劉 葉，劉文靜，高祥森

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院,山東 東營 257061)

土壤溶解有機(jī)碳(dissolved organic carbon，簡稱DOC)雖然一般僅占土壤有機(jī)碳總量的1%～5%(表1)，但卻是土壤有機(jī)質(zhì)中代謝活度最為旺盛的化學(xué)物質(zhì)，在土壤有機(jī)質(zhì)中的分解、積累以及對土壤環(huán)境污染物的降解等方面起著至關(guān)重要的作用。具體表現(xiàn)在：(1)土壤DOC與土壤微生物量同屬于土壤活性有機(jī)物質(zhì)，能夠被土壤中細(xì)菌等微生物分解轉(zhuǎn)化，以供給土壤養(yǎng)分和必需的礦物元素；(2)土壤DOC極易溶解于水，對土壤生態(tài)系統(tǒng)中C、N等元素的生物化學(xué)循環(huán)及主要重金屬鎂、鋁等元素的轉(zhuǎn)化和遷移都尤為重要[1]。此外，還能夠調(diào)節(jié)土壤中主要陽離子淋失、金屬轉(zhuǎn)化、礦物沉積、土壤微生物代謝強(qiáng)度以化學(xué)和生物學(xué)過程都起著必要的作用[2]，聯(lián)結(jié)著陸地和海洋兩大生態(tài)系統(tǒng)中元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中起著重要作用[3]。因此，研究土壤溶解性有機(jī)碳的生物和化學(xué)降解以及降解的影響因素，分析其含量的動(dòng)態(tài)變化，對于研究土壤營養(yǎng)物質(zhì)的供給效率、碳循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境效應(yīng)都有著重要的意義。

表1 土壤DOC的含量和所占比例[4]

1 土壤溶解有機(jī)碳的概念

土壤溶解有機(jī)碳(DOC)指的是在特定的空間范圍內(nèi)，會(huì)受到植物及微生物的強(qiáng)烈作用、在水中可以很好的溶解、在土壤中具有較強(qiáng)的遷移作用、易發(fā)生氧化、易于分解、容易發(fā)生礦化作用、組成和性質(zhì)均不穩(wěn)定，這類代謝強(qiáng)度高的土壤碳素。DOC并不單指某種化合物，而是作為有機(jī)碳的重要組分，它與固相的有機(jī)碳相比具有更多的活性點(diǎn)位[5]，能夠強(qiáng)烈影響到土壤的形成、礦物的風(fēng)化、污染物質(zhì)的毒性和遷移及營養(yǎng)物質(zhì)的有效性[6]。

2 土壤溶解有機(jī)碳的生物降解

土壤溶解有機(jī)碳作為最基本的生物降解資源已受到從們的廣泛關(guān)注，因DOC是土壤的活性有機(jī)碳，能夠?yàn)橥寥牢⑸镏苯犹峁┯行У挠袡C(jī)碳源[7]，會(huì)作用于土壤中有機(jī)以及無機(jī)物質(zhì)的降解過程，對土壤C、N等養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化也起著重要的作用。

微生物對DOC的降解主要通過兩個(gè)連續(xù)或交替的作用：(1)主要是細(xì)菌對DOC的同化作用；(2)微生物為得到所需的能量以及營養(yǎng)物質(zhì)而將DOC進(jìn)一步降解為二氧化碳或甲烷等無機(jī)物?，F(xiàn)今，對DOC生物降解的檢測方法不甚相同。大部分是采用實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)法，實(shí)驗(yàn)的具體條件和方法也各有不同[8]。

近年來，國外對溶解有機(jī)碳的生物降解的關(guān)注點(diǎn)在林地土壤中DOC[9-10]，在農(nóng)田土壤DOC的調(diào)查大部分是分析DOC的來源、動(dòng)態(tài)變化以及作用因子等內(nèi)容[11]。Boyer[10]、Nelson等[12]研究表明土壤中大部分的DOC都能夠生物分解和吸收，能夠被微生物降解的比例占到10%～40%，這與李廷強(qiáng)等[13]的研究結(jié)論相符。Yano等[14]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，森林土壤DOC能夠被降解的量占到12%～44%，這與多數(shù)人的研究結(jié)果相符，約有10%～40%的DOC能夠發(fā)生分解反應(yīng)。Boyer等人[10]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)土壤中DOC的含量、微生物強(qiáng)度比一般性的土壤介質(zhì)高，但能夠被利用的DOC含量卻較低，而且農(nóng)田土壤DOC的降解性一般高于森林土壤。Block等[15]測得土壤溶液和河水水樣中的DOC有24%～39% 可被降解。Qualls 等[16]發(fā)現(xiàn)DOC的降解速率隨土壤深度變大而減小。Wagai等[17]指出淋濾液中能夠發(fā)生降解反應(yīng)的DOC占比在13 % ～16 %，在浸提液中的比列約是18% ～27%。生物降解的快慢程度會(huì)根據(jù)培養(yǎng)時(shí)間和培養(yǎng)條件的不同而有所差異，對于一些容易發(fā)生降解作用的部分降解速率快，研究表明在樣品浸提液的親水中性組成部分有15%可在三天培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)降解完全[18]。落葉林表層沉積物中浸提液中的DOC有大約22%的量能在前14天降解完全，對于一些玉米農(nóng)田區(qū)域降解量能到29%[10]。

近幾年，國內(nèi)也有很多有關(guān)DOC生物降解的研究，禹洪雙等[19]通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)分析不同種類水稻土DOC含量和生物降解作用規(guī)律，微生物降解的快慢對于DOC不同組分有明顯差異，其中碳水化合物能夠被微生物首先降解，組分復(fù)雜的芳香性物質(zhì)被生物利用的程度相對較低，并且芳環(huán)組分越多，DOC越難被生物降解。也就是說，DOC的降解程度會(huì)因DOC中芳環(huán)成分比例的增大而減小，DOC在波長在280 nm的紫外光下能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的生物降解特征。分析還發(fā)現(xiàn)DOC的降解速率在培養(yǎng)起始階段最快，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加降解程度下降并在一定時(shí)間內(nèi)趨于相對穩(wěn)定，這與焦坤等(2005)對紅壤稻田土壤溶解有機(jī)碳生物降解特征的研究結(jié)果相符。通過對紅壤稻田土壤DOC含量動(dòng)態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，DOC的含量不僅與土壤有機(jī)碳庫有關(guān)，還受到微生物降解作用和土壤本身的性質(zhì)所決定。表層土壤的微生物代謝強(qiáng)度相對較高，對DOC的分解作用效果顯著，而土層較深的土壤微生物代謝作用較弱，分解和利用DOC的能力較低。呂國紅等[20]對盤錦濕地溶解性有機(jī)碳季節(jié)動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)果表明DOC的含量與濕地沉積環(huán)境中微生物活性密切相關(guān)，土壤微生物活性能夠作用于DOC的產(chǎn)生和分解、組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。當(dāng)微生物代謝強(qiáng)度增強(qiáng)，微生物的代謝產(chǎn)物也隨之增加，最終使DOC含量也增加[21]。隨著土壤微生物活性的增加，對DOC的生物降解作用和礦化作用也隨之增強(qiáng)，DOC的含量降低，DOC的組分也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變[22]。張金波等人[23]發(fā)現(xiàn)小葉章濕地表層土壤DOC含量隨季節(jié)的變化特征，該結(jié)論與呂國紅等(2006)的研究不相符，分析發(fā)現(xiàn)對于區(qū)域不同的條件，植被群落的種類不一，土壤微生物的代謝強(qiáng)度在不同時(shí)期對DOC的分解能力有所差別。柳敏等[24]得出DOC是土壤微生物生長、生物分解以及養(yǎng)分供給最重要的源泉，直接關(guān)系到微生物的活性強(qiáng)弱，此外DOC對于碳、氮、磷等土壤營養(yǎng)元素以及污染物的遷移轉(zhuǎn)化能力也有直接的作用。還有一些研究發(fā)現(xiàn)，DOC還可被直接利用或通過自身分解產(chǎn)生養(yǎng)分因子，提高土壤肥力。不同來源的DOC均能顯著提高土壤的肥力[25]。DOC使土壤中微生物數(shù)量增加、活性增強(qiáng)，提高了土壤養(yǎng)分的有效性，進(jìn)而促進(jìn)了微生物對DOC的降解[26]。

到目前為止，多數(shù)研究認(rèn)為有10%～40%的DOC是能被生物降解，但不同研究得到的結(jié)論也不甚相同，所以對DOC的生物降解的認(rèn)識還有待提高，需要進(jìn)一步深化研究。

3 土壤溶解有機(jī)碳的化學(xué)降解

目前，針對土壤溶解有機(jī)碳的化學(xué)降解大多是對光化學(xué)降解的研究。研究發(fā)現(xiàn)，DOC的來源主要包括外源輸入[27-28]及現(xiàn)場生物活動(dòng)的自生來源貢獻(xiàn)[29-31]。這些不同來源的DOC通過生物降解和化學(xué)降解綜合作用而遷移轉(zhuǎn)化。其中，由太陽能提供的光降解作用強(qiáng)烈影響著DOC的組成性質(zhì)和生物化學(xué)過程[32]。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，DOC的光降解過程分為三大類。第一類是直接光降解，即太陽光輻射直接作用于化學(xué)物質(zhì)本身而發(fā)生的降解作用，直接光降解能將大分子的有機(jī)物質(zhì)降解成小分子化合物；第二類是間接光降解又稱為光敏化反應(yīng)，即在水域中的腐殖質(zhì)、細(xì)菌等天然化合物，經(jīng)過太陽光輻射作用，激發(fā)出能量傳遞給大分子物質(zhì)使其降解。間接光降解比直接性的光降解作用效果更為明顯；第三類稱為光氧化反應(yīng)，即一些細(xì)菌和腐殖質(zhì)等純物質(zhì)經(jīng)過太陽光輻射作用產(chǎn)生自由基，轉(zhuǎn)化成的中間體在下一反應(yīng)階段與大分子物質(zhì)起作用而產(chǎn)生最終物質(zhì)。DOC發(fā)生降解會(huì)作用于紫外以及可見光區(qū)，尤其在波長280～315nm處的吸光度下降，導(dǎo)致高強(qiáng)度的紫外輻射到達(dá)深層水體，使得水生生物受到紫外輻射作用，可能會(huì)引起生物體遺傳物質(zhì)的破壞[33]，所以，光化學(xué)降解對DOC的生物有效性起著重要的作用。

陳文昭等[34]對小球藻來源溶解有機(jī)質(zhì)(DOM)的光化學(xué)降解特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明藻類自生來源的溶解有機(jī)質(zhì)具有很強(qiáng)的光化學(xué)降解活性。在水環(huán)境中溶解有機(jī)質(zhì)光降解作用的研究多集中于外源輸入的溶解有機(jī)質(zhì)上[32,35]，這些較大的DOM能夠降解為生物所需要的小分子DOM，也有利于微生物的繁殖[36]。Benner等人[37]的分析表明，自生溶解有機(jī)質(zhì)發(fā)生光降解作用后，生物有效性不同于陸源溶解有機(jī)質(zhì)的增加，相反生物有效性呈現(xiàn)下降的趨勢，分析原因是進(jìn)行了光腐殖化作用[38]。

4 影響土壤溶解有機(jī)碳降解的因素

目前，對溶解有機(jī)碳的降解在不同生態(tài)系統(tǒng)中的影響因素也是DOC相關(guān)研究的熱點(diǎn)問題。影響DOC降解的因素主要有：DOC的內(nèi)在性質(zhì)、土壤溫度、土壤深度、水分等自然因素和人為因素的綜合影響[39]。

4.1 DOC的內(nèi)在性質(zhì)

DOC的性質(zhì)對生物降解的程度起著關(guān)鍵的作用。不易發(fā)生降解的DOC內(nèi)在特性是：具有較多的復(fù)雜芳環(huán)，碳水化合物相對較少[40-41]。而生物降解也相應(yīng)的改變DOC的自身特性，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)不易分解而長時(shí)間存在。當(dāng)生物降解作用后生成芳香性有機(jī)物的積累，芳香性有機(jī)物是比較穩(wěn)定的，降解速率慢。在培養(yǎng)初期，微生物會(huì)選擇性的降解不穩(wěn)定的碳水化合物，隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，溶液中產(chǎn)生細(xì)菌等微生物的代謝終產(chǎn)物，分析是由于一方面碳水化合物與不易降解的DOC結(jié)合，生物可利用性降低；另一方面在通過降解作用，微生物本身的性質(zhì)發(fā)生改變，不能很好的吸收這些化合物，而分解較為穩(wěn)定的DOC。在培養(yǎng)終期，DOC的性質(zhì)有了顯著差異，組分的芳環(huán)數(shù)、碳水化合物量以及熱穩(wěn)定性等方面都趨于穩(wěn)定。因此，DOC降解作用的最終結(jié)果改變了其內(nèi)在性質(zhì)而趨于形成難降解的穩(wěn)定的DOC[8]。

4.2 土壤溫度

Mcdowell等[14]發(fā)現(xiàn)，土壤中DOC含量會(huì)根據(jù)季節(jié)的不同而有所差異，夏秋季含量達(dá)到峰值，高于冬季[42-43]。Cronan等人[44]得出夏季表層土壤中DOC的含量高于冬季的26%～32%，較深層土樣中DOC的含量無明顯差異[45]。表明因溫度升高使微生物代謝強(qiáng)度旺盛是導(dǎo)致DOC含量出現(xiàn)季節(jié)動(dòng)態(tài)變化的原因。溫度對土壤DOC影響的研究結(jié)論較為一致，有結(jié)果表明DOC的含量會(huì)因溫度的升高出現(xiàn)指數(shù)性的增長[46]，究其原因是溫度的升高，微生物代謝能力提高，土壤DOC含量會(huì)隨之升高[47-48]。大多數(shù)研究表明溫度在20℃時(shí)DOC的分解能力最強(qiáng)，高出或低于此溫度都會(huì)引起DOC分解速率的降低[49]。不過Andersson等[50]指出增加溫度會(huì)引起土壤性質(zhì)的變化，另外微生物因營養(yǎng)物質(zhì)的不足而死亡分解會(huì)在一定程度上導(dǎo)致DOC的含量的增加。

4.3 土壤深度

Jerome等人[51]發(fā)現(xiàn)活性有機(jī)碳的含量會(huì)因土壤深度的增加而減小，土層越深，土壤有機(jī)碳存留時(shí)間會(huì)提高，可利用率降低。不過，另有報(bào)道，DOC含量的變化與土壤深度無顯著相關(guān)性，深層土壤中DOC的含量相對較高，原因與深層土壤中微生物的代謝強(qiáng)度和遷移轉(zhuǎn)化相關(guān)[1]。

4.4 水分狀況

土壤水分狀況能夠在很大程度上影響DOC的降解。研究熱點(diǎn)多集中于干濕循環(huán)作用對于DOC含量的影響。大部分研究表明土壤經(jīng)過干濕循環(huán)后能夠增加DOC的含量，原因是干燥后的土壤，微生物活性降低，對土壤底質(zhì)的降解能力減弱，有利于DOC含量的增加，而且土壤底質(zhì)中生物的分解死亡，引起土壤濕潤時(shí)，也能使DOC濃度的增加[8]。Lundquist等[52]也指出干濕作用增加土壤中DOC的含量，分析主要原因：1)強(qiáng)烈的干濕作用顯著降低細(xì)菌豐度，從而減弱細(xì)菌等微生物對DOC的降解作用。2)干濕循環(huán)作用提高微生物活度以及微生物代謝產(chǎn)物的積累，引起穩(wěn)定的DOC濃度的增大。3)干濕循環(huán)能夠使土壤原有的性質(zhì)發(fā)生改變，加大了穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)與微生物結(jié)合的概率，從而引起難溶性有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物的降解作用轉(zhuǎn)化為可溶性的小分子物質(zhì)。Tyler等[53]和Christ 等[54]也報(bào)道土壤水分含量與溶解有機(jī)質(zhì)的濃度存在正相關(guān)性，原因是土壤水分狀況能夠改變微生物的代謝強(qiáng)度，活性高有利于溶解有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生。不過Guggenberger 等[55]分析指出兩者不存在顯著相關(guān)。大多數(shù)研究表明淹水環(huán)境中的DOC含量較高于非淹水情況的DOC，這與陶澍等[56]的研究結(jié)果一致。濕潤土壤環(huán)境下升高水分的含量，轉(zhuǎn)化為DOC的量也隨之升高，因?yàn)闈駶櫗h(huán)境能夠使疏水酸的數(shù)量升高，而較干燥的環(huán)境會(huì)使親水酸的數(shù)量升高[54]。研究發(fā)現(xiàn)，淹水初期土壤溶液中DOC的含量明顯增加[57]，淹水環(huán)境DOC降解程度低，降解不完全，代謝產(chǎn)物中可溶性組分的比例較高，從而引起DOC含量的提高。

4.5 森林采伐和造林

土壤中DOC含量會(huì)因森林采伐和造林方式的不同而引起相應(yīng)的變化。Johnson[58]研究調(diào)查表明土壤中的DOC含量會(huì)因森林被采伐后而有所增加，但這一結(jié)果與Lepisto等的完全不同，研究表明采伐后的森林土壤中DOC含量的降低，可能是由于徑流量的增大而導(dǎo)致，與森林采伐無相關(guān)性[59]。另外，還有一些研究表明森林采伐后，土壤DOC含量并不會(huì)出現(xiàn)顯著差異[14]。Quideau[60]等認(rèn)為造林后，土壤DOC含量會(huì)提高；不過Collier 等[61]的結(jié)果表明造林與土壤中的DOC 含量不呈現(xiàn)相關(guān)性。

研究還發(fā)現(xiàn)，降解土壤DOC和CO2、CH4和 N2O等溫室氣體的排放和土壤營養(yǎng)物質(zhì)的供給相關(guān)[62]。土壤中DOC的降解，能夠降低DOC中親水性物質(zhì)的淋失，保障地下水的水質(zhì)狀況，從而使降解作用下剩余的疏水性物質(zhì)更好的被土壤吸附[63]。此外，土壤可溶性有機(jī)碳作為微生物生長的良好碳源，其含量的高低在很大程度上對土壤微生物的代謝強(qiáng)度起著關(guān)鍵的控制作用，進(jìn)而影響著溫室氣體的產(chǎn)生和排放。

5 小結(jié)

土壤溶解有機(jī)碳(DOC)在很大程度上影響著土壤一切物理、化學(xué)及生物過程，但還有一些問題需要深入研究，如：土壤DOC的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理、降解機(jī)制、源和匯效應(yīng)等；尚未建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的土壤DOC的提取和分析方法，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定的準(zhǔn)確性；較少系統(tǒng)的研究土壤中微生物相關(guān)指標(biāo)與土壤DOC之間的相互作用，以揭示土壤微生物對DOC的降解效應(yīng)。目前對DOC的研究大都停留在室內(nèi)模擬階段，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的不足之處是現(xiàn)有技術(shù)還不能準(zhǔn)確表征土壤真實(shí)的環(huán)境狀況，影響因素比較單一，會(huì)使得實(shí)驗(yàn)脫離現(xiàn)場環(huán)境條件，而降低研究結(jié)果的說服力。