種植不同樹種對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)滲濾液組成和光譜特征的影響

王海珍, 郭劍芬*, 張 磊, 林 浩, 林靜雯,熊德成, 陳仕東, 楊玉盛

1. 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350117 2. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院、 碳中和未來技術(shù)學(xué)院, 福建 福州 350117 3. 福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 福建 三明 365000

引 言

森林土壤的可溶性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)主要由森林新近凋落物層、 土壤腐殖質(zhì)、 根系分泌物、 微生物活動(dòng)和降雨淋溶產(chǎn)生的有機(jī)分子混合體[1, 2], 作為土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter, SOM)中反應(yīng)最活躍的組分之一, 參與有機(jī)質(zhì)腐殖化, 微生物代謝, 促進(jìn)金屬離子運(yùn)輸和污染物遷移等過程, 在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中具有重要作用[3-4]。 除環(huán)境因子(溫度、 降水)、 礦質(zhì)土壤吸附等非生物因素外, 滲濾液DOM數(shù)量和性質(zhì)還受地表植被類型等生物因素調(diào)控[5-6]。 如Smolander等[7]發(fā)現(xiàn)樺木成熟林DOC含量顯著高于相近林齡的松樹成熟林。 Kiikkil?等[8]對(duì)于五種樹種土壤DOM研究, 發(fā)現(xiàn)微生物生物量氮含量較高的樺樹土壤中易降解的DOM含量明顯低于云杉土壤, 即微生物活性較高的土壤中易降解的DOM似乎更少。 但亦有研究認(rèn)為, 不同人工林樹種土壤DOC含量無顯著差異[9]。 由于植物是土壤C輸入的重要來源, 樹種的改變可能引起凋落物輸入量, 根際循環(huán)周轉(zhuǎn)及微生物作用過程, 土壤微環(huán)境及養(yǎng)分有效性等變化[10]。 且雨水作用亦驅(qū)動(dòng)土壤有機(jī)質(zhì)釋放DOM, 進(jìn)而改變土壤DOM數(shù)量和性質(zhì)[1, 11]。 在同一森林生態(tài)系統(tǒng)中, 不同樹種土壤DOC含量和質(zhì)量的差異可能是由于林木生產(chǎn)力、 土壤酸堿性、 降雨?duì)顩r等客觀環(huán)境及植物光合同化產(chǎn)物和根系分泌物的差異所導(dǎo)致[12-14]。 而目前有關(guān)不同樹種土壤DOM的研究主要集中在DOM數(shù)量和質(zhì)量方面, 對(duì)DOM分子結(jié)構(gòu)的研究仍較少。 近年來, 隨著光譜技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)DOM混合物的性質(zhì)探究成為可能, 其衍生指數(shù)常用于表征DOM化學(xué)成分和生物活性特征[15], 這亦可反映不同樹種土壤有機(jī)質(zhì)組成差異。 因此, 通過不同樹種土壤DOM數(shù)量、 光譜特征等研究有助于進(jìn)一步了解土壤有機(jī)質(zhì)特征及穩(wěn)定性[16]。

我國(guó)亞熱帶地區(qū)雨熱條件優(yōu)越, 植被組成豐富, 森林生產(chǎn)力較高, 其中米櫧和杉木分別是該區(qū)域典型的常綠闊葉和針葉樹種, 它們的凋落物、 根系生物量等差異較大[17], 可能對(duì)土壤滲濾液DOM產(chǎn)生明顯的影響。 近年來有研究發(fā)現(xiàn), 內(nèi)生菌根樹種土壤DOC含量高于外生菌根樹種[18-19], 而豆科植物土壤DOM中蛋白質(zhì)和脂類化合物含量顯著高于非豆科植物[20], 但它們的DOM結(jié)構(gòu)和光譜特征尚未開展深入研究。 本研究選取亞熱帶地區(qū)常綠闊葉樹種米櫧(Castanopsiscarlesii, CC), 造林樹種杉木(Cunninghamialanceolate, CL)和豆科樹種花櫚木(Ormosiahenryi, OP)為研究對(duì)象, 采用根箱法種植三種樹種幼苗, 通過收集0～60 cm土層土壤滲濾液DOM, 比較不同樹種幼苗滲濾液DOM性質(zhì)以及光譜特征差異, 探討樹種對(duì)土壤滲濾液DOM的影響, 可為亞熱帶不同樹種土壤養(yǎng)分流動(dòng)和生物地化循環(huán)的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站——陳大觀測(cè)點(diǎn)(25°29′—27°07′N, 116°22′—118°39′E)。 該區(qū)以低山丘陵為主, 屬中亞熱帶季風(fēng)氣候, 年平均氣溫19.5 ℃, 最高氣溫40 ℃, 最低氣溫-5.5 ℃, 年蒸發(fā)量1 585 mm, 年降雨量1 670 mm。 2021年1月在實(shí)驗(yàn)地設(shè)置1.15 m×0.5 m×0.6 m根箱, 根箱內(nèi)填充土壤為混合均勻種植多年的甘蔗土, 于根箱中間分別種植一株一年生的米櫧(Castanopsiscarlesii, CC)、 杉木(Cunninghamialanceolata, CL)、 花櫚木(Ormosiahenryi, OP)植物實(shí)木苗, 并設(shè)置不種樹根箱作為對(duì)照(no-tree, NT), 共4種處理, 每種處理5個(gè)重復(fù), 共20個(gè)根箱, 每個(gè)根箱底部均安裝兩個(gè)45 cm×40 cm×5cm集水盤, 裝置如圖1所示。 植物穩(wěn)定生長(zhǎng)半年后,于2021年8月一場(chǎng)暴雨后, 收集集水盤水樣進(jìn)行根箱滲濾液DOM研究。

圖1 根箱及集水盤裝置

1.2 樣品分析方法

1.2.1 滲濾液DOM基本性質(zhì)測(cè)定

1.2.2 滲濾液DOM光譜指標(biāo)測(cè)定

采用紫外-可見光分光光度計(jì)(UV-2600, Shimadzu, Kyoto, Japan)測(cè)定滲濾液DOM吸光度。 將DOM樣品放在10 mm的石英比色皿中, 以Milli-Q超純水做空白, 測(cè)量之前做基線矯正, 扣除儀器偏差。 SUVA254, SUVA260和SUVA280分別是在254、 260和280 nm紫外波長(zhǎng)下的吸光度值和DOC濃度的比值, 分別表征DOM芳香化程度、 疏水性和相對(duì)分子量大小[21]。

采用熒光光譜儀(F7000, Hitachi, Tokyo, Japan)測(cè)定DOM滲濾液激發(fā)-發(fā)射矩陣熒光光譜(excitation-emission matrix, EEM)。 設(shè)置測(cè)量參數(shù)如下: 激發(fā)波長(zhǎng)λex=5 nm, 發(fā)射波長(zhǎng)λem=5 nm; 響應(yīng)時(shí)間設(shè)為自動(dòng)(0.5 s); 掃描速度: 1 200 nm·min-1; 掃描波長(zhǎng)范圍為:λex=200～450 nm,λem=250～600 nm。 掃描光譜由儀器自動(dòng)校準(zhǔn), 通常在進(jìn)行光譜分析之前, 若DOC濃度>10 mg·L-1則需去除內(nèi)濾效應(yīng), 將pH酸化<2或?qū)OC濃度稀釋使其<10 mg·L-1。 由于本研究是自然環(huán)境下的水溶液, 酸化并不是有效處理DOM內(nèi)濾的方式, 且本研究滲濾液DOM濃度均小于10 mg·L-1, 故不進(jìn)行酸化或稀釋處理。 使用Matlab 2018b, 基于Peaklist工具箱, 分別計(jì)算熒光指數(shù)(fluorescence index, FluI), 新鮮度指數(shù)(freshness index, Frl), 生物源指數(shù)(biological index, BIX), 腐殖化指數(shù)(humification index, HIX)[22-25]。 結(jié)合PARAFAC模型(stedmon and bro, 2008), DOMFluor工具箱對(duì)總體EEMs數(shù)據(jù)集解析, 通過平行因子檢驗(yàn)、 殘差分析、 裂半檢驗(yàn)后去除異常值, 確定DOM可識(shí)別的熒光組分及熒光強(qiáng)度Fmax。 使用PARAFAC模型對(duì)滲濾液DOM共20個(gè)激發(fā)發(fā)射矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行解譜, 在迭代過程中, 歸一化處理得到DOM組分, 再用兩次裂半分析驗(yàn)證結(jié)果的可靠性, 最后確定DOM可識(shí)別的三個(gè)熒光組分及熒光峰強(qiáng)度。 本研究中, 紫外-可見光譜和二維熒光光譜指標(biāo)指示意義如表1所示。

表1 紫外-可見光譜和二維熒光光譜指標(biāo)意義

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用MATLAB R2018b, 基于Peaklist工具箱計(jì)算EEMs數(shù)據(jù)集FluI, Frl, BIX和HIX指數(shù); 結(jié)合PARAFAC模型, 基于DOMFluor工具箱對(duì)EEMs數(shù)據(jù)集解析, 通過平行因子檢驗(yàn)、 殘差分析、 裂半檢驗(yàn)后去除異常值, 確定DOM可識(shí)別的熒光組分及熒光強(qiáng)度Fmax。 使用Excel2020和SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)整理分析, 采用單因素方差法(one-way ANOVA)對(duì)滲濾液DOM濃度和光譜特征進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同樹種土壤滲濾液DOM理化性質(zhì)

表2 不同根箱處理土壤滲濾液DOM理化性質(zhì)

2.2 不同樹種土壤滲濾液DOM光譜指標(biāo)

由表3可知, 四種根箱處理土壤滲濾液DOM的SUVA254均小于3, 說明滲濾液DOM主要以小分子量親水性芳香化合物組成。 米櫧根箱土壤滲濾液DOM的芳香化指數(shù)(SUVA254)顯著高于其他處理根箱(p<0.05), 分別是花櫚木和杉木根箱的1.82和1.92倍, 說明米櫧土壤滲濾液DOM的芳香化程度較高。 相較于杉木土壤滲濾液DOM的疏水指數(shù)(SUVA260), 米櫧土壤滲濾液DOM的疏水程度是其1.99倍(p<0.05), 但與其他處理差異不顯著。 種植三種不同樹種及未種樹處理根箱土壤滲濾液DOM的相對(duì)分子量大小(SUVA280)無顯著差異。

表3 不同根箱處理土壤滲濾液DOM紫外、 二維熒光光譜指標(biāo)

種植米櫧、 杉木、 花櫚木根箱土壤滲濾液DOM的FluI、 Frl和BIX數(shù)值與對(duì)照土壤的差異不顯著(表3)。 未種樹根箱滲濾液DOM的HIX指數(shù)顯著低于米櫧和花櫚木(p<0.05), 但與杉木無顯著差異, 三種樹種(米櫧、 杉木、 花櫚木)土壤滲濾液DOM的腐殖化差異不顯著且均小于1, 表明滲濾液DOM的腐殖化程度低。 三種樹種和未種樹土壤滲濾液DOM的熒光指數(shù)(FluI)均大于2且生物源指數(shù)(BIX)均大于1, 表明微生物對(duì)各處理土壤滲濾液DOM的貢獻(xiàn)較大。 Frl值反映微生物產(chǎn)生的DOM在整體DOM中的比例, 可用于評(píng)估DOM的生物活性。 本研究各樹種土壤滲濾液中微生物來源的DOM所占比例較高, 為92%～97%。

通過EEMs-PARAFAC模型, DOMFluor工具箱解析滲濾液DOM熒光組分。 本研究土壤滲濾液DOM主要由C1、 C2和C3三種熒光組分組成。 表4是滲濾液DOM三種組分的熒光譜圖, 橫坐標(biāo)表示的是激發(fā)波長(zhǎng)(excitation-wavelength), 縱坐標(biāo)表示發(fā)射波長(zhǎng)(emission-wavelength)。 根據(jù)對(duì)EEMs區(qū)域的組分定義可以得出C1為Ex/Em=240(320)/400 nm的類富里酸和類腐殖酸物質(zhì), C2為Ex/Em=265(365)/450 nm的類腐殖酸物質(zhì), C3為Ex/Em=240(280)/330 nm的溶解性類微生物產(chǎn)物。 三種不同樹種和未種樹之間土壤滲濾液DOM的三種熒光組分差異并不明顯(p>0.05, 圖2)。 與花櫚木和杉木土壤滲濾液DOM相比, 米櫧土壤滲濾液DOM中C1、 C2貢獻(xiàn)率較高, C3組分貢獻(xiàn)率較低。

表4 平行因子分析鑒定的三種熒光成分

圖2 不同根箱處理土壤滲濾液EEMs-PARAFAC裂半分析(左)和熒光組分圖(右)

2.3 影響不同樹種土壤滲濾液DOM光譜指標(biāo)相關(guān)因素分析

圖3 不同處理土壤滲濾液DOM理化性質(zhì)和

2.4 樹種對(duì)土壤滲濾液DOM理化性質(zhì)的影響

樹種被認(rèn)為是影響森林生態(tài)系統(tǒng)DOM數(shù)量和性質(zhì)的重要因素之一[27]。 本研究杉木(針葉樹種)土壤滲濾液DOC含量顯著高于米櫧和花櫚木(闊葉樹種)土壤和對(duì)照土壤(p<0.05), 這與Camino-Serrano等[28]對(duì)全球針闊葉林土壤DOC濃度的meta分析結(jié)果類似。 可能原因之一是植物枝葉養(yǎng)分歸還過程中, 針葉樹種比闊葉樹種可以浸出更多的有機(jī)酸, 加速了土壤C庫的分解和DOC的釋放, 故降雨淋溶產(chǎn)生的DOC含量增多[29]。 也可能是由于杉木、 米櫧和花櫚木植物根系在土層中分布特點(diǎn)不同, 對(duì)土壤C分解和利用效率差異導(dǎo)致。 闊葉樹種的細(xì)根主要分布于土壤表層, 對(duì)養(yǎng)分的利用效率更高, 加速表層土壤SOC的分解; 而杉木作為速生樹種, 根系生長(zhǎng)迅速, 能迅速占據(jù)土壤空間, 細(xì)根在垂直深度上分布較為均勻, 能作用于更深層土壤C分解。 米櫧和花櫚木細(xì)根引起表層土壤DOC的產(chǎn)出可能優(yōu)先被微生物群落利用, 而杉木細(xì)根對(duì)土壤C分解的影響作用更深遠(yuǎn), 故造成土壤滲濾液DOC濃度有顯著差異[30]。 還可能是相較于針葉樹種杉木, 闊葉樹種細(xì)根較易腐化分解, 產(chǎn)生根源活性碳易被根系微生物吸收利用[31], 而較深土層產(chǎn)出的DOC多為難分解, 較穩(wěn)定的有機(jī)C, 故杉木樹種滲濾液中DOC的殘余量顯著高于米櫧。 亦可能是杉木根系對(duì)水分的需求相較于其他樹種更大, 因此根系的快速生長(zhǎng)加速了土壤孔隙水的蒸發(fā), 降低了土壤含水率。 植物根系還可以與特定的微生物群落結(jié)合, 從而固定或分解土壤有機(jī)碳[32-33]。 例如叢枝菌根樹種根系存在廣泛的菌絲體, 有助于增加土壤C含量[34]。 而叢枝菌根的生長(zhǎng)增加了根系分泌物, 而根系分泌物是土壤DOC的主要來源之一。 因此, 降雨會(huì)引發(fā)干燥土壤中DOC含量的快速釋放, 故杉木根箱土壤滲濾液DOC的平均濃度更高[35, 18]。

2.5 樹種對(duì)土壤滲濾液DOM光譜特征的影響

紫外-可見光譜表征DOM的芳香化程度, 疏水組分和相對(duì)分子量的大小, 體現(xiàn)樣品中包括芳香化合物在內(nèi)的具有不飽和碳鍵的化合物含量。 與高穎[36]的研究相似, 本研究不同樹種土壤滲濾液DOM的SUVA254和SUVA260均以米櫧樹種最高, 說明種植米櫧樹種早期, 根箱土壤滲濾液DOM中親水性芳香類物質(zhì)較多, 且芳香物質(zhì)中的疏水組分比例相對(duì)較高。 Ding[37]等研究發(fā)現(xiàn), 葉片性質(zhì)對(duì)于SUVA254的貢獻(xiàn)高達(dá)87%, 故米櫧根箱滲濾液SUVA254和SUVA260較高可能是和米櫧葉片的分解有關(guān)。

三維熒光光譜的腐殖化指數(shù)(HIX)可以用來表征DOM的腐殖化程度, HIX值越大表示DOM腐殖化程度越高, 結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[22]。 本研究各處理滲濾液整體腐殖化指數(shù)偏低, 可能是由于植物種植年限較短, 凋落物和根系產(chǎn)生的腐殖質(zhì)較少, 對(duì)滲濾液DOM腐殖化程度影響并不顯著。 種植米櫧和花櫚木根箱, 土壤滲濾液DOM的HIX值顯著高于未種樹處理, 表明米櫧和花櫚木增加了滲濾液DOM的腐殖化程度, 這可能是米櫧和花櫚木等闊葉樹種可以產(chǎn)生含有更多高度聚縮合芳香環(huán)的難分解物質(zhì), 進(jìn)而提高土壤滲濾液DOM腐殖化水平[38]。 本研究種植3種樹種的土壤滲濾液DOM的HIX均高于未種樹對(duì)照, 可能是由于種植幼苗的根箱土壤有植物葉片或根系歸還, 形成了更較多易分解的、 親水性低分子量化合物, 為微生物提供了更多可利用能量和養(yǎng)分的同時(shí), 增加微生物殘留物, 從而提高滲濾液DOM的腐殖化程度[39-40]。 本研究中三種熒光組分的貢獻(xiàn)率無顯著差異, 可能是由于樹苗種植時(shí)間較短, 故不同根箱樹種的DOM熒光組分未見差異。

3 結(jié) 論

(1)米櫧幼苗土壤滲濾液DOM的芳香化程度最高, 疏水組分比例含量較多。 種植米櫧和花櫚木幼苗后提高了土壤滲濾液DOM的腐殖化程度。

(2)三種樹種土壤滲濾液熒光組為類富里酸物質(zhì), 類腐殖酸物質(zhì)和溶解性微生物產(chǎn)物, 樹種對(duì)土壤滲濾液DOM熒光組分貢獻(xiàn)率及光譜特征的影響尚不顯著, 可能原因是幼苗種植年限較短。 樹種對(duì)DOM質(zhì)量和光學(xué)性質(zhì)的影響有待長(zhǎng)期觀測(cè)。