焦宏哲李 歡陳 惠鮑 勇孫 穎楊玉盛司友濤?
增溫、施氮對中亞熱帶杉木林土壤可溶性有機質的影響*
焦宏哲1,2,李 歡1,2,陳 惠1,2,鮑 勇1,2,孫 穎1,2,楊玉盛1,2,司友濤1,2?
(1. 福建師范大學地理科學學院,福州 350007;2. 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地,福州 350007)
受人類活動的影響,1880—2012年,全球地表平均溫度約提高0.85 °C;同時,1980—2010年間我國大氣氮沉降以0.41 kg·hm–2的速率逐年增加。全球變暖和大氣氮沉降將通過影響環(huán)境因子變化進而影響土壤可溶性有機質(DOM,Dissolved organic matter)。為探究增溫和施氮對DOM數量及其結構的影響,選取我國中亞熱帶杉木人工林土壤進行增溫以及施氮試驗,試驗設對照(CT,0 kg·hm–2·a–1)、增溫(W,+5℃,0 kg·hm–2·a–1)、高氮(HN,80 kg·hm–2·a–1)、低氮(LN,40 kg·hm–2·a–1)、增溫×高氮(WHN,+5℃,80 kg·hm–2·a–1)、增溫×低氮(WLN,+5℃,40 kg·hm–2·a–1)6種處理。結果表明,與CT相比,W處理的土壤可溶性有機碳(DOC,Dissolved organic carbon)和可溶性有機氮(DON,Dissolved organic nitrogen)增加,但其芳香性指數和腐殖化程度低,這很可能是由于增溫促進了土壤有機質(SOM,Soil organic matter)向DOM的轉化。季節(jié)通過影響土壤環(huán)境,對施氮后的土壤DOM結構有不同影響:干季(2015年1月)時,施氮使DOM含量增加,其芳香性指數顯著升高;雨季(2015年4月)時,施氮處理的土壤DOM含量升高,但其芳香性指數和腐殖化程度呈下降趨勢。在增溫和施氮的交互作用下DOM含量達到最高,其結構相對簡單。除了溫度和氮含量的直接影響外,RDA(冗余分析)表明,土壤含水量和pH也是決定土壤DOM變化的重要因子。增溫和施氮均可以降低土壤pH,使得SOM更容易向DOM轉化。增溫會加速植物殘體和SOM向DOM的溶解過程;施氮會通過促進植物生長,增加土壤DOM的含量。
增溫;氮添加;杉木人工林;可溶性有機質
土壤有機質(SOM,Soil organic matter)在全球碳循環(huán)中扮演著十分重要的角色[1]。其中,可溶性有機質(DOM,Dissolved organic matter)雖然占SOM的比例小于5%,卻具有周轉速度快、活性高的特性。土壤DOM主要來自地表凋落物的淋溶、根系分泌物、殘根分解和固相SOM的分解轉化。同時,土壤DOM可能在不同土層間發(fā)生遷移,甚至會遷移到生態(tài)系統(tǒng)之外,也有可能被微生物分解利用、被土壤顆粒吸附,這些過程均會降低土壤DOM的含量[2]。因此,DOM不僅影響生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動,而且在調節(jié)森林生態(tài)系統(tǒng)各養(yǎng)分庫的平衡方面起重要作用。
根據IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)在2013年發(fā)布的第五次評估報告[3],1880—2012年,全球地表平均溫度約提高0.85℃。同時,大氣氮沉降強度不斷增加,19世紀60年代人類活動產生的N為15 Tg·a–1,20世紀90年代早期增至156 Tg·a–1,預計2050年將增至270 Tg·a–1[4]。氣候變暖和大氣氮沉降會通過影響森林初級生產力調控植物向土壤輸入有機碳的過程,也會通過改變土壤溫度、pH等環(huán)境因子改變微生物對SOM的分解轉化過程,并最終改變SOM。在這些過程中,DOM是外源輸入新鮮有機質庫、本底SOM庫和微生物可利用的能量和養(yǎng)分庫之間的橋梁。因此DOM能敏感地反映氣候變暖和氮沉降對SOM的影響[5]。
有研究表明[6],土壤可溶性有機碳(DOC,Dissolved organic carbon)的含量與溫度呈正比,這可能是因為增溫使微生物活性增強,促進了土壤有機質的周轉,從而使DOM含量增加[7]。然而,MacDonald等[8]發(fā)現(xiàn)增溫對土壤DOC含量沒有影響。Camino-Serrano等[9]則發(fā)現(xiàn)增溫后DOM整體呈下降趨勢。施氮與DOM含量的關系亦不確定。如,在美國科羅拉多研究發(fā)現(xiàn)施氮促進土壤DOC含量增加,這可能是因為長期施肥會促進土壤有機質儲量的增加,進而增加土壤DOC含量[10]。Rappe-George等[11]研究發(fā)現(xiàn)施氮對土壤DOM無顯著影響。而Zak等[12]認為施氮能夠抑制微生物及酶的活性,從而導致DOM含量的減少。
過去研究表明[13],增溫會使土壤微生物分解速率加快,增加土壤腐殖質成分和高芳香碳化合物。Nguyen和Choi等[14]研究發(fā)現(xiàn)施氮對土壤DOM腐殖化指數影響不明顯,常單娜等[15]認為施氮肥會使土壤DOM芳香化指數和腐殖化指數升高,而Hagedorn等[16]卻發(fā)現(xiàn)施氮會使土壤DOM中芳香化合物減少。顯然,增溫和施氮對土壤DOM的影響十分復雜,其影響機制還不甚清楚,仍需要更多的探索。尤其是鮮有研究從DOM的結構入手分析DOM的來源和分解狀態(tài),并以此來解釋DOM的含量。
我國亞熱帶被稱為“回歸帶上的綠洲”,森林生物資源豐富,自然條件優(yōu)越。由于南方山地開發(fā)和商品林基地建設,大面積的常綠闊葉林被改造成杉木人工林,約占我國南方森林面積的1/3[17]?,F(xiàn)有的增溫和氮沉降開展的相關控制試驗多集中于中高緯度溫帶地區(qū)[18-20],亞熱帶地區(qū)高溫高濕,有機質周轉速度快,增大了DOM淋溶和損失的風險,亞熱帶森林對氣候的響應可能比溫帶森林更加脆弱。因此,在亞熱帶森林開展增溫和施氮對了解全球氣候變化背景下該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的變化具有極大的理論和現(xiàn)實意義。本研究在杉木幼林設置增溫和施氮多因子試驗平臺,利用紫外-可見光譜(UV-Vis)、熒光光譜(FS)等技術探討DOM的含量及化學結構對增溫和施氮的響應,以期深入了解全球氣候變化對森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的影響。
研究區(qū)位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化野外觀測研究站陳大觀測點(26°19″ N,117°36″ E)。該地平均海拔300 m,屬中亞熱帶季風氣候,年均溫17~19.4℃,年均降水量1 749 mm,年均蒸發(fā)量1 585 mm,相對濕度81%。土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤。
試驗所選樣地為杉木幼林地。設對照(CT)、增溫(W,+5℃)、高氮(HN,80 kg·hm–2·a–1)、低氮(LN,40 kg·hm–2·a–1)、增溫×高氮(WHN)、增溫×低氮(WLN)6種處理,每個處理3個小區(qū)(重復),共18個2 m×2 m的小區(qū)。小區(qū)土壤取自附近成熟杉木林,按0~10、10~20、20~70 cm將土壤分層取回,剔除粗根、石塊和其他雜物,再分層混合均勻,按20~70、10~20、0~10 cm的順序重填回試驗小區(qū),同時采用壓實法調整土壤容重與原位土壤容重接近,以消除土壤異質性。小區(qū)四周隔入焊接的4塊PVC板(200 cm×70 cm),防止小區(qū)之間相互干擾。
于2013年10月在所有小區(qū)內平行布設加熱電纜,深度為10 cm,間距為20 cm,且在小區(qū)最外圍環(huán)繞一周,保證樣地增溫的均勻性。2013年11月,每個2 m×2 m小區(qū)種植4棵1年生杉木幼苗,所選幼苗地徑為3 cm左右,高度25 cm左右,杉木位置均處于兩條電纜線之間。2014年3月同時開展增溫和施氮試驗:在W、WHN和WLN三種處理下的9個小區(qū)電纜通電增溫(始終較對照高5℃);在HN、LN、WHN和WLN小區(qū)內,按照氮水平要求,每月將每個小區(qū)所需要噴灑的NH4NO3溶解在800 mL去離子水中,用手提式噴霧器從幼苗林冠上方對小區(qū)均勻噴灑,全年分12次模擬氮沉降。對照小區(qū)噴灑等量的去離子水,以減少因外加水而造成的影響。
于2015年1月(干季)和2015年4月(雨季)采集土壤樣品,每次采樣均在各個小區(qū)按S型布設5個土壤取樣點,采集0~10 cm的土壤。樣品帶回室內后,去除碎屑、砂礫以及植物根系,再將每塊小區(qū)中的5個取樣點土樣混合成一個樣品,過2 mm篩。一部分用于測定土壤基本理化性質,另一部分用于提取DOM。
土壤DOM的提取采用水浸提法。稱取15 g鮮土于50 mL離心管中,加入30 mL去離子水(水土比為2︰1,V︰W),振蕩30 min后4 000 r·min–1離心10 min,再用0.45 μm濾膜過濾,濾液中的有機物即為土壤DOM。
土壤pH用CHN868型pH計測定,水土比為2.5︰1。土壤含水量采用烘干法測定。土壤總有機碳及土壤全氮用碳氮元素分析儀(Elementar Vario EL III,Elementar,German)測定。DOM中DOC和DON(可溶性有機氮,Dissolved organic nitrogen)含量分別采用有機碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu,Kyoto,Japan)和連續(xù)流動分析儀(Skalar San++,Netherlands)測定。DOM溶液在254 nm處的吸光度值用紫外-可見光分光度計(UV-2450,Shimadzu,Kyoto,Japan)測定,利用254 nm處吸收值和DOC含量計算芳香性指數(Aromaticity Index,AI),AI =(UV254/DOC)× 100[21]。熒光光譜采用日立熒光光譜儀(F7000,Hitachi,Tokyo,Japan)測定,激發(fā)和發(fā)射光柵狹縫寬度為5 nm,掃描速度為1 200 nm·min–1,熒光同步波長范圍為250~500 nm。為提高靈敏度,熒光光譜測定前使用2 mol·L–1鹽酸將所有待測液的pH調成2。熒光同步光譜腐殖化指數(Humification index,synchronous mode,HIXsyn)為熒光同步光譜中波長460 nm與345 nm處熒光強度的比值[22-23]。
用Excel 2013和SPSS 22.0軟件進行數據處理。采用單因素方差分析和獨立樣本t檢驗比較同一取樣時間下不同處理間或不同取樣時間下同一處理間的土壤理化性質、DOM含量及其光譜學特征值的差異性;采用雙因素方差分析檢驗增溫、施氮對各指標的影響;采用Canoco Software 5.0 軟件以土壤DOM為響應變量,同時以土壤理化性質為解釋變量做冗余分析(RDA)。圖表由Excel和Origin完成。
1月時,與CT相比,HN和LN處理的含水量分別顯著下降了15.5%、14.7%(表1);其他5種處理的土壤pH顯著小于CT;各處理間C/N無顯著差異。4月時,土壤經W、HN、LN、WHN和WLN處理后,土壤含水量均顯著降低;W、WHN和WLN處理的pH顯著低于CT。1月時同種處理的土壤含水量總體高于4月;同時HN、LN和WLN三種處理的pH值低于4月。方差分析表明,1月時增溫和施氮對土壤含水量無顯著影響(表2);但增溫和施氮對土壤pH的作用顯著。4月時增溫、施氮對土壤含水量和pH均有顯著影響。
1月時,WHN和WLN處理顯著增加土壤DOC含量;HN、LN、WHN和WLN處理顯著提高DON含量(圖1)。4月時,與CT相比,其他5種處理的DOC含量顯著升高,其中WHN處理的DOC最高;除WLN外其他處理的DON顯著高于CT。4月同種處理的DOC含量與1月相比呈增加趨勢;4月W處理的DON含量相比1月呈增加趨勢,但HN、LN、WHN和WLN處理的DON含量呈下降趨勢。方差分析表明,1月和4月時,增溫、施氮、增溫和施氮的交互作用對土壤DOC、DON含量的作用顯著(表2)。
1月時,W處理的AI顯著低于CT;而HN和LN處理的AI顯著升高,分別為CT處理的2.6倍、2.1倍。4月時,HN、LN、WHN和WLN的AI顯著低于CT。與1月相比,4月W的AI呈增加趨勢,但HN、LN、WHN和WLN的AI呈下降趨勢(圖2)。方差分析表明,1月時增溫、施氮、增溫和施氮的交互作用對芳香性指數作用顯著,4月時僅施氮對芳香性指數有顯著影響(表2)。
1月時,與CT相比,其他5種處理的HIXsyn顯著降低。4月時,僅LN處理的HIXsyn值顯著低于對照。從1月到4月,各處理的HIXsyn值總體呈下降趨勢(圖3)。方差分析表明,1月時增溫、施氮、增溫和施氮的交互作用對HIXsyn作用顯著(表2)。
以土壤DOM為被解釋變量,以土壤理化性質為解釋變量,分別對2015年1月(圖4A)和2015年4月(圖4B)的土壤DOM進行冗余分析(RDA)。圖4A中,第一軸和第二軸共解釋了土壤DOM變異的64.37%;其中pH、含水量分別解釋了55.6%和8.7%,說明二者對1月的土壤DOM含量和結構起重要作用。圖4B中,兩軸共同解釋4月土壤DOM變化的55.33%;含水量、pH分別解釋了變異的37.6%和17.8%。
表1 各取樣時間下不同處理的土壤性質
注:CT,對照;W,增溫;HN,高氮;LN,低氮;WHN,增溫×高氮;WLN,增溫×低氮。下同。不同大寫字母表示不同時間下同一處理間差異顯著,不同小寫字母表示同一時間下不同處理間差異顯著(<0.05);結果表示為平均值±標準差(=3)。Note:CT,Control;W,Warming;HN,High nitrogen-addition;LN,Low nitrogen-addition;WHN,Warming and high nitrogen-addition;WLN,Warming and low nitrogen-addition. The same below. Different capital letters indicate significant difference between sampling times,and different lowercase letters indicate significant difference between treatments(<0.05);data are means±SD(=3).
表2 增溫、施氮對土壤性質、DOM含量及結構的影響的方差分析
注:W,增溫;N,施氮;W×N,增溫和施氮的交互作用;SOC,土壤有機碳;STN,土壤全氮;DOC,可溶性有機碳;DON,可溶性有機氮;AI,芳香性指數;HIXsyn,熒光同步光譜腐殖化指數。Note:W stands for warming;N for nitrogen addition;W×N for interactive effect of warming and nitrogen addition;SOC for soil organic carbon;STN for soil total nitrogen;DOC for dissolved organic carbon;DON for dissolved organic nitrogen;AI for aromaticity index;HIXsynfor humification index of synchronous mode;ns,0.05;*,<0.05;**,<0.01;***,<0.001.
注:圖中誤差線為標準差(n=3)。不同大寫字母表示不同時間下同一處理間差異顯著,不同小寫字母同一時間下不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Error bars stand for standard deviations(n=3). Different capital letters indicate significant difference between sampling times,different lowercase letters indicate significant difference between treatments(P<0.05). The same below.
圖2 各取樣時間下不同處理間土壤DOM的芳香性指數
增溫和施氮對土壤理化性質的影響主要體現(xiàn)在土壤含水量和pH兩方面。
增溫提高土壤溫度,加速土壤水分蒸發(fā);施氮促進植物生長,使植物從土壤中汲取更多的水分;二者均能使土壤含水量降低。增溫和施氮在4月對土壤含水量的影響似乎比1月更明顯,具體表現(xiàn)為:雖然4月是雨季而1月是干季,但整體上4月的土壤含水量低于1月。很可能是因為1月氣溫較低,增溫后仍不足以明顯促進水分蒸發(fā),且不是植物的生長季,植物所吸收的土壤水分很少;而4月氣溫較高,增溫后水分蒸發(fā)明顯加快,且此時正是生長季,施氮促進了植物生長從土壤中獲取水分的速度。此外,4月時其他5種處理的土壤含水量均顯著低于CT,也證明此時增溫和施氮對土壤含水量影響顯著。
圖3 各取樣時間下不同處理間土壤DOM的熒光同步光譜特征
注:A,2015年1月;B,2015年4月;CT1,2,3,對照;W1,2,3,增溫;HN1,2,3,高氮;LN1,2,3,低氮;WHN1,2,3,增溫×高氮;WLN1,2,3,增溫×低氮;M,土壤含水量;DOC,可溶性有機碳;DON,可溶性有機氮;AI,芳香性指數;HIXsyn,熒光同步光譜腐殖化指數。Note:CT1,2,3,Control;W1,2,3,Warming;HN1,2,3,High nitrogen-addition;LN1,2,3,Low nitrogen-addition;WHN1,2,3,Warming and high nitrogen-addition;WLN1,2,3,Warming and low nitrogen-addition;M,Moisture;DOC,Dissolved organic carbon;DON,Dissolved organic nitrogen;AI,Aromaticity index;HIXsyn,Humification index of synchronous mode.
增溫后土壤pH下降,導致土壤顆粒表面電荷減少,SOM和土壤顆粒的結合力下降,SOM受到的物理保護減弱,更容易被微生物利用或者被土壤水溶液所溶解[28];同時,由于有機質的溶解過程往往是吸熱過程,所以溫度升高會直接促進植物殘體和SOM向DOM的溶解轉化過程[29]。同一時間點,W處理DOM的AI和HIXsyn低于CT,說明結構相對簡單的小分子量物質在DOM中的比例上升,且微生物分解產物的比例相對較小,這些均證明了增溫會促進植物殘體和SOM向DOM的轉化(圖5的過程III)。由于DOM是微生物最容易利用的能量和養(yǎng)分源,增溫后微生物的活性增加,所以增溫后微生物對SOM的分解速率亦加快[30],SOC、STN有減少的趨勢(表1)。4月W處理的DOM含量與CT相比顯著增加(圖1),且W處理在4月的DOC/SOC顯著高于1月(表1);可能因為1月平均溫度(10℃)較低,增溫對植物殘體和SOM的活化作用不明顯,而4月平均溫度為18℃,增溫后效果更顯著[31]。
圖5 DOM產生和消耗的主要途徑
1月,增溫和施氮對DOM的含量和結構有顯著的交互作用。而在4月,雖然增溫和施氮的交互作用對DOM的含量有顯著影響,但對DOM的結構并無顯著影響;事實上只有施氮顯著影響了4月DOM的AI(表2)。這說明在溫度較高的生長季,施氮后土壤DOM大多都來自植物體,而增溫會加速植物有機質向DOM的轉化。
冗余分析顯示,pH和土壤含水量均是顯著影響土壤DOM含量和結構的因子(圖4,圖5的過程III),但是其背后的影響機理并不相同。pH對DOM的影響是直接的,即:土壤pH下降,導致土壤顆粒表面電荷減少,SOM和土壤顆粒的結合力下降,SOM受到的物理保護減弱[23],更加容易轉化為DOM,所以pH與DOC、DON的含量呈負相關的關系(DOC、DON與pH的夾角大于90°,圖4)。然而土壤含水量對DOM的影響似乎只是“表觀”上的,這一點可由以下幾方面看出。第一,理論上土壤含水量越多越有利于SOM的溶解,DOC的含量應該與土壤含水量成正比;但是本研究發(fā)現(xiàn),同種處理4月的土壤含水量低于1月的含水量,同時4月DOC的含量要高于1月(圖1),即整體上土壤含水量與DOC的含量呈負相關關系(圖4)。由此推斷,增溫對植物殘體和SOM的活化以及施氮對植物生長的促進才是DOC增加的真正原因。第二,在1月,pH的作用大于土壤含水量(圖4A),而在4月土壤含水量的作用大于pH(圖4B)。之所以表觀上4月土壤含水量的作用更大,恰恰是因為此時氣溫較高,增溫的效果較1月顯著,水分蒸發(fā)加快,對有機質的活化作用更強,并且4月是植物的生長季,施氮通過調節(jié)植物生長提高了新鮮有機質向土壤的輸入速度并使植物吸收更多的土壤水分;表觀上使得土壤含水量和DOM含量的負相關關系更明顯。
增溫和施氮均可以降低土壤pH,使得SOM更容易向DOM轉化。由于有機質在土壤溶液中溶解大都是吸熱的,所以增溫還會加速植物殘體和SOM向DOM的溶解過程;而施氮則還能通過促進植物生長增加土壤DOM的含量。增溫和施氮對土壤DOM的影響表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異,說明未來全球變暖和氮沉降加劇所帶來的影響會因不同地區(qū)本底條件的差異而有所不同。增溫和施氮及其交互作用對土壤DOM的含量及結構的影響還有待深入研究,未來應將其他因素的影響機制考慮進來,才能更好地揭示氣候變化對土壤碳氮循環(huán)的影響。
[ 1 ] Batjes N H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world[J]. European Journal of Soil Science,1996,47(2):151—163.
[ 2 ] Wang L,Ying R R,Shi J Q,et al. Advancement in study on adsorption of organic matter on soil minerals and its mechanism[J]. Acta Pedologica Sinica,2017,54(4):805—818. [王磊,應蓉蓉,石佳奇,等. 土壤礦物對有機質的吸附與固定機制研究進展[J]. 土壤學報,2017,54(4):805—818.]
[ 3 ] IPCC. Summary for policymakers//Climate change 2013:The physical science basis. Contribution of working Group I to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge:Cambridge University Press,2013.
[ 4 ] Liu X J,Zhang Y,Han W X,et al. Enhanced nitrogen deposition over China[J]. Nature,2013,494(7438):459—462.
[ 5 ] Scott E E,Rothstein D E. The dynamic exchange of dissolved organic matter percolating through six diverse soils[J]. Soil Biology & Biochemistry,2014,69:83—92.
[ 6 ] Liechty H O,Kuuseoks E,Mroz G D. Dissolved organic carbon in northern hardwood stands with differing acidic inputs and temperature regimes[J]. Journal of Environmental Quality,1995,24(5):927—933.
[ 7 ] Zhang J S,Tao S,Cao J. Spatial distribution pattern of water soluble organic carbon in Eastern China[J]. Acta Pedologica Sinica,2001,38(3):308—314. [張甲珅,陶澍,曹軍. 中國東部土壤水溶性有機物含量與地域分異[J]. 土壤學報,2001,38(3):308—314.]
[ 8 ] MacDonald N W,Randlett D L,Zak D R. Soil warming and carbon loss from a Lake States Spodosol[J]. Soil Science Society of America Journal,1999,63(1):211—218.
[ 9 ] Camino-Serrano M,Gielen B,Luyssaert S,et al. Linking variability in soil solution dissolved organic carbon to climate,soil type,and vegetation type[J]. Global Biogeochemical Cycles,2014,28(5):497—509.
[ 10 ] Fr?berg M,Grip H,Tipping E,et al. Long-term effects of experimental fertilization and soil warming on dissolved organic matter leaching from a spruce forest in Northern Sweden[J]. Geoderma,2013,200/201:172—179.
[ 11 ] Rappe-George M,Gardenas A I,Kleja D B. The impact of four decades of annual nitrogen addition on dissolved organic matter in a boreal forest soil[J]. Biogeosciences,2012,10(3):1365—1377.
[ 12 ] Zak D R,Pregitzer K S,Burton A J,et al. Microbial responses to a changing environment:Implications for the future functioning of terrestrial ecosystems[J]. Fungal Ecology,2011,4(6):386—395.
[ 13 ] Kalbitz K,Schmerwitz J,Schwesig D,et al. Biodegradation of soil-derived dissolved organic matter as related to its properties[J]. Geoderma,2003,113(3/4):273—291.
[ 14 ] Nguyen H V M,Choi J H. Changes in the dissolved organic matter leaching from soil under severe temperature and N-deposition[J]. Environmental Monitoring and Assessment,2015,187(6):1—15.
[ 15 ] Chang D N,Cao W D,Bao X G,et al. Long-term different fertilizations changed the chemical and spectrum characteristics of DOM of the irrigation-desert soil in north-western China[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2016,36(1):220—225. [常單娜,曹衛(wèi)東,包興國,等. 西北灌漠土長期不同施肥改變土壤可溶性有機質的化學及光譜學特性[J]. 光譜學與光譜分析,2016,36(1):220—225.]
[ 16 ] Hagedorn F,Blaser P,Siegwolf R. Elevated atmospheric CO2and increased N deposition effects on dissolved organic carbon—clues from δ13C signature[J]. Soil Biology & Biochemistry,2002,34(3):355—366.
[ 17 ] Piao S L,F(xiàn)ang J Y,Ciais P,et al. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China[J]. Nature,2009,458(7241):1009—1013.
[ 18 ] Xu X K,Han L,Luo X B,et al. Effects of nitrogen addition on dissolved N2O and CO2,dissolved organic matter,and inorganic nitrogen in soil solution under a temperate old-growth forest[J]. Geoderma,2009,151(3/4):370—377.
[ 19 ] Li Q,Bai H H,Liang W J,et al. Nitrogen addition and warming independently influence the belowground micro-food web in a temperate steppe[J]. PLoS One,2013,8(3):e60441. DOI:10.1371/journal.pone.0060441.
[ 20 ] Gill R A. The influence of 3-years of warming and N-deposition on ecosystem dynamics is small compared to past land use in subalpine meadows[J]. Plant and Soil,2014,374(1/2):197—210.
[ 21 ] Weishaar J L,Aiken G R,Bergamaschi B A,et al. Evaluation of specific ultraviolet absorbance as an indicator of the chemical composition and reactivity of dissolved organic carbon[J]. Environmental Science & Technology,2003,37(20):4702—4708.
[ 22 ] Zsolnay A,Baigar E,Jimenez M,et al. Differentiating with fluorescence spectroscopy the sources of dissolved organic matter in soils subjected to drying[J]. Chemosphere,1999,38(1):45—50.
[ 23 ] Fissore C,Giardina C P,Kolka R K,et al. Temperature and vegetation effects on soil organic carbon quality along a forested mean annual temperature gradient in North America[J]. Global Change Biology,2008,14(1):193—205.
[ 24 ] Sun D D,Li Y J,Zhao W Q,et al. Effects of experimental warming on soil microbial communities in two contrasting subalpine forest ecosystems,eastern Tibetan Plateau,China[J]. Journal of Mountain Science,2016,13(8):1442—1452.
[ 25 ] Li D D,Li Y J,Liang J,et al. Responses of soil micronutrient availability to experimental warming in two contrasting forest ecosystems in the Eastern Tibetan Plateau,China[J]. Journal of Soils and Sediments,2014,14(6):1050—1060.
[ 26 ] Ren F,Zhou H K,Zhao X Q,et al. Influence of simulated warming using OTC on physiological–biochemical characteristics ofin alpine meadow on Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica,2010,30(3):166—171.
[ 27 ] Chen D M,Li J J,Lan Z C,et al. Soil acidification exerts a greater control on soil respiration than soil nitrogen availability in grasslands subjected to long-term nitrogen enrichment[J]. Functional Ecology,2016,30(4):658—669.
[ 28 ] Oades J M. The retention of organic matter in soils[J]. Biogeochemistry,1988,5(1):35—70.
[ 29 ] Li H,Yang Y S,Si Y T,et al. Effects of experimental soil warming and precipitation reduction on the quantity and structure of soil dissolved organic matter ofplantations in subtropical China[J]. Acta Ecologica Sinica,2018,38(8):2884—2895. [李歡,楊玉盛,司友濤,等. 模擬增溫及隔離降雨對中亞熱帶杉木人工林土壤可溶性有機質的數量及其結構的影響[J]. 生態(tài)學報,2018,38(8):2884—2895.]
[ 30 ] Rustad L,Campbell J,Marion G,et al. A meta-analysis of the response of soil respiration,net nitrogen mineralization,and aboveground plant growth to experimental ecosystem warming[J]. Oecologia,2001,126(4):543—562.
[ 31 ] Yuan S,Yang Z J,Yuan X C,et al. Effects of precipitation exclusion and warming on soil soluble carbon and nitrogen in a youngplantation[J]. Chinese Journal of Applied Ecology,2018,29(7):2217—2223. [袁碩,楊智杰,元曉春,等. 降雨隔離和溫度增加對杉木幼林土壤可溶性碳氮的影響[J]. 應用生態(tài)學報,2018,29(7):2217—2223.]
[ 32 ] Berg B,Matzner E. Effect of N deposition on decomposition of plant litter and soil organic matter in forest systems[J]. Environmental Reviews,1997,5(1):1—25.
Effects of Soil Warming and Nitrogen Addition on Soil Dissolved Organic Matter ofPlantations in Subtropical China
JIAO Hongzhe1, 2, LI Huan1, 2, CHEN Hui1, 2, BAO Yong1, 2, SUN Ying1, 2, YANG Yusheng1, 2, SI Youtao1, 2?
(1. School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China)
As affected by anthropogenic activities, such as greenhouse agriculture that emits greenhouse gases, the global mean surface temperature rose by about 0.85 °C over the period of 1880—2012; and nitrogen deposition in China increased significantly by 0.41 kg·hm–2with each passing year over the period from 1980 to 2010. In the context of global warming, soil dissolved organic matter (DOM) attracts more and more attention due to its important role affecting global carbon and nitrogen balance, which is of great significance to the ecological environment. This study aims to investigate effects of soil warming and nitrogen addition on content and structure of soil DOM in the soil ofplantations in subtropical China.In 2014—2015, a mesocosm field experiment was carried out in aplantations in subtropical China. The experiment was designed to have six treatments, that is, (1) CT(no warming and 0 kg·hm–2·a–1); (2) W(+5℃, 0 kg·hm–2·a–1); (3) HN(no warming and 80 kg·hm–2·a–1); (4) LN(no warming and 40 kg·hm–2·a–1); (5)WHN (+5℃and 80 kg·hm–2·a–1); and (6) WLN, (+5℃and 40 kg·hm–2·a–1).Soil samples were collected in January 2015(dry season)and April 2015(rainy season), separately for analysis of DOM.Results show that soil warming increased the content of DOM, but decreased its aromaticity index and humification index, which might be attributed to the effect of high temperature promoting conversion of SOM (soil organic matter)into DOM. The impact of nitrogen addition on DOM structure showed a seasonal pattern. In the dry season, addition of nitrogen increased both the content and aromaticity index of DOM, while in the rainy season, it increased the content of DOM, but reduced its aromaticity and humification index significantly. Under the joint effect of high temperature and nitrogen addition, the DOM peaked in content and got simpler in structure. Besides the direct impacts of temperature and nitrogen content, soil moisture and pH were also key factors cotrolling DOM dynamics as revealed by RDA (redundancy analysis).Based on the findings of the experiment, it could be concluded that 1) Both warming and application of nitrogen affect soil pH, thus making it easier for SOM to convert into DOM. Since the dissolution of organic matter in soil solution is mostly endothermic, warming accelerates the dissolution of plant residues and SOM into DOM; while nitrogen addition can also increase soil DOM content by promoting plant growth. 2) The effects of warming and nitrogen addition on soil DOM show a strong seasonal pattern, indicating that the influences of future global warming and nitrogen deposition will vary with environment conditions from region to region. Hence, more experiments should be done to further explore impacts of warming, nitrogen addition and their interaction on soil DOM, and some other environmenatl variables should be taken into account to attain a more profound comprehension of carbon and nitrogen cycling under a changing global climate.
Warming; Nitrogen addition;; Dissolved organic matter
S714
A
10.11766/trxb201904160078
焦宏哲,李歡,陳惠,鮑勇,孫穎,楊玉盛,司友濤. 增溫、施氮對中亞熱帶杉木林土壤可溶性有機質的影響[J]. 土壤學報,2020,57(5):1249–1258.
JIAO Hongzhe,LI Huan,CHEN Hui,BAO Yong,SUN Ying,YANG Yusheng,SI Youtao. Effects of Soil Warming and Nitrogen Addition on Soil Dissolved Organic Matter ofPlantations in Subtropical China[J]. Acta Pedologica Sinica,2020,57(5):1249–1258.
* 國家自然基金面上項目(31570606)和福建省自然科學基金面上項目(2019J01282,2015J01120)資助Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 31570606)and the Natural Science Foundation of Fujian Province,China(Nos. 2019J01282,2015J01120)
,E-mail:yt.si@fjnu.edu.cn
焦宏哲(1994—),女,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,主要從事森林生態(tài)研究。E-mail:928187501@qq.com
2019–04–16;
2019–06–19;
優(yōu)先數字出版日期(www.cnki.net):2019–10–15
(責任編輯:盧 萍)