鄭小東，陳香碧，胡亞軍，蘇以榮*

亞熱帶典型地貌下旱地和水田可溶性有機物化學組成特征①

鄭小東1,2,3，陳香碧1,3，胡亞軍1,3，蘇以榮1,3*

(1 中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125；2 中國科學院大學，北京 100049；3 中國科學院環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站，廣西環(huán)江 547100)

闡明亞熱帶典型地貌下旱地與水田土壤可溶性有機物(DOM)化學組成差異可為農(nóng)田土壤DOM穩(wěn)定性評價提供理論依據(jù)。研究采用XAD-8樹脂分組和熱裂解氣質(zhì)聯(lián)用儀(Py-GCMS)技術，分析比較休閑期、耕作期亞熱帶喀斯特山區(qū)、丘陵區(qū)及平原湖區(qū)旱地和水田土壤DOM化學組成特征。結(jié)果表明：休閑期，親、疏水性可溶性有機碳(DOC)含量以水田(10.2、33.4 mg/kg)顯著高于旱地(4.15、12.8 mg/kg)，耕作期無顯著性差異。與休閑期相比，耕作期水田親、疏水性DOC含量均顯著降低，而旱地親、疏水性組分DOC含量在兩個時期間保持相對穩(wěn)定。休閑期旱地和水田土壤DOM中有機酸相對比例分別為31.9%、35.6%，耕作期顯著降至17.9%、20.0%(<0.05)。脂類相對比例趨勢與有機酸相反，旱地和水田土壤DOM中脂類相對比例在休閑期分別為55.0%、49.5%，耕作期顯著增至70.1%、62.9%(<0.05)。Adonis分析表明，親、疏水性DOC含量在旱地和水田、休閑期和耕作期差異顯著(<0.05)；DOM化學組成在不同時期(休閑期和耕作期)及地貌(喀斯特山區(qū)和丘陵區(qū)、丘陵區(qū)和平原湖區(qū))差異顯著(<0.05)。Random Forest分析表明，有機酸和脂類參與微生物代謝過程，在休閑期和耕作期差異顯著(<0.05)；芳香化合物作為DOM穩(wěn)定性組分，在不同地貌區(qū)差異較大(<0.05)?？傮w上，田間條件下水田DOC比旱地DOC對時期響應更敏感，且土壤DOM中微生物代謝相關組分(有機酸、脂類)和穩(wěn)定性組分(芳香族化合物)在不同時期及地貌區(qū)的差異性不同，這對評價旱地和水田土壤DOM穩(wěn)定性及土壤有機碳積累具有一定的參考意義。

可溶性有機物；化學組成；旱地；水田；休閑期；耕作期

土壤質(zhì)量及可持續(xù)發(fā)展、氣候變化問題一直是全球關注的焦點，與這些緊密聯(lián)系的土壤活性碳組分，尤其是可溶性有機物(DOM)，近幾十年來成為研究者研究的熱點問題之一[1]。土壤DOM化學組成極為復雜，其去向包括礦化、吸附、轉(zhuǎn)化進入土壤有機質(zhì)以及以溶解態(tài)殘留在土壤中，進而影響溫室氣體排放、土壤養(yǎng)分供應及土壤碳平衡等過程[2-3]。不同DOM化學組成在土壤中的去向差異明顯，小分子化合物如有機酸、葡萄糖、氨基酸，極易被微生物利用礦化，而高分子化合物降解性低，通常以穩(wěn)定形態(tài)存在于土壤中[4]；親水性DOM移動性強、易從土壤中流失，而疏水性DOM易被土壤吸附，參與土壤有機碳(SOC)形成。闡明不同土壤DOM化學組成特征對于理解土壤DOM降解特征及穩(wěn)定性具有重要意義。

土壤DOM化學組成復雜，主要來源包括SOC、凋落物、根系分泌物及微生物代謝產(chǎn)物。不同來源DOM化學組成、生物降解性差異較大。來源于根系分泌物的土壤DOM以小分子量有機酸為主，降解性高[5]；不同凋落物類型的DOM化學組成及復雜性差異較大，生物降解率表現(xiàn)為灌木>喬木>草本[6]；木質(zhì)素來源的DOM含有較多的芳香族化合物，降解性較低[7]。此外，微生物代謝產(chǎn)物是土壤DOM的重要來源，環(huán)境因素如溫度、土壤基本性質(zhì)也可以通過改變微生物代謝活性，從而影響土壤DOM組成?？梢?，土壤DOM化學組成受DOM來源及環(huán)境條件共同影響。

旱地和水田是我國亞熱帶地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)兩種常見的土地利用方式，以往研究表明，DOM化學組成可能是旱地和水田固碳能力差異的主要因素之一[8]。已有研究結(jié)果表明旱地DOM芳香性和腐殖化程度高于水田[9-10]，但這不能全面反映土壤DOM的化學組成與分子特征?，F(xiàn)有關于農(nóng)田土壤DOM化學組成研究多偏向于控制因子性試驗，對自然環(huán)境條件下農(nóng)田土壤DOM化學組成的了解有待深入。受人為耕作管理措施影響，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因素比自然生態(tài)系統(tǒng)更為復雜。旱地和水田因農(nóng)作管理措施差異，土壤物理化學和生物學性質(zhì)明顯不同[11-12]，水田土壤微生物活性高于旱地土壤；不同有機物料來源的DOM化學組成多樣化，不同施肥習慣也可能影響DOM化學組成。并且不同地貌區(qū)土壤性質(zhì)、氣候因素及農(nóng)作管理習慣存在較大差異，通過影響微生物代謝過程改變土壤DOM化學組成[13-14]?；诖?，本研究分析亞熱帶典型地貌下的旱地和水田土壤DOM化學組成，闡明土壤DOM化學組成的主要影響因素，以期為揭示農(nóng)田SOC周轉(zhuǎn)機制及固碳機理提供基礎。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

研究區(qū)包括我國亞熱帶區(qū)域喀斯特山區(qū)(廣西環(huán)江)、紅壤丘陵區(qū)(湖南常德)及平原湖區(qū)(湖南岳陽)，氣候類型為亞熱帶季風氣候。喀斯特山區(qū)、丘陵區(qū)和平原湖區(qū)的年降雨量分別為1 750、1 437、1 423 mm，平均氣溫分別為19.9、16.5、16.9℃。每個地區(qū)于休閑期(3月)和耕作期(7月)隨機采集5對連續(xù)耕作20 a以上的相鄰旱地和水田土壤(樣地信息及土壤基本性質(zhì)見表1)，每個田塊按照“S”形采集多點表層(0 ~ 15 cm)土壤樣品混合成1個土壤樣品，置于聚丙烯袋中并密封，盡快運回實驗室于4℃保存。指標分析前，將土壤中的根系和石礫挑除，并把土壤分成兩部分，一部分置于4℃?zhèn)溆糜诳扇苄杂袡C物(DOM)提取，另一部分在室溫下風干，用于測定土壤水分、SOC和pH。

表1 旱地和水田樣地信息及土壤基本性質(zhì)

1.2 測定項目及方法

1.2.1 DOM提取、分組與化學組分鑒定 稱取一定量的土壤鮮樣，在土水比(/)為1∶2，20℃條件下200 r/min振蕩1 h；將浸提液在4℃ 12 000 r/min下離心10 min；所得上清液過0.45 μm微孔濾膜，即為DOM溶液[15]。所得DOM溶液分為3部分，分別進行DOC含量測定、分組及冷凍干燥。

DOM分組步驟如下：使用XAD-8離子交換樹脂(安伯來特)對DOM進行親水和疏水性組分的分組[16]。在分組前，XAD-8樹脂在索氏抽提器中分別用甲醇、乙腈、乙醚清洗。清洗干凈的XAD-8樹脂裝入玻璃填充柱中(直徑0.7 cm)，然后分別用超純水、甲醇、0.1 mol/L NaOH、0.1 mol/L HCl充分淋洗，最后再用超純水反復潤洗。分組時，將DOM溶液pH用HCl調(diào)為2.0，保持蠕動泵流速為0.6 ~ 0.7 ml/min，將溶液過XAD-8樹脂柱，濾液即為親水性組分，而疏水性組分吸附在XAD-8樹脂中。

DOM溶液冷凍干燥所得DOM固體用熱裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Py-GCMS)測定DOM化學組成。具體步驟為：0.5 mg DOM固體樣品添加四甲基銨氫氧化物(TMAH)溶液(溶于甲醇中)后在400 ℃下熱化學裂解30 min，熱裂解產(chǎn)物置于氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀上進行自動分析。分析過程如下：1 μl樣品被自動注射到氣相色譜中，該色譜儀連接有分裂模的毛細管注射器(分裂比為30∶1，溫度恒定為250 ℃)和熔融石英毛細管柱(30 m′0.25 mm，膜厚度0.25 μm)。載氣為氦氣，其流速為1.8 ml/min。校準用標準物質(zhì)為異辛烷八氟萘。柱式加熱爐的初始溫度設定為80 ℃并保持1 min，然后以4 ℃/min的速度上升至180 ℃，再以10℃/min的速度上升至320 ℃，并保持10 min。質(zhì)譜分光光度計經(jīng)校準后在全掃描模式下進行操作，掃描范圍為/=50 ~ 1 200，電子沖擊離子化能量為70 eV，掃描速度為1.0 s/san。運用NIST質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫和軟件(NIST 2002, Perkin-Elmer, USA)對產(chǎn)物質(zhì)譜圖進行匹配鑒定，通過裂解產(chǎn)物的質(zhì)譜與數(shù)據(jù)庫質(zhì)譜圖的詳細對比可識別產(chǎn)物名稱[17]。相比于其他方法，Py-GCMS技術前處理不復雜、測定組分多樣化，盡管該技術的檢測物為裂解物，但根據(jù)已有文獻結(jié)果，可將裂解產(chǎn)物歸類為原DOM化合物組分[18-19]。

1.2.2 指標測定 土壤基本理化性質(zhì)采用鮑士旦[20]主編的《土壤農(nóng)化分析》中常規(guī)方法測定；濾液中的DOC和分組所得親水性DOC用島津TOC-5050A總有機碳儀測定；DOM中芳香族物質(zhì)含量的測定：將DOC含量稀釋為2 mg/L，在紫外分光光度計254 nm下測定其分光光度值(E254)，即代表DOM中芳香族物質(zhì)含量[21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

疏水性DOC含量為DOC總含量與親水性DOC含量的差值；采用R語言進行Random Forest分析和Adonis分析。Random Forest分析使用R分析軟件中的randomforest安裝包進行，預測變量對響應變量的重要性則根據(jù)rfpermute安裝包進行。Adonis分析使用R分析軟件中的adonis安裝包進行。

數(shù)據(jù)處理和分析用Microsoft Excel 2003和SPSS18.0軟件完成；利用Origin8.0軟件進行作圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤DOC含量與芳香性特征

休閑期，喀斯特山區(qū)和平原湖區(qū)水田DOC含量為66.7、39.3 mg/kg，顯著高于旱地土壤；丘陵區(qū)水田土壤DOC含量(21.6 mg/kg)略高于旱地土壤(17.0 mg/kg)，差異未達顯著水平(圖1)。休閑期和耕作期，喀斯特山區(qū)和平原湖區(qū)水田土壤DOC含量差異顯著，而丘陵區(qū)水田土壤DOC含量無顯著差異。兩個時期，各地貌下旱地土壤DOC含量變化較小。

(圖中山區(qū)、丘陵、平原分別代表喀斯特山區(qū)、丘陵區(qū)和平原湖區(qū)；不同小寫字母表示同一地貌區(qū)不同土地利用方式間的差異達P<0.05顯著水平)

E254值表示DOM芳香化指數(shù)，其大小與DOM中芳香化合物比例成正比。兩個時期，喀斯特山區(qū)旱地DOM芳香性顯著高于水田，而丘陵區(qū)和平原湖區(qū)，水田DOM芳香性總體大于旱地，其中在耕作期丘陵區(qū)水田DOM芳香性顯著高于旱地。

2.2 土壤親水和疏水性DOC含量

Adonis分析結(jié)果表明，不同土地利用方式(旱地和水田)和時期(休閑期和耕作期)下親、疏水性DOC含量差異達極顯著水平(<0.01)，而不同地貌區(qū)兩種DOC含量差異不顯著(表2)。休閑期，水田親、疏水性DOC含量分別為10.2、33.4 mg/kg，顯著高于旱地土壤(4.15、12.8 mg/kg)；而耕作期，旱地和水田親、疏水性DOC含量差異不顯著(圖2)。此外，旱地和水田兩種DOM組分隨時期響應變化不同。水田親、疏水性DOM耕作期顯著低于休閑期；而旱地兩種DOM組分含量在休閑期和耕作期差異不顯著(> 0.05)。

表2 基于Adonis分析的不同土地利用方式、時期及地貌下親水及疏水DOC含量顯著性差異

注：**代表在<0.01水平差異達極顯著水平。

2.3 土壤DOM化學組成

脂類和有機酸是旱地和水田DOM的主要化學組成(圖3)。旱地和水田中有機酸相對比例以休閑期高于耕作期(<0.05)，休閑期分別為31.9%、35.6%，耕作期分別降至17.9%、20.0%。兩時期下脂類相對比例與有機酸趨勢相反，旱地和水田土壤DOM中脂類相對比例在休閑期分別為55.0%、49.5%，耕作期則分別顯著增至70.1%、62.9%。Adonis分析結(jié)果表明，休閑期和耕作期，土壤DOM化學組成差異顯著；喀斯特山區(qū)和丘陵區(qū)以及丘陵區(qū)和平原湖區(qū)的DOM化學組成差異顯著(表3)。采用Random Forest分析進一步闡明DOM具體組分在各因素下的顯著性差異，結(jié)果表明，有機酸和脂類相對比例在不同時期差異顯著，而芳香化合物相對比例在不同地貌區(qū)差異顯著(圖4)。

(圖中不同小寫字母表示同一時期不同土地利用方式間的差異在P<0.05水平顯著)

(圖中不同小寫字母表示同一土地利用方式不同時期間的差異在P<0.05水平顯著)

表3 基于Adonis分析的不同土地利用方式、時期及地貌下DOM化學組成顯著性差異

注：*代表在<0.05水平差異達顯著水平，下同。

3 討論

與多數(shù)研究結(jié)果相同[22-23]，DOC含量在不同土地利用方式、時期下差異顯著。休閑期水田土壤DOC含量高于旱地，這與韓成衛(wèi)等[24]以水為提取劑、過0.45 μm濾膜方法提取DOC的研究結(jié)果一致，但也有研究以水為提取劑、過濾紙方法提取DOC，結(jié)果表明旱地DOC含量高于水田[25]。這說明，提取方法對DOM性質(zhì)影響較大。土壤DOC含量(包括親、疏水性DOC)受SOC含量及時期共同影響，本研究休閑期3個地貌區(qū)土壤DOC(親水及疏水DOC)含量均表現(xiàn)為水田大于旱地，這與水田SOC高于旱地是一致的。多數(shù)研究結(jié)果也指出，旱地和水田DOC含量與SOC含量表現(xiàn)為正相關關系[26]。水田作物生長及人為管理措施在休閑期和耕作期差異較大，休閑期溫度低、人為干擾少以及土壤長期浸水導致DOC含量較高；盡管耕作期作物根系分泌物會增加根際土壤DOC含量，但由于溫度較高、人為管理措施頻繁，水田微生物活性高于休閑期，導致該時期DOC含量降低[27-28]。本研究兩個時期間，旱地土壤DOC含量穩(wěn)定，而水田波動較大，這可能與旱地DOC化學組成比水田更復雜有關。

圖4 基于Random Forest分析的不同因子下主要DOM化學組成顯著性差異

不同土地利用方式下土壤DOM化學組成差異較大。有研究通過比較不同土地利用方式(森林、草地、林地)土壤DOM化學組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植被類型對DOM化學組成影響較大[29]。森林土壤植被類型以木本科植物為主，農(nóng)田土壤則以禾本科植物為主，比如水稻、玉米和小麥等。來源于木本科和禾本科植物的DOM化學組成差異很大，即木本科植物凋落物來源的DOM通常比禾本科作物來源DOM含有更多的木質(zhì)素和其他難降解性化合物組分[30]，這是導致森林土壤DOM化學組成比農(nóng)田土壤DOM復雜的一個主要原因。本研究結(jié)果表明土地利用方式對DOM化學組成影響不明顯，這可能與農(nóng)田土壤種植作物以禾本科作物為主有關。

本研究通過Py-GCMS技術測定DOM化學組成，結(jié)果表明脂類和有機酸是DOM的主要組分并隨時期顯著變化，而芳香化合物組分在不同地貌區(qū)差異較大。這說明，DOM化學組成的影響因素取決于化合物種類。土壤DOM化學組成復雜，根據(jù)降解特征可分為易降解組分(糖類、氨基酸、有機酸)、難降解組分(芳香化合物、木質(zhì)素來源的酚類化合物)[31-32]。環(huán)境條件變化影響微生物代謝活性，導致微生物代謝相關組分含量改變。土壤DOM組分中，有機酸易被微生物降解利用，而微生物代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物是脂類物質(zhì)的一個主要來源[33]。盡管耕作期作物根系分泌物中有機酸豐富，但耕作期土壤微生物活性高于休閑期，土壤微生物對有機酸利用增強，代謝轉(zhuǎn)化產(chǎn)物增多，導致DOM中有機酸顯著降低、脂類含量顯著升高。此外，芳香化合物在土壤DOM中含量較少，但卻是指示DOM穩(wěn)定性的一個重要指標[34]。難降解DOM組分主要受來源途徑影響，環(huán)境及微生物代謝過程影響較小[35]。有機肥是農(nóng)田土壤DOM芳香化合物的主要來源之一[36-37]，本研究結(jié)果表明不同地貌區(qū)土壤DOM芳香化合物比例相差較大，可能是由于不同地貌區(qū)農(nóng)田農(nóng)作管理措施差異(比如施肥)引起的。本研究闡明土壤DOM組成結(jié)構在不同土地利用方式、地貌區(qū)及時期的顯著性差異，但不同土地利用方式、地貌區(qū)以及時期下氣候因素、土壤環(huán)境及農(nóng)作管理措施都存在較大差別，影響DOM組成結(jié)構的關鍵因子還需進一步研究。

4 結(jié)論

休閑期，親、疏水性DOC含量以水田顯著高于旱地，耕作期無顯著性差異；水田親、疏水性DOC含量隨時期變化明顯，旱地兩組分DOC含量相對穩(wěn)定。與休閑期相比，耕作期旱地和水田土壤DOM中有機酸均顯著減少，脂類顯著增加，可見土壤環(huán)境、作物生長及人為管理措施變化對微生物代謝相關化合物影響較大。芳香化合物作為DOM穩(wěn)定組分，在不同地貌區(qū)差異較大，可能與不同地貌區(qū)農(nóng)田土壤施肥差異有關；而芳香化合物在不同時期差異不顯著，說明土壤DOM穩(wěn)定性組分主要受其來源影響。本研究揭示了田間條件下旱地和水田DOM隨時期的變化特征，并闡明了DOM中微生物代謝相關組分(有機酸、脂類)和穩(wěn)定性組分(芳香族化合物)在不同因子下的顯著性差異，對于評價旱地和水田DOM穩(wěn)定性及固碳機制具有一定的參考意義。

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Chemical Constituents of DOM in Upland and Paddy Soils Under Typical Landforms in Subtropical Region

ZHENG Xiaodong1,2,3, CHEN Xiangbi1, 3, HU Yajun1,3, SU Yirong1,3*

(1 Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Huanjiang Observation and Research Station for Karst Eco-systems, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang, Guangxi 547100, China)

In this study, the chemical constituents of dissolved organic carbon (DOM) in upland and paddy soils under typical landforms in subtropical region were investigated in order to provide theoretical basis for evaluating its stability. The chemical constituents of DOM in upland and paddy soils from karst, hilly and plain-lake areas in southern China at fallow and ploughing periods were analyzed using an XAD-8 resin-based fractionation method and pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry analysis. Results showed that higher contents of hydrophilic DOC (Hi-DOC) and hydrophobic DOC (Ho-DOC) were found in paddy soils (10.2 and 33.4 mg/kg) than in upland soils (4.15 and12.8 mg/kg) at fallow period (<0.05), whereas no significant difference of these components was found at ploughing period. As compared with fallow period, the contents of Hi-DOC and Ho-DOC in paddy soil were significantly decreased at ploughing period (<0.05). However, those in upland soils were not greatly changed between fallow and ploughing periods. The relative proportions of organic acids in total DOM in upland and paddy soils were 31.9% and 35.6% at fallow period, but were decreased to 17.9% and 20.0% at ploughing period, respectively (<0.05). Contrary to organic acids, the relative proportions of lipids in DOM from upland and paddy soils were 55.0% and 49.5% at fallow period, but increased up to 70.1% and 62.9% at ploughing period, respectively (<0.05). The adonis test showed that the contents of Hi-DOC and Ho-DOC were significantly different between upland and paddy soils and between fallow and ploughing stages (<0.05), whereas the DOM constituents were significantly different between different periods (fallow and plough) and between different landforms (karst mountain region vs hill region, hill region vs plain-lake region) (<0.05). The random forest test showed that the organic acids and lipids involved in microbial metabolic processes, were significantly different between fallow and ploughing periods (<0.05). However, the aromatics as a stable component of DOM was significantly different between different landforms (<0.05). In brief, this study indicates that the DOC in paddy soil was more sensitive to periods than in upland soil, and reveals that the significant differences in microbial metabolic-related components (organic acids and lipids) and a stable component (aromatics) in soil DOM were various with different periods and landforms, which could provide a reference for DOM stability as well as SOC accumulation in upland and paddy soils.

Dissolved organic matter; Chemical constituent; Upland; Paddy; Fallow period; Ploughing period

國家自然科學基金項目(41471199和41671298)資助。

yrsu@isa.ac.cn)

鄭小東(1987—)，男，江蘇泰州人，博士研究生，主要從事土壤生態(tài)與農(nóng)業(yè)環(huán)境研究。E-mail: 550895299@qq.com

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.06.010