耕作擾動對喀斯特土壤可溶性有機質及其組分遷移淋失的影響

劉霞嬌,段亞峰,葉瑩瑩,肖霜霜,張 偉,王克林,*

1 中國科學院亞熱帶農業生態研究所, 長沙 410125 2 中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站, 環江 547100 3 中國科學院大學, 北京 100049 4 湖南農業大學, 長沙 410125 5 長沙市環境監測中心站, 長沙 410001

DOM淋失與人類干擾密切相關,且受到多種環境因素的影響。Meek等研究表明,耕作會增加土壤養分的淋失[7]。不合理的耕作會導致土壤團聚體破碎,加快有機質活性組分氧化和礦化,致使土壤養分大量丟失[8]。而適當的耕作措施有利于土壤水分與養分的保持,同時減少地下水污染風險[9]。DOM淋失具有顯著的季節性特征,且DOC與DON的淋失特征不盡相同。Kaiser等發現,土壤DOC淋失量在夏季最大,在短暫的干旱后的降雨期間達到最大值[1],而DON在冬季淋溶量明顯小于夏季[10],降雨或灌溉及其頻率是導致農田 DON 滲漏的最大驅動力[5]。DOM的淋失還與其自身組分與結構有關,有研究表明DOC吸附過程中,難分解組分易于受到吸附保護,而親水性化合物、簡單小分子化合物不容易被吸附,且吸附后的生物穩定性差,還易出現解吸或被疏水性化合物替代吸附的現象[11]。Kaiser等發現,土壤DOC夏季淋失多為親水化合物和小分子物質,而秋季多疏水性化合物[12]。Nguyen 等發現溫度能影響土壤DOM淋失的質與量,其SUVA值隨著溫度的升高而增大[13]。以上研究均從單一影響因素出發,缺乏人為因素與自然因素相結合的研究,且對 DOM分子結構對人為干擾的響應尚不明確。

西南喀斯特地貌特殊,生態環境脆弱,具有土壤淺薄、植被不連續等特征[14]。前期研究發現,喀斯特自然生態系統土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)等養分含量顯著高于同地區紅壤,但是一旦轉變為耕地,土壤養分含量顯著降低,開墾兩年后,土壤有機質丟失率高達42%,表現出急劇損失特征[15]。然而,以往研究表明喀斯特坡地地表侵蝕過程并不發育,且地表徑流系數普遍小于5%,因而喀斯特地區養分淋失過程對土壤養分損失和土壤退化的貢獻比非喀斯特地區更為重要[16]。目前,喀斯特地區土壤DOM淋失研究主要關注森林生態系統,如曹建華等發現,不同植物凋落物會產生不同質和量的DOC淋失,并導致Ca2+的淋失差異,且土壤DOC濃度呈現與水熱相關的季節變化動態[17-18]。Georg等通過對喀斯特區兩個森林進行13年的監測發現,DON淋失呈現出明顯的季節特征,融雪和全年降雨量是其主要驅動因素[19]。但是,森林與農田的養分淋失存在很大的差異,而目前對喀斯特地區農田生態系統DOM的研究主要集中在不同剖面DOM差異上,缺乏對DOM淋失的相關研究。如汪智軍等通過對巖溶區不同土壤剖面DOM分布研究發現,耕地較其他用地類型更易發生養分淋失[20]。 田麗艷等通過對不同巖性的2個坡地的土壤剖面研究發現,SOC含量隨剖面深度的增加而降低,且SOC 含量坡腳>坡頂大于坡腰[21]。

因此,針對喀斯特地區更易產生養分銳減、土壤退化和水體污染等生態環境問題,對其土壤的耕作方式及其DOM遷移淋失的研究顯得尤為迫切。本文基于翻耕模擬試驗,通過對典型喀斯特石灰土DOM及其官能團組分淋失動態進行研究,分析淋溶水DOM及其官能團組分對翻耕頻率的響應,探討DOM及其官能團組分淋失的主要影響因素,為深入揭示人為干擾作用下喀斯特土壤養分的快速丟失機制奠定基礎。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區毛南族自治縣,該區域屬于云貴高原南部邊緣斜坡地帶的典型喀斯特峰叢洼地,地理坐標為107°51′—108°43′E、24°44′—25°33′N,屬亞熱帶季風氣候區,氣候溫和,雨水充沛、雨熱同季、無霜期長。年平均氣溫16.5—20.5℃,多年平均降雨量為1380mm,雨季平均持續130—140d,本次研究觀測期降水主要集中在4—9月,尤以6月中旬至7月中旬最多,達350—460mm,常出現澇災,10月至次年3月份為旱季,常受到干旱威脅。平均蒸發量為1570mm,相對濕度平均為70%。土壤為白云巖發育而成的石灰土,土壤質地為粘壤土,土壤pH值為中性至微堿性。

1.2 試驗設計與樣品采集

2013年12月在中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站選取典型坡腳部位建立樣地。該樣地原始植被類型為灌木叢,優勢種為三對節(Clerodendrumserratum)、八角楓(Alangiumchinense)及千里光 (Senecioscandens)等。試驗設置6個處理,分別為：原始對照(natural vegetation, NV)、免耕對照(T0)、每6個月翻耕(T1)、每4個月翻耕(T2)、每2個月翻耕(T3)、和每月翻耕(T4)等處理。試驗樣地采用隨機區組設計,包括4個區組,每個區組包含6個規格為2m×2m的小區,共24個小區(圖1)。除NV處理外,其他5個處理均刈除地上植被,按照試驗設計進行翻耕處理。每個小區四周由PVC板隔斷,相鄰兩塊PVC板由焊條焊接。PVC板地下埋深為30cm,以阻隔相鄰小區土壤側向的養分流動;地上出露20cm,以阻斷小區內外和小區之間地表徑流交換;為了更好的模擬耕作地的覆被環境,并避免種植玉米所導致的養分吸收及凋落物輸入等復雜的養分循環過程對本研究結果的影響,本試驗樣地選用塑料仿真模擬植物,每株仿真植物高1.5m,冠幅約1m2,每小區栽植4株仿真植物(圖1)。

圖1 小區分布示意圖及淋溶水收集裝置安放示意圖 Fig.1 Schematic diagram of sampling plot distribution and leaching device

每個小區淋溶水樣品通過淋溶盤收集[22](圖1),并儲存在深埋地下70cm處的密封盒(1.6L)中。淋溶盤為不銹鋼質地,長50cm、寬30cm、高5cm。在側邊靠近盤底的位置設出水口,由不銹鋼管頭引流。淋溶盤中裝填粗石英砂顆粒。為防止石英砂隨淋溶水流出,預先在盤底鋪尼龍網。淋溶盤埋設深度為30cm。在小區側邊于地下30cm處向小區內部埋設淋溶盤。淋溶盤埋設略呈傾斜狀,內高外低,以利于淋溶水順利流出。淋溶盤裝填完畢后,用開挖出的土壤填實埋設槽內的縫隙。淋溶水由淋溶盤的出水口流出、經由導流管收集至密封盒中。該淋溶水收集裝置布設好后,回填施工溝。通過兩根由密封盒延伸至地表之上的硬質PU氣管抽提密封盒中的淋溶水。其中一根PU氣管(A)插入密封盒底部,用以抽提,另一根PU氣管(B)的管口高度與盒蓋平齊,用以通氣。采樣時,將氣管A連接真空泵,通過負壓將密封收集盒中的淋溶水全部抽出,記錄體積并取部分帶回實驗室進行過濾分裝,樣品置于-18℃冰箱進行冷凍保存,以備分析。翻耕處理于2014年6月底開始實施,淋溶水采集從2015年8月持續至2016年7月,每月1次(于每月翻耕當日計算)。氣象數據采用環江站氣象觀測站數據。

1.3 樣品分析與測定

表1 選用的光譜波長及其對應的土壤有機物特性和生物學意義

1.4 數據分析

2 結果與分析

2.1 喀斯特石灰土DOC、DON淋失量對耕作擾動頻率的響應

表2 不同翻耕頻率處理下可溶性碳、氮及陽離子年總淋失量差異比較

NV：原始對照,natural vegetation;T0：免耕對照,no-till contrast;T1：每6個月翻耕,semiannual tillage;T2：每4個月翻耕,tillage every four months;T3：每2個月翻耕,bimonthly tillage;T4：每月翻耕,monthly tillage;DOC：可溶性有機碳,dissolved organic carbon;DON：可溶性有機氮,dissolved organic nitrogen;DOC/DON:可溶性有機碳氮比;TDN：可溶性總氮,total dissolved nitrogen;DON/TDN：可溶性有機氮占總氮百分比;括弧內值為標準差;同一行內相同字母表示不存在顯著性差異;不同字母表示差異性顯著(P<0.05,n=4)

2.2 喀斯特石灰土DOC、DON淋失量及其官能團組分的月變化動態

2.3 DOC、DON淋失量與官能團特征指標的相關關系

DOC淋失量與4個官能團特征參數都具有顯著的負相關關系(P<0.01),說明DOC淋失量較低時,其芳香性、疏水性以及大分子化合物淋失量較大,DOC淋失量較高時,DOM組分中小分子有機物較多。DON淋失量與4個官能團特征參數無顯著相關關系,說明DON的淋失量與芳香性、疏水性官能團以及大分子化合物含量無關,DON的淋失與其他性質相關(圖6)。

2.4 DOC、DON淋失量與Ca2+、Mg2+、TDN及無機氮組分淋失量的相關關系

3 討論

耕作方式通過影響土壤物理結構、微生物活性及土壤養分狀況等,進一步影響水分運動和DOM淋失[24-25]。耕作一方面會使土壤表層通透性提高, 濕度降低,微生物分解活動加強,從而加快土壤有機質(SOM)的分解和小分子DOM的產生,導致DOM淋失量增大[26];另一方面耕作導致團聚體結構破壞,從而使閉蓄態有機碳、氮礦化丟失,DOM淋失量增大[24]。研究表明, DOC、DON在各耕作擾動處理之間都存在顯著差異,且都與耕作擾動頻率存在顯著正相關關系,但DON與耕作頻率之間的相關性更明顯(表2)。隨著翻耕頻率的增加,淋溶水DOC/DON逐漸減低,氮淋失量呈上升趨勢。一般而言,C/N比降低意味著土壤有機質降解加快[21],不利于土壤碳氮固持,增大氮淋失風險[27]。這表明,持續翻耕會削弱土壤碳與氮的匯功能,不利于當地生態系統的維持與發展。

圖2 耕作擾動處理下可溶性有機碳DOC、可溶性有機氮DON淋失量以及單位吸光度SUVA的月變化動態(n=4)Fig.2 The leaching amount of DOC, DON and unit absorbance SUVA along with the change of time from ploughing treatment (n=4)*表示在0.05水平上存在顯著差異;大寫字母表示旱季與雨季之間差異性;相同字母表示不存在顯著性差異;不同字母表示差異性顯著(P<0.05)

圖3 DOC、DON淋失量相關關系Fig.3 Relations between DOC and DON amount in leaching water

圖4 不同形態氮素淋失比例月變化特征(n=4) Fig.4 The leaching amount of N along with the change of time (n=4)

圖5 DOC、DON淋失量與降雨量及溫度的相關關系Fig.5 Relations between rainfall, temperature and DOC, DON amount in leaching water

圖6 不同月份DOC、DON淋失量與4個官能團指標SUVA254、SUVA260、SUVA272和SUVA280的相關關系(n=4)Fig.6 Relation between DOC、DON leaching amount and function group parameters of SUVA254, SUVA260, SUVA272, SUVA280 from different month (n=4)SUVA254：254nm單位吸光度;SUVA260：260nm單位吸光度;SUVA272：272nm單位吸光度;SUVA280：280nm單位吸光度

敏感,溫度與濕度的升高導致微生物活性增強,土壤SOM分解加速,所以DOC淋失量大。故DOC旱季淋失量>雨季。這與茍小林等[32]對高山土壤DOC淋溶特征研究的結果一致。

表3 Ca2+、Mg2+淋失量與碳氮淋失量的Pearson相關性分析

**表示在0.01水平(雙側)上達到顯著相關,*表示在0.05水平上顯著相關,n=4

表4 翻耕頻率與季節變化及其交互作用對DOC、DON淋失量以及4個官能團指標的影響

df表示自由度,F為統計量,**表示在0.01水平(雙側)上達到顯著效應,n=4

4個官能團參數在不同翻耕頻率下差異不顯著,在監測期內表現為初期小、后期大(圖2),主要受季節變化的影響,各翻耕處理間無顯著差異(表4)。該結果表明,隨翻耕頻率的增加土壤DOM淋失量增加但不影響DOM官能團特征。DOM中芳香性組分所占比例越大,說明所形成化合物越復雜、分子量越大,并具有更高的穩定性,而可溶性有機物中疏水性部分具有更大的C/N比和芳香性,因此更不易分解、具有更長的周轉周期[23]。4個官能團特征參數與DOC淋失量都具有顯著的負相關關系(圖6),表明翻耕處理增加了DOC淋失,但其淋失組分仍以小分子物質為主,意味著持續的翻耕可能會進一步導致土壤SOM穩定組分的損失。SUVA主要表征疏水基團含量(表1),富碳有機物含有的疏水基團比例高,而富氮有機化合物所含的親水基團比例高,所以DON與SUVA無緊密關系(圖6)。但考慮到高頻率的翻耕處理仍以小分子DOM淋失為主,同時隨著處理實施時間的延長,DON淋失量和DON/TDN逐漸增加,意味著進入水體的DOM容易分解礦化,持續的耕作干擾將大大增加水體N素污染風險。

4 結論

喀斯特石灰土DOC、DON的淋失均受到翻耕頻率、季節變化及其交互作用的影響,DOC、DON及DON/TDN均隨翻耕頻率的增加而增加。在觀測期內,DOC與DON表現出截然不同的淋失特征,DOC在監測初期淋失量大、后期小,DON表現為監測初期淋失量小、后期大。DON對耕作頻率的變化更為敏感。少耕和免耕有利于減少DOM的淋失,尤其在干旱交替之際,應盡量避免耕作擾動,防止DOM的淋失。淋溶水DOM的芳香性、疏水性等大分子量組分不受翻耕頻率的影響,但受季節變化影響,分子量小且芳香性低的DOM更容易淋失。以上結果表明耕作擾動會加劇土壤DOM淋失,但淋失組分中穩定性組分沒有變化,意味著耕作干擾會導致土壤有機質的持續損失,且由于其淋失組分碳氮比(DOC/DON)隨擾動頻率增加而降低,DON/TDN比隨擾動頻率增加而增加,持續的耕作干擾將大大增加水體氮素污染風險。同時,本文所獲得DOC、DON及其官能團組成變化動態對于了解耕作過程中土壤碳庫變化的機理和過程也具有一定的支撐作用。