膠州灣濱海濕地土壤溶解性有機(jī)碳淋溶特征

郗 敏, 劉姝紅, 張艷艷, 李 悅, 孔范龍

(1.青島大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266071; 2.浙江瑞陽環(huán)保科技有限公司, 浙江 杭州 310019)

土壤溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)的淋溶作用是指土壤DOC在滲漏水的作用下由土壤上部向下部遷移，或發(fā)生側(cè)向遷移的一種土壤發(fā)生過程[1-2]。淋溶作用下導(dǎo)致的DOC流失是土壤總有機(jī)碳(TOC)損失的重要途徑[3-4]。土壤中DOC的長期淋失會(huì)使生態(tài)系統(tǒng)的限制性元素(N，P)也隨之流失，進(jìn)而導(dǎo)致土壤的肥力和質(zhì)量下降，影響生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[5]。同時(shí)，DOC的淋溶作用會(huì)導(dǎo)致土壤微生物可直接利用的有機(jī)碳源減少，抑制土壤微生物的活性，影響營養(yǎng)物質(zhì)的供給和有效性[6]。因此，開展土壤溶解性有機(jī)碳的淋溶特征的研究，對科學(xué)理解土壤有機(jī)質(zhì)的積累和遷移過程具有重要意義。

目前，土壤DOC淋溶已經(jīng)開展了部分的研究工作，研究區(qū)域主要集中于森林[7-8]、農(nóng)田[9]、草地[10-11]等生態(tài)系統(tǒng)，研究內(nèi)容主要側(cè)重于其含量時(shí)空變化的分析[2-3]及影響因素等，且對影響因素的關(guān)注尤為顯著，主要關(guān)注土壤植被種類和覆蓋度、微生物種類和數(shù)量、土壤溫濕度、降水量、土地利用方式等因素的影響[12-16]。研究結(jié)果表明，生物因素(植被和微生物)直接影響土壤淋溶過程中DOC的生成和淋失，而非生物因素(土壤溫濕度、降水等)和人為因素(土地利用和土地管理)通過影響微生物活性、植被生長、土壤顆粒對DOC的吸附能力等而間接影響土壤淋溶過程中DOC含量的動(dòng)態(tài)變化[17]?？傮w來看，對于土壤DOC淋溶特征的關(guān)注主要集中于其含量方面，而關(guān)于結(jié)構(gòu)的研究相對較少。淋溶過程中DOC結(jié)構(gòu)的改變會(huì)使土壤的礦物質(zhì)成分發(fā)生變化，影響微生物對有機(jī)碳的分解能力和土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[18]，影響DOC在土壤中的截留、轉(zhuǎn)化[15]，進(jìn)而影響土壤對DOC的解吸附能力[19]。因此，在當(dāng)前更為關(guān)注含量的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)淋溶過程中DOC結(jié)構(gòu)的研究，是對土壤DOC淋溶過程研究的深入和完善。

濱海濕地處于陸地和海洋的過渡帶，是連接水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)交錯(cuò)帶[20]，其生態(tài)系統(tǒng)水文波動(dòng)頻繁，淋溶過程頻繁發(fā)生[21]。且濱海濕地的土壤粒徑較大，具有較高的孔隙度和較小的容重，長期的潮汐作用使其鹽堿化程度存在一定的差異，這些特征對水的滲透、膠結(jié)物質(zhì)的形成等有明顯的影響，必然使其淋溶過程有別于其他生態(tài)系統(tǒng)。但目前關(guān)于濱海濕地土壤淋溶的相關(guān)研究尚不系統(tǒng)。選擇4種不同濕地土壤為供試土壤，采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，探究濱海濕地土壤DOC的淋溶遷移特征，以期揭示不同土壤DOC含量及結(jié)構(gòu)特征的動(dòng)態(tài)變化，有助于全面認(rèn)識(shí)DOC在土壤剖面中的含量分布、遷移轉(zhuǎn)化過程等環(huán)境行為，同時(shí)可為濱海濕地土壤碳素研究提供更全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概括

膠州灣濱海濕地位于山東省青島市(N36°07′—36°13′，E120°03′—120°10′)，地處于膠州灣的北部及西北部沿岸，是山東半島面積最大的河口海灣型濕地，已被列入《中國重要濕地名錄》。該區(qū)域濕地總面積約1.78×105hm2，海拔0～5 m，屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量為900 mm，年均溫度12 ℃，無霜期220 d左右[22]。土壤受海水潮汐作用、植被演替、降水以及人為因素的影響，其土質(zhì)不斷發(fā)生變化。本研究區(qū)位于大沽河口和洋河口，大沽河作為青島的母親河，其流域面積為6 131.3 km2，流量約占注入膠州灣的4條主要河流總流量85.6%，大沽河距海由近及遠(yuǎn)已形成由無植被覆蓋光灘到堿蓬以至蘆葦?shù)奶荻刃灾脖痪坝^；洋河干流全長49 km，流域面積為303 km2，自1963年從國外引進(jìn)米草以來，洋河口逐漸形成典型的米草草灘。研究區(qū)土壤主要是黏質(zhì)土和沙質(zhì)土。

1.2 土壤樣品采集

根據(jù)濕地水文條件及植被分布狀況，采用GPS定位，于2015年8月在膠州灣濱海濕地選取了4種具有代表性的濕地土壤(光灘濕地、堿蓬濕地、蘆葦濕地、米草濕地)進(jìn)行采樣研究。每個(gè)樣地隨機(jī)選擇3處采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)分別挖掘3個(gè)平行土壤剖面，每個(gè)剖面采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm的土樣(待樣品風(fēng)干后，將平行土壤剖面同一土層樣品混合來代表該樣點(diǎn)對應(yīng)土層樣品)，4個(gè)樣地共采集36份土樣。將土壤樣品分別裝于袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，撿去動(dòng)植物殘?bào)w、石塊等雜物，置于陰涼處風(fēng)干后磨碎，過20目孔篩。一部分用于土壤基本理化性質(zhì)的測定，另一部分在4 ℃條件下保存?zhèn)溆?，用于土柱的填充。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用土柱模擬試驗(yàn)淋溶法，淋溶裝置由3個(gè)直徑5 cm，高10 cm的有機(jī)玻璃材質(zhì)土柱組成。柱子頂蓋和底端的中心處各設(shè)置一個(gè)孔徑為2 cm的圓孔，以便于添加淋溶液和收集淋濾液。土柱由下往上依次為：一張定性快速濾紙，2～3 mm脫脂棉(壓實(shí))，2～3 cm的石英砂(粒徑250～550 μm)，約160 g土樣(石英砂校正)，再加一層脫脂棉，最后在土柱頂部均勻的加一層粗顆粒的石英砂。淋濾過程中為保證每一批柱子都以相同的速率添加淋溶液以減少人為誤差，在各土柱間均連接蠕動(dòng)泵。土柱裝置示意圖如圖1所示。試驗(yàn)所用的淋濾液均為去離子水，利用蠕動(dòng)泵使去離子水以恒定的速度泵入0—20 cm土層，淋溶完成后取出50 ml濾出液將其過0.45 μm玻璃纖維濾膜后待測，其余則繼續(xù)淋溶20—40 cm土層，以此類推，直至逐層淋溶完40—60 cm。每個(gè)剖面用于淋溶試驗(yàn)的初始去離子水與3層土柱的土重之和保持1∶1的比例。試驗(yàn)設(shè)計(jì)一周為一個(gè)淋溶周期，每個(gè)土柱共淋溶7次。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

圖1 土柱淋溶裝置示意圖

1.4 樣品分析

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

本文使用的數(shù)據(jù)均通過試驗(yàn)獲得，并采用Excel 2007軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，采用Pearson相關(guān)分析與單因素方差分析的方法，利用SPSS 20.0軟件，對整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用Origin 8.0，Corel Draw X7軟件進(jìn)行繪圖。

表2 紫外-可見光譜參數(shù)描述

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤淋出液DOC含量變化

2.1.1 土壤淋出液DOC含量變化 淋溶結(jié)束，土壤淋出液DOC含量整體表現(xiàn)為蘆葦濕地(23.12 mg/L)>堿蓬濕地(15.22 mg/L)>米草濕地(14.44 mg/L)>光灘濕地(8.38 mg/L)(圖2)。經(jīng)單因素方差分析，僅蘆葦濕地土壤淋出液DOC含量與其余濕地土壤淋出液DOC含量差異顯著，其余3種濕地間無顯著性差異(圖2)。

注：單位mg/L是指假設(shè)每一土柱淋出1 L溶液時(shí)DOC的淋出量，相同字母表示兩兩比較無顯著性差異，不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

圖2不同土壤淋出液DOC含量變化

2.1.2 不同土層淋出液DOC含量變化 淋溶周期內(nèi)，DOC的含量隨土層深度的增加而逐漸升高，且DOC含量在淋溶上層土壤后大量增加，中層和下層土壤淋出液DOC含量增加不明顯(圖3)。上層土壤淋出液DOC含量在4.42～14.71 mg/L之間，平均為9.44 mg/L，占土壤淋出液DOC含量的52.74%～63.99%，平均為61.69%；中層土壤淋出液DOC含量在1.44～4.15 mg/L之間，平均為2.31 mg/L，占土壤淋出液DOC含量的10.51%～17.94%，平均為15.10%；下層土壤淋出液DOC含量在2.52～4.27 mg/L之間，平均為3.55 mg/L，占土壤淋出液DOC含量的18.46%～30.07%，平均為23.21%。

經(jīng)單因素方差分析，上層不同土壤淋出液DOC含量存在顯著性差異，中層和下層無顯著性差異；同一土壤淋出液DOC含量上層與中層、下層存在顯著差異性，中層與下層之間無顯著性差異。

注：相同大寫字母表示同一土層不同樣地兩兩比較不存在顯著性差異，不同大寫字母表示差異性顯著(p<0.05)；相同小寫字母表示同一樣地不同土層兩兩比較不存在顯著性差異，不同小寫字母表示差異性顯著(p<0.05)。

圖3不同土層淋出液DOC含量變化

2.2 土壤淋出液DOC結(jié)構(gòu)變化

2.2.1 土壤淋出液DOC的吸收光譜特征 4種土壤淋出液DOC的光譜特征值(A280，A254，A253/A203，A250/A365，A240/A420)存在一定的差異性。淋溶結(jié)束時(shí)，土壤淋出液DOC的A254值為堿蓬濕地(0.647 8)>光灘濕地(0.536 3)>蘆葦濕地(0.433 9)>米草濕地(0.427 7)；A280值表現(xiàn)為堿蓬濕地(0.474 2)>光灘濕地(0.386 1)>米草濕地(0.323 6)>蘆葦濕地(0.316 3)；A253/A203比值為蘆葦濕地(0.551 3)>米草濕地(0.432 4)>堿蓬濕地(0.375 9)>光灘濕地(0.357 9)；A250/A365和A240/A420比值為光灘濕地(6.707 7，16.353 6)最大，堿蓬濕地(5.490 0，13.659 7)和蘆葦濕地(5.824 0，11.782 7)居中，而米草濕地(5.131 3，10.841 0)最小(圖4)。

圖4 不同土壤DOC紫外-可見光譜特征參數(shù)

2.2.2 不同土層淋出液DOC的吸收光譜特征 各層土壤淋出液DOC的光譜特征值(A254，A280，A253/A203，A250/A365，A240/A420)進(jìn)行分析比較，反映土壤淋出液DOC腐殖化程度和芳香性的A254，A280在垂直方向上表現(xiàn)為下層>中層>上層。表征土壤淋出液DOC中芳香環(huán)可取代程度的A253/A203在垂直方向上為上層>中層>下層(圖5)，且數(shù)值變化特征不明顯。表征土壤中溶解性有機(jī)碳分子量和聚合度的A250/A365和A240/A420在垂直方向上均表現(xiàn)為下層>中層>上層(圖5)。

3 討 論

3.1 土壤淋出液DOC含量變化特征

研究得出，土壤與其淋出液中DOC含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.876，p<0.01)，光灘濕地土壤DOC含量最高，其淋出液DOC含量最低；有植被覆蓋的3種土壤中，DOC含量最低的蘆葦濕地其淋出液DOC含量反而最高。分析認(rèn)為，土壤中植物殘?bào)w的分解和土壤自身理化性質(zhì)的差異導(dǎo)致了這一結(jié)果。

圖5 不同土層DOC紫外-可見光譜特征參數(shù)

已有研究認(rèn)為，土壤中植被殘?bào)w分解有利于提高土壤淋出液DOC含量[28]，而光灘濕地幾乎無植被覆蓋，植被殘?bào)w較少，因此直接導(dǎo)致其淋出液DOC的含量較低。在3種有植被覆蓋的土壤中，其淋出液DOC含量主要受到土壤自身理化性質(zhì)的影響，蘆葦濕地所處區(qū)域干濕交替現(xiàn)象嚴(yán)重，干濕交替時(shí)期植物殘?bào)w的分解常數(shù)遠(yuǎn)大于連續(xù)漬水或干旱時(shí)期，干濕交替會(huì)引起土壤收縮和膨脹，使一些團(tuán)聚體中的有機(jī)質(zhì)暴露在土壤的表面[29]，且土壤多為砂質(zhì)性土壤，吸附可溶性有機(jī)質(zhì)的能力較弱，有利于淋溶過程中DOC隨淋濾液淋出，導(dǎo)致淋出液DOC含量較高；而米草濕地由于長期處于水淹狀態(tài)下，土壤黏性較大且通透性差，導(dǎo)致土壤對DOC的吸附能力強(qiáng)[30]，使得DOC在淋溶過程中不易流失。關(guān)于土壤自身的理化性質(zhì)影響土壤DOC淋溶過程，這在姜海超[8]對吉林省主要土壤DOC開展的淋溶試驗(yàn)研究中也得到了相同的結(jié)論。

由于土壤性質(zhì)和DOC含量的不同，土壤淋出液DOC含量在不同土層之間存在一定差異。隨著土層深度增加，淋出液DOC含量表現(xiàn)為增加趨勢。究其原因，土壤DOC易遷移，表現(xiàn)為疏水性組分吸附土壤、親水性組分隨有機(jī)質(zhì)向深層遷移，致使深層土壤親水性DOC組分較多[31]，隨著淋溶過程的發(fā)生易與淋濾液相結(jié)合，且在淋溶過程中各土層DOC都出現(xiàn)了解吸現(xiàn)象，導(dǎo)致淋出液DOC含量逐層增加。這與熊麗等[7]用超純水淋溶米櫧天然林土壤得出的研究結(jié)果一致。雖然土壤淋出液DOC含量隨土層深度增加，但上層DOC占比最大，達(dá)61.69%；中層和下層相比，中層(15.10%)小于下層(23.21%)，這主要取決于不同層土壤DOC的含量以及土層對土壤DOC的解吸附能力差異。土壤上層因植被凋落物和根系分布、潮汐作用帶來的藻類、海洋懸浮物等的堆積[32]，以及濕地土壤上層水熱條件適宜，土壤酶以及微生物的活性高等因素的影響，導(dǎo)致DOC含量最高，直接表現(xiàn)為上層淋出液DOC含量占比最大[33]。而隨著土層深度的增加，可供微生物利用的有機(jī)質(zhì)減少[34]，土壤顆粒及礦物質(zhì)的吸附截留和土壤水分的減少，導(dǎo)致有機(jī)碳的淋溶作用減弱，從而直接減少了淋出液DOC含量。而由中層到下層的淋溶過程中，土壤淋出液DOC的占比由15.10%上升到23.21%，主要是土層對土壤DOC的解吸附能力差異造成的，與中層相比，下層有機(jī)碳含量低、黏粒和鐵鋁氧化物含量高，未被占據(jù)的吸附位點(diǎn)也較多[35]，土壤吸附DOC的能力強(qiáng)，導(dǎo)致下層淋出液DOC的含量高于中層，這一研究結(jié)果與余元春等[36]研究結(jié)果一致。

3.2 土壤淋出液DOC結(jié)構(gòu)變化特征

不同土壤淋出液DOC的芳香性、腐殖化程度、分子量和聚合度存在一定的差異。堿蓬濕地淋出液DOC芳香性和腐殖化程度最高，這主要由土壤中DOC來源于不同植被決定[37]。堿蓬是藜科的葉肉質(zhì)化真鹽生植物，與同為禾本科的蘆葦和米草相比，所含化學(xué)成分更易分解，其植被及腐爛根系的分解使得土壤DOC芳香性和腐殖化程度高，直接導(dǎo)致堿蓬濕地淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度最高，這與相關(guān)研究表明植物的葉片質(zhì)量和結(jié)構(gòu)差異會(huì)影響DOC化學(xué)組成和性質(zhì)的結(jié)論一致[38]。米草濕地淋出液DOC分子量和聚合度最大，主要由土壤中DOC的來源不同所致，來源于植物的DOC含有較多的疏水性組分(聚合度和分子量大)[39]。米草是一種根狀莖禾本科植物，具有耐鹽耐淹、根系發(fā)達(dá)和繁殖力強(qiáng)等特點(diǎn)，米草自身凋落物殘?bào)w以及米草固碳作用使得大量的有機(jī)碳進(jìn)入土壤，增加了土壤微生物對土壤中活性有機(jī)碳的利用程度，加強(qiáng)土壤中烷氧碳的利用程度，使烷基碳相對富集，導(dǎo)致烷基碳/烷氧碳比值增加，從而有助于提高土壤有機(jī)碳分子量大小和團(tuán)聚體結(jié)合的穩(wěn)定性[30]，導(dǎo)致米草濕地淋出液DOC分子量和聚合度最大。另一方面米草濕地距海較近，受潮汐作用影響強(qiáng)烈，小分子組分易溶解于潮水中遷移至海洋，導(dǎo)致米草濕地中DOC分子量和聚合度大的物質(zhì)多，淋出液DOC分子量和聚合度大于其他有植被覆蓋的濕地。關(guān)于土壤淋出液DOC結(jié)構(gòu)特征受DOC自身的化學(xué)性質(zhì)影響的研究結(jié)論，與曾敏[37]等人在紅壤侵蝕退化地土壤對不同來源可溶性有機(jī)碳的吸附特征的研究結(jié)果一致。

隨著土層深度的增加，土壤淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度增加，團(tuán)聚化程度和分子量逐漸減小。這主要是由于隨著土層深度的增加，土壤受外界環(huán)境影響越小，而土壤自身的解吸附作用成為影響淋出液DOC性質(zhì)的主要原因[40]。淋溶完上層土壤后，淋出液中DOC芳香性和腐殖化程度增加，主要因?yàn)樯蠈油寥乐杏袡C(jī)物分解的殘留物含量較高，這些殘留物含有較多的芳香化合物[39]。而隨著淋溶過程的發(fā)生，下層土壤中部分芳香類的物質(zhì)發(fā)生了解吸[7]，且上層淋溶下來的物質(zhì)不易被土壤吸附，導(dǎo)致隨土層深度增加淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度逐漸增加。由于上層淋失下來的DOC中大分子組分優(yōu)先被下層土壤吸附，而同時(shí)土壤中的小分子組分又易發(fā)生解吸[7]，導(dǎo)致團(tuán)聚化程度和分子量逐漸減小。這是大分子物質(zhì)優(yōu)先吸附和小分子物質(zhì)解吸共同作用的結(jié)果，與相關(guān)學(xué)者[17]在林地土壤溶解性有機(jī)碳淋溶過程提出的共同作用的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

膠州灣濱海濕地不同土壤淋出液DOC含量不同，水平方向上表現(xiàn)為蘆葦濕地>堿蓬濕地>米草濕地>光灘濕地；垂直方向上隨土層深度的增加而增大。表明土壤中植被殘?bào)w分解可以提高土壤淋出液DOC含量，且土壤DOC的含量以及各土層對土壤DOC的解吸附能力對土壤淋出液DOC的含量有顯著影響。

4種土壤淋出液DOC的光譜特征值存在一定的差異性，堿蓬濕地淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度最高，米草濕地淋出液DOC分子量和團(tuán)聚化最大；垂直方向上隨土層深度的增加，土壤淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度增大，團(tuán)聚化程度和分子量逐漸減小。這主要是由于來源于不同植被的土壤DOC結(jié)構(gòu)存在明顯的差異性，且淋溶過程的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致土壤中大分子物質(zhì)優(yōu)先吸附和小分子物質(zhì)易解吸，使得土壤DOC中芳香性物質(zhì)含量增加，土壤DOC的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，有利于土壤中有機(jī)碳的長期積累并成為一個(gè)巨大的碳匯。