黃土丘陵區(qū)不同植被下土壤可溶性有機物的熒光特征研究

王玉濤, 石 輝*, 劉雄飛, 昝 利, 武云飛, 鄭紀勇

(1西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，西安 710055; 2中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊陵 712100)

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黃土丘陵區(qū)不同植被下土壤可溶性有機物的熒光特征研究

王玉濤1, 石 輝1*, 劉雄飛1, 昝 利1, 武云飛1, 鄭紀勇2*

(1西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，西安 710055; 2中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊陵 712100)

【目的】土壤水溶性有機質的組成和結構是土壤質量的重要判別指標，具有重要的生態(tài)意義。研究黃土丘陵地區(qū)不同植被下土壤水溶性有機物的數(shù)量和熒光結構特征，可以為該地的植被修復及土壤質量評價提供科學依據(jù)?！痉椒ā坷脗鹘y(tǒng)熒光和三維熒光技術，選取激發(fā)發(fā)射熒光光譜、 同步熒光光譜得到的腐殖化指標對土壤水溶性有機物的來源和結構進行評估，通過三維熒光技術探究不同植被下土壤水溶性有機物之間組分的差異?！窘Y果】遼東櫟(Quercus liaotungensis)和油松林(Pinus tabulaeformia)地具有較高的水溶性有機物含量，含量均為0.16mg/g; 而荒坡地和農(nóng)地的水溶性有機物較低,分別為0.04和0.05mg/g，灌木荊條(Vitex negundo var. heterophylla )和狼牙刺(Sophora viciifolia)林地的含量介于兩者之間。發(fā)射激發(fā)熒光光譜、 同步熒光光譜以及三維熒光光譜表明土壤水溶性有機物大多來源于植物和微生物的混合作用; 油松林地的水溶性有機物結構較簡單、 腐殖化程度較低; 而灌木林地的水溶性有機物結構較為復雜、 腐殖化程度較高。從不同植被下土壤水溶性有機物的組成來看，蛋白類的物質差異不明顯; 油松和遼東櫟林地土壤水溶性有機物的類酪氨酸蛋白質、 類色氨酸蛋白質、 類溶解性微生物代謝產(chǎn)物含量較高，灌木林地較低。最主要的差異是富里酸類和胡敏酸類物質，油松林地的水溶性小分子量的富里酸類物質占主導地位，而灌木林地的水溶性有機物芳香化程度較高，農(nóng)地和拋荒地類富里酸物質和類胡敏酸類物質含量的比值最低，其水溶性腐殖質的縮聚度高。油松、 遼東櫟林地水溶性有機物由于植物殘體分解形成的富里酸較易被氧化,同時陰坡林地較高的含水量使得這些產(chǎn)物較難縮合; 而灌木林地和農(nóng)田及荒地較為干旱，枯枝落葉少，腐殖酸有充分時間進行縮合，導致了水溶性有機物的高芳香化和腐殖化?！窘Y論】不同植被下的土壤水溶性有機物的組成和結構是存在差異的，同時說明熒光技術可用于揭示水溶性有機物的組成和縮合特性研究。

植被; 土壤水溶性有機質; 熒光特性

一般認為，土壤水溶性有機物主要來源于落葉和根系分泌物、 土壤有機物的水解以及土壤微生物的代謝產(chǎn)物，因此土壤水溶性有機物的含量、 組成和結構反映了成土過程中地表植被的影響[7]，以及施肥管理的效應[8-9]。水溶性有機物一般由碳水化合物、 長鏈脂肪族化合物和蛋白質組成[10]; 但不同植被類型下，凋落物化學組成不同會導致土壤水溶性有機物存在明顯的差異[11]。由于土壤水溶性有機物中包含幾種不同的熒光基團，因此可以利用熒光特性了解其結構、 官能團、 構型、 非均質性、 分子內與分子間的動力學特征等有關的信息[12-14]。三維熒光技術能夠獲得激發(fā)波長與發(fā)射波長或其他變量同時變化時的熒光強度信息，可對多組分復雜體系中熒光光譜(激發(fā)/發(fā)射)重疊的對象進行光譜識別和表征，獲得的各種熒光指數(shù)能有效區(qū)分溶解性有機物中熒光性質不同的組分及表征其結構[15]，且測定方法具有靈敏度高、 需要的樣品量少、 樣品無需破壞等優(yōu)點，在天然溶解有機物研究方面被廣泛應用。然而，目前熒光技術的應用主要局限于水體中DOM組成特征的識別研究，有關土壤中的可溶性有機碳的熒光特征涉及較少[16]。利用DOM的熒光特性可進一步分析環(huán)境因素、 管理因素等對土壤可溶性有機質的結構和組成的影響，合理評價不同植被群落下的土壤DOM庫特征，為進一步認識土壤DOM轉化的生物地球化學動力過程和土壤質量的演變提供依據(jù)。同時土壤DOM熒光特征與天然水體中的比較，可以表明天然水體有機物的來源，為水質的凈化提供基礎。

在黃土丘陵地區(qū)，植被恢復是一項重要的水土保持生物措施，因此植被的水土保持功能和生態(tài)效應成為研究的重點。在天然和人工植被對土壤理化性質影響[17]， 不同植被恢復措施對土壤養(yǎng)分和微生物量碳、 氮、 磷的效應[18], 特別是植物群落對土壤有機物的累積以及在團聚體中的分配[19-21]等方面進行了大量的研究，為評價黃土丘陵區(qū)小流域土地利用和植被恢復對土壤質量的影響提供了依據(jù)[22]。但有關黃土丘陵區(qū)土壤中水溶性有機物的組成和結構的研究較少。土壤水溶性有機物的組成和結構對土壤有機物含量、 微生物碳數(shù)量和營養(yǎng)物質的生物可利用性有重要的影響，而這些參數(shù)又是土壤質量的判別指標之一，具有重要的生態(tài)意義。因此本研究利用三維熒光分析技術研究了黃土丘陵區(qū)不同植被下土壤水溶性有機物的結構特征，以期為進一步認識植被恢復對土壤質量的影響提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1樣品采集

在每種植被樣地采取10個相距100m樣點的表層土壤(0—20cm)，將樣品均勻混合，采用四分法保留1kg左右的樣品。將樣品室內自然風干，研磨后過2mm篩用于提取土壤水溶性有機物。

1.2水溶性有機物的提取及總量測定

水溶性有機物的提取按照Borisover等的方法進行[23]。將過2mm篩的60.0g土樣與120mL超純水混合均勻(水 ∶土 = 2 ∶1)，在恒溫震蕩器以25 ℃水平震蕩 60min，懸濁液以4000r/min的速度離心20min，其上清液過0.45μm濾膜，過濾的溶液在4 ℃下冷藏貯存?zhèn)溆谩＠脥u津TOC總有機物分析儀(日本島津公司生產(chǎn)，型號TOC-VWP)測定水溶性總有機物的含量。每個樣品4個重復，其中3個用于測定水溶性總有機物的含量，1個用于熒光光譜的測定。

1.3熒光光譜測定

為消除Rayleigh散射的部分影響，熒光光譜測定時所有樣品均需扣除空白溶液超純水的熒光效應。

1.4熒光區(qū)域一體化分析

Φi= ∑ex∑emI(λexλem)dλexdλem

(1)

式中,i=Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ，其中I(λexλem)是在激發(fā)波長為λex、 發(fā)射波長為λem的熒光強度，dλex和dλem分別為熒光矩陣中激發(fā)波長和發(fā)射波長的數(shù)據(jù)間隔; 體積Φi與MFi相乘得到標準化的體積Φi，n，其中MFi等于激發(fā)-發(fā)射矩陣每一區(qū)域面積百分比的倒數(shù); 五個區(qū)域標準化的體積Φi，n之和記為ΦT，n，則熒光效應百分比Pi，n為:

Pi,n=Φi,n/ΦT,n×100%

(2)

2　結果與分析

2.1水溶性有機物的含量

在測定樣品中，水溶性有機物含量較高的是子午嶺遼東櫟林地(樣品A)、 油松林地(樣品B)和宜川的油松林地(樣品H)，為0.16mg/g; 其次為灌木荊條林地(樣品G)0.13mg/g、 狼牙刺林地(樣品F)0.10mg/g和新建的人工混交的遼東櫟油松林地(樣品C)0.09mg/g; 農(nóng)業(yè)拋荒之后的荒坡地(樣品D)和農(nóng)地(樣品E)的水溶性有機物分別為0.04mg/g和0.05mg/g。通過ANOVA分析，喬木林和灌木林的土地利用與農(nóng)(荒)地利用之間的水溶性有機物含量之間有顯著差異(P=0.010)。

2.2熒光光譜特征

2.2.1 發(fā)射、 激發(fā)熒光光譜特征根據(jù)發(fā)射光譜得到熒光指數(shù)f450/500，子午嶺遼東櫟林地(樣品A)為1.62，油松林地(樣品B)和宜川的油松林地(樣品H)分別為1.53和1.52，人工混交的遼東櫟油松林地(樣品C)為1.50; 灌木荊條林地(樣品G)為1.28、 狼牙刺林地(樣品F)為1.51; 農(nóng)業(yè)拋荒之后的荒坡地(樣品D)和農(nóng)地(樣品E)分別為1.65和1.60。一般f450/500值越高，水溶性有機物的芳香性越低。灌木荊條林地土壤的f450/500遠遠小于其他植被下土壤的結果，說明了荊條林地土壤水溶性有機物的芳香性遠遠高于其它。按照McKnight等的分類[26]，f450/500值小于1.4和大于1.9，分別指示水溶解性有機物的來源是植物和微生物，中間范圍則是混合來源。故荊條林地土壤水溶性有機物主要來源于植物，而其余土壤則是植物和微生物的混合來源。

腐殖化指數(shù)HIX可表征可溶性有機物的縮合程度[29]。土壤水溶性有機物腐殖化指數(shù)最高的是拋荒農(nóng)田(樣品D)為2.89，其次是灌木林的狼牙刺(樣品F)和荊條(樣品G)林地，分別為2.62和2.52，最低的為兩個油松林地，其值為0.74(樣品B)和0.98(樣品H); 作為當?shù)仨敿墭浞N的遼東櫟林地的腐殖化指數(shù)為2.20。

圖1　不同植被下土壤水溶性有機質同步熒光光譜Fig.1　Synchronous fluorescence spectra of soil dissolved organic matter under different vegetation

表1　不同植被下土壤同步熒光峰值區(qū)域面積比較Table 1　Comparision of different peak area of synchronous fluorescence spectra ofsoil dissolved matter in different vegetation land

注(Note):PLR—蛋白類物質在同步熒光中所占面積比例Rationoffluorescencespectraareaofprotein-likematterandtotalareaofsynchronousfluorescencespectra;FLR—富里酸類物質在同步熒光中所占面積比例Rationoffluorescencespectraareaoffulvic-likematterandtotalareaofsynchronousfluorescencespectra;HLR—胡敏酸類物質在同步熒光中所占面積比例Rationoffluorescencespectraareaofhumic-likematterandtotalareaofsynchronousfluorescencespectra.

對于區(qū)域Ⅰ的類酪氨酸蛋白質，油松林地的較高，平均為14.4%，灌木的荊條林地最低為9.7%; 區(qū)域Ⅱ的類色氨酸蛋白質依然是油松林地最高為19.4%，荊條林地最低為11.9%; 區(qū)域Ⅲ的類富里酸，遼東櫟林地的含量最高為26.2%，油松林地的最低為19.7%; 區(qū)域Ⅳ類溶解性微生物代謝產(chǎn)物中，還是油松的最高(28.7%)，荊條林地最低(17.3%); 胡敏化最高的區(qū)域Ⅴ是荊條林地最高(38.2%)，油松最低(20.4%)。由于區(qū)域Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅳ中均含有蛋白質，累積最高的是油松林地，為62.8%, 最低的為荊條林地的38.8%(圖3)。

圖2　不同植被條件土壤可溶性有機物的激發(fā)-發(fā)射矩陣等高線圖(三維熒光圖)Fig.2　The excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy of soil dissolved organic matter under different vegetation (three-dimensional fluorescence spectroscopy)

[注(Note):A—遼東櫟 Quercus liaotungensis;B—油松 Pinus tabulaeformia;C—遼東櫟與油松混交MixedforestofQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformia;D—荒坡地 Uncultivated lands;E—農(nóng)田Farmland;F—狼牙刺Sophora viciifolia;G—荊條Vitex negundo var. heterophylla;H—油松 Pinus tabulaeformia.]

圖3　不同植被條件土壤可溶性有機質熒光區(qū)域一體化分析組分分布Fig.3　Distribution of FRI in DOM of soils under different types of vegetation

[注(Note):A—遼東櫟 Quercus liaotungensis;B—油松 Pinus tabulaeformia;C—遼東櫟與油松混交MixedforestofQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformia;D—荒坡地 Uncultivated lands;E—農(nóng)田Farmland;F—狼牙刺Sophora viciifolia;G—荊條Vitex negundo var. heterophylla;H—油松 Pinus tabulaeformia.]

3　討論

一些研究結果表明，土壤可溶性有機物的化學特性往往隨植被物種組成的不同而異[36]。地表植被的不同，導致植被地上部分的凋落物及其地下部根系的分泌物和細根周轉產(chǎn)生的碎屑不同，同時植被影響了成土的水熱條件，從而影響腐殖質的縮合。灌木林地和拋荒農(nóng)田，由于回歸的有機物質相對較少，同時處于陽坡相對干旱的環(huán)境條件，土壤水溶性有機物中的小分子物質易于分解，同時干旱有利于腐殖質的縮合，提高腐殖化指數(shù)，因此荊條林地土壤水溶性有機物的芳香性遠遠高于其他植被; 拋荒的農(nóng)田、 灌木的狼牙刺和荊條林地腐殖化指數(shù)也較高，而遼東櫟和油松林地位于陰坡，枯落的生物量和含水量較高有利于小分子的有機物質積累，因此水溶性的有機物中縮合程度較低，其土壤水溶性有機物的芳香性相對較低。

從不同植被下土壤水溶性有機物的組成來看，蛋白類的物質差異不明顯，最主要的差異是富里酸類和胡敏酸類物質，油松林地的水溶性的小分子量的富里酸類物質占主導地位，說明其有機物結構較簡單、 腐殖化程度較低; 而灌木林地的水溶性有機物結構較為復雜、 腐殖化程度較高。油松林地土壤水溶性有機物的類酪氨酸蛋白質、 類色氨酸蛋白質、 類溶解性微生物代謝產(chǎn)物的含量高于其它植被下的土壤; 遼東櫟林地這三類蛋白類物質的含量也處于較高的位置; 兩種灌木林地僅處于較低的水平。類富里酸以遼東櫟林地含量最高、 油松林地最低，類胡敏酸物質也具有同樣的規(guī)律，但其類富里酸物質和類胡敏酸類物質含量的比值為喬木的遼東櫟和油松較高，其次為灌木林地，而農(nóng)地和拋荒地最低; 說明農(nóng)地和拋荒地的水溶性腐殖質的縮聚度高。

根據(jù)腐殖酸形成的多元酚理論，即在腐殖物質形成過程中有多元酚和醌有機化合物的參與，它們可直接來自木質素，也可以是微生物的副產(chǎn)物，醌與含氮化合物反應聚合形成大分子的類腐殖物質，首先形成的是富里酸，進一步聚合形成胡敏酸和胡敏素。進入土壤的油松、 遼東櫟的植物殘體，形成的富里酸較易被氧化，較難縮合; 而農(nóng)地和灌木林地由于含水量低、 較為干旱，枯枝落葉少，腐殖酸有充分時間進行縮合，導致了水溶性有機物的高芳香化和腐殖化。這些研究結果說明，不同植被下的土壤水溶性有機物的組成和結構是存在差異的，利用三維熒光光譜分析技術對土壤水溶性有機物進行研究，可獲得水溶性有機物的進一步信息，有利于認識土壤活性有機物的遷移轉化特征。

4　結論

1)由于植被產(chǎn)生可腐殖化有機物質數(shù)量的不同和受環(huán)境條件的影響，油松、 遼東櫟林地的水溶性有機物含量高于灌木林地和農(nóng)田及拋荒地。

2)土壤水溶性有機物大多來源于植物和微生物的混合作用; 油松林地的水溶性有機物結構較簡單、 腐殖化程度較低; 而灌木林地的水溶性有機物結構較為復雜、 腐殖化程度較高。油松和遼東櫟林地土壤水溶性有機物的類酪氨酸蛋白質、 類色氨酸蛋白質、 類溶解性微生物代謝產(chǎn)物含量較高，灌木林地較低。

3)激發(fā)、 發(fā)射熒光技術、 同步熒光技術和三維熒光技術可用于土壤水溶性有機物的特性研究，其熒光特征可揭示水溶性有機物的組成和縮合特性。

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SpectrofluorometriccharacterizationofsoildissolvedorganicmatterunderdifferentvegetationinLoessHillyRegion

WANGYu-tao1,SHIHui1*,LIUXiong-fei1,ZANLi1,WUYun-fei1,ZHENGJi-yong2*

(1 School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objectives】Compositionandstructureofsoildissolvedorganicmatter(DOM)areimportantindicesofsoilquality，andplaysignificantrolesinecosystemfunctionsbyinfluencingcarbonandnitrogencycles.StudiesofsoilDOMquantitiesandfluorescentpropertiesunderdifferentvegetationcanprovidescientificevidenceforvegetationrestorationonsoilqualityassessment. 【Methods】Thetraditionalfluorescencespectraandthree-dimensionalfluorescencespectraarecombinedtostudysoilDOM.Humificationindicesfromexcitation-emissionfluorescencespectraandsynchronousfluorescencespectrawereselectedtoassesssourceandstructureofDOM,andthecompositiondifferencewasresearchedbyusing3-dimensionalfluorescencespectralcharacteristics. 【Results】TherearehighcontentsofDOMwith0.16mg/gforQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformiaforestland,comparedtofarmanduncultivatedlandswiththecontentssfrom0.04to0.05mg/g,andtheDOMcontentsofshrubforestlandsuchasVitex negundo var. heterophyllaandSophora viciifoliaareintheaboverange.Theexcitation-emission,synchronous,andthree-dimensionalfluorescencespectrashowthatsoilDOMismostlyderivedfrommixingplantsandmicroorganisms,thestructuresofDOMinPinus tabulaeformiaforestlandisrelativelysimpleduetolowhumificationdegree,incontrasttoDOMinshrublandwithhigherhumificationdegreeandmorecomplexmatterstructure.Therearenoobviousdifferencesforprotein-likemattersfordifferentvegetationandlandutilization.TheDOMinQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformiaforestlandhashighcontentsfortyrosine-likeprotein,tryptophan-likeprotein,andsomemattersassociatedwithbiologicalproduction,butthesematerialsarelowinshrubforestland.Themajordifferencesareinhumicacid-likeandfulvicacid-likematters.Thesmallmolecularweightfulvicacid-likemattersarepredominantforsoilDOMinPinus tabulaeformiaforestland,butDOMundershrubforestlandhasahigherlevelofaromatic.Theratiosoffulvicacid-likeandhumicacid-likemattersforfarmanduncultivatedlandsarethelowestamongsoilswiththatdifferentgroundvegetation,andtheDOMiswithhighdegreeofcondensation.TheDOMfromQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformiaforestlandisdifficulttocondensateasaresultoffulvicacid-likemattersfromdecompositionofplantresiduesmoreeasilyoxidization,andhigherthemoistureinshadywoodland.ThedegreesofaromaandhumificationofDOMfromshrub,cultivatedanduncultivatedlandsareratherhighwithsufficienttimeforcondensationduetoaridenvironmentandlesslittersources. 【Conclusions】Theresultsofthesestudiesillustratethatsoildissolvedorganicmatterwithdifferentvegetationhasdifferentcompositionandstructure,sofluorescencetechniquescanbeusedtostudythecharacteristicsofsoilDOMasatooltorevealcompositionandcondensationofwatersolubleorganicmatte.

vegetation;soildissolvedorganicmatter(DOM);spectrofluorometriccharacterization

2014-07-30接受日期: 2015-01-20網(wǎng)絡出版日期: 2015-05-21

中國科學院西部行動計劃項目(KZCX2-XB3-13)資助。

王玉濤(1990—)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要從事環(huán)境生態(tài)方面的研究。E-mail:wangyutao@yeah.net

E-mail:shihui06@126.com;E-mail:zhjy@ms.iswc.ac.cn

S153.6+2;S714.8

A

1008-505X(2016)01-0171-09