裴志福，紅 梅，武振丹，盧俊艷，張?jiān)迈r，沈欽國(guó)

草甸草原土壤不同組分有機(jī)碳含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)期氮輸入的響應(yīng)①

裴志福，紅 梅*，武振丹，盧俊艷，張?jiān)迈r，沈欽國(guó)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)生態(tài)安全與綠色發(fā)展自治區(qū)高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018)

為探究長(zhǎng)期氮輸入對(duì)草甸草原土壤不同組分有機(jī)碳含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)影響，以?xún)?nèi)蒙古東北草甸草原為研究對(duì)象，于2010年設(shè)置0(CK)、30(N30)、50(N50)、100(N100)、150(N150)、200(N200)kg/(hm2?a) 6個(gè)不同施氮水平處理，測(cè)定土壤不同組分有機(jī)碳含量及紅外光譜特征。結(jié)果表明：①相比CK，長(zhǎng)期氮輸入條件下可提高土壤總有機(jī)碳(SOC)含量(增幅0.3% ～ 13.6%)，且主要表現(xiàn)為顆粒有機(jī)碳(POC)含量的增加(9.22% ～ 16.39%)，但降低土壤輕組有機(jī)碳(LOC)含量。②紅外光譜主成分分析(PCA)結(jié)果表明，土壤LOC主要來(lái)源于脂肪碳、芳香碳、酚醇化合物，POC主要來(lái)源于芳香碳和酚醇化合物，礦物結(jié)合有機(jī)碳(MOC)主要來(lái)源于烷基碳和多糖。③相比CK，施氮處理凋落物和LOC官能團(tuán)中烷氧碳(單糖+多糖)的相對(duì)強(qiáng)度降低，烷基碳、芳香碳相對(duì)強(qiáng)度增加；土壤POC和MOC官能團(tuán)中烷氧碳、烷基碳及芳香碳相對(duì)強(qiáng)度增加，酚醇化合物相對(duì)強(qiáng)度降低；且施氮處理下凋落物及其不同土壤碳組分有機(jī)碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(芳香碳/脂肪碳)均高于CK。④結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)結(jié)果顯示，隨著施氮水平增加，通過(guò)提高土壤地上生物量(AGB)可促進(jìn)POC和MOC的形成，但由于氮添加導(dǎo)致的土壤pH降低會(huì)反過(guò)來(lái)促進(jìn)MOC的分解。這些結(jié)果表明，長(zhǎng)期氮輸入SOC含量的提高主要表現(xiàn)為土壤POC的增加，隨著施氮水平增加，植物碳的輸入提高SOC含量的同時(shí)通過(guò)促進(jìn)土壤中凋落物殘?bào)w中木質(zhì)素等芳香碳的積累來(lái)提高土壤不同組分有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜上所述，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了氮輸入條件下土壤顆粒有機(jī)碳的重要性以及凋落物中木質(zhì)素衍生物的積累可能是介導(dǎo)氮輸入下土壤碳固存的關(guān)鍵過(guò)程。

土壤有機(jī)碳；化學(xué)結(jié)構(gòu)；碳組分；紅外光譜

由于人類(lèi)的活動(dòng)，如化石燃料燃燒、農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)排放等導(dǎo)致了一系列的全球變化，造成全球氮循環(huán)的改變[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球氮沉降量從1860年的15 Tg攀升到2005年的25 ～ 40 Tg，預(yù)計(jì)在2100年氮沉降量將達(dá)60 ～ 100 Tg[3]。氮的輸入可直接作用于土壤環(huán)境和生物從而對(duì)土壤碳循環(huán)等重要生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生巨大影響[4]。而目前我們對(duì)氮輸入背景下土壤碳庫(kù)組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)變化仍不明確，這限制了我們?cè)谖磥?lái)氮輸入增加條件下預(yù)測(cè)土壤碳庫(kù)變化的準(zhǔn)確性。

土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)量最大的有機(jī)碳庫(kù)，其微小的變化都將對(duì)自然界的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)以及全球氣候產(chǎn)生巨大的影響[5-6]。當(dāng)前解析氣候變化下土壤碳庫(kù)的響應(yīng)過(guò)程及機(jī)制已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。目前研究表明，長(zhǎng)期施氮可一定程度增加土壤碳儲(chǔ)量，大量研究表明氮輸入對(duì)土壤碳庫(kù)的作用在不同生態(tài)系統(tǒng)中的表現(xiàn)不同[7]，其作用機(jī)制主要是氮的輸入通過(guò)促進(jìn)地上植被生長(zhǎng)從而增強(qiáng)凋落物碳向土壤中的輸入過(guò)程[8]。氮添加下凋落物化學(xué)計(jì)量的改變通過(guò)改變微生物群落組成影響生態(tài)系統(tǒng)功能[9]，此外，氮輸入增加背景下pH降低可能會(huì)通過(guò)抑制微生物介導(dǎo)的有機(jī)碳分解從而增強(qiáng)有機(jī)碳的固存[10]。而有機(jī)碳在土壤中并不是以單一成分及狀態(tài)存在[11]，目前研究表明，通過(guò)物理分組將有機(jī)質(zhì)在土壤團(tuán)聚體中的實(shí)際位置以及不同顆粒大小和密度視為決定土壤總有機(jī)碳(SOC)功能和周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵屬性，并且利用顆粒有機(jī)碳(POC)和礦物結(jié)合有機(jī)碳(MOC)可以較好預(yù)測(cè)氣候變化下土壤碳的動(dòng)態(tài)[12-13]，因此探究氮輸入背景下對(duì)土壤碳庫(kù)組成影響及驅(qū)動(dòng)對(duì)預(yù)測(cè)土壤碳動(dòng)態(tài)具有重要意義。

凋落物碳作為土壤碳庫(kù)主要碳源，是決定和驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要因子[14]。研究發(fā)現(xiàn)凋落物養(yǎng)分分解動(dòng)態(tài)變化對(duì)碳、氮組分的損失有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用[15]，凋落物在分解過(guò)程中，碳質(zhì)量的變化對(duì)酸解物質(zhì)的損失起關(guān)鍵作用，凋落物化學(xué)計(jì)量特征也可調(diào)節(jié)易溶性有機(jī)碳的釋放[16]。氮沉降下凋落物的成分和化學(xué)結(jié)構(gòu)均已發(fā)生一定程度改變，一方面由于氮的輸入加劇了植物種群間的競(jìng)爭(zhēng)作用從而減少物種豐富度，改變了凋落物來(lái)源[17]；另一方面，氮的富集可降低土壤碳氮比，增強(qiáng)微生物對(duì)凋落物等外源碳的分解作用[18]。而碳源成分變化可直接影響土壤碳庫(kù)組成及其有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)，而目前氮輸入條件下對(duì)土壤不同成分及存在狀態(tài)有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)影響仍不明確。

貝加爾針茅()草原是亞歐大陸中部草原地區(qū)所特有的草原類(lèi)型，也是中國(guó)北方草甸草原的代表類(lèi)型之一[15, 19]。受溫帶氣候影響，中國(guó)東北草甸草原儲(chǔ)存大量土壤碳，但生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，極易受氮沉降等氣候變化影響[19]。因此我們基于在中國(guó)東北草甸草原設(shè)置的10 a氮沉降野外模擬試驗(yàn)，分析氮輸入下土壤碳組分及其化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，探討氮輸入對(duì)草甸草原土壤碳庫(kù)的驅(qū)動(dòng)途徑，為草甸草原土壤碳庫(kù)對(duì)大氣氮沉降變化響應(yīng)機(jī)理提供理論補(bǔ)充。試驗(yàn)基于以下假設(shè)并進(jìn)行驗(yàn)證：①長(zhǎng)期氮輸入通過(guò)增加地上生物量來(lái)提高土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量，且相比土壤MOC，對(duì)土壤輕組有機(jī)碳(LOC)和POC增加更為明顯；②長(zhǎng)期氮輸入可促進(jìn)凋落物碳官能團(tuán)中碳水化合物的損失，提高凋落物碳的穩(wěn)定性，由于凋落物的積累提高土壤碳官能團(tuán)中烷基碳和芳香碳的比例。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克自治旗伊敏河鎮(zhèn)境內(nèi)，地理位置為48°27′～ 48°35′N(xiāo)，119°35′ ～ 119°41′E，試驗(yàn)在貝加爾針茅草甸草原圍封樣地進(jìn)行，地勢(shì)平坦，海拔約765 m。貝加爾針茅()為建群種，羊草()為優(yōu)勢(shì)種。該區(qū)氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，晝夜溫差大，年平均氣溫–2.4 ～ 2.2 ℃，年均降水量350 ～ 400 mm，降水主要集中在6—9月，年均無(wú)霜期為100 d左右。土壤類(lèi)型為暗栗鈣土。試驗(yàn)前0 ～ 20 cm土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤pH 7.07，有機(jī)碳27.92 g/kg，全氮1.85 g/kg，全磷0.45 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣地于2010年6月份圍封，并開(kāi)展模擬氮沉降試驗(yàn)(僅模擬大氣干沉降)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置6個(gè)施氮水平：0、30、50、100、150、200 kg/(hm2·a)，其中不包括大氣氮沉降量，分別用CK(對(duì)照)、N30、N50、N100、N150、N200表示，每個(gè)處理水平設(shè)3個(gè)重復(fù)。小區(qū)面積8 m×8 m，小區(qū)間設(shè)2 m隔離帶，重復(fù)間設(shè)5 m隔離帶。2010年至今，每年6月中旬和7月中旬分兩次將氮肥等量施入樣地，氮肥為NH4NO3。為了盡量避免氮肥的揮發(fā)，在試驗(yàn)中將氮肥溶于適量水中制成溶液，使用灑水壺將該溶液均勻噴灑到小區(qū)內(nèi)，對(duì)照小區(qū)內(nèi)噴灑等量水。

1.3 樣品采集

于2020年8月上旬采集土壤樣品，每個(gè)小區(qū)依“S”形采集10個(gè)點(diǎn)的土樣混合均勻，采樣深度為0 ～ 20 cm。去除植物根系及其他土壤入侵物后，置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，測(cè)定混合土壤樣品的基本理化性質(zhì)、碳組分及紅外光譜。

凋落物和地上生物量分別在每年8月底調(diào)查。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)放置1個(gè)1 m×1 m的樣方，選擇具有代表性的樣方同時(shí)避免小區(qū)的邊緣效應(yīng)，采用收獲法進(jìn)行，將樣方內(nèi)植物分物種齊地面刈割后帶回室內(nèi)，凋落物則采集地上表面枯落的植物殘?bào)w，最后在65 ℃烘箱烘至恒重后稱(chēng)重。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 凋落物及土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)測(cè)定 凋落物碳氮采用元素分析儀測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀法測(cè)定；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤pH在水土比2.5︰1(︰)下攪拌15 min后采用pH計(jì)測(cè)定；土壤經(jīng)30 ml 0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提，浸提液經(jīng)振蕩、離心、過(guò)濾后采用流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量；土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀經(jīng)過(guò)乙酸銨浸提用火焰光度計(jì)測(cè)定。

1.4.2 土壤碳組分的測(cè)定 將土壤碳庫(kù)分為3個(gè)組分，分別為：輕組有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、礦物結(jié)合有機(jī)碳。并根據(jù)Haddix[20]有機(jī)碳分組方法做出一定改進(jìn)，具體步驟為：稱(chēng)取5 g過(guò)2 mm篩風(fēng)干土放入50 ml離心管中，加入33 ml 1.85 g/cm3NaI上下輕輕反復(fù)搖動(dòng)10次，在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min，靜置5 min后，將懸浮液倒入裝有0.45 μm濾膜的布氏漏斗中，在真空環(huán)境下抽濾，用去離子水洗滌除去殘留的NaI溶液后，濾膜上的物質(zhì)為輕組有機(jī)碳，在65 ℃ 下干燥12 h，然后采用元素分析儀分析碳含量。離心管內(nèi)為重組有機(jī)碳，將重組有機(jī)碳進(jìn)一步分組，首先倒入蒸餾水，離心，直至洗凈NaI，再倒入33 ml 5 g/L六偏磷酸鈉溶液放置離心管振蕩器振蕩6 h，振蕩完畢過(guò)53 μm篩子，>53 μm為顆粒有機(jī)碳，<53 μm為礦物結(jié)合有機(jī)碳。收集各組分有機(jī)碳烘干，研磨過(guò)0.15 mm篩測(cè)定有機(jī)碳含量。

1.4.3 紅外光譜測(cè)定 使用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定土壤紅外光譜，具體方法：將每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)混合成一個(gè)復(fù)合樣品，土樣在瑪瑙研缽進(jìn)行研磨過(guò)0.05 mm篩，采用ATR附件進(jìn)行測(cè)定。參數(shù)設(shè)定：土壤光譜測(cè)定范圍為500 ～ 4 000 cm–1，分辨率為4，掃描次數(shù)為32次。測(cè)定數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行平滑和基線(xiàn)校正。

1.5 統(tǒng)計(jì)處理

利用SPSS對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析；利用OMINIC軟件計(jì)算紅外光譜不同官能團(tuán)特征峰面積；利用Unscrambler X 10.4 對(duì)紅外光譜進(jìn)行主成分分析及數(shù)據(jù)導(dǎo)出；利用R語(yǔ)言lavaan包建立結(jié)構(gòu)方程模型，分析氮輸入下對(duì)土壤碳庫(kù)的驅(qū)動(dòng)途徑；利用Origin 2019進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期氮輸入對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，隨著氮沉降水平增加，土壤有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)(增幅0.3% ～ 13.6%)，但增加不顯著。N50(17.9%)、N100(25.6%)、N150(20.4%)、N200(21.1%)處理均顯著提高凋落物碳含量(<0.05)。不同水平氮沉降能夠提高土壤全氮含量和凋落物氮含量及C/N，但影響不顯著。土壤pH隨著施氮水平提高而降低，其中N150(降幅13.9%)、N200(17%) 處理顯著降低土壤pH(<0.05)。施氮顯著提高土壤硝態(tài)氮(0.35倍～ 15.1倍)和銨態(tài)氮含量(0.26倍 ～ 0.98倍)(<0.05)，地上生物量隨施氮水平提高呈增加趨勢(shì)(29.3% ～ 92.9%)。

2.2 長(zhǎng)期氮輸入對(duì)不同組分有機(jī)碳含量的影響

由圖1可知，不同有機(jī)碳組分對(duì)氮沉降水平的響應(yīng)不同，除N150外，不同水平的氮沉降處理輕組有機(jī)碳(LOC)含量均低于CK，其中N30(9.28%)和N50(11.67%)處理達(dá)顯著水平(<0.05)。顆粒有機(jī)碳(POC)含量隨著施氮水平的增加呈增加趨勢(shì)(9.22% ～ 16.39%)。礦物結(jié)合有機(jī)碳(MOC)含量隨著施氮水平增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，其中N150和N200處理MOC含量低于CK。

表1 長(zhǎng)期氮輸入對(duì)0 ～ 20 cm土壤理化性質(zhì)的影響

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同行數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

(圖中小寫(xiě)字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。LOC：輕組有機(jī)碳；POC：顆粒有機(jī)碳；MOC：礦物結(jié)合有機(jī)碳；下同)

2.3 凋落物及不同有機(jī)碳組分化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)對(duì)紅外譜圖不同特征峰所對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)凋落物和不同組分有機(jī)碳紅外光譜特征差異主要表現(xiàn)在6種有機(jī)官能團(tuán)特征峰(圖2)，分別為3 400 cm–1處的酚醇、羧基有機(jī)物-OH，2 950 ～ 2 870 cm–1處的脂肪族甲基(CH3-)和亞甲基(CH2-)，1 525和1 630 cm–1處的芳香族C=C，1 420 cm–1處的飽和烷基C-H，1 159 cm–1處的多糖類(lèi)C-O，1 030 ～ 1 050 cm–1處的單糖類(lèi)C-O[21-25]。其余特征峰主要為土壤無(wú)機(jī)礦物成分，3 620 cm–1處的土壤黏粒-OH，1 478和882 cm–1處的無(wú)機(jī)碳酸鹽C=O[21-23]；而1 000 cm–1以下吸收區(qū)域主要為有機(jī)物–礦物混合帶，不同物質(zhì)特征峰相互干擾重疊，分析誤差較大，無(wú)實(shí)際參考價(jià)值。

不同組分有機(jī)碳紅外光譜PCA結(jié)果顯示(圖3A)，不同組分有機(jī)碳成分差異較大，被明顯區(qū)分，PCA得分結(jié)果顯示：PC1正值主要包括MOC和LOC，PC1負(fù)值主要包括POC；PC2正值主要包括POC和LOC，PC2負(fù)值主要包括MOC。因子載荷結(jié)果顯示(圖3B)，PC1正值主要包括脂肪碳、烷基碳、烷氧碳(單糖+多糖)，PC1負(fù)值主要包括芳香碳和酚醇化合物；PC2正值主要包括脂肪族碳、芳香碳和酚醇化合物，PC2負(fù)值主要包括烷基碳、多糖碳。綜上所述，LOC主要來(lái)源于脂肪碳、芳香碳、酚醇化合物，POC主要來(lái)源于芳香碳和酚醇化合物，MOC主要來(lái)源于烷基碳和多糖。

圖2 凋落物和不同有機(jī)碳組分紅外光譜特征

(圖A為主成分分析圖；圖B為因子載荷圖)

通過(guò)對(duì)不同官能團(tuán)特征峰面積計(jì)算其相對(duì)強(qiáng)度，結(jié)果表明(表2)，不同組分有機(jī)碳中，烷氧碳等碳水化合物成分相對(duì)強(qiáng)度最高，烷基碳相對(duì)強(qiáng)度最低。相比CK，隨著各施氮水平的增加，凋落物和土壤LOC官能團(tuán)中碳水化合物相對(duì)強(qiáng)度降低，脂肪碳、烷基碳、芳香碳相對(duì)強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)；而土壤MOC和POC官能團(tuán)中碳水化合物、烷基碳及芳香碳相對(duì)強(qiáng)度增加，其中土壤MOC脂肪碳和酚醇化合物以及POC酚醇化合物相對(duì)強(qiáng)度降低。以芳香碳和脂肪碳的相對(duì)強(qiáng)度比值來(lái)評(píng)價(jià)有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)相比CK，施氮增加，凋落物及土壤不同組分有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)均趨于穩(wěn)定。

2.4 氮輸入對(duì)土壤碳組分的作用途徑

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)表明(圖4)，氮沉降條件下通過(guò)增加地上生物量來(lái)提高POC和MOC含量；但隨著氮沉降引發(fā)的酸化效應(yīng)，導(dǎo)致pH降低，相反地促進(jìn)了礦物有機(jī)碳分解釋放。根據(jù)SEM標(biāo)準(zhǔn)化總效應(yīng)來(lái)看，氮輸入條件下對(duì)土壤不同碳庫(kù)影響程度依次為：POC>MOC>LOC，且pH降低對(duì)礦物有機(jī)碳的分解效應(yīng)要大于地上生物量增加對(duì)礦物結(jié)合有機(jī)碳的促進(jìn)效應(yīng)。

表2 凋落物和土壤不同碳組分紅外光譜特征峰相對(duì)強(qiáng)度 (%)

(CFI=1，SRMR=0，RMSEA=0.036；灰色線(xiàn)代表變量之間負(fù)效應(yīng)，黑色線(xiàn)代表變量之間正效應(yīng)，與箭頭相鄰的數(shù)字表示變量之間效應(yīng)值，線(xiàn)條粗細(xì)代表變量之間效應(yīng)大小，變量后面R2代表該模型對(duì)不同變量解釋程度)

3 討論

3.1 長(zhǎng)期氮輸入對(duì)草甸草原土壤碳組分的影響及驅(qū)動(dòng)機(jī)制

研究結(jié)果表明，氮添加對(duì)草甸草原土壤碳庫(kù)組成產(chǎn)生較大影響，施氮提高了土壤總有機(jī)碳含量(表1)，其中除N150外，不同施氮處理相比CK降低土壤中LOC含量，提高土壤POC含量(圖1)。這與研究最初的假設(shè)不完全一致，即氮添加可以通過(guò)提高地上生物量來(lái)促進(jìn)凋落物碳的輸入，通過(guò)活性有機(jī)碳的輸入量增加來(lái)提高土壤LOC和POC含量[26-27]。Riggs等[28]通過(guò)研究氮輸入對(duì)美國(guó)5個(gè)草地土壤碳庫(kù)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮的富集可能通過(guò)減緩碳的分解來(lái)增強(qiáng)有機(jī)碳的固存，但可能受土壤性質(zhì)影響導(dǎo)致氮輸入對(duì)土壤碳促進(jìn)的現(xiàn)象并不普遍。LOC是植物碳向土壤碳轉(zhuǎn)化過(guò)程“初級(jí)”分解產(chǎn)物，其成分中含有更大比例的植物源有機(jī)碳，因此易受外界環(huán)境干擾和微生物利用[26, 29]。而POC作為植物碳在土壤中的進(jìn)一步分解產(chǎn)物[30]，可以通過(guò)與土壤顆粒結(jié)合受到一定程度的物理保護(hù)[31]。LOC含量取決于植物碳輸入和微生物分解之間的平衡，本研究結(jié)果顯示，不同施氮水平LOC呈現(xiàn)先降低后增加趨勢(shì)的變化。Chen等[32]研究表明，連續(xù)5a施氮條件下輕組有機(jī)碳表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，本研究結(jié)果與此相似，這應(yīng)該主要是與微生物作用有關(guān)，微生物對(duì)氮添加的響應(yīng)極為復(fù)雜。研究表明，長(zhǎng)期氮輸入可能使得土壤由氮限制變?yōu)樘枷拗疲捎诘蚵湮飶?fù)雜和難分解性，這可能會(huì)促進(jìn)微生物對(duì)不穩(wěn)定碳組分的挖掘和利用[18]。對(duì)于不同施氮水平下LOC的變化，可能由于在低氮條件下，微生物活性較高，會(huì)加速對(duì)LOC含量的分解，但隨著施氮水平增加，pH降低引發(fā)的酸化效應(yīng)會(huì)抑制微生物活動(dòng)，降低微生物多樣性，因此對(duì)LOC分解能力減弱[32]。POC含量的升高則與最初的假設(shè)一致，凋落物碳輸入會(huì)促進(jìn)POC有機(jī)碳在土壤中的固持。

雖然相比CK，氮添加各處理對(duì)MOC無(wú)顯著影響(圖1)，但隨著施氮水平增加，土壤MOC含量表現(xiàn)為先增加后降低，當(dāng)達(dá)到N150后土壤MOC含量低于CK，表明土壤礦物和有機(jī)碳結(jié)合穩(wěn)定能力下降，目前關(guān)于氮輸入對(duì)土壤MOC影響研究結(jié)果存在較大爭(zhēng)議。Cusack等人[33]研究表明，熱帶森林土壤MOC含量隨著施氮量增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；而Chen等[34]研究結(jié)果則相反，研究發(fā)現(xiàn)氮添加后熱帶森林土壤POC含量顯著增加，而MOC含量顯著減少，體現(xiàn)了氮輸入下礦物結(jié)合碳的脆弱性，這可能與土壤的生物因子和非生物因子的驅(qū)動(dòng)作用有關(guān)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮添加條件下，可通過(guò)增加植物碳輸入來(lái)提高土壤POC和MOC含量，但隨著施氮水平提高，土壤pH顯著降低，相反會(huì)促進(jìn)礦物有機(jī)碳分解釋放(圖4)。目前研究表明礦物結(jié)合碳在形成過(guò)程中，吸附結(jié)合的有機(jī)碳主要來(lái)源于微生物分解過(guò)程產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物[35]，主要可能有兩方面原因：一方面由于過(guò)量氮輸入，可能會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)，從而減少微生物代謝產(chǎn)物來(lái)降低礦物結(jié)合碳的來(lái)源；另一方面，氮富集引發(fā)的土壤酸化效應(yīng)，降低交換性金屬離子(如鈣、鎂等)，尤其是鈣離子對(duì)礦物結(jié)合碳的形成和穩(wěn)定具有重要作用，通過(guò)降低礦物結(jié)合碳的穩(wěn)定性造成損失[14, 36]。因此未來(lái)在預(yù)測(cè)氮沉降背景下土壤碳的動(dòng)態(tài)應(yīng)該重視生物和非生物因子耦合作用。

3.2 長(zhǎng)期氮輸入對(duì)草甸草原凋落物及土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

分析碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)能夠從分子角度理解土壤碳的穩(wěn)定性，本研究結(jié)果表明，隨施氮水平增加，凋落物及土壤不同組分碳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均呈增加趨勢(shì)，其中凋落物碳中的碳水化合物官能團(tuán)相對(duì)強(qiáng)度降低，脂肪碳、烷基碳、芳香碳相對(duì)強(qiáng)度增加(表2)。這主要是由于土壤氮的富集，會(huì)促進(jìn)地上凋落物的分解，從凋落物化學(xué)成分上來(lái)看，主要是分子結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單易溶性糖類(lèi)的首先損失，較難分解的纖維素和木質(zhì)素等成分固存在土壤中。土壤LOC官能團(tuán)變化趨勢(shì)與凋落物碳一致，隨著氮素添加水平提高，碳水化合物官能團(tuán)相對(duì)強(qiáng)度降低。輕組有機(jī)碳作為凋落物的初級(jí)分解產(chǎn)物，與凋落物的成分及其性質(zhì)具有更大的相似性[26, 37]；但相比凋落物，LOC成分仍然較為復(fù)雜，在土壤中所提取的輕組有機(jī)物質(zhì)主要為動(dòng)植物殘?bào)w分解和半分解產(chǎn)物，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定[38]，因此隨著氮的利用性增加會(huì)促進(jìn)真菌等生物加速對(duì)凋落物和LOC的分解和轉(zhuǎn)化。而本研究結(jié)果表明輕組有機(jī)碳對(duì)氮輸入的響應(yīng)與凋落物一致，但與地上凋落物相比，LOC與土壤微生物作用更為強(qiáng)烈，氮輸入條件下微生物活動(dòng)增強(qiáng)可能加速對(duì)LOC的分解作用。

土壤有機(jī)質(zhì)是由不同分解階段動(dòng)植物殘?bào)w組成的復(fù)雜連續(xù)體，在土壤中不同存在位置可能存在不同的有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)過(guò)程[11]。本研究結(jié)果表明，LOC主要來(lái)源于脂肪碳、芳香碳、酚醇化合物，POC主要來(lái)源于芳香碳和酚醇化合物，MOC主要來(lái)源于烷基碳和多糖(圖3)。有研究表明顆粒有機(jī)碳以及輕組有機(jī)碳含有更多植物源木質(zhì)素物質(zhì)，而礦物結(jié)合有機(jī)碳則富含碳水化合物以及蛋白質(zhì)等[35]。不同組分有機(jī)碳來(lái)源物質(zhì)的分解程度、化學(xué)性質(zhì)以及植物和微生物來(lái)源的碳的相對(duì)貢獻(xiàn)均有所差異[39]，因此土壤有機(jī)質(zhì)存在位置及受保護(hù)程度影響著有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)[11, 35]。關(guān)于氮沉降對(duì)SOC結(jié)構(gòu)組成和轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，本研究結(jié)果表明，隨施氮水平升高，土壤MOC和POC官能團(tuán)中碳水化合物、烷基碳及芳香碳相對(duì)強(qiáng)度增加，其中土壤MOC脂肪碳和酚醇化合物以及POC酚醇化合物相對(duì)強(qiáng)度降低(表2)，這與Hasegawa等[40]研究結(jié)果一致，施氮可以改變溫帶地區(qū)森林土壤有機(jī)碳化學(xué)組成，且主要體現(xiàn)在木質(zhì)素衍生物的積累。而Zak等[41]研究結(jié)果顯示，施氮增加了森林土壤有機(jī)碳的積累，但不改變土壤有機(jī)碳化學(xué)組成，這可能是由于生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型、氣候條件和施氮量導(dǎo)致結(jié)果差異。本研究結(jié)果中隨著施氮量增加地上生物量和凋落物積累量較大(表1)，由于植物源有機(jī)碳輸入增強(qiáng)導(dǎo)致大量碳水化合物進(jìn)入土壤，氮輸入下隨著未受保護(hù)的LOC的分解，首先導(dǎo)致碳水化合物的損失，其中一部分會(huì)被土壤顆粒固定[35, 40]。木質(zhì)素則由于其自身化學(xué)穩(wěn)定性可以在土壤中得到保存，土壤不同組分芳香碳占比的提高可能是由于凋落物長(zhǎng)期積累導(dǎo)致木質(zhì)素在土壤中的大量保存[37]，進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。分析土壤碳庫(kù)的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化可以從分子角度解釋土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)及存在狀態(tài)，揭示在不同水平氮輸入背景下對(duì)土壤碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)因素和可能存在過(guò)程，但未來(lái)仍需進(jìn)一步解析和量化氮沉降對(duì)不同碳庫(kù)的影響作用。

4 結(jié)論

氮輸入能夠促進(jìn)土壤碳的固存，但土壤不同碳組分對(duì)氮輸入水平響應(yīng)不一致，隨著施氮水平增加，地上生物量增加促進(jìn)凋落物積累，提高土壤中顆粒有機(jī)碳含量，降低輕組有機(jī)碳含量，同時(shí)由于pH的降低反過(guò)來(lái)促進(jìn)礦物結(jié)合有機(jī)碳的釋放。氮輸入促進(jìn)地上生物量增加的同時(shí)也改變了凋落物的化學(xué)質(zhì)量，從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，氮輸入下提高土壤中木質(zhì)素等芳香碳的積累從而提高土壤碳的穩(wěn)定性。因此，凋落物中木質(zhì)素衍生物的積累可能是促進(jìn)草甸草原土壤有機(jī)碳固存的關(guān)鍵因素。

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Responses of Soil Organic Carbon Content and Its Chemical Structure of Different Components to Long-term Nitrogen Input in Meadow Steppe

PEI Zhifu, HONG Mei*, WU Zhendan, LU Junyan, ZHANG Yuexian, SHEN Qinguo

(Inner Mongolia Key Laboratory of Soil Quality and Nutrient Resources, College of Grassland, Resources and Environment, Inner Mongolia Agricultural University, Key Laboratory of Agricultural Ecological Security and Green Development at Universities of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010018, China)

In order to explore the effects of long-term nitrogen (N) input on the content and chemical structure of different organic carbon fractions in meadow steppe soil, the meadow steppe in northeast Inner Mongolia was taken as the research object, six N input levels were setup in 2010, i.e., 0 (CK), 30, 50, 100, 150 and 200 kg(/hm2·a), the contents and infrared spectra of different soil organic carbon fractions were determined. The results showed that: 1) Compared with CK, soil total organic carbon (SOC) was increased by 0.3%-13.6% under long-term nitrogen input, mainly due to the increase of particulate organic carbon (POC, 9.22%-16.39%), but light organic carbon (LOC) was decreased. 2) The results of principal component analysis (PCA) of infrared spectra showed that LOC mainly came from aliphatic carbon, aromatic carbon and phenolic alcohol compounds, POC came from aromatic carbon and phenolic alcohol compounds, and mineral-bound organic carbon (MOC) was from alkyl carbon and polysaccharides. 3) Compared with CK, the relative strengths of alkoxy carbon (monosaccharide + polysaccharide) in litter and LOC functional groups were decreased, the relative strengths of alkyl carbon and aromatic carbon were increased, the relative strengths of alkoxy carbon, alkyl carbon and aromatic carbon in POC and MOC functional groups were increased, and the relative strength of phenolic compounds was decreased under nitrogen treatment. The structural stability of organic carbon (aromatic carbon/aliphatic carbon) in litter and its different soil carbon fractions under nitrogen treatment was higher than that of CK. 4) SEM results showed that with the increase of nitrogen application, the formation of POC and MOC was promoted by increasing soil aboveground biomass (AGB), but the decrease of soil pH caused by nitrogen addition in turn promotes the decomposition of MOC. These results showed that the increase of SOC under long-term nitrogen input was mainly from the increase of soil POC. With the increase of nitrogen application, the input of plant carbon increased SOC and improved the chemical structure stability of different soil organic carbon fractions by promoting the accumulation of aromatic carbon such as lignin in litter residues. In summary, the results emphasized the importance of soil particulate organic carbon under nitrogen input and the accumulation of lignin derivatives in litter may be the key processes to mediate soil carbon sequestration under nitrogen input.

Soil organic carbon; Chemical structure; Carbon component; Infrared spectroscopy

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.03.007

裴志福，紅梅，武振丹, 等. 草甸草原土壤不同組分有機(jī)碳含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)期氮輸入的響應(yīng). 土壤, 2022, 54(3): 481–489.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0800802)資助。

(nmczhm1970@126.com)

裴志福(1997—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥览门c保護(hù)。E-mail: zhifupei@163.com