何冬梅,王 火,祝亞云,江 浩①

(1.江蘇省林業(yè)科學研究院,江蘇 南京 211153;2.江蘇鹽城濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,江蘇 鹽城 224136)

濱海濕地是連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶,容易受人為活動、氣候變化以及生物入侵等因素的影響,是脆弱的生態(tài)敏感區(qū),也是濕地保護的薄弱環(huán)節(jié)[15-16]。而溶解性有機質作為陸地生態(tài)系統(tǒng)向海洋生態(tài)系統(tǒng)輸送養(yǎng)分的重要載體,其化學特性直接影響其在濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學循環(huán)過程中的作用[17]。因此,了解濱海濕地土壤DOM的化學特性和來源,對于濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)研究和生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

鹽城濱海濕地面積為52.15萬hm2,占江蘇濱海濕地總面積的56%,占全國濱海濕地面積的1/10。鹽城濱海濕地類型多樣,生物多樣性資源豐富,兩處國際重要濕地于2019年被列入《世界遺產名錄》,成為中國首個濱海濕地型自然遺產。近年來學者們在鹽城濱海濕地開展了大量研究,主要包括濕地生態(tài)修復[18]、景觀格局演變[19]、土壤有機碳分布與動態(tài)[20]等方面,但是關于土壤DOM的研究較少,尤其針對濱海濕地土壤DOM來源、化學組成和光譜特性的研究較缺乏。因此,該研究選取鹽城濱海濕地為研究對象,運用紫外/可見光譜和熒光光譜技術對鹽城濱海不同濕地類型土壤DOM的化學特性進行分析,以期了解鹽城濱海濕地土壤DOM的組成、結構和來源,為進一步探討土壤DOM在鹽城濱海濕地土壤有機質動態(tài)、土壤碳循環(huán)等過程中的作用提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于江蘇鹽城大豐麋鹿國家級自然保護區(qū)第三核心區(qū)(33°05′ N,120°44′ E)。該區(qū)屬亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶,季風氣候明顯,冬季由于受大陸季風冷空氣影響,多西北風,以少雨天氣為主;夏季主要受海洋性季風影響,多東南風,雨量充沛。常年平均氣溫14 ℃左右,年均降水量1 000～1 100 mm,年均無霜期長達300 d。該區(qū)為典型的淤泥質灘涂濕地,原始植被類型簡單,由海向陸分布的典型植被依次為大米草(Spartinaanglica)、堿蓬(Suaedaglauca)、蘆葦(Phragmitesaustralis)以及刺槐(Robiniapseudoacacia)(圖1)。

圖1 研究區(qū)植被分布示意圖

1.2 土壤樣品采集

2020年9月,在研究區(qū)選擇植被生長情況較好的大米草、堿蓬、蘆葦和刺槐這4種典型的濕地植被類型。其中,大米草株高為80～120 cm,蓋度可達90%;堿蓬株高為10～30 cm,蓋度約為65%;蘆葦株高為100～150 cm,蓋度約為95%。在每個濕地類型分別設置3個5 m × 5 m的樣方,在每個樣方內去除土壤表面植被和凋落物后,隨機挖取3個土壤剖面,按0～10、>10～25、>25～40 cm分層采集土樣,將每個土壤剖面采集的各層土壤樣品分別用自封袋裝好并標記,帶回實驗室揀出肉眼可見的根系和石礫等。同時,用環(huán)刀自上而下在土壤剖面每個土層的中部進行分層采樣,帶回實驗室測定土壤容重。將處理好的土壤樣品分為2份,一份土樣于4 ℃下冷藏保存,用于測定土壤含水量、土壤溶解性有機碳含量等;另一份土樣風干后過2 mm孔徑篩,用于土壤基本理化性質分析。

1.3 測定指標與方法

1.3.1土壤理化性質測定

土壤理化性質的測定方法參照文獻[21]。土壤總有機碳(SOC)含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法;總氮(TN)含量采用元素分析儀(Elementar Vario EL,德國)測定;土壤pH值采用pH計(PHSJ-4A,雷磁,上海)進行測定〔m(土)∶V(水)=1∶2.5〕;土壤含水量采用烘干恒重法(105 ℃)測定;土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1.3.2土壤DOM測定

土壤溶解性有機質的提取采用水浸提法,稱取15 g土樣于離心管中,加入30 mL去離子水〔m(土)∶V(水)=1∶2〕,振蕩浸提土樣30 min后以4 000 r·min-1離心10 min(離心半徑16 cm),將上層懸濁液用0.45 μm的醋酸纖維膜過濾,濾液中的有機物即為DOM。土壤DOM濃度以溶解性有機碳(DOC)表示,采用總有機碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu,日本)測定[22]。

1.3.3光譜特征指標測定

為了減小DOM濃度差異對一些特定波長吸收值的影響,在進行光譜分析前需將土壤DOM樣品中碳質量濃度大于20 mg·L-1的樣品稀釋到10 mg·L-1,并利用NaOH溶液將DOM溶液的pH值調節(jié)到7.7,再進行光譜分析[23]。

芳香性指數(shù)(SUVA254)：采用紫外/可見(UV/Vis)光譜儀(UV-2550,Shimadzu,日本)測定,為土壤DOM溶液在波長254 nm處的紫外吸光度值與DOC濃度之比[24]。

熒光光譜特征指標采用熒光光譜儀(Cary Eclipse,Varian,美國)測定。熒光效率(FE)計算公式為熒光發(fā)射光譜中的最大熒光強度(Fmax)除以其SUVA254值[25]。熒光指數(shù)(FI)為激發(fā)波長370 nm時,發(fā)射波長在450和500 nm處的熒光強度之比(f450/f500)[26]。腐殖化指數(shù)(HIXsyn)為同步熒光光譜在460 nm處的峰強度與345 nm處的峰強度之比[27]。

1.4 數(shù)據處理與分析

利用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同濕地類型土壤DOM光譜特征指標和同一濕地類型不同土層之間DOM光譜特征指標的差異顯著性(P<0.05);運用Pearson相關系數(shù)法分析土壤DOM光譜特征指標與土壤理化性質間的相關性。所有統(tǒng)計分析均采用SPSS 20.0軟件。

2 結果與分析

2.1 濕地土壤DOM的芳香性指數(shù)

利用UV/Vis光譜分析得到,在0～40 cm土層,刺槐濕地土壤DOM的平均SUVA254值為2.16 L·mg-1·m-1,堿蓬濕地為1.77 L·mg-1·m-1,蘆葦和大米草濕地分別為1.75和1.83 L·mg·m-1。其中,0～10和>10～25 cm土層刺槐濕地土壤DOM的SUVA254值顯著大于其他濕地類型(P<0.05);>25～40 cm土層刺槐和堿蓬濕地土壤DOM的SUVA254值顯著大于蘆葦和大米草濕地(P<0.05)。同一濕地類型不同土層間土壤DOM的SUVA254也具有明顯差異(圖2)。刺槐濕地土壤DOM的SUVA254值在0～10和>10～25 cm土層顯著高于>25～40 cm土層(P<0.05);0～10 cm土層蘆葦和大米草濕地土壤DOM的SUVA254值顯著高于>25～40 cm土層(P<0.05);堿蓬濕地不同土層間土壤DOM的SUVA254值無顯著差異性。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間SUVA254值差異顯著(P<0.05),

2.2 土壤DOM的熒光效率和熒光指數(shù)

熒光光譜分析結果顯示,在0～40 cm土層,4種濕地土壤DOM的FE值為44.26～72.07(圖3)。0～10 cm土層不同濕地類型土壤DOM的FE值無顯著差異;>10～25 cm土層刺槐和蘆葦濕地土壤DOM的FE值顯著高于其他2種濕地類型(P<0.05);>25～40 cm土層蘆葦濕地土壤DOM的FE值較高,其次為刺槐濕地。FE值在土層間的差異性明顯(圖3),不同濕地類型土壤DOM的FE值均隨土層深度增加而增大。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間FE值差異顯著(P<0.05),

4種濕地類型0～40 cm土層DOM的FI值分別為：刺槐濕地1.28～1.38,堿蓬濕地1.31～1.36,蘆葦濕地1.30,大米草濕地1.24～1.28(圖4)。其中,堿蓬濕地0～10 cm土層DOM的FI值顯著高于其他濕地類型(P<0.05);刺槐濕地>10～25和>25～40 cm土層DOM的FI值顯著較高,而濕地土壤DOM的FI值則顯著低于其他濕地類型(P<0.05)。同一濕地類型中,土壤DOM的FI值在不同土層間也表現(xiàn)出不同的差異性(圖4)。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間FI值差異顯著(P<0.05),

其中,刺槐濕地0～10 cm土層DOM的FI值顯著低于>10～25和>25～40 cm土層(P<0.05);而其余3種濕地土壤DOM的FI值在不同土層間的差異不顯著。

2.3 土壤DOM的腐殖化指數(shù)

根據同步熒光光譜特征,4種濕地類型土壤DOM的HIXsyn值為0.75～1.10。不同濕地類型土壤DOM的HIXsyn值差異明顯(圖5)。其中,0～10 cm土層大米草濕地土壤DOM的HIXsyn值顯著高于堿蓬濕地(P<0.05);>10～25 cm土層大米草濕地土壤DOM的HIXsyn顯著高于蘆葦和刺槐濕地(P<0.05)。4種濕地類型中,僅刺槐濕地土壤DOM的HIXsyn值在不同土層間具有顯著性差異,表現(xiàn)為0～10 cm土層顯著高于>25～40 cm土層(P<0.05)。

直方柱上方小寫字母不同表示不同濕地類型間HIXsyn值差異顯著(P<0.05),

2.4 土壤DOM的光譜特征與土壤理化性質的關系

土壤DOM的光譜特征指標與土壤理化性質的相關性分析結果(表1)顯示,不同濕地類型土壤DOM的FE值與土壤pH值呈顯著正相關(P<0.05);FI值與TN含量、含水量呈顯著負相關關系(P<0.05),而與土壤容重和C/N比呈顯著正相關關系(P<0.05);HIXsyn值與TN含量、含水量呈正相關,與土壤容重呈負相關。SUVA254值與SOC、DOC含量及C/N比分別呈顯著正相關(P<0.05),而與含水量呈負相關。

3 討論

3.1 土壤DOM的芳香性指數(shù)

不同土層深度刺槐濕地土壤DOM的芳香性指數(shù)(SUVA254)值均顯著高于其他濕地,表明刺槐濕地土壤DOM中芳香化合物含量較高。刺槐作為木本植物,其土壤DOM中含有大量木質素來源的有機化合物。相關研究表明,植物中的木質素是由醚鍵和碳碳鍵相互連接形成的具有三維網狀結構的高分子芳香族化合物,木本植物中木質素含量約占20%～35%,而草本植物中木質素含量相對較低,約占15%～25%[28]。筆者研究表明,刺槐濕地土壤DOM的SUVA254值較高,與前人研究結果相符。從圖2可見,不同濕地土壤DOM的SUVA254值均隨土層深度增加而減小,說明表層土壤DOM的芳香化程度更高,這歸因于表層土壤累積了豐富的植物凋落物,這些凋落物殘渣包含了大量高度聚合的芳香化合物,并聚集在土壤表層,不易遷移[27],這與馬瑩玲等[14]和劉翥等[28]的研究結果一致。

表1 不同濕地類型土壤DOM光譜特征與土壤理化性質的相關系數(shù)

3.2 土壤DOM熒光效率和熒光指數(shù)

一般認為有機質中共軛雙鍵數(shù)目越多,共軛體系越大,熒光效率(FE)就越高,熒光效率與熒光基團的量子效率成正比[10]。筆者研究中,>25～40 cm土層DOM的FE值顯著高于0～10 cm土層,表明濕地土壤表層DOM積累了更多結構復雜、分子量大的物質,而下層土壤則包含更多結構簡單、易遷移的不飽和基團,這從FE值與SUVA254值的負相關關系可以體現(xiàn)出來。其他相關研究也表明,上層土壤中一些結構簡單、熒光效率高的基團會選擇性向下遷移,使得深層土壤DOM中容易積累更多熒光效率較高的物質[14]。在>10～25和>25～40 cm土層,刺槐和蘆葦濕地土壤DOM的FE值顯著高于其他濕地,表明這2種濕地下層土壤具有更多的不飽和基團。

熒光指數(shù)(FI)是用于表征有機質來源及其腐殖化程度的重要指標。MCKNIGHT等[26]研究得出,FI值<1.4,表明有機質主要來源于植物殘渣;FI值>1.9,表明有機質主要來源于微生物生物量及其副產物;FI值介于1.4～1.9之間,則表明有機質來源于植物枯落物與微生物的混合物。微生物來源的有機質通常包含較多小分子化合物,而植物來源的有機質則包含更多高分子結構的化合物[29]。從圖4可知,該研究中4種濕地類型土壤DOM的FI值均<1.4,表明濱海濕地土壤DOM主要由植物凋落物、根系及其分泌物等陸源輸入,DOM的陸源特征占主導,土壤有機質腐殖化程度較高[29-30],這與相關性分析中FI值與HIXsyn值呈負相關的結果一致。

3.3 土壤DOM腐殖化指數(shù)

從圖4可知,4種濕地類型的HIXsyn值均> 0.8,表明鹽城濱海濕地土壤DOM的腐殖化程度較高[14]。其中,大米草濕地土壤DOM的HIXsyn值顯著高于其他濕地類型,表明不同濕地類型中大米草濕地土壤DOM的腐殖化程度較高。究其原因,可能是大米草濕地土壤含有更多復雜的高分子縮合芳香族化合物。杭子清等[31]對鹽城濱海米草濕地的鹽沼土壤有機碳結構進行了研究,結果表明,米草濕地土壤中的有機質形態(tài)以芳香族化合物所占比例最大。通常,土壤DOM的腐殖化程度越高,其DOM化學結構越復雜,微生物利用率越低,筆者研究得出HIXsyn與FE、FI值呈顯著負相關關系的結論與其一致。

3.4 土壤DOM的光譜特征與土壤理化性質的關系

相關性分析結果顯示,鹽城濱海典型濕地類型土壤DOM的光譜特征指標與土壤理化性質間存在不同程度的相關性,表明土壤DOM的組成、結構和來源能夠在一定程度上反映土壤性質狀況。已有研究表明,當土壤有機質中芳香族化合物含量越高,其微生物可利用性越低,越容易促進土壤中有機質的積累[14,31],筆者研究得出SUVA254值與DOC、SOC含量呈正相關的結論與其一致。同樣,土壤pH值、含水量、C/N比等也會通過影響土壤微生物活性,進而影響土壤中有機質的化學性質[10, 14]。

4 結論

鹽城濱海濕地不同濕地類型不同土層土壤DOM的光譜特征具有顯著差異性。4種濕地類型土壤DOM的SUVA254和HIXsyn值均表現(xiàn)為表層土壤顯著高于深層土壤,而FE值則表現(xiàn)為隨土層深度增加而增加。4種濕地類型中,刺槐濕地表層土壤DOM的SUVA254、HIXsyn值較高,而FI值較低;堿蓬濕地表層土壤DOM的SUVA254、HIXsyn值較低,而FI值較高;大米草濕地下層土壤DOM的HIXsyn值較高,而FE和FI值相對較低。4種濕地類型土壤DOM的FI值均<1.4,表明濱海濕地土壤DOM的陸源特征占主導。相關性分析結果顯示,土壤SOC、DOC含量及C/N比分別與土壤DOM的SUVA254值呈顯著正相關關系,土壤含水量、容重等也與DOM的光譜性質具有不同程度的相關性。