人工油松林表層土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量對(duì)短期氮添加的響應(yīng)

姚 旭,景 航 ,梁楚濤,谷利茶,王國梁,2,*,薛 萐,2

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

人工油松林表層土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量對(duì)短期氮添加的響應(yīng)

姚 旭1,景 航1,梁楚濤2,谷利茶2,王國梁1,2,*,薛 萐1,2

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

大氣氮沉降正在顯著影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳循環(huán)過程。目前關(guān)于大氣氮沉降如何影響土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體內(nèi)活性有機(jī)碳含量還不是十分清楚,制約人們對(duì)森林土壤碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)和有關(guān)碳循環(huán)模型的發(fā)展。通過近2年的林地梯度氮添加(0、3、6、9 g N m-2a-1)實(shí)驗(yàn),研究了短期氮添加對(duì)人工油松林表層土壤團(tuán)聚體中不同活性有機(jī)碳含量的影響。結(jié)果表明：短期氮添加對(duì)表層土壤(0—10 cm)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布無顯著影響；隨著氮添加水平增加,大、微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,大、微團(tuán)聚體中活性和高活性有機(jī)碳含量呈先升高后降低的變化規(guī)律,并在N6處理(6 g N m-2a-1)下上述各指標(biāo)達(dá)到最大；同一處理下土壤大、微團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量都表現(xiàn)為高活性有機(jī)碳>中活性有機(jī)碳>低活性有機(jī)碳；相比CK處理,N6處理大團(tuán)聚體低、中、高活性有機(jī)碳含量分別增加115.06%、178.73%和79.61%,微團(tuán)聚體低、中、高活性有機(jī)碳含量增加32.84%、 166.79%和62.05%。大、微團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量增幅最大,表明團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳對(duì)氮添加響應(yīng)最為明顯。研究發(fā)現(xiàn),短期氮添加主要通過影響表層大、微團(tuán)聚體中的中活性有機(jī)碳進(jìn)而影響土壤表層有機(jī)碳含量。主成分分析表明,N添加改變了土壤理化性質(zhì),進(jìn)而導(dǎo)致根系生物量增加并促進(jìn)凋落物分解,是表層土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳變化的主要原因。

氮沉降；土壤團(tuán)聚體；活性有機(jī)碳；油松

日益增加的氮(N)沉降已經(jīng)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生了重要影響[1]。Magnani等[2]通過對(duì)多年碳通量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析, 證實(shí)氮沉降可顯著提高森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫。土壤有機(jī)碳庫是森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分[3]。由于土壤碳庫基數(shù)巨大, 通常整個(gè)碳庫的微小變化很難被發(fā)現(xiàn)[4]。因此有研究將土壤有機(jī)碳分為易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定或難分解有機(jī)碳兩部分[5],并指出土壤有機(jī)碳的短期變化主要發(fā)生在易氧化有機(jī)碳部分,其對(duì)周圍環(huán)境的變化可迅速做出響應(yīng)[6]。KMnO4能夠氧化糖類、有機(jī)酸類等簡單化合物,也能氧化部分復(fù)雜化合物,如腐殖質(zhì)[7]。Logninow等[8]模擬有機(jī)碳被微生物、酶等的氧化分解作用,將易氧化有機(jī)碳能被3種不同濃度的KMnO4(33、167、333 mmol/L)氧化的數(shù)量,分為高活性、中活性、低活性3種活性有機(jī)碳組分。按此分類方法,高活性有機(jī)碳包括微生物碳、可礦化碳、水溶性碳等,中活性和低活性有機(jī)碳包括顆粒有機(jī)碳、糖、脂類等,及部分復(fù)雜化合物[9]。

表土中近90%的土壤有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)[10]。由于不同粒級(jí)團(tuán)聚體的形成環(huán)境和膠結(jié)類型不同,導(dǎo)致其穩(wěn)定性及內(nèi)部物質(zhì)組成等出現(xiàn)差異,進(jìn)而導(dǎo)致活性有機(jī)碳的差異[11]。有研究表明,大團(tuán)聚體較微團(tuán)聚體含有更多的碳,新輸入的有機(jī)碳首先出現(xiàn)在大團(tuán)聚體中,所以大團(tuán)聚體中的活性有機(jī)碳占優(yōu)勢(shì)；微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳大多是高度腐殖化的惰性組分,不易分解[12- 14]。不同粒級(jí)團(tuán)聚體中,不同活性有機(jī)碳含量反映了有機(jī)化合物的種類和氧化的難易程度。

目前關(guān)于N添加條件下土壤活性有機(jī)碳的研究,多以全土為研究對(duì)象[4,15- 19],而對(duì)團(tuán)聚體中不同活性有機(jī)碳影響的研究較少[20]。由于不同粒級(jí)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和內(nèi)部物質(zhì)存在差異,因此研究N添加對(duì)土壤團(tuán)聚體不同活性有機(jī)碳的影響十分必要。此外,目前關(guān)于土壤活性有機(jī)碳影響因素的研究多集中在土壤理化性質(zhì),忽視了根系和凋落物的作用。因此綜合研究土壤理化性質(zhì)和植被因子對(duì)土壤團(tuán)聚體不同活性有機(jī)碳含量的影響,有助于加深對(duì)影響土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳因素的認(rèn)識(shí)。本研究以黃土高原人工油松林為研究對(duì)象,通過野外梯度N添加試驗(yàn),研究表層土壤團(tuán)聚體中不同活性有機(jī)碳含量對(duì)N添加響應(yīng)的差異,研究結(jié)果將為預(yù)測(cè)未來N沉降增加背景下土壤有機(jī)碳庫變化提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于陜西省宜川縣鐵龍灣林場(chǎng)。地處黃龍山林區(qū)東側(cè),地理坐標(biāo)為35°39′N,110°06′E。地貌為黃土梁狀丘陵,海拔860—1200 m,坡度為20°—25°,年平均氣溫9.7℃,無霜期180 d,年均降水量584.4 mm,7—9月份降水量占到年降水量的60%以上。土壤為原生(山坡)或次生(溝谷)黃土,表層土壤容重為1.1 g/cm3。地帶性植被是暖溫帶落葉闊葉林,松櫟林為頂級(jí)群落,林下枯枝落葉層厚3—5 cm。試驗(yàn)地油松林于1966年?duì)I造,面積為600 hm2。林下灌木主要有興安胡枝子(Lespedezadaurica)、胡頹子(Elaeagnusumb-ellata)、黃刺玫(Rosaxanthina)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、忍冬(Lonicerajaponica)、檸條(Caraganakorshinskii)等;草本植物主要為披針苔草(Carexlanceolata)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

已有研究表明,2010年中國氮沉降量變化范圍為0.1—7.43 g N m-2a-1,平均為2.11 g N m-2a-1,從1980年至2010年,中國總的氮沉降量平均每年以0.041 g N m-2a-1的速率增加,并且這種趨勢(shì)在未來數(shù)十年內(nèi)還將持續(xù)下去[21-22]。因此本試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理,分別為對(duì)照(CK),低氮沉降量(N3),中氮沉降量(N6),高氮沉降量(N9)。年施氮量分別為0、3、6、9 g N m-2a-1,肥料選用尿素,每年4、6、8、10月分4次溶解于水中噴施。每個(gè)施N處理設(shè)6個(gè)樣地,樣地面積為10 m×10 m,樣地間隔為5 m。自2014年4月份開始,將尿素溶解于10 L水中,采用噴霧器對(duì)林下土壤來回均勻噴施來模擬氮沉降,對(duì)照樣方噴灑等量的水。每次施肥于雨前噴施,以盡量減少尿素?fù)]發(fā)。采樣前最后一次施氮時(shí)間為2015年8月份。于2014年4月份對(duì)樣地進(jìn)行了植被調(diào)查,取土壤樣品,測(cè)定土壤pH值、有機(jī)碳、全磷、速效磷,測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 人工油松林樣地基本概況

N3：低氮添加Low nitrogen addition；N6：中氮添加Medium nitrogen addition；N9: 高氮添加High nitrogen addition;不同小寫字母表示不同施氮處理之間達(dá)顯著差異水平(P<0.05)

1.3 樣品采集

2015年9月份,在每個(gè)樣地中隨機(jī)設(shè)3個(gè)樣方,大小為1 m×1 m。收集每個(gè)樣方內(nèi)的凋落物,烘干后(65℃,48 h)稱重。在樣方中挖取長×寬×高為50 cm×50 cm×10 cm的土體,挑出植物根系,并分為粗根(>2 mm)和細(xì)根(<2 mm),烘干后(65℃,48 h)稱重。根據(jù)前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)短期氮添加主要影響表層土壤理化性質(zhì)[23-24],因此每個(gè)樣方采集1個(gè)表層(0—10 cm)原狀土壤,放入硬質(zhì)鋁盒中帶回實(shí)驗(yàn)室。挑除可見的動(dòng)植物殘?bào)w,風(fēng)干。一部分進(jìn)行團(tuán)聚體分級(jí),一部分研磨過100目篩測(cè)定土壤有機(jī)碳,全氮,pH,全磷,速效磷；余下部分經(jīng)前處理后用激光粒度儀測(cè)定土壤機(jī)械組成,將測(cè)試結(jié)果按照美國制分類標(biāo)準(zhǔn)劃分為粘粒(<0.002 mm),粉粒(0.002—0.05 mm)和砂粒(0.05—2 mm)。

1.4 測(cè)定方法

土壤團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法[25]。取100 g過8 mm篩的風(fēng)干土樣,放在套有250 um和53 um的土壤篩上,在去離子水中浸泡10 min。之后按照3 cm振幅,30次/min,震蕩2 min。去除漂浮在水面上的雜質(zhì),用離心機(jī)將水中的土壤顆粒分離,從而得到大團(tuán)聚體(>0.25 mm),微團(tuán)聚體(0.053—0.25 mm),和粉-粘團(tuán)聚體(<0.053 mm)。所有團(tuán)聚體沖洗到鋁盒中,于65℃烘至恒重。有機(jī)碳(TOC)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；不同活性有機(jī)碳(LOC)采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定[26],并略作改進(jìn),具體方法如下：稱取含15—30 mg 碳的土壤樣品于50 mL 離心管中,加入333、167、33 mmol/L高錳酸鉀溶液25 mL,密封振蕩1 h,4000 r/min離心5 min,取少量上清液稀釋250倍,然后將稀釋液于565 nm 波長處比色,利用KMnO4消耗量計(jì)算3種活性有機(jī)碳含量,記為C1、C2、C3。C3即為高活性有機(jī)碳,C2—C3為中活性有機(jī)碳,C1—C2為低活性有機(jī)碳。非活性有機(jī)碳(NLOC)為TOC與C1的差值。

1.5 結(jié)果計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分含量=該級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量/土壤樣品總質(zhì)量×100%

加強(qiáng)宣傳教育，構(gòu)建社會(huì)共治格局。該局持續(xù)開展食品藥品安全知識(shí)“五進(jìn)”宣傳活動(dòng)，組建了500人的食品安全志愿服務(wù)大隊(duì)，同時(shí)充分利用新媒體向社會(huì)及時(shí)發(fā)布消費(fèi)警示、科普知識(shí)及工作動(dòng)態(tài)。

采用SigmaPlot 12.5制圖和SPSS 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan 檢驗(yàn)比較不同氮處理下各參數(shù)間的差異(α=0.05),利用因子分析(Factor analysis)對(duì)土壤因子和植被因子進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對(duì)表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響

由表2可知,短期氮添加對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布影響不顯著(p>0.05)。總體上,各處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體以大團(tuán)聚體(>0.25 mm)為主,所占比例為65.36%—73.65%；微團(tuán)聚體(0.053—0.25 mm)次之,為21.88%—28.49%；粉-粘團(tuán)聚體(<0.053 mm)占比最低,不超過6.16%。

表2 氮添加對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體不同粒級(jí)質(zhì)量百分含量的影響

2.2 氮添加對(duì)表層土壤有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

圖1 施N處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響 Fig.1 Effect of N addition on the content of soil organic carbon不同小寫字母表示不同處理之間達(dá)顯著差異水平( P<0.05),不同大寫字母表示同一處理施肥前后之間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)

圖1表明,短期N添加對(duì)土壤有機(jī)碳影響顯著(P<0.05)。隨著N添加水平增加,土壤有機(jī)碳含量總體上呈先增加后降低趨勢(shì),并在N6處理下達(dá)到最大。和CK相比,N3,N6,N9處理土壤有機(jī)碳含量分別提高了61.1%,74.4%,47.6%。此外,與樣地有機(jī)碳本底值對(duì)比,CK處理有機(jī)碳含量無顯著變化,N3,N6,N9處理分別提高了4.76%,17.99%,10.93%。

由圖2可知,同一處理大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高,微團(tuán)聚體次之,粉-粘團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低；隨著N添加水平增加,大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體有機(jī)碳變化遵循土壤有機(jī)碳先升高后降低的變化規(guī)律,都在N6處理下含量最高。相比CK處理,各處理粉粘團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著增加(P<0.05)；N6處理下不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著增加,大團(tuán)聚體有機(jī)碳增幅為56.85%、微團(tuán)聚體有機(jī)碳增幅為51.63%,N3、N9處理與CK相比差異不顯著。由此可以看出,這3種粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)于N添加的響應(yīng)有所差異。

2.3 氮添加對(duì)表層土壤團(tuán)聚體不同活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳含量的影響

如圖3所示,同一處理下,大團(tuán)聚體高活性有機(jī)碳含量最高,中活性有機(jī)碳次之,低活性有機(jī)碳含量最低。隨著N水平增加,大團(tuán)聚體低活性有機(jī)碳含量逐漸增加,中活性和高活性有機(jī)碳含量總體上呈先增加后降低趨勢(shì),并在N6處理下達(dá)到最大。相比CK處理,各處理大團(tuán)聚體低活性有機(jī)碳含量分別增加86.67%、115.06%、144.60%,中活性有機(jī)碳含量增加104.22%、178.73%、148.65%,高活性有機(jī)碳含量增加72.54%、79.61%、73.63%。如圖4所示,同一處理下微團(tuán)聚體高活性有機(jī)碳含量最高,中活性有機(jī)碳次之,低活性有機(jī)碳最低。隨著N水平增加,微團(tuán)聚體低活性有機(jī)碳含量變化規(guī)律不明顯,中活性和高活性有機(jī)碳含量總體上呈先增加后降低趨勢(shì),并在N6處理下達(dá)到最大。相比CK處理,施N處理微團(tuán)聚體高活性有機(jī)碳含量均顯著增加(P<0.05),中活性有機(jī)碳含量增幅最大：微團(tuán)聚體低活性有機(jī)碳含量增加65.69%、32.84%、64.46%,中活性有機(jī)碳含量增加115.02%、166.79%、59.18%,高活性有機(jī)碳含量增加59.35%、62.05%、46.94%。大、微團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量增幅最大,表明團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳對(duì)N添加響應(yīng)最為明顯。通過比較發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體變化規(guī)律類似,都表現(xiàn)為活性有機(jī)碳含量按高、中、低活性碳遞減,且對(duì)N6處理響應(yīng)更敏感；差異在于大團(tuán)聚體低活性有機(jī)碳對(duì)施N處理的響應(yīng)比微團(tuán)聚體低活性有機(jī)碳更為敏感。

圖5表明,同一處理下,大團(tuán)聚體非活性有機(jī)碳含量大于微團(tuán)聚體,隨著N水平增加,大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體非活性有機(jī)碳含量呈先增加后降低趨勢(shì),但之間并無顯著性差異(P>0.05)。說明近兩年的施N試驗(yàn)主要影響活性有機(jī)碳,對(duì)非活性有機(jī)碳影響不顯著。

圖 2施N處理對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響 Fig.2 Effect of N addition on the content of soil aggregates organic carbon不同小寫字母表示同一粒級(jí)不同處理之間達(dá)顯著差異水平( P<0.05),不同大寫字母表示同一處理各粒級(jí)之間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)

圖3 施N處理下土壤大團(tuán)聚體低、中、高活性有機(jī)碳含量 Fig.3 Content of minimally, moderately, highly labile organic carbon in soil macro-aggregates under different nitrogen addition不同小寫字母表示同一活性碳不同處理之間達(dá)顯著差異水平(P<0.05),不同大寫字母表示同一處理不同活性碳之間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)

2.4 影響表層土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳因子的主成分分析

土壤活性有機(jī)碳受到土壤理化性質(zhì)、生物因素的共同作用。氮添加會(huì)改變森林生態(tài)系統(tǒng)C:N:P化學(xué)計(jì)量比和降低土壤pH值,影響凋落物分解、細(xì)根周轉(zhuǎn)、土壤呼吸等,進(jìn)而影響到土壤碳庫。各因子間不可避免地存在多重共線性,為了明確各因子的影響程度,對(duì)影響土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳的3個(gè)植被因子和7個(gè)土壤因子進(jìn)行主成分分析(表3)。結(jié)果表明,所有主成分中特征值>1的有3個(gè),其方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為77.16%。主成分1與有機(jī)碳、全磷、全N、砂粒顯著正相關(guān),與pH、粘粒顯著負(fù)相關(guān),這反映了土壤理化性質(zhì)的內(nèi)在關(guān)系：N添加引起的土壤全N、pH變化引起了土壤其它性質(zhì)的改變,故主成分1可稱為土壤理化性質(zhì)成分；主成分2與粗根生物量、砂粒顯著正相關(guān),與粉粒顯著負(fù)相關(guān),故主成分2可稱為土壤-植被共同作用成分；主成分3與細(xì)根生物量顯著正相關(guān),與凋落物生物量顯著負(fù)相關(guān),表明細(xì)根生物量與凋落物分解都有助于活性有機(jī)碳增加,因此主成分3稱為植被因子成分。以上可以看出,施N引起的土壤理化性質(zhì)變化是土壤活性有機(jī)碳變化的主要原因。

圖4 施N處理下土壤微團(tuán)聚體低、中、高活性有機(jī)碳含量 Fig.4 Content of minimally, moderately, highly labile organic carbon in soil micro-aggregates under different nitrogen addition

圖5 施N處理下土壤大、微團(tuán)聚體非活性有機(jī)碳含量 Fig.5 Content of non-labile organic carbon in soil aggregates under different nitrogen addition不同小寫字母表示同一粒級(jí)不同處理之間達(dá)顯著差異水平(P<0.05),不同大寫字母表示同一處理各粒級(jí)之間差異達(dá)顯著水平( P<0.05)

因子Factor主成分Component123因子Factor主成分Component123有機(jī)碳Organiccarbon0．861?-0．107-0．262凋落物生物量Litterbiomass-0．4870．143-0．784?pH-0．859?0．2760．053粘粒Clay-0．809?0．0440．124全磷TotalP0．700?0．3510．071粉粒Silt0．034-0．906?-0．171全氮TotalN0．947?-0．043-0．045砂粒Sand0．628?0．700?0．039粗根生物量Roughrootbiomass-0．3270．512?0．224貢獻(xiàn)率Contributionrate/%42．6218．9615．58細(xì)根生物量Finerootbiomass0．042-0．2960．877?累計(jì)貢獻(xiàn)率Accumulativecontributionrate/%42．6261．5777．16

*因子與主成分顯著相關(guān)(P<0.05)

3 討論

本研究經(jīng)過近2年的N添加試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),施N對(duì)黃土高原人工油松林表層(0—10 cm)土壤有機(jī)碳影響顯著。其中,適量N添加(3、6 g N m-2a-1)對(duì)表層土壤有機(jī)碳含量有顯著的促進(jìn)作用,而高N添加(9 g N m-2a-1)促進(jìn)作用并不明顯,表明土壤有機(jī)碳對(duì)N添加的響應(yīng)不是線性的,可能存在飽和點(diǎn)。N添加對(duì)土壤有機(jī)碳的影響依賴于凈初級(jí)生產(chǎn)所帶來的碳輸入與分解礦化引起的碳輸出之間的平衡[27]。黃土高原屬于受N限制的地區(qū)[28]。N輸入的增加會(huì)刺激植物生長,但高的N沉降速率會(huì)造成N刺激,使油松林處于由N缺乏向N飽和的階段轉(zhuǎn)變,這一階段N吸持效率會(huì)逐步降低[21]。過高的N沉降速率使得植物生長量減少[29],同時(shí)也減少了植物根系及其分泌物向土壤的碳?xì)w還[24],導(dǎo)致高氮添加促進(jìn)作用不明顯甚至產(chǎn)生毒害。因此6 g N m-2a-1可能是適宜本地區(qū)人工油松林的氮添加量。

本研究發(fā)現(xiàn),短期施N對(duì)表層土壤團(tuán)聚體分布并無顯著影響,各處理以大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高,與安韶山等[30]的研究結(jié)果類似。從團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)角度考慮,微團(tuán)聚體被腐殖質(zhì)等穩(wěn)定,而大團(tuán)聚體是由微團(tuán)聚體進(jìn)一步團(tuán)聚形成的,除原有有機(jī)質(zhì)外,主要是被新輸入的有機(jī)質(zhì)(如碳水化合物、根系分泌物、菌絲)所穩(wěn)定[12]。隨著N添加水平增加,大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體有機(jī)碳變化遵循土壤有機(jī)碳先升高后降低的變化規(guī)律,均在N6處理下含量最高,這表明大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳有一定的相關(guān)性。

土壤有機(jī)碳的短暫波動(dòng)主要發(fā)生在活性有機(jī)碳部分[6]。活性有機(jī)碳主要包括微生物碳、水溶性碳,以及糖類、有機(jī)酸類等簡單易變有機(jī)物和少量復(fù)雜有機(jī)物,其來源主要包括凋落物分解、根系分泌物及脫落物、微生物代謝產(chǎn)物[31],其含量對(duì)氣候變化響應(yīng)較為敏感。本研究發(fā)現(xiàn)短期N添加顯著增加了團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和3種活性有機(jī)碳含量,而對(duì)團(tuán)聚體非活性有機(jī)碳含量無顯著影響。說明施N主要通過影響活性有機(jī)碳進(jìn)而改變團(tuán)聚體及土壤有機(jī)碳含量,繼而驗(yàn)證了前人的研究結(jié)論。本研究中,同一處理下土壤大、微團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量都表現(xiàn)為高活性有機(jī)碳>中活性有機(jī)碳>低活性有機(jī)碳,說明本地區(qū)活性有機(jī)碳組分以高活性有機(jī)碳有主。然而大、微團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量增幅最大,表明團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳對(duì)N添加響應(yīng)最為敏感。由于土壤活性有機(jī)碳的復(fù)雜性,導(dǎo)致目前研究對(duì)于N添加如何影響活性有機(jī)碳機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚存在不足。前人研究表明,低N添加會(huì)通過影響土壤環(huán)境促進(jìn)凋落物分解和根系分泌物輸入而產(chǎn)生更多的可溶性糖等簡單化合物[32]。主成分分析表明,N添加引起的土壤全N、pH變化引起了土壤其它性質(zhì)的改變,進(jìn)而導(dǎo)致根系生物量增加并促進(jìn)凋落物分解。這可能是團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳有明顯變化的主要原因。

本研究發(fā)現(xiàn),除團(tuán)聚體低活性有機(jī)碳外,中、高活性有機(jī)碳含量都表現(xiàn)出隨施N梯度先增加后減小的規(guī)律,在N6水平達(dá)到最高。團(tuán)聚體中、高活性有機(jī)碳,團(tuán)聚體有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳變化規(guī)律類似,說明團(tuán)聚體有機(jī)碳及土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體中、高活性有機(jī)碳關(guān)系密切,這與大多數(shù)研究結(jié)果一致[33-34]。而中、高活性有機(jī)碳在大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中的分布沒有明顯差異,這與前人的研究結(jié)果不同。華娟等[33]在寧夏云霧山草原地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),植被恢復(fù)主要影響大團(tuán)聚體活性有機(jī)碳。李睿等[34]也得出類似的結(jié)論。而王彩霞等[35]發(fā)現(xiàn)各粒級(jí)團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量隨粒級(jí)增大而降低。可見活性有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布是一個(gè)復(fù)雜的過程,不同地區(qū)土壤母質(zhì)、植被條件和生態(tài)環(huán)境,以及團(tuán)聚體分離方法的差異,可能是導(dǎo)致研究結(jié)果差異的主要原因。

4 結(jié)論

(1)短期N添加對(duì)表層土壤和大、微團(tuán)聚體中有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量有著顯著影響,其中N6處理(6 g N m-2a-1)響應(yīng)最為明顯。

(2)施N處理不同程度地增加了表層土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體3種活性有機(jī)碳含量,而對(duì)團(tuán)聚體非活性有機(jī)碳含量無顯著影響。說明施N主要通過影響活性有機(jī)碳進(jìn)而改變有機(jī)碳含量。同一施N處理下,土壤大、微團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量都表現(xiàn)為高活性有機(jī)碳>中活性有機(jī)碳>低活性有機(jī)碳,活性有機(jī)碳組分以高活性有機(jī)碳有主。而大、微團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳含量增幅最大,表明團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳對(duì)N添加響應(yīng)最為明顯。氮添加通過影響大、微團(tuán)聚體中的中活性有機(jī)碳進(jìn)而影響土壤表層有機(jī)碳含量。

(3)主成分分析表明,N添加引起的土壤理化性質(zhì)的改變,進(jìn)而導(dǎo)致根系生物量增加并促進(jìn)凋落物分解,是表層土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳變化的主要原因。至于N添加具體通過影響土壤哪些有機(jī)物導(dǎo)致團(tuán)聚體活性有機(jī)碳增加,有待深入研究。

[1] 許凱, 徐鈺, 張夢(mèng)珊, 徐長柏, 曹國華, 葛之葳, 阮宏華. 氮添加對(duì)蘇北沿海楊樹人工林土壤活性有機(jī)碳庫的影響. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 33(6): 1480- 1486.

[2] Magnani F, Mencuccini M, Borghetti M, Berbigier P, Berninger F, Delzon S, Grelle A, Hari P, Jarvis P G, Kolari P, Kowalski A S, Lankreijer H, Law B E, Lindroth A, Loustau D, Manca G, Moncrieff J B, Rayment M, Tedeschi V, Valentini R, Grace J. The human footprint in the carbon cycle of temperate and boreal forests. Nature, 2007, 447(7146): 849- 851.

[3] 曹叢叢, 齊玉春, 董云社, 彭琴, 劉欣超, 孫良杰, 賈軍強(qiáng), 郭樹芳, 閆鐘清. 氮沉降對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵有機(jī)碳組分的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(2): 323- 332.

[4] 涂利華, 胡庭興, 張健, 李仁洪, 何遠(yuǎn)洋, 田祥宇, 肖銀龍, 景建飛. 模擬氮沉降對(duì)華西雨屏區(qū)慈竹林土壤活性有機(jī)碳庫和根生物量的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(9): 2286- 2294.

[5] 王琳, 李玲玲, 高立峰, 劉杰, 羅珠珠, 謝軍紅. 長期保護(hù)性耕作對(duì)黃綿土總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(9): 1057- 1063.

[6] Biederbeck V O, Janzen H H, Campbell C A, Zentner R P. Labile soil organic-matter as influenced by cropping practices in an arid environment. Soil Biology and Biochemistry, 1994, 26(12):1647- 1656.

[7] Tirol-Padre A, Ladha J K. Assessing the reliability of permanganate-oxidizable carbon as an index of soil labile carbon. Soil Science Society of America Journal, 2004, 68(3): 969- 978.

[8] Loginow W, Wisniewski W, Gonet S S, Ciescinska B. Fractionation of organic carbon based on susceptibility to oxidation. Polish Journal of Soil Science, 1987, 20(1): 47- 52.

[9] 何翠翠. 長期不同施肥措施對(duì)黑土土壤碳庫及其酶活性的影響研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2014.

[10] Jastrow J D. Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineral-associated organic matter. Soil Biology and Biochemistry, 1996, 28(4/5): 665- 676.

[11] Adesodun J K, Adeyemi E F, Oyegoke C O. Distribution of nutrient elements within water-stable aggregates of two tropical agro-ecological soils under different land uses. Soil and Tillage Research, 2007, 92(1/2): 190- 197.

[12] Puget P, Chenu C, Balesdent J. Dynamics of soil organic matter associated with particle-size fractions of water-stable aggregates. European Journal of Soil Science, 2000, 51(4): 595- 605.

[13] Elliott E T, Cambardella C A. Physical separation of soil organic matter. Agriculture, Ecosystems and Environment, 1991, 34(1/4): 407- 419.

[14] 竇森, 郝翔翔. 黑土團(tuán)聚體與顆粒中碳、氮含量及腐殖質(zhì)組成的比較. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(5): 970- 977.

[15] 龍鳳玲, 李義勇, 方熊, 黃文娟, 劉雙娥, 劉菊秀. 大氣CO2濃度上升和氮添加對(duì)南亞熱帶模擬森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳穩(wěn)定性的影響. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 38(10): 1053- 1063.

[16] 方熊, 劉菊秀, 張德強(qiáng), 劉世忠, 褚國偉, 趙亮. 降水變化、氮添加對(duì)鼎湖山主要森林土壤有機(jī)碳礦化和土壤微生物碳的影響. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2012, 18(4): 531- 538.

[17] 涂玉, 尤業(yè)明, 孫建新. 油松-遼東櫟混交林地表凋落物與氮添加對(duì)土壤微生物生物量碳、氮及其活性的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 23(9): 2325- 2331.

[18] 祁瑜, Mulder J, 段雷, 黃永梅. 模擬氮沉降對(duì)克氏針茅草原土壤有機(jī)碳的短期影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(4): 1104- 1113.

[19] 竇晶鑫, 劉景雙, 王洋, 趙光影. 模擬氮沉降對(duì)濕地植物生物量與土壤活性碳庫的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19(8): 1714- 1720.

[20] Tripathi S K, Kushwaha C P, Singh K P. Tropical forest and savanna ecosystems show differential impact of N and P additions on soil organic matter and aggregate structure. Global Change Biology, 2008, 14(11): 2572- 2581.

[21] 鐘曉蘭, 李江濤, 李小嘉, 葉永昌, 劉頌頌, 徐國良, 倪杰. 模擬氮沉降增加條件下土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(5): 1422- 1433.

[22] Lü C Q, Tian H Q. Spatial and temporal patterns of nitrogen deposition in China: synthesis of observational data. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2007, 112(D22): D22S05.

[23] 郭依秋, 范秀華, 汪金松, 金冠一. 太岳山油松林土壤微生物量對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng). 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2013, 19(4): 605- 610.

[24] 齊玉春, 彭琴, 董云社, 肖勝生, 孫良杰, 劉欣超, 何亞婷, 賈軍強(qiáng), 曹叢叢. 溫帶典型草原土壤總有機(jī)碳及溶解性有機(jī)碳對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng). 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(8): 3073- 3082.

[25] Xiang H M, Zhang L L, Wen D Z. Change of soil carbon fractions and water-stable aggregates in a forest ecosystem succession in South China. Forests, 2015, 6(8): 2703- 2718.

[26] 安娟娟, 陳少鋒, 趙發(fā)珠, 楊麗霞, 韓新輝, 康迪, 楊改河. 不同人工植被下土壤活性有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)變化. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(5): 985- 991.

[27] 李嶸, 常瑞英. 土壤有機(jī)碳對(duì)外源氮添加的響應(yīng)及其機(jī)制. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 39(10): 1012- 1020.

[28] 鄒亞麗, 牛得草, 楊益, 文海燕, 傅華. 氮素添加對(duì)黃土高原典型草原土壤氮礦化的影響. 草地學(xué)報(bào), 2014, 22(3): 461- 468.

[29] Neff J C, Townsend A R, Gleixner G, Lehman S J, Turnbull J, Bowman W D. Variable effects of nitrogen additions on the stability and turnover of soil carbon. Nature, 2002, 419(6910): 915- 917.

[30] 安韶山, 張玄, 張揚(yáng), 鄭粉莉. 黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)中不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布特征. 水土保持學(xué)報(bào), 2007, 21(6): 109- 113.

[31] Leith I D, Hicks W K, Fowler D, Woodin S J. Differential responses of UK upland plants to nitrogen deposition. New Phytologist, 1999, 141(2): 277- 289.

[32] 高艷, 馬紅亮, 高人, 尹云鋒, 陳仕東, 章偉, 朱祥妹, 楊玉盛. 模擬氮沉降對(duì)森林土壤酚類物質(zhì)和可溶性糖含量的影響. 土壤, 2014, 46(1): 41- 46.

[33] 華娟, 趙世偉, 張揚(yáng), 馬帥. 云霧山草原區(qū)不同植被恢復(fù)階段土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳分布特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(9): 4613- 4619.

[34] 李睿, 江長勝, 郝慶菊. 縉云山不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳分布特征. 環(huán)境科學(xué), 2015, 36(9): 3429- 3437.

[35] 王彩霞, 王旭東, 朱瑞祥. 保護(hù)性耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的影響. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(5): 121- 126.

Responseoflabileorganiccarboncontentinsurfacesoilaggregatestoshort-termnitrogenadditioninartificialPinustabulaeformisforests

YAO Xu1, JING Hang1, LIANG Chutao2, GU Licha2, WANG Guoliang1,2,*, XUE Sha1,2

1InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2InstituteofSoilandwaterConservation,ChineseAcademyofScienceandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China

Increasing nitrogen (N) deposition is significantly affecting the carbon cycle in forest ecosystems. However, it is not clear how N deposition affects the content of labile organic carbon in soil aggregates, which restricts our understanding of the soil carbon cycle and the development of the carbon cycle model. This study was conducted in an artificialPinustabulaeformisforest and simulated N deposition for nearly 2 years. Three N treatments, namely, N3 (3 g N m-2a-1), N6 (6 g N m-2a-1), and N9 (9 g N m-2a-1), and a control treatment with no N added were applied, and each was replicated six times. Three labile organic carbon in soil aggregates were measured. There was no significant effect of short-term N addition on surface soil aggregates, while soil organic carbon was dramatically affected by N addition. Soil organic carbon content in the 0—10 cm soil layer was higher in the three N addition treatments and was highest in the N6 treatment. Additionally, the change in organic carbon content in macro- and micro-aggregates generally followed the pattern of soil organic carbon, and moderately, highly labile organic carbon also followed. In soil aggregates, the amount of highly labile carbon was greatest, then moderately labile carbon, and the content of minimally labile carbon was lowest. Compared to three labile organic carbon of CK treatment, the amount of minimally, moderately, and highly labile organic carbon in the N6 treatment increased by 115.06%, 178.73%, and 79.61% in macro-aggregate, respectively. And the amount of three labile organic carbons in the micro-aggregate increased by 32.84%, 166.79%, and 62.05%, respectively. Among the three labile organic carbon categories, the change of moderately active organic carbon in the macro- and micro-aggregates was highest, which indicated that the moderately active organic carbon in soil aggregates was the most sensitive to short-term N addition. The results showed that short-term N addition affected surface soil organic carbon content by changing the amount of moderately labile organic carbon in the surface soil macro- and micro-aggregates. The results of a principal components analysis showed that soil total N and pH were affected by short-term N addition and it also caused a change in soil texture and total P. The changes of soil physical and chemical properties may result in an increase in root biomass and litter decomposition which brought a significantly change on active organic carbon content in surface soil aggregates.

nitrogen deposition; surface soil aggregate; labile organic carbon;Pinustabulaeformisforest

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41371508)；中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KFZD-SW- 306- 2)

2016- 08- 02; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: glwang@nwsuaf.edu.cn

10.5846/stxb201608021590

姚旭,景航,梁楚濤,谷利茶,王國梁,薛萐.人工油松林表層土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量對(duì)短期氮添加的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(20):6724- 6731.

Yao X, Jing H, Liang C T, Gu L C, Wang G L, Xue S.Response of labile organic carbon content in surface soil aggregates to short-term nitrogen addition in artificialPinustabulaeformisforests.Acta Ecologica Sinica,2017,37(20):6724- 6731.