氮添加对白羊草土壤水溶性碳氮及其光谱特征的影响

2017-09-12梁楚涛张娇阳姜欣禹王国梁

水土保持研究 2017年5期

关键词：腐殖质施氮水溶性

辛奇, 梁楚涛, 张娇阳,, 姜欣禹, 王国梁,, 薛萐,

(1.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712100; 3.西北农林科技大学风景园林艺术学院, 陕西杨凌 712100)

氮添加对白羊草土壤水溶性碳氮及其光谱特征的影响

辛奇1, 梁楚涛2, 张娇阳1,2, 姜欣禹3, 王国梁1,2, 薛萐1,2

氮添加; 水溶性碳氮; 光谱特征; 白羊草

近年来，随着人口增长、化肥使用以及矿物燃料的燃烧等，使得排放到大气中的含氮化合物越来越多，导致大气氮沉降成比例增加[1]。目前我国已成为继欧、美之后的世界三大氮沉降区之一[2]，随着工农业以及社会经济的进一步发展，一些地区的氮沉降量有可能会继续升高[3]。氮沉降到地面后，绝大部分被固定在土壤中[4]，使许多陆地生态系统土壤氮素增加，从而改变土壤环境质量。目前氮沉降对土壤生态系统的影响已成为生态研究的重要方向。草地构成了陆地面积的四分之一，对全球变化最为敏感，在改善区域生态环境、保持水土等方面具有重要作用[5]，研究氮沉降对草地生态系统土壤的影响具有重要意义。我国是世界上最大的黄土堆积区，黄土高原草地的面积为20.15万km2，约占该区总面积的1/3[6]，是生态最脆弱区域之一，也是生态安全保障的重点区域。因此，研究氮沉降对黄土高原草地生态系统的影响对于认识未来全球变化下的生态脆弱区响应规律有着极其重要的意义。

土壤水溶性有机质(DOM)是土壤中极其活跃的组分，是指能溶解于水的有机化合物的统称，又称为溶解性有机物[7]，含有丰富的腐殖质类物质[8]，其腐殖化特点对土壤养分的研究有着重要作用，可采用紫外可见光和荧光对其进行研究。光谱法灵敏度高，选择性好且不破坏样品结构的特点[9]，因此将光谱法用于分析土壤DOM腐殖度，可以定性地研究氮添加过程对土壤DOM腐殖化特点的影响。土壤DOM主要包括土壤水溶性有机氮(WSON)和水溶性有机碳(WSOC)[10]。WSON是土壤氮素中极其活跃的组分，它和水溶性铵态氮(WS-NH4+-N)、水溶性硝态氮(WS-NO3--N)都是土壤有效养分的来源[11]，可以直接被植物体吸收利用，另外它的移动性相对较强，可随水分移动发生淋溶[12]。全球约有81%的可溶性有机碳(WSOC)贮存于土壤中[13]，它移动快、稳定性差、易氧化、易矿化，尽管含量很低，却是能够供土壤微生物迅速利用的底物，也是土壤物质交换的重要形式，关系到许多物理化学和生物过程[14]。

目前国内外生态学家已经开展关于氮沉降对土壤水溶性碳氮影响的研究。陆地生态系统碳、氮循环过程是密切相关的[15]，有研究指出WSON容易流失[16]，闫聪微等[17]的试验表明高氮处理使土壤中的WSON含量降低；另有研究[18]显示连续施氮2 a后，高施氮水平(20 g/m2)使土壤WSOC有显著提高，而其他氮水平(5，10 g/m2)对WSOC并无显著影响，方华军等[15]则认为施氮后微生物固氮增加，其对土壤有效碳的需求也会带来土壤WSOC含量的下降。目前关于氮添加对土壤水溶性有机物的影响还存在争议，且研究对象主要集中在森林生态系统、农田湿地等，而氮沉降对草地生态系统影响的研究相对较少，尤其是对草地生态的土壤水溶性组分的研究还比较薄弱。因此，本试验以黄土高原典型地带性草本植被白羊草(Bothriochloaischaemum)为研究对象，通过氮添加模拟研究氮沉降对草地土壤水溶性有机物及其光谱特征的影响，以期为进一步探究氮沉降的生态效应提供数据并为相关领域的研究开展提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在陕西省杨凌(108°4′27.95″E，34°16′56.24″N)中国科学院水利部水土保持研究所内进行。该区地处温带大陆性季风气候，年平均气温13.2℃，降水674.3 mm，日照1 993.7 h，无霜期225 d。

1.2 试验设计

本试验采用自制移动变坡式土槽模拟白羊草纯群落，尺寸规格为:长×宽×高=2.0 m×1.0 m×0.5 m，试验坡度为15°。试验用白羊草种子取自于黄土丘陵区的延安市安塞县(109°14′E，36°92′N)，供试土壤为来自陕西安塞县表层黄绵土(0—20 cm)。土壤有机质含量为1.30 g/kg，全氮含量为0.19 g/kg，全磷含量为0.27 g/kg，速效氮含量为11.55 mg/kg。控制土壤容重在1.2 g/m3左右，分层装土，每层厚度为10 cm，填土总高度40 cm。装土全部结束后于2013年7月，按照密度10 cm×10 cm，深度0.5 cm种植白羊草。试验期间，除拔掉杂草外，不做任何人工处理。

根据氮沉降水平及发展趋势，参考国内外有关N添加试验设计，设置4个水平，5个处理，裸地(BL)既无植被也不进行氮添加处理，对照CK(0 g/m2)有植被无氮添加处理，N1(2.5 g/m2)，N2(5 g/m2)和N3(10 g/m2)(N1，N2，N3有植被且进行不同的氮添加处理)，4个水平涵盖目前全球N沉降强度[19]。每个处理设有3个重复，共15个土槽。N添加使用的氮源为尿素[CO(NH2)2][20]，添加时将尿素充分溶解在1 L水中，雨前均匀喷洒到试验小区上，裸地以及对照组只喷洒相同体积的水，试验设计两年、2013年份N添加在2013年8月份一次性施入，2014年份N添加在白羊草生长季(5—8月)进行，每月添加一次，每次添加量为上述设置N添加水平的四分之一。

1.3 样品采集与分析

2014年9月采取土样，由于小区白羊草为人工种植，分布较为均匀，于每个人工白羊草种群小区随机选取6个样点，在每个样点挖10 cm×10 cm×20 cm的立方取土，剔除根系混匀后分为两份，一份鲜样用于水溶性养分测定，另一份风干后用于测定土壤有机碳、全氮、全磷、硝态氮和铵态氮、pH及速效磷，土壤理化性质采用常规测定方法[21]。土壤有机碳用重铬酸钾氧化—外加热法；土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定；土壤全磷采用硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法测定；土壤铵态氮采用连续流动分析仪测定；土壤硝态氮采用紫外分光光度法测定；pH用pH计测定(水∶土=2.5∶1)；土壤速效磷采用碳酸氢钠提取钼锑抗比色法测定；表1为土壤基本理化性质。

表1 氮添加对土壤基本理化性质的影响

注：表中同列不同字母表示不同处理间差异达显著水平(p<0.05)；数值为均值±SD；下同。

1.4 统计分析

数据采用Microsoft Office Excel进行处理，土壤水溶性有机碳SUVA254值的计算公式[22]是：SUVA254=100×Abs254 nm/WSOC，式中Abs254 nm是土壤水浸提溶液在254 nm处的吸光度(1 cm光径)，系数100是将cm换算为m，SUVA280用相同计算方法得到。使用SPSS 20.0进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析，采用LSD进行多重比较检验，显著水平设为p<0.05。采用Canoco 4.5对土壤属性与水溶性有机物组分及其光谱特征进行冗余分析(Redundancy Alalysis，RDA)。采用Excel和Origin 9.0进行制作图。

2 结果与分析

2.1 氮添加对土壤水溶性养分的影响

相比于CK，氮添加导致WSOC含量显著降低(图1D)，随着施氮的增加呈降低趋势，N1，N2，N3相比于CK分别显著降低了14.55%，19.75%，25.54%，但3个处理没有显著差异，BL的WSOC显著低于CK，和N1，N2，N3没有显著差异。WSOC占TOC的1.97%～2.44%，随氮添加水平升高逐渐降低，在N2时达到显著水平，BL的WSOC/TOC低于CK，但没有显著差异(表2)；WSOC/WSON在23.68～30.53，BL和N3没有显著差异，但是显著低于其他3个处理(表2)。

2.2 氮添加对土壤水溶性有机物质光谱特性的影响

氮添加会显著影响土壤水溶性有机物的紫外光谱学特征(图2)，随着施氮水平的增加，紫外吸收强度逐渐增加，尤其在紫外吸收区域吸光度增幅较大。BL吸收强度最低，CK和N1相差不大，N3比N2有大幅度增加。各处理在260～280 nm附近均有一小的吸收平台[22]，在此波段区域随氮添加水平的增加吸光度有大幅提高。相对于BL和CK，N1的SUVA254和SUVA280呈增加趋势，但增幅未达到显著水平，之后随着施氮量的增加显著升高，N3达到最大值，分别较CK增加235%和250%(图3)。

氮添加同样会导致土壤水溶性有机物荧光发射光谱发生变化(图4)，在Ex为360 nm下的荧光发射光谱所有结果均在420 nm左右有一肩峰，在435 nm左右出现最大吸收峰。相对于BL和CK，N1变化不明显，而N2和N3则变化明显，各处理最大吸收峰均比较靠近土壤富里酸特征峰(450～460 nm)[23]，随着施氮水平的提高，420 nm左右的肩峰逐渐增强，且在465 nm左右逐渐出现另一肩峰，腐殖质结构趋向复杂，芳构化程度提高。

注：不同组分具有不同字母的表示差异显著(p<0.05)，下同。

图1 不同施氮条件下土壤水溶性组分含量表2 土壤水溶性物质的比例关系

图2不同施氮梯度的土壤DOM紫外可见光光谱

2.3 土壤水溶性组分及其光谱特征值与其他指标的冗余分析

以土壤水溶性有机物组分及其光谱特征和土壤主要化学性质、生物量进行冗余分析(RDA)(图5)，结果显示，土壤有机碳(TOC)、总氮(TN)、硝态氮、铵态氮、pH，C/N、地上生物量和地下生物量8个因子共同解释了72.9%的土壤水溶性组分及其变化，其中PC1和PC2分别解释了土壤水溶性组分变异的67.6%和5.3%。结果表明，TOC，pH和C/N与WSOC和WSOC/TOC呈显著正相关，与SUVA254和SUVA280呈显著负相关；地下和地上生物量、TN与SUVA254和SUVA280呈显著负正相关，与WSN，WSON和WSON/WSN呈显著负相关。其中SUVA254和SUVA280受硝态氮影响最大，WSOC受铵态氮和TOC影响最大，WSON受C/N影响最大。

2.4 讨论

水溶性有机碳、氮作为土壤碳氮最活跃的组分对环境变化极为敏感，目前针对土壤氮素增加对土壤水溶性有机物组分的影响目前还没有一致的结论，但是越来越多的研究证明土壤中水溶性有机碳、氮含量的变化取决于其来源和消耗的平衡关系[24]。本研究中相对于BL，CK的WSOC显著增大，这主要与植物根系及其分泌物有关[25]。而随着氮添加水平的增加，WSOC含量显著降低，这与Aber等[26]的研究结果相似，他们认为施氮使WSOC降低的原因可能是N的增加导致凋落物分解减慢所致。而我们认为本试验随着施氮量的增加WSOC呈下降趋势，这主要是由于随着氮添加导致了C/N降低，而C/N是被作为土壤有机质分解的重要指标，当C/N较低时利于有机质的分解，加速了WSOC的分解，因此随着氮添加WSOC显著降低，冗余分析也表明WSOC与C/N呈成显著正相关，这与Gundersen[27]和Filep[28]的结果相似。

图3不同施氮梯度的土壤DOM紫外可见光光谱特征值

图4不同施氮梯度的土壤DOM的荧光发射光谱

图5土壤水溶性组分与环境因子的冗余分析

荧光光谱在海洋腐殖质研究较为广泛，陆地来源腐殖质与海水腐殖质结构有所不同[32]，但两者并没有明确的界限[33]。根据傅平青等[34]的研究，类腐殖质荧光可概括为两类，类腐植酸荧光(λEx/λEm为350～440/430～510 nm)和类富里酸荧光(λEx/λEm为310～360/370～450 nm)。研究认为在260～280 nm的紫外吸收主要由C==C共轭结构的电子跃迁引起的，且随着腐殖质不饱和键结构的增加，紫外吸收强度增强[35]。在254 nm下相同WSOC浓度的有机物吸光值增加表明非腐殖质向腐殖质的转化[35]，通常腐殖化程度的加大或者苯环结构增多，分子量也会相应增加[36]，而在280 nm下DOM的吸光值和分子量大小成正比，可表示出DOM腐殖化程度、分子量及芳香度等。有研究结果表明[37-40]，施肥能较好地促进土壤腐殖质的积累，张夫道[41]认为施肥会促使腐殖质中的富里酸氮增加。从紫外可见光谱及其特征参数SUVA254，SUVA280和荧光发射光谱的分析来看，两种光谱特征显示的情况是一致的。本研究表明随着施氮水平的增加，土壤DOM的主要腐殖质类型均为富里酸，且腐殖化程度在不断加深，RDA分析显示TN、地上和地下生物量与土壤DOM的腐殖度呈正相关关系，说明氮添加以及植被对土壤DOM的腐殖化有显著影响。

3 结论

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EffectsofNitrogenAdditiononDissolvedMatterandSpectroscopicCharacteristicsofSoilGrowingBothriochloaischaemum

XIN Qi1, LIANG Chutao2, ZHANG Jiaoyang1,2, JIANG Xinyu3, WANG Guoliang1,2, XUE Sha1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandministryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.CollegeofLandscapeArchitectureandArts,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)