土地利用變化對(duì)花崗巖紅壤底土溶解性有機(jī)質(zhì)數(shù)量和光譜特征的影響

盛 浩,宋迪思,周 萍,夏燕維,張楊珠

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,長(zhǎng)沙 4101282 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410125

土地利用變化對(duì)花崗巖紅壤底土溶解性有機(jī)質(zhì)數(shù)量和光譜特征的影響

盛 浩1,*,宋迪思1,周 萍2,夏燕維1,張楊珠1

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,長(zhǎng)沙 4101282 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410125

了解底土溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)的數(shù)量和化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)土地利用變化的響應(yīng),對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)和碳庫(kù)穩(wěn)定性具有重要意義。通過(guò)選取花崗巖紅壤丘陵區(qū)同一景觀單元的天然林地(常綠闊葉林)以及由此轉(zhuǎn)變而來(lái)的杉木人工林、板栗園和坡耕地,采用化學(xué)分析結(jié)合光譜掃描(紫外光譜、二維熒光光譜和傅里葉變換紅外光譜)技術(shù),研究底土(0.2—1 m)和表土(0—0.2 m)DOM數(shù)量和結(jié)構(gòu)對(duì)土地利用變化的響應(yīng)差異,結(jié)果表明：58%—87%的DOM貯存在底土中。天然林地土壤的DOM數(shù)量最為豐富,底土DOM的宏觀化學(xué)結(jié)構(gòu)比表土更為簡(jiǎn)單,以碳水化合物、類(lèi)蛋白為主。天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌梅绞胶?底土DOM的損失量(26%—41%)超過(guò)表土(12%—49%),冬季比夏季更為凸顯；這反映底土DOM數(shù)量對(duì)人為干擾和植被變化的高度敏感性。同時(shí),底土DOM宏觀化學(xué)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化,芳香類(lèi)、烷烴類(lèi)和烯烴類(lèi)的化學(xué)抗性物質(zhì)出現(xiàn)積累的現(xiàn)象。DOM光譜曲線形狀、特定峰值、特征值對(duì)土地利用的響應(yīng)敏感,對(duì)人為干擾后植被、土壤有機(jī)質(zhì)的變化具有生態(tài)指示意義。研究顯示,天然林地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌梅绞胶?不僅導(dǎo)致底土DOM的損失,也顯著降低土壤有機(jī)質(zhì)品質(zhì),長(zhǎng)期上削弱底土的碳庫(kù)穩(wěn)定性和碳吸存能力。

活性有機(jī)質(zhì)；官能團(tuán)；有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成；農(nóng)業(yè)管理措施；花崗巖紅壤

溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)是土壤、沉積物中活躍的有機(jī)組分,不僅供應(yīng)微生物食物網(wǎng)所需養(yǎng)分和能量,也在土體發(fā)育、污染物遷移、有害紫外線吸收和溫室氣體產(chǎn)生上起著重要作用[1]。土壤DOM主要來(lái)源于新進(jìn)入土壤的植物光合產(chǎn)物(如凋落物和根際沉積物)和腐殖質(zhì)化的有機(jī)質(zhì),它的來(lái)源、數(shù)量和組成受土地利用活動(dòng)的強(qiáng)烈影響[2- 4]。研究表明,表土DOM含量和結(jié)構(gòu)對(duì)土地利用變化的響應(yīng)高度敏感[4- 6],但有關(guān)底土DOM的貯量和化學(xué)組成對(duì)土地利用的響應(yīng)仍有待深入探索。

盡管DOM常用溶解性有機(jī)碳(DOC)來(lái)表征,但DOM的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜,除少量低分子量有機(jī)化合物可直接分離、純化和化學(xué)檢測(cè)外,大量高分子量有機(jī)化合物(如腐殖物質(zhì)、酶)結(jié)構(gòu)仍不能確定[7]。新興的光譜技術(shù)(如紫外-可見(jiàn)光譜、熒光光譜和紅外光譜)具有成本低、信息量豐富、不破壞天然有機(jī)物結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),成功應(yīng)用于診斷DOM的來(lái)源、官能團(tuán)組成和宏觀化學(xué)特性[3,8- 9]。有研究表明,DOM光譜曲線形狀、特定峰值、特征值對(duì)土地利用變化的響應(yīng)敏感,對(duì)人為干擾后植被、土壤有機(jī)質(zhì)的變化具有生態(tài)指示意義[2- 3]。與表土相比,底土DOM具有更高的溶解度[10],以分子結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的碳水化合物、脂肪類(lèi)有機(jī)物為主[11- 12],而植被類(lèi)型[13]、人工收獲[14]、施有機(jī)肥[15]和強(qiáng)烈耕作[16]顯著影響底土DOM的宏觀化學(xué)結(jié)構(gòu)和特定官能團(tuán)的數(shù)量。多種光譜技術(shù)的引入有助于全面了解土地利用變化后土壤剖面DOM組成結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。

近30年來(lái),南方紅壤丘陵區(qū)土地利用集約度日益提高,農(nóng)林用地互轉(zhuǎn)強(qiáng)烈[17]。常綠闊葉林作為本區(qū)的地帶性植被,是生物多樣性最高的生物群區(qū)之一；然而,原生的地帶性植被日益萎縮,經(jīng)濟(jì)效益更為突出的人工植被迅速拓增。這種大面積、快速的原生植被損失和土地轉(zhuǎn)換已導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失、土壤剖面有機(jī)質(zhì)降低和土壤生產(chǎn)力低下等一系列土壤質(zhì)量問(wèn)題[18- 21],而相關(guān)的土壤有機(jī)質(zhì)性狀變化和機(jī)理仍有待深入研究。因此,本研究選取中亞熱帶丘陵區(qū)同一景觀單元下的天然林以及由此轉(zhuǎn)變而來(lái)的杉木人工林、板栗園和坡耕地,研究土地利用變化對(duì)1 m深土壤剖面上DOM數(shù)量和光譜特征的影響,試圖揭示土地利用變化后底土(0.2—1 m)DOM數(shù)量和化學(xué)組成的變化趨勢(shì),為區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和土地利用方式的科學(xué)調(diào)整提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)于湘贛邊界的大圍山國(guó)家森林公園(114°2′—114°12′ E、28°21′—28°26′ N),地處瀏陽(yáng)河支流大溪河流域南側(cè),為典型低丘陵地貌,海拔150—200 m；氣候?qū)僦衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,原生植被為常綠闊葉林,但多轉(zhuǎn)換為松、杉人工林和果園。成土母巖為古老的花崗閃長(zhǎng)巖,形成于中元古代雪峰晚期(約8億年前)[20]。土壤為高度風(fēng)化發(fā)育的花崗巖紅壤,土層厚度>1 m,土體構(gòu)型為A—AB—B—BC—C型,植被良好的土壤還有2—3 cm厚的O層。

選取當(dāng)?shù)?種毗鄰的典型土地利用方式：樟樹(shù)天然林以及由此轉(zhuǎn)變而來(lái)的杉木人工林、板栗園和坡耕地。天然林自然演替> 300 a,喬、灌和草本層明顯,喬木優(yōu)勢(shì)種為樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)。毗鄰的杉木(Cunninghamialanceolata)人工林、板栗(Castaneamollissima)園和坡耕地由附近天然林經(jīng)砍伐、煉山后改造而成,土地利用年限約10 a。4種土地利用方式相距< 1 km,母質(zhì)、海拔和地形部位類(lèi)似。杉木人工林內(nèi)混生少量雜木,地面草本稀疏分布著芒萁(Dicranopterisdichotoma)。板栗園和坡耕地前身為雜木林,基于坡改梯技術(shù)營(yíng)建,定期耕作、施肥、除草和殺蟲(chóng),旱季定期澆水。坡耕地為間歇性撂荒的菜地,夏季以種辣椒為主。人工林、板栗園和坡耕地有明顯水土流失現(xiàn)象。試驗(yàn)地0—20 cm土壤的基本理化性狀如下：容重介于1.05—1.32 g/cm3,pH介于4.8—5.3,土壤有機(jī)碳含量12.45—19.12 g/kg,土壤全氮含量1.16—1.61 g/kg。有關(guān)試驗(yàn)地的地理位置、植被基本狀況、土壤基本理化性質(zhì)、土地利用史等詳細(xì)描述還可參考文獻(xiàn)[20,22]。

1.2 土壤采集和分析

2014年1月,在各利用方式內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3塊25 m × 25 m的樣地。夏季和冬季(6月和1月)時(shí),在樣地內(nèi)隨機(jī)選取10—15個(gè)采樣點(diǎn),采用自制鋼制土鉆(長(zhǎng)1.2 m,內(nèi)徑2.8 cm),分層采集0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm土層的混合樣品。新鮮土壤迅速帶回室內(nèi),揀去可見(jiàn)石礫、動(dòng)植物殘?bào)w和碎屑等土壤異物,過(guò)2 mm孔徑尼龍篩,混勻,置于4°C冰箱避光保存,用于DOM提取。

土壤DOM采用超純水浸提,參考Bolan等[23]的前處理操作流程,浸提后濾液中的碳采用重鉻酸鉀外加熱容量法測(cè)定[10]。本區(qū)研究表明,容量法因氧化不完全存在一定低估,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換方程,將容量法測(cè)得的DOC結(jié)果向總有機(jī)碳分析儀(TOC儀)法的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[24]。DOM紫外-可見(jiàn)光譜測(cè)定主要參考Kalbitz[2]的描述,即：將DOC濃度稀釋到10 mg/L,用紫外分光光度計(jì)(UV 1101,天美科學(xué)儀器有限公司,上海)分別測(cè)定254 nm和280 nm處的吸收值。

DOM熒光二維光譜采用熒光分光光度計(jì)(F7000,日立儀器有限公司,日本)掃描,設(shè)置激發(fā)和發(fā)射光柵狹縫寬度10 nm,掃描速度1200 nm/min,激發(fā)波長(zhǎng)258—272 nm,熒光發(fā)射波長(zhǎng)300—480 nm,熒光同步波長(zhǎng)250—500 nm。

DOM紅外吸收光譜：將超純水提取的夏季土壤DOM濾液(DOM濃度較高)經(jīng)冷凍干燥后,稱(chēng)樣1 mg與200 mg KBr混勻,置入瑪瑙研缽在紅外燈下充分研磨,在75 kPa壓力下保持5 min壓片,壓好的薄片用傅里葉變換紅外光譜儀(Spectrum 65,珀金埃爾默公司,美國(guó))掃描,掃描波數(shù)范圍4 000—450 cm-1。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算和分析

DOC密度(t/hm2)=DOC含量(g/kg)× 容重(g/cm3)× 土層厚度(cm)× 10-1× [1 - >2 mm石礫含量(%)]

DOM的芳香性指數(shù)(AI)=(UV254/DOC)×100

熒光發(fā)射光譜腐殖化指數(shù)(HIXem)：254 nm激發(fā)波長(zhǎng)下,熒光發(fā)射光譜中(∑435—480 nm)區(qū)域與(∑300—345 nm)區(qū)域的峰面積比值。

熒光效率(Feff)：樣品熒光發(fā)射光譜的最大熒光強(qiáng)度(Fmax)除以其SUVA值。

DOM紅外特征峰的歸屬主要參考He等[25]和宋迪思等[26]的描述。

基于SPSS 13.0和Origin 8.0軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。應(yīng)用單因素方差分析,對(duì)相同土層DOC密度、E254、E280、AI和HIXem進(jìn)行均值比較,差異顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果

2.1 不同土地利用方式土壤DOC含量和密度

土地利用變化強(qiáng)烈影響土壤DOC含量和密度的剖面分布特征(圖1)。隨剖面加深,天然林和板栗園土壤DOC含量和密度在20—40 cm的淀積層(AB、B層)升高,但杉木人工林DOC含量和密度明顯降低,在40—60 cm的淀積層降至最低值,直至60—100 cm的BC層才有所升高,以6月最為明顯。坡耕地1月冬閑時(shí),DOC含量和密度在土壤剖面上的變化不大,但6月作物生長(zhǎng)期間,底土DOC含量和密度升高,可能與耕種、施肥、降雨淋溶作用攜帶DOC在耕層以下土壤中淀積有關(guān)。

4種土地利用方式下,DOC主要貯存在底土(20—100 cm)中,占1 m深剖面DOC總量的58%—87%,這主要與底土層深厚(80 cm)有關(guān)。若按相同的土層深度(如20 cm)來(lái)比較,表土中仍富含DOC。底土DOC密度對(duì)土地利用變化的響應(yīng)更為敏感。天然林改為杉木人工林后,表土DOC密度并未顯著降低,但底土DOC密度顯著降低58%—77%。天然林改為板栗園后,表土和底土DOC密度分別降低12%—29%和26%—41%,改為坡耕地后表土和底土DOC密度降幅更大,分別降低71%—78%和73%—83%。

就1 m深土壤剖面而言,天然林改為其他利用方式后,DOC密度顯著降低24%—83%,以改為坡耕地的降幅最大(73%—83%),改為板栗園的降幅最小(24%—46%)(圖1)。季節(jié)顯著影響土壤DOC密度,夏季土壤DOC密度高于冬季。在不同季節(jié),土地利用變化一致性地降低了土壤DOC密度,其中冬季的降幅(46%—83%,平均65%)高于夏季(24%—73%,平均47%)。

圖1 不同土地利用方式土壤DOC含量和密度的垂直分布Fig.1 Vertical distribution of soil DOC contents and densities in different land use systems不同小寫(xiě)字母表示不同方式同一土層間差異顯著(P<0.05);圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

2.2 土壤DOM的紫外吸收光譜特征

天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌梅绞胶?表土DOM的E254值普遍降低,降幅介于18%—69%(表1)。但表土DOM的E280、AI值對(duì)土地利用變化的響應(yīng)不一,其中E280表現(xiàn)為天然林改為杉木人工林后升高33%,改為板栗園后未變化,而改為坡耕地后降低47%；AI值表現(xiàn)為天然林改為板栗園后升高127%,改為杉木人工林和坡耕地后分別降低37%和61%。相反,土地利用變化后,底土DOM的E254、E280和AI值均呈普遍升高的趨勢(shì),特別是天然林改為杉木人工林和板栗園后的升幅更大(表1)。

表1 不同土地利用方式土壤DOM的紫外和熒光光譜學(xué)特征值

E254：254nm處的熒光吸收值；E280：280nm處的熒光吸收值；AI：Aromaticity Index芳香性指數(shù)；HIXem：Humification Index,emission mode,熒光發(fā)射光譜腐殖化指數(shù)；Feff：Fluorescence efficiency,熒光效率；Fmax：Maximum Fluorescence Intensity,熒光發(fā)射光譜的最大熒光強(qiáng)度

2.3 土壤DOM的熒光光譜特征

從熒光發(fā)射光譜看,天然林土壤DOM在表征類(lèi)蛋白熒光基團(tuán)的360 nm波長(zhǎng)附近出現(xiàn)最大波峰,在表征木質(zhì)素類(lèi)基團(tuán)的440 nm附近僅出現(xiàn)微弱的峰值(圖2)。天然林改為杉木人工林后,0—40 cm土層λmax (em)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)(紅移),360 nm波長(zhǎng)附近的峰面積降低,440 nm波長(zhǎng)附近的峰面積升高；天然林改為板栗園后,類(lèi)似的變化主要發(fā)生在60—100 cm的底土；而天然林改為坡耕地后,土壤DOM的熒光發(fā)射光譜未有明顯變化(圖2)。

天然林改為杉木人工林后,表土DOM的HIXem值大幅升高107%,但改為坡耕地后降低22%。天然林改為其他土地利用方式后,在A層以下的底土層,HIXem值有升高的現(xiàn)象,特別是改為板栗園最為明顯(表1)。

從熒光同步光譜看,天然林表土DOM在254—275 nm和330—350 nm激發(fā)波長(zhǎng)處的特征峰面積最大,二者分別表征類(lèi)蛋白質(zhì)熒光基團(tuán)和芳香脂肪族熒光基團(tuán)(圖2)。天然林改為其他土地利用方式后,表土DOM的特征峰面積降低,特別是改為杉木人工林后,330—350 nm處的特征峰消失。但是,天然林改為杉木人工林后,60—100 cm底土DOM在300—350 nm處的峰面積未有降低。天然林改為板栗園后,底土DOM在254—275 nm處的峰面積升高,但330—350 nm處的吸收峰消失(60—100 cm)。

圖2 不同土地利用方式土壤DOM的熒光發(fā)射和熒光同步光譜圖Fig.2 Fluorescence emission and synchoronous spectrograms of soil DOM in different land use systems

2.4 土壤DOM的紅外吸收光譜特征

圖3 不同土地利用方式土壤DOM的紅外光譜Fig.3 FTIR spectra of DOM from top and subsoil under different land use systems

天然林改為其他利用方式后,表土DOM特征峰的吸光度降低,以改為杉木人工林的降幅最大(表2)。酚醇類(lèi)、芳香類(lèi)、烷烴類(lèi)、烯烴類(lèi)、碳水化合物和有機(jī)態(tài)硅化物分別降低19%—37%、7%—32%、13%—30%、15%—41%、19%—44%和13%—47%,平均分別降低29%、18%、22%、25%、29%和26%,以芳香類(lèi)降幅最小,碳水化合物和酚醇類(lèi)的降幅相對(duì)較大。

相反,天然林改為其他土地利用方式后,80—100 cm底土DOM中表征化學(xué)抗性物質(zhì)特征峰的吸光度大幅升高(酚醇類(lèi)除外),芳香類(lèi)、烷烴類(lèi)和烯烴類(lèi)分別升高29%—39%、15%—119%和22%—102%,平均分別升高33%、50%和51%。酚醇類(lèi)、碳水化合物和有機(jī)態(tài)硅化物則分別降低37%—62%、11%—17%和11%—20%,平均分別降低49%、13%和16%,以碳水化合物的降幅最小。

表2 不同土地利用方式下DOM紅外吸收特征峰的吸光度

3 討論

3.1 土壤剖面DOC數(shù)量對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

天然林地改為農(nóng)用地后,表土有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量在數(shù)年內(nèi)普遍表現(xiàn)為大幅降低的趨勢(shì),以DOC的降幅更大[20,27]。然而,底土DOC數(shù)量對(duì)土地利用變化的響應(yīng)則較為復(fù)雜。人們通常認(rèn)為,耕層/表土層以下底土受人為干擾少,底土DOC對(duì)土地利用變化的響應(yīng)不敏感[2,28-29]。但也有研究表明,北方的濕地改為林地、農(nóng)田后,顯著提升0.2—1 m深度底土DOC的吸存量[30]。本研究中,天然林地改為其他利用方式后,底土DOC損失量高出表土,反映底土DOC對(duì)土地利用變化的高度敏感性。這種敏感性在冬季更為凸顯(圖1)。冬季溫度低、降雨少,凋落物淋溶和微生物活性低,底土DOC輸入量減少是可能的原因之一[31]。

底土DOC大量損失的原因主要有以下3個(gè)方面：(1)天然林改為人工林、果園和坡耕地后,表土細(xì)根生物量占剖面的比例升高,底土細(xì)根生物量的降幅超出表土[20],源于細(xì)根根際沉積的底土DOC數(shù)量隨之減少[32]。(2)亞熱帶濕潤(rùn)多雨,土體淋溶作用強(qiáng)烈。地被層、表土DOC淋溶是底土DOC的重要來(lái)源。天然林經(jīng)皆伐、火燒后,清除采伐剩余物和枯枝落葉,減少表土層流向底土層的DOC通量,促進(jìn)底土層DOC的淋出[14]。土地利用變化后,有限的地上枯枝落葉、植物新鮮殘?bào)w輸入主要補(bǔ)充表土DOC損失；此外,果園和坡耕地日常管理中在地表施用一定量的有機(jī)肥,也主要補(bǔ)充表土中損失的部分DOC；(3)一些土壤的結(jié)構(gòu)破碎后,底土中有機(jī)質(zhì)的溶解度高于表土[10,28]。天然林轉(zhuǎn)換后的連續(xù)耕作(果園和坡耕地),將部分底土和表土混合、翻轉(zhuǎn),底土DOC被攜帶至表土,隨徑流而流失。

3.2 土壤DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

土地利用變化后,植被和管理方式轉(zhuǎn)變,植物和人工施肥輸入土壤的DOM數(shù)量和質(zhì)量強(qiáng)烈影響表土DOM的宏觀化學(xué)結(jié)構(gòu)。在土壤剖面上,天然林表土DOM的芳香度和腐殖質(zhì)化度最高,這與許多研究結(jié)果一致[11- 12,16]。但3種光譜的綜合分析表明,天然林改為杉木人工林后,表土DOM的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜：表征苯及其化合物的紫外吸收值(E280)升高,腐殖質(zhì)化度(HIXem)提高,熒光發(fā)射光譜中λmax(em)向長(zhǎng)波的紅外光方向移動(dòng),出現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象(表2),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的類(lèi)蛋白熒光基團(tuán)、碳水化合物和有機(jī)態(tài)硅化物的吸光度大幅降低(圖2、表3),芳香脂肪族熒光基團(tuán)吸收值降低,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的酚類(lèi)、木質(zhì)素基團(tuán)吸收值則大幅升高(圖2,圖3)。這主要是杉木凋落物和根的木質(zhì)素含量高、養(yǎng)分含量低,分解緩慢(高C/N),分解過(guò)程中積累大量難分解的木質(zhì)素、蠟質(zhì)、單寧和酮、醛類(lèi)所致[18,33-34]。據(jù)報(bào)道,從杉木凋落物中淋洗出的DOM的腐殖質(zhì)化程度和分子聚合度均高于毗鄰的天然林[35]。

相反,天然林改為板栗園后,表土DOM的宏觀化學(xué)結(jié)構(gòu)變化不大。板栗凋落物和細(xì)根的難分解成分少、養(yǎng)分含量高,易分解[28],分解過(guò)程可釋放大量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的活性物質(zhì)(如類(lèi)蛋白物質(zhì)、碳水化合物)進(jìn)入表土,從而補(bǔ)充甚至替代因土地利用變化損失的活性DOM組分[36]。研究顯示,錐栗林0—10 cm的表土DOM中含有更多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易垂直向下遷移的活性物質(zhì)[37]。天然林改為坡耕地后,表土DOM的化學(xué)結(jié)構(gòu)呈簡(jiǎn)單化的趨勢(shì)：紫外和熒光特征值降低,λmax(em)向短波的紫外光方向移動(dòng),出現(xiàn)“紫移”現(xiàn)象(表2),碳水化合物吸收峰較高(表3)。坡耕地在蔬菜生產(chǎn)中,人工施有機(jī)肥為表土輸入新鮮DOM,而撂荒年份地面草本生長(zhǎng)茂密,也為表土帶入大量新鮮DOM。

底土DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)土地利用變化的響應(yīng)高度敏感。土地利用變化后,底土E254、E280和AI值升幅高出表土,化學(xué)抗性物質(zhì)(芳香類(lèi)、烷烴類(lèi)和烯烴類(lèi))的紅外吸光度升高,底土DOM宏觀化學(xué)結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜。特別是天然林改為板栗園后,底土(60—100 cm)DOM中以木質(zhì)素基團(tuán)為主(圖2),類(lèi)蛋白基團(tuán)、芳香脂肪族基團(tuán)和碳水化合物均明顯減少(表3)。土地利用變化后,底土DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)狀況受輸入和損失過(guò)程共同控制。天然林轉(zhuǎn)換后,凋落物、細(xì)根[18]和表土DOM的數(shù)量減少(圖1),底土中DOM組成以微生物周轉(zhuǎn)和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物為主[1],結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。此外,天然林改為杉木人工林、板栗園后,深根分泌和周轉(zhuǎn)向底土輸入的DOM比地上凋落物常含有更高的木質(zhì)素、酚類(lèi)等難分解物質(zhì)[38]。目前,底土DOM來(lái)源的相對(duì)貢獻(xiàn)、通量和吸存機(jī)理仍有待充分研究。另一方面,土地利用變化后,年均土溫可升高8℃,促進(jìn)分解加速[20],底土DOM中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易分解的成分迅速被微生物代謝或轉(zhuǎn)化[39]。然而,天然林改為杉木人工林是個(gè)特例,底土(40—100 cm)DOM中以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的類(lèi)蛋白熒光基團(tuán)為主,碳水化合物的紅外吸光度也超出表土(表3)。這可能與杉木林表土DOM中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的木質(zhì)素基團(tuán)不易移動(dòng),而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的類(lèi)蛋白基團(tuán)、碳水化合物容易選擇性向下遷移至底土積累有關(guān)[11]。

4 結(jié)論

所選天然常綠闊葉林、杉木人工林、果園和坡耕地是紅壤丘陵區(qū)典型的土地利用方式。天然林地土壤的DOM數(shù)量最為豐富,主要蓄積于底土,DOM分子以結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的碳水化合物、類(lèi)蛋白有機(jī)物為主。在天然林的底土有機(jī)質(zhì)中,以DOM形式貯存了較高比例的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的活性有機(jī)質(zhì)。深厚的底土層是保育和穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)的重要場(chǎng)所。土地利用變化后,1 m深土壤剖面上的DOM顯著損失,底土DOM損失量超出表土,反映底土DOM數(shù)量對(duì)人為干擾和植被變化的高度敏感性。

紫外、熒光光譜特征值指示天然林轉(zhuǎn)換后,土壤DOM的宏觀化學(xué)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。熒光、紅外光譜的特征峰指示天然林轉(zhuǎn)換后,DOM熒光基團(tuán)、官能團(tuán)相對(duì)比例的變化。天然林轉(zhuǎn)換后,土壤DOM中,化學(xué)抗性較低的碳水化合物、酚醇類(lèi)物質(zhì)的損失更大,以轉(zhuǎn)為杉木人工林特別明顯,反映土地利用變化后土壤有機(jī)質(zhì)品質(zhì)下降。觀察到80—100 cm底土DOM中,化學(xué)抗性物質(zhì)(芳香類(lèi)、烷烴類(lèi)和烯烴類(lèi))出現(xiàn)積累的現(xiàn)象,以天然林轉(zhuǎn)為坡耕地最為明顯。由此可見(jiàn),DOM光譜曲線形狀、特定峰值、特征值對(duì)土地利用的響應(yīng)敏感,對(duì)人為干擾后植被、土壤有機(jī)質(zhì)的變化具有生態(tài)指示意義。本研究表明,土地利用變化不僅導(dǎo)致底土DOM的損失,也顯著降低土壤有機(jī)質(zhì)品質(zhì),長(zhǎng)期上削弱底土碳庫(kù)的穩(wěn)定性和碳匯能力。

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Effects of land-use change on dissolved organic matter in subsoil derived from granite: quantity and spectrum characteristics

SHENG Hao1,*, SONG Disi1, ZHOU Ping2, XIA Yanwei1, ZHANG Yangzhu1

1CollegeofResources&Environment,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China2KeyLaboratoryofAgro-EcologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China

Understanding the quantity and chemical structure of dissolved organic matter (DOM) in subsoil and their response to land-use change is essential for evaluating the regional soil organic matter dynamics and soil carbon stability. In the present study, four adjacent land-use systems, including natural forest (control treatment), Chinese fir plantation, Chinese chestnut orchard, and sloping tillage were selected from a subtropical hilly landscape unit. The soil type was red soil derived from granite. Chemical analysis combined with spectrum scanning technology, including ultraviolet spectrum, two-dimensional fluorescence spectra, and near infrared spectroscopy, were used to analyze the quantity and chemical structure of DOM in the topsoil (0—0.2 m) and subsoil (0.2—1 m) in different land use areas. The results showed that DOM was mainly stored in the subsoil, accounting for 58—87% of all DOM in the soil profile. Among the four land-use systems, natural forest contained the most DOM and showed simpler chemical structures of DOM in the subsoil (mainly carbohydrate and proteoid) than in the topsoil. After the natural forest was changed to other land uses, the subsoil suffered more losses in DOM (26%—41%) than the topsoil (12%—49%), which was more obvious in winter than in summer. This indicates that the quantity of DOM in the subsoil was highly sensitive to human disturbance and vegetation changes. In addition, the chemical structure of DOM in the subsoil was generally more complex, and chemical recalcitrant components (aromatics, alkanes, and alkenes) accumulated at 80—100 cm depth following land use change. The spectrum curve, specific absorption peak, and characteristic value of soil DOM were sensitive to land use change and can be used as ecological indicators of vegetation and soil organic matter change after strong human disturbances. This study suggests that the change from natural forest to other land uses not only reduced the quantity of subsoil DOM, but also decreased the quality of soil organic matter, which may weaken carbon stability and the carbon sequestration capacity of subsoil in the long term.

labile organic matter; functional group; structure and component of soil organic matter; agricultural management; red soil derived from granite

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571234); 湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13JJ4066)

2016- 04- 06; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604060633

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shenghao82@hunau.edu.cn

盛浩,宋迪思,周萍,夏燕維,張楊珠.土地利用變化對(duì)花崗巖紅壤底土溶解性有機(jī)質(zhì)數(shù)量和光譜特征的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(14):4676- 4685.

Sheng H, Song D S, Zhou P, Xia Y W, Zhang Y Z.Effects of land-use change on dissolved organic matter in subsoil derived from granite: quantity and spectrum characteristics.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4676- 4685.