黃土丘陵區不同坡向土壤水溶性有機物特征及其根際效應

翟珈瑩, 李袁澤, 宋亞輝, 喬磊磊, 辛 奇, 薛 萐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 林學院, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤的養分狀況受到諸多因素的影響，坡向作為重要的地形因子對土壤的影響尤為明顯。岳明[5]認為坡向的變化就是光照、水分和養分的生態序列，地形因子通過其他一些因子作用于植物和土壤，從而對土壤養分狀況產生影響。黃土丘陵區雖整體屬同一氣候區，但山體不同方向上的微氣候卻存在不同[6]，這種坡向分異通過改變光照、溫度、水分等生態因子[7]的同時也改變土壤生物化學過程，從而有可能作用于土壤養分，對土壤生態系統功能和植物生長等產生重要影響。目前研究主要集中在坡向對植物生長、微生物活動或者土壤水分特征的影響等方面，而關于坡向對土壤水溶性物質影響的研究卻鮮見報道。此外，土壤作為植物生長發育的基質,為植物正常生長提供所需的養分和水分[8]，而植物反過來通過根系作用于土壤環境并對土壤養分產生一定的影響[9]。目前關于植物的根際效應對土壤養分的影響是土壤學研究的重點之一，而不同坡向梯度上植物根際效應的差異也鮮見報道，因此，本研究以黃土丘陵區不同坡向草地群落的土壤為研究對象，分析坡向對土壤水溶性碳、氮的影響以及主要物種的根際效應，以期為認識黃土丘陵區生態恢復過程的土壤質量保育和作用機理提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國科學院安塞水土保持綜合試驗站墩山(109°19′23″E，36°51′30″N)，海拔1 068～1 309 m，年均氣溫8.8℃。年平均降雨量500 mm，年際變化大且年內分配不均,其中60%以上集中于7—9月，氣候屬于暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區，該區地形破碎，溝壑縱橫，屬黃土高原丘陵溝壑地貌，土壤類型以黃土母質上發育而成的黃綿土為主，抗沖抗蝕能力差。目前研究區的優勢草本主要為鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、狗尾草(Setariaviridis)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、長芒草(Stipabungeana)、披針苔草(CarexlanceolataBoott)等。

1.2 樣地選取與樣品采集

選取3個棄耕年限相同，立地條件相似但坡向不同的天然草地作為試驗地，3個坡向分別為陽坡(S15°W)、半陽坡(N75°W)、陰坡(N57°E)。在每個坡向分別選取3個10 m×10 m樣地，(基本信息見表1[10])，每個樣地間隔10 m以上，在每個樣地選取3個1 m×1 m的小樣方，在每個小樣方內采用抖根法多株采集0—20 cm優勢物種根際土，采用根鉆法按照蛇形多點采集0—20 cm非根際土，每個樣地的根際和非根際土壤樣品分別混合，共采集土壤樣品21個，將樣品分成鮮樣和風干樣保存備用，其中風干樣過1 mm和0.25 mm篩用于土壤理化性質測定，鮮樣過2 mm篩用于土壤水溶性有機物組分的測定。

1.3 樣品處理與測定

土壤理化性質采用常規測定方法[11]。采用烘干法測定土壤含水率；土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤全磷采用硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法測定；pH值測定用pH計(水∶土=2.5∶1)；土壤速效磷測定采用碳酸氫鈉提取鉬銻抗比色法，土壤基本理化性質見表2[10]。

表1 樣地基本特征

注：糙影子草(Cleistogenessquarrosa)、野棉花(Anemonevitifolia)、興安胡枝子(Lespedezadavurica)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、茵陳蒿(Artemisiacapillaries)、異葉敗醬(Patriniaheterophylla)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、香青蘭(Dracocephalummoldavica)、懸鉤子(RubuscorchorifoliusL.)、茜草(RubiacordifoliaL)、鵝觀草(RoegneriakamojiOhwi)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、野豌豆(Viciasepiwm)、蘆葦(Phragmitesaustralis)。

表2 土壤的基本理化性質

注:同列不同字母表示不同處理間差異達顯著水平(p<0.05)；數值為均值±SD。

1.4 統計分析

數據采用Microsoft Office Excel進行處理，土壤DOM的SUVA254值的計算公式是：SUVA254=100×Abs254/WSOC，式中:Abs254是土壤水浸提溶液在254 nm處的吸光度，系數100是將cm換算為m，SUVA280用相同計算方法得到。使用SPSS 20.0進行單因素方差(One-Way ANOVA)分析和LSD多重比較檢驗，顯著水平為p<0.05，采用Excel制作圖表。

2 結果與分析

2.1 坡向對土壤水溶性組分及其光譜特征的影響

不同坡向的鐵桿蒿根際土DOM紫外特征參數SUVA254(圖3A)的值基本接近，半陽坡微微略高于陽坡和陰坡，三者無顯著差異；非根際土的SUVA254的值在半陽坡最高，陽坡最低且顯著低于半陽坡，陰坡和其他二者差異均不顯著；而根際土和非根際土的SUVA280都與SUVA254表現一致(圖3B)。

圖1 不同坡向土壤的水溶性氮組分

圖2 不同土壤的WSOC含量

圖3 不同坡向土壤的DOM紫外光譜特征值

2.2 根際效應對水溶性組分及其光譜特征的影響

2.3 不同物種對水溶性組分及其光譜特征的影響

圖4 根際土與非根際土的水溶性氮組分

圖5 不同物種間的根際土以及非根際土的紫外光譜特征值的比較

3 討 論

水溶性有機物是土壤總有機物中活性高、變化最快的部分，對環境的變化反應迅速。水溶性有機物組成和結構在一定程度上可反映并決定土壤中的重要生態和生化過程[22]。SUVA254和SUVA280參數顯示非根際土在半陽坡的土壤DOM腐殖化程度最高，而根際土的DOM腐殖化程度并沒有在不同坡向上表現出顯著差異，但其總體變化趨勢和非根際土基本一致，因而推測根際土DOM的腐殖化程度無顯著差異的原因是植物根系對其影響遠遠超過坡向對其影響。由此可見，水熱條件適宜的半陽坡土壤腐殖化程度最高，而在植物根系存在的條件下這種坡向對其產生的影響會變得及其微弱。

4 結 論

(2) 根際土的水溶性碳氮養分會顯著高于非根際土，不同物種的根系對土壤水溶性碳氮產生的根系效應也不相同，并且這種根際效應的強度會因坡向不同而變化。

(3) 土壤DOM腐殖化程度會受到坡向的影響，半陽坡土壤的DOM腐殖化水平最高，而植物的根際效應也會顯著提高土壤DOM的腐殖化程度，且作用強度遠大于坡向的影響，在植物根系存在的條件下坡向所產生的影響會變得極其微弱。