黃幸然，謝承劼，潘若琪，徐 亞，鄭麗麗，易志剛

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002； 2.福建農(nóng)林大學(xué)土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002； 3.福建省環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 福州 350002)

土壤揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)是一類具有親脂性、高蒸氣壓、低沸點(diǎn)和低分子量的微生物初級和次級代謝產(chǎn)物[1-2]，以烷烴、烯烴、醇類和醛酮類化合物為主[3-4]。土壤VOCs不僅在土壤生物和非生物過程發(fā)揮重要生態(tài)功效[5-6]，而且由于其具有較強(qiáng)的活性,會影響大氣環(huán)境和全球氣候變化。例如，VOCs在光照和氮氧化物等條件下經(jīng)過一系列復(fù)雜過程生成臭氧[7]，同時(shí)伴隨著氫氧自由基的減少，增加甲烷的半衰期[8]。此外，VOCs還與二次有機(jī)氣溶膠和云凝結(jié)核的形成密切相關(guān)[9-10]。但目前大多數(shù)研究集中在植物和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)VOCs的釋放[11]，而關(guān)于土壤VOCs的研究相對較少并且結(jié)果存在爭議[4,12]。

土壤微生物是土壤VOCs主要來源之一[7,13-14]。SCHADEetal[15]研究發(fā)現(xiàn)德國北部某農(nóng)田地表會釋放甲醇和丙酮，且人工松林地表甲醇、丙酮和乙醛的釋放與該林冠層排放通量相當(dāng)[16]，這是由于微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)釋放大量VOCs[12]。研究結(jié)果表明，土壤細(xì)菌主要以產(chǎn)生烯烴、醇類、酮類和萜烯類化合物為主，土壤真菌更多的是釋放醇類、苯類、醛類、酮類和砷類化合物[4]。此外，植物根系能夠合成和分泌氨基酸、有機(jī)酸、糖類、酚類和醛類等有機(jī)物[5,17]。土壤不僅可以作為VOCs的“源”，也能夠作為VOCs的“匯”。土壤顆粒物能夠吸附地表和凋落葉產(chǎn)生的VOCs[12]，植物根系組織也會吸收、累積或降解土壤中的VOCs[4,13]。例如，OWENetal[6]發(fā)現(xiàn)土壤微生物既可以合成單萜烯，也可以利用單萜烯作為碳源。土壤VOCs的“源”與“匯”是一個(gè)緊密相連且復(fù)雜的動態(tài)過程，受多種因素的影響。氮沉降作為全球氣候變化的重要環(huán)境因子，勢必會通過影響土壤微生物和植物根系來改變土壤VOCs通量。

中國已成為繼歐洲和北美地區(qū)之外的全球第三大氮沉降集中區(qū)，并且預(yù)計(jì)將會持續(xù)增加[18]。一方面，氮沉降增加會改變植物代謝過程和引起植物營養(yǎng)失衡，影響植物光合作用和根系活動[19-20]。另一方面，氮沉降也會加快土壤酸化[21-22]，直接或間接改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[23]，最終影響土壤VOCs吸收與釋放[5,13]，同時(shí)土壤VOCs釋放的種類也會隨著地上植被不同而有所差異[24]。然而，關(guān)于氮沉降對土壤VOCs影響的研究尚不明確。此外，目前大多數(shù)模擬氮沉降的方式都采用直接向土壤施氮[21]，而忽略植物本身具有截留氮的能力[19]，導(dǎo)致模擬氮沉降得到的結(jié)果與實(shí)際氮沉降對土壤VOCs的影響存在一定的偏差。因此，在氮沉降增加背景下，研究不同施氮方式和氮水平對亞熱帶優(yōu)勢樹種馬尾松(PinusmassonianaLamb.)和木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)土壤VOCs釋放的影響，能夠?yàn)檎_評價(jià)土壤VOCs對大氣氮沉降增加的響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為建立土壤VOCs模型提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究方法

2012年3月，選取1年生的馬尾松和木荷兩種南亞熱帶樹種為研究對象。實(shí)驗(yàn)前將幼苗移栽至花盆(高30 cm、 直徑40 cm)，添加等量預(yù)處理土壤(華南植物園游覽區(qū)季風(fēng)林表層土壤)，土壤理化性質(zhì)見劉雙娥等[25]，并置于溫室中培養(yǎng)。待2個(gè)月緩苗后，進(jìn)行添加氮處理。根據(jù)廣州降雨格局(年降水量為1 600～1 900 mm)和大氣氮沉降量(5.6 g·m-2·a-1)[26]，設(shè)置自然氮沉降(control，5.6 g·m-2·a-1)、 中氮(medium-N，15.6 g·m-2·a-1)和高氮(high-N，20.6 g·m-2·a-1)3個(gè)氮處理，每周施加硝酸銨溶液來模擬氮沉降。同時(shí)，設(shè)置兩種施氮方式：將配好的氮溶液用花灑均勻噴灑在土壤表層(土壤施氮，soil application of N，SAN)或者幼苗頂端(葉面施氮，foliage application of N，F(xiàn)AN)。每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)，共72盆植物。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見劉雙娥等[25]和HUANGetal[21]。

1.2 樣品采集

氮處理一年半后，于2013年10月采集土壤VOC樣品，具體操作如下：采樣前移除盆栽凋落物，在幼苗周圍(10 cm)用土鉆取0～15 cm的土壤樣品，兩盆相同處理植物土壤混合成一個(gè)土樣。取其中100 g左右土壤避光密封在Tedlar氣袋中，充入4 L經(jīng)過吸附柱(硅膠-活性炭-碘化鉀)去除大部分VOCs的零空氣，分別采集密封后0和30 min的Tedlar袋中的氣體(約300 mL)于Teflon采樣袋中，并于第一次(0 min)采樣后補(bǔ)充等體積的零空氣。同時(shí)測量采樣時(shí)的溫度，采集結(jié)束后采樣袋避光保存并盡快分析，土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測量土壤理化性質(zhì)。

1.3 樣品分析

使用質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(proton transfer reaction-time of flight-mass spectrometry, PTR-TOF-MS)分析土壤VOCs組成及含量。主要參數(shù)如下：漂移管工作電壓600 V；漂移管內(nèi)壓力220 Pa；進(jìn)樣流量150～200 mL·min-1。測量前后都進(jìn)行氣體校正，絕大部分VOCs的校準(zhǔn)曲線R2>0.99。此外，挑選部分樣品進(jìn)行預(yù)濃縮-GCMS測定，對PTR-TOF-MS的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步校正，保證結(jié)果可靠性。本實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算VOCs濃度的主要化合物反應(yīng)速率常數(shù)k值詳見表1。土壤理化性質(zhì)分析參照國標(biāo)方法。

表 1 主要化合物反應(yīng)速率常數(shù)kTable 1 Ion-molecule reaction rate constants (k) for proton transfer reactions between H3O+ and VOCs

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

單位干重土壤VOCs的通量E(pmol·g-1·h-1)：

(1)

式中: △C表示0和30 min時(shí)VOC的濃度差(nL·L-1)；V表示Tedlar體積(L)；Vn表示測量溫度下的氣體摩爾體積(L·mol-1)；W表示測量時(shí)的土壤干重(g)。

總VOCs(total VOCs)的通量為各類型土壤VOCs[非甲烷碳?xì)浠衔?NMHCs)、 含氧VOCs(OVOCs)、 含氮VOCs(NVOCs)、 含硫VOCs(SVOCs)、 芳香類VOCs(AVOCs)和鹵代VOCs(HVOCs)]通量的加和。

使用SPSS 20.0進(jìn)行多因素方差(ANOVA)、Duncan多重檢驗(yàn)法檢驗(yàn)和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法，檢驗(yàn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤VOC通量在不同氮水平或施氮方式間的差異顯著性(P<0.05)，對VOCs通量及其理化性質(zhì)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,使用SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

在各氮水平和施氮方式處理下，使用PTR-TOF-MS共檢測到100種VOCs，其中28種OVOCs，23種NMHCs，11種NVOCs，9種SVOCs，10種AVOCs和19種HVOCs。馬尾松和木荷幼苗根系土壤總VOCs的釋放量為19.50～70.94 pmol·g-1·h-1(圖1)。OVOCs和NVOCs是馬尾松和木荷幼苗根系土壤釋放的主要化合物類型，分別占總VOCs的22.04%～47.71%和3.31%～38.68%(圖2)。其中，OVOCs以乙醛、甲醇和乙烯酮為主，NVOCs以甲酰胺和丙胺為主。此外，單萜烯、二甲基二硫和苯酚分別為馬尾松和木荷幼苗根系土壤NMHCs、SVOCs和AVOCs的主要化合物(圖3)。

注： 不同小寫字母表示同一處理氮水平間差異顯著(P<0.05)。Note： different letters for a given variable indicate a significant difference (P<0.05) across different N levels.

總體而言，除葉面施氮高氮處理會顯著促進(jìn)馬尾松幼苗根系土壤總VOCs的釋放外，氮添加在兩種施氮方式下對馬尾松和木荷幼苗根系土壤總VOCs(OVOCs、 NMHCs、 SVOCs、 AVOCs和HVOCs)的釋放無顯著影響，但卻促進(jìn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的釋放(P<0.05，表2，圖1和圖2)。馬尾松和木荷幼苗根系土壤AVOCs、木荷幼苗根系土壤NMHCs在土壤施氮和葉面施氮處理下具有顯著差異。氮水平和施氮方式交互影響馬尾松幼苗根系土壤NVOCs的釋放。此外，馬尾松和木荷樹種之間在各處理下，根系土壤VOCs差異不顯著(圖2，表2)。

圖 2 不同氮處理下馬尾松和木荷幼苗根系土壤不同種類VOCs的百分比Figure 2 Contribution of different VOC species emitted from P. massoniana and S. superba seeding root zone soils under different N treatments

不同化合物對氮水平、施氮方式和樹種間的響應(yīng)不一致(表2，圖3)。在土壤施氮處理下，與對照氮水平相比，添加氮顯著促進(jìn)木荷幼苗根系土壤甲醇、甲酰胺和丙胺、馬尾松幼苗根系土壤乙烯酮的釋放，降低(P<0.05)木荷幼苗根系土壤乙醛和乙烯酮、馬尾松幼苗根系土壤單萜烯的排放，但對馬尾松和木荷幼苗根系土壤苯酚和二甲基二硫的通量無顯著影響。而在葉面施氮下，添加氮促進(jìn)(P<0.05)馬尾松幼苗根系土壤乙醛、乙烯酮和單萜烯、馬尾松和木荷幼苗根系土壤甲酰胺和丙胺的釋放，同時(shí)顯著降低木荷幼苗根系土壤苯酚釋放，對馬尾松和木荷幼苗根系土壤甲醇和二甲基二硫的通量無顯著影響。

表 2 氮水平、 施氮方式和樹種對馬尾松和木荷幼苗根系土壤各類VOCs通量的影響Table 2 Results of ANOVA for the effects of N levels, N application methods and tree species on VOC species fluxes of P. massoniana and S. superba seeding root zone soils

注：**，*分別表示相關(guān)性在0.01和0.05水平顯著性(P<0.01，P<0.05)。Note：**,*showed significant correlation at level of 0.01 and 0.05 (P< 0.01,P< 0.05).

注： 不同小寫字母表示同一處理下不同氮水平間差異顯著(P<0.05)。Note： different letters for a given variable indicate a significant difference (P<0.05) across different N levels.圖 3 不同氮處理對馬尾松和木荷幼苗根系土壤主要VOCs的影響Figure 3 Effects of N levels and N application methods on dominant VOC fluxes of P. massoniana and S. superba seedling root zone soils

3 討論

3.1 土壤VOCs種類及源匯

本研究所采集的馬尾松和木荷幼苗根系土壤樣品，共檢測出100種不同化合物，包括含氧VOCs(OVOCs)、 非甲烷碳?xì)?NMHCs)、 含氮VOCs(NVOCs)、 含硫VOCs(SVOCs)、 芳香類VOCs(AVOCs)和含鹵VOCs(HVOC)，其中以O(shè)VOCs和NVOCs為主，占總VOCs的38.45%～70.91%(圖1和2)。乙醛、甲醇、乙烯酮、單萜烯、甲酰胺、丙胺、苯酚和二甲基二硫是馬尾松和木荷幼苗根系土壤最主要的VOCs(圖3)。研究表明，土壤揮發(fā)性有機(jī)化合物種類繁多，以烷烴、烯烴、醛、酮、醚和有機(jī)酸等為主[3-4]。與本研究結(jié)果類似，GREENBERGetal[27]、SCHADWetal[16]發(fā)現(xiàn)，甲醇、乙醛、丙酮和乙酸是黃松種植地土壤最主要的揮發(fā)物。MANCUSOetal[28]研究結(jié)果表明3種不同類型土壤都會釋放甲醇、乙醇、異戊二烯、環(huán)戊烷、苯甲醚、檀烯、乙酸異戊酯和單萜烯。KRAMSH?Jetal[29]也發(fā)現(xiàn)永凍土解凍后釋放大量的甲醇和乙醇。不同土壤釋放的VOCs種類不一樣，可能是由于土壤植被種類和理化性質(zhì)的不同，造成植物根系和土壤微生物活動出現(xiàn)差異。因此，在估算區(qū)域土壤VOCs貢獻(xiàn)時(shí)應(yīng)該考慮植被與土壤類型差異帶來的影響。本研究中，馬尾松和木荷盆栽根系土壤作為大多數(shù)VOCs的“源”(圖1和3)，這可能是由于土壤真菌和細(xì)菌分解土壤有機(jī)質(zhì)、植物根系分泌和合成代謝產(chǎn)物等過程會產(chǎn)生大量VOCs[5,8,12]。其次，本研究中土壤不是原位土壤，而是混勻土，破壞了土壤原有的物理結(jié)構(gòu)，這會導(dǎo)致土壤體積膨脹、孔隙和水力學(xué)性質(zhì)等發(fā)生改變[30]，從而促進(jìn)了土壤VOCs的釋放。但是，土壤也是部分VOCs(如苯酚和二甲基二硫等)的“匯”(圖3)，這可能是由于微生物利用VOCs作為碳源，導(dǎo)致土壤吸收和降解VOCs[17]。GANetal[31]發(fā)現(xiàn)蕓苔屬植物釋放的溴甲烷20%～35%會被土壤所吸收。土壤中的丁烷氧化菌會降解污染丁烷[32]，苯酚降解菌則會促進(jìn)土壤對苯酚消耗[33]。此外，YOOetal[34]則發(fā)現(xiàn)Pseudomonassp.會利用土壤中某些VOCs(如α-蒎烯)，同時(shí)VOCs也會刺激土壤中微生物種群，促進(jìn)其他VOCs的釋放。因此，土壤的源與匯是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，不同類型土壤和微生物都會使VOCs“源”與“匯”發(fā)生差異。

3.2 添加氮對土壤VOCs的影響

目前，關(guān)于氮沉降對土壤VOCs的研究相對匱乏。本研究中，兩種氮增加方式均顯著地促進(jìn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的釋放(表2、 圖2)。這可能是由于土壤VOCs的釋放與土壤基質(zhì)密切相關(guān)，土壤營養(yǎng)組分的微小變化(添加KNO3或者(NH4)2SO4)都可能影響VOCs的種類和數(shù)量[35]。添加氮會提高土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量[21]，直接或者間接地改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[23]，進(jìn)而影響土壤揮發(fā)物的通量[2,13]。SEEWALDetal[36]使用PTR-MS檢測基質(zhì)誘導(dǎo)堆肥后土壤VOCs的釋放情況也發(fā)現(xiàn)，氮肥能夠通過改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)來促進(jìn)土壤VOC的釋放。另外，有研究表明，歐洲山楊異戊二烯釋放速率與土壤有效氮含量呈正相關(guān)，當(dāng)土壤養(yǎng)分充足時(shí)，異戊二烯釋放速率大；反之，營養(yǎng)匱乏時(shí)異戊二烯釋放量明顯下降，這與異戊二烯合成酶的活性有關(guān)[37]。馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的通量與土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈顯著的正相關(guān)(P<0.05，表3)，正好能解釋部分施氮促進(jìn)土壤NVOCs釋放的結(jié)果。

表 3 馬尾松和木荷幼苗土壤理化性質(zhì)與土壤各類VOCs通量的相關(guān)性分析Table 3 Correlations between the fluxes of different VOC species and soil physicochemical propertiesin P. massoniana and S. superba seedling root zone soils

注：**，*分別表示相關(guān)性在0.01和0.05水平顯著性(P<0.01，P<0.05)。Note：**，*showed significant correlation at 0.01 and 0.05 (P< 0.01,P< 0.05)，respectively.

不同施氮方式比較發(fā)現(xiàn)，只有在葉面施氮處理下，高氮顯著地促進(jìn)馬尾松土壤總VOCs的釋放，土壤施氮對馬尾松和木荷總VOCs(OVOCs、 NMHCs、 SVOCs、 AVOCs和HVOCs)的影響不大(圖1和圖2、 表2)。本研究中，添加氮降低土壤微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)生物量，改變微生物群落結(jié)構(gòu)[21]，從而影響土壤VOCs的釋放(圖1、 圖 2和圖3)。葉面施氮處理下，植物葉片和枝條具有截留部分氮溶液的作用[19]，都會使到達(dá)土壤中氮的形態(tài)和數(shù)量發(fā)生一定的變化[21]，最終導(dǎo)致植物對葉面添加氮的吸收效率比土壤施氮處理高。此外，土壤酸堿度和微生物等更易受土壤施氮處理影響。因此，可利用性氮素增加可能會促進(jìn)參與VOCs合成的微生物活性及增加植物細(xì)根生物量，從而導(dǎo)致葉面施氮對土壤VOCs釋放的增加作用更明顯。

不同化合物對添加氮的響應(yīng)不一致(表2，圖3)。總體而言，施氮促進(jìn)木荷幼苗根系土壤甲酰胺和丙胺、馬尾松幼苗根系土壤乙烯酮的釋放，對馬尾松和木荷幼苗根系土壤二甲基二硫的通量無影響。原因可能是由于施氮會影響不同類群土壤微生物，從而使土壤VOCs的產(chǎn)生與吸收發(fā)生變化[5,13]；其次，不同樹種的微生物類群、根系分泌物的不同可能也是導(dǎo)致土壤VOCs響應(yīng)差異的一個(gè)重要因素[24]。SMOLANDERetal[38]研究發(fā)現(xiàn)，單萜烯的濃度在針葉樹種土壤中高于闊葉樹種的土壤。LINetal[17]則發(fā)現(xiàn)針葉樹種根系VOCs(如單萜烯)含量較大，會加大對地表VOCs的貢獻(xiàn)。由于土壤的復(fù)雜性，土壤VOCs對添加氮的具體影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

通過不同的氮添加水平和方式對兩種盆栽植物根系土壤揮發(fā)性氣體通量的研究結(jié)果表明，馬尾松和木荷盆栽根系土壤是大部分土壤VOCs的“源”，主要以釋放含氧VOCs和含氮VOCs為主。兩種施氮方式對木荷幼苗根系土壤總VOCs影響不顯著，但馬尾松葉面氮添加處理下根系土壤總VOCs釋放量顯著增加。因此，在研究土壤VOCs對氮添加的響應(yīng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮林冠模擬氮沉降的方式，研究不同樹種的短期效應(yīng)和長期效應(yīng)，以更準(zhǔn)確估算氮沉降對土壤VOCs的影響。

氮添加除顯著促進(jìn)馬尾松和木荷幼苗根系土壤NVOCs的釋放外，對其他類型VOCs影響不大，這與土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮增加密切相關(guān)。氮添加對土壤不同VOCs釋放的影響因氮水平、氮添加方式和樹種而異。然而本研究只局限于關(guān)注盆栽幼苗根系土壤的VOCs動態(tài)，對于實(shí)際氮沉降影響下的土壤VOCs通量有待進(jìn)一步研究。