不同森林更新方式下亞熱帶土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及質(zhì)量

楊景清,王錚,元曉春,陳岳民,楊玉盛

不同森林更新方式下亞熱帶土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及質(zhì)量

楊景清1,2,王錚1,2,元曉春1,2,陳岳民1,2,楊玉盛1,2

（1.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,福建福州350007；2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福建福州350007）

采用負(fù)壓法,對(duì)我國(guó)中亞熱帶地區(qū)的常綠米櫧次生林（CT）、米櫧人促更新林（CF）、米櫧人工林（CP）、杉木人工林（CLP）不同深度土壤溶液中的可溶性有機(jī)質(zhì)（DOM）數(shù)量和光譜特征進(jìn)行研究.結(jié)果表明：人促更新和人工方式均可增加土壤溶液中可溶性有機(jī)碳（DOC）的質(zhì)量濃度,在表層（0—15 cm）達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）；人促更新對(duì)DOC質(zhì)量濃度增加的影響更為顯著,DOC質(zhì)量濃度濃度整體趨勢(shì)為CLP＞CF＞CP＞CT.人促更新和人工方式均可增加土壤溶液的芳香化指數(shù)（AI）；在表層（0—15 cm）,人促更新可明顯增加AI.CF和CP對(duì)腐殖化指數(shù)（HIXsyn）的影響不顯著.根據(jù)熒光發(fā)射波長(zhǎng),CF和CP在325 nm出現(xiàn)了特征峰,表明該兩種森林更新方式增加了土壤的腐殖化程度；不同處理相比,人促更新方式更有利于提高土壤的腐殖化程度,有利于土壤肥力的保存.

森林更新方式；可溶性有機(jī)質(zhì)；光譜學(xué)特征

可溶解性有機(jī)質(zhì)（dissolved organicmatter,DOM）是指可通過(guò)0.45μm濾膜,能溶解于水、酸或堿溶液,具有不同結(jié)構(gòu)及相對(duì)分子質(zhì)量的有機(jī)物混合體[1].DOM主要來(lái)源于植物凋落物、土壤腐殖質(zhì)、微生物、根系及其分泌物、降雨淋溶物等[2],是自然生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的組分,對(duì)激發(fā)土壤有機(jī)質(zhì)的分解,改變土壤中的養(yǎng)分循環(huán)、污染物的遷移與轉(zhuǎn)化和微生物活性等均有重要影響[3-6].DOM既能調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各養(yǎng)分庫(kù)之間的平衡,也能影響生態(tài)系統(tǒng)之間物質(zhì)和能量的交換[2,5].

森林更新是森林培育和調(diào)整的重要手段,其皆伐、火燒、整地等營(yíng)林措施可直接影響土壤有機(jī)質(zhì)庫(kù)[7-9].亞熱帶地區(qū)由于高溫、降雨量大、坡度陡及人為干擾等原因,土壤有機(jī)質(zhì)極易發(fā)生耗損和流失,進(jìn)而增加生態(tài)系統(tǒng)的潛在脆弱性[10].因此，探討不同森林更新方式下土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量,對(duì)于維持和提升土壤有機(jī)質(zhì)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.現(xiàn)有研究表明,營(yíng)林活動(dòng)初期,皆伐后保留采伐剩余物措施較火燒更能夠增加土壤有機(jī)碳庫(kù),不同采伐剩余物處理對(duì)森林土壤質(zhì)量存在不同程度的影響[11].采伐剩余物短期內(nèi)是林地表層養(yǎng)分的重要來(lái)源,有利于地力的維持和恢復(fù),對(duì)土壤肥力及后期林木生長(zhǎng)有重要的促進(jìn)作用[12-13].與人工林相比,米櫧人促更新林的DOM養(yǎng)分含量更高,結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,因而更有利于有機(jī)質(zhì)的積累[14].前期研究結(jié)果已表明,人促更新方式可極強(qiáng)地促進(jìn)可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon, DOC）及可溶性有機(jī)氮（dissolved organic nitrogen,DON）質(zhì)量濃度的增加,增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的有效性,加之因采伐剩余物的腐爛促進(jìn)了表層腐殖質(zhì)的形成,有助于土壤肥力的儲(chǔ)存[15].然而隨著時(shí)間的延長(zhǎng),不同森林更新方式對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)數(shù)量及光譜學(xué)特征的影響與前期相比是否有所變動(dòng),同種人工林方式下不同樹(shù)種對(duì)其是否有影響,均有待進(jìn)一步的探索.

因此,本文選取米櫧次生林、米櫧人促更新林、米櫧人工林、杉木人工林為研究對(duì)象,對(duì)不同樹(shù)種及不同森林更新方式下土壤溶液DOM的質(zhì)量濃度及光譜學(xué)特征進(jìn)行研究,旨在探索DOM的數(shù)量和結(jié)構(gòu)對(duì)不同森林更新方式的響應(yīng),為地力維持及森林的合理經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站（26°19'N,117°36'E）.海拔330m,平均坡度33°,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,日均氣溫及日降雨量見(jiàn)圖1.土壤主要為花崗巖發(fā)育的紅壤,土層厚度超過(guò)1m.主要樹(shù)種為米櫧（Castanopsis carlesii）、閩粵栲（Castanopsis fissarehd）、木姜子（Litsea subcoriace）、杜英（Elaeocarpus decipiens）等,灌木層主要由鼠剌（Itea chinensis）、山鞏（Symplocos caudata）、黃瑞木（Adinandra dichotama）等組成,草本層以黑莎草（Gahnia tristis）、芒萁（Dicranopteris dichotama）、毛冬青（Iles pubescens）、扇葉鐵線蕨（Adiantum flabellulatum）等為主[15].

圖1 研究區(qū)日均氣溫及日降雨量Fig.1 Dailymean air temperatureand daily precipitation atstudy area during thisstudy period

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地設(shè)置在試驗(yàn)區(qū)布設(shè)12塊20m×20m的樣地,分別命名為P1—P12,其中P1—P9為皆伐地,并對(duì)P3—P8樣地采伐剩余物進(jìn)行火燒處理,P10—P12為保留對(duì)照樣地（CT）.P1、P2、P9皆伐后保留采伐剩余物,作為人促更新樣地（CF）；P3、P4、P8及P5、P6、P7在火燒處理后分別種植米櫧和杉木,作為杉木人工林（CLP）與米櫧人工林樣地（CP）[16].樣地于2011年12月、2012年3月相繼完成皆伐和火燒處理,并于2012年完成人工林的種植.

1.2.2 土壤溶液采集分別在每個(gè)樣地15、30、60 cm土層處布設(shè)土壤溶液取樣器（suction lysimeter）,采樣頻率為一個(gè)月2次.采用負(fù)壓法采集土壤溶液,即用真空泵將土壤溶液取樣器抽成近真空狀態(tài),待24 h后再將水樣抽出.土壤溶液采集時(shí)間為2014年6月至2015年8月.

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

DOC質(zhì)量濃度測(cè)定：水樣從野外帶回后立即使用0.45μm濾膜抽濾,所得溶液即為DOM溶液.采用總有機(jī)碳分析儀（TOC-LCPH/CPN,日本）測(cè)定樣品的DOC含量.

光譜分析：使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（UV-2450,日本島津）測(cè)定254 nm處的吸光值,通過(guò)檢測(cè)待測(cè)液吸收值（SUVA）來(lái)分析其芳香化程度,計(jì)算芳香化指數(shù)（aromatic index,AI）.AI計(jì)算公式如下：

AI=（UV254/DOC）×100.

式中：UV254為待測(cè)物質(zhì)在紫外分光光度計(jì)254 nm波長(zhǎng)下的吸光度,可反映水中天然存在的腐殖質(zhì)類大分子有機(jī)物以及含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物的含量[17].

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10nm,掃描速度1200nm/min,激發(fā)波長(zhǎng)為254 nm,熒光同步光譜波長(zhǎng)范圍為250～500 nm.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）.

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析在SPSS 20.0中進(jìn)行,采用方差分析和LSD法（最小顯著性差異法）比較不同林分、不同土層土壤DOM數(shù)量和性質(zhì)的差異性；使用Origin 9.0作圖.圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林更新方式下土壤溶液DOC和DON質(zhì)量濃度的月動(dòng)態(tài)變化

4種森林更新方式下土壤溶液DOC和DON質(zhì)量濃度的月動(dòng)態(tài)變化分別見(jiàn)圖2、圖3.

圖2 不同森林更新方式下土壤溶液DOC質(zhì)量濃度的月動(dòng)態(tài)Fig.2 Monthly dynamicsofDOC concentrations in soilsolution under different regenerationmodes

由圖2可知：在0—15 cm表層,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤溶液DOC質(zhì)量濃度在4月份上升,5月份下降；不同月份DOC質(zhì)量濃度大致趨勢(shì)為米櫧人促更新林（CF）＞米櫧人工林（CP）＞米櫧次生林（CT）.不同土層米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤溶液DOC質(zhì)量濃度整體趨勢(shì)為3月份和5月份較低,4月份較高.此外,杉木人工林（CLP）土壤溶液DOC質(zhì)量濃度隨著季節(jié)變化波動(dòng)范圍比較大.在15—30 cm土層DOC質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍比0—15 cm表層大.

圖3 不同森林更新方式下土壤溶液DON質(zhì)量濃度的月動(dòng)態(tài)Fig.3 Monthly dynamicsofDON concentrations in soilsolution under different regenerationmodes

由圖3可知：在0—15 cm表層,不同月份DON質(zhì)量濃度大致趨勢(shì)為米櫧人工林（CP）＞米櫧人促更新林（CF）＞米櫧次生林（CT）；米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤溶液DON質(zhì)量濃度在8月份上升,9月份下降.不同土層米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤溶液DON質(zhì)量濃度整體趨勢(shì)在6月末7月初以及8月中旬到9月中旬有峰值出現(xiàn).

2.2 不同森林更新方式下土壤溶液DOC和DON質(zhì)量濃度年內(nèi)月平均值

不同森林更新方式下土壤溶液DOC和DON質(zhì)量濃度的年內(nèi)月平均值見(jiàn)表1.

由表1可知：不同森林更新方式下的土壤溶液DOC質(zhì)量濃度年內(nèi)月平均值不同,DOC質(zhì)量濃度整體趨勢(shì)為杉木人工林（CLP）＞米櫧人促更新林（CF）＞米櫧人工林（CP）＞米櫧次生林（CT）.在0—15 cm土層,杉木人工林（CLP）土壤溶液的DOC質(zhì)量濃度最高,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤溶液的DOC質(zhì)量濃度非常接近,顯著高于米櫧次生林（CT）土壤溶液的DOC質(zhì)量濃度.在深層（30—60 cm）,不同林木之間土壤溶液DOC質(zhì)量濃度差異趨于減小,同一樹(shù)種不同更新方式相比較,人促更新林土壤溶液的DOC質(zhì)量濃度比人工林高.此外,杉木人工林（CLP）土壤溶液的DOC質(zhì)量濃度要比米櫧人工林（CP）高.整體上看,林分、土層及其交互作用都對(duì)土壤溶液的DOC質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著影響.

不同森林更新方式下的土壤溶液DON質(zhì)量濃度年內(nèi)月平均值整體趨勢(shì)為米櫧人工林（CP）＞米櫧人促更新林（CF）＞米櫧次生林（CT）＞杉木人工林（CLP）.在0—15 cm土層,杉木人工林（CLP）土壤溶液的DON質(zhì)量濃度較低.在15—30 cm土層,米櫧人促更新林（CF）土壤溶液的DON質(zhì)量濃度有所降低.總的來(lái)看,土層及其交互作用對(duì)土壤溶液的DON質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著影響.

表1 各林分土壤溶液DOC和DON質(zhì)量濃度年內(nèi)月平均值Tab.1 Monthlymean concentrationsofsoilsolution DOCand DON in different forests

2.3 不同森林更新方式下土壤的芳香化指數(shù)和同步腐殖化指數(shù)

不同森林更新方式下土壤的芳香化指數(shù)和同步腐殖化指數(shù)見(jiàn)表2.

表2 不同林地的芳香化和腐殖化指數(shù)Tab.2 Aromatic index and synchronoushumification index in different forests

由表2可知,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）的土壤AI指數(shù)整體上高于米櫧次生林（CT）.在0—15 cm表層,米櫧人促更新林（CF）的土壤AI指數(shù)高于米櫧人工林（CP）和米櫧次生林（CT）；在15—30 cm和30—60 cm土層,米櫧人工林（CP）的土壤AI指數(shù)稍高于米櫧人促更新林（CF）.整體上,各處理對(duì)土壤AI指數(shù)沒(méi)有顯著影響.

米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）的同步腐殖化指數(shù)（HIXsyn）比米櫧次生林（CT）高,但沒(méi)有達(dá)到顯著性水平（P＞0.05）.在0—15 cm表層,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤的HIXsyn略高于米櫧次生林（CT）,但未達(dá)到顯著性水平.在15—30 cm和30—60 cm土層,米櫧人促更新林（CF）土壤的HIXsyn高于米櫧人工林（CP）.總的來(lái)看,林分、土層對(duì)土壤的HIXsyn產(chǎn)生顯著影響.

2.4 熒光光譜特征

在0—15 cm表層,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）在283 nm和325 nm處出現(xiàn)了吸收峰,而米櫧次生林（CT）只在283 nm處出現(xiàn)了吸收峰.在15—30 cm土層,米櫧人促更新林（CF）在325 nm處的吸收峰尤其明顯.30—60 cm深層,不同處理間的土壤DOM熒光光譜圖趨于一致,均在283nm和325nm處有吸收峰（見(jiàn)圖4）.

圖4 不同林分土壤DOM熒光同步光譜圖Fig.4 Synchronoushumification spectra ofsoilDOM in different forests

2.5 紅外光譜分析

由圖5的紅外光譜圖可知：各林分在3 600～3 000 cm-1處均有一個(gè)強(qiáng)而寬的吸收峰,該峰歸屬于氫鍵中羥基的伸縮振動(dòng),這些羥基主要來(lái)源于樣品中的纖維素、糖類、淀粉等碳水化合物以及醇類、酚類等[18]；1 420～1 400 cm-1歸屬于羧酸鹽的對(duì)稱伸縮振動(dòng),各林分在該范圍的吸收峰主要存在于30—60 cm土層；在1 150～1 100 cm-1處各林分均有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰,該峰歸屬于碳水化合物中的C-O振動(dòng),米櫧次生林（CT）與米櫧人促更新林（CF）在該峰處的吸收比例明顯高于米櫧人工林（CP）.總的來(lái)看,人促更新林與人工林在各譜帶的吸收比例都低于次生林,且米櫧人工林（CP）的降低比例更高；米櫧人工林（CP）的紅外光譜特征與米櫧次生林（CT）有顯著差異,很多吸收峰消失或顯著減弱.

圖5 不同林分土壤DOM紅外光譜圖Fig.5 FTIR humification spectraofsoilDOM in different forests

3 討論

3.1 不同更新方式下土壤溶液中DOC和DON質(zhì)量濃度的變化和比較

不同森林更新方式下土壤溶液中DOC質(zhì)量濃度在3月份和5月份較低,在4月份較高.一些研究指出,森林土壤中的DOC主要來(lái)源于凋落物和根系分泌物,在雨水的浸泡下,大量的DOC會(huì)從凋落物中釋放出來(lái)進(jìn)入土壤中[2,19].從研究區(qū)的降雨數(shù)據(jù)來(lái)看,從4月份開(kāi)始,當(dāng)?shù)亻_(kāi)始進(jìn)入雨季,降水較3月份明顯增多,會(huì)使更多的DOC從凋落物中釋放出來(lái).當(dāng)降雨量比較小的時(shí)候,土壤濕度對(duì)土壤溶液中DOC質(zhì)量濃度的控制可能會(huì)加強(qiáng).土壤溶液DOC質(zhì)量濃度可能與土壤中的溶出量相關(guān),降雨會(huì)增多滲濾液的量.因此,在降水少的月份,DOC釋放量較少,導(dǎo)致DOC在土壤中儲(chǔ)存起來(lái),儲(chǔ)存的量會(huì)在隨后的多雨季節(jié)釋放出來(lái)[20].而在5月份,由于在4月份凋落物中釋放了較多的DOC,會(huì)使5月份的DOC質(zhì)量濃度相比4月份有所回落.

不同土壤更新方式下土壤溶液中DON質(zhì)量濃度在6月末至7月初以及8月中旬至9月中旬會(huì)有峰值出現(xiàn).在0—15 cm表層,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤溶液中DON質(zhì)量濃度在8月份上升,9月份下降.一些研究指出,土壤溶液中DON的質(zhì)量濃度隨著不同月份的降雨、溫度、凋落物、微生物等的變化而變化[21-22].在6月末至7月初,溫度的升高導(dǎo)致土壤中微生物的活動(dòng)增強(qiáng),增加了土壤中凋落物的分解,使更多的DON釋放到土壤中,從而導(dǎo)致土壤DON的質(zhì)量濃度升高.而在8月中旬至9月中旬,土壤中的凋落物逐漸增多,為微生物的活動(dòng)提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源,微生物的活動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生DON,導(dǎo)致8月中旬至9月中旬土壤溶液中DON質(zhì)量濃度較大[23].同時(shí)本區(qū)8月中旬到9月中旬平均溫度較高,微生物新陳代謝旺盛,會(huì)加速凋落物分解,這可能是導(dǎo)致8月中旬至9月中旬DON質(zhì)量濃度較高的原因[24].

米櫧人促更新林（CF）是在表層保留采伐剩余物,而米櫧人工林（CP）是在表層進(jìn)行火燒處理.采伐剩余物是林地土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素的重要來(lái)源,經(jīng)分解和淋溶作用自然腐爛后可以增加土壤有機(jī)碳含量[25].本研究表明,同種樹(shù)種下（米櫧）,更新方式對(duì)土壤溶液中DOC質(zhì)量濃度的影響顯著.森林轉(zhuǎn)換1 a后米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）均顯著提高土壤溶液中的DOC質(zhì)量濃度,尤其在表層.相比較下,米櫧人促更新林（CF）對(duì)土壤表層的DOM質(zhì)量濃度提高得更多.皆伐火燒后造成DOM增加的主要原因是增強(qiáng)了對(duì)土壤的干擾性,同時(shí),整地還將刺激DOM生產(chǎn)[26].和人工林相比,人促更新林土壤溶液中DOC質(zhì)量濃度較高,有研究表明這是由于采伐后剩余物的DOC易被雨水淋洗進(jìn)入土壤表層造成的[27].保留采伐剩余物處理表層比火燒處理表層更有利于土壤表層有機(jī)碳的增加.在15—30 cm土層,火燒會(huì)消耗土壤中的DOM,造成15—30 cm土層的DOC質(zhì)量濃度降低.有研究表明,在火燒之后1 a內(nèi)林地表層以下30 cm的土壤有機(jī)碳含量減少了近80%[28].本研究中,在15—30 cm土層,人工林土壤有機(jī)碳含量減少,可能是因?yàn)榛馃龔?qiáng)度大造成大量有機(jī)碳損失[29],以及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[30-31].本研究與前期短時(shí)間（2014年6—8月）的研究結(jié)果[15]相似,表明隨著時(shí)間的推移,表層土壤的DOC質(zhì)量濃度對(duì)更新方式的響應(yīng)沒(méi)有太大變動(dòng).而在30—60 cm土層,試驗(yàn)結(jié)果表明人工林土壤溶液中DOC質(zhì)量濃度高于人促更新林,且高于15—30 cm土層的人工林土壤溶液中的DOC質(zhì)量濃度,這可能是試驗(yàn)后期表層土壤DOC進(jìn)一步下滲所致.

3.2 不同樹(shù)種對(duì)DOM的影響

在0—15 cm表層,米櫧人工林（CP）土壤溶液中DOC質(zhì)量濃度低于杉木人工林（CLP）,但米櫧人工林（CP）土壤溶液中DON質(zhì)量濃度高于杉木人工林（CLP）,這與兩樹(shù)種的葉片質(zhì)量及結(jié)構(gòu)差異有關(guān),說(shuō)明米櫧人工林（CP）土壤中DOM的C/N比例更低,更有利于養(yǎng)分的積累[14].米櫧人工林（CP）和杉木人工林（CLP）土壤表層DOC的差異可能與不同樹(shù)種的凋落物以及土壤的理化性質(zhì)有關(guān)[19,32].

3.3 不同更新方式下土壤溶液DOM光譜學(xué)特征

芳香化指數(shù)（AI）能夠反映芳香化合物的含量[33].AI可粗略地反映腐殖質(zhì)的芳化分子程度和相對(duì)分子質(zhì)量的大小,其值越大,分子的復(fù)雜程度越高,芳香族原子團(tuán)越多,縮合程度越高.相反,值越小,則芳香性小,脂肪側(cè)鏈多,光密度較小[34].米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）均提高土壤的AI,而米櫧人促更新林（CF）對(duì)土壤表層的AI提高得更多,這說(shuō)明米櫧人促更新林（CF）的土壤腐殖質(zhì)中的芳香物質(zhì)的縮合程度高.總體來(lái)說(shuō),不同土層間米櫧人工林（CP）和米櫧人促更新林（CF）間AI的差異沒(méi)有達(dá)到顯著性水平,說(shuō)明森林更新后期芳香化合物數(shù)量開(kāi)始有所回升.

同步腐殖化指數(shù)（HIXsyn）可以用來(lái)表征土壤的腐殖化程度[35].HIXsyn較大的土壤中含有更多的大分子物質(zhì),比如縮合的芳香環(huán)和芳香化合物,這些都是腐殖質(zhì)中所含有的典型大分子物質(zhì)[36].采伐剩余物的輸入和分解短期內(nèi)增加了土壤中DOC的含量,一些相對(duì)分子質(zhì)量大的物質(zhì)可以優(yōu)先被吸附在土壤中,土壤芳香類組分增多,團(tuán)聚化程度增加,促進(jìn)了土壤有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,加快了營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán),為林木生長(zhǎng)提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)也積累了較多的腐殖質(zhì),起到了培肥改土的作用[37].火燒能減少表層土壤有機(jī)質(zhì)中能降低物質(zhì)溶解度的表面含氧基團(tuán),減小烷基化合物如烷烴、脂肪酸和醇的鏈長(zhǎng),使糖和脂類發(fā)生芳構(gòu)化,腐殖質(zhì)大分子縮合等[38].因而,整體而言,在土壤表層,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）土壤的HIXsyn有所提高.研究表明土壤中腐殖質(zhì)含量及所占比例下降與林地枯死物數(shù)量減少和質(zhì)量下降有關(guān),與采取的營(yíng)林措施（特別是煉山措施反復(fù)使用）導(dǎo)致其分解有關(guān)[39].在本研究中,隨著時(shí)間的推移,人工林的土壤腐殖化度最終會(huì)減弱,腐殖質(zhì)大分子縮合,復(fù)雜程度降低,芳香族原子團(tuán)減少,結(jié)合度變?nèi)?而脂肪族結(jié)構(gòu)增大,土壤腐殖質(zhì)團(tuán)粒化作用降低,分解和裂解礦物的作用加強(qiáng),表層土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)變差,活化度變?nèi)?這對(duì)保持森林土壤良好結(jié)構(gòu)的能力不利[12].

在同步熒光光譜中,特征峰性質(zhì)如下：（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).熒光光譜圖中波長(zhǎng)較短、熒光強(qiáng)度較高的特征峰主要是由分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、縮合度較低的易分解有機(jī)物質(zhì)所致,而較長(zhǎng)波長(zhǎng)下的特征峰反之[40].同步熒光光譜中,各個(gè)林地的特征峰主要集中在283 nm、285 nm和325 nm.在0—15 cm表層,米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）在325 nm處出現(xiàn)了米櫧次生林（CT）沒(méi)有的特征峰（圖4）,說(shuō)明人促和人工方式促進(jìn)了類富里酸物質(zhì)的生成,增加了表層土壤的腐殖化程度.在15—30 cm土層,米櫧人工林在285 nm處有熒光強(qiáng)度較高的特征峰,米櫧人促更新林（CF）在325 nm處有熒光強(qiáng)度較高的特征峰,這表明在15—30 cm土層米櫧人促更新林（CF）比米櫧人工林（CP）的腐殖化程度要高.在深層,不同林木間的土壤DOM光譜圖趨于一致,表明深層DOM特性幾乎不受森林更新的影響.總體來(lái)說(shuō),米櫧人促更新林（CF）和米櫧人工林（CP）提高了土壤的腐殖化程度,增加了土壤中的縮合芳環(huán)和大分子化合物,但相比之下,人促更新林對(duì)土壤的腐殖化程度提升作用更為明顯.

傅里葉紅外光譜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測(cè)定DOM的特性,能夠提供DOM重要的功能結(jié)構(gòu)信息[14].紅外光譜的吸收峰越強(qiáng),表明該譜帶所對(duì)應(yīng)的吸收物質(zhì)含量越高.4種林分的紅外光譜顯示了3個(gè)相似的吸收帶,這表明了樣品之間DOM結(jié)構(gòu)的相似性.最強(qiáng)的紅外吸收來(lái)自氫鍵中羥基的伸縮振動(dòng),表明酚類、醇類或者羧酸類物質(zhì)的比例相對(duì)較高,這類物質(zhì)最容易在礦質(zhì)土壤表面發(fā)生吸附,也容易聚合成為超分子化合物[14]；1 150～1 100 cm-1處也有較明顯的吸收峰,說(shuō)明碳水化合物含量較豐富.米櫧人工林（CP）在這兩處的吸收峰均顯著低于米櫧次生林（CT）,反映出酚類、醇類、羧酸類物質(zhì)以及碳水化合物的流失,這可能是由于皆伐火燒等整地措施引起的,而米櫧人促更新林（CF）的吸收峰變化幅度較小,反映出人促更新方式對(duì)土壤DOM結(jié)構(gòu)的干擾較小.米櫧人工林（CP）與米櫧人促更新林（CF）在1 400 cm-1處的吸收峰變寬,表明羧酸鹽物質(zhì)的增多,這可能與火燒引起的溫度升高有關(guān).

4 結(jié)語(yǔ)

林地表層土壤DOM的數(shù)量和光譜學(xué)特征對(duì)不同森林更新方式反應(yīng)比較敏感,可為土地肥力維持及森林的合理經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù).短期內(nèi),人促更新方式和人工方式均可顯著增加表層土壤溶液中DOC的質(zhì)量濃度,尤其是人促更新方式.采伐剩余物經(jīng)過(guò)分解和淋溶作用自然腐爛后可以增加土壤有機(jī)碳含量,表層保留采伐剩余物處理比火燒處理更有利于土壤表層有機(jī)碳的增加.人促更新方式和人工方式可以增加土壤的AI和HIXsyn,但綜合來(lái)看,人促更新方式更有利于土壤養(yǎng)分的積累.采伐剩余物的輸入和分解使土壤芳香類組分增多,加快了營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán),同時(shí)也積累了較多的腐殖質(zhì),起到了培肥改土的作用.

[1]FLESSA H,LUDWIG B,HEIL B,et al.The origin of organic C,dissolved organic C and respiration in a long-term experiment in Halle,Germany,determined by 13Cnaturalabundance[J].JournalofPlantNutrition SoilScience,2000,163（2）：157-163.

[2]KALBITZK,SOLINGERS,PARK JH,etal.Controlson the dynamicsofdissolved organicmatter in soils：a review[J].Soil Science, 2000,165（4）：277-304.

[3]王清奎,汪思龍,馮宗煒.杉木人工林土壤可溶性有機(jī)質(zhì)及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25（6）：1299-1305.

[4]杜春艷,曾光明,張龔,等.韶山針闊葉混交林凋落物層的淋溶及緩沖作用[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28（2）：508-516.

[5]ZSOLNAY A,BAIGARE,JIMENEZM,etal.Differentiatingwith fluorescence spectroscopy the sourcesofdissolved organicmatter in soils subjected to drying[J].Chemosphere,1999,38（1）：45-50.

[6]TERAJIMA T,MORIIZUMIM.Temporaland spatialchanges in dissolved organic carbon concentration and fluorescence intensity of fulvic acid likematerials inmountainousheadwater catchments[J].JournalofHydrology,2013,479（3）：1-12.

[7]齊光,王慶禮,王新闖,等.大興安嶺林區(qū)興安落葉松人工林植被碳儲(chǔ)量[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24（1）：10-16.

[8]呂茂奎,謝錦升,江淼華,等.米櫧常綠闊葉次生林和杉木人工林穿透雨和樹(shù)干徑流可溶性有機(jī)質(zhì)濃度和質(zhì)量的比較[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2014,25（8）：2201-2208.

[9]楊達(dá),賀紅士,吳志偉,等.火干擾對(duì)大興安嶺呼中林區(qū)地上死木質(zhì)殘?bào)w碳儲(chǔ)量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26（2）：331-339.

[10]YANGYS,GUO JF,CHENGS,et al.Effectsof forestconversion on soil labileorganic carbon fractionsand aggregate stability in subtropicalChina[J].Plant&Soil,2009,323（1）：153-162.

[11]吳波波,郭劍芬,吳君君,等.采伐剩余物對(duì)林地表層土壤生化特性和酶活性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34（7）：1645-1653.

[12]吳君君,楊智杰,劉小飛,等.火燒和保留采伐剩余物對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2015,52（1）：203-211.

[13]任衛(wèi)嶺,郭劍芬,吳波波,等.米櫧天然更新次生林皆伐地采伐剩余物葉分解及其化學(xué)組成變化[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015, 26（4）：1077-1082.

[14]康根麗,楊玉盛,司友濤,等.米櫧人促更新林與杉木人工林葉片及凋落物溶解性有機(jī)物的數(shù)量和光譜學(xué)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34（8）：1946-1955.

[15]元曉春,林偉盛,蒲曉婷,等.亞熱帶森林更新方式對(duì)土壤溶液可溶性有機(jī)質(zhì)數(shù)量及化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2016,27（6）：1845-1852.

[16]林偉盛.人促更新與人工造林初期土壤呼吸差異及機(jī)制[D].福州：福建師范大學(xué),2013.

[17]SAADI I,BORISOVER M,ARMON R,et al.Monitoring of effluent DOM biodegradation using fluorescence,UV and DOC measurements[J].Chemosphere,2006,63（3）：530-539.

[18]劉翥,楊玉盛,朱錦懋,等.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[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35（19）：6288-6297.

[19]李淑芬,俞元春,何晟.南方森林土壤溶解有機(jī)碳與土壤因子的關(guān)系[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2003,20（2）：119-123.

[20]LUO C,XU G,WANG Y,et al.Effects of grazing and experimentalwarming on DOC concentrations in the soil solution on the Qinghai-Tibetplateau[J].SoilBiology&Biochemistry,2009,41（12）：2493-2500.

[21]MICHALZIK B,MATZNER E.Dynamics of dissolved organic nitrogen and carbon in a central European Norway spruce ecosystem[J].European JournalofSoilScience,1999,50（4）：579-590.

[22]KAISER K,GUGGENBERGER G,HAUMAIER L,et al.Seasonal variations in the chemical composition of dissolved organic matter in organic forest floor layer leachates of old-growth scots pine（Pinus sylvestris L.）and European beech（Fagus sylvatica L.）stands in Northeastern Bavaria,Germany[J].Biogeochemistry,2001,55（2）：103-143.

[23]MCDOWELLW H,LIKENSG E.Origin,composition,and flux of dissolved organic carbon in the Hubbard Brook Valley[J]. EcologicalMonographs,1988,58（3）：177-195.

[24]李偉,王巧珍,劉小飛,等.森林轉(zhuǎn)換對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳的影響[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2015（1）：43-50.

[25]NILSEN P,STRAND L T.Thinning intensity effects on carbon and nitrogen stores and fluxes in a Norway spruce（Piceaabies（L.）Karst.）stand after33 years[J].ForestEcology and Management,2008,256（3）：201-208.

[26]郭劍芬,楊玉盛,陳光水.不同營(yíng)林措施對(duì)森林土壤DOM的影響研究進(jìn)展[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2008, 24（4）：102-108.

[27]KREUTZWEISER D P,HAZLETT PW,GUNN JM.Logging impacts on the biogeochemistry of boreal forest soils and nutrient export to aquatic systems：a review[J].EnvironmentalReviews,2008,16（1）：157-179.

[28]PAGEDUMROESE D S,JURGENSEN M F.Soil carbon and nitrogen pools in mid-to late-successional forest stands of the northwestern United States：potential impactof fire[J].Canadian Journalof ForestResearch,2006,36（9）：2270-2284.

[29]KNICKER H.How does fire affect the nature and stability of soil organic nitrogen and carbon?A review[J].Biogeochemistry, 2007,85（1）：91-118.

[30]楊玉盛,劉艷麗,陳光水,等.格氏栲天然林與人工林土壤非保護(hù)性有碳C含量及分配[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24（1）：1-7.

[31]楊玉盛,郭劍芬,林鵬,等.格氏栲天然林與人工林枯枝落葉層碳庫(kù)及養(yǎng)分庫(kù)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24（2）：359-367.

[32]WANG SL,LIAO L P,YU X J,et al.Accumulation of organic carbon and changes of soil structure in ecological restoration of degraded Cunninghamia lanceolata plantation soil[J].Chinese JournalofApp1ied Ecology,2000,11：191-196.

[33]KALBITZ K,SCHMERWITZ J,SCHWESIG D,et al.Biodegradation of soil-derived dissolved organic matter as related to its properties[J].Geoderma,2003,113（3/4）：273-291.

[34]王清奎,汪思龍,馮宗煒,等.杉木人工林土壤有機(jī)質(zhì)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15（10）：1947-1952.

[35]OHNO T.Fluorescence inner-filtering correction for determining the humification index of dissolved organic matter[J]. EnvironmentalScienceand Technology,2002,36（4）：742-746.

[36]MICHEL K,MATZNER E,DIGNACM F,et al.Properties of dissolved organicmatter related to soil organicmatter quality and nitrogen additions in Norway spruce forest floors[J].Geoderma,2006,130（3/4）：250-264.

[37]楊秀虹,彭琳婧,李適宇,等.紅樹(shù)植物凋落葉分解對(duì)土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22（6）：924-930.

[39]JENKINSON D S,ANDREW SPS,LYNCH JM,et al.The turnover oforganic carbon and nitrogen in soil[and discussion][J]. Philosophical Transactionsof the RoyalSociety B：BiologicalSciences,1990,329（1255）：361-368.

[40]KAISER K,GUGGENBERGER G,DERENNE S,et al.The role of DOM sorption to mineral surfaces in the preservation of organicmatter in soils[J].Organic Geochemistry,2000,31（7/8）：711-725.

（責(zé)任編輯：鄧天福）

The quantity and quality of dissolved organicmatter under different regeneration modes in subtropical soil

YANG Jingqing1,2,WANG Zheng1,2,YUAN Xiaochun1,2,CHEN Yuemin1,2,YANG Yusheng1,2
（1.Cultivation BaseofState Key Laboratory ofHumid SubtropicalMountain Ecology,Fuzhou 350007, China；2.InstituteofGeography,Fujian NormalUniversity,Fuzhou 350007,China）

Using the negative pressure samplingmethod,the concentrations and spectral characteristics of dissolved organicmatter（DOM）of soil solutionswere studied atdifferent layers in Castanopsis carlesii（CT）,C.carlesii forest（CF）, C.carlesii plantation（CP）and Cunninghamia lanceolata plantation（CLP）in a subtropical zone.The results showed that dissolved organic carbon（DOC）concentrations in soil solution increased by using human regeneration and artificialmethods,and reached a significant level in the surface layer（0―15 cm）（P＜0.05）.The increase in DOC concentrations in soil solutionswasmore significantin the human regeneration method,and the overall trend of DOC concentration was CLP＞CF＞CP＞CT.The aromatic index（AI）increased by human regeneration and artificialmethods. In the surface layer（0―15 cm）,the increase in AIwas greater by the human regeneration method.There was no significant difference in the humification index（HIX）between C.carlesiiforest and C.carlesii plantation.The fluorescence emission spectrum showed that there were peaks（325 nm）in the C.carlesiiforest and C.carlesii plantation,indicating that the degree of humification of the soil in creased.The human regeneration method ismore conducive for improving the degree of soil humification and conserving soil fertility.

forest regeneration；dissolved organicmatter；spectral characteristics

S714.2

A

1008-7516（2017）03-0016-10

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.03.003

2017-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（31130013；41401346）；福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016R1032-2）

楊景清（1993―）,男,河南許昌人,本科生.

陳岳民（1979―）,男,中國(guó)臺(tái)灣人,博士,教授.主要從事森林生態(tài)研究.