米櫧次生林內(nèi)4種植物葉片DOM 的數(shù)量和質(zhì)量特征

康根麗，高 人，楊玉盛，陳光水，楊智杰，司友濤*

(1．福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)重點實驗室省部共建國家重點實驗室培育基地，福州350007;2．福建師范大學a．地理科學學院，b．地理研究所，福州350007)

可溶性有機質(zhì) (Dissolved Organic Matter，DOM)是生態(tài)系統(tǒng)中十分活躍且重要的組分［1］。它既可為土壤微生物提供可以直接利用的能量和養(yǎng)分［2-3］，又因其高度的流動性在森林生態(tài)系統(tǒng)的C、N循環(huán)中充當各種碳庫、氮庫之間的媒介［4］。葉片是光合作用的同化器官，生理活性強，營養(yǎng)元素含量高，通過降雨從其表面淋溶出來的DOM是森林生態(tài)系統(tǒng)DOM的重要來源之一，對森林碳和養(yǎng)分循環(huán)具有重要的貢獻［2，5］，特別是在降雨量豐富的熱帶和亞熱帶地區(qū)。葉片的DOM淋溶可能與降雨的頻率、強度有關(guān)［6］。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，來自葉片的DOM淋失是一個持續(xù)的過程，1次或2次淋溶并不能淋溶出所有的DOM［7］。所以，在雨量充沛的亞熱帶地區(qū)，研究植物葉片DOM的潛在含量以及不同淋溶次數(shù)間DOM含量的變化趨勢是理解地上植被和土壤相互作用，以及森林生態(tài)系統(tǒng)C、N等元素循環(huán)的重要一環(huán)。

樹種差異會導致其淋溶產(chǎn)生的DOM結(jié)構(gòu)的差異［8-9］。文獻表明，針葉樹含有較多的難分解、疏水性物質(zhì)和芳香類物質(zhì)，而闊葉樹種含有很多的易分解、親水性和低分子量的物質(zhì)［10-12］;因此，針葉樹產(chǎn)生的DOM較難分解，而闊葉樹的DOM更容易分解。此外，DOM的結(jié)構(gòu)特征還會影響到生態(tài)過程的其他很多方面［13-14］，如:1)微生物對DOM的吸收量;2)DOM的礦化量;3)被礦質(zhì)土壤吸附的DOM量;4)從生態(tài)系統(tǒng)流失的DOM量;5)土壤呼吸的速率即激發(fā)效應(yīng)。所以，研究不同樹種的葉片多次淋溶產(chǎn)生的DOM結(jié)構(gòu)差異是探究DOM參與的一系列生態(tài)過程的基礎(chǔ)。自然森林生態(tài)系統(tǒng)由具有不同功能的多樣的植物種組成，然而目前對單一樹種 (主要是喬木樹種)的DOM含量和結(jié)構(gòu)分析的研究較多，而對森林內(nèi)其他植物較少涉及，尤其忽略了林下植被。只有較全面了解森林生態(tài)系統(tǒng)不同植物種葉片淋溶DOM的特征，才能深入認識降雨淋溶的DOM在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用。

米櫧 (Castanopsis carlesii)林是福建省分布較廣的、最具有中亞熱帶代表性的常綠闊葉林類型。本研究選擇福建省三明市陳大鎮(zhèn)森林經(jīng)營科技示范基地的米櫧次生林為研究對象，選取該林內(nèi)具有代表性的喬木層樹種和林下植物的新鮮葉片為研究對象，在室內(nèi)進行多次淋溶實驗，利用包括紫外-可見光譜和熒光光譜在內(nèi)的多種分析手段研究了淋溶液中DOM的數(shù)量和質(zhì)量特征，為深入揭示降雨淋溶DOM在常綠闊葉林養(yǎng)分循環(huán)中的作用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為揭示米櫧次生林地力自肥機理和選擇適宜的植物種提供一定的理論依據(jù)和實踐指導。

1 研究區(qū)概況

本實驗樣地設(shè)在福建省三明市陳大鎮(zhèn)森林經(jīng)營科技示范基地 (26°19'N，117°36'E)，東南面和西北面分別與戴云山脈和武夷山脈相連;平均海拔330 m，坡度25°～45°，林分密度為3 788株·hm-2，平均胸徑12．2 cm，平均樹高10．8 m，細根生物量0．93 kg·m-3，土壤有機碳儲量58．38 t·hm-2，土壤容重1．32 g·cm-3，全氮1．12 g·kg-1，全磷0．45 g·kg-1，土壤 pH 4．4;樣地屬中亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫19．1℃，多年平均降水量1 749 mm(主要集中于3～8月份)，多年平均蒸發(fā)量1 585 mm，相對濕度81%。由米櫧天然林強度擇伐后，封山育林，經(jīng)過40多年次生演替形成。林內(nèi)群落層次明顯，可劃分為喬木層、草本層等。喬木層主要樹種有米櫧、木荷 (Schima superba)、山杜英 (Elae-ocarpus decipiens)等，米櫧為群落的優(yōu)勢種和建群種，木荷為次優(yōu)勢種，山杜英為伴生種。草本層植物豐富，分布連續(xù)，其中芒萁 (Dicranopteris dichotoma)占絕對優(yōu)勢。

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2012年6月進行取樣，此時葉片生長最旺盛，生理活動最強，更有利于探討植物葉片的DOM的潛在含量。在實驗樣地內(nèi)，選擇米櫧、木荷、山杜英3種喬木樹種以及草本層的芒萁作為研究對象。每種喬木在樣地內(nèi)上中下3坡位各隨機選擇3棵樹，在每棵樹的東、西、南、北4個方向采摘與收集新鮮葉片。同時在林分內(nèi)選擇上中下坡各選擇3處采集林下植被芒萁鮮葉，帶回室內(nèi)，并立即在40℃下殺青，于80℃下烘干，將烘干鮮葉粉碎［15］，過1 mm篩［10，16］，貯存在干燥箱中待測定。

2.2 DOM的提取

DOM采用水浸提法［14，17］。分別準確稱取1 g干重的樣品，置于50 mL離心管中，加45 mL常溫(20℃)超純水混合，充分搖勻，靜置24 h后，在250次·min-1的速度下振蕩30 min，然后離心分離30 min(4 000 r·min-1)，傾出所有溶液，過0．45 μm濾膜 (壓力為-0．09 Mpa)，濾液中的有機物即為DOM;離心管中樣品靜置24 h后，再次加入45 mL超純水，重復第1次淋溶步驟得到第2次的淋溶液;以此類推直至完成10次淋溶。每個樣品3次重復，將待測濾液置于生化培養(yǎng)箱中 (4℃)保存以備分析。

2.3 樣品含量和pH測定

采用島津TOC-Vcph有機碳分析儀測定樣品可溶性有機碳 (DOC)含量;采用連續(xù)流動分析儀(Skalar San++)測定總氮 (TN)和無機氮 (IN)，二者之差即為可溶性有機氮 (DON)的含量［18］;利用CHN868型pH計 (Ther moOrion)測定pH值。以上指標的測定在獲取DOM的當日進行。

2.4 光譜分析

采用UV-2450(島津)紫外可見光譜儀測定紫外-可見 (UV)吸光值，使用254 nm波長來檢測植物葉片DOM的芳香化程度［19?。芳香性指標 (Aromaticity Index，AI)用DOC標準化來計算，計算方法為:紫外吸光值除以DOC濃度乘以100，即 (UV254/DOC) ×100［19-20］。

熒光光譜分析用F4600儀器測定 (激發(fā)和發(fā)射光柵的狹縫寬度都為10 nm，掃描速度為1 200 nm·min-1，激發(fā)波長254 nm，發(fā)射波長范圍為300～480 nm)，主要確定熒光效率指數(shù) (Feff)等。熒光效率指數(shù)是發(fā)射波長的最大熒光強度 (Fmax)和254 nm處的吸收值 (Abs)的比例 (Fmax·Abs-1)［19，21］。為了提高靈敏度，去除碳酸鹽［22］，光譜測定前所有待測溶液的pH值都用2 mol鹽酸調(diào)成2［21，23］。

2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)的處理由Excel 2003和SPSS 17．0完成．不同植物種、不同淋溶次數(shù)間的差異性比較采用雙因素方差法分析;用LSD檢驗不同植物種或不同淋溶次數(shù)間差異性，顯著性水平均設(shè)置為α=0．05。

3 結(jié)果與分析

3.1 淋溶液中的DOC和DON含量變化

樣品淋溶液的DOC和DON含量在首次淋溶出現(xiàn)最大值，第2次淋溶開始急劇下降，總體隨著淋溶次數(shù)增加而降低 (圖1)，樣品的DOC和DON含量主要是前3次淋溶間差異性極顯著 (P＜0．01)，前3次DOC和DON淋溶量總和分別占10次淋溶總量的87．40% ～94．77%和68．46% ～72．49%，后7次淋溶間無顯著差異;這表明前3次淋溶對DOM的含量影響最大。4種植物的DOC含量均顯著大于DON，喬木樹種的DOC和DON總量明顯高于林下植被 (圖1)。

其中，首次淋溶DOC含量占10次淋溶總量的比例分別為:山杜英 (73．8%)＞米櫧 (69．1%)＞木荷 (68．4%)＞芒萁 (60．4%)，山杜英、木荷和米櫧3種喬木第1次淋溶后DOC含量分別是芒萁首次淋溶的5．2、3．8和2．7倍;4種植物第10次淋溶液的 DOC含量接近 (在0．36到0．79 g·kg-1之間)。4種植物10次淋溶后DOC總量占葉片總量的比例分別為:山杜英 (16．15%) ＞木荷 (12．78%)＞米櫧 (8．92%) ＞芒萁 (3．8%)，顯然喬木樹種DOC流失量高于林下植被。

各淋溶液DON含量明顯低于DOC含量，首次淋溶DON含量為第10次淋溶的14．9～22．1倍;但是首次淋溶液的DON量占總淋溶量的比例只有44．5%。4種植物淋溶過程中DON總體含量大小及DON總量占葉片總質(zhì)量的比例大小和DOC一致，分別為:山杜英＞米櫧＞木荷＞芒萁。

圖1 DOM淋溶過程中DOC和DON含量變化Figure1 Changes of DOC and DON concentrationsin leachates with increasing extraction times

3.2 淋溶液的pH值變化

4種植物葉片淋溶液pH值隨著淋溶次數(shù)增加有輕微的升高 (圖2)，表明經(jīng)10次淋溶過程DOM酸性物質(zhì)逐漸減少，且4種植物最后2次淋溶液的pH值趨于穩(wěn)定，均為6．3左右。其中，山杜英淋溶液上升趨勢最顯著，由首次淋溶的3．97±0．02上升到 6．19 ±0．11(表 1)，且 10 次淋溶間差異性顯著 (P＜0．05);其余3種植物在前3次 (木荷和芒萁)或前4次淋溶 (米櫧)間pH值變化最大，差異性極顯著 (P＜0．01)，其后差異性不明顯。表明4種植物pH值在不同的淋溶階段呈現(xiàn)不同的酸堿度。

圖2 淋溶過程中pH值的變化Figure2 Changes of pH value in leachates with increasing extraction times

3.3 淋溶液的質(zhì)量特征

3.3.1 紫外可見光譜特征

紫外可見光譜是對DOM進行半定量的檢測，其方法簡單且對樣品無消耗和破壞，所以在DOM的研究中得到比較廣泛的應(yīng)用。紫外吸收值特別是單位濃度DOC在254 nm的吸收值 (AI)主要DOM的代表芳香族化合物，這類化合物是較難分解的物質(zhì)，而該波長吸光值的增加意味著腐殖質(zhì)逐漸增強［24］。通過對4種植物葉片多次淋溶后的AI值變化圖 (圖3a)可以看出:隨著淋溶次數(shù)的增加，芳香性指數(shù)呈現(xiàn)有波動的上升，總體波動范圍在0．23～3．01之間，表明單位濃度DOC在254 nm處的吸收 (AI)逐步加強，4種植物的DOM隨著淋溶的增加，易分解物質(zhì)逐步減少而富含芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)物質(zhì)比例逐步上升。米櫧和山杜英在前4次淋溶過程中上升較明顯，第5次淋溶稍有下降，后面淋溶次數(shù)呈現(xiàn)緩慢的上升 (圖3a)。表明米櫧和山杜英在前4次淋溶后芳香性物質(zhì)釋放較大。4種植物總體AI值的大小為:山杜英＞木荷＞米櫧＞芒萁，和4種植物的DOC，DON含量呈現(xiàn)相同的趨勢;AI值顯示淋溶過程中，喬木樹種的紫外吸光值總體高于林下植被，即喬木樹種中含有更多的芳香性化合物。

3.3.2 熒光光譜特征

淋溶過程中，4種植物熒光強度最大值 (Fmax)逐漸上升，熒光效率指數(shù) (Feff)是熒光強度最大值 (Fmax)和激發(fā)波長在254 nm的吸光值 (Abs)的比值，所以與Fmax呈正相關(guān)，能大致反應(yīng)DOM的結(jié)構(gòu)特征．熒光效率和π電子的共軛相關(guān)［19］，熒光效率升高表明淋溶過程中DOM中芳香類物質(zhì)的含量增加，π電子共軛增強，難分解物質(zhì)占有機物的比例上升。通過計算表明4種植物在淋溶過程中熒光效率指數(shù)明顯升高，F(xiàn)eff大小順序為:山杜英＞米櫧＞木荷＞芒萁 (圖3b)，和AI值規(guī)律相似，表明喬木樹種含有更多高分子量化合物，共軛體系增加，化學結(jié)構(gòu)更復雜，相對更難分解;而林下植被含更多低分子量化合物，更易分解，結(jié)構(gòu)相對簡單，F(xiàn)eff值更低。

由方差分析得:DOM的各指標在淋溶次數(shù)間和植物種間的差異性顯著 (P＜0．05)，總體上淋溶次數(shù)間DOM指標的差異性 (P＜0．01)大于物種間 (P＜0．05)。說明淋溶后不同植物種DOM的數(shù)量和質(zhì)量各異，而淋溶次數(shù)對其變化影響更大;淋溶液各指標間也呈極顯著差異性 (P＜0．01)。喬木樹種淋溶液的DOC和DON含量總體比林下植被要高;植物種間的差異性總體上是芒萁和其他3個喬木樹種間較明顯，而其他植物種間及內(nèi)部差異性不顯著;分析結(jié)果表明，同一林分下不同植物葉片多次淋溶后的DOM各光譜特征差異較大。

圖3 DOM淋溶過程中光譜特征Figure3 Changes of spectroscopic characteristics of DOM in leachates with increasing extraction times

4 討論

4.1 多次淋溶后葉片淋溶液的DOC，DON含量和pH值

在本研究中:植物葉片淋溶液DOC和DON含量大小為:山杜英＞木荷＞米櫧＞芒萁 (圖1)，表明喬木樹種對林分內(nèi)DOM貢獻比林下植被大，尤其是山杜英樹種的DOM流失最大，對DOM的淋溶貢獻最大。此前有人［25］指出，中亞熱帶常綠闊葉林中，喬木層是生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要貢獻者，林下植被對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量貢獻微弱;王娟等［26］對子午嶺遼東櫟林不同組分碳含量研究也指出，天然遼東櫟林碳儲量的空間分布均為喬木層＞草本層。但這些喬木是否對森林DOM的貢獻也大于林下植被，相關(guān)研究較少，本研究證實了這一點。樣品的DOC和DON含量主要是前3次淋溶間差異性極顯著 (P＜0．01)，后7次淋溶間無明顯差異性;表明前3次淋溶對DOM的含量影響最大。

本研究的米櫧的DOC含量高于王英姿［27］對靈石山2年生的米櫧優(yōu)勢樹種葉片研究的碳含量結(jié)果，DON含量還低于薛立等［28］研究的米櫧鮮葉N含量，這是由于同一種植物種在不同的林地其葉片基質(zhì)質(zhì)量、林齡、氣候等綜合因素影響使DOM含量有差異［29］;這與王凱博等［30］研究的植物葉片養(yǎng)分含量受物種和氣候因素影響顯著結(jié)論一致。喬木樹種的淋溶液DOC和DON含量明顯高于前期工作研究［31］的林冠層穿透雨的數(shù)值;主要是由于樣品處理方式的差異，粉碎后DOM含量更易被淋溶出來，今后將嘗試用完整葉片淋溶來模擬室外降雨淋溶。喬木樹種淋溶液DOM含量也高于溫帶地區(qū)［32-33］的闊葉落葉林的林冠層穿透雨DOM含量，這是樣品處理方式，氣候因素和林地條件等綜合因素引起的。

米櫧次生林內(nèi)的4種植物葉片在10次淋溶階段中pH值緩慢上升 (圖2)，這和楊鈣仁等［34］研究的桉樹人工林冠層淋溶規(guī)律一致;表明隨著淋溶的不斷進行，DOM中酸性物質(zhì)逐漸減少．4種植物pH值變動范圍為3．97～6．89，淋溶后pH平均值略高于表層土壤的pH平均值4．4;這和杜春艷等［2］對韶山森林的凋落物淋濾液和冠層穿透水研究結(jié)論相似，這可能是由于亞熱帶的森林土壤對DOM中的酸性物質(zhì)吸附較多的緣故。

多次淋溶實驗表明:大部分DOC和DON流失發(fā)生在第1次淋溶過程中，并且占10次總淋溶量的較大一部分;Cleveland等［15］人曾指出，葉片分解前期其質(zhì)量的損失主要以DOM淋失為主，遲國梁等指出亞熱帶地區(qū)樹葉的淋溶階段可能主要發(fā)生在樹葉浸入水體后的24 h之內(nèi)［35］．這些結(jié)論均表明第一次淋溶對葉片的分解和質(zhì)量流失貢獻最大．DOC和DON含量總體隨淋溶次數(shù)增加而下降;這和Kiikkil等［36］對挪威云杉和白樺凋落物在室內(nèi)進行8次淋溶實驗結(jié)論一致;楊玉盛等［5］對凋落物進行室內(nèi)8次模擬淋洗實驗的研究結(jié)果也證實了這一點．總體上樣品前3次淋溶后DOC和DON量流失最大，說明部分指標并不能通過首次淋溶就能觀察其流失的總體大小和趨勢，而需要多次淋溶對比，才能發(fā)現(xiàn)其差異性。4種樣品在第10次淋溶后，其DOM含量較小且無顯著差異［5］。

4.2 葉片淋溶液中DOM的質(zhì)量特征

淋溶過程中紫外光譜數(shù)據(jù) (圖3a)顯示:同一林分內(nèi)不同植物單位含量DOC的芳香性指標 (AI)在淋溶過程中呈上升趨勢，有研究指出淋溶液中較高的AI值和復雜的分子量的比例有關(guān)［19］，Michel等［37］指出UV吸光值和芳香化程度成正相關(guān)，表明隨著淋溶次數(shù)的增加，DOM中的易分解物質(zhì)逐步減少而富含芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)物質(zhì)的比例逐步上升［24］．喬木樹種的紫外吸光值高于林下植被芒萁，說明喬木樹種淋溶液對紫外光吸收的能力比林下植被強，這可能與其中腐殖酸的芳香性化合物高于芒萁有關(guān)．4種植物的Feff隨著淋溶次數(shù)增加明顯上升，表明隨著多次淋溶的進行，DOM中取代芳香核或者取代芳香共軛系統(tǒng)的增加，亦即含有更多的高分子量化合物和更復雜的結(jié)構(gòu)，這和前人［3，19］研究的結(jié)果一致;且喬木樹種Feff值明顯高于林下植被，總體大小為:山杜英＞米櫧＞木荷＞芒萁 (圖3b)，這和AI值呈現(xiàn)相似的淋溶趨勢．AI指標和Feff均顯示，在淋溶過程中，復雜分子量的雜環(huán)化合物比例越來越大，而小分子易降解成分，如碳水化合物等的比例越來越?。?7］．

淋溶次數(shù)和植物種交互作用間淋溶液的DOM含量和光譜指標差異性顯著 (P＜0．05)，表明同一林分的不同植物葉片多次淋溶后的DOM的數(shù)量和質(zhì)量有較明顯的差異［38］，這與Kiikkil等［36］研究結(jié)果相似．植物種的DOM含量和結(jié)構(gòu)間呈極顯著差異 (P＜0．01)，Shauna等對不同樹種的DOM含量和光譜特征進行分析，發(fā)現(xiàn)不同樹種DOC和DON含量和熒光結(jié)構(gòu)存在一定的差異性［13］，葉片間產(chǎn)生這種差異的原因可能與葉片的化學組成和不同元素的移動性差異等有關(guān)［10］．

5 小結(jié)

喬木樹種的DOM含量、AI值和Feff值明顯高于林下植被，其中山杜英樹種表現(xiàn)最明顯，這是由于喬木樹種的淋溶液中含有更多的營養(yǎng)成分和更多的芳香性和腐殖化的化合物，從而使其含有更多難分解成分，而林下植被可能由于含有較多易降解成分，如碳水化合物等低分子量化合物使得DOC，DON含量和光譜指標較低．前人和本研究表明喬木樹種對DOM的貢獻大于林下植被，說明喬木樹種是森林生態(tài)系統(tǒng)DOM的主要貢獻者，也對土壤吸存有機碳有較大貢獻，而林下植被貢獻相對較小．芳香碳含量與有機碳的穩(wěn)定性呈正相關(guān)，本研究多次淋溶后喬木層DOM的含量和AI值較林下植被高，因此更有利于土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定．總體上林下植被的C∶N低于喬木樹種，表明其低分子量和易降解成分，如碳水化合物等結(jié)構(gòu)簡單的物質(zhì)較多，其淋溶液更易流向深層土壤，從而對深層土壤有機質(zhì)的影響和貢獻更大．

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