自18世纪中叶以来,随着世界人口的快速增长,大量的化石燃料燃烧以及化肥的大量使用,导致了氮氧化物的排放已经增长了3～5倍^[1-2]。快速增加的氮沉降已引起一系列严重的生态环境问题,这引起了人们尤其是相关研究工作者的广泛关注^[3]。水溶性有机物(DOM)主要包括土壤水溶性有机碳(WSOC)和水溶性有机氮(WSON),含有丰富的可直接被植物、微生物利用的腐殖质类物质,是评价土壤肥力的重要指标,也是土壤有机碳库、氮库对气候变化响应的指标^[4]。氮素是植物的必需营养元素,其沉降后被植物利用的只有小部分,绝大部分被固定在土壤中,土壤中氮素含量增加,会导致碳氮循环、微生物种群和生物多样性发生强烈的变化^[5],从而影响土壤质量^[6]。WSOC虽然占土壤有机碳总量的比例不高且稳定性差,但可以反映土壤有机质成分微小的变化,是微生物的主要活动能源^[7-8]。WSON与水溶性硝态氮(WNO^-₃-N)、水溶性铵态氮(WNH⁺₄-N)一起构成土壤有效养分的主要来源,在植物营养元素交换及不同生态系统氮素循环中占有重要地位^[9]。由于每种荧光物质都有其特定的三维荧光光谱特征,因此运用三维荧光分析法能够定性地反映土壤中DOM的腐殖化特点。氮沉降对土壤水溶性碳氮含量存在较为深刻的影响,但在其影响机理和试验结果方面还尚存争议,氮沉降可能增加或降低森林土壤可溶性有机氮的含量。Currie等^[10]认为,氮输入对WSON的产生有促进作用。相反,王梦思等^[11]研究表明WSON随施氮量的增加而减少,还有一些研究表明模拟氮沉降对土壤氮素分布及其含量无显著影响^[12]。同样的氮素添加对WSOC的影响也存在差异,如Gundersen等^[13]的研究表明,氮素可以通过增加土壤腐殖质的稳定性和促进细菌生长来降低WSOC含量。Chang等^[14]的研究也表明高氮添加降低了WSOC的浓度。而李登峰等^[15]的研究表明WSOC随施氮量浓度的增加而增加。氮沉降对土壤水溶性碳氮含量存在较为深刻的影响,因此要揭示未来气候变化条件下土壤生态系统响应还需进一步长期深入地研究。

黄土丘陵区由于其特殊的母质、气候和地形特征,加上长期以来不合理的土地利用,水土流失严重,生态环境十分脆弱。当全球变化因子——氮沉降在该生态系统时,会对系统产生一系列影响,而其中的养分分配,尤其是对环境变化响应敏感的水溶性碳、氮组分对于氮沉降的响应目前还没有一致的结论。因此,本文选择黄土高原植被恢复中分布最广泛的主要树种之一——油松(Pinustabuli formis Carr.)作为研究对象,通过氮添加的方式模拟氮沉降,分析土壤水溶性碳氮含量的变化特征,为评价未来全球变化背景下的土壤生态系统响应提供数据支持。

水溶性有机碳、氮作为土壤碳氮最活跃的组分对环境变化极为敏感,目前针对土壤氮添加对土壤水溶性碳、氮组分的影响目前还没有一致的结论。WSON是微生物的主要利用方式,其在土壤总氮中所占比重不大,但对植物的生理生化过程和不同生态系统的氮素循环中起着重要的作用^[24]。在本研究中,氮添加增加了土壤中的WSN含量,不同土层的WSON含量先减后增,这和Chantigny等^[25]研究结果一致,在氮素普遍缺乏的黄土高原地区,高浓度的氮添加增强微生物的活性,促进了氮的矿化^[26],导致WSON含量减少,当满足土壤微生物一定需求后开始上升,所以WSON/WSN比值随氮添加水平先降低后升高。本试验中不同土层WNH⁺₄-N的含量的先减后增,可能是铵态氮施入系统后,微生物首先选择吸收利用WNH⁺₄-N,土壤会优先固定加入的WNH⁺₄-N^[27]。同时,土壤中添加氮可以显著地提高WNO^-₃-N的含量,这或许是因为氮添加提高土壤微生物活性,推动了硝化作用^[28],WNO^-₃-N含量增加,大多数研究都表明,氮添加能显著提高土壤中硝态氮的含量^[29]。WSOC是凋落物和土壤有机质分解和淋溶的产物,作为土壤微生物的主要碳源,可以衡量微生物活性变化^[8,30]。在本试验中,0—10 cm土层中WSOC的含量随氮添加水平先升高后降低,这和Gilliam等^[5]的研究结果相似,他们认为碳氮比值越低有机物分解越快,促进可溶性有机碳的增加,但过高程度的氮沉降水平会引起分解者微生物群落组成向低效率转变,使微生物降解中碳的限制加剧,进而影响土壤的碳氮循环,Mo等^[31]研究也表明成熟林受N沉降增加有可能导致C淋溶流失量增加。

图5 不同处理下组分1,2的含量

图6 不同土层在不同处理下具有代表性的荧光发射激发基质(EEMs)

经对土壤中水溶性有机质(DOM)的三维荧光光谱PARAFAC分析后得到两种存在土壤中的有机物,一种是类富里酸物质,一种是芳香族蛋白质物质。类富里酸物质在不同土层随氮添加水平先降后升,这可能是因为氮添加促进了微生物对腐殖质的分解,高氮添使微生物降解中碳的限制加剧^[4],导致土壤DOM中类腐殖质物质有一个先降后升的趋势,WSOC的含量也随氮输入先增后减。0—10 cm土层的这种物质含量高于10—20 cm,可能是因为随着土层深度的增加,微生物数量减少,其活性下降,由微生物主导的土壤矿化速率降低^[32],10—20 cm土层腐殖化程度低。而芳香族蛋白质物质应该是微生物降解后的某种类蛋白质物质,在土壤表层呈增长趋势,森林土壤中腐殖质的淋溶过程及微生物分解是DOM的主要形成途径^[33],因淋溶作用10—20 cm的含量有所增加。因此在黄土丘陵区,氮输入通过影响根际微生物的活动影响土壤的养分分配,从而影响水溶性有机碳、氮组分的含量变化。

综上所述,氮沉降显著增加了土壤WSN和WNO^-₃-N,并通过微生物的转化固定作用使C和N在土壤中积累,对土壤水溶性有机质产生了一定的影响,但微生物及组分分配、元素转化各过程的耦合及对氮沉降的响应机制还不清楚,本试验为期3 a,时间较短,模拟氮沉降仅处于初期阶段,要揭示未来气候变化条件下土壤碳、氮库的动态变化规律还需进一步长期深入研究。