耕作扰动对喀斯特土壤可溶性有机质及其组分迁移淋失的影响

刘霞娇,段亚峰,叶莹莹,肖霜霜,张 伟,王克林,*

1 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125 2 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站, 环江 547100 3 中国科学院大学, 北京 100049 4 湖南农业大学, 长沙 410125 5 长沙市环境监测中心站, 长沙 410001

DOM淋失与人类干扰密切相关,且受到多种环境因素的影响。Meek等研究表明,耕作会增加土壤养分的淋失[7]。不合理的耕作会导致土壤团聚体破碎,加快有机质活性组分氧化和矿化,致使土壤养分大量丢失[8]。而适当的耕作措施有利于土壤水分与养分的保持,同时减少地下水污染风险[9]。DOM淋失具有显著的季节性特征,且DOC与DON的淋失特征不尽相同。Kaiser等发现,土壤DOC淋失量在夏季最大,在短暂的干旱后的降雨期间达到最大值[1],而DON在冬季淋溶量明显小于夏季[10],降雨或灌溉及其频率是导致农田 DON 渗漏的最大驱动力[5]。DOM的淋失还与其自身组分与结构有关,有研究表明DOC吸附过程中,难分解组分易于受到吸附保护,而亲水性化合物、简单小分子化合物不容易被吸附,且吸附后的生物稳定性差,还易出现解吸或被疏水性化合物替代吸附的现象[11]。Kaiser等发现,土壤DOC夏季淋失多为亲水化合物和小分子物质,而秋季多疏水性化合物[12]。Nguyen 等发现温度能影响土壤DOM淋失的质与量,其SUVA值随着温度的升高而增大[13]。以上研究均从单一影响因素出发,缺乏人为因素与自然因素相结合的研究,且对 DOM分子结构对人为干扰的响应尚不明确。

西南喀斯特地貌特殊,生态环境脆弱,具有土壤浅薄、植被不连续等特征[14]。前期研究发现,喀斯特自然生态系统土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)等养分含量显著高于同地区红壤,但是一旦转变为耕地,土壤养分含量显著降低,开垦两年后,土壤有机质丢失率高达42%,表现出急剧损失特征[15]。然而,以往研究表明喀斯特坡地地表侵蚀过程并不发育,且地表径流系数普遍小于5%,因而喀斯特地区养分淋失过程对土壤养分损失和土壤退化的贡献比非喀斯特地区更为重要[16]。目前,喀斯特地区土壤DOM淋失研究主要关注森林生态系统,如曹建华等发现,不同植物凋落物会产生不同质和量的DOC淋失,并导致Ca2+的淋失差异,且土壤DOC浓度呈现与水热相关的季节变化动态[17-18]。Georg等通过对喀斯特区两个森林进行13年的监测发现,DON淋失呈现出明显的季节特征,融雪和全年降雨量是其主要驱动因素[19]。但是,森林与农田的养分淋失存在很大的差异,而目前对喀斯特地区农田生态系统DOM的研究主要集中在不同剖面DOM差异上,缺乏对DOM淋失的相关研究。如汪智军等通过对岩溶区不同土壤剖面DOM分布研究发现,耕地较其他用地类型更易发生养分淋失[20]。 田丽艳等通过对不同岩性的2个坡地的土壤剖面研究发现,SOC含量随剖面深度的增加而降低,且SOC 含量坡脚>坡顶大于坡腰[21]。

因此,针对喀斯特地区更易产生养分锐减、土壤退化和水体污染等生态环境问题,对其土壤的耕作方式及其DOM迁移淋失的研究显得尤为迫切。本文基于翻耕模拟试验,通过对典型喀斯特石灰土DOM及其官能团组分淋失动态进行研究,分析淋溶水DOM及其官能团组分对翻耕频率的响应,探讨DOM及其官能团组分淋失的主要影响因素,为深入揭示人为干扰作用下喀斯特土壤养分的快速丢失机制奠定基础。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区毛南族自治县,该区域属于云贵高原南部边缘斜坡地带的典型喀斯特峰丛洼地,地理坐标为107°51′—108°43′E、24°44′—25°33′N,属亚热带季风气候区,气候温和,雨水充沛、雨热同季、无霜期长。年平均气温16.5—20.5℃,多年平均降雨量为1380mm,雨季平均持续130—140d,本次研究观测期降水主要集中在4—9月,尤以6月中旬至7月中旬最多,达350—460mm,常出现涝灾,10月至次年3月份为旱季,常受到干旱威胁。平均蒸发量为1570mm,相对湿度平均为70%。土壤为白云岩发育而成的石灰土,土壤质地为粘壤土,土壤pH值为中性至微碱性。

1.2 试验设计与样品采集

2013年12月在中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站选取典型坡脚部位建立样地。该样地原始植被类型为灌木丛,优势种为三对节(Clerodendrumserratum)、八角枫(Alangiumchinense)及千里光 (Senecioscandens)等。试验设置6个处理,分别为：原始对照(natural vegetation, NV)、免耕对照(T0)、每6个月翻耕(T1)、每4个月翻耕(T2)、每2个月翻耕(T3)、和每月翻耕(T4)等处理。试验样地采用随机区组设计,包括4个区组,每个区组包含6个规格为2m×2m的小区,共24个小区(图1)。除NV处理外,其他5个处理均刈除地上植被,按照试验设计进行翻耕处理。每个小区四周由PVC板隔断,相邻两块PVC板由焊条焊接。PVC板地下埋深为30cm,以阻隔相邻小区土壤侧向的养分流动;地上出露20cm,以阻断小区内外和小区之间地表径流交换;为了更好的模拟耕作地的覆被环境,并避免种植玉米所导致的养分吸收及凋落物输入等复杂的养分循环过程对本研究结果的影响,本试验样地选用塑料仿真模拟植物,每株仿真植物高1.5m,冠幅约1m2,每小区栽植4株仿真植物(图1)。

图1 小区分布示意图及淋溶水收集装置安放示意图 Fig.1 Schematic diagram of sampling plot distribution and leaching device

每个小区淋溶水样品通过淋溶盘收集[22](图1),并储存在深埋地下70cm处的密封盒(1.6L)中。淋溶盘为不锈钢质地,长50cm、宽30cm、高5cm。在侧边靠近盘底的位置设出水口,由不锈钢管头引流。淋溶盘中装填粗石英砂颗粒。为防止石英砂随淋溶水流出,预先在盘底铺尼龙网。淋溶盘埋设深度为30cm。在小区侧边于地下30cm处向小区内部埋设淋溶盘。淋溶盘埋设略呈倾斜状,内高外低,以利于淋溶水顺利流出。淋溶盘装填完毕后,用开挖出的土壤填实埋设槽内的缝隙。淋溶水由淋溶盘的出水口流出、经由导流管收集至密封盒中。该淋溶水收集装置布设好后,回填施工沟。通过两根由密封盒延伸至地表之上的硬质PU气管抽提密封盒中的淋溶水。其中一根PU气管(A)插入密封盒底部,用以抽提,另一根PU气管(B)的管口高度与盒盖平齐,用以通气。采样时,将气管A连接真空泵,通过负压将密封收集盒中的淋溶水全部抽出,记录体积并取部分带回实验室进行过滤分装,样品置于-18℃冰箱进行冷冻保存,以备分析。翻耕处理于2014年6月底开始实施,淋溶水采集从2015年8月持续至2016年7月,每月1次(于每月翻耕当日计算)。气象数据采用环江站气象观测站数据。

1.3 样品分析与测定

表1 选用的光谱波长及其对应的土壤有机物特性和生物学意义

1.4 数据分析

2 结果与分析

2.1 喀斯特石灰土DOC、DON淋失量对耕作扰动频率的响应

表2 不同翻耕频率处理下可溶性碳、氮及阳离子年总淋失量差异比较

NV：原始对照,natural vegetation;T0：免耕对照,no-till contrast;T1：每6个月翻耕,semiannual tillage;T2：每4个月翻耕,tillage every four months;T3：每2个月翻耕,bimonthly tillage;T4：每月翻耕,monthly tillage;DOC：可溶性有机碳,dissolved organic carbon;DON：可溶性有机氮,dissolved organic nitrogen;DOC/DON:可溶性有机碳氮比;TDN：可溶性总氮,total dissolved nitrogen;DON/TDN：可溶性有机氮占总氮百分比;括弧内值为标准差;同一行内相同字母表示不存在显著性差异;不同字母表示差异性显著(P<0.05,n=4)

2.2 喀斯特石灰土DOC、DON淋失量及其官能团组分的月变化动态

2.3 DOC、DON淋失量与官能团特征指标的相关关系

DOC淋失量与4个官能团特征参数都具有显著的负相关关系(P<0.01),说明DOC淋失量较低时,其芳香性、疏水性以及大分子化合物淋失量较大,DOC淋失量较高时,DOM组分中小分子有机物较多。DON淋失量与4个官能团特征参数无显著相关关系,说明DON的淋失量与芳香性、疏水性官能团以及大分子化合物含量无关,DON的淋失与其他性质相关(图6)。

2.4 DOC、DON淋失量与Ca2+、Mg2+、TDN及无机氮组分淋失量的相关关系

3 讨论

耕作方式通过影响土壤物理结构、微生物活性及土壤养分状况等,进一步影响水分运动和DOM淋失[24-25]。耕作一方面会使土壤表层通透性提高, 湿度降低,微生物分解活动加强,从而加快土壤有机质(SOM)的分解和小分子DOM的产生,导致DOM淋失量增大[26];另一方面耕作导致团聚体结构破坏,从而使闭蓄态有机碳、氮矿化丢失,DOM淋失量增大[24]。研究表明, DOC、DON在各耕作扰动处理之间都存在显著差异,且都与耕作扰动频率存在显著正相关关系,但DON与耕作频率之间的相关性更明显(表2)。随着翻耕频率的增加,淋溶水DOC/DON逐渐减低,氮淋失量呈上升趋势。一般而言,C/N比降低意味着土壤有机质降解加快[21],不利于土壤碳氮固持,增大氮淋失风险[27]。这表明,持续翻耕会削弱土壤碳与氮的汇功能,不利于当地生态系统的维持与发展。

图2 耕作扰动处理下可溶性有机碳DOC、可溶性有机氮DON淋失量以及单位吸光度SUVA的月变化动态(n=4)Fig.2 The leaching amount of DOC, DON and unit absorbance SUVA along with the change of time from ploughing treatment (n=4)*表示在0.05水平上存在显著差异;大写字母表示旱季与雨季之间差异性;相同字母表示不存在显著性差异;不同字母表示差异性显著(P<0.05)

图3 DOC、DON淋失量相关关系Fig.3 Relations between DOC and DON amount in leaching water

图4 不同形态氮素淋失比例月变化特征(n=4) Fig.4 The leaching amount of N along with the change of time (n=4)

图5 DOC、DON淋失量与降雨量及温度的相关关系Fig.5 Relations between rainfall, temperature and DOC, DON amount in leaching water

图6 不同月份DOC、DON淋失量与4个官能团指标SUVA254、SUVA260、SUVA272和SUVA280的相关关系(n=4)Fig.6 Relation between DOC、DON leaching amount and function group parameters of SUVA254, SUVA260, SUVA272, SUVA280 from different month (n=4)SUVA254：254nm单位吸光度;SUVA260：260nm单位吸光度;SUVA272：272nm单位吸光度;SUVA280：280nm单位吸光度

敏感,温度与湿度的升高导致微生物活性增强,土壤SOM分解加速,所以DOC淋失量大。故DOC旱季淋失量>雨季。这与苟小林等[32]对高山土壤DOC淋溶特征研究的结果一致。

表3 Ca2+、Mg2+淋失量与碳氮淋失量的Pearson相关性分析

**表示在0.01水平(双侧)上达到显著相关,*表示在0.05水平上显著相关,n=4

表4 翻耕频率与季节变化及其交互作用对DOC、DON淋失量以及4个官能团指标的影响

df表示自由度,F为统计量,**表示在0.01水平(双侧)上达到显著效应,n=4

4个官能团参数在不同翻耕频率下差异不显著,在监测期内表现为初期小、后期大(图2),主要受季节变化的影响,各翻耕处理间无显著差异(表4)。该结果表明,随翻耕频率的增加土壤DOM淋失量增加但不影响DOM官能团特征。DOM中芳香性组分所占比例越大,说明所形成化合物越复杂、分子量越大,并具有更高的稳定性,而可溶性有机物中疏水性部分具有更大的C/N比和芳香性,因此更不易分解、具有更长的周转周期[23]。4个官能团特征参数与DOC淋失量都具有显著的负相关关系(图6),表明翻耕处理增加了DOC淋失,但其淋失组分仍以小分子物质为主,意味着持续的翻耕可能会进一步导致土壤SOM稳定组分的损失。SUVA主要表征疏水基团含量(表1),富碳有机物含有的疏水基团比例高,而富氮有机化合物所含的亲水基团比例高,所以DON与SUVA无紧密关系(图6)。但考虑到高频率的翻耕处理仍以小分子DOM淋失为主,同时随着处理实施时间的延长,DON淋失量和DON/TDN逐渐增加,意味着进入水体的DOM容易分解矿化,持续的耕作干扰将大大增加水体N素污染风险。

4 结论

喀斯特石灰土DOC、DON的淋失均受到翻耕频率、季节变化及其交互作用的影响,DOC、DON及DON/TDN均随翻耕频率的增加而增加。在观测期内,DOC与DON表现出截然不同的淋失特征,DOC在监测初期淋失量大、后期小,DON表现为监测初期淋失量小、后期大。DON对耕作频率的变化更为敏感。少耕和免耕有利于减少DOM的淋失,尤其在干旱交替之际,应尽量避免耕作扰动,防止DOM的淋失。淋溶水DOM的芳香性、疏水性等大分子量组分不受翻耕频率的影响,但受季节变化影响,分子量小且芳香性低的DOM更容易淋失。以上结果表明耕作扰动会加剧土壤DOM淋失,但淋失组分中稳定性组分没有变化,意味着耕作干扰会导致土壤有机质的持续损失,且由于其淋失组分碳氮比(DOC/DON)随扰动频率增加而降低,DON/TDN比随扰动频率增加而增加,持续的耕作干扰将大大增加水体氮素污染风险。同时,本文所获得DOC、DON及其官能团组成变化动态对于了解耕作过程中土壤碳库变化的机理和过程也具有一定的支撑作用。