氮添加對白羊草土壤水溶性碳氮及其光譜特征的影響

辛 奇, 梁楚濤, 張嬌陽,, 姜欣禹, 王國梁,, 薛 萐,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.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)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

氮添加對白羊草土壤水溶性碳氮及其光譜特征的影響

辛 奇1, 梁楚濤2, 張嬌陽1,2, 姜欣禹3, 王國梁1,2, 薛 萐1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.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)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

氮添加; 水溶性碳氮; 光譜特征; 白羊草

近年來，隨著人口增長、化肥使用以及礦物燃料的燃燒等，使得排放到大氣中的含氮化合物越來越多，導(dǎo)致大氣氮沉降成比例增加[1]。目前我國已成為繼歐、美之后的世界三大氮沉降區(qū)之一[2]，隨著工農(nóng)業(yè)以及社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，一些地區(qū)的氮沉降量有可能會繼續(xù)升高[3]。氮沉降到地面后，絕大部分被固定在土壤中[4]，使許多陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素增加，從而改變土壤環(huán)境質(zhì)量。目前氮沉降對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為生態(tài)研究的重要方向。草地構(gòu)成了陸地面積的四分之一，對全球變化最為敏感，在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、保持水土等方面具有重要作用[5]，研究氮沉降對草地生態(tài)系統(tǒng)土壤的影響具有重要意義。我國是世界上最大的黃土堆積區(qū)，黃土高原草地的面積為20.15萬km2，約占該區(qū)總面積的1/3[6]，是生態(tài)最脆弱區(qū)域之一，也是生態(tài)安全保障的重點區(qū)域。因此，研究氮沉降對黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)的影響對于認識未來全球變化下的生態(tài)脆弱區(qū)響應(yīng)規(guī)律有著極其重要的意義。

土壤水溶性有機質(zhì)(DOM)是土壤中極其活躍的組分，是指能溶解于水的有機化合物的統(tǒng)稱，又稱為溶解性有機物[7]，含有豐富的腐殖質(zhì)類物質(zhì)[8]，其腐殖化特點對土壤養(yǎng)分的研究有著重要作用，可采用紫外可見光和熒光對其進行研究。光譜法靈敏度高，選擇性好且不破壞樣品結(jié)構(gòu)的特點[9]，因此將光譜法用于分析土壤DOM腐殖度，可以定性地研究氮添加過程對土壤DOM腐殖化特點的影響。土壤DOM主要包括土壤水溶性有機氮(WSON)和水溶性有機碳(WSOC)[10]。WSON是土壤氮素中極其活躍的組分，它和水溶性銨態(tài)氮(WS-NH4+-N)、水溶性硝態(tài)氮(WS-NO3--N)都是土壤有效養(yǎng)分的來源[11]，可以直接被植物體吸收利用，另外它的移動性相對較強，可隨水分移動發(fā)生淋溶[12]。全球約有81%的可溶性有機碳(WSOC)貯存于土壤中[13]，它移動快、穩(wěn)定性差、易氧化、易礦化，盡管含量很低，卻是能夠供土壤微生物迅速利用的底物，也是土壤物質(zhì)交換的重要形式，關(guān)系到許多物理化學(xué)和生物過程[14]。

目前國內(nèi)外生態(tài)學(xué)家已經(jīng)開展關(guān)于氮沉降對土壤水溶性碳氮影響的研究。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)過程是密切相關(guān)的[15]，有研究指出WSON容易流失[16]，閆聰微等[17]的試驗表明高氮處理使土壤中的WSON含量降低；另有研究[18]顯示連續(xù)施氮2 a后，高施氮水平(20 g/m2)使土壤WSOC有顯著提高，而其他氮水平(5，10 g/m2)對WSOC并無顯著影響，方華軍等[15]則認為施氮后微生物固氮增加，其對土壤有效碳的需求也會帶來土壤WSOC含量的下降。目前關(guān)于氮添加對土壤水溶性有機物的影響還存在爭議，且研究對象主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田濕地等，而氮沉降對草地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究相對較少，尤其是對草地生態(tài)的土壤水溶性組分的研究還比較薄弱。因此，本試驗以黃土高原典型地帶性草本植被白羊草(Bothriochloaischaemum)為研究對象，通過氮添加模擬研究氮沉降對草地土壤水溶性有機物及其光譜特征的影響，以期為進一步探究氮沉降的生態(tài)效應(yīng)提供數(shù)據(jù)并為相關(guān)領(lǐng)域的研究開展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在陜西省楊凌(108°4′27.95″E，34°16′56.24″N)中國科學(xué)院水利部水土保持研究所內(nèi)進行。該區(qū)地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.2℃，降水674.3 mm，日照1 993.7 h，無霜期225 d。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用自制移動變坡式土槽模擬白羊草純?nèi)郝?，尺寸?guī)格為:長×寬×高=2.0 m×1.0 m×0.5 m，試驗坡度為15°。試驗用白羊草種子取自于黃土丘陵區(qū)的延安市安塞縣(109°14′E，36°92′N)，供試土壤為來自陜西安塞縣表層黃綿土(0—20 cm)。土壤有機質(zhì)含量為1.30 g/kg，全氮含量為0.19 g/kg，全磷含量為0.27 g/kg，速效氮含量為11.55 mg/kg?？刂仆寥廊葜卦?.2 g/m3左右，分層裝土，每層厚度為10 cm，填土總高度40 cm。裝土全部結(jié)束后于2013年7月，按照密度10 cm×10 cm，深度0.5 cm種植白羊草。試驗期間，除拔掉雜草外，不做任何人工處理。

根據(jù)氮沉降水平及發(fā)展趨勢，參考國內(nèi)外有關(guān)N添加試驗設(shè)計，設(shè)置4個水平，5個處理，裸地(BL)既無植被也不進行氮添加處理，對照CK(0 g/m2)有植被無氮添加處理，N1(2.5 g/m2)，N2(5 g/m2)和N3(10 g/m2)(N1，N2，N3有植被且進行不同的氮添加處理)，4個水平涵蓋目前全球N沉降強度[19]。每個處理設(shè)有3個重復(fù)，共15個土槽。N添加使用的氮源為尿素[CO(NH2)2][20]，添加時將尿素充分溶解在1 L水中，雨前均勻噴灑到試驗小區(qū)上，裸地以及對照組只噴灑相同體積的水，試驗設(shè)計兩年、2013年份N添加在2013年8月份一次性施入，2014年份N添加在白羊草生長季(5—8月)進行，每月添加一次，每次添加量為上述設(shè)置N添加水平的四分之一。

1.3 樣品采集與分析

2014年9月采取土樣，由于小區(qū)白羊草為人工種植，分布較為均勻，于每個人工白羊草種群小區(qū)隨機選取6個樣點，在每個樣點挖10 cm×10 cm×20 cm的立方取土，剔除根系混勻后分為兩份，一份鮮樣用于水溶性養(yǎng)分測定，另一份風(fēng)干后用于測定土壤有機碳、全氮、全磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、pH及速效磷，土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)測定方法[21]。土壤有機碳用重鉻酸鉀氧化—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；土壤銨態(tài)氮采用連續(xù)流動分析儀測定；土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定；pH用pH計測定(水∶土=2.5∶1)；土壤速效磷采用碳酸氫鈉提取鉬銻抗比色法測定；表1為土壤基本理化性質(zhì)。

表1 氮添加對土壤基本理化性質(zhì)的影響

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

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel進行處理，土壤水溶性有機碳SUVA254值的計算公式[22]是：SUVA254=100×Abs254 nm/WSOC，式中Abs254 nm是土壤水浸提溶液在254 nm處的吸光度(1 cm光徑)，系數(shù)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，采用LSD進行多重比較檢驗，顯著水平設(shè)為p<0.05。采用Canoco 4.5對土壤屬性與水溶性有機物組分及其光譜特征進行冗余分析(Redundancy Alalysis，RDA)。采用Excel和Origin 9.0進行制作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對土壤水溶性養(yǎng)分的影響

相比于CK，氮添加導(dǎo)致WSOC含量顯著降低(圖1D)，隨著施氮的增加呈降低趨勢，N1，N2，N3相比于CK分別顯著降低了14.55%，19.75%，25.54%，但3個處理沒有顯著差異，BL的WSOC顯著低于CK，和N1，N2，N3沒有顯著差異。WSOC占TOC的1.97%～2.44%，隨氮添加水平升高逐漸降低，在N2時達到顯著水平，BL的WSOC/TOC低于CK，但沒有顯著差異(表2)；WSOC/WSON在23.68～30.53，BL和N3沒有顯著差異，但是顯著低于其他3個處理(表2)。

2.2 氮添加對土壤水溶性有機物質(zhì)光譜特性的影響

氮添加會顯著影響土壤水溶性有機物的紫外光譜學(xué)特征(圖2)，隨著施氮水平的增加，紫外吸收強度逐漸增加，尤其在紫外吸收區(qū)域吸光度增幅較大。BL吸收強度最低，CK和N1相差不大，N3比N2有大幅度增加。各處理在260～280 nm附近均有一小的吸收平臺[22]，在此波段區(qū)域隨氮添加水平的增加吸光度有大幅提高。相對于BL和CK，N1的SUVA254和SUVA280呈增加趨勢，但增幅未達到顯著水平，之后隨著施氮量的增加顯著升高，N3達到最大值，分別較CK增加235%和250%(圖3)。

氮添加同樣會導(dǎo)致土壤水溶性有機物熒光發(fā)射光譜發(fā)生變化(圖4)，在Ex為360 nm下的熒光發(fā)射光譜所有結(jié)果均在420 nm左右有一肩峰，在435 nm左右出現(xiàn)最大吸收峰。相對于BL和CK，N1變化不明顯，而N2和N3則變化明顯，各處理最大吸收峰均比較靠近土壤富里酸特征峰(450～460 nm)[23]，隨著施氮水平的提高，420 nm左右的肩峰逐漸增強，且在465 nm左右逐漸出現(xiàn)另一肩峰，腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜，芳構(gòu)化程度提高。

注：不同組分具有不同字母的表示差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1 不同施氮條件下土壤水溶性組分含量表2 土壤水溶性物質(zhì)的比例關(guān)系

圖2不同施氮梯度的土壤DOM紫外可見光光譜

2.3 土壤水溶性組分及其光譜特征值與其他指標(biāo)的冗余分析

以土壤水溶性有機物組分及其光譜特征和土壤主要化學(xué)性質(zhì)、生物量進行冗余分析(RDA)(圖5)，結(jié)果顯示，土壤有機碳(TOC)、總氮(TN)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、pH，C/N、地上生物量和地下生物量8個因子共同解釋了72.9%的土壤水溶性組分及其變化，其中PC1和PC2分別解釋了土壤水溶性組分變異的67.6%和5.3%。結(jié)果表明，TOC，pH和C/N與WSOC和WSOC/TOC呈顯著正相關(guān)，與SUVA254和SUVA280呈顯著負相關(guān)；地下和地上生物量、TN與SUVA254和SUVA280呈顯著負正相關(guān)，與WSN，WSON和WSON/WSN呈顯著負相關(guān)。其中SUVA254和SUVA280受硝態(tài)氮影響最大，WSOC受銨態(tài)氮和TOC影響最大，WSON受C/N影響最大。

2.4 討 論

水溶性有機碳、氮作為土壤碳氮最活躍的組分對環(huán)境變化極為敏感，目前針對土壤氮素增加對土壤水溶性有機物組分的影響目前還沒有一致的結(jié)論，但是越來越多的研究證明土壤中水溶性有機碳、氮含量的變化取決于其來源和消耗的平衡關(guān)系[24]。本研究中相對于BL，CK的WSOC顯著增大，這主要與植物根系及其分泌物有關(guān)[25]。而隨著氮添加水平的增加，WSOC含量顯著降低，這與Aber等[26]的研究結(jié)果相似，他們認為施氮使WSOC降低的原因可能是N的增加導(dǎo)致凋落物分解減慢所致。而我們認為本試驗隨著施氮量的增加WSOC呈下降趨勢，這主要是由于隨著氮添加導(dǎo)致了C/N降低，而C/N是被作為土壤有機質(zhì)分解的重要指標(biāo)，當(dāng)C/N較低時利于有機質(zhì)的分解，加速了WSOC的分解，因此隨著氮添加WSOC顯著降低，冗余分析也表明WSOC與C/N呈成顯著正相關(guān)，這與Gundersen[27]和Filep[28]的結(jié)果相似。

圖3不同施氮梯度的土壤DOM紫外可見光光譜特征值

圖4不同施氮梯度的土壤DOM的熒光發(fā)射光譜

圖5土壤水溶性組分與環(huán)境因子的冗余分析

熒光光譜在海洋腐殖質(zhì)研究較為廣泛，陸地來源腐殖質(zhì)與海水腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)有所不同[32]，但兩者并沒有明確的界限[33]。根據(jù)傅平青等[34]的研究，類腐殖質(zhì)熒光可概括為兩類，類腐植酸熒光(λEx/λEm為350～440/430～510 nm)和類富里酸熒光(λEx/λEm為310～360/370～450 nm)。研究認為在260～280 nm的紫外吸收主要由C==C共軛結(jié)構(gòu)的電子躍遷引起的，且隨著腐殖質(zhì)不飽和鍵結(jié)構(gòu)的增加，紫外吸收強度增強[35]。在254 nm下相同WSOC濃度的有機物吸光值增加表明非腐殖質(zhì)向腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化[35]，通常腐殖化程度的加大或者苯環(huán)結(jié)構(gòu)增多，分子量也會相應(yīng)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。有研究結(jié)果表明[37-40]，施肥能較好地促進土壤腐殖質(zhì)的積累，張夫道[41]認為施肥會促使腐殖質(zhì)中的富里酸氮增加。從紫外可見光譜及其特征參數(shù)SUVA254，SUVA280和熒光發(fā)射光譜的分析來看，兩種光譜特征顯示的情況是一致的。本研究表明隨著施氮水平的增加，土壤DOM的主要腐殖質(zhì)類型均為富里酸，且腐殖化程度在不斷加深，RDA分析顯示TN、地上和地下生物量與土壤DOM的腐殖度呈正相關(guān)關(guān)系，說明氮添加以及植被對土壤DOM的腐殖化有顯著影響。

3 結(jié) 論

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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)

nitrogen addition; water-soluble C, N; spectroscopic characteristics;Bothriochloaischaemum

2017-02-08

：2017-03-15

國家自然科學(xué)基金項目(41371510,41371508,41471438);西部青年學(xué)者項目(XAB2015A05)

辛奇(1990—),男,山東青島人,碩士,研究方向:微生物生態(tài)。E-mail:qiqi900911@163.com

薛萐(1978—),男,陜西西安人,博士,副研究員,研究方向:微生物生態(tài)。E-mail:xuesha100@163.com

S151.9;S153.6

：A

：1005-3409(2017)05-0093-06