排水量决定了玉米种植系统中溶解有机物的淋失量

《Science of The Total Environment》：Drainage volume drives dissolved organic matter leaching loss in a corn system

本研究在佛罗里达亚热带玉米种植系统中，通过 lysimeter 实验评估 DOM 和总氮淋失损失及组成变化。结果表明：排水量是 DOM 淋失的主要驱动因素，其损失量与排水体积呈线性正相关；DOM 组成受玉米生长期、秸秆还田及 hurricane 事件影响，呈现季节性变化；氮肥处理对 DOM 淋失及组成无显著差异。本研究揭示了佛罗里达农业系统中 DOM 淋失的关键机制及影响因素。

　　在农业生态系统中，溶解有机质（DOM）的淋失现象正受到越来越多的关注。作为土壤有机质（SOM）中的一种重要组成部分，DOM虽然仅占SOM总量的一小部分，但其在土壤生物地球化学循环中扮演着关键角色。DOM不仅为微生物提供了重要的能量来源，还影响着土壤中氮、磷等营养元素的平衡，以及重金属和其他污染物的迁移过程。此外，DOM作为连接陆地和水体生态系统的重要碳池，其淋失过程对碳封存和温室气体排放具有深远影响。随着全球气候变化和农业管理实践的变化，DOM的动态变化及其驱动因素的研究显得尤为重要。

本研究聚焦于美国佛罗里达州的玉米种植系统，探讨了DOM淋失的时空变化及其驱动因素。佛罗里达州独特的气候条件，如高温和高降水量，为DOM的研究提供了理想的自然实验场。此外，该地区频繁遭遇飓风等极端天气事件，这些事件可能显著影响DOM的淋失过程。由于农业管理活动的干扰，如施肥、覆盖作物种植和作物残余物的归还，DOM的淋失过程在农业生态系统中比在自然生态系统中更为复杂。因此，了解这些管理实践与DOM淋失之间的关系，对于制定可持续的土壤和水资源管理策略至关重要。

研究团队通过使用 lysimeter（渗水筒）观测数据，对佛罗里达州玉米种植系统中DOM的淋失过程进行了深入分析。这些数据来源于一项为期两年的氮肥施用量实验，旨在评估不同管理条件下DOM的淋失量及其组成变化。研究发现，在两个生长季和一个覆盖作物季节中，累计DOC（溶解有机碳）的淋失量在9.74至27.56千克/公顷之间变化。而在2024年的生长季中，由于地下水的渗透，DOM的淋失呈现出不同的特征，例如增加了总氮（TN）的淋失，但同时稀释了DOC的浓度。这表明，地下水的介入在DOM和TN的动态变化中起到了重要作用。

进一步的分析表明，DOC的淋失量与排水量之间存在线性关系，而这种关系在不同季节中的强度有所差异。这种季节性变化主要受到DOM供应与排水过程之间时间耦合的影响。然而，DOC的浓度和组成并未与排水量保持一致的相关性，而是呈现出与关键事件相关的季节性变化。例如，在玉米的生长阶段，DOM的组成趋向于更富含蛋白质类、微生物相关的化合物；而在进行土壤翻耕并归还秸秆后，以及飓风发生后，DOM的组成则向更芳香性的化合物转变。这些发现揭示了DOM组成变化与特定农业管理措施之间的紧密联系。

研究还发现，DOM和TN的淋失量以及DOM的组成在控制处理和施肥处理之间并没有显著差异。这表明，尽管施肥可能影响土壤微生物的活性，从而改变DOM的组成，但在当前的实验条件下，这种影响并未显著体现在DOM的淋失总量上。因此，研究团队推测，DOM的淋失主要由排水量决定，而施肥等管理措施可能更多地影响DOM的来源和组成，而非其总量。

此外，研究还指出，飓风等极端天气事件对DOM和TN的淋失具有显著影响。例如，飓风“黛比”在短时间内导致了16.92千克/公顷的DOC淋失和298.97千克/公顷的TN淋失。这种极端事件的冲击可能通过增加土壤饱和度和水流量，促进DOM的快速迁移。同时，佛罗里达州的石灰岩地质结构和波动的地下水位也可能加剧这种影响，导致地下水的渗透和DOM的横向迁移。

在佛罗里达州的玉米种植系统中，DOM的淋失过程受到多种因素的共同作用。一方面，降水和灌溉的频率和强度直接影响DOM的供应和迁移。另一方面，土壤的物理和化学性质，如矿物组成和有机质含量，也在DOM的保留和释放过程中发挥重要作用。此外，农业管理措施，如施肥、覆盖作物种植和作物残余物的归还，通过改变土壤微生物群落和有机质的结构，进一步影响DOM的组成和淋失模式。

研究结果表明，在佛罗里达州的玉米种植系统中，DOM的淋失主要由排水量决定，而施肥等管理措施可能更多地影响DOM的来源和组成。这种发现对于理解农业生态系统中DOM的动态变化具有重要意义，同时也为制定有效的土壤和水资源管理策略提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同管理措施对DOM淋失的长期影响，以及如何通过调整农业实践来减少DOM和TN的淋失，从而保护土壤健康和水体质量。