溶解性有机质(DOM)是指通过0.45μm微孔滤膜且能溶于水、酸或碱溶液的有机质^[1], 它主要由可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)构成, 其中DOC是微生物生长的重要能源^[2], 其含量高低和周转速率直接影响微生物活性, 从而影响土壤有机碳的矿化过程。而DON作为土壤有机氮矿化和无机氮固定过程中重要的中间氮库, 调控着土壤铵态氮(NH₄⁺-N)的供应和氮素的生物转化过程, 是土壤有效养分的来源之一^[3-4]。前期研究土壤淋失过程中通常以无机态氮为主, 但是近年来研究发现DON淋失现象可能比无机态氮更严重^[5]。DOM淋失不仅是土壤养分流失的重要途径, 同时也会导致河流和饮用水源富营养化和酸化, 对人类健康带来很大的安全风险^[6]。

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(Clerodendrum serratum)、八角枫(Alangium chinense)及千里光(Senecio scandens)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)。

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

将样品解冻后, 用浓磷酸将其pH值调节至2—3, 采用流动注射仪(AA3)测定原溶液的全氮(TDN)、NO₃^--N、NH₄⁺-N含量; DON含量用TDN与无机氮的差减法进行计算。将原溶液稀释5倍后采用原子吸收光分光光度计(Avanta M)分析其中的Ca²⁺、Mg²⁺含量; DOC浓度采用总有机碳分析仪(TOC-Vw)测定。DOM官能团组分采用紫外/可见分光光度计(UV2300)分析, 具体为将样品DOC浓度用超纯水稀释至1mg/L, pH值用浓磷酸调节至2, 用紫外/可见分光光度计测定其在254、260、272nm以及280nm处的吸光光度值, 之后表述简称SUVA₂₅₄、SUVA₂₆₀、SUVA₂₇₂与SUVA₂₈₀。研究表明DOM的芳香性、分子量大小以及疏水性等官能团结构特征能通过光谱特征进行表征, 各指标对应的DOM官能团特征如表 1所示^[23]。

1.4 数据分析

使用Excel 2010软件进行数据初处理; 进行方差分析之前, 利用单样本K-S检验, 对淋溶水中各养分及其紫外光谱数据进行正态分布检验, DON与紫外光谱数据符合正态分布, DOC、TDN、NO₃^--N、NH₄⁺-N、Ca²⁺及Mg²⁺数据均不符合正态分布, 对其采用平方根反正切函数对数据进行转化, 转换后数据符合正态分布, 可以进行方差分析; 用SPSS 21.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)、多重比较(Duncan)和Pearson相关分析, 所有统计分析显著水平均设为0.05;相关图表以及指数、线性函数拟合用Sigma Plot 12.5软件完成。

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

土壤DOC和DON淋失总量都随着翻耕频率的增加而显著增加(表 2), DOC的淋失总量大于DON, 但各处理间DON淋失总量的差异大于DOC(表 2)。TDN与NO₃^--N的淋失量在各处理间的变化与DON相似(表 2), NH₄⁺-N淋失量对翻耕处理的响应无明显变化规律。DON占淋溶总氮的比值(DON/TDN)随着翻耕频率的增加而增加, 5个不同的翻耕频率处理分别为：16.1%(T0)、20.1%(T1)、19.1% (T2)、28.1% (T3)与31.3% (T4), DOC/DON随着翻耕频率的增加而减小(表 2)。

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

随翻耕处理实施, DOC与DON的淋失量呈现相反的变化趋势(图 2), 且在旱季呈显著负相关关系(图 3)。观测期内, DOC淋失量呈减少趋势, 其雨季淋失量 < 旱季淋失量。DON淋失量呈增加趋势其雨季淋失量>旱季淋失量。随翻耕处理时间的增加, DON占淋溶总氮的比例逐渐增加, NO₃^--N淋失比例逐渐减少(图 4); 4个官能团指标在监测前期小, 后期大(图 2), 但在整个监测期内, 各处理间差异均不显著; DOC、DON的淋失量均受温度、降雨量的影响, 但其影响存在季节差异。DOC淋失量与降雨量和温度在雨季均呈显著负相关关系, 而在旱季呈显著正相关关系(图 5); DON淋失量与温度在雨季和旱季均呈显著正相关关系, 与降雨量仅在旱季呈显著负相关关系(图 5)。

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

Ca²⁺的淋失量与DOC的淋失量呈现显著正相关关系(P < 0.01), 而Mg²⁺的淋失量与可溶性氮的淋失量呈显著正相关关系(P < 0.01)。DOC的淋失量与NH₄⁺-N淋失量呈现显著正相关关系, 而DON与NO₃^--N呈现显著正相关关系(表 3)。

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。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。

在整个监测期间, DOC、DON呈现不同的变化趋势, 且都受到耕作频率与季节变化及其交互作用的影响(表 4)。DOC总淋失量在监测初期淋失量大、后期小(图 2)。是因为土壤中DOC的淋失存在累积效应^{[20, 28]}。淋溶发生时, 表层土壤养分向下淋失, 下层土壤对淋溶DOC表现出吸附截留, 而后发生解吸附的现象^[29]。因此在无外源碳补给的条件下, 长时间的淋溶作用, 使DOC的淋失规律表现为先上升而后下降趋势。在监测初期, 翻耕处理DOC淋失量大于免耕, 但在后期却呈现相反的趋势(图 2), 说明翻耕会导致土壤碳库发生变化, 使土壤可溶性有机碳含量降低。土壤有机碳库由两个降解速度不同的组分库组成^[30], 耕作扰动会使周转周期短的小分子淋失加剧, 导致扰动土壤上部缺失活性碳库, 稳定碳库上限深度下降^{[4, 26]}, 故后期翻耕处理后期DOC淋失量小于免耕。DOC淋失受到季节变化的影响, 表现为雨季 < 旱季(图 2)。前期研究表明, 季节变化引起的土壤温度与湿度变化会影响土壤微生物活性和土壤有机质分解矿化, 进而影响DOC的淋失^[31]。土壤微生物活性会随温度与湿度的升高而增大, 但达到一定温度与湿度后, 活性反而会下降^[18]。DOC在雨季与降雨量和温度呈显著负相关, 在旱季则反之(图 5)。是因为雨季土壤温度与湿度都过大, 土壤微生物活性受到抑制, 土壤SOM分解速度减慢, 而温度的升高会使土壤对DOC的吸附能力增强^[25], 所以DOC淋失量小, 旱季土壤温度与湿度都比较低, 土壤微生物对其DON的淋失量表现为监测初期淋失量小、后期大(图 2)。在整个监测期内, 氮素主要以NO₃^--N的淋失为主, 且其比重在监测初期大, 后期小(图 4)。在处理实施初期土壤环境发生改变, 微生物活性增加, 导致DON的矿化速率加快, 土壤中DON浓度较低, 所以DON淋失量少, 氮素淋失以NO₃^--N的淋失为主(图 4)。但随着耕作时间的延长, 可供分解的土壤SOM减少, 土壤SOM的组成趋向简单化, 导致SOM中含氮复合体的抗分解能力降低^[30], 周转周期较长的氮库开始参与循环, 使土壤DON浓度升高, 从而导致后期DON淋失量增大。DON的淋失量也受到季节变化的影响, 表现为雨季>旱季(图 2)。DON淋失量在雨季与降雨量和温度都无显著相关关系, 在旱季与温度正相关, 与降雨量负相关(图 5)。有研究表明, 雨季时水分不是限制土壤氮素淋溶的因子, 这时土壤DON淋失受其自身矿化能力的影响^[33]。而雨季主要处于监测后期, 周转周期较长的氮库开始参与循环, 土壤DON浓度升高, 从而使DON淋失量增加。旱季时温度低, 微生物活性低, SOM矿化速率慢, 土壤对DON有一定的吸附作用, 此时无机态氮比DON更容易被淋失, 土壤淋溶的氮素主要以无机氮为主, 所以DON淋失量旱季 < 雨季。在监测期间, 4月份所有处理DON淋失量均达到峰值(图 2), 主要是由于3月份降雨极少, 未形成足够水量带走该月TDN, 导致4月份的淋失量显著提高。干旱交替条件下, 翻耕也会导致DON淋失量增加。这可能一方面是因为干燥的土壤再湿润对土壤有机氮矿化具有激发作用, 导致DON释放^[31], 另一方面, 干旱交替产生的土壤缝隙会加快水分向下运移的速度, 从而导致DON淋失量增加^[34]。

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。

耕作处理过程中, 随翻耕频率增加碳、氮淋失量增大, 但随着耕作时间的延长, DON与DOC呈现出不同的淋溶特征。这与Hagedorn等的研究结果一致^[35], DON在土壤中的行为既不同于矿质氮, 也不同于DOC。这是因为土壤中DOC的浓度取决于土壤SOC含量, 而DON的释放更多取决与土壤无机N库^[36], 故碳氮周转速率存在差异, 其影响因素也不同。DOC与Ca²⁺以及NH₄⁺-N呈现显著正相关关系, 而DON则与Mg²⁺以及NO₃^--N淋失量呈现显著正相关(表 3)。这是因为大团聚体破碎后, 土壤结构发生变化, 导致与Ca²⁺结合的部位被破坏, 从而导致游离Ca²⁺含量的升高^[17], 另一方面, SOM分解使土壤溶液中DOC浓度升高, 导致微生物呼吸作用加强, 产生的CO₂对土壤中碳酸钙进行溶解, Ca²⁺淋失量增加。故耕作导致DOC淋失量增加的同时, 也导致了Ca²⁺淋失量增加。而NH₄⁺的矿化生成与土壤DOC的可溶性有关, Andersson等研究发现, NH₄⁺的生成与有机质溶解性的提高密切相关, 其原因可能是NH₄⁺与胡敏酸和富里酸结合成类似“溶解盐”的物质, 从而提高了有机质的可溶性^[37]。Mg²⁺则与氮的淋失紧密相关, 是由于淋失的NO₃^--N离子带负电荷, 需要淋失等同的带正电荷的Mg²⁺来保持土壤电荷平衡^[38]。

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。