不同浸提劑處理森林土壤溶解性有機(jī)碳含量比較①

丁咸慶，柏 菁，項(xiàng)文化，侯紅波，彭佩欽*

不同浸提劑處理森林土壤溶解性有機(jī)碳含量比較①

丁咸慶1，柏 菁2，項(xiàng)文化1，侯紅波2，彭佩欽2*

(1中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長沙 410004；2 中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410004)

為了解亞熱帶森林土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)的特征規(guī)律，采用培養(yǎng)離心的方法獲取土壤溶液測得DOC含量，對比傳統(tǒng)水溶性有機(jī)碳(WSOC) 提取法間的差異。選取湖南大山?jīng)_森林公園保存完好的3種亞熱帶典型次生林地，按10 cm一層采集剖面土壤，采用不同方法提取測定土壤DOC和WSOC含量，分析與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性及方法間的顯著性關(guān)系。結(jié)果表明：①典型森林土壤 DOC或WSOC含量隨土壤剖面深度的增加，呈顯著下降趨勢。培養(yǎng)離心提取測得的土壤DOC含量明顯較低，僅0.82 ~ 9.52 mg/kg，超純水浸提的風(fēng)干土WSOC含量達(dá)10.56 ~ 249.19 mg/kg，而0.5 mol/L K2SO4提取的鮮土WSOC含量達(dá)155.70 ~ 576.94 mg/kg，0.5 mol/LK2SO4浸提的干土WSOC含量最高，達(dá)158.94 ~ 797.56 mg/kg，含量表現(xiàn)為：DOC<干土超純水浸提WSOC<鮮土K2SO4浸提WSOC<干土K2SO4浸提WSOC；②3種次生林土壤DOC或WSOC含量存在顯著差異，不同方法測定的含量均表現(xiàn)為針葉林<常綠闊葉林<落葉林；③培養(yǎng)離心法測得土壤DOC含量與其他測定方法間存在極顯著正相關(guān)(<0.01)，并且土壤DOC和WSOC均與土壤pH、總有機(jī)碳、胡敏酸、富啡酸、全氮、全磷、速效態(tài)氮以及微生物生物量碳氮達(dá)到極顯著相關(guān) (<0.01)，與土壤含水率和容重顯著相關(guān)(<0.05)。培養(yǎng)離心法測得土壤DOC含量遠(yuǎn)低于水溶液提取WSOC含量，該方法下的測得值更接近于原位土壤溶解性有機(jī)碳實(shí)際值。

溶解性有機(jī)碳；水溶性有機(jī)碳；森林類型；培養(yǎng)離心；測定方法

溶解于自然水體或土壤溶液中的有機(jī)碳組分，稱之為溶解性有機(jī)碳DOC (dissolved organic carbon)。土壤中可被純水或鹽溶液浸提出的有機(jī)碳組分，稱之為水溶性有機(jī)碳WSOC ( water-soluble organic carbon)。為盡可能反映土壤DOC的規(guī)律特征，大多數(shù)研究采用WSOC替代DOC來進(jìn)行測定、分析和研究[1-3]。DOC雖僅占土壤有機(jī)碳庫的一小部分，但卻是其中最活躍的組分之一[4-6]。作為土壤養(yǎng)分(C、N、P、S)移動(dòng)的載體因子[7-9]，它是土壤有機(jī)碳損失的重要途徑，對分析土壤養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化、土壤有機(jī)質(zhì)的生態(tài)化學(xué)過程具有實(shí)際意義[10-12]。DOC同時(shí)還能夠吸附土壤中的重金屬以及其他一些有害物質(zhì)[13-15]，對土壤污染的解毒治理發(fā)揮著重要作用，因而已成為土壤學(xué)、環(huán)境化學(xué)和地球化學(xué)等諸多學(xué)科的研究熱點(diǎn)[16]。

土壤DOC主要來源于植物凋落物、植物根系分泌物、微生物及土壤腐殖質(zhì)等[17]。在土壤環(huán)境中，DOC既是土壤生物化學(xué)過程的產(chǎn)物，又是土壤微生物生長、分解有機(jī)碳的重要能源，進(jìn)而影響營養(yǎng)物質(zhì)的供給和有效性[18]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤DOC的化學(xué)特性往往隨植被物種組成的不同而異[19-21]。由于森林土壤常年水分含量很低，在野外自然條件下無法直接獲得土壤溶液，而浸提法WSOC測定值往往與自然狀態(tài)下原位土壤的DOC含量相距甚遠(yuǎn)。為使不同森林類型不同土壤水分條件下的土壤溶液DOC的研究結(jié)果具有一定的可比性，本研究基于“飽和田間持水量-恒溫培養(yǎng)-高速離心”的土壤溶液提取裝置和測定方法進(jìn)行DOC分析[22]。

亞熱帶森林地區(qū)占我國面積25% 以上，了解該地區(qū)土壤DOC含量特征及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，可為土壤養(yǎng)分的循環(huán)及流失特供理論支持，防止森林土壤有機(jī)碳庫損失、土壤肥力退化以及土地大面積流失等嚴(yán)重危害具有重要意義。為此，本研究選擇亞熱帶典型森林土壤，測定分析剖面土壤DOC含量及其分布特征，探討其受植被組成和土壤理化性質(zhì)共同影響下的垂直分布規(guī)律，以期為進(jìn)一步揭示森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳成分組成及碳循環(huán)過程提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于湖南省長沙縣路口鎮(zhèn)大山?jīng)_森林公園 (113°17′~ 113°19′E，28°23′ ~ 28°24′N)，海拔高度55 ~ 350 m，屬于典型亞熱帶大陸型季風(fēng)濕潤氣候，年均溫度 16.7 ~ 17.6 ℃，極端高溫 40 ℃，極端低溫-11 ℃，雨量充沛，相對濕度較大，年降雨量在1 412 ~ 1 559 mm。土壤是由板巖和頁巖發(fā)育而成的紅壤。園區(qū)現(xiàn)存植被包括多種次生林類型，其中包括馬尾松針葉林、石櫟-青岡常綠闊葉林和南酸棗落葉闊葉林等3種典型亞熱帶次生林類型。

1.2 樣地選擇和樣品采集

2015年1月，通過了解園區(qū)森林群落類型，調(diào)查樣地植被分布和土壤狀況，選取3種典型次生林地。通過挖取土壤剖面，采集剖面土壤樣品，采樣深度為0 ~ 100 cm。樣地信息見表1。

表1 采樣地信息

采樣時(shí)，先去除地面凋落物，按10 cm一層從下往上取10層，每層各取3個(gè)環(huán)刀樣和一個(gè)新鮮混合土樣1 kg。充分混勻后，取其中一部分鮮土樣立即儲存于自封袋中，置于4 ℃保存；剩余土樣自然風(fēng)干1 ~ 2周后，木棒碾碎，剔除可見石子和根系，分別過20目和100目的尼龍篩后保存。由于剖面DSC001土壤厚度較低，底層多石礫，只取到40 cm。剖面土壤基本理化性質(zhì)見表2。

1.3 土壤溶液DOC的獲取方法

采用培養(yǎng)離心的方法來獲得土壤溶液，具體操作為：土壤樣品帶回后，立即開展土壤田間持水量值的測定。根據(jù)田間持水量值，計(jì)算300.0 g混合水土樣品所需鮮土和需補(bǔ)充的超純水質(zhì)量。準(zhǔn)確稱取鮮土樣品，置于250 ml燒杯或樂扣盒中，均勻添加所需超純水量，隨后保鮮膜封口或封蓋，并置于25 ℃ 恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，避光培養(yǎng)24 h。

表2 剖面土壤基本理化性質(zhì)

注：表中數(shù)值是按土壤層次取的平均值。

將培養(yǎng)后的土壤樣品，全部轉(zhuǎn)移裝入200目的腈綸布袋中，并放入聚丙烯離心瓶，于超高速冷凍離心機(jī)(TG21KR，長沙東旺)4 ℃，8 000 r/min冷凍離心約0.5 h。隨后，擰開離心瓶底部的溶液收集盒，稱取溶液質(zhì)量(約50.0 g)，并將土壤溶液通過0.45 μm濾膜轉(zhuǎn)入聚乙烯小白瓶貯于-20 ℃ 冰箱中保存待測。

1.4 分析測定方法

土壤容重、毛管孔隙度采用環(huán)刀法測定；pH采用超純水浸提，土水比1︰2.5，酸度計(jì)(pHS-3C，上海雷磁)測定；土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法，測得土壤各粒徑顆粒所占比(黏粒< 2 μm；粉粒2 ~ 50 μm；砂粒>50 μm)；土壤全氮和全磷采用凱氏定氮法消解，間斷化學(xué)分析儀(Easychem plus，意大利希思迪)測定。土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。

新鮮土壤離心溶液中溶解性有機(jī)碳DOC含量采用有機(jī)碳分析儀 (TOC-VWP，日本島津)測定。土壤水溶性有機(jī)碳WSOC采用3種浸提方法獲得土壤浸提液，方法分別為：0.5 mol/L K2SO4浸提新鮮土樣，土水比1︰3；超純水浸提風(fēng)干土樣，土水比1︰10；0.5 mol/L K2SO4浸提風(fēng)干土，土水比1︰10，25 ℃水平振蕩0.5 h，轉(zhuǎn)速180 r/min，浸提液通過0.45 μm濾膜并保存待測。土壤水溶性有機(jī)碳WSOC含量與DOC含量的測定方法相同。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用CANOCO 4.5進(jìn)行RDA分析并繪制排序圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林土壤DOC含量剖面特征

3種次生林剖面土壤DOC含量隨剖面深度的增加呈顯著下降趨勢，深度40 cm之后含量基本穩(wěn)定 (圖1A)。剖面DSC001土壤DOC含量較其他兩個(gè)剖面顯著較低，DSC003土壤DOC含量最高(<0.05)，各剖面DOC平均含量及顯著性差異見表3。

2.2 森林土壤WSOC含量剖面特征

2.2.1 鮮土WSOC含量 采用0.5 mol/L的K2SO4浸提鮮土，測得土壤WSOC含量剖面值見圖1B。各剖面WSOC含量值存在顯著性差異(<0.05)，落葉林DSC003剖面0 ~ 40 cm含量最高達(dá)478.44 mg/kg，顯著高于針葉林DSC001剖面的296.92mg/kg(表3)。

圖1 三種次生林土壤DOC含量及K2SO4提取鮮土WSOC含量剖面特征

2.2.2 風(fēng)干土WSOC含量 鮮土風(fēng)干后的土壤樣品，分別采用超純水和0.5 mol/L K2SO4溶液兩種浸提劑提取干土WSOC含量，測定值見圖2。超純水提取的0 ~ 40 cm土壤WSOC含量，各樣地剖面間無顯著性差異，而K2SO4溶液提取的土壤WSOC含量，剖面DSC002和DSC003顯著高于剖面DSC001 (< 0.05)。兩種提取方法測得40 ~ 100 cm土壤WSOC含量均顯著低于0 ~ 40 cm土層含量(表4)。各樣地剖面，K2SO4溶液提取的WSOC含量顯著高于超純水的提取含量，兩種提取方法下的含量比值最高可達(dá)13.8。

表3 三種次生林土壤DOC和WSOC含量及比值

注：表中小寫字母不同表示剖面土壤各層次DOC或WSOC含量差異顯著 (<0.01)，下同。

圖2 超純水和K2SO4提取測得風(fēng)干土壤WSOC含量剖面特征

表4 不同提取方法測得土壤WSOC含量對比

K2SO4溶液提取的鮮土和風(fēng)干土WSOC含量同樣存在顯著差異，兩者之間的比值見表4。盡管比值接近1，但鮮土的提取土水比是1︰3，風(fēng)干土的提取土水比為1︰10，因此土壤在風(fēng)干之后，相較于鮮土WSOC含量顯著提高了3 ~ 4倍。

2.2.3 不同測定方法土壤DOC和WSOC含量的相關(guān)性分析 通過相關(guān)性分析，獲得DOC與WSOC含量之間的相關(guān)性程度(表5)。結(jié)果表明，無論是風(fēng)干土樣還是新鮮土樣，不同測定方法之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。特別是，0.5 mol/L K2SO4浸提風(fēng)干土和新鮮土下的WSOC含量相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)0.923(<0.01)。

表5 不同測定方法DOC和WSOC含量測定值的相關(guān)性分析

注：* 表示相關(guān)性達(dá)到<0.05顯著水平，** 表示相關(guān)性達(dá)到<0.01顯著水平，下同。

2.3 DOC-WSOC與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性

2.3.1 與土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù) 表6列出了土壤DOC、WSOC與土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。從表6可見，不同測定方法下土壤DOC和WSOC與土壤總有機(jī)碳、胡敏酸、富啡酸、全氮、全磷、有效態(tài)氮、微生物生物量碳氮和pH均達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系(<0.01)，與土壤容重和土壤含水率存在一定的顯著相關(guān)關(guān)系 (<0.05)。

表6 DOC和WSOC與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

注：*表示相關(guān)性達(dá)到<0.05顯著水平，**表示相關(guān)性達(dá)到<0.01顯著水平。

2.3.2 與土壤理化指標(biāo)的二維排序圖 圖3繪制了土壤DOC、WSOC與土壤理化指標(biāo)的二維排序圖( RDA)。從圖中可見，不同測定方法下土壤DOC和WSOC含量與土壤總有機(jī)碳、胡敏酸(HA)、富啡酸(FA)、全氮、全磷、有效態(tài)氮、微生物生物量碳氮(MBC/MBN)和pH均達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系。并且，0.5 mol/L K2SO4浸提風(fēng)干土和新鮮土下的WSOC含量與土壤總有機(jī)碳具有更高的相關(guān)系數(shù)，而超純水浸提WSOC含量與土壤總有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)相對較低。

3 討論

DOC是陸地生態(tài)系統(tǒng)中極為活躍的有機(jī)碳組分，它是連接土壤圈層與其他圈層的重要物質(zhì)形式[5]，雖然僅僅占土壤有機(jī)質(zhì)總量極小的一部分，但卻可能是土壤有機(jī)質(zhì)中最具生物有效性的組分，是地表水和地下水中溶解性有機(jī)質(zhì)的重要來源，其淋失是土壤有機(jī)質(zhì)損失的重要途徑[23]。大量有關(guān)土壤DOC垂直分布的研究均說明其含量會(huì)隨著土層深度增加明顯下降，且土壤有機(jī)碳垂直分布格局受到植被類型等各種因素的影響[24-26]。本研究結(jié)果表明，隨著土壤剖面深度的增加土壤DOC的含量均呈現(xiàn)出明顯遞減的趨勢，不同森林類型土壤DOC含量也存在顯著差異，基本表現(xiàn)為針葉林<常綠闊葉林<落葉林，說明土壤DOC呈現(xiàn)明顯地帶性分布特征，受植被組成及土壤性質(zhì)等影響明顯，因此DOC可能對森林土壤有機(jī)碳的組成特征及新舊組分的演替起重要作用。

圖3 土壤DOC和WSOC與土壤理化指標(biāo)的二維排序圖( RDA)

有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)DOC含量隨剖面變化特征及遷移規(guī)律的研究，國內(nèi)開展的多以超純水或K2SO4浸提WSOC表征。本研究結(jié)果表明典型森林土壤DOC含量在不同測定方法間存在顯著差異，其中培養(yǎng)離心方法獲得的DOC在6.07 ~ 0.54 mg/kg之間，遠(yuǎn)低于WSOC含量，不同測定方法間基本表現(xiàn)為：DOC<超純水浸提WSOC<鮮土K2SO4浸提WSOC<風(fēng)干土K2SO4浸提WSOC，盡管含量差異較大，但方法之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系。有研究表明，在相同濃度下，用K2SO4提取的WSOC 量最高，并建議針對不同的研究目的和土壤條件要建立適用的提取方法[27]。本研究結(jié)果表明，風(fēng)干土K2SO4提取WSOC效率都明顯高于其他方法，說明K2SO4從土壤中提取了額外的水溶性有機(jī)碳。不同提取方法提取的WSOC的具體組分到底有何差異需要進(jìn)一部探究，而直接獲得土壤溶液，測定分析的結(jié)果可能更接近于實(shí)際值。

通過分析土壤DOC與土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)性，表明土壤理化性質(zhì)對DOC的影響顯著。土壤DOC與胡敏酸和富啡酸極顯著相關(guān)，表明了DOC的重要來源。同時(shí)，微生物在土壤中扮演重要角色，參與土壤有機(jī)碳物質(zhì)的分解利用和再循環(huán)，因而DOC與微生物生物量碳氮極顯著相關(guān)。由于土壤DOC強(qiáng)的遷移性，其將深刻影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程，并在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程中扮演相當(dāng)重要的角色。

4 結(jié)論

亞熱帶典型森林土壤DOC和WSOC含量隨土壤剖面深度的增加，均呈下降趨勢，森林植被類型顯著影響土壤DOC和WSOC含量。培養(yǎng)離心方法測定的DOC含量顯著低于其他提取方法，不同測定方法間存在極顯著相關(guān)性。土壤DOC和WSOC均與土壤有機(jī)碳、胡敏酸、富啡酸、全氮、全磷、有效態(tài)氮、微生物生物量碳氮和pH達(dá)到極顯著相關(guān)，與土壤容重和土壤含水率達(dá)到顯著相關(guān)。

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Comparison of Dissolved Organic Carbon Contents in Forest Soils Extracted by Different Agents

DING Xianqing1, BAI Jing2, XIANG Wenhua1, HOU Hongbo2, PENG Peiqin2*

(1Faculty of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2 Faculty of Environmental Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

0-10 cmsoil samples were collected under three secondary forests in Dashanchong Forest Park in Hunan, the contents of dissolved organic carbon (DOC) and water-soluble organic carbon (WSOC) were measured with different extraction agents. The results showed that: 1) DOC and WSOC contents were decreased significantly with the increase of soil depth. DOC content measured by cultivation-centrifugation method was the lowest (only 0.82 - 9.52 mg/kg), followed by WSOC content extracted by ultra-pure water in air-dried soils (10.56 - 249.19 mg/kg), WSOC contents extracted by K2SO4in fresh and air-dried soils were the highest (155.70 - 576.94 mg/kg and 158.94 - 797.56 mg/kg, respectively). The average content was in the order of DOC < WSOC extracted by ultra-pure water in air-dried soils < WSOC extracted by K2SO4in fresh soils < WSOC extracted by K2SO4in air-dried soils. 2) Significant differences were found in soil DOC or WSOC contents under three forests, and both DOC and WSOC contents determined by different methods were in the order of coniferous forests < evergreen broad-leaved forests < deciduous forest. 3) Extremely significant positive correlation was found between DOC contents measured by the cultivation-centrifugation method and other methods (<0.01). DOC or WSOC contents were extremely significantly correlated with soil organic carbon, humic acid, fulvic acid, total nitrogen, total phosphorus, available N, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and pH (<0.01), and significantly correlated with soil bulk density and soil water content (<0.05). DOC content measured by the cultivation-centrifugation method was far lower than WSOC content extracted by salt solution, however, it was closer to the actual value of in-situ measured soil dissolved organic carbon.

Dissolved organic carbon (DOC); Water-soluble organic carbon (WSOC); Forest type; Cultivation centrifugation; Determination method

S714；S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.03.014

丁咸慶, 柏菁, 項(xiàng)文化, 等. 不同浸提劑處理森林土壤溶解性有機(jī)碳含量比較. 土壤, 2020, 52(3): 518–524.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31470629)資助。

(pqpeng123@sina.com)

丁咸慶(1990—)，男，安徽當(dāng)涂人，博士研究生，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。E-mail: dringxianqing@163.com