膠州灣濱海濕地凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

狄麗燕,孔范龍,王 森,李 悅,郗 敏

青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266071

土壤有機(jī)碳礦化是土壤微生物通過(guò)自身活動(dòng),分解和利用土壤中活性有機(jī)碳來(lái)完成自身代謝,并釋放出CO2的過(guò)程[1]。土壤有機(jī)碳礦化是土壤有機(jī)碳庫(kù)循環(huán)的重要過(guò)程,其微小波動(dòng)會(huì)影響土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應(yīng)[2],對(duì)土壤肥力的提高和區(qū)域碳平衡等具有重要意義[3-4]。因此,探究土壤有機(jī)碳礦化的動(dòng)態(tài)變化特征可為土壤養(yǎng)分的科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

土壤有機(jī)碳礦化作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物化學(xué)過(guò)程,主要受溫度變化[5]、施肥[6]、有機(jī)質(zhì)輸入[7]、土地利用類(lèi)型[8]以及外源性有機(jī)物[9]等多種因素的綜合影響。研究指出,有機(jī)碳礦化過(guò)程會(huì)受到外源性有機(jī)物的強(qiáng)烈影響[10],凋落物作為外源性有機(jī)物,其分解會(huì)向土壤中轉(zhuǎn)移約50 Gt/a的有機(jī)碳,是養(yǎng)分回歸土壤的重要過(guò)程[11]。凋落物進(jìn)入土壤后直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程[12],短期內(nèi)會(huì)增加土壤中的活性組分為土壤微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),長(zhǎng)期凋落物的輸入能夠改善土壤質(zhì)量,有利于土壤中碳源的積累[13]。因此,凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生顯著影響。已有相關(guān)研究表明不同類(lèi)型的凋落物分解對(duì)草地[14]和森林[15]土壤有機(jī)碳礦化具有顯著的促進(jìn)作用?？傮w來(lái)說(shuō),目前關(guān)于凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響研究側(cè)重于溶解性有機(jī)碳(DOC)“量”的變化而忽略了其結(jié)構(gòu)特征的變化,DOC的結(jié)構(gòu)特征決定著生物可降解性并控制其在土壤的遷移轉(zhuǎn)化能力[16],然而目前通過(guò)分析DOC結(jié)構(gòu)特征的變化來(lái)探討凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此,系統(tǒng)開(kāi)展凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的綜合影響研究,并從DOC結(jié)構(gòu)角度探討其來(lái)源和組成,將是對(duì)當(dāng)前土壤碳循環(huán)研究工作的進(jìn)一步完善。

三維熒光光譜技術(shù)的發(fā)展為定性識(shí)別和定量分析DOC結(jié)構(gòu)特征提供了保障。與其他研究方法相比,三維熒光光譜具有測(cè)定速度快、重現(xiàn)性好、靈敏度高且不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[17-18]。目前利用三維熒光技術(shù)分析活性有機(jī)碳的研究已經(jīng)在海洋湖泊等水體[19-20]、森林農(nóng)田等土壤[20]中展開(kāi),有效地解決了DOC的來(lái)源和組成問(wèn)題,這為研究凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響奠定了基礎(chǔ)。

濕地土壤對(duì)CO2的產(chǎn)生具有極其重要的作用,其碳儲(chǔ)存量占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存量的1/3[21],而濱海濕地作為陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡帶[22],在碳匯和土壤碳循環(huán)方面發(fā)揮著重要的作用[23]。濱海濕地土壤有機(jī)碳礦化是聯(lián)系濕地系統(tǒng)內(nèi)部及外部物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[24],而作為土壤有機(jī)碳主要來(lái)源的凋落物分解則對(duì)濱海濕地有機(jī)碳礦化過(guò)程影響深遠(yuǎn),但目前這部分工作尚未開(kāi)展,因此加強(qiáng)濱海濕地凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程的研究對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估濕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化具有重要意義[25]。本研究選取膠州灣濱海濕地為研究對(duì)象,采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn),分析堿蓬、蘆葦、互花米草凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響,同時(shí)利用三維熒光和紫外分光技術(shù)進(jìn)行光譜分析,探討DOC的來(lái)源以及結(jié)構(gòu)特征,以期從結(jié)構(gòu)和含量?jī)煞矫媪私饽z州灣濱海濕地凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響,闡明凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳影響的內(nèi)在機(jī)制,為進(jìn)一步揭示凋落物分解對(duì)濱海濕地土壤碳循環(huán)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究樣區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

膠州灣濱海濕地位于膠州灣北部以及西北部沿岸,濕地總面積約為348 km2,海拔0—5 m。屬暖溫帶東亞季風(fēng)氣候區(qū),受海洋季風(fēng)調(diào)節(jié),雨熱同季,四季分明[26]。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6131.3 km2,流量約占注入膠州灣4條主要河流(大沽河、墨水河、白沙河和洋河)總流量的85.6%[27]；大沽河距海由近及遠(yuǎn)已形成由光灘到堿蓬以至蘆葦?shù)奶荻刃灾脖痪坝^,該地區(qū)的主要建群種有蘆葦(Phragmitesaustralis)、堿蓬(Suaedaglauca)、白茅(Imperatacylindrica)、檉柳(Tamarixchinensis)、鹽角草(Salicorniaeuropaea)等。洋河口隨著互花米草(Spartinaalterniflora)的引進(jìn)逐漸形成典型的互花米草草灘,研究區(qū)土壤主要是粘質(zhì)土和沙質(zhì)土。

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)植被生長(zhǎng)分布狀況及潮汐運(yùn)動(dòng)規(guī)律,綜合考慮本土和入侵物種,按照“代表性、典型性、一致性”原則,在大沽河和洋河口選取蘆葦、堿蓬和互花米草三種凋落物作為研究對(duì)象,采集光灘、蘆葦、堿蓬、互花米草4個(gè)采樣點(diǎn)的土壤。于2017年12月,通過(guò)多點(diǎn)混合的方法采集4個(gè)采樣點(diǎn)0—20 cm的土樣,取土后迅速將土壤裝入密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,分別測(cè)定其含水率,自然風(fēng)干后,剔除可見(jiàn)的動(dòng)植物殘?bào)w,磨細(xì)過(guò)100目篩等量混合均勻,調(diào)節(jié)含水率供室內(nèi)恒溫培養(yǎng)使用和土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。同時(shí)采集3種凋落物地上根葉部分,去除其表面附著土壤等雜質(zhì),并帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干和進(jìn)行處理,每種凋落物需要剪成2 cm左右,備用待測(cè)。供試土壤的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic characterization of test soil

HHMC：互花米草濕地Spartinaalterniflorawetland；GT：光灘濕地 Barren wetland；JP：堿蓬濕地Suaedaglaucawetland；LW：蘆葦濕地Phragmitesaustraliswetland

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng),堿液吸收法測(cè)定土壤有機(jī)碳礦化量。將處理好的土壤加入蒸餾水調(diào)節(jié)含水率為30%,預(yù)培養(yǎng)一周,以恢復(fù)土壤微生物活性。取30 g風(fēng)干土和0.9 g凋落物的均勻混合物置于500 mL的呼吸瓶中,內(nèi)置裝有10 mL氫氧化鈉溶液的小燒杯并用細(xì)繩拴住懸掛于呼吸瓶中且不與底部供試土壤接觸(圖1),再用凡士林密封呼吸瓶,同時(shí)設(shè)置不加凋落物的對(duì)照(CK)和不加樣品的空白處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。于28℃恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)2個(gè)月,培養(yǎng)期間,定期調(diào)節(jié)含水量。在第1,3,5,7,10,13,16,20,24,29,35,41,47,53,60天取出燒杯,加入過(guò)量的氯化鋇溶液,以酚酞為指示劑,用鹽酸滴定,測(cè)定CO2-C釋放量,從而計(jì)算土壤有機(jī)碳礦化量。

圖1 吸收CO2的培養(yǎng)瓶示意圖Fig.1 The diagram of bottles for absorbing CO2 released by organic carbon mineralization

1.4 研究方法

(1)三維熒光光譜測(cè)定在Hitachi F-4600進(jìn)行。試驗(yàn)空白蒸餾水為消除熒光內(nèi)濾作用,將樣品的掃描數(shù)據(jù)結(jié)果減去蒸餾水的三維熒光光譜數(shù)據(jù),消除拉曼散射的影響。掃描結(jié)束后,分別測(cè)定各樣品的熒光光譜參數(shù)。

(2)土壤樣品DOC組分采用TU-1810PC紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定200—400 nm的吸收值,掃描間隔為0.2 nm。樣品測(cè)定前保持溫度恒定(恒溫水浴20±0.1℃),并分別計(jì)算A280、A254、E250/365、E253/203的值。試驗(yàn)采樣時(shí)間：第0,5,10,20,35,60天。

1.5 計(jì)算方法

(1)有機(jī)碳礦化速率(mg kg-1d-1)=[(空白處理滴定耗酸量-土壤處理耗酸量)×12/2 ] /(樣品干質(zhì)量×?xí)r間)。有機(jī)碳累積礦化量用培養(yǎng)期間單位質(zhì)量土壤釋放的CO2-C總量(mg/kg)來(lái)表示。

(2)采用熒光區(qū)域積分(FRI)法對(duì)三維熒光光譜進(jìn)行定量分析,即根據(jù)不同的激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng),將溶解性有機(jī)物的熒光區(qū)域劃分成5個(gè)部分(表2),并通過(guò)Matlab2010a軟件計(jì)算特定熒光區(qū)域i的積分體積(Φi),為更好地反映這一區(qū)域的特定結(jié)構(gòu)有機(jī)物的相對(duì)含量,對(duì)Φi進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,得到熒光區(qū)域i的積分標(biāo)準(zhǔn)體積(Φi,n),最后計(jì)算出某一熒光區(qū)域特定結(jié)構(gòu)有機(jī)物的積分占總積分的比例(Pi,n),公式如下：

(1)

Φi,n=MFi×Φi

(2)

(3)

Pi,n=Φi,n/ΦT,n×100%

(4)

表2 膠州灣濱海濕地DOC的主要熒光峰Table 2 Main fluorescence peak of DOC in Jiaozhou Bay

采用熒光光譜指數(shù)和紫外光譜參數(shù)測(cè)定探討土壤DOC的來(lái)源特征,各參數(shù)具體計(jì)算方法見(jiàn)表3和表4。

表3 各熒光光譜參數(shù)測(cè)定及計(jì)算方法Table 3 Measurement and calculation of the three fluorescence spectra parameters

表4 各紫外參數(shù)測(cè)定及計(jì)算方法Table 4 Measurement and calculation of the four UV spectra parameters

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理,采用SPSS 22.0軟件對(duì)各處理之間的差異性進(jìn)行一維方差分析(One-way ANOVA)和基于Duncan(P<0.05)的顯著性檢驗(yàn),并利用Origin 9.1軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量的影響

圖2 培養(yǎng)期間土壤有機(jī)碳礦化速率Fig.2 Organic carbon mineralization rates during incubation period

圖3 培養(yǎng)期間有機(jī)碳累積礦化量Fig.3 Cumulative mineralization of organic carbon during incubation period

分解初期,土壤有機(jī)碳礦化速率先迅速降低(圖2),到第20天降至初始礦化速率的10.18%—33.06%；受礦化速率的影響,有機(jī)碳累積礦化量在分解初期(0—20 d)增加較快,而后增加較慢(圖3)。添加凋落物后的有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量明顯升高,培養(yǎng)結(jié)束時(shí),有機(jī)碳礦化速率表現(xiàn)為堿蓬(2.23 mg kg-1d-1)>互花米草(2.02 mg kg-1d-1)>蘆葦(1.73 mg kg-1d-1)>空白對(duì)照(0.85 mg kg-1d-1)；有機(jī)碳累積礦化量大小為：堿蓬(133.72 mg/kg)>互花米草(121.12 mg/kg)>蘆葦(103.95 mg/kg)>空白對(duì)照(51.00 mg/kg)。

添加凋落物土壤的有機(jī)碳礦化速率在培養(yǎng)期間均高于空白對(duì)照,且差異顯著(P<0.05),不同凋落物處理間有機(jī)碳礦化速率差異顯著(P<0.05)；添加凋落物土壤的有機(jī)碳累積礦化量在培養(yǎng)期間均高于空白對(duì)照,且差異極顯著(P<0.01),不同凋落物處理間有機(jī)碳累積礦化量差異極顯著(P<0.01)。說(shuō)明凋落物的添加有助于提高有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量且凋落物的類(lèi)型對(duì)其有顯著影響。土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)常用礦化速率曲線和累積礦化量曲線表示,來(lái)描述土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)[28]。對(duì)培養(yǎng)期間兩種曲線采用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)乘冪曲線模型(Y=b0×Xb1)均能很好地描述二者的變化趨勢(shì)(表5),且相關(guān)性較好。

凋落物分解會(huì)受自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和環(huán)境因素(土壤溫度、水分等)的控制,是多重因素和作用綜合的結(jié)果[29-30]。本研究中各處理的土壤溫度、水分均保持一致,因而凋落物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)有機(jī)碳礦化具有顯著影響。有研究表明,凋落物主要由易分解成分(如糖類(lèi)、淀粉等)和難分解成分(如木質(zhì)素、多酚等)組成[31]。在分解初期,凋落物中易分解成分快速分解,為土壤微生物提供了生長(zhǎng)所需的碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),刺激土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖,從而加速微生物對(duì)易利用碳源的分解礦化作用[32],礦化速率較高；隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,易分解成分被利用完,微生物開(kāi)始分解較難分解的成分[14],其代謝活動(dòng)會(huì)逐漸受到營(yíng)養(yǎng)源的限制[33],故礦化速率降低并趨于穩(wěn)定。受有機(jī)碳礦化速率的影響[34],有機(jī)碳累積礦化量在前期增加較快(0—20 d),而后增加緩慢,這與楊繼松等研究結(jié)果的規(guī)律類(lèi)似[35]。

不同類(lèi)型的凋落物分解對(duì)有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量影響不同,究其原因,是由凋落物的植被特征造成的。通常情況下,木質(zhì)植物分解比草本植物慢,而肉質(zhì)多的植物比纖維素多的植物分解更快[36]。藜科的堿蓬屬于泌鹽型肉質(zhì)鹽生植物,葉片薄而柔軟,表皮組織薄,堿蓬中的物質(zhì)較易流失,分解較快[37],從而表現(xiàn)為有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量最高；互花米草屬于禾本科植物,與堿蓬相比,葉片厚且硬,能夠有效地防止組織破損和濾出,且纖維素含量較高,因此相比較堿蓬而言,較難分解；禾本科的蘆葦由于營(yíng)養(yǎng)元素濃度低和其外圍有一層厚壁組織,阻礙了分解者的分解活動(dòng),分解速率較其他兩種凋落物緩慢[38]。

表5 培養(yǎng)期間有機(jī)碳礦化特征曲線擬合方程Table 5 Fitting equation of organic carbon mineralization characteristic curves

X表示培養(yǎng)時(shí)間(d),Y分別表示有機(jī)碳礦化速率(mg kg-1d-1)和有機(jī)碳累積礦化量(mg/kg)

2.2 凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳光譜特征的影響

2.2.1凋落物分解過(guò)程中土壤DOC三維熒光光譜特征

為了解凋落物分解過(guò)程中土壤DOC組成、來(lái)源及結(jié)構(gòu)的變化特征,對(duì)土壤DOC進(jìn)行熒光參數(shù)測(cè)定和三維熒光光譜分析,并通過(guò)熒光區(qū)域積分(FRI)法對(duì)三維熒光光譜進(jìn)行定量分析。

(1)熒光指數(shù)FI、鮮度指數(shù)β/α、腐殖化指數(shù)HI

FI可區(qū)分DOC的陸地來(lái)源和微生物來(lái)源,2個(gè)端源的FI值分別為1.4和1.9[39]；HI可評(píng)估DOC腐殖化程度,當(dāng)HI<4時(shí),說(shuō)明土壤DOC腐殖化程度較弱,達(dá)10—16時(shí),說(shuō)明土壤腐殖化程度顯著[17]；當(dāng)β/α<1時(shí),說(shuō)明土壤DOC的自生源特征不明顯。圖4表明,FI呈先上升后下降的趨勢(shì),變化范圍為1.51—1.952(表6),表明土壤DOC腐殖質(zhì)來(lái)源從外源輸入向生物分解內(nèi)源過(guò)渡。HI呈先下降后上升最后下降的趨勢(shì),變化范圍為0.52—1.952,表明不同處理下土壤DOC的腐殖化程度較弱且凋落物分解能降低其腐殖化程度。β/α呈先上升后下降的趨勢(shì),變化范圍為0.49—0.995,表明土壤DOC受微生物影響先增強(qiáng)后減弱且自生源特征不明顯。

表6 土壤DOC熒光光譜指數(shù)Table 6 Soil DOC fluorescence spectrum index

圖4 培養(yǎng)期間土壤DOC熒光光譜指數(shù)Fig.4 Soil DOC fluorescence spectrum index during incubation periodCK：空白 Control；LW：蘆葦 Phragmites australis；JP：堿蓬 Suaeda glauca；HHMC：互花米草 Spartina alterniflora

(2)各區(qū)域熒光峰位置和熒光強(qiáng)度

因不同凋落物添加后有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量變化趨勢(shì)具有一致性,因此選取培養(yǎng)的第0、20、60天代表分解前、中、后期,進(jìn)行三維熒光光譜特征分析。

凋落物分解過(guò)程中,各三維熒光光譜的熒光峰、熒光中心位置和熒光強(qiáng)度都存在一定差異。其中空白對(duì)照在培養(yǎng)期間始終有5種熒光峰且位置穩(wěn)定；在第20天,添加堿蓬土壤的A峰相比較蘆葦和互花米草發(fā)生了明顯的紅移；隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,在第60天,添加堿蓬的土壤未發(fā)現(xiàn)類(lèi)酪氨酸B峰,其他處理下的土壤均出現(xiàn)了5種熒光峰(圖5)；添加凋落物后熒光強(qiáng)度明顯增大,這定性表明凋落物分解改變了土壤DOC的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分?？傮w來(lái)看,添加凋落物的土壤較空白對(duì)照相比,B、T熒光強(qiáng)度之和(類(lèi)蛋白熒光強(qiáng)度)大于A、C熒光強(qiáng)度之和(類(lèi)腐殖酸熒光強(qiáng)度)。

有研究表明,對(duì)于同一種熒光峰,其對(duì)應(yīng)激發(fā)波長(zhǎng)越大(紅移),所含芳香性越強(qiáng),分子量越大,聚合度越高[40-41]。堿蓬土壤的類(lèi)富里酸熒光峰出現(xiàn)紅移,說(shuō)明堿蓬土壤類(lèi)富里酸熒光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與組成和其他兩種凋落物土壤存在差異,主要是因?yàn)榈蚵湮锏闹脖惶卣骱臀镔|(zhì)結(jié)構(gòu)不同。堿蓬屬于泌鹽型肉質(zhì)鹽生植物,更易分解養(yǎng)分歸還土壤,分解速率較快[37]；互花米草殘?bào)w中有機(jī)碳結(jié)構(gòu)主要以烷氧碳和芳香碳為主,土壤中有機(jī)碳組分相對(duì)穩(wěn)定[42]；而蘆葦由于營(yíng)養(yǎng)元素濃度低和其外圍有一層厚壁組織,阻礙了分解者的分解活動(dòng),分解速率較其他兩種凋落物緩慢[38],故堿蓬土壤的A峰易發(fā)生紅移,從而表現(xiàn)為其分子量較大和聚合度較高。添加堿蓬的土壤未發(fā)現(xiàn)類(lèi)酪氨酸B峰,主要是因?yàn)轭?lèi)蛋白質(zhì)峰(酪氨酸和色氨酸)與生物活動(dòng)有密切聯(lián)系[43],堿蓬的植被特征使其分解較快從而使土壤微生物活性較強(qiáng),增加了酪氨酸和色氨酸結(jié)合到同一蛋白質(zhì)分子上的可能性,使得酪氨酸熒光易被色氨酸淬滅[44],DOC結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分發(fā)生變化,因而類(lèi)酪氨酸B峰未被檢測(cè)到。

添加凋落物后,土壤DOC的熒光強(qiáng)度增強(qiáng),光譜特征發(fā)生了明顯變化。有研究表明,土壤DOC易遷移,并在遷移過(guò)程容易與金屬離子等形成絡(luò)合物,絡(luò)合物中的氫鍵可能導(dǎo)致熒光物質(zhì)淬滅,嚴(yán)重影響其熒光強(qiáng)度[45]。在不同分解時(shí)間條件下,土壤微生物因活性改變而對(duì)DOC分解利用程度有所差別,DOC遷移特征改變,表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度等有所不同。熒光峰強(qiáng)度主要與有機(jī)質(zhì)濃度有關(guān)[46],添加凋落物后土壤DOC含量明顯提高,故熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。凋落物的添加使類(lèi)蛋白熒光強(qiáng)度大于類(lèi)腐殖酸熒光強(qiáng)度,主要是因?yàn)榈蚵湮镒鳛樨S富的有機(jī)質(zhì)來(lái)源為土壤提供大量蛋白質(zhì),微生物分泌的胞外酶和生物細(xì)胞殘留的蛋白酶等能將蛋白質(zhì)分解,其分解產(chǎn)物進(jìn)入土壤[47],造成土壤DOC具有較強(qiáng)的類(lèi)蛋白物質(zhì)。

圖5 土壤溶解性有機(jī)碳三維熒光光譜特征Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectral characteristics of soil DOCD0、D20、D60分別表示培養(yǎng)的第0、20、60天

(3)不同熒光物質(zhì)的定量分析

為定量揭示不同凋落物分解下土壤DOC結(jié)構(gòu)和組成上的差異,分別對(duì)不同處理下土壤5種組分的熒光響應(yīng)值進(jìn)行區(qū)域積分。培養(yǎng)期間,添加凋落物后各類(lèi)熒光物質(zhì)積分體積明顯增大；在培養(yǎng)的第20天,堿蓬土壤的區(qū)域積分所占比例表現(xiàn)為類(lèi)腐殖酸偏高,類(lèi)富里酸偏低(圖6),主要是由堿蓬土壤的A峰由區(qū)域Ⅲ紅移至區(qū)域Ⅴ所致?？傮w來(lái)看,培養(yǎng)期間,不同處理下類(lèi)蛋白物質(zhì)(類(lèi)酪氨酸和類(lèi)色氨酸)占比最高,類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)(類(lèi)富里酸和類(lèi)腐殖)次之。其原因是微生物可以將凋落物中的蛋白質(zhì)分解,并進(jìn)入到土壤中[47],造成土壤有機(jī)碳具有較強(qiáng)的蛋白類(lèi)熒光物質(zhì)；此外色氨酸的產(chǎn)生除了大量微生物活動(dòng)來(lái)源外,還可能由于近年來(lái)膠州灣濱海濕地受到人為活動(dòng)干擾,周?chē)B(yǎng)殖池塘、生活污水及工廠生產(chǎn)廢水排放等增加了土壤中該類(lèi)污染物的含量[26],使類(lèi)色氨酸比例最高,直接體現(xiàn)為類(lèi)蛋白物質(zhì)比例最高；腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)(類(lèi)富里酸和類(lèi)腐殖酸)一般來(lái)自植物殘?bào)w的腐爛及其降解產(chǎn)物,而微生物對(duì)凋落物的分解作用為腐殖質(zhì)類(lèi)熒光物質(zhì)的增加具有一定的貢獻(xiàn)。

圖6 土壤DOC熒光區(qū)域組分分布Fig.6 The distribution of composition in DOC fluorescence area of soil D0、D20、D60分別表示培養(yǎng)的第0、20、60天

2.2.2凋落物分解過(guò)程土壤DOC紫外光譜特征

圖7 凋落物分解過(guò)程中土壤紫外光譜特征Fig.7 Ultraviolet spectral characteristics of soil during decomposition of litter

紫外光譜特征值(A280、A254、E253/203)可用于評(píng)估DOC的芳香性[48]。研究表明,A254和E253/203主要代表芳香族化合物及具有不飽和碳碳鍵的一類(lèi)較難分解的化合物[49]；A280表征有機(jī)質(zhì)的方向性構(gòu)化程度,其值越小,芳香性構(gòu)化程度也越小[39]。培養(yǎng)期間,凋落物分解使土壤芳香性出現(xiàn)較大波動(dòng)。總體來(lái)看,A280、A254、E253/203呈先上升后下降的趨勢(shì)(圖7)。各紫外光譜指數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)一步說(shuō)明在培養(yǎng)期間不同處理下土壤DOC的芳香化程度先升高后降低。究其原因,在培養(yǎng)前期(0—20 d)凋落物中易分解物質(zhì)被分解,從而造成土壤DOC中的芳香性增加,隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,凋落物分解對(duì)土壤微生物的活性影響越來(lái)越顯著,活躍的微生物過(guò)程也會(huì)改變土壤DOC的性質(zhì)[50]；在培養(yǎng)后期,凋落物的微生物分解過(guò)程占主導(dǎo),添加凋落物土壤中較難利用的成分被微生物降解成小分子物質(zhì),造成了土壤DOC芳香性降低,從而加速土壤微生物對(duì)復(fù)雜有機(jī)碳化合物的降解,進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量。

3 結(jié)論

添加凋落物后的有機(jī)碳礦化速率前期(0—20 d)迅速降低后保持穩(wěn)定,受礦化速率的影響,有機(jī)碳累積礦化量前期(0—20 d)增加較快,后逐漸減慢；采用乘冪曲線模型能較好地描述有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量的變化趨勢(shì),且相關(guān)性較好。凋落物分解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化具有顯著的促進(jìn)作用,且因凋落物植被特征的不同而導(dǎo)致作用程度有所差異。

光譜分析表明,添加堿蓬土壤的A峰在第20天出現(xiàn)了明顯的“紅移”現(xiàn)象,在培養(yǎng)末期未發(fā)現(xiàn)類(lèi)酪氨酸B峰；添加凋落物后,各類(lèi)熒光物質(zhì)積分體積明顯增大,土壤DOC 5種組分中,類(lèi)蛋白質(zhì)物質(zhì)(類(lèi)酪氨酸和類(lèi)色氨酸)占比最高,類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)(類(lèi)富里酸和類(lèi)腐殖酸)次之；培養(yǎng)期間,凋落物分解使土壤芳香性出現(xiàn)了較大波動(dòng)。凋落物分解通過(guò)影響土壤有機(jī)碳的含量和結(jié)構(gòu),促進(jìn)微生物內(nèi)源有機(jī)碳的產(chǎn)生,增強(qiáng)土壤有機(jī)碳的生物可降解性,從而提高土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量。