退耕還濕后不同植物群系土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的熒光光譜特征

史傳奇，李 艷，于少鵬，胡寶忠*，金 梁

1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150038 2. 哈爾濱學(xué)院，黑龍江省寒區(qū)濕地生態(tài)與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086 3. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150038 4. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097

引 言

溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)是具有酸、堿及水溶性的一系列復(fù)雜的有機(jī)分子的綜合體，土壤中DOM主要來源于微生物活動(dòng)、植物凋落物、根系分泌物等[1]，可參與土壤有機(jī)質(zhì)的累積、碳循環(huán)、重金屬遷移及污染物去除等過程，促進(jìn)土壤發(fā)育，并有效地反映土壤有機(jī)質(zhì)組成與外部環(huán)境間的相關(guān)關(guān)系[2-4]，對(duì)不同植被類型、土地利用方式、氣候條件等具有響應(yīng)[5-7]。應(yīng)用三維熒光光譜可以測(cè)定DOM中各有機(jī)組分的熒光特征，結(jié)合平行因子分析法，判定各有機(jī)組分的種類，如類富里酸、類胡敏酸、類蛋白等，熒光強(qiáng)度還可以表征各有機(jī)組分濃度[1, 8]。因此，三維熒光光譜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究不同條件下土壤DOM的來源、組成和性質(zhì)，評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量[2, 9]。

退耕還濕是濕地生態(tài)恢復(fù)的重要措施，其中植被恢復(fù)是退耕還濕的基本條件之一，對(duì)提高植物多樣性、保護(hù)野生動(dòng)物棲息地、提升土壤環(huán)境質(zhì)量、重建濕地生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)作為退耕還濕恢復(fù)效果評(píng)價(jià)體系的重要組成部分，其中土壤DOM是土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一。不同植被覆蓋條件下，土壤DOM的組分及其來源、性質(zhì)有所差異[6, 10]，探明這一差異性可為濕地土壤恢復(fù)方法提供參考依據(jù)。

本研究采集哈爾濱阿勒錦島國家濕地公園退耕還濕后6種典型植物群系條件下土壤樣品，應(yīng)用三維熒光-平行因子分析的方法測(cè)定土壤中DOM的熒光光譜特征，探明退耕還濕后不同植物群系條件下土壤DOM的來源、組成和影響因素。研究結(jié)果可作為不同植被恢復(fù)方式土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，并可指導(dǎo)退耕還濕過程中植物物種選擇，以更好的實(shí)施退耕還濕工作。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 土壤樣品采集

本研究于2019年7月30日，在位于松花江哈爾濱城區(qū)的阿勒錦島國家濕地公園(126°37′26″—126°40′29″E，45°47′30″—45°48′38″N)內(nèi)進(jìn)行。退耕還濕工作已開展12年，植被恢復(fù)效果顯著。目前該濕地公園規(guī)劃面積約419公頃，具有河流濕地和沼澤濕地兩大類，濕地率為71.1%。依據(jù)2019年5月—7月該濕地公園植物多樣性監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別采集榆樹(Ulmuspumila, U)群系、松江柳(Salixsungkianica, S)群系、豬毛蒿(Artemisiascoparia, A)群系、蘆葦(Phragmitesaustralis, P)群系、灰脈薹草(Carexappendiculata, C)群系和香蒲(Typhaorientalis, T)群系土壤。其中，U、S群系以木本植物為主，植物多樣性較其余4種草本植物群系豐富。U，S和A群系處于旱生環(huán)境，P，C和T群系處于濕生環(huán)境，且土壤采集時(shí)P和T群系有季節(jié)性積水。各群系內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m樣方，作為3次重復(fù)，兩樣方間距離大于10 m。將樣方的4個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)作為小樣點(diǎn)，利用環(huán)刀(直徑4 cm)于距地表5～10 cm處取土壤樣品50 g，分別將5個(gè)小樣點(diǎn)土壤樣品去除植物根系等雜質(zhì)后充分混合，依次做好標(biāo)記，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 方法

參考文獻(xiàn)[8]，各取土壤樣品5 g，加入50 mL雙蒸水，200 r·min-1(室溫)水平振蕩24 h，2 800 r·min-1(4 ℃)離心10 min，上清液過0.45 μm孔徑的玻璃纖維濾膜，即得到DOM溶液。利用Multi N/C 2100型TOC分析儀(德國耶拿)測(cè)定DOM溶液中溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)含量，加入雙蒸水，將所有樣品的DOC濃度調(diào)至15 mg·L-1。采用F-7000型(日本日立)熒光光譜測(cè)定儀測(cè)定DOM樣品三維熒光光譜，激發(fā)光源450 W氙弧燈，PMT電壓700 V，掃描范圍激發(fā)波長(Ex)和發(fā)射波長(Em)均為200～600 nm，掃描速度2 400 nm·min-1，間隔為10 nm，狹縫寬度為5 nm。熒光發(fā)射光一側(cè)加290 nm的截止濾光片以避免熒光光譜圖出現(xiàn)二級(jí)瑞利散射。

采用pH儀(上海雷磁PHS-3C)測(cè)定土壤pH值《NY/T1121.2—2006》，環(huán)刀法測(cè)定土壤容重(bulk density, BD)《NY/T1121.4—2006》，烘干法測(cè)定土壤含水量(moisture content，MC)《NY/T1121.4—2006》，乙酸銨法測(cè)定土壤陽離子交換量(cation exchange capacity, CEC)《LY/T1243—1999》，Multi N/C 2100型TOC分析儀(德國耶拿)測(cè)定土壤總有機(jī)碳(total organic carbon, TOC)含量，半微量凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮(total N, TN)含量《NY/T53—1987》，HClO4-H2SO4法測(cè)定土壤全磷(total P, TP)含量《NY/T88—1998》，酸消解-火焰光度法測(cè)定土壤全鉀(total K, TK)含量《NY/T87—1988》，每個(gè)樣品各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用熒光光譜測(cè)定儀軟件[FL WinLab software (Perkin Elmer)]收集數(shù)據(jù)，利用Matlab R2013a軟件Removescatter工具包進(jìn)行去散射，DOMFluor工具包進(jìn)行平行因子分析，對(duì)半分析和殘差分析檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?，確定有機(jī)組分個(gè)數(shù)，繪制三維熒光圖譜。參考文獻(xiàn)[10]和[11]，利用Origin 2019b軟件對(duì)去散射數(shù)據(jù)中激發(fā)波長Ex=254 nm時(shí)發(fā)射波長在435～480與300～345 nm范圍內(nèi)的熒光峰面積的比值計(jì)算腐殖化指數(shù)(humification index, HIX)。利用Excel 2010對(duì)去散射數(shù)據(jù)中激發(fā)波長Ex=370 nm時(shí)發(fā)射波長450 nm∶500 nm條件下的熒光強(qiáng)度比值計(jì)算熒光指數(shù)(fluorescence index, FI370)，激發(fā)波長Ex=310 nm時(shí)發(fā)射波長380 nm∶430 nm條件下的熒光強(qiáng)度比值計(jì)算生物指數(shù)(biological index, BIX)。利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析及Duncan多重比較和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤DOM的熒光光譜指數(shù)

利用去散射數(shù)據(jù)計(jì)算土壤DOM熒光光譜指數(shù)(表1)。HIX可代表土壤DOM的腐殖化程度，6種植物群系的HIX在0.830～1.699范圍內(nèi)，依據(jù)文獻(xiàn)[8]和[11]中所參考的標(biāo)準(zhǔn)，本研究中HIX平均值均小于1.5，即6種植物群系土壤的腐殖化程度較低。P群系土壤HIX顯著高于A群系，但兩者各自與其余4種群系土壤HIX差異不顯著，說明該濕地公園內(nèi)不同植物群系條件下土壤腐殖化程度相接近。

表1 土壤DOM熒光光譜指數(shù)Table 1 Fluorescence spectrum indices of soil DOM

FI370可用于反映土壤DOM的來源[1, 10]，由表1可知，F(xiàn)I370分布于1.533～1.894范圍內(nèi)，介于陸生源特征值(FI370=1.4)與自生源特征值(FI370=1.9)之間，說明該濕地公園內(nèi)土壤DOM的來源既有微生物活動(dòng)產(chǎn)生，也有植物殘?bào)w、根際分泌物等陸源輸入。C和T群系的FI370相對(duì)較高，即兩個(gè)群系具有相對(duì)較強(qiáng)的自生源特性。

BIX可表征土壤DOM中自源性與陸源性有機(jī)質(zhì)間的比例，本研究BIX范圍在0.700～0.839，同文獻(xiàn)[11]結(jié)果相近，其中S群系平均值接近區(qū)間值0.8，U，A和P群系土壤DOM屬中度新近自生源(BIX<0.8)，而C和T群系土壤自生源較強(qiáng)(0.8

2.2 土壤DOM的熒光光譜特征

基于平行因子分析繪制三維熒光圖譜(圖1)，參考文獻(xiàn)[1]對(duì)熒光組分的鑒定方法，本研究6種植物群系土壤DOM中識(shí)別出3個(gè)有機(jī)組分。其中，C1(250/400 nm)鑒定為類富里酸組分，C2(270/450 nm)鑒定為類胡敏酸組分，C3(220/330 nm)鑒定為類蛋白組分。3個(gè)有機(jī)組分常見于草甸[1]、農(nóng)田[7]及林地[8]土壤中。

圖1 土壤DOM三維熒光組分Fig.1 Three dimensional fluorescence components of soil DOM

表2 土壤DOM中各有機(jī)組分的熒光強(qiáng)度Table 2 Fluorescence intensity of organic components of soil DOM

對(duì)6種植物群系土壤DOM中3個(gè)有機(jī)組分的熒光強(qiáng)度進(jìn)行方差分析(表2)，C1組分的熒光強(qiáng)度在P群系中最高；C2組分在U，P和T群系中最高，三者差異不顯著；C3組分在P和T群系中最高。各植物群系總組分和同時(shí)反映出，P群系具有相對(duì)較高的熒光強(qiáng)度，即DOM具有較高的相對(duì)濃度，其次為T群系，C群系相對(duì)較低。

對(duì)土壤DOM中3個(gè)有機(jī)組分的相對(duì)比重進(jìn)行方差分析(表3)。除P群系中C1組分相對(duì)比重較高外，其余植物群系中C3組分的相對(duì)比重均較高，接近50%。從總組分和的比例上看，6種植物群系土壤DOM中C3相對(duì)比重最高，其次為C1，C2相對(duì)較低，即該濕地公園表層土壤中類蛋白小分子物質(zhì)占有較大比例，進(jìn)一步說明腐殖化程度較低。

表3 土壤DOM中各有機(jī)組分的相對(duì)比重(%)Table 3 Relative ratio (%) of organic components of soil DOM

2.3 土壤DOM有機(jī)組分與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

如表4，不同于大尺度空間條件下的土壤樣品[1, 8, 11]，本研究中6種植物群系土壤pH值無顯著性差異，且土壤均呈中性。受季節(jié)性積水的影響，U，S和A群系土壤處于相對(duì)干旱環(huán)境，BD顯著高于其余濕生植物群系土壤，而MC在濕生植物群系土壤中較高。P，C和T濕生植物群系土壤CEC顯著高于旱生環(huán)境。木本植物群系U，S中TOC，TN，TP和TK含量均較高，可能與此兩種木本植物群系具有較高的植物多樣性有關(guān)。

表4 土壤樣品理化性質(zhì)Table 4 Physiochemical properties of soil samples

利用土壤DOM的3個(gè)有機(jī)組分的熒光強(qiáng)度，結(jié)合8項(xiàng)土壤理化指標(biāo)做Pearson相關(guān)性分析。如表5，BD與C1、C2組分具有顯著負(fù)相關(guān)性，MC與3個(gè)有機(jī)組分具有極顯著或顯著的正相關(guān)性，CEC與C1、C2組分具有極顯著正相關(guān)性。說明在本研究中，BD、MC、CEC可顯著地影響土壤DOM有機(jī)組分結(jié)構(gòu)。pH值對(duì)土壤DOM含量具有影響[12]，但本研究中由于樣品來源于較小的空間尺度，不同植物群系土壤pH值差異不顯著，因此未表現(xiàn)出與土壤DOM有機(jī)組分間具有顯著相關(guān)性。其余4項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)與各有機(jī)組分的相關(guān)性不顯著，但仍可能是影響土壤DOM的間接因素。

表5 土壤DOM各有機(jī)組分與理化指標(biāo)間相關(guān)性Table 5 Correlation between organic components of soil DOM and physiochemical properties

3 結(jié) 論

退耕還濕后榆樹、松江柳、豬毛蒿、蘆葦、灰脈薹草、香蒲6種典型植物群系土壤腐殖化程度均較弱，土壤DOM同時(shí)來源于土壤微生物活動(dòng)與植物凋落物、根系分泌物等輸入。

土壤DOM中含有3種有機(jī)組分，相對(duì)比重由大到小依次為類蛋白組分、類富里酸組分、類胡敏酸組分。濕生蘆葦群系土壤DOM相對(duì)濃度較高。

各植物群系土壤呈中性，pH值差異不顯著。旱生植物群系具有較高的土壤容重，濕生植物群系土壤含水量及陽離子交換量較高。木本植物群系土壤養(yǎng)分含量高于草本植物群系。土壤容重、含水量和陽離子交換量可顯著影響土壤DOM有機(jī)組分結(jié)構(gòu)。

總體上看，阿勒錦島國家濕地公園實(shí)施退耕還濕后，木本植物群系提高了土壤養(yǎng)分含量，而濕生草本植物群系可在一定程度上提高土壤腐殖化程度。