鹽城濱海濕地土壤溶解性有機質(zhì)的光譜特征分析

何冬梅,王 火,祝亞云,江 浩①

(1.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院,江蘇 南京 211153;2.江蘇鹽城濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,江蘇 鹽城 224136)

濱海濕地是連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶,容易受人為活動、氣候變化以及生物入侵等因素的影響,是脆弱的生態(tài)敏感區(qū),也是濕地保護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)[15-16]。而溶解性有機質(zhì)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)向海洋生態(tài)系統(tǒng)輸送養(yǎng)分的重要載體,其化學(xué)特性直接影響其在濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)過程中的作用[17]。因此,了解濱海濕地土壤DOM的化學(xué)特性和來源,對于濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)研究和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

鹽城濱海濕地面積為52.15萬hm2,占江蘇濱海濕地總面積的56%,占全國濱海濕地面積的1/10。鹽城濱海濕地類型多樣,生物多樣性資源豐富,兩處國際重要濕地于2019年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》,成為中國首個濱海濕地型自然遺產(chǎn)。近年來學(xué)者們在鹽城濱海濕地開展了大量研究,主要包括濕地生態(tài)修復(fù)[18]、景觀格局演變[19]、土壤有機碳分布與動態(tài)[20]等方面,但是關(guān)于土壤DOM的研究較少,尤其針對濱海濕地土壤DOM來源、化學(xué)組成和光譜特性的研究較缺乏。因此,該研究選取鹽城濱海濕地為研究對象,運用紫外/可見光譜和熒光光譜技術(shù)對鹽城濱海不同濕地類型土壤DOM的化學(xué)特性進(jìn)行分析,以期了解鹽城濱海濕地土壤DOM的組成、結(jié)構(gòu)和來源,為進(jìn)一步探討土壤DOM在鹽城濱海濕地土壤有機質(zhì)動態(tài)、土壤碳循環(huán)等過程中的作用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于江蘇鹽城大豐麋鹿國家級自然保護(hù)區(qū)第三核心區(qū)(33°05′ N,120°44′ E)。該區(qū)屬亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶,季風(fēng)氣候明顯,冬季由于受大陸季風(fēng)冷空氣影響,多西北風(fēng),以少雨天氣為主;夏季主要受海洋性季風(fēng)影響,多東南風(fēng),雨量充沛。常年平均氣溫14 ℃左右,年均降水量1 000～1 100 mm,年均無霜期長達(dá)300 d。該區(qū)為典型的淤泥質(zhì)灘涂濕地,原始植被類型簡單,由海向陸分布的典型植被依次為大米草(Spartinaanglica)、堿蓬(Suaedaglauca)、蘆葦(Phragmitesaustralis)以及刺槐(Robiniapseudoacacia)(圖1)。

圖1 研究區(qū)植被分布示意圖

1.2 土壤樣品采集

2020年9月,在研究區(qū)選擇植被生長情況較好的大米草、堿蓬、蘆葦和刺槐這4種典型的濕地植被類型。其中,大米草株高為80～120 cm,蓋度可達(dá)90%;堿蓬株高為10～30 cm,蓋度約為65%;蘆葦株高為100～150 cm,蓋度約為95%。在每個濕地類型分別設(shè)置3個5 m × 5 m的樣方,在每個樣方內(nèi)去除土壤表面植被和凋落物后,隨機挖取3個土壤剖面,按0～10、>10～25、>25～40 cm分層采集土樣,將每個土壤剖面采集的各層土壤樣品分別用自封袋裝好并標(biāo)記,帶回實驗室揀出肉眼可見的根系和石礫等。同時,用環(huán)刀自上而下在土壤剖面每個土層的中部進(jìn)行分層采樣,帶回實驗室測定土壤容重。將處理好的土壤樣品分為2份,一份土樣于4 ℃下冷藏保存,用于測定土壤含水量、土壤溶解性有機碳含量等;另一份土樣風(fēng)干后過2 mm孔徑篩,用于土壤基本理化性質(zhì)分析。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)的測定方法參照文獻(xiàn)[21]。土壤總有機碳(SOC)含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法;總氮(TN)含量采用元素分析儀(Elementar Vario EL,德國)測定;土壤pH值采用pH計(PHSJ-4A,雷磁,上海)進(jìn)行測定〔m(土)∶V(水)=1∶2.5〕;土壤含水量采用烘干恒重法(105 ℃)測定;土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1.3.2土壤DOM測定

土壤溶解性有機質(zhì)的提取采用水浸提法,稱取15 g土樣于離心管中,加入30 mL去離子水〔m(土)∶V(水)=1∶2〕,振蕩浸提土樣30 min后以4 000 r·min-1離心10 min(離心半徑16 cm),將上層懸濁液用0.45 μm的醋酸纖維膜過濾,濾液中的有機物即為DOM。土壤DOM濃度以溶解性有機碳(DOC)表示,采用總有機碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu,日本)測定[22]。

1.3.3光譜特征指標(biāo)測定

為了減小DOM濃度差異對一些特定波長吸收值的影響,在進(jìn)行光譜分析前需將土壤DOM樣品中碳質(zhì)量濃度大于20 mg·L-1的樣品稀釋到10 mg·L-1,并利用NaOH溶液將DOM溶液的pH值調(diào)節(jié)到7.7,再進(jìn)行光譜分析[23]。

芳香性指數(shù)(SUVA254)：采用紫外/可見(UV/Vis)光譜儀(UV-2550,Shimadzu,日本)測定,為土壤DOM溶液在波長254 nm處的紫外吸光度值與DOC濃度之比[24]。

熒光光譜特征指標(biāo)采用熒光光譜儀(Cary Eclipse,Varian,美國)測定。熒光效率(FE)計算公式為熒光發(fā)射光譜中的最大熒光強度(Fmax)除以其SUVA254值[25]。熒光指數(shù)(FI)為激發(fā)波長370 nm時,發(fā)射波長在450和500 nm處的熒光強度之比(f450/f500)[26]。腐殖化指數(shù)(HIXsyn)為同步熒光光譜在460 nm處的峰強度與345 nm處的峰強度之比[27]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同濕地類型土壤DOM光譜特征指標(biāo)和同一濕地類型不同土層之間DOM光譜特征指標(biāo)的差異顯著性(P<0.05);運用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析土壤DOM光譜特征指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性。所有統(tǒng)計分析均采用SPSS 20.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地土壤DOM的芳香性指數(shù)

利用UV/Vis光譜分析得到,在0～40 cm土層,刺槐濕地土壤DOM的平均SUVA254值為2.16 L·mg-1·m-1,堿蓬濕地為1.77 L·mg-1·m-1,蘆葦和大米草濕地分別為1.75和1.83 L·mg·m-1。其中,0～10和>10～25 cm土層刺槐濕地土壤DOM的SUVA254值顯著大于其他濕地類型(P<0.05);>25～40 cm土層刺槐和堿蓬濕地土壤DOM的SUVA254值顯著大于蘆葦和大米草濕地(P<0.05)。同一濕地類型不同土層間土壤DOM的SUVA254也具有明顯差異(圖2)。刺槐濕地土壤DOM的SUVA254值在0～10和>10～25 cm土層顯著高于>25～40 cm土層(P<0.05);0～10 cm土層蘆葦和大米草濕地土壤DOM的SUVA254值顯著高于>25～40 cm土層(P<0.05);堿蓬濕地不同土層間土壤DOM的SUVA254值無顯著差異性。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間SUVA254值差異顯著(P<0.05),

2.2 土壤DOM的熒光效率和熒光指數(shù)

熒光光譜分析結(jié)果顯示,在0～40 cm土層,4種濕地土壤DOM的FE值為44.26～72.07(圖3)。0～10 cm土層不同濕地類型土壤DOM的FE值無顯著差異;>10～25 cm土層刺槐和蘆葦濕地土壤DOM的FE值顯著高于其他2種濕地類型(P<0.05);>25～40 cm土層蘆葦濕地土壤DOM的FE值較高,其次為刺槐濕地。FE值在土層間的差異性明顯(圖3),不同濕地類型土壤DOM的FE值均隨土層深度增加而增大。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間FE值差異顯著(P<0.05),

4種濕地類型0～40 cm土層DOM的FI值分別為：刺槐濕地1.28～1.38,堿蓬濕地1.31～1.36,蘆葦濕地1.30,大米草濕地1.24～1.28(圖4)。其中,堿蓬濕地0～10 cm土層DOM的FI值顯著高于其他濕地類型(P<0.05);刺槐濕地>10～25和>25～40 cm土層DOM的FI值顯著較高,而濕地土壤DOM的FI值則顯著低于其他濕地類型(P<0.05)。同一濕地類型中,土壤DOM的FI值在不同土層間也表現(xiàn)出不同的差異性(圖4)。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間FI值差異顯著(P<0.05),

其中,刺槐濕地0～10 cm土層DOM的FI值顯著低于>10～25和>25～40 cm土層(P<0.05);而其余3種濕地土壤DOM的FI值在不同土層間的差異不顯著。

2.3 土壤DOM的腐殖化指數(shù)

根據(jù)同步熒光光譜特征,4種濕地類型土壤DOM的HIXsyn值為0.75～1.10。不同濕地類型土壤DOM的HIXsyn值差異明顯(圖5)。其中,0～10 cm土層大米草濕地土壤DOM的HIXsyn值顯著高于堿蓬濕地(P<0.05);>10～25 cm土層大米草濕地土壤DOM的HIXsyn顯著高于蘆葦和刺槐濕地(P<0.05)。4種濕地類型中,僅刺槐濕地土壤DOM的HIXsyn值在不同土層間具有顯著性差異,表現(xiàn)為0～10 cm土層顯著高于>25～40 cm土層(P<0.05)。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間HIXsyn值差異顯著(P<0.05),

2.4 土壤DOM的光譜特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤DOM的光譜特征指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果(表1)顯示,不同濕地類型土壤DOM的FE值與土壤pH值呈顯著正相關(guān)(P<0.05);FI值與TN含量、含水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而與土壤容重和C/N比呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05);HIXsyn值與TN含量、含水量呈正相關(guān),與土壤容重呈負(fù)相關(guān)。SUVA254值與SOC、DOC含量及C/N比分別呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而與含水量呈負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 土壤DOM的芳香性指數(shù)

不同土層深度刺槐濕地土壤DOM的芳香性指數(shù)(SUVA254)值均顯著高于其他濕地,表明刺槐濕地土壤DOM中芳香化合物含量較高。刺槐作為木本植物,其土壤DOM中含有大量木質(zhì)素來源的有機化合物。相關(guān)研究表明,植物中的木質(zhì)素是由醚鍵和碳碳鍵相互連接形成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子芳香族化合物,木本植物中木質(zhì)素含量約占20%～35%,而草本植物中木質(zhì)素含量相對較低,約占15%～25%[28]。筆者研究表明,刺槐濕地土壤DOM的SUVA254值較高,與前人研究結(jié)果相符。從圖2可見,不同濕地土壤DOM的SUVA254值均隨土層深度增加而減小,說明表層土壤DOM的芳香化程度更高,這歸因于表層土壤累積了豐富的植物凋落物,這些凋落物殘渣包含了大量高度聚合的芳香化合物,并聚集在土壤表層,不易遷移[27],這與馬瑩玲等[14]和劉翥等[28]的研究結(jié)果一致。

表1 不同濕地類型土壤DOM光譜特征與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

3.2 土壤DOM熒光效率和熒光指數(shù)

一般認(rèn)為有機質(zhì)中共軛雙鍵數(shù)目越多,共軛體系越大,熒光效率(FE)就越高,熒光效率與熒光基團(tuán)的量子效率成正比[10]。筆者研究中,>25～40 cm土層DOM的FE值顯著高于0～10 cm土層,表明濕地土壤表層DOM積累了更多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量大的物質(zhì),而下層土壤則包含更多結(jié)構(gòu)簡單、易遷移的不飽和基團(tuán),這從FE值與SUVA254值的負(fù)相關(guān)關(guān)系可以體現(xiàn)出來。其他相關(guān)研究也表明,上層土壤中一些結(jié)構(gòu)簡單、熒光效率高的基團(tuán)會選擇性向下遷移,使得深層土壤DOM中容易積累更多熒光效率較高的物質(zhì)[14]。在>10～25和>25～40 cm土層,刺槐和蘆葦濕地土壤DOM的FE值顯著高于其他濕地,表明這2種濕地下層土壤具有更多的不飽和基團(tuán)。

熒光指數(shù)(FI)是用于表征有機質(zhì)來源及其腐殖化程度的重要指標(biāo)。MCKNIGHT等[26]研究得出,FI值<1.4,表明有機質(zhì)主要來源于植物殘渣;FI值>1.9,表明有機質(zhì)主要來源于微生物生物量及其副產(chǎn)物;FI值介于1.4～1.9之間,則表明有機質(zhì)來源于植物枯落物與微生物的混合物。微生物來源的有機質(zhì)通常包含較多小分子化合物,而植物來源的有機質(zhì)則包含更多高分子結(jié)構(gòu)的化合物[29]。從圖4可知,該研究中4種濕地類型土壤DOM的FI值均<1.4,表明濱海濕地土壤DOM主要由植物凋落物、根系及其分泌物等陸源輸入,DOM的陸源特征占主導(dǎo),土壤有機質(zhì)腐殖化程度較高[29-30],這與相關(guān)性分析中FI值與HIXsyn值呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果一致。

3.3 土壤DOM腐殖化指數(shù)

從圖4可知,4種濕地類型的HIXsyn值均> 0.8,表明鹽城濱海濕地土壤DOM的腐殖化程度較高[14]。其中,大米草濕地土壤DOM的HIXsyn值顯著高于其他濕地類型,表明不同濕地類型中大米草濕地土壤DOM的腐殖化程度較高。究其原因,可能是大米草濕地土壤含有更多復(fù)雜的高分子縮合芳香族化合物。杭子清等[31]對鹽城濱海米草濕地的鹽沼土壤有機碳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,米草濕地土壤中的有機質(zhì)形態(tài)以芳香族化合物所占比例最大。通常,土壤DOM的腐殖化程度越高,其DOM化學(xué)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,微生物利用率越低,筆者研究得出HIXsyn與FE、FI值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論與其一致。

3.4 土壤DOM的光譜特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果顯示,鹽城濱海典型濕地類型土壤DOM的光譜特征指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)間存在不同程度的相關(guān)性,表明土壤DOM的組成、結(jié)構(gòu)和來源能夠在一定程度上反映土壤性質(zhì)狀況。已有研究表明,當(dāng)土壤有機質(zhì)中芳香族化合物含量越高,其微生物可利用性越低,越容易促進(jìn)土壤中有機質(zhì)的積累[14,31],筆者研究得出SUVA254值與DOC、SOC含量呈正相關(guān)的結(jié)論與其一致。同樣,土壤pH值、含水量、C/N比等也會通過影響土壤微生物活性,進(jìn)而影響土壤中有機質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)[10, 14]。

4 結(jié)論

鹽城濱海濕地不同濕地類型不同土層土壤DOM的光譜特征具有顯著差異性。4種濕地類型土壤DOM的SUVA254和HIXsyn值均表現(xiàn)為表層土壤顯著高于深層土壤,而FE值則表現(xiàn)為隨土層深度增加而增加。4種濕地類型中,刺槐濕地表層土壤DOM的SUVA254、HIXsyn值較高,而FI值較低;堿蓬濕地表層土壤DOM的SUVA254、HIXsyn值較低,而FI值較高;大米草濕地下層土壤DOM的HIXsyn值較高,而FE和FI值相對較低。4種濕地類型土壤DOM的FI值均<1.4,表明濱海濕地土壤DOM的陸源特征占主導(dǎo)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,土壤SOC、DOC含量及C/N比分別與土壤DOM的SUVA254值呈顯著正相關(guān)關(guān)系,土壤含水量、容重等也與DOM的光譜性質(zhì)具有不同程度的相關(guān)性。