利用方式對青海省高寒草甸土壤可溶性有機質光譜學特性的影響

張苗苗， 陳 偉， 趙 軍， 林 麗， 張德罡*

(1. 甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州城市學院地理與環境工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 3. 甘肅祁連山 國家級自然保護區西營河自然保護站， 甘肅 張掖 734031； 4. 中國科學院西北高原生物研究所， 青海 西寧 810001)

土壤可溶性有機質(Dissolved Organic Matter，DOM)是包括腐殖酸、有機酸、氨基酸等一系列組分在內的復雜可溶性混合物[1-2]，主要來源于植物凋落物、根系及其根系分泌物、微生物、土壤腐殖質等[3-4]。它不僅與土壤養分的有效性息息相關，而且是植物和微生物重要的能量和養分來源，又因其具有高度的流動性，是土壤底層有機質的重要來源之一，所以DOM影響著生態系統的生產力和可持續發展[5]。DOM雖然在有機質中的比例很小[6-8]，但它是陸地生態系統中極為活躍的組分，生物圈碳平衡很小的變化就會引起DOM的反饋，可用來反映有機質和環境條件的變化[7,9]。DOM的組分和結構特性會影響其化學穩定性、可利用性和在土壤中的吸附特性[7]。有研究指出，芳香化和腐殖化程度高的DOM具有更高的穩定性，容易被土壤顆粒吸附，更有利于有機質的積累[10-12]。土地利用方式是陸地碳庫動態變化的重要驅動力，目前針對土地利用方式對土壤有機質含量及其結構性質影響的研究較多[13-15]，對DOM影響的研究多集中在湖泊河流、生活垃圾、豬糞堆肥、森林和農田土壤等方面[16-20]，種植不同類型的作物和不同的草地類型對土壤有機質和DOM含量均有顯著影響[21-22]，但針對不同土地利用方式對青海省高寒草甸土壤DOM影響的研究卻非常少。

目前，對DOM研究采用較多的是光譜法，其操作簡單，分析高效，分析結果信息量豐富，并且不會對樣品產生破壞[6]。紫外-可見光譜和熒光光譜法常被用來表征土壤中有機質的特性和來源[6-7,23]。單位濃度可溶性有機質在波長254 nm處的紫外吸光度值能夠反映樣品中腐殖質類大分子有機物及含有C=C和C=O的芳香環有機物相對含量的多少[24]。可溶性有機質在280 nm波長處的紫外吸光度也能提供其分子量大小和芳香性程度等有關的信息[25]。而熒光指數f450/500和腐殖化指數HIX則常被用來表征可溶性有機質中腐殖質的來源和腐殖化程度[26-27]。

高寒草甸作為青海省廣泛分布的主要植被類型之一，不僅為當地居民的生產生活提供了物質基礎，還具有涵養水源、保持水土等多種生態功能[28]。但由于不同利用方式的影響，高寒草甸原有的生態平衡逐漸被打破。本研究以4種不同利用方式下的高寒草甸土壤為對象，在測定不同土層有機碳和可溶性有機碳含量的同時，采用紫外-可見光譜和熒光光譜法，對其DOM的結構特性進行分析，以期進一步了解DOM的數量和結構對不同土地利用方式的響應，為青海省高寒草甸生態系統維持及草地合理經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

采樣點位于青海省東北部海北藏族自治州門源縣境內，地處青藏高原東北部，屬于明顯的高原大陸性氣候，四季區分不明顯，只有冷暖兩季，年平均氣溫在-0.4～-2.5℃之間，年降雨量在425～850 mm之間，年蒸發量100 mm左右，形成了獨特的高寒草甸生態系統[29-30]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇 在原生植被為高寒草甸的區域內，選取次生沙棘林地、退耕還林地、農田和天然放牧地等4種典型的土地利用方式，各樣地具體情況見表1。

1.2.2土壤樣品采集 采樣時間為2017年7月-8月。在4種土地利用方式樣地中隨機設置3個10 m×10 m的重復樣方，每個樣方用土鉆按0～10 cm和10～20 cm土層重復采集10個土樣，同一樣方采集的土樣混合成一個樣品。

1.2.3指標測定 土壤可溶性有機質提取：土樣風干后過2 mm篩，按照水土比10∶1的比例浸提，25℃恒溫震蕩60 min，懸濁液以4 000 r/min的速度離心20 min，上清液過0.45 μm濾膜。

可溶性有機碳：利用總有機碳分析儀(vario TOC SELECT)測定可溶性有機碳的含量，用DOC/mg·L-1表示。

紫外光譜：將可溶性有機質提取液采用紫外-可見光分光光度計(UV-2450)進行掃描，掃描波長范圍為200～800 nm，掃描波長間隔1 nm，掃描前可溶性有機質的碳濃度標準化到10 mg·L-1。測定254 nm，280 nm處的吸光度值，分別記為E254和E280，計算參數SUVA254=E254/DOC×100，SUVA280=E280/DOC×100。

熒光光譜：采用熒光分光光度計(RF-5301PC)進行掃描。激發和發射光柵狹縫寬度為5 nm，掃描速度為3 000 nm·min-1。

激發、發射熒光光譜：選擇激發波長370 nm，對380～550 nm發射波長進行掃描，得到發射光譜。發射光譜中熒光強度在發射波長450 nm和500 nm處的比值，即熒光指數(f450/500)，可表征可溶性有機質的芳香性。選擇激發波長在254 nm處，對280～500 nm的發射波長進行掃描，通過熒光強度曲線和發射光譜435～480 nm與300～345 nm所包圍面積的比值計算腐殖化指數(HIX)[26]。

表1 樣地概況Table 1 Description of sampling sites

同步熒光光譜：在發射波長為250～500 nm的范圍內，以固定波長差△λ=60 nm同時掃描激發和發射光譜，得到光譜圖[7,26,31]。

1.3 數據分析處理

運用Excel2010、SPSS19.0和Origin2017軟件分析處理文中數據并制圖。采用單因素方差分析法比較不同利用方式土壤有機碳、可溶性有機碳及其結構特性之間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 利用方式對土壤有機碳和可溶性有機碳含量的影響

從表2可以看出，利用方式對高寒草甸土壤有機碳和可溶性有機碳含量均有影響。0～10 cm土層，有機碳含量從高到低的順序為天然放牧地>退耕還林地>次生沙棘林>農田，且互相之間差異顯著(P<0.05)。其中，天然放牧地含量達到9.54%，是農田有機碳含量的近4倍。可溶性有機碳含量有相同變化趨勢，天然放牧地含量是農田的2倍以上。

10～20 cm土層，有機碳含量從高到低的順序同樣為天然放牧地>退耕還林地>次生沙棘林>農田，互相之間差異顯著(P<0.05)。但含量最高的天然放牧地與含量最低的農田之間差距變小。可溶性有機碳含量從高到低的順序為退耕還林地>次生沙棘林>天然放牧地>農田，互相之間差異顯著(P<0.05)，與0～10 cm土層相比發生變化。

不同利用方式下，土壤有機碳和可溶性有機碳含量均呈現出0～10 cm土層高于10～20 cm土層的變化規律。

表2 不同利用方式高寒草甸土壤有機碳和可溶性有機碳含量Table 2 Content of soil organic carbon and dissolved organic carbon in different land use types of Alpine meadow

注：同列不同大寫字母表示0～10 cm土層差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示10～20 cm土層差異顯著(P<0.05)，下同

Note：The values with different capital letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level in 0-10 cm layers while different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level in 10-20 cm layers. The same as below

2.2 紫外-可見光光譜特征

2.2.1光譜分析 圖1為4種利用方式下高寒草甸土壤可溶性有機質紫外-可見光掃描譜圖。可以看出，土壤可溶性有機質的吸光度值隨著波長的增加而呈降低趨勢，在紫外光區的吸光度明顯比可見光區大。天然放牧地、次生沙棘林和退耕還林地土壤可溶性有機質紫外-可見光圖譜非常相似，在280 nm左右有一個吸收平臺，吸光度值在200 nm處達到最高，峰值由大到小的順序為天然放牧地>次生沙棘林>退耕還林地，且0～10 cm土層各波段的吸光度值要高于10～20 cm土層。農田土壤可溶性有機質紫外-可見光圖譜雖然在280 nm處也出現吸收平臺，但吸光度值要遠低于其他3種土地利用方式。

圖1 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性有機質紫外可見光吸收光譜Fig 1 Ultraviolet-visible spectroscopy of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow

2.2.2光譜參數分析 圖2和圖3顯示，0～10 cm土層和10～20 cm土層天然放牧地可溶性有機質SUVA254和SUVA280顯著高于其他利用方式(P<0.05)，其次是次生沙棘林和退耕還林地，農田最低，且互相之間差異顯著(P<0.05)。除農田外，其他利用方式土壤可溶性有機質SUVA254和SUVA280隨著土層的加深均有所降低。

圖2 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性有機質SUVA254Fig 2 SUVA254 of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow注：誤差線為標準差。不同大寫字母表示0～10 cm土層差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示10～20 cm土層差異顯著(P<0.05)。下同Note:Error bar means standard deviation. Different capital letters indicate significant differences at the 0.05 level in 0-10 cm layers while different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level in 10-20 cm layers. The same as below

圖3 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性有機質SUVA280Fig 3 SUVA280 of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow

2.3 熒光光譜特征

2.3.1光譜參數分析 表3顯示，4種利用方式下土壤可溶性有機質f450/500由低到高的順序為天然放牧地<次生沙棘林<退耕還林地<農田，且均在1.4～1.9之間，土層間的差異不大(P<0.05)。HIX由高到底的順序為天然放牧地>次生沙棘林>退耕還林地>農田，互相之間差異顯著(P<0.05)，且呈現出0～10 cm土層大于10～20 cm土層的趨勢。

2.3.2同步熒光光譜分析 圖4為0～10 cm和10～20 cm土層各利用方式土壤可溶性有機質的同步熒光光譜。從圖中可以看出，可溶性有機質的特征峰主要有以下3個：(1)250～300 nm處，代表類蛋白基團區域，如芳香氨基酸；(2)300～370 nm處，代表富里酸類區域，指示存在3～4個苯環構成的多環芳烴和2～3個共軛結構的不飽和脂肪結構；(3)371～600 nm處，代表胡敏酸類區域，對應于5～7個苯環構成的多環芳烴。各利用類型土壤可溶性有機質出現特征峰的位置大致相同，但相對峰面積不同。

表3 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性 有機質熒光指數和腐殖化指數Table 3 f450/500 and HIX of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow

0～10 cm土層，在250～300 nm處的特征峰面積差別不大；在300～370 nm處的特征峰面積由大到小的順序為退耕還林地>農田>天然放牧地，次生沙棘林在此波段特征峰不明顯；在371～600 nm處的特征峰面積天然放牧地最大，其次是次生沙棘林和退耕還林地，農田最小。

10～20 cm土層，在250～300 nm處的特征峰面積差別不大；在300～370 nm處的特征峰面積天然放牧地和農田較大，退耕還林地次之，次生沙棘林在此波段特征峰不明顯；在370～600 nm處的特征峰面積從大到小的順序為天然放牧地>次生沙棘林>退耕還林地和農田。

綜合0～10 cm和10～20 cm土層土壤可溶性有機質同步熒光光譜分析可以得出，4種利用方式下土壤可溶性有機質含有的簡單類蛋白物質含量差別不大，天然放牧地、退耕還林地和農田含有的富里酸類區域峰面積大小近似，但是次生沙棘林在此區域內未見明顯特征峰。4種利用方式土壤可溶性有機質胡敏酸類區域差異較大，天然放牧地含有較多的多環芳烴，其次是次生沙棘林和退耕還林地，農田最少。不同土層之間差異不明顯。

圖4 不同利用方式高寒草甸0～10 cm土層和10～20 cm土層土壤可溶性有機質同步熒光光譜Fig.4 Synchronous fluorescence spectra of soil dissolved organic matter in 0 to 10cm layers and 10 to 20 cm layers in different land use types of Alpine meadow

3 討論

土壤可溶性有機質主要來源于植物凋落物、動植物殘體以及土壤有機質的分解，根系分泌物和微生物也是重要來源[7]。植被覆蓋類型和農業生產管理措施的不同，會引起土壤中有機碳庫組分和分布發生變化[32]。土壤表層由于地上生物量和植物凋落物的不斷增加以及根系分泌物的積累，為土壤有機碳庫提供了大量可溶性有機碳組分[33]。有研究表明，土壤的利用方式會影響其中的微生物種類和有機質的數量與質量[34]。不同種植方式下的土壤，耕地土壤中的可溶性有機質含量較低，林地和草地中的明顯較高[23,35-36]。本研究中，0～10 cm土層可溶性有機碳含量與有機碳含量由高到低的變化規律一致，均為天然放牧地>退耕還林地>次生沙棘林>農田，與上述研究規律一致。天然放牧地是土壤受擾動最小的利用方式，因此可溶性有機碳含量最高[37]。10～20 cm土層土壤可溶性有機碳含量則是退耕還林地和次生沙棘林較高，可能與云杉和沙棘相對于天然放牧地的藏嵩草、鵝絨委陵菜、二裂委陵菜和青稞扎根較深有關，其根系分泌物和根際微生物為可溶性有機質提供了更多來源。研究還表明，可溶性有機質含量隨土層深度的加深而降低[35,38]，與本文結論一致。

從紫外-可見光光譜特性來看，土壤可溶性有機質的吸光度值隨著波長的增加而逐漸減小，這與魏自民等[17]、王齊磊等[1]、張甲等[39]的研究結論一致。已有的研究顯示，280 nm附近的吸收平臺為腐殖質物質中木質素磺酸及其衍生物的光吸收所引起，隨著腐殖質芳香族和不飽和共扼雙鍵結構的增加，單位摩爾的腐殖質物質紫外吸收強度增強[27,40]。一般情況下，隨著DOM分子結構復雜程度的增加，其紫外光譜各波長對應的吸光度均呈增加趨勢[17-18]。通過紫外-可見光光譜分析可知，天然放牧地土壤含有更多的芳香族和不飽和共扼雙鍵結構，結構更為復雜，其次是次生沙棘林和退耕還林地，農田最低。同時，0～10 cm土層可溶性有機質結構比10～20 cm土層更為復雜。

特定波長的紫外-可見光吸收比常被用來指示可溶性有機質的腐殖化或聚合程度[41]。有研究表明，254 nm處的摩爾吸光度(SUVA254)和280 nm處的摩爾吸光度(SUVA280)分別可用于表征有機質的芳香化程度和分子量大小，其值越大，芳香化程度越高，分子量越大[6,38,42-44]。從SUVA254和SUVA280等紫外-可見光光譜參數來看，天然放牧地土壤可溶性有機質芳香化程度較高，分子量較大。有研究表明，天然林土壤可溶性有機質的芳香化程度和腐殖化程度均高于人工林[5]，天然放牧地雖不是天然林，但卻是在高寒草甸中受到擾動最小的一種利用方式，有相對穩定且持續的凋落物歸還量，在合理放牧的情況下通過家畜為土壤提供了相當數量的有機肥料，為增加微生物活性和多樣性提供可能。當凋落物等植物殘體分解加快，產物中大量結構復雜、分子量大的芳香化合物迅速積累，這個過程不僅使土壤可溶性有機質的芳香化指數上升，同時還有利于腐殖物質的形成。隨著土層的加深4種利用方式下土壤可溶性有機質芳香性有所降低，這與Maddalena等[43]、Bu等[38]的研究結論一致。

熒光指數f450/500常被用來研究和表征可溶性有機質中腐殖質的來源和腐殖化程度[26-27]。一般f450/500值越高，說明可溶性有機物的芳香性越低[26]。表3顯示，天然放牧地f450/500最低，說明其可溶性有機質的芳香性高于其他利用方式。f450/500小于1.4和大于1.9分別指示可溶性有機質的來源是植物和微生物，處于中間范圍則是混合來源[27,45-46]。有研究認為，可溶性有機質的腐殖化是隨著C/H的增加而發生的，并會導致向更高的熒光發射波長轉移[43]，因此腐殖化指數(HIX)一般可以用來指示可溶性有機質的縮合程度[38]。通過熒光光譜參數分析可知，4種利用方式下下高寒草甸土壤可溶性有機質主要來源于植物和微生物的混合來源，腐殖化指數HIX表明天然放牧地土壤可溶性有機質縮合程度較高，結構更復雜，并隨著土層的加深有降低趨勢，與紫外-可見光光譜特性結論一致。

同步熒光法具有選擇性好、干擾少、譜圖簡化、靈敏度高等特點，尤其適合對多組分混合物的分析[38,47-48]。有研究表明，短波長范圍的特征峰主要由分子結構簡單、分子縮合度較低的有機物質形成，而分子質量較大，復雜化程度較高的有機物質所形成的特征峰處在長波長范圍[49-50]。同步熒光光譜分析中可以看出，4種利用方式下土壤可溶性有機質含有的簡單類蛋白物質含量差別不大，天然放牧地、退耕還林地和農田含有的富里酸類區域峰面積大小近似，但是次生沙棘林在此區域內未見明顯特征峰，可能與沙棘根系存在根瘤有關。4種利用方式土壤可溶性有機質胡敏酸類區域差異較大，天然放牧地含有較多的多環芳烴，其次是次生沙棘林和退耕還林地，農田最少。有研究表明，各類峰的相對面積大小表征分子基團含量的多少[6]，250～300 nm處的熒光峰代表結構較簡單的芳香性化合物，波長較長處的熒光峰則代表結構更加復雜的多環芳烴化合物[17]，因此，通過熒光光譜特性分析得出天然放牧地土壤可溶性有機質腐殖化程度較高，且是由多環芳烴化合物組成。

天然放牧地作為距離原始的高寒草甸最近的演替階段，其有機碳含量、可溶性有機碳含量及其復雜程度都處于較高水平。農田是擾動較大的一種土地利用方式，由于耕作、田間管理等因素的影響，其土壤狀態離原始狀態最遠，有機質含量、可溶性有機質含量及其復雜程度最低。次生沙棘林和退耕還林地雖也受到擾動，但比農田更好地向原始狀態靠近。可以在一定程度上把天然放牧地、次生沙棘林和退耕還林地、農田分別歸類為由輕到重的不同退化階段，而同步熒光光譜在420 nm附近的熒光峰能夠更簡單直接地體現出這一點，可以嘗試將此作為區分不同退化階段的依據之一。關于土壤可溶性有機質光譜特性對草地退化的具體指示作用還有待于進一步研究。

4 結論

天然放牧地0～10 cm土層土壤可溶性有機質含量、芳香化程度和腐殖化程度均較高。退耕還林地和次生沙棘林10～20 cm土層可溶性有機質含量較高，但芳香化程度和腐殖化程度較低。

土壤可溶性有機質的芳香化程度和腐殖化程度有隨著土層的加深而逐漸降低的趨勢。天然放牧地土壤可溶性有機質的結構更為復雜，易被土壤膠體吸附，穩定性更強，利于有機碳的積累和碳庫穩定，對維護碳庫平衡和生態穩定有積極作用。而擾動后的次生沙棘林、退耕還林地和農田都在不同程度上降低了這種作用的發揮。

紫外-可見光光譜分析和熒光光譜分析中，不同特征參數對4種利用方式土壤可溶性有機質結構和性質的指示靈敏程度不同，在應用過程中，可以嘗試將兩種分析方法聯合使用，可以有效提高測定的全面性和準確度。