青藏公路對沿線草地生態系統土壤可溶性有機碳及其特征的影響

陳 琦， 李富翠*， 彭鈺梅， 劉卓成， 汪夢寒， 賈辰雁， 韓烈保

(1.北京林業大學草業與草原學院， 北京 100083； 2.中國農業大學， 北京 100193； 3.內蒙古蒙草生態環境(集團)股份有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010010)

高寒荒漠地區極易受環境影響，植物種群少、生產力低，但作為重要的綠色生態屏障，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環境，被看作為全球變化的指示區與預警區[19]。公路作為各地區之間交流的快速通道，規模不斷擴大和發展的同時，不可避免地對公路沿線土壤產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，寬約50～70 m，長數十至數百千米的地帶，后來Bignal等[22-23]將道路對環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，研究發現3個樣點不同樣帶呈現從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。關于公路對土壤有機碳的影響研究較少，王俊霞[26]研究發現，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被認為是陸地生態系統碳循環的關鍵物質，對探討全球碳循環具有重要意義[7,27]，而當前關于公路對土壤可溶性有機碳及其特征的影響尚無相關報道。

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構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，在填補相關領域研究空白的同時，為路域土壤的生態修復提供基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

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，年均蒸發量1 725.7 mm[29]。根據草地綜合順序分類系統(IOCSG分類系統)[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)設置樣方，取樣帶位置和設置見圖1。其中每個距離設置四個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 根據林業標準“森林土壤有機質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電壓設為750 V，激發和發射單色儀的狹縫寬度均為10 nm，激發波長(Ex)范圍從200～500 nm，波長間隔為5 nm；發射波長(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：熒光指數(Fluorescence index,FI)、腐殖化指數(Humification index,HIX)、自生源指標(Index of recent autochthonous contribution,BIX)、新鮮度指數(β∶α)，相關光譜特征參數的計算方法及公式參數見表2。

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

1.4 統計分析

采用Excel 2020處理數據，利用SPSS 22.0統計分析軟件，對數據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，表現為距離公路越遠，土壤DOC的含量越高，這一規律在海拔高度為5 200 m時表現更顯著(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、沉積物或水生生態系統的有機質[36-37]，反映土壤腐殖化程度和DOM中芳香族物質的組成[38]，SUVA254越高，有機質的芳香程度越高，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的芳香和疏水結構以及腐殖化程度受公路影響顯著，表現為距公路越近，SUVA254和SUVA260越小，即有機質的腐殖化程度越小，芳香結構和疏水結構越少。在海拔4 600 m處也表現出相似的規律，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的穩定性較高。

圖3 不同樣點土壤可溶性有機質紫外-可見光光譜表征參數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(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(FI)存在兩個端源值，FI低于1.4時，認為DOM主要為外源輸入(陸地植物、土壤有機質等)，FI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，與熒光指數得出的結果一致。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(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(β：α)可表征新產生的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的含量整體表現為距離公路越遠含量越高，與王俊霞的研究結果不一致[26]，可能是由于后者所選的試驗地受秸稈焚燒、農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[43]，海拔5 200 m處距離公路較近區域的植被出現了不同程度的退化，但是植被覆蓋度低于20%的區域面積比例在公路400 m內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構，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淺層土壤最大持水量與有機碳含量呈顯著正相關關系。這與本研究結果一致，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，有研究發現[49]，在唐古拉山的大部分山區，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域DOC降解的多而輸入的少，而距離公路較遠的區域受人為擾動較小，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，土壤有機碳更穩定(圖3)。土壤可溶性有機質的芳香度越高，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]在研究中發現DOM可與重金屬離子結合形成絡合物，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域土壤的DOM可能因結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(類腐殖質和類蛋白)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的結果一致。由BIX和β：α的結果分析得出，所有處理中的土壤DOM的生物可利用度較低，新鮮有機質輸入較少。各處理的差異規律與FI所表現的差異規律大致相同。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FI，HIX，BIX及β：αFig.4 FI,HIX,BIX and β：α of soil organic matter in different treatments

以上結果的產生可能與微生物活動有關，楊寶玲等人[57]以滬寧高速公路兩側土壤為研究對象，結果表明土壤微生物量隨公路垂直距離的增加而增加。原因是公路的大規模發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]，相關研究也表明可礦化氮、磷這些養分的有效性與DOC動態密切相關[58]。因此，注重對路域土壤的生態修復，提高有機碳的穩定性，可以有效提高土壤養分，從而逐漸提高土壤質量。

4 結論

青藏公路的建設通過影響植被覆蓋度、土壤水分以及土壤緊實度，對DOC的含量產生影響，距離公路越遠DOC含量越高，路域土壤DOC的穩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輸入，自生源特征較強，但缺乏新鮮有機質的輸入。因此，對公路周邊環境進行生態修復時，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定性，保護生態環境。后續可進行熒光區域積分來表征DOM的不同組分，進一步研究公路對土壤有機碳穩定性的影響機制。