陳 琦， 李富翠*， 彭鈺梅， 劉卓成， 汪夢寒， 賈辰雁， 韓烈保

(1.北京林業(yè)大學草業(yè)與草原學院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學， 北京 100193； 3.內(nèi)蒙古蒙草生態(tài)環(huán)境(集團)股份有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

高寒荒漠地區(qū)極易受環(huán)境影響，植物種群少、生產(chǎn)力低，但作為重要的綠色生態(tài)屏障，其作用不可忽視，土壤有機碳含量差異對整個高寒荒漠系統(tǒng)影響深遠[16]。諸多研究表明[17-18]，近年來，青藏高原氣溫不斷升高，由于凍土熱力敏感性大，高原凍土具有很大的碳、氮等溫室效應氣體的排放潛力，青藏高原也因其敏感而脆弱的生態(tài)環(huán)境，被看作為全球變化的指示區(qū)與預警區(qū)[19]。公路作為各地區(qū)之間交流的快速通道，規(guī)模不斷擴大和發(fā)展的同時，不可避免地對公路沿線土壤產(chǎn)生了一定程度的干擾[20]。陳愛俠等[21]提出了“路域”概念，它的范圍是公路用地界之內(nèi)，寬約50～70 m，長數(shù)十至數(shù)百千米的地帶，后來Bignal等[22-23]將道路對環(huán)境的影響范圍擴大到了100～200 m。目前對路域土壤的研究多集中在微生物群落和重金屬污染等方面，如龍昊知等[24]以垂直青藏公路不同距離樣帶土壤為研究樣本，研究發(fā)現(xiàn)3個樣點不同樣帶呈現(xiàn)從10～50 m樣帶土壤細菌豐度遞增的趨勢。戴青云[25]選取湖南省運營期的G4和G60部分路段的路域土壤進行研究，研究表明Zn，Pb，Cd，Cr和Cu等五種重金屬的濃度隨著與公路距離的增加而降低。關(guān)于公路對土壤有機碳的影響研究較少，王俊霞[26]研究發(fā)現(xiàn)，除人為因素影響最大的10 m距離外，在荒地中表層土有機碳的變化趨勢為距離公路越遠，有機碳含量越低，而在林地表層土中則是與公路垂直距離20 m處的有機碳含量最低，距離50 m處最高。這些結(jié)果均表明，公路會影響周圍土壤碳的空間分布格局，但具體機理尚不清楚。DOC被認為是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵物質(zhì)，對探討全球碳循環(huán)具有重要意義[7,27]，而當前關(guān)于公路對土壤可溶性有機碳及其特征的影響尚無相關(guān)報道。

因此，本研究以青藏公路路段沿線土壤為研究對象，從不同水平距離土壤有機碳含量、可溶性有機碳含量及其芳香結(jié)構(gòu)特性和降解特性等方面開展研究，探討公路對路域土壤可溶性有機碳的影響，在填補相關(guān)領(lǐng)域研究空白的同時，為路域土壤的生態(tài)修復提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

G109國道格爾木至拉薩段總長1 152.5 km，為國家二級公路干線，路基寬10 m，坡度小于7%，最大行車速度為60 km·h-1。自1954年建成通車以來經(jīng)過多次修繕，于2003年完成第四次整治改建工程。該公路是西藏出省的主要公路，也是西藏運輸最繁忙的公路，擔負著80%的進藏物資的運輸，全線平均海拔為4 500 m[28]，所在地區(qū)屬于高原寒溫帶氣候，年均溫度1.3℃，年均降雨量 456.8 mm，年均蒸發(fā)量1 725.7 mm[29]。根據(jù)草地綜合順序分類系統(tǒng)(IOCSG分類系統(tǒng))[30]，海拔4 600 m取樣地草地類型主要為高山草原類，土壤類型為高山草原土，主要植物有：紫花針茅(Stipapurpurea)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、高原早熟禾(Poapratensisalpigena)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)、青藏薹草(Carexmoorcroftii)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、蕨麻(Potentillaanserina)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)以及棘豆屬(Oxytropis)的植物。海拔5 200 m取樣地草地類型主要為高山草甸草原，土壤類型為高山草甸土，主要植物除了上述幾種外還有二裂委陵菜(Potentillabifurca)和珠芽蓼(Polygonumviviparum)等。

1.2 土壤樣品采集

本研究選取4 600 m，5 200 m兩個海拔高度并設(shè)置2個取樣地(取樣地1坐標為34°27′N，92°44′E；取樣地2坐標為32°53′N，91°55′E)。在每個取樣地設(shè)置4條取樣帶，作為4個重復，取樣帶長400 m，寬10 m，每條取樣帶間隔100 m，取樣帶內(nèi)高度落差均小于30 m。在取樣帶上按照距離路肩不同水平距離(20 m，100 m，400 m)設(shè)置樣方，取樣帶位置和設(shè)置見圖1。其中每個距離設(shè)置四個1 m×1 m的樣方，采用“五點混合法”用土鉆取0～20 cm深度土壤，將每個樣方采集的土壤樣品混合為1個樣品。新鮮土壤樣品用于DOC含量和紫外、熒光表征，以及水分含量測定，風干土用于土壤有機碳的測定。土壤基本性狀見表1。

圖1 取樣帶設(shè)置圖Fig.1 Sampling belt setup diagram

表1 土壤基本性狀Table 1 Basic properties of the soil

1.3 樣品測定

1.3.1土壤有機碳的測定 根據(jù)林業(yè)標準“森林土壤有機質(zhì)的測定及碳氮比的計算”[31]，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機碳含量。稱取0.2 g過篩后的土樣，置于試管底部，以此加入硫酸銀粉末、重鉻酸鉀標準溶液和濃硫酸，170℃～180℃油浴5 min，冷卻，加入3～4滴鄰菲咯啉指示劑，用0.2 mol·L-1硫酸亞鐵銨標準溶液滴定，溶液從橙黃色經(jīng)藍綠色到棕紅色為終點，記錄硫酸亞鐵用量并計算有機碳含量。

1.3.2土壤DOC溶液的提取及測定 采取水土振蕩法[32]，將10.00 g新鮮土壤樣品按5∶1的水土比加入超純水，室溫下以180 r·min-1振蕩12 h，懸濁液以3 500 r·min-1離心25 min，上清液過0.45 μm水系濾膜，抽濾(濾膜提前用超純水浸泡12 h，以除去濾膜可能殘留的有機組分)后在TOC分析儀(vario TOC,Elementar,Germany)上測定。

1.3.3紫外可見光譜測定 采用紫外分光光度計(TU-1900，北京普析通用儀器有限責任公司，中國)，用超純水進行校正，測定樣品在254 nm和260 nm 波長下的吸光度UV254和UV260，由公式：

分別計算兩種波長下的特定紫外吸光度SUVA254和SUVA260，作為DOC的芳香性和疏水性指標。

1.3.4三維熒光光譜測定 采用配備有150瓦氙燈的三維熒光分光光度計(F97PRO，上海精密儀器儀表有限公司，中國)在室溫下進行三維熒光光譜測量，配用1 cm石英比色皿，以Milli-Q超純水為實驗空白。PMT電壓設(shè)為750 V，激發(fā)和發(fā)射單色儀的狹縫寬度均為10 nm，激發(fā)波長(Ex)范圍從200～500 nm，波長間隔為5 nm；發(fā)射波長(Em)范圍從250～600 nm，波長間隔為1 nm，掃描速度保持3 000 nm·min-1。

DOM光譜特征參數(shù)：熒光指數(shù)(Fluorescence index,FI)、腐殖化指數(shù)(Humification index,HIX)、自生源指標(Index of recent autochthonous contribution,BIX)、新鮮度指數(shù)(β∶α)，相關(guān)光譜特征參數(shù)的計算方法及公式參數(shù)見表2。

表2 光譜特征參數(shù)基本信息Table 2 Basic information of spectral characteristic parameters

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2020處理數(shù)據(jù)，利用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件，對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA，LSD)，P<0.05為差異顯著。采用Origin 2019b繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 距離公路不同遠近土壤中可溶性有機碳的含量差異

由圖2可知，本研究中土壤有機碳(SOC)的含量為9.52～28.00 g·kg-1。海拔高度為4 600 m時，各處理間有機碳含量差異不顯著，海拔高度為5 200 m時，距離公路越遠，有機碳含量越高，且各處理間差異顯著(P<0.05)，與距離20 m相比，距離400 m和100 m的土壤有機碳含量分別增加194%和42%。

圖2 不同樣點土壤有機碳和可溶性有機碳含量Fig.2 Different soil organic carbon and dissolved organic carbon content注：不同小寫字母表示4 600 m處理間有顯著差異(P<0.05)，不同大寫字母表示5 200 m處理間有差異(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant differences between 4 600 m treatments (P<0.05),and different uppercase letters indicate differences between 5 200 m treatments (P<0.05). The same as below

土壤DOC含量在1.67～17.84 mg·kg-1之間，在4 600 m和5 200 m的海拔高度下，距公路不同距離土壤DOC含量均為：400 m >100 m >20 m，表現(xiàn)為距離公路越遠，土壤DOC的含量越高，這一規(guī)律在海拔高度為5 200 m時表現(xiàn)更顯著(P<0.05)。不同海拔高度在距離公路400 m處的土壤DOC含量均顯著高于20 m處(P<0.05)，在4 600 m和5 200 m海拔高度下，與距離20 m相比，距離400 m土壤DOC含量分別增加95%和884%。由此可見，公路的存在顯著影響了周圍土壤DOC的含量和分布。

2.2 距離公路不同遠近土壤中DOM的紫外可見吸收特性

SUVA254被廣泛用于識別源自土壤、沉積物或水生生態(tài)系統(tǒng)的有機質(zhì)[36-37]，反映土壤腐殖化程度和DOM中芳香族物質(zhì)的組成[38]，SUVA254越高，有機質(zhì)的芳香程度越高，腐殖程度也越高；SUVA260被廣泛用于表征DOM疏水性組分的含量，SUVA260值越高，DOM中的疏水有機組分含量越高，則其參與污染物遷移轉(zhuǎn)化的活性就越高[39]。由圖3可知，本研究中，在海拔5 200 m處DOM的芳香和疏水結(jié)構(gòu)以及腐殖化程度受公路影響顯著，表現(xiàn)為距公路越近，SUVA254和SUVA260越小，即有機質(zhì)的腐殖化程度越小，芳香結(jié)構(gòu)和疏水結(jié)構(gòu)越少。在海拔4 600 m處也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，距公路400 m處的SUVA254和SUVA260最大，與20 m相比，SUVA254在海拔5 200 m和4 600 m分別高出79%和157%；SUVA260在海拔5 200 m和4 600 m分別高出85%和157%，土壤DOM的穩(wěn)定性較高。

圖3 不同樣點土壤可溶性有機質(zhì)紫外-可見光光譜表征參數(shù)SUVA254及SUVA260Fig.3 SUVA254 and SUVA260 of dissolved organic matter in different treatments

2.3 距離公路不同遠近土壤中DOM的熒光特性

熒光指數(shù)(FI)可表征DOM的來源，反映了芳香氨基酸與非芳香物對DOM熒光強度的相對貢獻率[40]。研究表明，熒光指數(shù)(FI)存在兩個端源值，F(xiàn)I低于1.4時，認為DOM主要為外源輸入(陸地植物、土壤有機質(zhì)等)，F(xiàn)I在1.9附近時，認為DOM主要為生物源輸入(微生物的胞外釋放及滲出液)[40]。在本研究中，不同海拔和距公路不同距離的土壤DOM的熒光指數(shù)在1.71～1.90之間，因此可以判斷土壤DOM主要由微生物活動產(chǎn)生。腐殖化指標(HIX)可表征DOM腐殖化程度或成熟度[41]。HIX大于16代表DOM具有較強的腐殖化特征和較強的外源輸入特征；介于6～10之間代表較強腐殖化特征和較弱自生源特征；介于4～6之間代表弱腐殖化特征和較強自生源特征；小于4表示具有強自生源特征[42]。海拔4 200 m和海拔5 200 m各土壤處理間HIX值均小于1，土壤DOM屬于微生物來源輸入，有強自生源特征，與熒光指數(shù)得出的結(jié)果一致。海拔4 600 m處，距離公路20 m土壤DOM的HIX值顯著高于距離公路100 m處的HIX，說明離公路越近的土壤DOM腐殖化程度越小。海拔5 200 m處各處理差異不顯著。自生源指數(shù)(BIX)一般表征DOM中自生源貢獻比例，也可評價土壤DOM的生物可利用度高低[41]。BIX值大于1時代表生物或細菌引起的自生來源，而介于0.6～0.7之間代表陸地源輸入或受人類影響較大。新鮮度指數(shù)(β：α)可表征新產(chǎn)生的DOM在整體DOM中所占的比例[35]。本研究中土壤DOM的BIX和β：α的均值均在0.5左右，兩個指標的值都較低，且二者變化趨勢一致，均在海拔5 200 m處，距公路越遠值越小；在海拔4 600 m處，距公路100 m的值最大，且差異顯著。

3 討論

3.1 距離公路不同遠近土壤中有機碳和可溶性有機碳的含量差異

本研究中SOC和DOC的含量整體表現(xiàn)為距離公路越遠含量越高，與王俊霞的研究結(jié)果不一致[26]，可能是由于后者所選的試驗地受秸稈焚燒、農(nóng)田施肥等人為因素的影響更大。海拔5 200 m處，不同距離土壤SOC和DOC含量之間的差異較海拔4 600 m處更為顯著，這是因為草地土壤有機碳的輸入主要來自落葉、枝條等死亡殘體及其根系的分解和周轉(zhuǎn)[43]，海拔5 200 m處距離公路較近區(qū)域的植被出現(xiàn)了不同程度的退化，但是植被覆蓋度低于20%的區(qū)域面積比例在公路400 m內(nèi)隨距離增加逐漸下降[44]。馬維偉等人[43]在尕海濕地的研究也表明，植被退化后土壤總有機碳隨退化程度增加而逐漸降低。因此植被覆蓋度的差異可能是導致本研究中SOC和DOC含量差異的原因。

土壤水分含量的變化會改變土壤團聚體和團粒結(jié)構(gòu)，也會直接影響根際和土壤微生物活性，在一定程度上影響有機碳的分解速率和土壤DOC含量，改變土壤中有機碳的儲量[45]。本研究結(jié)果顯示，在同一海拔高度下，距離公路400 m處的土壤水分含量顯著高于同海拔下的其他處理(表1)，公路可能通過影響周邊土壤的水分含量來影響DOC在土壤中的移動和分布。張雪雯等[46]以若爾蓋泥炭土為對象，設(shè)置不同水分條件處理，研究干濕交替對泥炭土可溶性有機碳的影響，結(jié)果表明水分飽和處理下的泥炭土DOC含量高于干燥處理土壤。付琳玉等[47]的研究也表明若爾蓋地區(qū)淺層土壤最大持水量與有機碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這與本研究結(jié)果一致，具體原因可能是路域土壤由于受施工和其他人為因素影響，緊實度總體來說要高于自然土壤[20]，而且相關(guān)研究表明，土壤緊實度明顯影響土壤含水量，疏松土壤有利于保持土壤水分[48]。

另外，有研究發(fā)現(xiàn)[49]，在唐古拉山的大部分山區(qū)，青藏公路沿線植被有明顯退化趨勢。Auerbach等[50]通過對阿拉斯加北部Dalton公路沿線的觀測研究也表明，公路兩側(cè)土壤水分含量低、土壤密實，植被生物量與原有植被相比有所減少。因此公路可能通過影響路域土壤的物理性狀和植被，間接影響土壤DOC，使距離公路較近的區(qū)域DOC降解的多而輸入的少，而距離公路較遠的區(qū)域受人為擾動較小，植被覆蓋度較高，因此積累了更多的土壤DOC。

3.2 距離公路不同遠近土壤中DOM的紫外可見吸收特性

本研究結(jié)果顯示，在同一海拔高度下，距離公路400 m處土壤DOM的芳香和疏水組分以及腐殖化程度都較高，土壤有機碳更穩(wěn)定(圖3)。土壤可溶性有機質(zhì)的芳香度越高，說明形成的化合物越復雜、分子量越大，同時具有更高的穩(wěn)定性[51]，Nishijima等[42]研究認為，影響波長254 nm處紫外吸收的主要因素是芳香族化合物等具有不飽和C=C鍵的有機化合物，距離公路400 m處土壤可能含有較多具有不飽和C=C鍵的有機化合物，使此處DOM的穩(wěn)定性更高，因此DOC的含量也較高。DOM中的疏水組分往往有更高的芳香性，因此周轉(zhuǎn)周期更長，也更加難以分解[52]，距離公路400 m處土壤受人類活動影響相對較小，植被種類和數(shù)量更多，微生物活性也越強，有利于植物殘體的腐解和DOM的累積。于波[53]在研究中發(fā)現(xiàn)DOM可與重金屬離子結(jié)合形成絡(luò)合物，受公路交通影響，路域土壤Cd，Pb和Cr等重金屬含量較多[25]，因此距離公路較近區(qū)域土壤的DOM可能因結(jié)合了較多的重金屬離子，導致土壤DOM的芳香性降低。也曾有研究指出在汽車尾氣排放的成分中，飽和烴約占30%[54]，距離公路較近距離處芳香度低可能是受到汽車尾氣排放的影響。

3.3 距離公路不同遠近土壤中DOM的熒光特性

三維熒光光譜具有靈敏度高、選擇性好且對樣品無破壞的優(yōu)點，近年來被廣泛應用于水體、土壤中DOM的表征和去除過程[55-56]。本研究通過對6個處理的土樣進行三維熒光光譜掃描，來分析不同海拔和公路對土壤DOM的產(chǎn)生來源和降解的影響。由圖4得知，所有處理的FI都介于1.4和1.9之間，而且更接近1.9，土壤DOM的輸入來源以微生物源為主。海拔5 200 m高度下，土壤DOM的FI值在距公路400 m處均顯著低于其他距離，主要原因可能是公路的存在影響了土壤DOM的熒光物質(zhì)(類腐殖質(zhì)和類蛋白)的組成，但還需要進一步的分析驗證。不同處理中的HIX值都相對較低，表明土壤DOM沒有顯著的腐殖化特征，有較強自生源特征，這與FI的結(jié)果一致。由BIX和β：α的結(jié)果分析得出，所有處理中的土壤DOM的生物可利用度較低，新鮮有機質(zhì)輸入較少。各處理的差異規(guī)律與FI所表現(xiàn)的差異規(guī)律大致相同。在同一海拔高度下，距離公路越遠，BIX和β：α越小，土壤中的生物活性越低。

圖4 不同樣點DOM的熒光光譜表征參數(shù)FI，HIX，BIX及β：αFig.4 FI,HIX,BIX and β：α of soil organic matter in different treatments

以上結(jié)果的產(chǎn)生可能與微生物活動有關(guān)，楊寶玲等人[57]以滬寧高速公路兩側(cè)土壤為研究對象，結(jié)果表明土壤微生物量隨公路垂直距離的增加而增加。原因是公路的大規(guī)模發(fā)展可能使周圍土壤受汽車尾氣、粉塵、重金屬等一系列污染加重，進而導致周圍土壤部分微生物的死亡。而且由于取樣地的植被主要為草類植物，細根系較多，含有的木質(zhì)素和纖維素較少，易于被地下的微生物分解利用，使得土壤DOM的自生源特征明顯。

總之，路域土壤由于受到人為干擾，退化嚴重，使土壤貧瘠化，不再適于植物生長[20]，相關(guān)研究也表明可礦化氮、磷這些養(yǎng)分的有效性與DOC動態(tài)密切相關(guān)[58]。因此，注重對路域土壤的生態(tài)修復，提高有機碳的穩(wěn)定性，可以有效提高土壤養(yǎng)分，從而逐漸提高土壤質(zhì)量。

4 結(jié)論

青藏公路的建設(shè)通過影響植被覆蓋度、土壤水分以及土壤緊實度，對DOC的含量產(chǎn)生影響，距離公路越遠DOC含量越高，路域土壤DOC的穩(wěn)定性也隨著距離的增加而增加。土壤DOM屬于微生物源有機質(zhì)輸入，自生源特征較強，但缺乏新鮮有機質(zhì)的輸入。因此，對公路周邊環(huán)境進行生態(tài)修復時，要格外注意在距離公路較近處，可以通過人工建植的方式，提高植被覆蓋度，進而增加土壤碳儲量及穩(wěn)定性，保護生態(tài)環(huán)境。后續(xù)可進行熒光區(qū)域積分來表征DOM的不同組分，進一步研究公路對土壤有機碳穩(wěn)定性的影響機制。