2017, Vol. 38
2. 湖北省襄阳市环境保护监测站, 襄阳 441000;
3. 华中农业大学环境生态中心, 武汉 430070
2. Xiangyang Environmental Monitoring Station, Xiangyang 441000, China;
3. Ecological Environment Center, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
土壤碳氮循环是全球碳氮循环的重要环节, 土壤碳库的微小变化就能对整个大气CO2的含量甚至全球的碳平衡产生重大影响[1].土壤有机碳(TOC)不仅在提高土壤持水量、渗透势以及优化土壤团聚体结构等方面发挥着重要作用, 更是反映土壤质量或土壤健康的一个重要指标[2].土壤水溶性有机碳(DOC)可进入相邻圈层, 是土壤圈层与水圈、岩石圈、生物圈和大气圈等之间发生物质交换的重要形态[3].土壤中的有效氮主要以铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)形式存在, 其含量变化对植物生产力和土壤氮素的迁移转化过程有重要影响[4], 且有机态氮一般不能直接被植物吸收, 必须经矿化作用形成无机态的NH4+-N和NO3--N, 才能供植物吸收利用[5].
研究土壤生态系统碳氮循环特点及其影响因素对土壤固碳和提高土壤肥力具有重要意义.近年来, 已有不少学者研究了土壤水分含量、土壤质地、外加氮源以及温度等对土壤碳氮转化的影响, 认识到降水量、温度及其它影响因子综合影响土壤TOC含量.施肥[6]、淹水[7]等则可提高土壤有机碳的含量, 或促进土壤DOC的溶出, 从而提高土壤有机碳的矿化量.土壤含水量和外源氮添加均能促进土壤氮矿化, 增加土壤矿质氮的含量[8].
20世纪以来, 随着臭氧层变薄以及臭氧空洞的出现使到达地表的UV-B (中波紫外线, Ultraviolet-B)辐射增强.因为大部分土壤表面都会暴露在太阳光下, 土壤表面发生的光解反应是对碳氮有重要影响且不容忽视的过程.大量研究表明, UV-B辐射的持续增强以及由此带来了一系列的气候变化, 对农业生态系统以及生物生长有重要影响[9].关于UV-B辐射增强对凋落物分解[10]和作物生长[11]的影响进行了多方面的研究, 但UV-B辐射增强对土壤生态过程, 特别是土壤碳氮转化方面的研究并未引起足够的重视.且多研究单一因素对土壤碳氮转化的影响[12], 对UV-B辐射与土壤水分、土壤质地等的复合作用效果仍然不清楚.因此, 在土壤水分含量发生改变时, UV-B辐射对土壤碳氮转化的影响还需深入研究.本文以两个母质相同有机质含量不同的水稻土为研究材料, 采用室内恒温培养的方法探讨了在不同水分下, 土壤碳氮随UV-B辐射的变化规律, 旨在了解气候变化以及农业管理措施对土壤碳库和氮库的影响, 以期为人为调控土壤肥力、提高氮素利用率, 降低环境对土壤的负面影响提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验材料供试的两土样均采自湖北省黄石市阳新县白沙镇土库村(115°04′E, 29°56′N)水稻田表层(0~15 cm), 该地属于北亚热带气候区, 土壤母质为第四纪红色黏土.年均气温16.8℃, 年均降雨量1 389.6 mm, 年均日照时间1 897.1 h, 无霜期263 d.采样田块历史上一直种植水稻, 近10多年来主要种植一季中稻, 采样时各土样均按S形线路随机选取5个采样点进行采集, 将采集好的土样带回室内, 去除石砾、碎屑以及植物根系后混合均匀, 取一部分用于测定含水量, 剩余土壤风干后过1 mm和0.149 mm筛分别用于土壤基本理化性质测定以及室内辐照试验.土壤有机质含量分别为38.29 g·kg-1和58.27 g·kg-1、土壤全氮量分别为1.44 g·kg-1和1.97 g·kg-1、土壤容重分别为1.66 g·cm-3和1.51 g·cm-3、土壤pH分别为5.63和6.46以及土壤含水量分别为17.61%和23.68%.
1.2 试验方法本试验主要在一个自制的玻璃箱体(图 1)中进行, 4盏UV-B灯管(K5B40H, 江阴市申星紫外线灯管厂)作为人工光源固定在箱体顶部, 实测紫外强度约为1.54 W/m2, 反应箱内温度维持在25℃±1℃, 箱的四周均用铝箔和黑色墙纸包裹好, 防止其它杂质光线射入箱体.试验时分别称取15 g土壤平铺于直径为10 cm的高温灭菌的玻璃培养皿中, 土层厚度为2 mm左右, 利用破坏性采样法, 每个土样各60个培养皿.按25%、50%和100%(分别记为W1、W2和W3) 的质量分数加入去离子水, 共设置4个处理:对照组(CK)：避光+W1, 试验组：UV-B辐射+W1、UV-B辐射+W2和UV-B辐射+W3, 编号分别为D+W1、UV-B+W1、UVB+W2和UV-B+W3.将所有避光处理的培养皿用加厚铝箔包裹, 避免光线射入, 随后所有样品随机摆放至可转动的圆盘上, 连续光照120 h, 每24 h采样测定土壤TOC、DOC、NH4+-N和NO3--N含量, 每个处理设置3个重复, 试验过程中定期补充去离子水以保证试验设定的水分条件.
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图 1 试验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental apparatus |
UV-B辐射强度测定采用紫外线测量仪(ST-5XX, 台湾迅驰光学仪器有限公司)测定; 土壤TOC和DOC采用总有机碳分析仪(VarioTOC, 德国Elementar公司)测定, 土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定; 土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定.土壤NH4+-N和NO3--N用流动注射分析仪(AA3, 德国Seal Analytical公司)测定.各指标的浸提以及测定方法详见土壤农化分析手册[13].土壤累积净矿化氮量等于培养后土壤无机氮(NH4+-N+NO3--N)的值减去培养前土壤无机氮(NH4+-N+NO3--N)的值[14].
1.4 数据处理采用SAS软件进行方差分析, 利用Fisher的最小显著差法来比较UV-B辐射下不同水分条件中土壤TOC、DOC、NH4+-N、NO3--N和累积净矿化氮量的差异性, 显著性水平设定为α=0.05, 指标之间的相关性分析采用SPSS 17.0, 软件绘图使用Origin 8.0进行操作.
2 结果与分析 2.1 不同水分条件下UV-B辐射对土壤TOC的影响土壤TOC的含量变化因UV-B辐射与否和不同水分而异(图 2).不论是有机质含量低还是有机质含量高的土壤, 随辐射时间的延长TOC含量一直呈现不断降低的变化特征.在整个培养期间, UV-B辐射下的TOC变化幅度均显著高于避光处理(P＜0.05).
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L代表有机质含量低的土壤; H代表有机质含量高的土壤, 下同 图 2 UV-B辐射下不同水分含量对土壤TOC的影响 Fig. 2 Effects of soil moisture on the concentration of soil TOC under UV-B radiation |
不同水分梯度下TOC含量随UV-B辐射时间都有明显差别, 两个土壤中TOC的降低幅度呈现的规律为：含水量为25%的处理TOC变化幅度最大, 其次是含水量为100%的处理, 至第120 h结束培养, 水分由低到高, 有机质低的土壤中TOC含量分别降低了9.91%、4.51%和6.31%, 有机质高的土壤中TOC含量分别降低了10.93%、5.67%和6.30%.
2.2 不同水分条件下UV-B辐射对土壤可溶性有机碳(DOC)的影响由图 3可以看出UV-B辐射和含水量都对土壤DOC含量有极显著影响(P＜0.05), 避光处理下的DOC值在整个试验期一直呈现不断降低的状态, 而与避光处理相比UV-B辐射显著促进了土壤DOC的生成(P＜0.05).
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图 3 UV-B辐射下不同水分含量对土壤DOC的影响 Fig. 3 Effects of soil moisture on the concentration of soil DOC under UV-B radiation |
在整个辐射过程中, 含水量为100%的处理土壤DOC含量变化量高于其它两个处理, 其DOC变化量分别是25%、50%含水量的1.22、2.78倍(L)和1.26、2.38倍(H).辐射120 h时, 有机质含量低的土壤DOC含量增幅分别为21.53%(W1)、9.47%(W2) 和26.30%(W3), 有机质含量高的土壤DOC含量的增幅分别为26.73%(W1)、14.17%(W2) 和33.77%(W3).
2.3 不同水分条件下UV-B辐射对土壤铵态氮(NH4+-N)的影响土壤NH4+-N含量随UV-B辐射和含水量的变化特征如图 4所示, 从中可以看出不同处理下土壤NH4+-N含量随UV-B辐射时间的变化趋势基本一致, 都随着辐射时间的延长而降低.避光处理的土壤NH4+-N含量变化趋势较为平缓, 呈略微下降状态, 而UV-B辐射处理下土壤NH4+-N含量的降低幅度显著高于避光处理(P＜0.05).
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图 4 UV-B辐射下不同水分含量对土壤NH4+-N的影响 Fig. 4 Effects of soil moisture on the concentration of soil NH4+-N under UV-B radiation |
UV-B辐射24 h后土壤中NH4+-N含量在不同含水量之间差异显著(P＜0.05), 其变化幅度在不同水分中的整体表现为W1＜W2＜W3, 对于有机质含量低的土壤, 土壤NH4+-N含量的变化范围分别介于0.27~5.06(W1)、1.45~6.32(W2) 和1.71~7.85(W3) mg·kg-1之间, 其降低幅度分别为56.81%、71.05%和88.31%, 而对于有机质含量高的土壤, 土壤NH4+-N含量的变化范围分别介于0.28~6.23(W1)、0.97~10.21(W2) 和1.91~10.58(W3) mg·kg-1之间, 降低幅度分别为53.43%、87.62%和90.73%.
2.4 不同水分条件下UV-B辐射对土壤硝态氮(NO3--N)的影响如图 5所示, 无论是有机质含量低的土壤还是有机质含量高的土壤, 在不同处理中, NO3--N的含量都随培养时间的延长而增加.土壤NO3--N含量因接收UV-B辐射与否而异, 与避光相比, UV-B辐射促进了NO3--N的累积, 120 h时, UV-B辐射下的土壤NO3--N含量较初始值分别增加了74.77%(L)和84.35%(H).
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图 5 UV-B辐射下不同水分含量对土壤NO3--N的影响 Fig. 5 Effects of soil moisture on the concentration of soil NO3--N under UV-B radiation |
不同含水量之间, UV-B辐射使土壤NO3--N含量的变化趋势基本一致, 其变化幅度在不同水分处理中均存在一定差异, 但W1与W2之间NO3--N含量变化差异并未达到显著水平(P >0.05), 从整体来分析, NO3--N变化幅度的大致规律为：W1＜W3＜W2.有机质含量低的土壤NO3--N的增幅分别为58.18%、93.99%和89.75%(L), 有机质含量高的土壤NO3--N含量的增幅分别为84.33%、107.86%和95.20%(H).
2.5 不同水分条件下UV-B辐射对土壤累积净矿化氮量的影响图 6显示了土壤累积净矿化氮量在不同水分条件下随UV-B辐射时间的变化规律.可以看出, 无论是有机质含量低的土壤还是有机质含量高的土壤, 在不同处理下, 土壤累积净矿化氮量随时间的变化规律基本一致, 都呈现出矿质氮的累积现象, 培养24 h后, 累积净矿化氮量在UV-B辐射和避光处理间开始出现差异, 且有机质高和有机质低的土壤累积净矿化氮量随辐射时间的变化也存在一定的差异.
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图 6 UV-B辐射下不同水分含量对土壤累积净矿化氮的影响 Fig. 6 Effects of soil moisture on the concentration of soil cumulative net nitrogen mineralization under UV-B radiation |
不同水分处理条件下, UV-B辐射使其累积净矿化氮量差异显著(P＜0.05), 其中土壤含水量为100%的处理累积净氮矿化量最低, 表明高水分含量可减少氮素在UV-B辐射下的净矿化.在有机质含量低的土壤下, 辐射24 h后, 土壤净矿化氮量才开始逐渐累积, 至培养结束时, 水分从低到高, 土壤累积净矿化氮量的变化值分别为1.67、4.55和2.52 mg·kg-1, 而试验结束时, 在有机质含量高的土壤中, 累积净矿化氮量的值分别为9.08、9.37和6.71 mg·kg-1.
3 讨论与避光处理相比, UV-B辐射能显著降低土壤TOC含量(P＜0.05), 这与Yanni等[15]的研究结果基本一致, 这主要是由于腐殖质是一种含有发色团的大分子化合物, 在光照过程中会发生不同程度的降解, 原来组成中有机碳可被矿化为无机碳CO2和CO的形式[16]. Liu等[12]在室内光照培养以及室外自然光照试验也发现, 接收光照的土壤CO2-C的排放速率明显高于避光处理. UV-B辐射能够降低土壤TOC含量还可能是因为土壤TOC是以腐殖质碳为主体[17], 虽然难以被生物降解, 但由于其分子结构中含有大量的发色基团, 能够直接吸收紫外光中的光子能量, 引起自身降解, 断裂重排生成其它小分子化合物[16]. DOC在农田土壤碳氮循环过程中发挥着重要作用, 其数量和结构组成受一系列生物和非生物因素的影响, 如气候变化、土壤性质等[18], 其中UV-B辐射和降雨量也是气候变化的两种重要因素.本研究结果显示, 与避光相比, 接受UV-B辐射后的土壤DOC含量总体呈上升趋势(图 3), 这与Schiebel等[19]的研究结果一致, 他们认为直接光照可导致可溶性有机质(DOM)含量升高. UV-B辐射促进土壤碳溶出的这种现象的原因可概括为：有机发色基团能够吸收光量子能量来增强有机化合物的化学活性, 以致原子之间化学键的松动, 使其转化为低分子量的有机化合物(MW＜200), 最终结果是促进有机化合物的溶出[20].在本研究中, 土壤NH4+-N和NO3--N含量随UV-B辐射时间的变化而变化, 无论是在UV-B辐射还是避光处理下, 在整个试验过程中都有明显的NH4+-N消耗和NO3--N的累积现象, 与避光处理相比UV-B辐射能显著降低土壤中NH4+-N含量, 增加NO3--N含量.这是由于含氮腐殖质在光照下可释放N2, 参与化学反应得到氨, 促进土壤硝化反应, 且土壤中DOM被光照射时, 导致大量难以降解的DON转化为NH4+-N[16], 而光照射能促进土壤体系中生成羟基等具有强氧化能力的基团[21], 从而将土壤中大多数NH4+-N氧化成NO3--N, 由于羟基活性非常强, 也使大多数有机物快速反应并引发芳香族有机物的硝化和亚硝化生成大量的NO3--N.尽管UV-B辐射可导致土壤中有机和无机胶体中NH4+-N的释放, 但NH4+-N的释放速率显著低于NH4+-N向NO3--N转化的速率.在整个试验过程中, 都呈现的是矿质氮的累积现象, 表明在整个辐射过程中NO3--N的累积过程要显著高于NH4+-N的消耗转化过程.
本研究中TOC的降低幅度在不同水分间呈现的规律为：W1(25%)降幅最大, 其次是W3(100%), 而DOC在土壤含水量为W3(100%)时增幅最大, 其次是W1(25%).这是因为紫外线只能穿透1 mm左右的土层[22], 当土壤水分为25%时, 试验所用土壤虽然无法全部暴露于UV-B辐射下, 但由于所用培养皿表面积一定, 较其他两个处理, 暴露在紫外光下的土量最大, 且当土壤含一定水分时, 在光照条件下, 土壤内部容易形成大量自由基如过氧基、过氧化物、羟基和单重态氧, 也可加速有机物的光解, 另一方面也可能是因为在该含水量下土壤有机质矿化速率较高.虽然在含水量为25%时, 土壤TOC降解得最快, 但由于通气性好, 土壤中有机质直接矿化为无机碳CO2, 消耗了土壤中的DOC.有研究证明UV-B在水体中穿透的深度可达2 m[23], 水分增加能促进有机物向土壤表面迁移[24], 也适当降低了土壤颗粒物对紫外光的减弱作用, 使得光线能穿透更深的土层, 有利于有机物的光解[25].且氧和水在光照的黏粒矿物表面极易形成活性氧自由基, 这些活性氧自由基对吸附有机物的光解会产生明显影响[26].淹水条件下也会促进土壤TOC的溶出, 导致团聚体分散[27], 增加了土壤DOC量, 而小的团聚体使更多的有机碳暴露出来从而较易发生光降解, 使土壤TOC因光照而降低.故在淹水条件下UV-B辐射对土壤TOC和DOC有较大影响. UV-B辐射下, NH4+-N含量的降低幅度在不同水分间呈现的规律为：W1(25%)＜W2(50%)＜W3(100%).这与张树兰等[28]关于水分对土壤硝化作用的研究并不一致, 他们认为当土壤含水量为60%时NH4+-N转化速率显著高于含水量为80%的处理.造成这种差异的原因是他们并没有用紫外辐照, 虽然本研究所用的紫外线只能穿透1 mm左右的土层[22], 但当土壤中水分充足时, 紫外线可以透过水分充分照射到土壤中, 增强土壤氮素的光转化速率. NO3--N含量的增幅在不同水分处理中均存在一定差异, 含水量为25%时降幅也最小, 但W1与W2之间NO3--N含量变化差异并未达到显著水平, 故水分含量不同所导致处理间氮矿化量的差异主要表现为NH4+-N的变异.在不同水分条件下低有机质和高有机质土壤中氮的矿化量随辐射时间的变化情况有所差异, 淹水条件(W3) 下氮的累积净矿化量都低, 这是因为尽管在淹水条件下有机质的矿化作用较强, 但淹水处理中NH4+-N降低的幅度明显高于NO3--N增加的幅度, 而累积净矿化氮量是NH4+-N和NO3--N两者之和, 这说明水分对UV-B辐射有较大的影响.两个土壤的累积净矿化氮量的变化程度存在的差异与其初始无机氮含量存在差异有关, L土中无机氮含量为20.45 mg·kg-1, H土中无机氮含量为29.83 mg·kg-1, 故初始无机氮不同, 对UV-B辐射的敏感度也不同.
UV-B辐射下土壤DOC与TOC、NH4+-N呈显著正相关, 与NO3--N、累积净矿化氮量呈显著负相关, 避光处理下相关性正好相反(表 1), 这进一步说明光照与否与土壤碳氮转化之间存在内在联系.另外, 在不同水分处理下, 对于有机质低或有机质高的土壤, 这种相关性有一定的差异, 在有机质含量低的土壤中TOC与DOC、累积净矿化氮量之间的相关性并不显著, 而在有机质高的土壤中, TOC与DOC、累积净矿化氮量呈显著负相关(表 2), 表明土壤初始有机质不同, 土壤对外界环境的敏感度存在差异, 有机质含量高的土壤TOC变化幅度较有机质含量低的大.
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表 1 避光和UV-B培养下土壤各理化指标之间的相关分析1) Table 1 Correlations between different soil physiochemical properties under dark incubation and UV-B radiation |
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表 2 在UV-B辐射下的不同水分梯度中, 土壤各理化指标之间的相关分析 Table 2 Correlations between different soil physiochemical properties under UV-B radiation and different moisture gradients |
4 结论
(1) UV-B辐射对土壤碳、氮转化有重要影响, 在UV-B辐射下, 土壤TOC和NH4+-N的含量随辐射时间的延长而不断降低, 土壤DOC和NO3--N的变化趋势正好相反, 累积净矿化氮量在不同土壤间随辐射时间的变化幅度不同, 但都呈现出矿质氮的累积现象.
(2) 不同含水量下土壤TOC、DOC、NH4+-N、NO3--N以及累积净矿化氮量对UV-B辐射的响应存在一定的差异.除了NO3--N变化趋势在50%和100%含水量间无显著差异外, 其它指标在不同含水量间都有显著差异; 在不同水分处理下都表现出矿质氮的累积现象, 但其在有机质低和有机质高的土壤中随UV-B辐射时间的变化特征存在差异.
(3) UV-B辐射与农田土壤碳氮转化有一定的联系, 故在农业生产活动中应采取相应措施来减轻UV-B辐射对农田土壤产生的负面影响, 避免农田土地长期处于裸露状态, 根据农田土壤的性质制定合理的灌溉方案都是可取的措施.此外, 在一些区域, 土壤有机质的积累非常缓慢, 内在的原因很可能与光降解有关.
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