熊 麗, 楊玉盛, 朱錦懋, 司友濤,*, 萬菁娟, 謝錦升

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

可溶性有機碳在米櫧天然林不同土層中的遷移特征

熊 麗1,2, 楊玉盛1,2, 朱錦懋1, 司友濤1,2,*, 萬菁娟1,2, 謝錦升1,2

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

選取我國中亞熱帶典型的常綠闊葉林米櫧天然林(Castanopsiscarlesii)為研究對象，采集林內(nèi)米櫧凋落物并通過挖剖面法分6個土層采集土樣至1 m。通過浸提米櫧凋落物得到可溶性有機碳(dissolved organic carbon，DOC)溶液并在室內(nèi)模擬其在不同土層的淋溶過程，不僅分析了土壤性質(zhì)對DOC淋溶的影響，還研究了淋溶前后DOC化學結(jié)構(gòu)的變化，以闡明DOC在不同土層中的遷移特征及影響因素，探尋米櫧天然林土壤的固碳潛力和DOC在土壤有機碳循環(huán)中的作用。結(jié)果表明：(1)下層土壤比上層土壤吸附DOC的能力更強，親水性DOC與疏水性DOC間會爭奪土壤顆粒表面的吸附位點，而且芳香化合物和大分子物質(zhì)等疏水性DOC組分會被優(yōu)先吸附；(2)紅外光譜表明，芳香類和醚類等疏水性物質(zhì)會優(yōu)先被吸附，烷烴類物質(zhì)卻不易被吸附，土壤中原有的酚、醇類親水性物質(zhì)會被初始DOC中的疏水性物質(zhì)置換出來；(3)土壤DOC的截留能力與粘粒、游離氧化鐵含量呈極顯著正相關(guān)，而與土壤有機碳和砂粒含量呈極顯著負相關(guān)，其中土壤有機碳的含量是影響米櫧天然林不同土層DOC截留量的關(guān)鍵因素。

可溶性有機碳(DOC); 淋溶; 吸附; 光譜分析

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植物是土壤有機碳的重要來源。其中植物殘體被微生物分解后產(chǎn)生的水溶性物質(zhì)有相當一部分會進入到土壤溶液中去，因此凋落物層是森林土壤可溶性有機碳(DOC)最重要的來源之一[1]。DOC在經(jīng)過富含鐵鋁氧化物的土層時由于被吸附，其濃度會明顯下降；反之，如果DOC不能有效地被土壤吸附，就會以較快的速度淋失。絕大部分(大約90%)被吸附的DOC很難通過簡單的物理方法和土壤顆粒分離[2]，因此就大大降低了微生物的可利用性。有報道指出有機碳被吸附后其微生物分解的速率只有未被吸附有機碳的1/5[3]。所以礦質(zhì)土壤對DOC的吸附過程有利于有機碳的累積，在增加礦質(zhì)土壤碳儲量面具有重要意義[4- 5]。

雖然鐵鋁氧化物是酸性土壤中有效的吸附劑[6- 7]，但是影響土壤吸附DOC的因素很多，這些因素在不同的土壤中發(fā)揮的作用往往不同。如Kothawala報道鐵鋁氧化物的含量與土壤最大吸附能力呈正相關(guān)[8]。韓成衛(wèi)等發(fā)現(xiàn)粘粒含量越高，土壤對DOC的吸附能力越強[9]，但也有研究表明土壤的吸附能力與土壤質(zhì)地并無相關(guān)性[10]。土壤有機碳與DOC吸附的關(guān)系，不同研究者也持有不同看法。Kaiser認為土壤有機碳含量增加，抑制了總DOC的吸附，特別是親水性DOC吸附量減少更為明顯[11]，Liang的研究表明隨著有機碳含量的增加，土壤對DOC的吸附能力增強[12]，Oren則認為已吸附的可溶性有機碳不會影響到土壤的吸附能力[10]。鑒于22%—25%的礦質(zhì)土壤碳源于DOC的固定[13- 14]，因此確定DOC在土壤中截留的關(guān)鍵影響因素對于充分了解土壤的固碳潛力十分重要。另一方面，大多數(shù)研究關(guān)注的是土壤吸附DOC的量，而對被吸附DOC的化學結(jié)構(gòu)了解較少。土壤顆粒表面的吸附和解吸是影響土壤中DOC化學成分的重要非生物過程[15]。不同結(jié)構(gòu)的DOC被吸附能力的大小，決定了土壤的固碳數(shù)量和質(zhì)量，也決定了哪些物質(zhì)可能被解吸從而被微生物利用。

本研究選取的米櫧天然林是我國中亞熱帶典型的天然常綠闊葉林之一，廣泛分布于長江以南的大部分省份[16]。通過模擬米櫧凋落物的DOC在不同土層的淋溶過程，不僅分析了土壤性質(zhì)與DOC截留量的相關(guān)性，而且還利用紫外、紅外等光譜手段來探討DOC在不同土層遷移過程中化學性質(zhì)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，以期為深入理解亞熱帶常綠闊葉林土壤有機碳的穩(wěn)定機制和碳循環(huán)提供科學依據(jù)。

1 試驗地概況

研究地區(qū)位于福建省三明市(25°29′—27°07′N，116°22′—118°39′E)，地處武夷山東南，戴云山脈西北。地貌以低山丘陵為主，屬中亞熱帶海洋季風氣候，年均氣溫19.1 ℃，年均降水量1749 mm，年均蒸發(fā)量1585 mm，相對濕度81%，全年無霜期達300 d。樣地位于格氏栲(Castanopsiskawakamii)自然保護區(qū)內(nèi)，約200a沒有人為干擾，海拔315 m，坡向NE25°，坡度35°。土壤為細粒石英砂巖發(fā)育的普通山地紅壤，參照世界土壤資源參比基礎(草案，1994)土壤對應為鐵鋁質(zhì)雛形土[17]，厚度超過1 m。建群樹種為米櫧，群落分層明顯，可劃分為喬木層、灌木層和草本層3個層次，其中喬木層以米櫧占絕對優(yōu)勢。

2 研究方法

2.1 土柱的制備

在樣地內(nèi)布設3塊20 m×20 m固定標準地，于2013年7月5日在每個標準地中部地勢相對平緩，周圍米櫧分布較均勻的地段去除表層的枯枝落葉后，通過挖剖面法，按0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm的深度取土。為避免樣地破壞，每個標準地只取一個剖面，每個土層取6個環(huán)刀，然后將環(huán)刀中的土樣混合均勻，風干并挑除肉眼可見的碎石、凋落物、根系等雜物，過2 mm篩，一部分用于基本理化性質(zhì)的測定；另一部分則用于土柱的填充。土壤按不同深度分別回填至4 cm×10 cm(內(nèi)徑×高度)的PVC管內(nèi)，參考Guo[18]的方法并略作修改，每根土柱填土151 g，土壤密度約為1.20 g/cm3；為了保證土柱內(nèi)土壤緊實度的一致，將土壤分3次填充，并適當壓實。為反映亞熱帶森林土壤的異質(zhì)性，3個剖面的土壤獨立進行試驗。

2.2 初始DOC溶液的制備

于2013年7月5日在樣地內(nèi)收集新近米櫧凋落物，并立即送回室內(nèi)烘干，混合均勻。每次淋溶實驗前，按凋落物∶水=1∶100(質(zhì)量∶體積)的比例將凋落物用超純水浸泡24 h，然后用玻璃纖維濾膜(0.45 μm)過濾，此為用于模擬淋溶的初始DOC溶液。

2.3 模擬淋溶

在土柱的頂部和底部均鋪一層玻璃纖維，以保證DOC淋溶的均勻性和防止底部土壤的流失，然后將土柱放置于布氏漏斗上，用恒流泵以2 mL/min的速度將新鮮制備的初始DOC溶液泵入土柱內(nèi)，并用廣口瓶收集濾出液，將其過0.45 μm玻璃纖維濾膜后待測。每根土柱均淋溶一次，時間均控制在80—90 min內(nèi)。土柱淋溶所用的初始DOC溶液體積均與土柱內(nèi)的土重保持1∶1的比例，為151 mL。實驗操作在20 ℃下進行。

2.4 樣品分析

pH值用奧豪斯STARTER 300測定，水土比為2.5∶1；土壤有機碳含量用土壤元素分析儀(Vario MAX- 1，Elementar，德國)測定，由于土壤為花崗巖發(fā)育，土壤中無機碳含量可忽略不計；土壤粒徑組成采用比重計法測定；游離態(tài)鐵鋁(Fed、Ald)的提取采用檸檬酸鈉-連二亞硫酸鈉-重碳酸鈉法。土壤粒徑組成和鐵鋁氧化物的具體測定方法和步驟參見《森林土壤分析方法》[19]，浸提液中的Fe和Al分別采用鄰菲羅啉比色法和絡天青比色法測定。

濾出液的DOC樣品中取一部分用總有機碳分析儀(TOC-VCPH/CPN)測定其濃度；另一部分用稀HCl將pH值調(diào)為2，然后以恒速(2.5 mL/min)通過XAD- 8樹脂柱(Supelite)，其中通過樹脂柱的定義為親水性DOC組分，吸附在樹脂上的定義為疏水性DOC組分，疏水性DOC的濃度則通過差值法得出。

為了測定結(jié)果的可比性，一部分樣品的DOC濃度用超純水稀釋至10 mg/L，pH值用稀HCl調(diào)為2，然后用紫外-可見光分光度計(UV- 2450，日本島津)測定250、254、365 nm的吸光度值。

剩余的樣品冷凍干燥后，在瑪瑙研缽中與KBr(光譜純)混合均勻，并制成壓片進行紅外光譜的測定，波段為4000—400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)為32(Nicolet 5700)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

液相1H核磁共振的結(jié)果表明254 nm的紫外吸光度值與芳香H的含量呈正相關(guān)關(guān)系[20]，因此芳香化指數(shù)能夠反映DOC溶液中芳香化合物含量的高低[21]。芳香性指數(shù)的計算公式如下：

AI=100×UV254/b×DOC

式中,AI為芳香性指數(shù)(L mg-1C m-1)，UV254為254 nm紫外吸光度值(cm-1)，b為紫外吸收光程(1 cm)，DOC為樣品的濃度(mg/L)。

E2/E3可以反映DOC的平均分子量大小[22]，E2/E3值越高，說明DOC的平均分子量越小，其計算公式如下：

E2/E3=UV250/UV365

式中,UV250為250 nm的紫外吸光度值，UV365為365 nm的紫外吸光度值。

DOC截留量可用下面公式計算：

Q=(C0×V0-C1×V1)/M

式中,Q為截留量(mg/kg)；C0、C1分別為初始DOC和濾出液DOC的濃度(mg/L)；V0、V1分別為初始DOC和濾出液DOC的體積(L)；M為土柱內(nèi)的土重(kg)。

試驗數(shù)據(jù)先進行正態(tài)分布檢驗(Kolmogiriv-Smirnov檢驗)，對其中不服從正態(tài)分布的芳香性指數(shù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換后再進行統(tǒng)計分析。采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行土層間土壤性質(zhì)的差異和不同土層濾出液DOC的化學性質(zhì)差異的顯著性檢驗(顯著性水平為α=0.05)。DOC截留量與土壤性質(zhì)間的相關(guān)性分析用線性擬合完成。軟件采用SPSS 16.0。圖形由Excel 2003和Origin 8.0繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤和初始DOC的基本性質(zhì)

由表1可見，土壤pH值在4.33—4.53之間，土層間差異不顯著。土壤有機碳含量隨著土層深度增加而不斷下降，40 cm以下土層間差異不顯著。隨著土層深度增加砂粒含量逐漸降低，粘粒含量逐漸增加。游離態(tài)氧化鐵(Fed)的含量隨土層深度增加逐漸增加，而游離態(tài)氧化鋁(Ald)的含量變化并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，但80—100 cm土層的含量要顯著高于0—10 cm土層。

初始DOC溶液的濃度為(211.87±11.52)mg/L，疏水性DOC組分所占比例為(80.26±2.47)%，pH值為5.36±0.15，芳香性指數(shù)為(1.70±0.24) L mg-1C m-1，E2/E3值為3.88±0.07。

表1 米櫧天然林土壤的主要理化性質(zhì)(N=3)

3.2 不同土層濾出液的DOC濃度、DOC截留量及其與土壤性質(zhì)的相關(guān)性

在淋溶過程中，由于吸附作用所有土層濾出液的DOC濃度與初始DOC溶液相比均有顯著下降(圖1)，而且下降的程度隨著土層深度增加而不斷增加。0—10 cm土層濾出液的DOC濃度下降了約32%，80—100 cm土層濾出液的DOC濃度下降了約72%。不同土層DOC的截留量隨著土層深度增加呈逐漸上升的趨勢，80—100 cm土層的截留量最大，達到了174.84 mg/kg，顯著高于0—10 cm土層，說明下層土壤具有更大的DOC吸附能力。

圖1 不同土層濾出液DOC的濃度和DOC截留量(N=3)Fig.1 DOC concentration of leachates and DOC interception of different soil horizons (N=3)誤差線表示標準差范圍，相同字母表示兩兩比較不存在顯著性差異，不同字母表示差異性顯著(P<0. 05)

土壤性質(zhì)與DOC截留量的關(guān)系如圖2所示。DOC截留量與土壤粘粒、游離態(tài)氧化鐵的含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤有機碳、砂粒含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，而與游離態(tài)氧化鋁的線性相關(guān)性卻不顯著。本研究發(fā)現(xiàn)米櫧天然林中土壤有機碳的含量是不同土層DOC截留量的關(guān)鍵影響因素。

圖2 不同土層DOC的截留量與土壤性質(zhì)的相關(guān)性Fig.2 Relation between the DOC interception of different soil horizons and soil properties (N=18)

3.3 不同土層濾出液DOC的芳香性指數(shù)、E2/E3和pH值

如圖3所示，不同土層濾出液DOC的芳香性指數(shù)與初始DOC溶液相比均有顯著性下降，下降程度隨著土層深度增加而增加，80—100 cm土層濾出液DOC的芳香性僅為初始DOC的23%，表明土壤會優(yōu)先吸附DOC中的芳香化合物，而且下層土壤對芳香化合物的吸附能力更強。不同土層濾出液DOC的E2/E3值隨土層深度增加呈逐漸增大的趨勢，80—100 cm土層濾出液DOC的E2/E3值是初始DOC溶液的2倍，說明下層土壤濾出液DOC的相對分子量更小，土壤優(yōu)先吸附了DOC中大分子類物質(zhì)。淋溶后，不同土層濾出液DOC的pH值與初始DOC溶液相比也均出現(xiàn)了顯著下降。

圖3 不同土層濾出液DOC的芳香性指數(shù)、E2/E3和pH值(N=3)Fig.3 The aromaticity index, E2/E3 and pH of DOC leached from different soil horizons (N=3)誤差線表示標準差范圍，相同字母表示兩兩比較不存在顯著性差異，不同字母表示差異性顯著(P<0. 05)

3.4 不同土層濾出液和被截留DOC中的疏水性組分所占比例

不同土層濾出液中疏水性DOC所占比例隨著土層深度增加而逐漸下降(圖4)，與初始DOC溶液相比均有顯著下降。0—10 cm土層濾出液中疏水性DOC所占比例為51.64%，而在80—100 cm土層濾出液中僅為25.34%，顯著低于0—10 cm土層；這說明親水性DOC組分流動性更強，土壤會優(yōu)先吸附DOC中的疏水性組分，而且疏水性DOC對下層土壤表現(xiàn)出更大的親和力。但是不同土層被截留的DOC中疏水性組分所占的比例卻呈下降的趨勢，0—10 cm土層截留的DOC中疏水性組分所占的比例要顯著高于其他土層，這表明下層土壤對親水性DOC的吸附能力也更強。

圖4 不同土層濾出液和被截留DOC中的疏水性組分所占比例Fig.4 The proportion of hydrophobic of leachates and DOC interception of different soil horizons (N=3)誤差線表示標準差范圍，相同字母表示兩兩比較不存在顯著性差異，不同字母表示差異性顯著(P<0. 05)

圖5 不同土層淋溶前后DOC紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectra of DOC of different soil horizons before and after leaching

3.5 不同土層淋溶前后DOC紅外光譜特征分析

初始DOC的紅外光譜如圖 5所示，在3418 cm-1附近的大而寬的吸收峰是H鍵鍵合的—OH的伸縮振動的特征吸收[15]，這個寬峰同時也掩蓋了芳香環(huán)上C—H的伸縮振動；1607 cm-1(苯環(huán)的骨架伸縮振動)[23]和618 cm-1(苯環(huán)C—H彎曲振動)[24]處的兩個強吸收峰可以證明芳香類物質(zhì)的存在；2928 cm-1的弱吸收應該是烷烴類物質(zhì)的C—H伸縮振動的表現(xiàn)[25]，這個峰和1388處的較強吸收(甲基C—H的彎曲振動)[26]的共同存在，表明了初始DOC溶液中含有烷烴類物質(zhì)；最后，1121 cm-1[24]對應于C—O伸縮振動的頻率。

10—20 cm和20—40 cm土層的濾出液的結(jié)果和0—10 cm的結(jié)果相似，區(qū)別主要在于芳香環(huán)類物質(zhì)的比例逐漸減小，而醇、酚類物質(zhì)的相對比例增加了，這應該是水溶性較好的結(jié)構(gòu)相對簡單的分子。

40 cm以下土層的濾出液的譜圖和40 cm以上的有明顯的不同。其最大的特征是3600—3000 cm-1范圍內(nèi)都存在強而寬的吸收，同時1200—1000 cm-1范圍內(nèi)的吸收比例也明顯增加。這兩個區(qū)域的強度的同時增加，證明了含有羥基的小分子物質(zhì)在濾出液中的比例很高[24,26]。

對于所有的土層，小分子的烷烴基本都沒有被吸附。

4 討論

4.1 不同土層截留DOC的數(shù)量和質(zhì)量

由上層到下層，土壤截留DOC的能力逐漸增強，而且疏水性、親水性DOC的截留數(shù)量均不斷增加，俞元春等研究也發(fā)現(xiàn)下層土壤比上層土壤吸附DOC的能力更強[27]。雖然被截留的疏水性DOC的數(shù)量隨土層加深而增加，但是其在被截留的總DOC中的比例基本呈下降的趨勢(98%—90%)。這說明：第一，DOC在土壤中截留主要是因為吸附而不是生物的分解作用，這與Yano[28]的報道一致。因為不僅初始DOC中疏水性組分占絕大多數(shù)(>80%)，而且被吸附的DOC也主要是疏水性組分，而這也正好是生物難以利用的部分，而且研究中淋溶實驗的時間較短(80—90 min)，而生物分解作用是非常緩慢的過程；第二，下層土壤不僅吸附疏水性DOC的能力強，而且對親水性物質(zhì)的吸附能力也會增強。研究表明親水性DOC與疏水性DOC會爭奪土壤和氧化鐵表面的吸附位點[29]，在有限的吸附位點的情況下，疏水性DOC會限制親水性DOC的吸附[11]，上層土壤的吸附證明了這一點。下層土壤有機碳含量較上層土壤低、粘粒和鐵鋁氧化物含量高，未被占據(jù)的吸附位點也較多，因此親水性DOC占總吸附量的比例隨土層深度增加呈逐漸上升的趨勢。同時，芳香類物質(zhì)、大分子物質(zhì)表現(xiàn)出和疏水性物質(zhì)相似的趨勢，表明這些疏水性DOC有相當一部分就是芳香類的大分子物質(zhì)。這類物質(zhì)之所以更易被吸附，一是因為分子體積較大，流動性不高；二是因為它們往往不是簡單的碳氫化合物，而是含有醚基等官能團，這些官能團更容易通過配體交換等方式固定在氧化鐵的表面上[30]。已有的研究也表明DOC在土壤遷移過程中大分子物質(zhì)、芳香化合物能被土壤礦物優(yōu)先吸附[31- 32]，疏水性DOC組分比親水性DOC組分具有更大的土壤親和力[18,33]。

紅外光譜可以從更加微觀的角度揭示被截留物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征。初始DOC溶液通過0—10 cm土層后，紅外光譜顯示芳香類和醚類等疏水性物質(zhì)明顯減少，同時酚、醇類小分子親水性物質(zhì)會被置換出來。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)初始的DOC通過0—10 cm土層后，疏水性DOC的截留量有時會大于總的截留量，同時還發(fā)現(xiàn)由上層土壤到下層土壤，疏水性DOC占濾出液總DOC的比例和占總吸附量的比例同時下降；對此合理的解釋是初始DOC溶液中的疏水性物質(zhì)置換了土壤中原有的親水性物質(zhì)。親水性物質(zhì)主要包含酚類和醇類，它們雖然也有可能被吸附在氧化鐵的表面，但當有吸附能力更強的物質(zhì)存在時，它們就可能發(fā)生解吸附[11]，Scott通過原狀土柱的淋溶試驗也發(fā)現(xiàn)，土壤中已吸附的親水性組分會被新鮮輸入的DOC溶液置換出來，增加溶液中親水性DOC的含量[34]。不同土層濾出液的pH值較初始DOC溶液低，也表明了小分子酸類物質(zhì)的存在。40 cm以下的土層淋濾液中的小分子量物質(zhì)的比例明顯增大，這一方面表明這些土壤本來就含有較多的小分子物質(zhì)，原因是在自然條件下大分子量的芳香類物質(zhì)被上層土壤截留，而流動性較高的小分子物質(zhì)能達到下層土壤；二是因為小分子物質(zhì)被土壤中粘粒和鐵鋁氧化物吸附的能力較小，容易被親和力更大的物質(zhì)取代。初始DOC中的烷烴類物質(zhì)由于沒有官能團，所以在所有的土層中均不易被吸附，這與Kaiser的報道相一致[35]。

4.2 DOC截留與土壤性質(zhì)的關(guān)系

在影響DOC截留量的諸多因素中，粘粒和游離氧化鐵的含量與土壤截留能力呈正相關(guān)。在下層土壤中，由于碳含量較低，缺乏足夠的粘合劑，而且鐵鋁氧化物含量較高，因此粘粒的含量較高，游離鐵鋁氧化物在<2 μm的顆粒組中會更加富集[36- 37]。粘粒的徑級小，比表面積大，而且鐵鋁氧化物是有效的DOC吸附劑，因此粘粒吸附DOC的能力也會加強。在溫帶耕地土壤中，總有機碳的50%—75%與粘粒結(jié)合，其余20%—40%與粉粒結(jié)合，與砂粒結(jié)合比例<10%[38]。值得一提的是，Tiessen等人研究發(fā)現(xiàn)，粘粒組分吸附的DOC大多是一些結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的小分子化合物[39]，這可能是因為在DOC下滲過程中，結(jié)構(gòu)復雜的大分子化合物優(yōu)先被上層土壤截留了，無法到達下層土壤，這與本研究結(jié)果相似，即下層土壤吸附的親水性小分子類物質(zhì)的比例增加了。研究中可能是因為游離氧化鐵的存在且含量較高，DOC截留量與游離氧化鋁的線性關(guān)系并不顯著。

土壤本來的有機碳含量與截留能力呈負相關(guān)，且是最關(guān)鍵的影響因素，這表明土壤的固碳量有一定的上限。韓成衛(wèi)報道，DOC吸附量隨土壤有機碳含量的增加而減少，土壤有機碳含量較高時吸附DOC的能力較弱[9]。Shen用H2O2去除土壤約90%的有機碳后，土壤的DOC吸附量增加約30%，也說明有機碳降低了土壤對DOC的吸附[40]。土壤有機碳的含量是DOC在土壤中截留的最大影響因子,這可能是由于上層土壤較高的有機碳含量占據(jù)了大量的吸附位點從而限制了土壤的吸附能力，而下層土壤因有機碳含量少，粘粒和鐵鋁氧化物含量多，可利用的吸附位點較多，因此具有較大的DOC截留能力。本研究發(fā)現(xiàn)砂粒含量與土壤截留能力呈極顯著負相關(guān)，這是因為砂粒含量增多不僅減少了鐵鋁氧化物的含量，還減少了土壤的比表面積，導致DOC截留量的減少。而且受優(yōu)先流和大孔隙流動的影響，砂粒含量增多可能會減少DOC與土壤顆粒的接觸時間和接觸面積，這也會影響DOC的吸附。

5 結(jié)論

(1)DOC在土壤遷移過程中由于吸附作用會截留在土壤中，其中疏水性DOC、芳香化合物等大分子物質(zhì)會被優(yōu)先吸附，下層土壤比上層土壤吸附DOC的能力更強；由上層到下層，親水性DOC的截留量占總DOC截留量的比例均逐漸增加，說明親水性DOC與疏水性DOC間爭奪土壤和氧化鐵表面的吸附位點，在有限的吸附位點的情況下，疏水性DOC限制了親水性DOC的吸附。

(2)紅外光譜表明芳香類物質(zhì)和醚類等疏水性物質(zhì)會優(yōu)先被吸附，烷烴類物質(zhì)不易被吸附，同時酚、醇類小分子親水性物質(zhì)會被吸附能力更強的疏水性物質(zhì)置換出來，說明當有吸附能力更強的物質(zhì)存在時，土壤中原有的親水性物質(zhì)就可能發(fā)生解吸附。

(3)粘粒、游離氧化鐵與土壤DOC的截留能力呈極顯著正相關(guān)，而土壤有機碳和砂粒含量與土壤DOC的截留能力呈極顯著負相關(guān)，其中土壤有機碳的含量是影響米櫧天然林不同土層DOC截留量的關(guān)鍵因素。

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Transport characteristics of dissolved organic carbon in different soil horizons in naturalCastanopsiscarlesiiforest

XIONG Li1,2, YANG Yusheng1,2, ZHU Jinmao1, SI Youtao1,2,*, WAN Jingjuan1,2, XIE Jinsheng1,2

1InstituteofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2StateKeyLaboratoryofHumidSubtropicalMountainEcology,Fuzhou350007,China

Dissolved organic carbon (DOC) is a mixture of organic compounds with varying molecular sizes and weights. In forest ecosystems, litterfall is a major aboveground resource of DOC, which supplies soils with carbon as a crucial component of terrestrial biogeochemical cycles. During the migration of litterfall-derived DOC from topsoils to subsoils, soils might retain, transform, or release DOC, depending on the chemical nature of DOC and its interactions with soil surfaces. These physicochemical processes contribute considerably to soil organic carbon (SOC) accumulation. It is generally accepted that soil properties have a great influence on the interaction between soil surface and DOC, with Fe/Al oxides constraining DOC losses and high SOC content being usually negatively correlated to DOC sorption. However, an inconsistency still remains regarding the extent to which soils properties impact DOC movement. In some cases topsoils rich in SOC might demonstrate higher DOC retention capacity. Although subsoils with abundant Fe/Al oxides are considered to have a stronger DOC retention capacity, relatively lower SOC content is often found in subsoils, and direct evidence for their higher carbon sequestration potential is rare. One reason for this maybe the amount of DOC from aboveground litterfall, which is not sufficient and little DOC can reach subsoils. Another reason might be that highly sorptive DOC is preferentially absorbed by topsoils, and DOC that reaches subsoils has a weak affinity for soil surfaces. Supplying individual soil horizons with a common DOC solution is thus a good way to differentiate their carbon sequestration capacities. NaturalCastanopsiscarlesiiforests are dominant evergreen broad-leaf forests in mid-subtropical China, and interaction between litterfall derived DOC and red soil (Ferralic Cambisols, World Reference Base) is now recognized as one of the most important mechanisms of C sequestration in this region. To solve inconsistencies about factors controlling DOC translocation in soils and to provide direct information to differentiate carbon sequestration potential between soil horizons, a 200-year-old naturalCastanopsiscarlesiiforest without human interference was selected for undecomposed litter collection and soil sampling at the depth of 0—10 cm, 10—20 cm, 20—40 cm, 40—60 cm, 60—80 cm, 80—100 cm from each of the three profiles in the site. After extracting DOC from the collected litter with ultrapure water, we supplied individual soil cores with the common DOC in the laboratory. We not only analyzed the influences of soil properties on DOC interception, but also studied the changes in structural composition of DOC before and after leaching. The results showed that: (1) DOC interception in subsoils was greater than that in topsoils. Hydrophilic and hydrophobic DOC competed for binding sites on soil surfaces, and aromatic compounds and macromolecular substances of hydrophobic components were preferentially adsorbed by soils; (2) infrared spectrum suggested that hydrophobic materials such as aromatic substances and ethers were much more ready to be adsorbed than alkane materials, while indigenous hydrophilic substances such as phenols, alcohols could be displaced by hydrophobic components of DOC; (3) there was significant positive correlation between DOC interception and the content of clay and free iron oxide and significant negative correlation between DOC interception and the content of sand and soil organic carbon. Soil organic carbon content was the key factor affecting DOC interception in different soil horizons in naturalCastanopsiscarlesiiforest.

dissolved organic carbon (DOC); leaching; adsorption; spectral analysis

國家自然科學青年基金項目(31100467); 福建師范大學優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)基金(fjsdky2012008); 國家自然科學基金重點項目(31130013); 福建省自然科學青年基金項目(2011J05105); 高等學校博士學科點專項科研基金(優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域)(20113503130001)

2013- 10- 27;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201310272590

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yt.si@fjnu.edu.cn

熊麗, 楊玉盛, 朱錦懋, 司友濤, 萬菁娟, 謝錦升.可溶性有機碳在米櫧天然林不同土層中的遷移特征.生態(tài)學報,2015,35(17):5711- 5720.

Xiong L, Yang Y S, Zhu J M, Si Y T, Wan J J, Xie J S.Transport characteristics of dissolved organic carbon in different soil horizons in naturalCastanopsiscarlesiiforest.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5711- 5720.