气候变暖和臭氧层破坏是当前全球面临的重大环境问题之一^[1]。工业革命以来排放到大气中的氯氟烃和氮氧化物的急剧增加, 导致了臭氧层变薄及臭氧空洞的出现, 进而使到达地面的太阳紫外辐射增强^[2]。研究表明, 大气平流层臭氧每减少1%, 到达地面的太阳紫外辐射增加2%^[3]。不同强度的紫外辐射中, 对地球生物造成直接影响的紫外辐射主要是UV-B波段的辐射^[4]。该辐射的增强不仅降低作物光合与蒸腾速率^[5], 影响作物生理生化过程^[6], 减少作物产量^[7], 同时也改变土壤微生物的组成与活性^[8-9], 进而影响土壤呼吸^[10]。

作为陆地碳、氮库的土壤是陆地生态系统最重要的组成部分, 且含有大量碳和氮, 而土壤生态系统的碳氮循环转化和稳定性直接关系到陆地生态系统的物质循环和能量流动, 并在全球变暖等重要环境问题中起着关键作用。UV-B辐射增强可直接或间接地影响土壤系统中碳、氮的输入和输出, 最终影响整个陆地生态系统碳、氮循环过程^[11]。Austin等^[12]研究发现, 在一些干旱地带, UV-B辐射可使碳的输出加剧, 而水分条件充足的湿热生态系统对UV-B辐射增强的响应不明显^[13]。娄运生等^[14]研究发现, UV-B辐射可增加大麦根区土壤有效氮含量和微生物碳、氮量。Skjemstad等^[15]则指出UV-B辐射可打破土壤有机质和矿物之间的连接, 消除矿物对有机质的保护作用。目前UV-B辐射增强对作物地上部影响方面 (如生长发育、生理生化等) 的研究较多, 但UV-B辐射增强对地下部土壤生态过程和物质转化的影响方面研究相对较少。不过, 李亚玉^[16]的研究表明UV-B辐射增强促进了土壤有机质的降解, 胡正华等^[17]的研究表明UV-B辐射增强抑制了土壤-作物系统的呼吸作用。那么UV-B辐射增强对土壤的碳、氮转化有何影响呢?鉴于此, 本文在室内条件下模拟紫外辐射研究UV-B辐射增强对土壤碳、氮转化的影响, 以期为进一步完善UV-B辐射增强对陆地生态系统碳、氮循环影响方面的理论提供支撑。

1 材料和方法 1.1 供试土壤

供试土壤为第四纪红土母质发育的红壤, 采自湖北省黄石市阳新县白沙镇土库村试验区 (115°04'E, 29°56'N, 海拔232 m), 该试验区年均气温16.8℃, 年均降雨量1 389.6 mm。按S形路线随机选取8个采样点进行取样, 取表层土 (0~15 cm), 将采集的两种鲜土样 (低有机质水稻土和高有机质水稻土) 分别混合均匀, 一部分摊放室内通风处, 自然风干后过100目筛, 用于测定土壤全碳和全氮, 余下的部分分别用自封袋收集, 置于4℃冰箱冷藏, 用于UV-B辐射实验。土壤理化性质见表 1。

1.2 试验设计

以低有机质土和高有机质土为研究对象, 分别称取15.00 g鲜土于高温灭菌的玻璃培养皿中, 按实验需要, 将称取的鲜土置于光化学反应箱内, 同时控制箱内温度为25℃左右, 箱的三边和顶部均用加厚铝箔包好, 防止环境中其他杂质光线射入箱体。辐射能量用紫外辐射光强计 (台湾迅驰光学仪器有限公司) 测定, UV-B辐射强度分别设为0.44、1.54、2.83 W·m^-2, 其中0.44 W·m^-2为对照组, 在三种UV-B辐射强度下分别连续照射96 h, 并在照射0、12、24、36、48、72 h和96 h取样。每个时间点均设有3个平行组。分别测定样品的总有机碳 (TOC)、可溶性有机碳 (DOC)、硝态氮 (NO₃^--N)、铵态氮 (NH₄⁺-N) 含量。

1.3 测定方法 1.3.1 土壤TOC的测定

在压好模型的铝箔中称取10 mg左右过100目筛的水稻风干土, 压成片状后, 将其放入VarioTOC总有机碳分析仪加热样品室中进行测定^[18]。

1.3.2 土壤DOC的测定

取待测土样, 放入50 mL离心管中, 按土水比 (质量体积比)1:5的比例加入对应量的超纯水。加塞在300 r·min^-1摇床中振荡60 min, 然后在5000 r·min^-1离心机离心10 min, 最后用0.45 μm的微孔滤膜抽滤, 滤液用VarioTOC总有机碳分析仪进行测定^[18]。

1.3.3 土壤全氮的测定

土壤样品经高锰酸钾和还原铁粉处理后在混合加速剂的参与下, 用浓硫酸消煮, 之后用超纯水转入开氏反应器中, 碱化后蒸馏法分离出的氨再用硼酸吸收, 以标准酸溶液滴定, 计算土壤全氮含量^[19]。

1.3.4 土壤NO₃^--N、NH₄⁺-N的测定

取待测土样, 以土液比 (质量体积比) 为1:5加入对应量的1 mol· L^-1的KCl溶液, 加塞振荡1 h后, 用慢性滤纸过滤, 取上清液测样, 上流动注射分析仪测定。

1.4 数据处理与分析

用Excel 2007软件进行数据整理与绘图, 采用SPSS 17.0软件进行显著性检测和多重比较 (LSD检验)。

2 结果与分析 2.1 不同UV-B辐射强度对土壤TOC的影响

不同辐射强度下低有机质、高有机质两土中TOC含量逐渐降低, 在实验初期下降迅速 (图 1)。UV-B辐射强度对低有机质土中TOC分解无显著影响, 不同辐射强度间土壤总有机碳含量差异不显著。而UV-B辐射强度对高有机质土中TOC分解有显著影响, 不同辐射强度间TOC含量差异显著 (P < 0.05), 在经过0.44、1.54、2.83 W·m^-2三种辐射强度照射96 h后, 高有机质土中TOC分别达到29.44、27.87、27.53 g·kg^-1, 与初始时刻 (0 h) 相比, 分别减少了3.39%、9.05%、10.16%。UV-B辐射增强显著提高了高有机质土中TOC的分解速率。

2.2 不同UV-B辐射强度对土壤DOC的影响

不同辐射强度下低有机质、高有机质两土中DOC含量逐渐增加, 在实验初期增加迅速 (图 2)。UV-B辐射强度对两土中DOC含量都有显著影响, UV-B辐射增强显著促进了土壤中DOC的生成。在经过0.44、1.54、2.83 W·m^-2三种辐射强度照射96 h后, 低有机质土中DOC分别达到10.45、12.10、12.62 mg·kg^-1, 与初始时刻 (0 h) 相比, 分别增加了15.28%、33.52%、39.24%;高有机质土中DOC分别达到16.04、17.77、22.19 mg·kg^-1, 与初始时刻 (0 h) 相比, 分别增加了8.76%、20.49%、50.50%。

2.3 不同UV-B辐射强度对土壤NO₃^--N的影响

不同UV-B辐射强度下低有机质、高有机质两土中NO₃^--N含量逐渐增加 (图 3)。UV-B辐射强度对两土中NO₃^--N的含量有显著影响, 且在高有机质土中不同辐射强度间NO₃^--N含量差异显著 (P < 0.05)。经过0.44、1.54、2.83 W·m^-2三种辐射强度照射96 h后, 低有机质土中NO₃^--N分别达到14.61、14.82、18.11 mg·kg^-1, 与初始时刻 (0 h) 相比, 分别增加了40.77%、42.80%、74.48%;高有机质土中NO₃^--N分别达到25.25、28.42、30.16 mg·kg^-1, 与初始时刻 (0 h) 相比, 分别增加了52.31%、71.45%、81.87%。

2.4 不同UV-B辐射强度对土壤NH₄⁺-N的影响

不同UV-B辐射强度下低有机质土和高有机质土中NH₄⁺-N含量变化不一致 (图 4)。UV-B辐射强度对两土中NH₄⁺-N含量有显著影响, 且低有机质、高有机质两土NH₄⁺-N含量分别在不同辐射强度间差异显著 (P < 0.05)。经过0.44 W·m^-2和2.83 W·m^-2辐射强度照射96 h后, 与初始时刻 (0 h) 相比, 低有机质土壤中NH₄⁺-N分别增加34.69%、38.31%, 而经过1.54 W·m^-2辐射强度照射96 h后, 则减少6.80%;高有机质土中NH₄⁺-N含量均随时间增加而不断减少, 在经过0.44、1.54、2.83 W·m^-2三种辐射强度照射96 h后, 高有机质土中NH₄⁺-N分别达到5.90、3.66、2.86 mg·kg^-1, 与初始时刻 (0 h) 相比, 分别减少了27.54%、54.99%、64.86%。

2.5 各指标间相关性分析

将两种土壤不同辐射强度下的土壤指标进行相关性分析, 结果如表 2所示。低有机质土中TOC与DOC、NO₃^--N呈极显著负相关关系, 而DOC与NO₃^--N呈极显著正相关关系。高有机质土中TOC与DOC、NO₃^--N呈极显著负相关关系, 与NH₄⁺-N呈极显著正相关关系; 而DOC与NO₃^--N呈极显著正相关关系, 与NH₄⁺-N呈极显著负相关关系; NO₃^--N与NH₄⁺-N呈极显著负相关关系。

3 讨论 3.1 UV-B辐射对土壤有机碳降解的影响

不同UV-B辐射强度下, 低有机质土和高有机质土中TOC随时间的变化情况, 说明UV-B辐射是影响土壤TOC变化的一个重要因素。因为UV-B辐射可破坏土壤有机质与矿物之间的连接 (矿物通过它们巨大的表面积和拥有的多种活性位点与有机化合物结合), 进而消除土壤矿物对有机质的保护作用^[15]。此外, UV-B辐射不但能够影响土壤团聚体中有机质的变化, 促进有机质光化学氧化, 还能促使大分子有机物转化成易溶于水、能被微生物迅速利用的小分子有机物^[20-21]。不同辐射强度下两土壤中TOC含量差异显著性的不同可能与土壤性质有关, 因为在有机质含量高的土壤中, NO₃^--N含量较高, 在UV-B辐射下, NO₃^--N发挥光敏剂的作用, 促进了土壤碳的溶解^[16]; 且有机质含量高的土壤中腐植酸含量也高, 腐植酸可将吸收的紫外光能量传递给氧分子而形成氧基和羟基自由基, 从而引发土壤中化学物质的光降解^[22]。两种土壤中, DOC含量随UV-B辐射时间的增加而增加, 且辐射越强, DOC含量越高, 因为土壤中TOC在辐射后转化为其他形式碳化合物过程中会产生大量DOC^[23]。另一方面, NO₃^--N在发挥光敏剂的作用过程中促进了大分子有机物的矿化产生DOC^[16]。此外, UV-B辐射可改变有机体的生物可利用性^[24], 使得微生物更容易将有机质分解成小分子释放到土壤中^[25]。

3.2 UV-B辐射对土壤氮的影响

不同UV-B辐射强度下, 低有机质土和高有机质土中无机氮随时间的变化情况, 说明UV-B辐射是影响土壤无机氮变化的一个重要因素, UV-B辐射强度越强, 无机氮含量变化越剧烈。因为土壤有机质在矿化过程中产生无机氮, 并主要以氧化态的NO₃^--N存在^[26]。此外, UV-B辐射可通过影响土壤的化学组成来改变土壤生态系统中微生物数量^[27], 李元等^[8]发现高强度UV-B辐射能增加根际土壤亚硝酸细菌和硝化细菌数量, 本试验中UV-B辐射强度逐渐增强, 可能随着辐射强度的增加参与硝化作用的细菌数量增加, 从而促进土壤硝化作用^[28], 导致NO₃^--N含量的增加。在UV-B辐射下, 有机质矿化同时也会生成NH₄⁺-N, 但UV-B辐射同时也促进NH₄⁺-N的继续氧化, 所以在整个辐射过程中, NH₄⁺-N总体上是减少的。虽然UV-B辐射能够促进土壤硝化作用, 但在低有机质土中, 由于初始NH₄⁺-N含量低, 并且土壤pH (5.63) 也较低, 硝化作用在一定程度上受到抑制^[29], 虽接收同样强度的UV-B辐射, 但硝化作用不强烈^[28], NH₄⁺-N生成速率大于消耗速率, 故NH₄⁺-N表现增加趋势。而高有机质土中, 由于初始NH₄⁺-N含量较高, 且土壤pH (6.46) 更适合硝化作用的进行^[29], 经UV-B辐射后, 土壤硝化作用强烈^[28], NH₄⁺-N消耗速率大于生成速率, 导致高有机质土中NH₄⁺-N最终减少。

3.3 UV-B辐射对土壤碳、氮耦合的影响

土壤中碳、氮代谢关系密切, 两者相互制约。在UV-B辐射对土壤碳的影响中, UV-B辐射强度越强, TOC降幅越大, 说明土壤有机质矿化越剧烈。已有文献报道土壤有机碳的矿化伴随着土壤有机氮的矿化^[30]。本实验观测到, UV-B辐射强度越强, 无机氮含量变化越剧烈, 证实有机质确实发生了矿化, 有机质矿化过程中大量有机氮转化为无机氮。对两土壤碳、氮指标相关性分析 (表 2) 可知, 两土壤中TOC与NO₃^--N都呈极显著正相关关系, 且高有机质土中TOC与NH₄⁺-N呈极显著负相关关系。这进一步说明了碳、氮的耦合关系。

4 结论

(1) UV-B辐射增强促进了土壤有机质的矿化, 且辐射强度越强, 有机质矿化越剧烈, 即土壤TOC减少得越快。

(2) UV-B辐射强度促进了无机态氮的转化, 特别是促进了NO₃^--N的生成, 且辐射强度越强, 生成NO₃^--N的含量越高; 但对于NH₄⁺-N, 辐射越强, 低有机质土中NH₄⁺-N含量有增加趋势, 高有机质土中NH₄⁺-N含量降幅越大。

因此, 在农业生产中应尽量避免地表裸露, 以降低UV-B辐射对土壤碳、氮转化的影响, 进而保护土壤碳库。