模擬氮沉降對油松土壤熱水浸提有機物的影響

艾澤民, 梁楚濤, 辛 奇, 薛 萐, 劉國彬1,

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院大學, 北京 100049; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

隨著我國工農業的發展，活性氮排放持續增加，氮沉降已經成為我國所面臨主要環境問題之一，而且近年來氮沉降量還在不斷增高[1-3]。盡管較低的氮沉降增加森林生態系統生產力，但長期、大量的氮沉降對生態系統的負面影響也引起了廣泛關注[4-6]。已有的研究普遍認為，氮沉降會對土壤有機質分解、轉移產生影響[7]。

熱水浸提有機物是土壤有機質中的主要活性組分，它包括大部分土壤微生物量和簡單的有機化合物，在土壤營養元素遷移轉化過程中有著非常重要的作用，是土壤碳庫對環境變化響應的敏感指標[7-8]。通常用熱水浸提有機物碳、氮含量反映熱水浸提有機物含量[8-9]，并用紫外特征值反映其官能團特征和生物降解性[11-12]。目前，關于黃土丘陵區氮沉降對森林生態系統的研究對土壤有機質的研究多集中于碳儲量研究，對活性組分關注較少。

本研究選取中國北方溫帶針葉林常見樹種，暖溫帶濕潤半濕潤氣候區地帶性植被油松[13-14]，參照黃土高原氮沉降量[3.0～7.3 g/(m2·a)][15]，噴施無機氮肥尿素，研究氮沉降對油松根際、非根際熱水浸提有機物影響，分析氮沉降對森林土壤碳庫的潛在作用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地設在中國科學院教育部水土保持與生態環境研究中心試驗田，位于楊凌農業高新技術產業示范區。該區屬溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫13.2℃，降水量674.3 mm，日照時數1 993.7 h，無霜期225 d。試驗用土取自中國科學院水利部水土保持研究所安塞水土保持綜合試驗站，延安北部油松林地主要土壤為黃綿土，為黃土高原典型土壤，含氮量約為0.724 mg/kg。

1.2 試驗設計

2007年3月將油松的種子播種于5 m×10 m的苗床上培育。2008年3月，將一年生油松幼苗移栽于直徑35 cm、深度40 cm的PVC試驗盆中。本研究設置6個處理[CK，N1，N2，N3，N4，N5依次為0，2.8，5.6，11.2，22.4，44.8 g/(m2·a)]，該水平從黃土高原當前N沉降強度[約2.06 g/(m2·a)]到嚴重過量。采用單因素區組設計，每個處理設置68盆。從2008—2014年，每年的3月20日—4月10日間任意1次下雨前將不同氮處理的尿素用量溶于1 000 ml蒸餾水中，并均勻施入試驗盆內。

1.3 試驗方法

(1) 取樣方法。2014年7月，在每個施氮水平選擇有代表性的盆栽6盆，破盆取土。用抖根法區分根際土與非根際土，并用四分法取適量土樣，過2 mm篩以除去土壤中殘留的根與其他殘留，取適量土樣風干分別過1 mm篩和0.25 mm篩。

(2) 土壤碳氮含量測定。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳(SOC)含量，采用半微量凱氏定氮法測定土壤全氮(TN)含量[16]。土壤硝態氮、銨態氮采用1 mol/L氯化鉀以水土比10∶1浸提，用流動分析儀測定[16]。結果見表1。

表1 不同氮沉降水平下土壤碳、氮含量

注：字母不同代表有顯著性差異。

(4) 水溶性有機物紫外特征值測定。吸光度斜率指數(absorbance slope index，ASI)[17]被用來反映分子量的大小及羧基芳香基含量，SUVA254和UV280則被用來反映水溶性有機物芳化程度[18-20]。E4/E6在UV/Vis光譜分析中是被認為與DOM芳香性、縮聚程度和分子量呈負相關[21]。采用UV-1601紫外—可見分光光度計測定水樣在220～700 nm處波長，記錄220，230，254，272，280，465，665 nm處的吸光值為UV220，UV230，UV254，UV272，UV280，UV465，UV665。分別計算ASI[17]，SUVA254[20-22]，E4/E6[23]。計算公式如下：

ASI=0.56(UV254-UV272)/(UV220-UV230)

(1)

SUVA254=UV254/Ctoc

(2)

E4/E6=UV465/UV665

(3)

式中：Ctoc為提取液有機碳濃度(mg/L)。

1.4 數據處理

采用Excel 2010繪制條形圖，使用SPSS 20進行多重比較(Duncan法)和相關性分析(Pearson法)。

2 結果與分析

2.1 氮沉降對熱水浸提有機碳(HWOC)的影響

氮沉降在一定范圍內可以增加根際HWOC含量(不超過N3水平)，但過量的氮沉降并不能繼續增加根際HWOC含量，而氮沉降并未對非根際HWOC含量產生顯著影響(圖1)。HWOC具有明顯的根際效應，根際HWOC顯著高于非根際。

根際HWOC占SOC的比例，隨著氮沉降量的增加從CK處約2.5%逐漸升高，在N3處達到最高.5%，隨后趨于穩定(圖2)。非根際HWOC占SOC的比例隨氮沉降增加而增加，在N2處達到最高值約3.4%，隨后穩定在3%。根際HWOC/SOC均高于非根際，但未見顯著差異。

注：不同大寫字母表示同一施氮水平下，根際與非根際差異顯著。不同小寫字母表示不同施氮水平下，根際或非根際的差異顯著性，下圖同。

圖1氮沉降對熱水浸提有機碳的影響

圖2 熱水浸提有機碳占土壤有機碳中的比例

2.2 氮沉降對熱水浸提氮(HWTN)及其組分的影響

HWTN的測定結果見圖3，HWTN含量隨氮沉降的增加而增加，根際HWTN從25 mg/kg增加至80 mg/kg，非根際HWTN從18 mg/kg增加至60 mg/kg，根際顯著高于非根際。而對HWTN組分的分析發現，氮沉降和根系都會增加HWTN中有機氮(HWON)含量，可溶性氮中銨態氮的比例隨氮沉降的增加而降低，并且根系比例低于非根際。

熱水浸提總氮與氮沉降量較為明顯的線性關系(根際r2=0.9670，非根際r2=0.9335)，熱水浸提有機氮與施氮量也有較好的線性關系(根際r2=0.9884,非根際r2=0.9448)。

圖3 氮沉降對熱水浸提氮及其組分的影響

根際HWTN/TN與HWON/TN顯著高于非根際(圖4)。其中根際HWTN/TN隨氮沉降增加，由7.5%升高至25%，非根際HWTN/TN由3%升高至10%，根際HWON/TN由3%升高至11%，非根際HWON/TN由1.8%上升至6%。HWTN/TN與HWON/TN均隨氮沉降增加而升高。

圖4 氮沉降對熱水浸提總氮與有機氮在土壤全氮中比例的影響

2.3 氮沉降對熱水浸提有機物紫外特征值的影響

由圖5可見，ASI指數隨氮沉降的增加而降低，且根際均高于非根際，SUVA254與UV280均在N3水平出現一個峰值，N4水平出現谷值。E4/E6根際的結果也出現了拐點，但根際、非根際并未出現于SUVA254和UV280相似的富集現象。

圖5 氮沉降對紫外特征值ASI，SUVA254，UV280，E4/E6的影響

2.4 熱浸提有機物碳氮含量與特征值相關性

表2 熱水浸提有機物組分與其官能團特征的相關性分析

注：*表示顯著相關(p<0.05)，**表示極顯著相關(p<0.01)。

3 討 論

3.1 氮沉降和根際對HWOC的影響

HWOC被認為是土壤碳庫的重要組成成分，是土壤肥力的重要指標[9]。它主要來源于枯落物的分解、微生物及根系分泌物。文中所用植物油松屬多年生常綠喬木，且均處在生長期，幾乎沒有枯落物產生，因而可以不考慮植物枯落物分解對HWOC的影響[22]。較低的氮沉降增加了根際土壤HWOC含量，也增加了HWOC在SOC中的比例，而與之對應的非根際土壤卻沒有表現出相似的增加趨勢。說明氮沉降促進植物根際生物活動的增加[21]，且對有機質分解、分泌產生熱水浸提有機碳的速率影響大于其礦化速率影響[24-25]。較高水平的氮沉降不再增加HWOC及HWOC/SOC，可能與氮素飽和，其他因子成為HWOC積累的限制因子有關。

3.2 氮沉降對熱水浸提氮的影響

外源氮素進入土壤，被植物吸收利用，又通過根系分泌進入土壤，植物根際的熱水浸提氮素含量隨氮沉降量增加而增加[26]，氮沉降增加熱水浸提氮中有機氮的比重，降低了無機氮比重[27]，說明土壤可溶性有機物氮含量并未飽和。

非根際熱水浸提氮隨氮沉降增加而增加，但熱水浸提有機氮占熱水浸提氮的比重變化與根際并不一致，在較低的氮沉降的水平，HWON/HWTN隨氮沉降升高降低。非根際土壤中，熱水浸提有機氮主要受微生物活動及根際可溶性有機物隨土壤水分的遷移影響，較低的氮沉降水平下，遷移速率小于礦化速率，無機氮素比例增加，較高的氮沉降水平下，因為根際可溶性有機氮增加，根際向非根際的遷移速率也隨之增加，非根際可溶性有機氮在氮素中的比例升高。

3.3 氮沉降對紫外特征值的影響

土壤不同碳氮組分往往具有較大的周轉差異。熱水浸提有機物中，有一些難分解的部分，如芳香性、高分子量化合物，是土壤中相對惰性的組分，對土壤碳庫的周轉時間有著較大影響。

氮沉降對ASI與E4/E6有較大影響，而只有較低的氮沉降會對SUVA254和E260產生影響，盡管這4個官能團特征值均可反映芳香化程度、分子量大小，但結果并不完全一致，這可能與不同指標所表征的物質結構并不完全一致，不同氮沉降水平下，微生物代謝功能發生變化有關[30]，熱水浸提有機物官能團特征發生改變且變化并不一致。

3.4 碳氮含量與官能團特征值相關性關系

4 結 論

較低的氮沉降增加了根際HWOC含量及HWOC/SOC，較高水平的氮沉降不再增加，這可能與氮素飽和，其他因子成為HWOC積累的限制因子有關，非根際土壤卻沒有表現出相似的增加趨勢，沒有明顯變化。非根際熱水浸提氮隨氮沉降增加而增加，但HWON占熱水浸提氮的比重變化與根際并不一致，在較低的氮沉降的水平，HWON/HWTN隨氮沉降升高降低。熱水浸提有機物官能團特征發生改變且變化并不一致。SUVA254與E280(與銨態氮相關)，ASI(與硝態氮相關)：兩組指標或許可用以指征代謝類型對氮沉降的響應的差異。

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