喀斯特系统土壤厚度下土壤DOC淋失对氮沉降的响应

黄梅 周运超 白云星

摘 要：为研究喀斯特系统土壤DOC淋失在不同土壤厚度下对氮沉降的响应过程。以喀斯特石灰土为供试体，采用土柱淋溶法，試验设计3种不同土壤厚度（10、25、50 cm）的淋溶管，淋溶管为 PVC 材质，直径 20 cm，选择3种不同氮沉降LN（191.08 g/m2）、MN（254.78 g/m2）、HN（318.47 g/m2），土表施予多年生黑麦草为研究对象。结果表明：氮沉降对土壤DOC淋失有一定的促进作用;土壤厚度对土壤DOC淋失有显著影响，土壤厚度越浅，氮沉降越大，DOC淋失越大，反之则越小。该研究可为解决喀斯特系统土壤碳循环问题与土壤质量评价提供一定参考和依据。

关键词：氮沉降;土壤厚度;喀斯特;土壤DOC;淋失

中图分类号：S152;Q948    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2019）05-0043-07

Abstract：In order to study how the response of soil DOC leaching to nitrogen deposition under different soil thickness in karst system， using karst lime soil as the test sample， three different soil thickness （10 cm， 25 cm， 50 cm） leaching tubes were designed by soil column leaching method. The leaching tube was made of PVC material with a diameter of 20cm. Three different nitrogen depositions， LN （191.08 g/m2）， MN （254.78 g/m2）， and HN （318.47 g/m2） were selected， and perennial ryegrass was applied to the soil surface. The results showed that nitrogen deposition had a certain effect on soil DOC leaching. Soil thickness had a significant effect on soil DOC leaching. The shallower the soil thickness， the larger the nitrogen deposition， the larger the DOC leaching loss， and vice versa. This study can provide some reference and basis for solving the soil carbon cycle problem and soil quality evaluation of karst system.

Keywords：Nitrogen deposition; soil thickness; karst; soil DOC; leaching

0 引言

随着社会发展，工业生产进程的加快，施肥和化学染料燃烧等人类活动导致在全球范围内大气氮沉降的现象日益增加。目前，人为氮沉降的污染主要集中在北美、欧美及亚洲部分地区[1]，我国已经成为仅次于欧洲和美国的第三大氮沉降区域[2]，且存在氮沉降持续升高的巨大风险[3]，对生态系统平衡产生极大的负面影响。氮素的输入是影响陆地生态系统碳源/汇的四大机制之一[4]，而土壤作为氮沉降的受体，外氮源的输入会使土壤有机碳矿化[5]，直接或间接影响土壤碳的输入输出[6]，并对土壤碳循环的动态发展不利[7-8]。

土壤溶解性有机碳（DOC）有一定溶解性，且在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易分解和易矿化[9]，是土壤有机碳的组成部分之一。作为生态系统碳循环的基本组成部分，DOC淋失是土壤有机碳损失的重要途径[9]，DOC淋失变化对土壤碳循环有着重要的影响。碳、氮作为陆地生态系统最重要的两大生源要素[10]，已有部分学者研究了氮沉降与土壤DOC的关系，Deforest等[11]，Gundersen等[12]，许凯等[13]，魏春兰等[14]都研究了氮沉降对森林土壤中DOC的变化，也有部分学者研究了不同的施肥方式[15]和生物炭添加[16]和地表径流[17]等与土壤DOC淋失量的影响关系，但鲜见氮沉降对土壤DOC淋失量的影响。因石漠化问题的加剧，使得喀斯特生态系统极为敏感和脆弱[18]，喀斯特地区地形破碎、土壤分布不均匀、土层浅薄、土地利用类型复杂多样[18]，且水热状况、植被的立地条件以及土壤的发育程度等都与非喀斯特地区不同[19]。喀斯特石漠化特点使得氮沉降变化下，研究土壤碳循环与土壤质量评价等问题带来了的巨大挑战。故从喀斯特系统背景出发，研究喀斯特土壤厚度下土壤DOC淋失对氮沉降的响应，对喀斯特土壤碳库储量的估算与土壤质量评价具有重要意义。为此本文以喀斯特石灰土为供试体，采用土柱淋溶法，试图明晰喀斯特系统土壤DOC淋失在不同土壤厚度下如何响应氮沉降的变化，以期为喀斯特系统土壤碳循环问题与土壤质量评价提供一定参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地概况

试验地点设在贵州省贵阳市贵州大学南校区林学院苗圃（E106°27′-106°52′，N26°11′-26°34′），其位于贵州高原中部、贵阳市南郊。该区海拔1 100 m，属中国亚特带湿润温和型气候类型，年平均降水量1 178.3 mm，最高的1977 年为1 539.2 mm，最低的1962年为891.6 mm;年日照时数在1 125～1 140 h之间，年日平均气温为15.3 ℃，最热月（7月）和最冷月（1月）的平均气温分别为23.7、4.6 ℃。该区供试的土壤类型为喀斯特发育形成的石灰土，土壤养分含量见表1。

1.1.2 淋溶试验装置

采用模拟野外岩溶土壤系统的土柱淋溶法，土柱装置为PVC材质的淋溶管，高分别为10、25、50 cm，内径20 cm，在圆柱管下端铺上2 cm厚的用去离子水洗净的干燥石英砂（起过滤水样作用）并在底部管口处铺上尼龙网，将圆柱底部封紧。按容重为1.2 g/cm3混合均匀的石灰土分别装入10、25、50 cm的淋溶管内，将各土柱分别装入10、25、50 cm土层，安装土柱时，将土柱壁边缘的土壤压实，确保无贴壁水流入渗，尽量减少边缘效应。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

于2016年5月，在贵州大学南校区苗圃选择9块5 m×5 m立地条件及长势基本一致的试验地，土柱安装好之后，将之前称好的重量为5 g的多年生黑麦草种子均匀撒在距离土壤表面只有2～3 cm的土壤上，表面再用2～3 cm的土壤覆盖。依据随机区组试验设计原理进行样地设置，本试验共分3个处理水平，氮沉降处理水平的设置主要基于目前自然氮沉降水平及其至本世纪末的可能变化，参考国内已有施氮试验[20-21]。按氮沉降量由低到高分别标记为低氮（LN，191.08 g/m2）、中氮（MN，254.78 g/m2）、高氮（HN，318.47 g/m2），每個处理重复3次，施用氮肥均为尿素（含N 460 g/kg），共计 27 个处理，具体施用方法是： 将需要施入的氮量换算成每个小区所需的尿素量，将尿素充分溶于 20 L 水中，在模拟自然降雨前，以喷壶在草地人工来回喷洒。

1.2.2 淋溶试验

装填好土柱之后，通过模拟自然降雨淋溶，从2016年5月13日开始，每半个月模拟淋洗一次降雨，每次500 ml，共淋洗12次，累计淋溶量为6L，淋洗液的总量相当于1 178 mm的降雨量，与当地的平均降雨量一致。淋溶液的pH调至6.0，与当地雨水的pH大致相同。淋洗开始后，用500 ml的烧杯收集淋滤液，直到淋滤液滴完为止，将收集到的淋滤液用真空抽滤泵过 0.45 μm玻璃纤维滤膜后，保存在 4 ℃条件下，待测土壤淋滤液DOC（保存 1～2 d）。

在10、25、50 cm土层采集土壤样品，2016年5月初开始采集土样，采集频率为每个月 1 次，每次样品采集后， 将相同区组的同一土壤厚度下土壤样品混合，每个处理 3个重复，土壤样品经自然风干后，挑去肉眼可见的细根和石块，过 2 mm筛研磨保存备用。

1.3 测定方法

土壤样品中有机碳含量利用重铬酸钾-外加热法分析;淋滤液样品先加入磷酸前处理去除无机碳对DOC测量结果的干扰[22]，淋滤液DOC采用Elementar High TOCⅡ型总有机碳/氮分析仪分析。

试验数据采用SPSS 18.0 统计分析软件和 Excel 软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同土壤厚度对土壤有机碳与DOC淋失的影响

通过模拟自然降雨，氮沉降影响下3种土壤厚度的土壤有机碳变化情况（表1），研究表明3种氮沉降处理土壤有机碳的含量随着氮沉降量的增加而增加，LN、MN和HN处理的土壤有机碳含量大小顺序表现为LN10～25 cm>25～50 cm，以0～10 cm土壤厚度的土壤有机碳含量最大。不同氮沉降处理土壤有机碳含量之间差异极显著（P<0.01）。

土壤DOC是土壤中碳元素的一种重要存在形式，经过分析不同土壤厚度处理土壤有机碳含量与DOC淋失量变化之间的关系，根据图1可以看出，两者之间的变化表现出显著的正相关关系（P<0.01）。经线性回归拟合得到，0～10 cm土层厚度下为：y=16.998x-31.185（R2=0.732 2）;10～25 cm土层厚度下为：y=13.077x-35.199（R2=0.753 6）;25～50 cm土层厚度下为：y=6.976 9x-6.532 3（R2=0.707 7）。根据表1，土壤有机碳含量变化是：0～10 cm>10～2 5 cm>25～50 cm，同时，经拟合方程可知，土壤DOC淋失变化也是：0～10 cm>10～25 cm>25～50 cm。这表明，土壤有机碳含量的变化在一定程度上制约着土壤DOC 淋失的变化。同时，比较土壤有机碳含量与土壤DOC淋失量的土层厚度变异可知，不同氮沉降处理土壤DOC淋失幅度随土层厚度的变异均远大于土壤有机碳，与土壤有机碳的变化相比，土壤DOC淋失量的变化更为敏感和迅速。

2.2 十二次降雨土壤DOC淋失过程

土柱淋溶系统中淋滤液DOC的迁移状况响应于降雨次数的动态。根据图2可知，十二次降雨的动态变化，在10 cm土层HN、MN、LN处理土壤DOC的淋失量随降雨次数增多，逐渐减少，但累计淋失量逐渐增大。25 cm土层土壤DOC淋失量随降雨次数增多而减小，后再第7次时出现峰值，然后又减小，但累计淋失量逐渐增大（图3）。50 cm土层土壤DO淋失量随降雨次数增多缓慢减小，也在第7次时出现峰值，随后逐渐趋于平缓，累计淋失量逐渐增大。3种土壤厚度淋滤液DOC的淋出量高低顺序为：10 cm>25 cm>50 cm，说明土壤厚度增加土壤DOC淋失量减少。

2.3 不同土壤厚度下氮沉降对土壤DOC淋失影响

人工模拟氮沉降对淋滤液DOC的淋失量影响（图3），由图3可知，在10 cm土层时不同氮沉降处理土壤DOC淋失量顺序：HN>MN>LN，其中以HN氮沉降淋滤液DOC的淋失量最大为204.85 mg，HN、MN、LN处理之间差异不显著;在25 cm土层时不同氮沉降处理土壤DOC淋失量顺序：HN>MN>LN，其中以HN氮沉降淋滤液DOC的淋失量最大为175.35 mg，HN氮沉降淋滤液DOC的淋失量最小为76.71 mg，HN与LN处理之间差异极显著，MN与HN、LN差异显著;在50 cm土层时不同氮沉降处理土壤DOC淋失量顺序：HN>MN>LN，其中以HN氮沉降淋滤液DOC的淋失量最大为153.02 mg，HN与MN、LN处理之间差异显著，LN与MN差异不显著。由此可以看出不同土壤厚度下，土壤DOC淋失响应氮沉降处理变化不同。表明增施氮肥给土壤提供了丰富的有机物，提高了土壤DOC的含量，通过模拟降雨试验，土壤DOC逐渐由土体向水体迁移，淋滤液DOC的淋出量增多。

3 讨论

3.1 土壤DOC淋失对氮沉降的响应

土壤溶解有机碳（DOC）主要来源于林木下的枯落物、腐殖质分解、微生物生物量和根系分泌物等[23-24]。氮沉降进入土壤系统会使其发生一系列物理和化学反应，导致DOC迁移淋溶。本文研究得出，不同氮沉降处理下，土壤DOC淋失量顺序：HN>MN>LN，HN更容易促进DOC淋失，各处理之间差异不显著。Findlay 等[25]曾报道，氮沉降可能导致土壤可溶性有机碳大量流失;以及Pregitzer[26]等，在美国北部阔叶林开展的一项连续 8 a的模拟氮沉降结果表明，氮输入对土壤DOC的生产和淋溶有明显的促进作用，研究结果与本文一致。原因可能是由于外加氮素满足了微生物对氮素的需求[27]，此外，氮沉降增加也会使土壤中可溶性酚类物质逐渐积累[11]，从而增加土壤中DOC的含量，通过模拟降雨试验，土壤DOC逐渐由土体向水体迁移，淋滤液DOC的淋出量增加。土壤活性有机碳占土壤有机碳总量的比例虽小，但它可以灵敏地反映土壤微小变化，可作为土壤有机碳有效性和土壤质量的早期指标[29-30]。因为土壤DOC是土壤有机碳的组成部分之一[31]，故两者之间关系敏感。由图4可以看出，土壤有机碳和DOC之间的变化表现出显著的正相关关系（P<0.01），两者相比较来说，DOC淋失幅度随土层厚度的变异均远大于土壤有机碳，与土壤有机碳的变化相比，土壤DOC淋失量的变化更为敏感和迅速。原因可能是土壤DOC具有稳定性差、易氧化、易矿化、在土壤中移动快、容易受植物和微生物影响和活性高等特点[9，29]。

3.2 土壤厚度对DOC淋失的影响

由于特殊的气候条件和长期的岩溶作用，使得喀斯特地区成土速度缓慢，土层极薄，岩石裸露率高，土地存在严重的不连续性和非均质性[32-33]。 土壤厚度是岩溶石漠化地区农林业发展的主要限制因子，表征土壤的空间大小[34]，土壤厚度是土壤的一个重要基本特性，能直接反映土壤的发育程度，是野外鉴别土壤肥力的重要指标，也是喀斯特地貌土地生产力的决定因子之一[11]。研究表明，土壤厚度对DOC淋失量有极显著的影响，DOC淋失量随土壤厚度增加而减少，且不同土壤厚度之间差异显著（P<0.05）（图4）。3种土壤厚度的土壤淋滤液DOC的淋失量高低顺序为：10 cm>25 cm>50 cm。因此土壤层次越薄，土壤DOC的淋失量就越大，表明土壤厚度对土壤DOC的淋失量有直接的影响。由于喀斯特地区土层厚度深浅不一[35]，对于土层厚的土壤，LN处理作用到深层土壤的能力小，HN处理作用到深层土壤能力强，故HN促进土壤DOC淋失。喀斯特地上—地下二元结构，导致土壤异质性较高，因此，不同土壤厚度DOC淋失对同一氮沉降处理的响应也有所不同。

4 结论

3种土壤厚度淋滤液DOC的淋出量高低顺序为：10 cm>25 cm>50 cm，说明土壤厚度增加土壤DOC淋失量减少。在10 cm土层时不同氮沉降处理土壤DOC淋失量顺序：HN>MN>LN，HN、MN、LN处理之间差异不显著;在25 cm土层时不同氮沉降处理土壤DOC淋失量顺序：HN>MN>LN，HN与LN处理之间差异极显著，MN与HN、LN差异显著;在50 cm土层时不同氮沉降处理土壤DOC淋失量顺序：HN>MN>LN，HN与MN、LN处理之间差异显著，LN与MN差异不显著。由此可以看出氮沉降对土壤DOC 淋失有促进作用，喀斯特系统不同土壤厚度下，土壤DOC淋失响应氮沉降处理变化不同。

【参 考 文 献】

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