盐城滨海湿地土壤溶解性有机质的光谱特征分析

何冬梅,王 火,祝亚云,江 浩①

(1.江苏省林业科学研究院,江苏 南京 211153;2.江苏盐城滨海湿地生态系统国家定位观测研究站,江苏 盐城 224136)

滨海湿地是连接陆地生态系统和海洋生态系统的过渡带,容易受人为活动、气候变化以及生物入侵等因素的影响,是脆弱的生态敏感区,也是湿地保护的薄弱环节[15-16]。而溶解性有机质作为陆地生态系统向海洋生态系统输送养分的重要载体,其化学特性直接影响其在滨海湿地生态系统生物地球化学循环过程中的作用[17]。因此,了解滨海湿地土壤DOM的化学特性和来源,对于滨海湿地生态系统的物质循环研究和生态环境保护具有重要意义。

盐城滨海湿地面积为52.15万hm2,占江苏滨海湿地总面积的56%,占全国滨海湿地面积的1/10。盐城滨海湿地类型多样,生物多样性资源丰富,两处国际重要湿地于2019年被列入《世界遗产名录》,成为中国首个滨海湿地型自然遗产。近年来学者们在盐城滨海湿地开展了大量研究,主要包括湿地生态修复[18]、景观格局演变[19]、土壤有机碳分布与动态[20]等方面,但是关于土壤DOM的研究较少,尤其针对滨海湿地土壤DOM来源、化学组成和光谱特性的研究较缺乏。因此,该研究选取盐城滨海湿地为研究对象,运用紫外/可见光谱和荧光光谱技术对盐城滨海不同湿地类型土壤DOM的化学特性进行分析,以期了解盐城滨海湿地土壤DOM的组成、结构和来源,为进一步探讨土壤DOM在盐城滨海湿地土壤有机质动态、土壤碳循环等过程中的作用提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于江苏盐城大丰麋鹿国家级自然保护区第三核心区(33°05′ N,120°44′ E)。该区属亚热带与暖温带的过渡地带,季风气候明显,冬季由于受大陆季风冷空气影响,多西北风,以少雨天气为主;夏季主要受海洋性季风影响,多东南风,雨量充沛。常年平均气温14 ℃左右,年均降水量1 000～1 100 mm,年均无霜期长达300 d。该区为典型的淤泥质滩涂湿地,原始植被类型简单,由海向陆分布的典型植被依次为大米草(Spartinaanglica)、碱蓬(Suaedaglauca)、芦苇(Phragmitesaustralis)以及刺槐(Robiniapseudoacacia)(图1)。

图1 研究区植被分布示意图

1.2 土壤样品采集

2020年9月,在研究区选择植被生长情况较好的大米草、碱蓬、芦苇和刺槐这4种典型的湿地植被类型。其中,大米草株高为80～120 cm,盖度可达90%;碱蓬株高为10～30 cm,盖度约为65%;芦苇株高为100～150 cm,盖度约为95%。在每个湿地类型分别设置3个5 m × 5 m的样方,在每个样方内去除土壤表面植被和凋落物后,随机挖取3个土壤剖面,按0～10、>10～25、>25～40 cm分层采集土样,将每个土壤剖面采集的各层土壤样品分别用自封袋装好并标记,带回实验室拣出肉眼可见的根系和石砾等。同时,用环刀自上而下在土壤剖面每个土层的中部进行分层采样,带回实验室测定土壤容重。将处理好的土壤样品分为2份,一份土样于4 ℃下冷藏保存,用于测定土壤含水量、土壤溶解性有机碳含量等;另一份土样风干后过2 mm孔径筛,用于土壤基本理化性质分析。

1.3 测定指标与方法

1.3.1土壤理化性质测定

土壤理化性质的测定方法参照文献[21]。土壤总有机碳(SOC)含量测定采用重铬酸钾外加热法;总氮(TN)含量采用元素分析仪(Elementar Vario EL,德国)测定;土壤pH值采用pH计(PHSJ-4A,雷磁,上海)进行测定〔m(土)∶V(水)=1∶2.5〕;土壤含水量采用烘干恒重法(105 ℃)测定;土壤容重采用环刀法测定。

1.3.2土壤DOM测定

土壤溶解性有机质的提取采用水浸提法,称取15 g土样于离心管中,加入30 mL去离子水〔m(土)∶V(水)=1∶2〕,振荡浸提土样30 min后以4 000 r·min-1离心10 min(离心半径16 cm),将上层悬浊液用0.45 μm的醋酸纤维膜过滤,滤液中的有机物即为DOM。土壤DOM浓度以溶解性有机碳(DOC)表示,采用总有机碳分析仪(TOC-VCPH,Shimadzu,日本)测定[22]。

1.3.3光谱特征指标测定

为了减小DOM浓度差异对一些特定波长吸收值的影响,在进行光谱分析前需将土壤DOM样品中碳质量浓度大于20 mg·L-1的样品稀释到10 mg·L-1,并利用NaOH溶液将DOM溶液的pH值调节到7.7,再进行光谱分析[23]。

芳香性指数(SUVA254)：采用紫外/可见(UV/Vis)光谱仪(UV-2550,Shimadzu,日本)测定,为土壤DOM溶液在波长254 nm处的紫外吸光度值与DOC浓度之比[24]。

荧光光谱特征指标采用荧光光谱仪(Cary Eclipse,Varian,美国)测定。荧光效率(FE)计算公式为荧光发射光谱中的最大荧光强度(Fmax)除以其SUVA254值[25]。荧光指数(FI)为激发波长370 nm时,发射波长在450和500 nm处的荧光强度之比(f450/f500)[26]。腐殖化指数(HIXsyn)为同步荧光光谱在460 nm处的峰强度与345 nm处的峰强度之比[27]。

1.4 数据处理与分析

利用单因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同湿地类型土壤DOM光谱特征指标和同一湿地类型不同土层之间DOM光谱特征指标的差异显著性(P<0.05);运用Pearson相关系数法分析土壤DOM光谱特征指标与土壤理化性质间的相关性。所有统计分析均采用SPSS 20.0软件。

2 结果与分析

2.1 湿地土壤DOM的芳香性指数

利用UV/Vis光谱分析得到,在0～40 cm土层,刺槐湿地土壤DOM的平均SUVA254值为2.16 L·mg-1·m-1,碱蓬湿地为1.77 L·mg-1·m-1,芦苇和大米草湿地分别为1.75和1.83 L·mg·m-1。其中,0～10和>10～25 cm土层刺槐湿地土壤DOM的SUVA254值显著大于其他湿地类型(P<0.05);>25～40 cm土层刺槐和碱蓬湿地土壤DOM的SUVA254值显著大于芦苇和大米草湿地(P<0.05)。同一湿地类型不同土层间土壤DOM的SUVA254也具有明显差异(图2)。刺槐湿地土壤DOM的SUVA254值在0～10和>10～25 cm土层显著高于>25～40 cm土层(P<0.05);0～10 cm土层芦苇和大米草湿地土壤DOM的SUVA254值显著高于>25～40 cm土层(P<0.05);碱蓬湿地不同土层间土壤DOM的SUVA254值无显著差异性。

直方柱上方小写字母不同表示不同湿地类型间SUVA254值差异显著(P<0.05),

2.2 土壤DOM的荧光效率和荧光指数

荧光光谱分析结果显示,在0～40 cm土层,4种湿地土壤DOM的FE值为44.26～72.07(图3)。0～10 cm土层不同湿地类型土壤DOM的FE值无显著差异;>10～25 cm土层刺槐和芦苇湿地土壤DOM的FE值显著高于其他2种湿地类型(P<0.05);>25～40 cm土层芦苇湿地土壤DOM的FE值较高,其次为刺槐湿地。FE值在土层间的差异性明显(图3),不同湿地类型土壤DOM的FE值均随土层深度增加而增大。

直方柱上方小写字母不同表示不同湿地类型间FE值差异显著(P<0.05),

4种湿地类型0～40 cm土层DOM的FI值分别为：刺槐湿地1.28～1.38,碱蓬湿地1.31～1.36,芦苇湿地1.30,大米草湿地1.24～1.28(图4)。其中,碱蓬湿地0～10 cm土层DOM的FI值显著高于其他湿地类型(P<0.05);刺槐湿地>10～25和>25～40 cm土层DOM的FI值显著较高,而湿地土壤DOM的FI值则显著低于其他湿地类型(P<0.05)。同一湿地类型中,土壤DOM的FI值在不同土层间也表现出不同的差异性(图4)。

直方柱上方小写字母不同表示不同湿地类型间FI值差异显著(P<0.05),

其中,刺槐湿地0～10 cm土层DOM的FI值显著低于>10～25和>25～40 cm土层(P<0.05);而其余3种湿地土壤DOM的FI值在不同土层间的差异不显著。

2.3 土壤DOM的腐殖化指数

根据同步荧光光谱特征,4种湿地类型土壤DOM的HIXsyn值为0.75～1.10。不同湿地类型土壤DOM的HIXsyn值差异明显(图5)。其中,0～10 cm土层大米草湿地土壤DOM的HIXsyn值显著高于碱蓬湿地(P<0.05);>10～25 cm土层大米草湿地土壤DOM的HIXsyn显著高于芦苇和刺槐湿地(P<0.05)。4种湿地类型中,仅刺槐湿地土壤DOM的HIXsyn值在不同土层间具有显著性差异,表现为0～10 cm土层显著高于>25～40 cm土层(P<0.05)。

直方柱上方小写字母不同表示不同湿地类型间HIXsyn值差异显著(P<0.05),

2.4 土壤DOM的光谱特征与土壤理化性质的关系

土壤DOM的光谱特征指标与土壤理化性质的相关性分析结果(表1)显示,不同湿地类型土壤DOM的FE值与土壤pH值呈显著正相关(P<0.05);FI值与TN含量、含水量呈显著负相关关系(P<0.05),而与土壤容重和C/N比呈显著正相关关系(P<0.05);HIXsyn值与TN含量、含水量呈正相关,与土壤容重呈负相关。SUVA254值与SOC、DOC含量及C/N比分别呈显著正相关(P<0.05),而与含水量呈负相关。

3 讨论

3.1 土壤DOM的芳香性指数

不同土层深度刺槐湿地土壤DOM的芳香性指数(SUVA254)值均显著高于其他湿地,表明刺槐湿地土壤DOM中芳香化合物含量较高。刺槐作为木本植物,其土壤DOM中含有大量木质素来源的有机化合物。相关研究表明,植物中的木质素是由醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的高分子芳香族化合物,木本植物中木质素含量约占20%～35%,而草本植物中木质素含量相对较低,约占15%～25%[28]。笔者研究表明,刺槐湿地土壤DOM的SUVA254值较高,与前人研究结果相符。从图2可见,不同湿地土壤DOM的SUVA254值均随土层深度增加而减小,说明表层土壤DOM的芳香化程度更高,这归因于表层土壤累积了丰富的植物凋落物,这些凋落物残渣包含了大量高度聚合的芳香化合物,并聚集在土壤表层,不易迁移[27],这与马莹玲等[14]和刘翥等[28]的研究结果一致。

表1 不同湿地类型土壤DOM光谱特征与土壤理化性质的相关系数

3.2 土壤DOM荧光效率和荧光指数

一般认为有机质中共轭双键数目越多,共轭体系越大,荧光效率(FE)就越高,荧光效率与荧光基团的量子效率成正比[10]。笔者研究中,>25～40 cm土层DOM的FE值显著高于0～10 cm土层,表明湿地土壤表层DOM积累了更多结构复杂、分子量大的物质,而下层土壤则包含更多结构简单、易迁移的不饱和基团,这从FE值与SUVA254值的负相关关系可以体现出来。其他相关研究也表明,上层土壤中一些结构简单、荧光效率高的基团会选择性向下迁移,使得深层土壤DOM中容易积累更多荧光效率较高的物质[14]。在>10～25和>25～40 cm土层,刺槐和芦苇湿地土壤DOM的FE值显著高于其他湿地,表明这2种湿地下层土壤具有更多的不饱和基团。

荧光指数(FI)是用于表征有机质来源及其腐殖化程度的重要指标。MCKNIGHT等[26]研究得出,FI值<1.4,表明有机质主要来源于植物残渣;FI值>1.9,表明有机质主要来源于微生物生物量及其副产物;FI值介于1.4～1.9之间,则表明有机质来源于植物枯落物与微生物的混合物。微生物来源的有机质通常包含较多小分子化合物,而植物来源的有机质则包含更多高分子结构的化合物[29]。从图4可知,该研究中4种湿地类型土壤DOM的FI值均<1.4,表明滨海湿地土壤DOM主要由植物凋落物、根系及其分泌物等陆源输入,DOM的陆源特征占主导,土壤有机质腐殖化程度较高[29-30],这与相关性分析中FI值与HIXsyn值呈负相关的结果一致。

3.3 土壤DOM腐殖化指数

从图4可知,4种湿地类型的HIXsyn值均> 0.8,表明盐城滨海湿地土壤DOM的腐殖化程度较高[14]。其中,大米草湿地土壤DOM的HIXsyn值显著高于其他湿地类型,表明不同湿地类型中大米草湿地土壤DOM的腐殖化程度较高。究其原因,可能是大米草湿地土壤含有更多复杂的高分子缩合芳香族化合物。杭子清等[31]对盐城滨海米草湿地的盐沼土壤有机碳结构进行了研究,结果表明,米草湿地土壤中的有机质形态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化学结构越复杂,微生物利用率越低,笔者研究得出HIXsyn与FE、FI值呈显著负相关关系的结论与其一致。

3.4 土壤DOM的光谱特征与土壤理化性质的关系

相关性分析结果显示,盐城滨海典型湿地类型土壤DOM的光谱特征指标与土壤理化性质间存在不同程度的相关性,表明土壤DOM的组成、结构和来源能够在一定程度上反映土壤性质状况。已有研究表明,当土壤有机质中芳香族化合物含量越高,其微生物可利用性越低,越容易促进土壤中有机质的积累[14,31],笔者研究得出SUVA254值与DOC、SOC含量呈正相关的结论与其一致。同样,土壤pH值、含水量、C/N比等也会通过影响土壤微生物活性,进而影响土壤中有机质的化学性质[10, 14]。

4 结论

盐城滨海湿地不同湿地类型不同土层土壤DOM的光谱特征具有显著差异性。4种湿地类型土壤DOM的SUVA254和HIXsyn值均表现为表层土壤显著高于深层土壤,而FE值则表现为随土层深度增加而增加。4种湿地类型中,刺槐湿地表层土壤DOM的SUVA254、HIXsyn值较高,而FI值较低;碱蓬湿地表层土壤DOM的SUVA254、HIXsyn值较低,而FI值较高;大米草湿地下层土壤DOM的HIXsyn值较高,而FE和FI值相对较低。4种湿地类型土壤DOM的FI值均<1.4,表明滨海湿地土壤DOM的陆源特征占主导。相关性分析结果显示,土壤SOC、DOC含量及C/N比分别与土壤DOM的SUVA254值呈显著正相关关系,土壤含水量、容重等也与DOM的光谱性质具有不同程度的相关性。