,因此減緩SOC的分解。與對照相比,單獨增溫或隔離降雨處理并不利于SOC的固持。但是由于野外條件相對復雜,試驗周期短,未來會長期觀測各處理土壤的有機質及微生物等的變化,以深入了解在未來全球氣候變化背景下,溫度和水分對森林生態系統C、N循環的影響。

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