模擬氮沉降對油松土壤水溶性碳氮及其光譜特征的影響

翟珈瑩, 何俐蓉, 吳 陽, 王國梁, 薛 萐

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.陜西地建土地工程技術(shù)研究院, 西安 710016;4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土丘陵區(qū)由于其特殊的母質(zhì)、氣候和地形特征，加上長期以來不合理的土地利用，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。當(dāng)全球變化因子——氮沉降在該生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生一系列影響，而其中的養(yǎng)分分配，尤其是對環(huán)境變化響應(yīng)敏感的水溶性碳、氮組分對于氮沉降的響應(yīng)目前還沒有一致的結(jié)論。因此，本文選擇黃土高原植被恢復(fù)中分布最廣泛的主要樹種之一——油松(PinustabuliformisCarr.)作為研究對象，通過氮添加的方式模擬氮沉降，分析土壤水溶性碳氮含量的變化特征，為評價(jià)未來全球變化背景下的土壤生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國陜西省北部，延安市宜川縣鐵龍灣林場(110°06′E，35°39′N)。試驗(yàn)區(qū)屬大陸性氣候，年平均氣溫9.8℃，年平均降水量為584.4 mm，海拔860～1 200 m，坡度20°～25°，土壤類型為灰褐色森林土。地帶性植被為溫帶落葉闊葉林，遼東櫟(QuercuswutaishanseaMary)為頂極群落。主要喬木林為人工油松林(PinustabuliformisCarrière)和黃楊林(Buxussinica(Rehder & E.H.Wilson) M.Cheng)。灌叢中有興安胡枝子(Lespedezadaurica(Laxm.) Schindl.)、胡頹子(ElaeagnuspungensThunb.)、繡線菊(SpiraeasalicifoliaL.)和中間錦雞兒(CaraganaintermediaKuang et H.C.Fu)。草本植物包括異葉敗醬(PatriniaheterophyllaBunge)、茜草(RubiacordifoliaL.)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、野棉花(AnemonevitifoliaBuch-Ham.)等。試驗(yàn)地選在氣候、位置、林形基本一致的人工油松林地，該人工油松林建于1966年，面積600 hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

在油松人工林地中設(shè)置16個(gè)小區(qū)，圍封面積為100 m2。參考全球氮沉降水平和國內(nèi)外氮添加試驗(yàn)的含量[16]，本研究設(shè)置4個(gè)處理CK,N3,N6,N9，依次為0,3,6,9 g/(m2·a)尿素的形式進(jìn)行添加，以上每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)。自2014年4月起，每年4月、6月、8月、10月采用噴霧器對林下土壤分4次等量直接噴施，于2015年9月進(jìn)行土壤樣品采集，方法為從每個(gè)地塊隨機(jī)選取6個(gè)樣點(diǎn)，取樣深度為0—10 cm和10—20 cm，相同層次樣品混勻，剔除根系后過2 mm的篩孔，用于水溶性有機(jī)碳、氮的測定。

1.3 測定方法

土壤水溶性有機(jī)碳、氮的提取及測定參考Jones等[17]的方法進(jìn)行。

1.3.1 可溶性物質(zhì)提取方法 稱取40.00 g鮮土(同時(shí)測定土壤含水量)，加蒸餾水120 ml(水土比為3∶1)浸提，在25℃下震蕩機(jī)振蕩0.5 h后，置高速離心機(jī)中(8 000 r/min)離心10 min，收集過濾液用0.45 μm濾膜進(jìn)行抽濾，得到的浸提液置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 三維熒光光譜測定 DOM的熒光光譜采用F-4600日立熒光光譜儀進(jìn)行測定。PMT電壓設(shè)置為700 V，激發(fā)波長掃描范圍為200～450 nm，發(fā)射波長掃描范圍為250～450 nm，掃描速度為1 200 nm/min，狹縫寬度為5 nm。在分析之前，需要對水樣進(jìn)行處理去除拉曼散射效應(yīng)和瑞利散射效應(yīng)。本研究中，一共有48個(gè)樣本，每個(gè)樣本包括了包含了51激發(fā)×41發(fā)射的矩陣。因此，總樣本構(gòu)成了一個(gè)16×52×49的矩陣，通過PARAFAC法進(jìn)行分析[18]。將三維熒光光譜分為2個(gè)熒光區(qū)域，識(shí)別2個(gè)熒光區(qū)域的熒光峰及對應(yīng)的激發(fā)/發(fā)射光波長[19]，進(jìn)行相應(yīng)的區(qū)域積分獲得區(qū)域積分值[20]，計(jì)算出f450/f500指數(shù)，用以表征土壤中水溶性有機(jī)物的來源[21]。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)測定 土壤有機(jī)質(zhì)(DOM)采用重鎘酸鉀外加熱法測定[22]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)采用Microsoft Office Excel完成，利用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD多重比較(顯著水平為p<0.05)。采用MATLAB的DOM Fluor工具盒[23]對熒光EEMs進(jìn)行平行因子分析(PARAFAC)，并采用MATLAB R2016年(美國數(shù)學(xué)工程公司)對EEMs進(jìn)行繪制。采用Origin 9.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對不同土層水溶性氮及組分的影響

注：不同字母表示氮添加處理在各土層存在顯著差異(p<0.05)，下同。

氮添加改變了土壤水溶性氮組分占WSN的比例(圖2)，不同土層WSON/WSN比值隨氮添加水平先降低后升高，在N3顯著降低，隨后升高。0—10 cm土層WSIN/WSN含量隨氮添加水平先升高后降低，在N9達(dá)到了顯著水平，10—20 cm土層隨氮添加水平的增加而增加，在N3達(dá)到了顯著水平。

圖2 不同處理土壤的WON/WSN和WSIN/WSN

2.2 氮添加對不同土層水溶性碳的影響

氮添加改變了土壤水溶性碳及其占有機(jī)碳的比例(圖3)，0—10 cm土層WSOC隨氮添加水平先升高后降低，在N9顯著降低，10—20 cm土層各處理無顯著差異。0—10 cm土層WSOC/SOC隨氮添加水平的升高呈降低的趨勢，10—20 cm土層各處理無顯著差異。

圖3 不同處理土壤的WSOC含量以及WSOC/SO

2.3 氮添加對水溶性有機(jī)質(zhì)三維熒光光譜特性的影響

樣品的三維熒光光譜經(jīng)PARAFAC分析，得到水溶性有機(jī)質(zhì)主要是由兩類物質(zhì)組成。兩種組分的三維熒光光譜如圖4所示，組分1的Ex/Em波長以210～250/400～450 nm為中心，該組分被識(shí)別為類富里酸熒光基團(tuán)，屬腐殖質(zhì)物質(zhì)。組分2中，有一個(gè)類似于峰狀的熒光峰，其Ex/Em集中于220～225/275～300 nm，該成分為類芳香族蛋白質(zhì)熒光基團(tuán)。分析得到不同土層中組分1和組分2在樣本中的含量(圖5—6)，不同土層類腐殖質(zhì)隨著氮添加水平先降低后升高，組分2含量在各土層均隨氮添加水平的增加呈增長的趨勢。

圖4 組分1，2的三維熒光光譜

3 討論與結(jié)論

圖5 不同處理下組分1，2的含量

圖6 不同土層在不同處理下具有代表性的熒光發(fā)射激發(fā)基質(zhì)(EEMs)

經(jīng)對土壤中水溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)的三維熒光光譜PARAFAC分析后得到兩種存在土壤中的有機(jī)物，一種是類富里酸物質(zhì)，一種是芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)。類富里酸物質(zhì)在不同土層隨氮添加水平先降后升，這可能是因?yàn)榈砑哟龠M(jìn)了微生物對腐殖質(zhì)的分解，高氮添使微生物降解中碳的限制加劇[4]，導(dǎo)致土壤DOM中類腐殖質(zhì)物質(zhì)有一個(gè)先降后升的趨勢，WSOC的含量也隨氮輸入先增后減。0—10 cm土層的這種物質(zhì)含量高于10—20 cm，可能是因?yàn)殡S著土層深度的增加，微生物數(shù)量減少，其活性下降，由微生物主導(dǎo)的土壤礦化速率降低[32]，10—20 cm土層腐殖化程度低。而芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)應(yīng)該是微生物降解后的某種類蛋白質(zhì)物質(zhì)，在土壤表層呈增長趨勢，森林土壤中腐殖質(zhì)的淋溶過程及微生物分解是DOM的主要形成途徑[33]，因淋溶作用10—20 cm的含量有所增加。因此在黃土丘陵區(qū)，氮輸入通過影響根際微生物的活動(dòng)影響土壤的養(yǎng)分分配，從而影響水溶性有機(jī)碳、氮組分的含量變化。