中亞熱帶森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)數(shù)量與光譜學(xué)特征的影響

劉 翥, 楊玉盛, 朱錦懋, 謝錦升, 司友濤,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

中亞熱帶森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)數(shù)量與光譜學(xué)特征的影響

劉 翥1,2, 楊玉盛1,2, 朱錦懋1,2, 謝錦升1,2, 司友濤1,2,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

天然林; 人工林; 可溶性有機(jī)碳; 可溶性有機(jī)氮; 紫外光譜; 熒光光譜; 紅外光譜

我國(guó)亞熱帶被稱為“北回歸線荒漠帶上的綠洲”，與同緯度的中亞、西亞及北非等地的荒漠、稀樹草原景觀不同，本區(qū)域四季分明、水熱同季、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高，地帶性植被為常綠闊葉林；然而長(zhǎng)期以來(lái)，隨著南方山地開發(fā)和商品林基地建設(shè)，大面積的天然常綠闊葉林被轉(zhuǎn)換成各種人工林。森林轉(zhuǎn)換初期林地土壤受到極大的干擾，后期地表凋落物的數(shù)量、化學(xué)組成，以及其分解過(guò)程均與天然林有較大不同，這必將給表層土壤(0—10 cm)有機(jī)質(zhì)庫(kù)帶來(lái)顯著影響[1-3]?？扇苄杂袡C(jī)質(zhì)(DOM) 是土壤有機(jī)質(zhì)庫(kù)中最為活躍的部分，它既體現(xiàn)了地表凋落物的性質(zhì)又能反映有機(jī)質(zhì)在土壤中的腐殖化、吸附等一系列物理化學(xué)過(guò)程，因而能最敏感的反映土壤有機(jī)質(zhì)的變化。它不僅關(guān)乎養(yǎng)分的有效性，是植物和微生物的重要養(yǎng)分來(lái)源；同時(shí)又因高度的流動(dòng)性關(guān)系到土壤的C吸存，是底層土壤有機(jī)質(zhì)最主要的來(lái)源之一，影響著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及可持續(xù)性[4-5]。

全球氣候變化背景下，土壤中DOM的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征與森林轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)的儲(chǔ)量和穩(wěn)定性的變化密切相關(guān)。DOM操作上的定義是指能通過(guò)0.45 μm濾膜的不同大小和結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子混合體，包括可溶性有機(jī)碳(DOC)及可溶性有機(jī)氮(DON)等[6]，成分的復(fù)雜性給DOM的性質(zhì)分析帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。

DOM的數(shù)量特征常用DOC、DON等組分的濃度來(lái)表示。而DOM結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的分析方法常具有一定的局限性。如親疏水性分組法得到的兩類物質(zhì)之間并沒有嚴(yán)格明確的界限，每類物質(zhì)均包含復(fù)雜的混合物。新近興起的紅外光譜法操作簡(jiǎn)便快速，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能夠反映DOM中化合物的官能團(tuán)組成及比例信息[7]；紫外可見光譜分析方法簡(jiǎn)單且對(duì)樣品無(wú)損壞，能夠?qū)OM進(jìn)行半定量的檢測(cè)[8]；熒光光譜分析是一種高效且信息豐富的分析手段[9]。因此，光譜學(xué)研究方法的引入將使我們對(duì)森林轉(zhuǎn)換后土壤DOM的變化有更加全面的了解。

福建省三明市莘口格氏栲(Castanopsiskawakamii)保護(hù)區(qū)內(nèi)的格氏栲天然林是目前保存較為完整的中國(guó)亞熱帶天然常綠闊葉林，其樹齡約為160a，面積700 hm2。20世紀(jì)60年代，部分格氏栲天然林被皆伐、煉山、整地后營(yíng)造成結(jié)構(gòu)單一的人工純林，這些人工林與現(xiàn)存格氏栲天然林毗鄰、本底條件(母巖、土壤層次、土層厚度)相似，從而為探討森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤DOM數(shù)量與光譜學(xué)特征的影響提供了良好的試驗(yàn)地條件[10]。本研究選取格氏栲天然林及其轉(zhuǎn)換而成的木荷(Schimasuperba)、錐栗(Castaneahenryi)及福建柏(Fokieniahodginsii)等3種人工林為研究對(duì)象，探討天然林轉(zhuǎn)換成不同樹種的人工林后，土壤DOM的數(shù)量和光譜學(xué)特征所發(fā)生的變化，以期為揭示森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的影響機(jī)理及我國(guó)人工林的經(jīng)營(yíng)和樹種選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省三明市莘口教學(xué)林場(chǎng)(26°11′N，117°26′E)，東南面和西北面分別與戴云山脈和武夷山脈相連；屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫19.4 ℃，年均降水量1605.9 mm，年均蒸發(fā)量1585 mm，相對(duì)濕度81%，全年無(wú)霜期為300 d；土壤為砂質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的紅壤，土層厚度超過(guò)1 m。

格氏栲天然林林齡約160a，群落結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，其中格氏栲占優(yōu)勢(shì)。灌木層主要有狗骨柴(Tricalysiadubia)和毛冬青(Ilexpubescens)等，草本層以狗脊(Woodwardiajaponica)和芒萁(Dicranopterisdichotoma)為主[11]。

3種人工林林齡接近50a，初植密度均為2500株/hm2左右，幼苗栽種10a后，進(jìn)行衛(wèi)生伐，20a后進(jìn)行間伐，期間有除草、松土等措施；錐栗林每年劈草3次，在達(dá)到成熟期后，落果幾乎全被人工采收。3種人工林林冠皆為單層。林下植被主要有毛冬青(Ilespubescens)、芒萁(Dicranopterisdichotama)、矩葉鼠刺(Iteaoblonga)及狗骨柴(Tricalysiadubia)等[12]，各林分基本特征和土壤性質(zhì)見表1。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2013年7月進(jìn)行采樣。使用網(wǎng)格法取土，在每個(gè)林分內(nèi)布設(shè)3塊30 m×30 m的樣地，將每塊樣地平均劃分成100個(gè)網(wǎng)格，從這100個(gè)網(wǎng)格中隨機(jī)抽取30個(gè)，使用土鉆按0—5 cm及5—10 cm分層取樣。樣品帶回室內(nèi)，去除石礫、碎屑以及植物根系，每塊樣地內(nèi)相同層次土樣混合均勻，取一部分用于測(cè)定含水率，其余過(guò)2 mm土壤篩，用于提取DOM。取部分過(guò)篩的土壤風(fēng)干并研磨過(guò)0.149 mm篩用于測(cè)定土壤有機(jī)碳及全氮。

表1 各林分特征和土壤性質(zhì)

2.2 土壤性質(zhì)的測(cè)定

土壤有機(jī)碳及全氮使用Elementar Vario MAX碳氮分析儀測(cè)定，pH值使用CHN868型pH計(jì)(Thermo Orion)測(cè)定，土壤密度采用環(huán)刀法測(cè)定。

2.3 DOM的提取

樣品DOM采用水浸提法[13]，取15 g鮮土于離心管中，加入去離子水(水土比2∶1，體積質(zhì)量比)，震蕩30 min后離心10 min(4000 r/min)，用0.45 μm濾膜過(guò)濾，濾液中有機(jī)物即為DOM。

2.4 DOC、DON濃度的測(cè)定

采用島津TOC-VcPh有機(jī)碳分析儀測(cè)定樣品DOC濃度，使用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Skalar San++，Netherlands)測(cè)定DON濃度。

2.5 光譜分析

使用UV-2450(島津)紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定紫外可見吸光值，通過(guò)檢測(cè)待測(cè)液在波長(zhǎng)254 nm處的吸收值(Special Ultraviolet-Visible Absorption，SUVA)來(lái)分析其芳香化程度。SUVA也稱為芳香性指數(shù)(Aromaticity Index，AI)，計(jì)算方法為：(UV254/DOC) ×100[14-15]。

熒光光譜使用日立F7000儀器進(jìn)行測(cè)定，激發(fā)和發(fā)射光柵狹縫寬度都為10 nm，掃描速度1200 nm/min，激發(fā)波長(zhǎng)254 nm，熒光發(fā)射光譜波長(zhǎng)范圍300—480 nm，熒光同步光譜波長(zhǎng)范圍250—500 nm。熒光發(fā)射光譜中(∑435—480 nm)區(qū)域與(∑300—345 nm)區(qū)域的峰面積比值被稱為熒光發(fā)射光譜腐殖化指數(shù)(HIXem)，熒光同步光譜波長(zhǎng)460 nm與345 nm處熒光強(qiáng)度的比值為熒光同步光譜腐殖化指數(shù)(HIXsyn)[9, 16]；熒光效率(Feff)計(jì)算方法為樣品熒光發(fā)射光譜的最大熒光強(qiáng)度(Fmax)除以其SUVA值[17]。為提高靈敏度，熒光光譜測(cè)定前使用2 M鹽酸將所有待測(cè)液的pH值調(diào)成2[14]。

將1 mg冷凍干燥的樣品與400 mg干燥的KBr(光譜純)磨細(xì)混勻，在10 t/cm2壓強(qiáng)下壓成薄片并維持1 min，用FTIR 光譜儀(Nicolet Magna FTIR 550)測(cè)定并記錄其紅外光譜，波譜掃描范圍為4000—400 cm-1。

2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析在SPSS 17.0中進(jìn)行，采用方差分析和LSD比較不同林分、不同土層土壤DOM數(shù)量和性質(zhì)的差異性，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。相關(guān)圖表制作在Excel中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 各林分土壤DOC及DON濃度

在0—5 cm土層，格氏栲天然林DOC濃度(41.68 mg/kg)分別是木荷人工林(14.16 mg/kg)、錐栗人工林(12.56 mg/kg)及福建柏人工林(29.44 mg/kg)的2.9、3.3和1.4倍，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，3種人工林中，福建柏土壤DOC濃度顯著高于其余兩種人工林(P<0.05)；5—10 cm土層中，各林分土壤DOC濃度差異較小，其中福建柏人工林濃度最高(13.69 mg/kg)。各林分0—5 cm土壤DOC濃度均高于5—10 cm土層，其中格氏栲天然林及福建柏人工林上下兩土層差異顯著(P<0.05)(圖1)。

0—5 cm土層內(nèi)，格氏栲天然林土壤DON濃度最高，為5.38 mg/kg，但僅顯著高于錐栗人工林(1.49 mg/kg)(P<0.05)；在5—10 cm土層內(nèi)，DON濃度最高的是福建柏人工林，為4.17 mg/kg，顯著高于其余林分(P<0.05)。各林分0—5 cm土壤DON濃度均高于5—10 cm土層(圖1)。

圖1 各林分土壤DOC及DON濃度Fig.1 Concentration of soil DOC and DON in different forestsNF： 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH:錐栗人工林Castanea henryi plantation; FOH 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 不同大寫字母表示同一土層內(nèi)不同林分間差異顯著，不同小寫字母表示同一林分不同土層間差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

圖2 各林分土壤DOM的光譜學(xué)特征Fig.2 Spectroscopic characteristics of soil DOM in different forestsNF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH: 錐栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 不同大寫字母表示同一土層內(nèi)不同林分間差異顯著，不同小寫字母表示同一林分不同土層間差異顯著(P<0.05);圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

3.2 各林分土壤DOM紫外光譜特征

從圖2中可以看出，天然林轉(zhuǎn)換成人工林后，土壤DOM的SUVA 值顯著降低(P<0.05)，在0—5 cm土層，降低幅度為45%—74.3%，5—10 cm土層內(nèi)則降低了54.3%—82.9%。所有林分0—5 cm土壤DOM的SUVA值均顯著高于5—10 cm土層(P<0.05)，在3種人工林中，福建柏人工林土壤DOM的SUVA 值最高。

3.3 各林分土壤DOM熒光光譜特征

圖3為各林分土壤DOM熒光發(fā)射光譜圖。兩個(gè)土層中，天然林土壤DOM波峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)均較大。3種人工林同一土層土壤DOM所得到的峰型相似，0—5 cm土壤DOM的波峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)主要集中在425—429 nm，而5—10 cm 土層則集中在波長(zhǎng)較短的354—366 nm。

圖3 不同林分土壤DOM熒光發(fā)射光譜圖Fig.3 Fluorescence emission spectra of soil DOM in different forestsNF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH:錐栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 由于同一林分中3塊樣地的土壤DOM所得譜圖類似，為簡(jiǎn)便起見，只選擇其中1個(gè)列出

圖4為各林分土壤DOM熒光同步光譜圖。從圖中可以看出，各林分土壤DOM樣品的特征峰主要有以下3個(gè)：(1) λex 285—290 nm，代表類蛋白質(zhì)基團(tuán)，如芳香氨基酸等；(2) λex 349—381 nm，代表芳香性脂肪族基團(tuán)；(3) λex 450—453 nm，代表木質(zhì)素類基團(tuán)。各林分出現(xiàn)特征峰的位置大致相同，但相對(duì)峰面積不同，天然林在波長(zhǎng)380 nm及453 nm附近的相對(duì)峰面積較大，而3種人工林在短波長(zhǎng)位置的相對(duì)吸收峰面積較大。

在兩個(gè)土層中，格氏栲天然林土壤DOM的HIXem值均顯著高于3種人工林(P<0.05)。0—5 cm土層中，天然林土壤DOM的HIXem值分別是木荷、錐栗及福建柏的1.7、1.6及1.6倍，在5—10 cm土層，前者的HIXem值為后三者的1.4倍；3種人工林土壤DOM的HIXem值差異不顯著(P>0.05)(圖2)。從圖2的熒光同步光譜腐殖化指數(shù)中可以看出，天然林土壤DOM的HIXsyn值高于3種人工林，差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，3種人工林中，福建柏人工林土壤DOM的HIXsyn值最高。隨著土層的加深，各林分土壤DOM的HIXem及HIXsyn值均下降。

圖4 不同林分土壤DOM熒光同步光譜圖Fig.4 Synchronous fluorescence spectra of soil DOM in different forestsNF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH: 錐栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 由于同一林分中3塊樣地的土壤DOM所得譜圖類似，為簡(jiǎn)便起見，只選擇其中1個(gè)列出

各林分土壤DOM 的Feff值變化趨勢(shì)與SUVA及HIX不同(圖2)，森林轉(zhuǎn)換后，土壤DOM 的Feff值顯著升高(P<0.05)，在0—5 cm土層，升高幅度為111%—305%，5—10 cm土層升高幅度則為115%—273%。3種人工林中，福建柏土壤DOM的Feff值低于木荷及錐栗。各林分0—5 cm土層土壤DOM的Feff值均小于5—10 cm土層。

3.4 各林分土壤DOM傅里葉紅外光譜分析

由圖5可知，格氏栲天然林0—5 cm土壤DOM中所含有的官能團(tuán)主要為：3400 cm-1附近的羥基，2927 cm-1及2856 cm-1處的亞甲基，1632 cm-1處的雙鍵，1388 cm-1處的甲基及1109、1020 cm-1處的碳水化合物；5—10 cm土壤DOM中所含有的官能團(tuán)主要為：3406 cm-1處的羥基，2978、1387 cm-1處的甲基，2926 cm-1處的亞甲基，1624和1435 cm-1處的羧酸鹽及1192、1140、1105及1041 cm-1處的碳水化合物。

天然林轉(zhuǎn)換為木荷人工林后，0—5 cm 土層中1383 cm-1處甲基的吸收比例上升，1142、1120 cm-1處碳水化合物的比例也上升，且向高波數(shù)方向移動(dòng)，這表明了酚類物質(zhì)的增加；5—10 cm土壤的紅外吸收和0—5 cm土層很相似，只是2854 cm-1處的吸收略下降，多了1196 cm-1的弱吸收；與天然林5—10 cm土層相比，木荷人工林2978 cm-1處甲基的吸收比例減小,但1385 cm-1的比例明顯增加。

圖5 不同林分土壤DOM紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of DOM in different forestsNF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH: 錐栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 由于同一林分中3塊樣地的土壤DOM所得譜圖類似，為簡(jiǎn)便起見，只選擇其中1個(gè)列出

天然林轉(zhuǎn)換為錐栗人工林后，0—5 cm土層中3545及1387 cm-1處的吸收明顯增強(qiáng)，而1626 cm-1處吸收減弱，碳水化合物的吸收峰向高波數(shù)1140 cm-1移動(dòng)且比例增加；5—10 cm和0—5 cm土壤DOM所得譜圖相似，但3545 cm-1處的吸收更明顯。

3種人工林中，福建柏土壤DOM所得譜圖與天然林最為相似，但仍存在一些區(qū)別。如0—5 cm土層中1105 cm-1處的吸收明顯增加；5—10 cm土層中，亞甲基減少，甲基增加且其彎曲振動(dòng)吸收變強(qiáng)；1200—1100 cm-1的吸收變得復(fù)雜且比例繼續(xù)增加。

4 討論

4.1 森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳及可溶性有機(jī)氮濃度的影響

本研究結(jié)果表明，格氏栲天然林轉(zhuǎn)換成木荷、錐栗及福建柏人工林后，0—5 cm土壤可溶性有機(jī)碳濃度顯著降低(P<0.05)(圖1)，這與周程愛[18]及Chen[19]等人的研究結(jié)果一致。造成森林轉(zhuǎn)換后土壤可溶性有機(jī)質(zhì)減少的原因可概括為以下幾個(gè)方面：(1)人工林造林初期營(yíng)林措施(皆伐、煉山、整地)的干擾。皆伐火燒使采伐剩余物及枯枝落葉層C庫(kù)損失殆盡；同時(shí)，部分表層土壤有機(jī)碳也在火燒的過(guò)程中因揮發(fā)而損失；而整地使土壤透氣性增加、微生物活動(dòng)加強(qiáng)，從而加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解[3, 20]。(2) 凋落物歸還量的差異。人工林在幼林時(shí)期，地上凋落物的歸還量極少，且研究表明，在人工林達(dá)到成熟后，其凋落物歸還量仍顯著低于天然林[3, 20]。(3)人工林管理方式的影響。人工林在管理過(guò)程中所采取的間伐、劈草等措施，進(jìn)一步減少了土壤有機(jī)碳庫(kù)的輸入[3, 20]。在這些因素的共同作用下，森林轉(zhuǎn)換后，土壤可溶性有機(jī)碳濃度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。各林分5—10 cm土層DOC濃度差異較小，說(shuō)明初期營(yíng)林措施對(duì)這一土層土壤的影響相對(duì)較??；同時(shí)福建柏5—10 cm土層DOC濃度略高于天然林，結(jié)合福建柏土壤有機(jī)碳濃度較高的事實(shí)(表1)，說(shuō)明福建柏人工林土壤有機(jī)碳恢復(fù)較快，其原因可能與福建柏凋落物中有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。3種人工林中，福建柏土壤可溶性有機(jī)質(zhì)濃度最高，而錐栗最低(圖1)。研究表明，福建柏人工林年凋落物量為7318.3 kg/hm2，而錐栗林僅為2414.6 kg/hm2，遠(yuǎn)低于前者[12, 21]；此外，錐栗作為一種果樹，受人為干擾較嚴(yán)重，其落果的采收進(jìn)一步降低了凋落物的歸還量，從而導(dǎo)致了土壤可溶性有機(jī)碳來(lái)源的減少，由此可見，不同樹種人工林間土壤可溶性有機(jī)質(zhì)濃度的差異主要受凋落物歸還量的影響，這與Li[22]及Wu[13]等人的研究結(jié)果一致。

可溶性有機(jī)氮在森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[23]，其數(shù)量及結(jié)構(gòu)組成受一系列生物及非生物因素的影響，如樹種、土壤有機(jī)質(zhì)的輸入及森林管理措施等[23-25]，而森林轉(zhuǎn)換也主要通過(guò)影響這些因素來(lái)改變土壤可溶性有機(jī)氮庫(kù)。本研究結(jié)果顯示，格氏栲天然林轉(zhuǎn)換成3種人工林后，土壤可溶性有機(jī)氮濃度總體呈下降趨勢(shì)(圖1)。Burton等[23]的研究也表明，澳大利亞?wèn)|南部的天然林轉(zhuǎn)換成南洋杉(Araucariacunninghamii)(53年生)后，0—10 cm土層的可溶性有機(jī)氮濃度顯著降低。而Fujii等[26]卻指出，天然林轉(zhuǎn)變成耕地后，受有機(jī)肥料添加的影響，土壤可溶性有機(jī)氮的濃度升高。這表明，土壤可溶性有機(jī)氮庫(kù)受自然條件及人類活動(dòng)的共同影響。天然林受人類干擾較少，物種豐富，地上凋落物歸還量大[2, 11]，因此，森林轉(zhuǎn)換后，土壤可溶性有機(jī)氮的濃度降低。3種人工林中，福建柏土壤可溶性有機(jī)氮濃度最高，這與其凋落物量大且N含量高有關(guān)[12]。

4.2 森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)光譜學(xué)特征的影響

天然林轉(zhuǎn)換成人工林后，土壤有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子有機(jī)質(zhì)的積累就更慢。與天然林相比，人工林凋落物數(shù)量少，養(yǎng)分含量低且分解速度慢[2]，因此，人工林凋落物在分解過(guò)程中釋放分解產(chǎn)物的速度較慢，而分解產(chǎn)物中木質(zhì)素等結(jié)構(gòu)復(fù)雜物質(zhì)的積累將增加土壤有機(jī)質(zhì)的芳香化程度。本研究結(jié)果表明，人工林土壤DOM的SUVA值顯著低于天然林(P<0.05)(圖2)，說(shuō)明天然林土壤DOM中含有更多芳香化合物，如木質(zhì)素類難分解物質(zhì)[27]；熒光發(fā)射光譜中波峰向短波方向移動(dòng)意味著人工林土壤DOM分子中共軛體系減少，分子結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，而芳環(huán)是最常見的共軛體系，因此和SUVA的結(jié)果吻合；與此對(duì)應(yīng)的是，熒光同步光譜所得到的幾個(gè)特征峰中，來(lái)自木質(zhì)素類基團(tuán)的吸收是天然林和福建柏人工林土壤DOM的最大吸收。

熒光發(fā)射光譜和熒光同步光譜給出的腐殖化指數(shù)(HIXem、HIXsyn)可以用來(lái)表征DOM的腐殖化程度[28]；本研究中，天然林轉(zhuǎn)換成人工林后，土壤DOM腐殖化指數(shù)顯著降低(P<0.05)(圖2)，說(shuō)明天然林土壤DOM中含有更多結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易分解及遷移的成分。熒光效率被認(rèn)為與熒光基團(tuán)的量子效率呈比例關(guān)系，天然林轉(zhuǎn)換成人工林后土壤DOM的熒光效率值升高(圖2)，這表明雖然人工林土壤DOM濃度相對(duì)較低，但其中的熒光物質(zhì)主要是含有π電子的物質(zhì)。紅外光譜顯示，人工林土壤DOM含有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物質(zhì)主要是小分子烷烴或碳水化合物。

天然林轉(zhuǎn)換成人工林的過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷了一個(gè)先流失后積累的過(guò)程。造林初期土壤受擾動(dòng)較大，土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此一些成分復(fù)雜、分子量大的組分發(fā)生了分解和轉(zhuǎn)化，其中0—5 cm土壤受到的干擾大于5—10 cm土壤。后期恢復(fù)過(guò)程中，凋落物中的有機(jī)質(zhì)直接歸還到0—5 cm土壤中，因此這一土層的DOM更能反映凋落物的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且差異性較大；5—10 cm土層DOM主要來(lái)自于上層土壤DOM的遷移，因此其含有更多流動(dòng)性高的小分子物質(zhì)。從天然林到人工林，0—5 cm土壤DOM熒光發(fā)射光譜中的波峰由451 nm移動(dòng)到425—429 nm，變化幅度較?。粚?duì)于5—10 cm土層，這個(gè)數(shù)值從428 nnm移動(dòng)到354—366 nnm，變化幅度較大；這與5—10 cm土壤DOM的SUVA變化幅度較大吻合。各林分0—5 cm土層DOM的芳香化及腐殖化程度均高于5—10 cm土層，這與Bu[29]等及Bi[30]等人的研究結(jié)果一致，這表明上層土壤DOM中含有更多分子量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)，這類物質(zhì)不易向下遷移，因?yàn)橥寥李愃朴谝粋€(gè)層析系統(tǒng)，流動(dòng)性高的物質(zhì)更易向下遷移[31]。紅外光譜顯示，5—10 cm土壤DOM較0—5 cm含有更多羥基、羧酸類以及碳水化合物中的烷氧基等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易遷移的物質(zhì)，這與SUVA、HIX及Feff的規(guī)律吻合。不同樹種人工林間土壤DOM光譜學(xué)特征的差異可能來(lái)源于凋落物性質(zhì)的不同[32]，福建柏土壤DOM結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜且濃度最高，在5—10 cm土層中其濃度甚至高于天然林，根據(jù)紅外光譜分析結(jié)果可以推測(cè)，其原因可能來(lái)自于福建柏凋落物DOM結(jié)構(gòu)與土壤DOM結(jié)構(gòu)的相似性，這種相似性有利于土壤DOM的積累。3種人工林同一土層土壤DOM的紅外吸收差異主要在碳水化合物區(qū)和甲基彎曲振動(dòng)區(qū)。

5 結(jié)論

天然林轉(zhuǎn)換成人工林后，土壤有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。對(duì)于大部分人工林，50a的時(shí)間不足以使土壤有機(jī)質(zhì)恢復(fù)到天然林的水平，其中腐殖化程度高的大分子物質(zhì)的積累較慢是一個(gè)主要原因。但是，如果人工林凋落物中的DOM的結(jié)構(gòu)和土壤DOM的結(jié)構(gòu)相似，土壤有機(jī)質(zhì)就有可能在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)甚至超過(guò)天然林的水平。因此，未來(lái)森林轉(zhuǎn)換應(yīng)注意轉(zhuǎn)換前后兩種林分凋落物所釋放的有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)的差異，相似程度高的樹種不僅可以為人類提供木材，還可以使土壤較快的恢復(fù)肥力。

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Effects of forest conversion on quantities and spectroscopic characteristics of soil dissolved organic matter in subtropical China

LIU Zhu1,2, YANG Yusheng1,2, ZHU Jinmao1,2, XIE Jinsheng1,2, SI Youtao1,2,*

1SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2CultivationBaseofStateKeyLaboratoryofHumidSubtropicalMountainEcology,Fuzhou350007,China

Dissolved organic matter (DOM) is a crucial component of soil organic matter and is attracting more attention. It plays an important role in global C/N cycling, and mediates many soil processes. As a small but active organic matter pool, the structural and chemical characteristics of DOM have recently been considered to be sensitive indicators of soil fertility. In many areas of southern China in the 1960′s, many natural broad-leafed forests were transformed into productive plantations, in which soil fertility recovery is now of great concern in the context of global climate change. However, little is known about how these conversions have affected the quantity and quality of soil DOM.In contrast to conventional methods, spectroscopic methods can provide a lot of useful information on the structural characteristics of DOM. Therefore, in this study we investigated the quantity and quality of soil DOM in a natural forest ofCastanopsiskawakamii(NF) and three adjacent plantations ofSchimasuperba(SCS),Castaneahenryi(CAH), andFokieniahodginsii(FOH) in Sanming Fujian province in subtropical China. We evaluated dissolved organic carbon (DOC) and dissolved organic nitrogen (DON) concentrations, special ultraviolet-visible absorption (SUVA), humication index by emission fluorescence spectrum (HIXem), humication index by synchronous fluorescence spectrum (HIXsyn), fluorescence efficiency (Feff), and Fourier transformed infrared (FTIR). In the 0—5 cm soil layer, soil DOC concentrations decreased significantly (P< 0.05) after NF was transformed into SCS, CAH, and FOH, the relative proportions were 66.1%, 69.9%, and 29.4% respectively. The concentration of soil DON also decreased; in the 5—10 cm layer, concentrations of soil DOC and DON in all plantation types except FOH were lower than those in NF. Concentrations of soil DOC and DON in the 0—5 cm layer were higher than those in the 5—10 cm in all cases. Aromaticity and humification indices (HIXem, HIXsyn) of soil DOM in NF were significantly (P< 0.05) higher than those of plantations, and they all decreased with depth. Feffof soil DOM increased after forest conversion. The fluorescence spectrum showed that the relative absorption intensities of aromatic-aliphatic and lignin-derived fluorophores in soil DOM in NF were stronger than that of plantations.s. Higher abundances of carbohydrate rendered soil DOM in plantations less complex. In comparison with plantations, soil DOM in natural forests was nutrient richer and contained more complex and highly condensed compounds. Therefore, it was better for the accumulation of organic matter because molecules with more complex structures were more likely to be absorbed onto the soil surface instead of being leached out of the ecosystem. The differences in soil DOM between natural forests and plantations might be attributed to changed litter input, forest management practices, and human activity, and FOH is the most suitable plantation type for soil fertility recovery.

natural forest; plantation; dissolved organic carbon; dissolved organic nitrogen; ultraviolet spectrum; fluorescence spectrum; fourier-transformed infrared spectrum

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(31100467); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31070548); 福建省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(2011J05105); 福建師范大學(xué)優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)基金項(xiàng)目(fjsdky2012008); 福建省公益類項(xiàng)目(K3-299)

2014-02-20; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201402200300

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yt.si@fjnu.edu.cn

劉翥, 楊玉盛, 朱錦懋, 謝錦升, 司友濤.中亞熱帶森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)數(shù)量與光譜學(xué)特征的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(19):6288-6297.

Liu Z, Yang Y S, Zhu J M, Xie J S, Si Y T.Effects of forest conversion on quantities and spectroscopic characteristics of soil dissolved organic matter in subtropical China .Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6288-6297.