模拟增温及隔离降雨对中亚热带杉木人工林土壤可溶性有机质的数量及其结构的影响

温度和水分影响森林生态系统的结构与功能,而全球变暖和降雨格局的改变是未来气候变化的趋势。我国中亚热带地区森林覆盖率大,碳库丰富,可溶性有机质(DOM)作为森林生态系统的重要组成部分,气候变化对它的数量和组成具有重要的影响。本文对我国湿润亚热带地区杉木人工林土壤进行模拟增温以及隔离50%的降雨试验,利用光谱技术手段研究增温及隔离降雨对土壤可溶性有机质(DOM)的数量及其结构的影响。试验设对照(CK)、增温(W)、隔离降雨(P)、增温与隔离降雨的交互作用(WP)4种处理。结果表明,与对照相比,土壤增温后,0—10cm和10—20cm土层的土壤可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)增加,但其芳香性指数和腐殖化程度降低,增温加速DOM的流失,不利于土壤有机质的稳定。季节变化影响土壤的环境,导致隔离降雨有使DOM的数量增加或减少的趋势;在旱季(2014年10月和2015年1月),隔离降雨降低了土壤DOM的数量,但其芳香性指数和腐殖化程度增加,而进入雨季(2015年4月),隔离降雨有使DOM增加的趋势,但其组分中的芳香化合物较少。增温和隔离降雨的交互作用在一定程度上促进DOM的产生,其结构比对照简单。温度和降雨对DOM的影响较为复杂,在全球气候变化背景下,只有长期对其进行观测并探讨其他因素带来的影响才能深入了解气候变暖和降雨格局的变化对土壤碳、氮的影响。     

降雨隔离和温度增加对杉木幼林土壤可溶性碳氮的影响

土壤可溶性碳氮在森林土壤碳循环和养分循环中起到重要作用,因其对气候变化高度敏感且可被微生物直接利用.本研究通过在2年生杉木人工林内设置隔离50%降雨处理(P)、增温5 ℃+隔离50%降雨处理(WP),利用张力测渗计野外原位收集土壤溶液,研究降雨和温度变化对不同深度土壤可溶性碳氮浓度的影响.结果表明: 降雨和温度变化没有改变土壤可溶性有机碳(DOC)浓度的季节变化,土壤溶液DOC浓度在10月最高.降雨和温度变化增加了不同土层土壤溶液DOC浓度,60 cm处增加量最大,与对照相比,P和WP处理土壤溶液DOC浓度的增加幅度分别为30.4%～88.7%和32.8%～137.6%,10 月的差异值最大,对照土壤溶液DOC浓度随土壤深度增加而降低,但降雨和温度变化后各土层间土壤溶液DOC浓度没有显著差异.WP处理土壤溶液NO₃^--N浓度大幅增加,增加幅度为221.1%～931.0%.在未来全球变化背景下,亚热带地区降雨减少将增加土壤通透性和细根向深层土壤的生长,促进土壤微生物活性和有机质分解,可能增加本地区土壤有机碳氮淋溶流失,而温度增高将加剧碳氮流失风险.     

氮沉降对杉木人工幼林土壤溶液可溶性有机物质浓度及光谱学特征的影响

为探究氮沉降对亚热带杉木人工幼林土壤溶液可溶性有机物质(DOM)浓度及光谱学特征的影响,采用负压法,对0～15和15～30 cm土层土壤溶液DOM进行了2年的动态监测及光谱学特征研究.结果表明:氮沉降显著减少了各土层土壤溶液可溶性有机碳(DOC)浓度,增加了芳香化指数(AI)及腐殖化指数(HIX),但对可溶性有机氮(DON)无显著影响.土壤溶液DOM浓度存在明显的季节变动,夏秋季显著高于春冬季.傅里叶红外光谱结果表明,森林土壤溶液DOM在6个区域的相似位置存在吸收峰,其中1145～1149 cm^-1的吸收峰最强.三维荧光光谱表明,DOM主要以类蛋白质物质(Ex/Em=230 nm/300 nm)和微生物降解产物(Ex/Em=275 nm/300 nm)为主,施氮使0～15 cm土层类蛋白质物质减少.氮沉降可能主要是通过降低土壤pH、抑制土壤碳矿化和刺激植物生长等途径显著抑制土壤溶液DOC浓度,而表层被抑制的DOC成分以类蛋白质物质和羧酸盐物质为主.氮沉降短期可能有利于土壤肥力的储存,但随着氮沉降量的积累,土壤中营养物质将难以得到有效利用.     

更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性有机质数量及化学结构的影响

采用负压法对福建省三明市亚热带常绿阔叶林中米槠次生林(BF)、米槠人促更新林(RF)、米槠人工林(CP) 0～15、15～30、30～60 cm土层土壤溶液可溶性有机质(DOM)的浓度及光谱学特征进行研究.结果表明: 土壤溶液可溶性有机碳(DOC)浓度整体趋势为RF>CP>BF,而可溶性有机氮(DON)则为米槠人工林最高;且 DOC 和 DON 在表层(0～15 cm)土壤浓度皆显著高于底层(30～60 cm).芳香化指数大小为RF>CP>BF,且整体为表层较高.米槠人工林表层土壤以荧光强度高的短波峰(320 nm)为特征峰,表明其易分解物质含量高,腐殖化程度较低;而米槠人促更新林表层土壤则以宽平的中长波峰(380 nm)为特征峰,说明其腐殖化程度较高,有助于土壤肥力的储存.此外,30～60 cm深层DOM特性几乎不受森林更新方式的影响.     

杉木采伐迹地造林树种转变对土壤可溶性有机质的影响

以二代杉木林采伐迹地上营造的19年生米老排与杉木人工林为对象,采用冷水、热水和2 mol·L^-1 KCl溶液提取0～5、5～10和10～20 cm层土壤中的可溶性有机碳(DOC)和有机氮(DON),研究造林树种转变对土壤可溶性有机质的影响.结果表明: 造林树种转变对林地土壤DOC和DON库有显著影响.米老排人工林土壤中用冷水、热水和KCl溶液浸提的DOC含量均显著高于杉木人工林,0～5和5～10 cm层土壤中用冷水和热水浸提的DON含量显著高于杉木林.不同方法浸提的DOC和DON含量大小顺序均为KCl>热水>冷水.在0～5 cm土层,米老排人工林土壤微生物生物量碳(MBC)含量比杉木林高76.3%.相关分析结果显示,热水浸提的DOC和DON与土壤MBC之间均呈显著正相关.不同树种人工林间土壤可溶性有机质的差异主要与凋落物输入的数量和质量有关.在杉木采伐迹地上营造米老排,能够明显改善土壤肥力.     

中亚热带森林转换对土壤可溶性有机质数量与光谱学特征的影响

选取中亚热带福建三明格氏栲天然林及其转换而成的木荷、锥栗及福建柏等3种人工林表层土壤(0—10 cm)可溶性有机质(DOM)为对象,对其数量和光谱学特征进行了研究,以探讨森林转换对土壤DOM的影响。结果表明,天然林转换成上述3种人工林后,0—5 cm土壤可溶性有机碳(DOC)浓度显著降低(P0.05),降低程度分别为66.1%,69.9%及29.4%,可溶性有机氮(DON)浓度也有所下降;除福建柏外,其余两种人工林5—10 cm土壤DOC及DON浓度均低于天然林。各林分0—5 cm土壤DOC及DON浓度均高于5—10 cm土层。两个土层中,天然林土壤DOM的芳香化及腐殖化程度均显著高于人工林(P0.05),但荧光效率值低于人工林;荧光光谱图显示,天然林土壤DOM在芳香性脂肪族及木质素类复杂结构荧光基团处的吸收大于人工林;各林分土壤DOM傅里叶红外光谱出现吸收谱带的位置相似,其中吸收强度最大的为形成氢键的—OH的伸缩振动,此外还有芳香性CC伸缩振动、有机羧酸盐COO-反对称伸缩振动、碳水化合物中烷氧基C—O的振动等,人工林土壤DOM中碳水化合物的比例增加是其结构简单的主要原因。土壤DOM中结构复杂、分子量大的组分不易向下迁移;天然林与人工林间土壤DOM数量及光谱学特征的差异主要与凋落物输入及营林措施的干扰有关;本研究所涉及的3种人工林中,福建柏更有利于土壤养分的累积。     

亚热带典型林分对表层和深层土壤可溶性有机碳、氮的影响

林分类型是影响土壤可溶性有机碳、氮库大小的重要因素,但目前对其研究主要集中在表层土壤(0～10 cm).本研究以亚热带地区天然林、毛竹林、格式栲人工林和杉木人工林为对象,用3种不同的浸提方式(冷水、热水和KCl溶液)提取表层(0～10 cm)和深层(40～60 cm)土壤中可溶性有机碳(DOC)和有机氮(DON),研究林分类型对表层和深层土壤可溶性有机碳、氮库的影响.结果表明: 林分类型对表层土壤DOC及其占土壤总有机碳(TOC)的比重有显著影响,深层土壤受林分类型的影响不显著;不同林分土壤DON含量仅在表层土壤存在显著差异,在深层土壤差异不显著.林分间土壤微生物生物量碳的差异仅在表层土壤达到显著水平.DON占土壤总氮(TN)的比重在各林分表层和深层土壤间差异均不显著.3种浸提方法得到的DOC和DON库大小顺序为热水>KCl>冷水,不同浸提方法得到的DOC库及DON库的相关性均达到显著水平,表明冷水、热水和KCl溶液浸提得到的有机碳、氮库含有相似组分.冷水和热水浸提方法得到的表层土壤DOC和DON含量及DOC占TOC比重在天然林和毛竹林均显著大于格式栲和杉木人工林,表明天然林和毛竹林土壤可溶性有机碳、氮含量高于格式栲和杉木人工林,更有利于土壤肥力的恢复.     

土壤增温降低亚热带森林土壤可溶性有机碳数量和质量

土壤可溶性有机碳(DOC)是森林土壤碳库中最活跃的部分,其对气候变暖的响应将深刻影响森林生态系统碳循环。本研究基于亚热带常绿阔叶林野外增温实验平台,原位收集土壤溶液,结合紫外可见光谱、红外光谱和三维荧光光谱分析,探究土壤剖面DOC通量及组成对增温(+4℃,1年)的响应。结果表明：土壤DOC通量在土层之间没有显著差异。土壤DOC主要由2个类腐殖酸组分和1个微生物代谢产物组分组成。与对照相比,增温显著降低了土壤DOC通量,降低了土壤溶液芳香化指数和疏水组分比例,增加了小分子碳水化合物的含量。此外,增温还提高了表层土壤(0～10 cm)类腐殖酸组分的相对贡献,增加了深层土壤(30～40 cm)微生物代谢产物组分的相对贡献,这在一定程度上表明变暖加速了深层土壤微生物周转。总体来说,土壤增温降低了亚热带常绿阔叶林土壤DOC数量,使DOC结构趋于简单。     

冻融作用对金川泥炭沼泽土壤酶活性的影响

为研究冻融作用对泥炭沼泽土壤酶活性的影响,选取金川草本泥炭沼泽为研究对象,采集表层(0-15 cm)和深层(15-30 cm)土壤样品,进行室内冻融模拟实验。实验设置(-5-5℃)和(-10-10℃)两个冻融幅度,分析经0、1、3、5、7、15次冻融循环处理后土壤3种水解酶活性(β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(AP))和2种氧化酶(过氧化物酶(PER)和多酚氧化酶(PPO))的变化特征,并结合土壤有机碳、氮组分,探讨泥炭沼泽土壤酶活性与土壤活性有机碳、氮组分间的相关关系。结果表明,冻融频次与冻融幅度均显著影响了土壤有机碳、氮组分及土壤酶活性。-10-10℃冻融作用下,土壤可溶性有机碳(DOC)与可溶性有机氮(DON)含量呈现先增加后降低的变化趋势。-5-5℃的冻融作用下土壤DOC与DON释放相对-10-10℃冻融作用更为缓慢,在冻融结束后呈现增加趋势。冻融循环增加了土壤微生物碳(MBC)含量,而降低了土壤微生物氮(MBN)含量。冻融幅度对土壤MBC和MBN的影响表现为-5-5℃ ＜ -10-10℃。随着土层的增加,土壤MBC、MBN和DOC含量的幅度变化表现为0-15 cm ＜ 15-30 cm,而土壤DON含量幅度变化表现为0-15 cm ＞ 15-30 cm。冻融循环降低了土壤水解酶活性和氧化酶活性。冻融幅度对土壤水解酶活性的影响表现为-5-5℃ > -10-10℃,对土壤氧化酶活性的影响表现为-5-5℃ < -10-10℃。随着土层深度的增加,土壤水解酶活性变化的幅度表现为0-15 cm ＜ 15-30 cm,土壤氧化酶活性变化的幅度表现为0-15 cm ＞ 15-30 cm。土壤酶活性与土壤MBC和MBN含量呈正相关,而与土壤DOC含量呈显著负相关(P ＜ 0.05)。研究结果表明冻融作用初期促使部分微生物死亡,其死亡残体释放的可利用养分,促进了适应冻融作用的微生物生长,但在培养后期随着土壤养分的消耗,土壤微生物量呈现下降趋势,进而最终降低了土壤酶活性。     

杉木人工林土壤可溶性有机质及其与土壤养分的关系

通过在福建省来舟林场对不同栽植代数杉木人工林土壤可溶性有机碳(DOC)和氮(DON)及土壤养分的研究,其结果表明,随着杉木栽植代数的增加林地土壤DOC和DON含量逐渐下降,在0～10cm土层内第3代杉木林土壤DOC和DON含量分别是第1代杉木林的83.9%和87.1%、第2代杉木林的90.6%和96.9%,在10～20cm土层内第3代杉木林土壤DOC和DON含量分别是第1代杉木林的80.2%和81.5%、第2代杉木林的81.8%和90.0%。在不同林地和土层内土壤DOC含量之间的差异性达到了显著或极显著水平,而DON含量之间的差异性不显著。不同栽植代数杉木林土壤养分的变化趋势与DOM一致,随着杉木连栽,土壤养分含量呈下降趋势。在0～10cm土层内第3代杉木林土壤全氮、全钾、铵态氮和速效钾含量分别是第1代杉木林的83.1%、60.4%、68.1%和44.3%,是第2代杉木林的84.6%、68.5%、74.4%和58.7%;在10～20cm土层内第3代杉木林土壤全氮、全钾、铵态氮和速效钾含量分别是第1代杉木林的74.0%、53.4%、57.6%和54.6%,是第2代杉木林的94.8%、59.5%、74.3%和65.5%。经相关性分析,在各土层内土壤DOC和DON含量与土壤全氮、全钾、铵态氮和速效钾等土壤养分含量存在着不同程度的相关性。     

Land use and hydrologic flowpaths interact to affect dissolved organic matter and nitrate dynamics

The transport and transformation of dissolved organic matter (DOM) and dissolved inorganic nitrogen (DIN) through the soil profile impact down-gradient ecosystems and are increasingly recognized as important factors affecting the balance between accumulation and mineralization of subsoil organic matter. Using zero tension and tension lysimeters at three soil depths (20, 40, 60 cm) in paired forest and maize/soybean land uses, we compared dissolved organic C (DOC), dissolved organic N (DON) and DIN concentrations as well as DOM properties including hydrophilic-C (HPI-C), UV absorption (SUVA₂₅₄), humification index and C/N ratio. Soil moisture data collected at lysimeter locations suggest zero tension lysimeters sampled relatively rapid hydrologic flowpaths that included downward saturated flow through the soil matrix and/or rapid macropore flow that is not in equilibrium with bulk soil solution whereas tension lysimeters sampled relatively immobile soil matrix solution during unsaturated conditions. The effect of land use on DOC and DON concentrations was largely limited to the most shallow (20 cm) sampling depth where DOC concentrations were greater in the forest (only zero tension lysimeters) and DON concentrations were greater in the cropland (both lysimeter types). In contrast to DOC and DON concentrations, the effect of land use on DOM properties persisted to the deepest sampling depth (60 cm), suggesting that DOM in the cropland was more decomposed regardless of lysimeter type. DOC concentrations and DOM properties differed between lysimeter types only in the forest at 20 cm where soil solutions collected with zero tension lysimeters had greater DOC concentrations, greater SUVA₂₅₄, greater humification index and lower HPI-C. Our data highlight the importance of considering DOM quality in addition to DOC quantity, and indicate long-term cultivation reduced the delivery of relatively less decomposed DOM to all soil depths.     

Effects of dissolved organic matter from different plant sources on soil enzyme activities in subtropical forests

探究不同植物来源可溶性有机质(DOM)进入土壤后对酶活性的影响, 可以为降水淋溶下亚热带地区不同森林生态系统土壤碳循环提供科学依据。该研究提取杉木(Cunninghamia lanceolata)、木荷(Schima superba)和楠木(Phoebe zherman) 3种植物鲜叶中的DOM分别输入杉木人工林土壤中, 以等量的去离子水添加为对照, 进行25天的室内培养。培养结束后测定土壤理化性质、微生物生物量和酶活性等指标。结果表明: 与对照处理(CT)相比, 添加3种叶片DOM后, 土壤总有机碳(SOC)、总氮(TN)含量和碳氮比均无显著变化。杉木叶片DOM添加处理(CL)的TN含量显著低于木荷叶片DOM添加处理(SL)和楠木叶片DOM添加处理(PL), 碳氮比显著高于SL和PL。3种叶片DOM输入整体上提高了土壤溶解有机碳(DOC)和溶解有机氮(DON)的含量。叶片DOM输入后土壤微生物生物量碳(MBC)含量无显著变化, 然而CL和SL的土壤微生物生物量氮(MBN)含量分别比CT降低了50.9%和51.1%, PL的MBN含量比CT提高了54.0%。与CT相比, 不同植物来源DOM输入后, β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)和过氧化物酶(PEO) 3种酶活性均显著上升, 而多酚氧化酶(PPO)活性则显著下降; 此外, βG和CBH活性均表现出CL > SL > PL的特征。相关性分析的结果表明, 添加叶片DOM 3种处理的SOC、TN、MBN含量和βG、CBH活性都与所输入DOM的DOC含量和腐殖化指数(HIX)显著相关, 此外, 土壤MBN含量和PPO活性与输入叶片DOM的pH呈正相关关系。冗余分析(RDA)结果表明, 叶片DOM输入后引起土壤酶活性变化的关键因子是DON和DOC含量。总体来说, 不同植物来源DOM性质的差异会影响土壤碳循环水解酶的活性, 而叶片DOM输入后增加了土壤碳和氮的有效性, 引起4种碳循环酶的不同响应。     

不同植物来源可溶性有机质对亚热带森林土壤酶活性的影响

探究不同植物来源可溶性有机质(DOM)进入土壤后对酶活性的影响, 可以为降水淋溶下亚热带地区不同森林生态系统土壤碳循环提供科学依据。该研究提取杉木(Cunninghamia lanceolata)、木荷(Schima superba)和楠木(Phoebe zherman) 3种植物鲜叶中的DOM分别输入杉木人工林土壤中, 以等量的去离子水添加为对照, 进行25天的室内培养。培养结束后测定土壤理化性质、微生物生物量和酶活性等指标。结果表明: 与对照处理(CT)相比, 添加3种叶片DOM后, 土壤总有机碳(SOC)、总氮(TN)含量和碳氮比均无显著变化。杉木叶片DOM添加处理(CL)的TN含量显著低于木荷叶片DOM添加处理(SL)和楠木叶片DOM添加处理(PL), 碳氮比显著高于SL和PL。3种叶片DOM输入整体上提高了土壤溶解有机碳(DOC)和溶解有机氮(DON)的含量。叶片DOM输入后土壤微生物生物量碳(MBC)含量无显著变化, 然而CL和SL的土壤微生物生物量氮(MBN)含量分别比CT降低了50.9%和51.1%, PL的MBN含量比CT提高了54.0%。与CT相比, 不同植物来源DOM输入后, β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)和过氧化物酶(PEO) 3种酶活性均显著上升, 而多酚氧化酶(PPO)活性则显著下降; 此外, βG和CBH活性均表现出CL > SL > PL的特征。相关性分析的结果表明, 添加叶片DOM 3种处理的SOC、TN、MBN含量和βG、CBH活性都与所输入DOM的DOC含量和腐殖化指数(HIX)显著相关, 此外, 土壤MBN含量和PPO活性与输入叶片DOM的pH呈正相关关系。冗余分析(RDA)结果表明, 叶片DOM输入后引起土壤酶活性变化的关键因子是DON和DOC含量。总体来说, 不同植物来源DOM性质的差异会影响土壤碳循环水解酶的活性, 而叶片DOM输入后增加了土壤碳和氮的有效性, 引起4种碳循环酶的不同响应。     

植被恢复对侵蚀红壤可溶性有机质含量及光谱学特征的影响

为了解植被恢复对侵蚀红壤可溶性有机质含量及结构特征的影响, 以福建省长汀县河田镇植被恢复后的侵蚀红壤及对照裸地为研究对象, 对两试验地0-60 cm深土壤中可溶性有机质的含量及光谱学特征进行了比较研究。结果表明: 侵蚀红壤植被恢复后, 土壤可溶性有机碳含量显著提高, 在土表到60 cm深度的6个10 cm土层中, 植被恢复土壤可溶性有机碳含量分别提高为对照裸地相应土层的5.6、4.7、4.6、3.1、2.4及2.2倍。可溶性有机氮含量在两试验地之间的差异在各土层中不一致。植被恢复各土层侵蚀红壤可溶性有机质的芳香化指数显著高于对照裸地, 荧光发射光谱腐殖化指数略高于对照裸地, 植被恢复后的侵蚀红壤与对照裸地间荧光同步光谱腐殖化指数无明显差异。荧光同步光谱图中, 两试验地侵蚀红壤可溶性有机质的吸收主要为类蛋白质及芳香性脂肪族荧光基团的吸收。傅里叶红外光谱结果显示, 与对照裸地相比, 植被恢复后的侵蚀红壤土壤可溶性有机质中官能团种类更多, 且含有更多芳香碳及羧基碳。两试验地土壤可溶性有机质均表现为芳香化及腐殖化程度随土层的加深而降低。相关性分析显示, 土壤可溶性有机质的芳香化及腐殖化指数与土壤碳氮总量有极显著正相关关系。总之, 侵蚀红壤经植被恢复后, 土壤可溶性有机碳含量及可溶性有机质的芳香化指数显著提高, 可溶性有机质的腐殖化指数略有增大, 可溶性有机质结构更复杂, 更不易被分解, 因此有利于土壤肥力的恢复。     

Dissolved organic matter in small streams along a gradient from discontinuous to continuous permafrost

The Yenisei river passes every type of permafrost regime, from south to north, being characterized by increasing continuity of the permafrost and by decreasing thickness of the active layer. We used that situation to test the hypothesis that amounts and properties of dissolved organic matter (DOM) in small streams draining forested catchments respond to different permafrost regimes. Water samples were taken from eight tributaries along the Yenisei between 67°30′N and 65°49′N latitude. The samples were analysed for dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON) and DOM was characterized by its chemical composition (XAD‐8 fractionation, sugars, lignin phenols, amino acids, protein, UV and fluorescence spectroscopy), and its biodegradability. Most properties of the tributary waters varied depending on latitude. The higher the latitude, the higher were DOC, DON and the proportion of the hydrophobic fraction of DOC. The contribution of hexoses and pentoses to DOC were higher in southern tributaries; on the other hand, phenolic compounds were more abundant in northern tributaries. Mineralizable DOC ranged between 4% and 28% of total DOC. DOM in northern tributaries was significantly (P<0.05) less biodegradable than that in southern tributaries reflecting the differences in the chemical properties of DOM. Our results suggest that the differences in DOM properties are mainly attributed to differences of permafrost regime, affecting depth of active layer, soil organic matter accumulation and vegetation. Soil organic matter and vegetation determine the amount and composition of DOM produced in the catchments while the depth of the active layer likely controls the quantity and quality of DOM exported to streams. Sorptive interactions of DOM with the soil mineral phase typically increase with depth. The results imply that a northern shift of discontinuous permafrost likely will change in the long term the input of DOM into the Yenisei and thus probably into the Kara Sea.