秦紀(jì)洪,王 姝,劉 琛,孫 輝*,唐翔宇,劉堰楊

海拔梯度上川西高山土壤溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)光譜特征

秦紀(jì)洪1,王 姝2,劉 琛3,孫 輝2*,唐翔宇3,劉堰楊2

(1.成都大學(xué)環(huán)境工程系,四川 成都 610106；2.四川大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,四川省土壤環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)中心,四川 成都 610065；3.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041)

采用三維激發(fā)發(fā)射矩陣熒光光譜、平行因子分析(EEM - PARAFAC)和熒光區(qū)域積分方法(FRI),研究川西高原3200 ~ 4000m高寒土壤DOM特征及其在海拔梯度上變化規(guī)律. 結(jié)果表明,高寒土壤DOC含量為0.47~0.81g/kg,隨著海拔梯度的升高而呈增加趨勢(shì),表層土中含量多高于亞表層土;土壤中DOM組分均呈5個(gè)組分,即芳香蛋白類物質(zhì)I(酪氨酸類,Peak I)、芳香蛋白類物質(zhì)II(BOD5,Peak II)、富里酸類(Peak III)、微生物代謝產(chǎn)物(色氨酸類,Peak IV)和腐殖酸類(大分子腐殖酸,Peak V);高山土壤DOM中以富里酸類有機(jī)質(zhì)和腐殖酸類有機(jī)質(zhì)組分為主,FRI值均隨著海拔的升高而降低. .川西高山土壤DOM熒光特征參數(shù)(熒光指數(shù)FI、自生源指數(shù)BIX、腐殖化指數(shù)HIX、新鮮度指數(shù)β:α)表明,土壤DOM的穩(wěn)定性隨著海拔升高而降低,生物有效性隨著海拔升高而升高. 因此,氣候變暖可能將導(dǎo)致高海拔土壤DOM分解加劇而含量降低,但穩(wěn)定性升高.

高寒土壤；三維熒光；溶解性有機(jī)質(zhì)；平行因子分析；熒光區(qū)域積分

溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)是指能通過(guò)0.45μm濾膜且溶于水的含有多種官能團(tuán)的有機(jī)混合物(包括有機(jī)酸、碳水化合物、腐殖質(zhì)、氨基糖、多酚等)[1],土壤DOM主要源于凋落物、土壤腐殖質(zhì)、根系分泌物、降水淋溶、土壤微生物等[2]. DOM只占土壤有機(jī)質(zhì)極小部分(一般低于有機(jī)質(zhì)總量5%),但因具有高水溶性和生物活性,周轉(zhuǎn)率極高,成為最活躍最重要的土壤有機(jī)質(zhì)組分[1-2]. DOM在土壤中碳生物地化循環(huán)等化學(xué)和生態(tài)過(guò)程中處于關(guān)鍵地位,DOM大多能被迅速礦化、轉(zhuǎn)化或?yàn)槲⑸锢?廣泛參與土壤吸附、解吸、有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化(礦化與腐殖化)、微生物新陳代謝等生物地球化學(xué)過(guò)程[3].與土壤有機(jī)碳全量相比,DOM能更敏感地反映土壤有機(jī)碳短期動(dòng)態(tài)及環(huán)境響應(yīng). 因此,DOM特征及動(dòng)態(tài)被廣泛用于闡釋從土地利用到全球變化的效應(yīng)與過(guò)程[4-5].近年來(lái)DOM在諸如地表水環(huán)境[6-8]、污染物傳輸和光降解[9]、重金屬?gòu)?fù)合物和移動(dòng)性[10-11]等環(huán)境過(guò)程中,扮演了從污染源、污染物載體到過(guò)程示蹤物等多重角色.

更重要的是,陸地DOM(tDOM)通過(guò)淋溶、壤中流和地表徑流等途徑進(jìn)入水體,成為陸地生態(tài)系統(tǒng)向水生(海洋)生態(tài)系統(tǒng)之間碳轉(zhuǎn)移的物質(zhì)基礎(chǔ)[5-6,12],從而將陸地與水體生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)[5,13].近幾十年來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),英國(guó)[14-15]、北歐[16-17]和北美[18]江河源區(qū)和高緯度土壤DOM排放日益升高,導(dǎo)致河湖等地表水體DOM含量升高和顏色變深,即水體“褐化”[12],泥炭地和濕地等高寒土壤DOM輸出升高尤為明顯[19-20],這影響到地表水環(huán)境、水文、生物地化過(guò)程、水生生物、水生群落和生態(tài)等過(guò)程,以及水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[4-5,12].川西高原是大江大河源區(qū)和重要集水區(qū),該區(qū)域土壤有機(jī)碳含量高,濕地和泥炭廣布,這些高海拔土壤碳庫(kù)是我國(guó)最重要的低溫碳庫(kù),正受到全球變暖的顯著影響[21],溫度低溫生態(tài)系統(tǒng)土壤DOM的效應(yīng)在海拔梯度上應(yīng)該有所體現(xiàn).因此,本文通過(guò)研究分析川西高山土壤溶解有機(jī)質(zhì)參數(shù)及其在海拔梯度上的變化特征,對(duì)了解高寒土壤SOM動(dòng)力學(xué)具有重要意義,為揭示青藏高原江河源區(qū)土壤DOM動(dòng)態(tài)及其與江河源區(qū)水體DOM之間關(guān)系提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于四川省阿壩藏族羌族自治州小金縣與馬爾康之間的夢(mèng)筆山西南坡,夢(mèng)筆山是由大雪山和邛崍山系北部交界地帶海拔4000m以上多個(gè)高峰組成.夢(mèng)筆山區(qū)域?yàn)榈湫偷母咴呱缴罟鹊匦?高山草地和灌叢坡度大致35°左右,亞高山針葉林地形更陡峭.該區(qū)域海拔3200~3800m左右主要是岷江冷杉()、紫果云杉()、鱗皮冷杉()、川西云杉()等暗針葉林,林齡40~100a左右,是我國(guó)典型亞高山針葉林主要分布區(qū).林下和林窗零星分布有細(xì)枝茶藨子()、四川忍冬()、紅毛五加()、杜鵑花多個(gè)種(spp.)、高山柳幾個(gè)種(spp.)等灌木.樹(shù)線以上分布著高山灌叢,建群種為川滇高山櫟()等,主要分布在海拔3700~4100m.在高山灌叢帶上為高寒草地(海拔3800~4300m),在草地上叢狀散生著高山杜鵑()、千里香杜鵑()等矮灌叢.

1.2 高山土樣采集與DOM提取

高山土壤采樣區(qū)土壤為山地棕色針葉林土和高山草甸土,在海拔高度3200~4000m間隔200m,布設(shè)水平采樣帶;每個(gè)海拔的采樣帶設(shè)置3個(gè)重復(fù);每個(gè)重復(fù)為沿樣帶采集10個(gè)采樣點(diǎn)土樣等量混合;每個(gè)采樣點(diǎn)按照0~10cm(表層土)和10~20cm(亞表層土)進(jìn)行土壤分層采樣,采樣點(diǎn)示意圖如圖1所示.海拔從高到低,表層土樣編號(hào)分別為HT4000(海拔4000m,高山灌叢草地)、HT3800(海拔3800m,高山針葉林)、HT3600(海拔3600m,高山針葉林)、HT3400(海拔3400m,高山針葉林)、HT3200(海拔3200m,高寒次森林);從高到低相應(yīng)的亞表層土樣編號(hào)分別為HS4000(4000m)、HS3800(3800m)、HS3600(3600m)、HS3400(3400m)、HS3200(3200m). 土壤樣品采集后除去石礫、根系、植物殘?bào)w等,迅速過(guò)2mm篩后,放入4℃保鮮盒帶回實(shí)驗(yàn)室,用于提取DOM和進(jìn)行土壤其他性質(zhì)分析.

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布示意

本研究采用Jones & Willett方法[22]提取土壤中DOM. 稱取新鮮土樣10g,放入離心管中,按土水比1:5(土樣重量:溶液體積,)加入0.5mol/L的K2SO4溶液,充分搖勻分散后連續(xù)振蕩1h(200r/min); 8000×離心10min,倒出上清液采用0.45μm針筒微孔濾膜(PVDF, Millipore, USA)過(guò)濾,再用0.20μm針筒微孔濾膜過(guò)濾.過(guò)濾后冷凍保存,或立即進(jìn)行三維熒光和DOC測(cè)定.

1.3 樣品分析方法

土壤樣品總氮和總有機(jī)碳采用 Elementar 元素分析儀(Vario MACRO cube)測(cè)定;溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性有機(jī)氮(DON)采用Elementar總有機(jī)碳/總氮分析儀(Vario TOC)中測(cè)定;溶解性磷(DP)采用ICP-MS分析測(cè)定.

土壤DOM三維熒光光譜(3D-EEM)采用熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)定(Aqualog,Horiba公司).測(cè)定條件為:150W氙燈為激發(fā)光源,PMT電壓設(shè)為700V,配以1cm石英比色皿;掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正;掃描波長(zhǎng)范圍為激發(fā)波長(zhǎng)(excitation wavelength,x)為240~550nm,發(fā)射波長(zhǎng)(emission wavelength,m)為214~619nm;間隔和狹縫寬度分別為3.0nm和2.5nm.采用Millipore超純水作空白,系統(tǒng)自動(dòng)處理去除拉曼及瑞利散射.熒光強(qiáng)度大小以單位R.U.(Roman Unit)標(biāo)注.

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

土壤DOM熒光參數(shù):利用DOM三維熒光數(shù)據(jù),分別計(jì)算每個(gè)土樣DOM熒光指數(shù) FI、光譜斜率比值R、自生源指標(biāo)BIX、腐殖化指數(shù)HIX、新鮮度指數(shù)及熒光吸收系數(shù)(355)[8].其中,采用非線性回歸方法計(jì)算的熒光吸收系數(shù)(λ)以355nm處吸收系數(shù)(355)(m-1)表示土壤CDOM相對(duì)濃度.

三維熒光平行因子分析(EEM-PARAFAC):采用Matlab 2014a調(diào)用DomFluor工具箱,將所有土壤DOM熒光矩陣組合,構(gòu)成一個(gè)新的三維矩陣組,進(jìn)行平行因子處理.整個(gè)分析過(guò)程包括數(shù)據(jù)處理(扣除空白、去除瑞利和拉曼散射),去除異常值并利用核一致性結(jié)果及激發(fā)、發(fā)射光譜的誤差平方和曲線,初步確定組分?jǐn)?shù)范圍,確定組分?jǐn)?shù)并進(jìn)行裂半分析與有效性檢驗(yàn).

雖然《元史》本傳稱戴表元:“其學(xué)博而肆”[1](P4336),但他在宋代考中進(jìn)士，所受的是傳統(tǒng)的儒家教育，儒家的禮學(xué)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)然占主導(dǎo)地位。儒家認(rèn)為臣子有忠君的義務(wù)，“《春秋》之義，臣不討賊，非臣”[11](P117)，然而忠君有一定的前提，那就是君主勤政愛(ài)民，孔子在回答子貢問(wèn)治民問(wèn)題時(shí)說(shuō)過(guò)：“夫通達(dá)之國(guó)皆人也，以道導(dǎo)之，則吾畜也。不以道導(dǎo)之，則吾仇也。”[12](P146)如果面對(duì)無(wú)道之君，則臣子可逆可去，而遵循比君主更加重要的“義”。依據(jù)這個(gè)原則來(lái)分析戴表元仕元，便可以找到其思想基礎(chǔ)。

熒光區(qū)域積分(Fluorescence Regional Integration, FRI):土壤DOM三維熒光光譜特征一般劃分為5個(gè)特征峰區(qū)域[23],分別是Peak I(芳香蛋白類物質(zhì))、Peak II(芳香蛋白類物質(zhì))、Peak III(富里酸類物質(zhì))、Peak IV(微生物代謝的水溶性產(chǎn)物),以及Peak V(腐殖酸類物質(zhì)).這5個(gè)熒光譜峰的激發(fā)波長(zhǎng)、發(fā)射波長(zhǎng)范圍見(jiàn)表1.利用Origin 9.0軟件對(duì)熒光峰區(qū)域進(jìn)行三維積分,計(jì)算特定熒光區(qū)域體積(),公式如下.

式中:(exem)為ex和em為特定熒光譜峰激發(fā)波長(zhǎng)范圍和發(fā)射波長(zhǎng)范圍(表1),計(jì)算土壤DOM 熒光特征組分的光譜強(qiáng)度.

表1 水溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)三維熒光5個(gè)常見(jiàn)熒光峰區(qū)域特征

2 結(jié)果與討論

2.1 海拔梯度上高寒土壤碳氮磷特征

由表2可見(jiàn),在高寒土壤中,表層土DOC含量隨著海拔升高呈增加趨勢(shì),亞表層土DOC含量和土壤TOC含量均隨著海拔的升高而降低,海拔4000m的土壤DOC和TOC含量卻高于其他土壤;土壤中DN、TN、DP含量隨著海拔降低而升高,且表層土中含量多高于亞表層土壤;高寒土壤呈弱酸性,pH值隨著海拔的降低而增加,但是3400m由于人為活動(dòng)和放牧耕作的影響,導(dǎo)致3400m的土壤樣品并不符合上述規(guī)律.

青藏高原是世界上低緯度高寒土壤有機(jī)碳庫(kù)的集中分布區(qū)之一,對(duì)全球氣候變化十分敏感[21],作為我國(guó)主要土壤低溫碳庫(kù),土壤DOC直接影響著高寒土壤碳的源匯轉(zhuǎn)換機(jī)制和CO2等溫室氣體排放通量,也關(guān)系著高原地表水環(huán)境質(zhì)量與水生態(tài)過(guò)程,以及流域有機(jī)碳輸出[5,12].本研究數(shù)據(jù)顯示土壤DOC含量隨著海拔升高而呈增加趨勢(shì),土壤碳含量在高海拔地區(qū)更多,暗示DOM的輸出潛勢(shì)在高海拔土壤也更高,隨著降水格局改變可能導(dǎo)致土壤DOM輸出升高,而發(fā)生所謂的水體褐化(Browning),國(guó)際上研究證實(shí)很多高地江河源區(qū)因土壤DOM輸入使得地表水體正在褐化[12],這不僅影響到高原水體水環(huán)境,也改變水體中的入射光強(qiáng)和光質(zhì)而影響到水生群落的結(jié)構(gòu)和功能.

表2 海拔梯度上川西高寒土壤一些化學(xué)特征

2.2 海拔梯度上土壤DOM熒光參數(shù)

2.2.1 海拔梯度上土壤DOM吸收光譜特征 一般認(rèn)為吸收系數(shù)(355)與帶色DOM(CDOM)相對(duì)濃度相關(guān)[8],本研究中土壤DOM吸收系數(shù)(355)隨著海拔升高而降低(表3),說(shuō)明土壤CDOM相對(duì)濃度隨著海拔的升高而降低,這暗示著土壤DOM顯色組分相對(duì)含量隨著海拔高度可能有差異.隨著海拔升高溫度逐漸降低,溫度的改變可以影響土壤酶活性和微生物的組成,導(dǎo)致土壤中的活躍成分及DOM的顯色組分含量有所不同.

表3 海拔梯度上川西高寒土壤DOM吸收光譜特征

光譜斜率比值R(275~295nm波段與350~400波段吸收光譜斜率比值)可反映土壤DOM的分子量大小和類型[24],不論是在表層土壤還是亞表層土壤中,R都與海拔正相關(guān),這證明DOM中小分子量物質(zhì)比例隨著海拔升高而增加,即新近產(chǎn)生的DOM含量隨著海拔升高增加.表中數(shù)據(jù)顯示3400m的表層土壤光譜斜率值高于3600m,這和總體趨勢(shì)有所差別,認(rèn)為是到當(dāng)?shù)厝藶榛顒?dòng)的影響,使該海拔土壤的DOM中小分子物質(zhì)增加.

SUVA254(254nm處吸收系數(shù)(254)與DOC含量的比值)可反映DOM腐殖化程度,SUVA260(260nm處吸收系數(shù)(260)與DOC含量的比值)可用來(lái)表征DOM疏水性組分含量[25].從總體上看,SUVA254值和SUVA260值在海拔梯度上的變化趨勢(shì)一致,在海拔梯度上均隨著海拔降低而增加,顯示高寒土壤腐殖化程度隨著海拔降低而增加;土壤DOM中疏水性組分在低海拔土壤中升高,無(wú)論在表層還是亞表層土壤均是如此(表3).究其原因,是因?yàn)殡S著采樣點(diǎn)的海拔升高,氣溫降低,微生物的數(shù)量和活性也隨之降低[26],土壤中CDOM的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程受到限制,致使高海拔土壤的腐殖化程度和疏水性組分含量低于低海拔土壤.

可以看出川西高寒土壤DOM的吸收光譜參數(shù)與海拔高度呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,腐殖化程度和疏水性組分均隨著海拔的升高而降低,DOM小分子物質(zhì)比例隨著海拔升高而升高. 前期研究顯示川西高海拔區(qū)域顆粒態(tài)有機(jī)碳等活性有機(jī)碳的比例和含量隨著海拔而升高;國(guó)外在阿爾卑斯的研究也表明高海拔土壤有機(jī)碳活性高于低海拔土壤[27-28].本文從DOM的吸收光譜特征證實(shí)了在海拔梯度上川西高山土壤DOM腐殖化特征隨著海拔升高而降低,新近產(chǎn)生的DOM含量隨著海拔升高而升高,這顯示川西高海拔地區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)不穩(wěn)定性隨著海拔上升而增高的特征,與前人相關(guān)研究結(jié)果是一致的.

腐殖化指數(shù)HIX可衡量DOM腐殖化程度, HIXb是HIX消除內(nèi)濾效應(yīng)后的值,值越高表明DOM腐殖化程度高[8].總體來(lái)看,海拔越低腐殖化指數(shù)越高,說(shuō)明低海拔土壤中DOM具更顯著腐殖化特征.表4顯示3400m的數(shù)據(jù)和總體趨勢(shì)有差別,這和該海拔植被主要為次森林有關(guān),受當(dāng)?shù)厝藶榛顒?dòng)影響較大,使該海拔土壤的腐殖化程度發(fā)生改變.

自生源指數(shù)BIX作為DOM溯源另一個(gè)指標(biāo),用于表征DOM自生源特征,BIX越高顯示自生源越高,同時(shí)也體現(xiàn)DOM生物可利用性越高[29].結(jié)果表明(表4),BIX隨著海拔升高,在最高海拔4000m最高,這顯示土壤DOM的自生源特征較強(qiáng)(DOM更多來(lái)源于微生物對(duì)有機(jī)物的分解),這與熒光指數(shù)(FI)結(jié)果是一致的;另外,0~10cm土層與10~20cm相比,自生源指數(shù)更低.

新鮮度指數(shù)()反映新產(chǎn)生DOM在DOM比例,隨著海拔升高土壤DOM新鮮度指數(shù)也隨之升高,下層土壤(10~20cm)新鮮度指數(shù)明顯高于表層土壤(0~10cm),這表明在高寒土壤中新近產(chǎn)生DOM亞表層土壤高于表層土壤,高海拔高于低海拔土壤.

本研究中川西高山土壤CDOM來(lái)源兼具內(nèi)外源特征,隨海拔升高有逐漸從土壤外源轉(zhuǎn)為自生源的趨勢(shì);FI、BIX和:值與海拔高度成正相關(guān)趨勢(shì),而HIXb趨勢(shì)則相反.總體上,與Ohno等[30](FI值與DOM芳香性成負(fù)相關(guān)關(guān)系,FI越高芳香性越弱,腐殖化程度越低)、以及Williams等[31](在人為活動(dòng)影響的土地類型中FI普遍較高,自生源BIX程度高,與:成正比)的研究結(jié)果是一致的.BIX越高顯示腐殖化程度越高,或者腐殖化趨勢(shì)增強(qiáng).本研究中,BIX等數(shù)據(jù)顯示腐殖化程度隨著海拔升高而降低,暗示有機(jī)碳穩(wěn)定性減低及不穩(wěn)定性的有機(jī)碳比例隨著海拔升高而增加,這與其他一些研究是一致的[27]. DOM腐殖化隨著海拔升高而降低,表明土壤DOM不穩(wěn)定性隨著海拔增加,這與其他一些研究結(jié)果是一致的,即在高海拔地區(qū)土壤有機(jī)碳主要以活性有機(jī)碳形式儲(chǔ)存,且有機(jī)碳穩(wěn)定性隨海拔而降低[27-28].

表4 高寒土壤DOM熒光特征參數(shù)在海拔梯度上的變化

2.3 高寒土壤DOM三維熒光-平行因子分析(EEM-PARAFAC)

土壤DOM三維熒光EEM-PARAFAC結(jié)果顯示,高寒土壤DOM主要為三類物質(zhì)(圖2).其中,第一類物質(zhì)(Fraction I,x:256(250~260)nm/m:420 (380~ 480)nm,圖2a)被認(rèn)為是主要由有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的、分子量較低而熒光特性強(qiáng)的類腐殖質(zhì)組成[32];第二類物質(zhì)(Fraction II,x:270(240~275)/m:490(434~520)nm,圖2b)具有一個(gè)激發(fā)峰和兩個(gè)發(fā)射峰,被認(rèn)為主要是分子量較高、熒光特征與富里酸類似的UVA類腐殖質(zhì),來(lái)自植物或土壤有機(jī)物[33];第三類物質(zhì)(Fraction III,x:283(<300)/m:330(300~350)nm,圖2c)為土壤內(nèi)源的微生物活動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生的類蛋白物質(zhì)[8,34].

結(jié)果顯示,高寒土壤DOM中以第一組分(即小分子類腐殖質(zhì))載荷最高(圖2A),第三組分(微生物活動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程中蛋白物質(zhì)類)最低(圖2C),第二組分(分子量較高的富里酸類腐殖質(zhì))介于二者之間(圖2B).在海拔梯度上,DOM這三類組分載荷都隨著海拔降低而升高;在同一海拔,土壤DOM中這三類組分的含量均是表層土高于亞表層土.

2.4 海拔梯度上高寒土壤DOM三維熒光區(qū)域積分(FRI)

高寒土壤DOM三維熒光光譜呈5個(gè)熒光峰(圖3),分別為Peak I到PeakV(表1).DOM熒光強(qiáng)度(熒光峰體積積分)沿海拔變化,不論是表層土壤(圖3A)還是亞表層土壤(圖3B),5個(gè)熒光峰FRI值均隨著海拔的升高而降低;所有土壤的DOM熒光峰中,以Peak III和Peak V組分為主,即富里酸類有機(jī)質(zhì)和腐殖酸類有機(jī)質(zhì)在DOM中比例最高,尤其在海拔較低的土壤中,這和表4中高海拔土壤腐殖化程度和疏水性組分含量低于低海拔土壤的結(jié)論一致.

可以看出高寒土壤DOM及其有關(guān)組分與海拔高度呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,均隨著海拔的升高而降低.由于海拔高度的升高導(dǎo)致了溫度降低,土壤微生物的活動(dòng)受到抑制,在溫度變化的作用下土壤DOM及其相關(guān)組分均隨著海拔高度的升高呈現(xiàn)降低趨勢(shì).本文從DOM不同組分的含量證實(shí)了在海拔梯度上川西高山土壤DOM不同組分的含量隨著海拔升高而降低,高寒土壤以富里酸類有機(jī)質(zhì)和腐殖酸類有機(jī)質(zhì)為主,這顯示川西高海拔地區(qū)土壤的腐殖化程度有隨著海拔上升而降低的特征,與上文中的相關(guān)結(jié)果是一致的.

圖3 海拔梯度上川西高寒土壤DOM三維熒光區(qū)域積分變化特征

A. 0~10cm土層;B. 10~20cm土層

圖4 海拔梯度上高寒土壤DOM三維熒光區(qū)域積分相對(duì)比例

A. 0~10cm土層;B. 10~20cm土層

從各熒光峰積分相對(duì)比例(圖4)也可以看出,在所有高寒土壤中最高的是Peak V,比例均超過(guò)50%;其次是Peak III,除海拔4000m表層和亞表層土壤以及海拔3800的表層土壤外,比例均超過(guò)25%.不同海拔高度土壤DOM中熒光峰積分值還是有差異性的,如Peak IV(水溶性微生物代謝產(chǎn)物)和Peak II(芳香類蛋白類物質(zhì))在海拔4000m和3800m土壤中相對(duì)比例明顯高于其他低海拔土壤.

3 結(jié)論

3.1 土壤DOC含量為0.47~0.81g/kg,隨著海拔梯度的升高而呈增加趨勢(shì),表層土中含量多高于亞表層土.

3.2 川西高寒土壤DOM熒光特征參數(shù)(熒光指數(shù)FI、自生源指數(shù)BIX、腐殖化指數(shù)HIX、新鮮度指數(shù)β:α)表明,土壤DOM的穩(wěn)定性隨著海拔升高而降低,生物有效性隨著海拔升高而升高.

3.3 高寒土壤中CDOM組分均呈4類5個(gè)組分,即Peak I~V:芳香蛋白類物質(zhì)I(酪氨酸類)、芳香蛋白類物質(zhì)II(BOD5)、富里酸類、微生物代謝產(chǎn)物(色氨酸類)和腐殖酸類(大分子腐殖酸).

3.4 高寒土壤DOM中以富里酸類有機(jī)質(zhì)和腐殖酸類有機(jī)質(zhì)組分為主,其FRI值均隨著海拔的升高而降低.

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Spectroscopic characteristics of soil dissolved organic matter (DOM) along the altitudinal gradient of alpine in western Sichuan.

QIN Ji-hong1, WANG Shu2, LIU Chen3, SUN Hui2*, TANG Xiang-yu3, LIU Yan-yang2

(1.Department of Environmental Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China；2.Sichuan Research Center for Soil Environment Protection Engineering and Technology, Department of Environmental Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China；3.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)., 2019,39(10)：4321~4328

By the use of three-dimensional excitation emission matrix fluorescence coupled with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC) and fluorescence regional integration (FRI) analysis, DOM characteristics of the alpine soil and its changing tendency along an altitudinal gradient from 3200 to 4000m in the western Sichuan province were studied. The results showed that, the DOC concentrations for the alpine soil ranged from 0.47 to 0.81g/kg, showing an increasing trend with the altitude elevation in the same soil layer, and mostly higher DOCs in the topsoil layer than the subsoil. There were always five DOM components in the tested soils, namely, aromatic protein substance I (tyrosine, Peak I), aromatic protein substance II (BOD5, Peak II), fulvic acid-like (Peak III), soluble microbial byproduct-like (tryptophan, Peak IV) and humic acid-like (Peak V). The fulvic acid-like and humic acid-like species are two major DOM components for the alpine soil. FRI values decreased with the altitude increase. Values of fluorescence characteristic parameters (fluorescence index FI, spontaneous source index BIX, humification index HIX, freshness index β:α) have indicated that, the stability of soil DOM decreases with altitude elevation, while the bioavailability increases with elevation. Therefore, climate warming may lead to increased DOM decomposition and decreased contents in high altitude soils but with an increased stability.

alpine soil；three-dimensional fluorescence；dissolved organic matter；parallel factor analysis (PARAFAC)；fluorescence regional integration (FRI)

X131.3

A

1000-6923(2019)10-4321-08

秦紀(jì)洪(1981-)女,四川成都人,博士,副教授,主要研究方向?yàn)橥寥拉h(huán)境學(xué).發(fā)表論文10余篇.

2019-03-11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC1900103);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271094;41771521)

* 責(zé)任作者, 教授, sunhuifiles@gmail.com