水土保持林恢復土壤可溶性碳氮組分動態與三維熒光特征分析

曹佳銳,龔可楊,別宇靜,吳冠宇,畢鄭文,拓衛衛,王 健,佟小剛,*

1 西北農林科技大學資源環境學院,楊凌 712100 2 陜西省水利水電工程咨詢中心,西安 710000 3 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100

20世紀70年代末陸續開始實施的三北防護林、退耕還林等一系列生態造林工程使黃土高原林草覆蓋率提升到近65%,水土流失面積減少67%,產生了顯著的水土保持生態效應[1]。但如何防止林地退化,提升林草質量,維持人工林可持續恢復,還亟需掌握人工林恢復生態過程與機制,科學評價生態恢復效應[2]。碳和氮作為土壤養分的核心組分,不僅是反映土壤質量的重要指標,也是維持林地生態系統結構和功能的重要因素[3],所以土壤累積碳氮的能力亦成為人工林植被恢復過程研究的熱點[4]。目前,大部分研究已表明人工林恢復通過生物量返還增加土壤碳、氮儲量[3],并且隨林齡的增大或恢復年限延長土壤有機碳、全氮均呈顯著增加趨勢[5-6]。盡管這些研究從土壤總有機碳和全氮累積上揭示了人工林土壤累積碳氮效應,但土壤中碳氮絕大部分都以多種有機復合態存在,既有易分解的簡單小分子單糖或多糖,也有復雜難分解的腐殖質類[7]。可見,僅從總有機碳和全氮上還不能很好地反映土壤碳氮庫對植被恢復的響應過程和機制[8]。因此,近年來土壤碳氮研究開始關注于易分解,運移快,易吸收利用的活性組分[9-10]。特別是可溶性碳、氮,作為土壤碳、氮庫中最活躍的組分可以直接被土壤微生物分解利用,促進土壤有機態養分轉化為無機態向植被供應,對土壤碳、氮元素的遷移、轉化、利用都有重要作用。同時,土壤可溶性碳氮也是可溶性有機質(dissolved organic matter,DOM)的主要組成部分,它們復合形成了一系列大小、結構不同的分子組成,包括低分子量的游離氨基酸、碳水化合物、有機酸以及大分子量的多糖和腐殖酸等有機組分。這些組分的熒光特征可以采用快速、高靈敏度、無破壞的三維熒光光譜分析,通過觀察對應熒光峰值及計算熒光指數、腐殖化指數、新鮮度指數及自生源指數等熒光參數,定性定量地分析DOM的不同組分類型以及各個組分所占的比例,進而掌握DOM的芳香化、腐殖化程度及官能團組成等結構方面的信息[11]。

黃土丘陵區是我國水土流失治理的重點區域之一,對該區域植被恢復過程土壤可溶性有機質含量變化已有一定研究[12],但對有機組分熒光光譜特征分析還相對薄弱,研究也零散于不同林地[13]、林地管理措施[14]或侵蝕土壤[15],對人工林植被恢復過程更缺乏相關認知。因此,本研究選取黃土丘陵溝壑區典型人工喬木、灌木林及撂荒地不同恢復年限樣地,探究植被恢復過程土壤可溶性碳氮組分及其三維熒光光譜特征,揭示土壤可溶性有機質響應水土保持林恢復的累積效應與有機組成特性動態變化,以期為深入認知研究區水土保持林恢復土壤固定碳、氮機制及其生態效應評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省國家生態造林工程示范區安塞區境內五里灣流域(109°18′E—109°22′E,36°51′N—36°53′N,海拔1010—1400m)。該區屬溫帶大陸性半干旱季風氣候,年平均氣溫8.8℃,年平均降水量505.3mm,主要集中在每年的7、8月份,無霜期157天；地貌以丘陵溝壑為主,土壤為黃綿土,抗侵蝕力差,屬最具代表性的黃土侵蝕區,生態環境十分脆弱。為有效治理水土流失,恢復生態環境,自20世紀70年代開始,該區域進行了一系列人工造林工程,在多年的植被恢復過程中形成了不同恢復年限與類型的人工植物群落及撂荒草地,為本試驗提供了良好的試驗平臺。植物群落中主要的建群種有刺槐(Robiniapseudoacacia)、山杏(Armeniacasibirica)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等,林下草本主要有鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、長芒草(Stipabungeana)等,草本狀半灌木主要有達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等。

圖1 樣地分布圖Fig.1 Map of research region (Ansai district, Shaanxi Province of China)

1.2 樣地選擇與取樣

通過走訪當地林業部門和農戶調查,以空間代替時間法選取了人工種植恢復12a、18a、45a的刺槐林(Robiniapseudoacacia)RP12a、RP18a、RP45a；恢復18a、28a、45a的檸條林(Caraganakorshinskii)CK18a、CK28a、CK45a為研究樣地,并同時選擇自然恢復18a、45a的撂荒地(abandoned land)AL18a、AL45a為對照樣地,各個樣地間直線距離小于3km,均為坡地人工造林而來,管理方式一致,土壤類型相同,各樣地分布見圖1,其基本特征見表1。2019年9月進行采樣,該時期土壤碳氮庫組分變化與微生物活性較強,可代表樣地的養分狀態。每種林地選取3個立地條件相似的重復采樣地,采樣時在每個采樣地內設置20m×20m的標準采樣區進行取樣。采樣時去除土壤表面枯落物,并在每個標準小區沿著坡位自上至下S型布設12點,以直徑5cm土鉆鉆取0—20cm土樣,最后將各點所取土樣充分混合后按四分法取樣,裝入塑封袋作為待測土樣。同時,采用環刀法測定土壤容重。土壤樣品一部分保存于-20℃冰箱內用于可溶性有機質的提取與測定,其余自然風干后研磨過2mm篩測定有機碳和全氮等。由此,每個樣地3個重復混合土樣,共24個,每個樣品平行測定2次,最后以均值與標準誤差表示。

表1 樣地基本特征及0—20cm土層理化性質

1.3 測定指標與方法

土壤總有機碳(SOC)與全氮(TN)分別采用重鉻酸鉀外加熱法和全自動間斷化學分析儀(Cleverchem Anna,Germany)測定。土壤可溶有機質(DOM)以水浸提法[16]提取：稱取25 g土樣與50mL超純水混合均勻(水∶土=2∶1),在25℃下180r/min震蕩60min,再以8000r/min離心6min,上清液過0.45μm濾膜。濾液中可溶性有機碳(DOC)、無機碳(DIC)采用總有機碳分析儀(島津TOC-VCPH)測定；可溶性總氮含量采用過硫酸鉀氧化—凱氏定氮法測定,可溶性無機氮(DIN)為銨態氮和硝態氮之和,采用連續流動分析儀測定,可溶性有機氮(DON)為可溶性總氮與可溶性無機氮之差[17]。

土壤DOM三維熒光光譜(3DEEMs)利用熒光光譜儀(R6000, Shimadzu,Japan)測定,測定激發波長(Ex)范圍為200—500nm,激發采樣間隔為5nm,發射波長(Em)范圍為250—550nm,發射采樣間隔為2nm,掃描速度為6000nm/min。利用三維熒光光譜技術結合平行因子分析法對DOM組分進行分析,使用Matlab軟件中的drEEM(version 0.1.0)和DOMFour工具包對DOM三維熒光光譜進行平行因子(PARAFAC)分析,采用最大熒光強度法評價得出的各組分的相對濃度。熒光指數(FI)為激發波長在370nm時,發射波長在470nm和520nm熒光強度的比值[18]；腐殖化指數(HIX)為激發波長在254nm時,發射波長在435—480nm的熒光強度積分值與300—345nm范圍內的熒光強度積分值之比[19]；新鮮度指(β:α)為激發波長為310nm時,發射波長在380nm的熒光強度與420—435nm范圍內的最大熒光強度的比值；自生源指數(BIX)為激發波長為310nm時,發射波長在380nm和430nm時熒光強度的比值[20]。

1.4 數據處理及分析

不同恢復年限和植被類型樣地土壤總有機碳、全氮、可溶性碳氮組分含量及其比例采用Excel 2016進行分析和作圖；各樣地間指標差異顯著性采用SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析和Duncan法(P<0.05)多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤總有機碳與全氮含量變化

3種植被及不同恢復年限樣地累積碳氮的效應見圖2。與恢復18a相比,恢復45a的撂荒地SOC和TN含量分別增加了84.4%和109.1%。恢復45a的檸條比28a和18a SOC含量分別提高了12.3%和66.2%,TN含量分別提升了17.5%和47.3%。而刺槐45a比18a和12a SOC含量提升了23.7%和79.9%,TN含量分別提升8.3%和36.0%。恢復45a后,SOC含量刺槐和檸條林地分別比撂荒高62.9%和36.3%,TN含量分別高27.2%和45.7%。

圖2 不同恢復年限與植被類型下土壤有機碳和全氮含量Fig.2 Soil organic carbon and total nitrogen content under different restoration years and vegetation types不同字母表示不同樣地在P<0.05水平差異顯著,誤差線均為標準誤差;Ex：激發波長 Excitation wavelength；Em：發射波長 Emission wavelength；PARAFAC：平行因子分析法 Parallel factor analysis；DOM：可溶性有機質 Dissolved organic matter.

2.2 土壤可溶性碳氮組分變化

土壤DOC、DON和DIN含量的變化趨勢與SOC和TN一致,DIC含量變化無明顯規律(圖3)。恢復45a的撂荒地土壤DOC、DIC、DON、DIN分別較18a增加了137.3%、33.7%、13.9%和51.2%。恢復45a后,檸條林DOC、DON及DIN含量比18a高93.6%、109.0%和194.5%,刺槐林DOC、DON、DIN含量分別比12a和18a提升了146.6%、90.4%、96.9%和28.1%、10.4%、20.0%,且DOC含量刺槐≈檸條>撂荒,DON和DIN含量刺槐>檸條>撂荒。

圖3 不同恢復年限與植被類型下土壤可溶性碳氮組分含量Fig.3 The content of soil dissolved carbon and nitrogen under different restoration years and vegetation types

圖4顯示隨恢復年限的增加,檸條和刺槐林地土壤可溶性碳氮占全量碳氮的比率先增大后保持穩定。恢復45a時,檸條林地DOC/SOC、DON/TN與28a相近,比18a分別高13.0%和53.9%。刺槐林地DOC/SOC、DON/TN 45a和18a差異不顯著,比12a分別提升47.8%和42.6%。從18a到45a,撂荒地DOC/SOC顯著提升,DON/TN則明顯降低。恢復45a后,撂荒地DOC/SOC最高,刺槐林最低,DON/TN則相反。

土壤碳氮比是影響土壤有機碳分解的重要因子,研究區土壤SOC:TN和DOC:DON的范圍分別為12.8—19.7和7.4—17.0,除撂荒45a,其余樣地SOC:TN均大于DOC:DON。恢復45a后,SOC:TN刺槐>檸條≈撂荒,DOC:DON撂荒>檸條>刺槐。隨恢復年限的增加,檸條林地SOC:TN表現為18a<28a≈45a,刺槐林地顯著增加,撂荒地則顯著降低；DOC:DON撂荒地顯著降低,刺槐林地表現為12a<18a≈45a,檸條林地僅45a顯著高于12a(圖5)。

圖4 不同恢復年限與植被類型土壤可溶性碳氮占全量碳氮比例Fig.4 The ratio of DOC and DON in SOC and TN under different restoration years and vegetation types

圖5 不同恢復年限與植被類型土壤全量碳氮與可溶性碳氮比 Fig.5 The ratio of SOC to TN and DOC to DON under different restoration years and vegetation types

2.3 土壤可溶性有機質的三維熒光光譜及熒光組分比例分析

根據PARAFAC模型區分DOM三維熒光光譜(圖6)得出所取樣地土壤DOM共有4個熒光組分C1(225nm,260nm/>450nm),C2(255nm,310nm/410nm),C3(225nm,285nm/338nm),C4(225nm,260nm,300nm/400nm)。其中C1被認為是是分子量較大的腐殖物質、木質素等芳香性強的物質[21],來自于植物殘體和土壤有機物[22]；C2被認為分子量相對較低的類富里酸,可能來源于C1組分的降解與轉化[23]；C3與色氨酸單體有相似的熒光峰,為類色氨酸物質；C4普遍存在于地表徑流與廢水中,通常被認為是與人類排放,農業活動等相關的腐殖物質[24-25],研究區原為坡耕地,故可能來源于灌溉、施有機肥、植物殘體等的投入等。各組分的激發波長(Ex)、發射波長(Em)、熒光類型及與相關文獻的對比見表2。

圖6 基于PARAFAC分析得到土壤可溶有機質組分的熒光光譜圖Fig.6 Three-dimensional fluorescence spectroscopy of four components of DOM analyzed by PARAFAC

表2 平行因子分析法得到的四種熒光組分

通過對各水土保持林土壤DOM各熒光組分占比進行分析發現,總體來說各樣地土壤DOM中C1組分占比最高,所占比例處于23.8%—44.7%之間,C4組分占比最低,為6.8%—18.9%。隨恢復年限的延長,3種樣地類色氨酸組分C3占比顯著增加,和人類活動相關的腐殖物質組分C4占比逐漸降低,C1大分子腐殖物質組分占比在檸條和刺槐林中呈增加趨勢,在撂荒地中則減少,C2類富里酸組分占比在撂荒地中顯著降低,刺槐林地中12a>18a≈45a,檸條林地中則無明顯變化(圖7)。

圖7 不同恢復年限與植被類型土壤熒光組分分布比例Fig.7 Relative proportion of four fluorescent components of DOM under different restoration years and vegetation types

2.4 熒光特征參數

熒光指數(FI)、腐殖化指數(HIX)、新鮮度指數(β:α)及自生源指數(BIX)是可以表征DOM的變化情況的重要參數。各水土保持林地FI處于1.58到1.74之間,僅刺槐12a顯著高于其他樣地,其余樣地間沒有差異。HIX可衡量DOM腐殖化程度,高HIX表明有機質腐殖化程度較高。相同恢復年限下,檸條和刺槐林地HIX高于撂荒地,刺槐林地12a<18a≈45a,檸條林地18a<28a≈45a,不同恢復年限撂荒地則差異不顯著。β:α則可以反映新產生DOM所占的比例,BIX表征DOM自生源特征。除刺槐12a,各水土保持林地β∶α和BIX沒有差異,研究區土壤DOM β∶α的范圍位于0.56—0.64,均值為0.58,BIX的范圍是0.56—0.60,均值為0.59(表3)。

3 討論

3.1 水土保持林恢復過程土壤可溶性碳氮組分變化

土壤可溶性碳氮含量及其組分受植物凋落物輸入和分解、土壤水分和養分變化、微生物群落結構與活性、季節與氣候變化以及人為擾動等因素的影響,且不同林分類型的影響因素及受影響程度也有差異[31- 32]。水土保持林植被恢復具有地上凋落物與地下根系碳源氮源輸入、改善土壤理化性質等多種生態效應,進而可以影響土壤可溶性碳氮組分變化。本研究中,檸條、刺槐林地和撂荒地表層土壤SOC、TN、DOC、DON和DIN含量均隨恢復年限延長呈增加趨勢,相同恢復年限下檸條和刺槐林地土壤養分含量高于撂荒地,與前人研究一致[17]。林地中地上部植物殘體、凋落物、地下部根系分泌物及微生物殘體和代謝產物的投入不僅可以提升有機碳和全氮的含量,也相應的增加了可溶性碳氮的溶出量[33],隨著恢復年限的增加,植物殘體及凋落物等的積累也不斷增多,且刺槐和檸條林地比撂荒地有更多的凋落物歸還,故而養分含量提升也更高。

表3 不同恢復年限與植被類型下土壤可溶性有機質四種熒光指標

土壤碳氮各組分含量變化的同時,可溶性碳氮占比及碳氮比也隨之變化。林地土壤DOC/SOC是指示土壤碳庫質量的重要指標,該比例越高說明土壤有機碳庫的分解活性和有效性更高[34]。本研究中DOC/SOC隨恢復年限先增大后穩定,可能是由于植被恢復前期DOC含量的增幅高于SOC,DOC占比增大,恢復一定年限后,生態系統內微生物數量和活性增大,對DOC的利用也增多,使得DOC和SOC的含量變幅相近,使得DOC/SOC相對穩定,土壤碳庫活性維持在一定水平[35]。DON/TN與DOC/SOC有類似的變化規律。碳和氮作為土壤微生物能量來源和細胞結構的要素,碳氮比的高低可直接影響微生物的活動和繁殖,進一步影響有機質礦化分解和腐殖合成。本研究中檸條和刺槐林地土壤SOC:TN隨恢復年限的增加呈增大的趨勢,主要是由于凋落物輸入大量有機碳,SOC含量的增幅大于TN,趨向于有機碳的積累,撂荒地SOC:TN沒有增大可能是由于草地有機碳的投入量相對灌木和喬木林地較低,土壤SOC含量及TN含量變幅相近。鄧健等[36]在黃土丘陵區刺槐林地不同恢復年限土壤研究中C:N為9.55—16.94,恢復20a到45a增大了47.8%,與本文研究結果基本一致。DOC:DON的變化有利于深入了解土壤中DOC及DON的來源及其轉化,微生物活性越高,分解的土壤有機質及植物殘體越多,使得DOC:DON增大[37]。本研究中檸條和刺槐林地DOC:DON恢復一定年限后達到穩定,說明植被恢復前期土壤微生物活性呈增加趨勢,隨時間的延長可能由于微生物消耗和植物利用DOC或DON的同時,土壤中有機物質分解增加DOC、DON含量使DOC和DON含量近似同等程度的改變,達到動態平衡[35]。

3.2 水土保持林恢復土壤DOM三維熒光光譜特征變化

不同植被類型由于其枯枝落葉層的數量和質量、微生物群落的結構和活性、微生物殘體和代謝產物及根系分泌物等不同,進而影響土壤DOM的數量和質量[38]。光譜分析顯示,水土保持林地土壤DOM中大分子腐殖物質和木質素等芳香物質組分所占比例較大,主要是因為研究對象為林地表層土壤,凋落物較多,在土壤微生物的作用下分解轉化形成該組分物質[14],隨著凋落物的積累,檸條和刺槐林地該組分占比隨恢復年限的延長而增大。由于人類活動干涉較少,沒有新的物質輸入和該組分物質的分解消耗,C4腐殖物質組分隨著恢復年限的延長不斷減少。隨年限的增長,植被恢復可以顯著增加土壤微生物量[39],因而和微生物活動相關的類蛋白組分占比增大。熒光參數(FI、HIX、β∶α、BIX)對DOM的來源具有一定的指示作用,FI可衡量DOM來源與降解程度[40],FI小于1.4時,DOM被認為主要為陸生植物及土壤有機質等外源物質輸入,大于1.9時主要為微生物活動等內源過程產生[41]。研究區FI均值為1.63,與李帥東等[42]在環滇池土壤溶解性有機質的研究值1.56相近,表明土壤DOM的來源既有自生微生物活動產生,又有植物殘體及根系分泌物等陸源輸入,且總體上更接近1.4,外源特征更典型。HIX可以衡量DOM腐殖化的程度,HIX越大,說明DOM中分子構成越復雜,腐殖類物質如縮合芳香環難分解組分和大分子化合物的含量越高[43]。檸條和刺槐林地土壤DOM腐殖化程度隨恢復年限的延長先增大后趨于穩定,且顯著高于撂荒地。β∶α可以反映新產生DOM占總DOM的比例,本研究中不同種類和不同恢復年限植被并未改變新生DOM的占比。BIX主要反映自生源的相對貢獻,也可評價其生物的可利用性高低,BIX指數越高,說明DOM降解程度增加、內源碳產物越容易生成。本研究中BIX較低,與王齊磊等[44]在林地的研究結果相近,說明林地土壤DOM以植物殘體等外源物質的投入為主,與FI指示結果一致。

4 結論

黃土丘陵區檸條、刺槐水保林及撂荒地長期恢復土壤均表現出顯著累積總有機碳氮及其可溶性組分的效應,并以刺槐林固持可溶性有機質能力相對較高。這與植被恢復大量植物源碳氮返還土壤轉化累積直接相關,可溶性有機質熒光指數、自生源指數特征也說明DOM主要來源于植物殘體及根系分泌物等陸源輸入以及土壤微生物活動。同時三維熒光光譜特征分析說明植被恢復使得土壤DOM的穩定性增強,組成趨向復雜,也可能是促進土壤固定碳氮的有效機制之一。這首先表現在林地土壤DOC:DON及二者占總有機碳、全氮比例趨向穩定,即使得可溶性有機質碳氮配比組成趨向穩定；其次水保林恢復過程中土壤DOM有機組成以大分子腐殖物質占比最高,且比例相對撂荒地顯著升高,而占比較低的低分子量類富里酸和人類歷史活動輸入的腐殖物質明顯降低；最后,相對于撂荒地水保林可以顯著提高土壤DOM腐殖化程度。這些都說明隨植被恢復土壤DOM穩定性逐漸提高也是人工林土壤固定碳氮,提升土壤質量的重要途徑之一。