引用本文
史传奇, 李艳, 胡钰, 于少鹏, 金梁, 陈美茹. 北方寒区河流湿地土壤溶解性有机质荧光光谱特征[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(5): 1517-1523.
SHI Chuan-qi, LI Yan, HU Yu, YU Shao-peng, JIN Liang, CHEN Mei-ru. Fluorescence Spectral Characteristics of Soil Dissolved Organic Matter in the River Wetland of Northern Cold Region, China[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(5): 1517-1523.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)05-1517-07  
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北方寒区河流湿地土壤溶解性有机质荧光光谱特征
史传奇1, 李艳2, 胡钰3, 于少鹏1,*, 金梁2, 陈美茹1
1.哈尔滨学院, 黑龙江省寒区湿地生态与环境研究重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150086
2.北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所, 北京 100097
3.东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150038
*通讯作者 e-mail: wetlands1972@126.com

作者简介: 史传奇, 1986年生, 哈尔滨学院副教授 e-mail: chuanqi0730@163.com

收稿日期: 2022-03-07 修回日期: 2022-06-01
基金: 国家自然科学基金项目(41977095), 中国与联合国开发计划署合作水资源管理项目(cpr/21/401), 黑土地保护与利用科技创新工程专项(XDAZ8130200)资助
摘要

溶解性有机质(DOM)是土壤中活跃的有机成分, 其来源和组成可指示土壤腐殖化程度及与外部环境间的相关关系。 为科学地监测与评价湿地土壤环境质量, 采集黑龙江省碾子山雅鲁河国家湿地公园内不同植被条件下的表层(0~20 cm)土壤, 应用三维荧光光谱-平行因子分析法, 测定DOM荧光光谱, 并进一步分析土壤理化指标对DOM组成的影响。 结果表明: 5种植被类型(包括9种群系)条件下土壤DOM腐殖化指数在2.562~9.052之间, 落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛土壤腐殖化程度高于草甸, 其次为沼泽, 水生植被最低; 荧光指数介于1.407~1.586, 土壤DOM来源兼具外生源和自生源特征, 落叶阔叶林和芦苇[ Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.]沼泽表现为明显的外生源特征, 而水生植被及稗[ Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv.]沼泽具有明显的自生源特征; 生物指数在0.482~0.662范围内, 新近自生源贡献率均较低。 土壤DOM中识别出3类5种有机组分, 类腐殖质(紫外类富里酸和可见类富里酸)相对比重最大, 外生源特征明显的土壤样品中含量多; 其次为类蛋白质(类酪氨酸和类色氨酸), 自生源特征较强的土壤样品中含量多; 类腐殖酸(胡敏酸)最低, 多存在于旱生-中生环境中。 土壤含水量、 pH值、 总有机碳含量对DOM组成具有显著或极显著的影响, 3项理化指标与类蛋白质含量成正相关, 与类腐殖质含量成负相关, 含水量、 总有机碳含量与类腐殖酸含量成负相关。 总体上看, 在该湿地公园内, 落叶阔叶林、 落叶阔叶灌丛土壤偏弱酸性, 含水量、 总有机碳含量低, 腐殖化程度高, 外生源特征明显, 类腐殖质和类腐殖酸含量高, 其次为草甸及沼泽植被, 而水生植被条件下土壤近中性, 含水量、 总有机碳含量高, 腐殖化程度低, 自生源特征明显, 类蛋白质含量高。 本研究结果可为以该湿地公园为代表的北方寒区永久性河流湿地土壤环境质量监测与评价提供基础数据。

关键词: 三维荧光光谱; 溶解性有机质; 湿地土壤; 植被
中图分类号:S153 文献标志码:A
Fluorescence Spectral Characteristics of Soil Dissolved Organic Matter in the River Wetland of Northern Cold Region, China
SHI Chuan-qi1, LI Yan2, HU Yu3, YU Shao-peng1,*, JIN Liang2, CHEN Mei-ru1
1. Heilongjiang Province Key Laboratory of Cold Region Wetland Ecology and Environment Research, Harbin University, Harbin 150086, China
2. Institute of Plant Nutrition, Resources and Environment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China
3. College of Resource and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150038, China
*Corresponding author
Abstract

Dissolved organic matter (DOM) is an active organic component in soil, and its source and composition can indicate the degree of soil humification and its relationship with the external environment. In this study, in order to scientifically monitor and evaluate wetland soil environmental quality, we collected the surface (0~20 cm) soil under different vegetation types of the Nianzishan Yalu River National Wetland Park in Heilongjiang Province, and applied three-dimensional fluorescence spectroscopy-parallel factor analysis method to measure the DOM fluorescence spectrum, and further analyzed the effects of soil physicochemical indexes on DOM composition. The results showed that the soil DOM humification index was between 2.562 and 9.052 under five vegetation types (including nine formations). The soil humification degrees of the deciduous broad-leaved forest and the deciduous broad-leaved shrub were higher than that of the meadow, followed by the marsh, and the soil humification degrees of the aquatic vegetation were the lowest. The fluorescence index was between 1.407 and 1.586. The soil DOM source had both exogenous and autogenic characteristics. The deciduous broad-leaved forest and the Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud. marsh had obvious exogenous characteristics, but the aquatic vegetation and the Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv. Marsh had obvious autogenic characteristics. The biological index ranged from 0.482 to 0.662, and the contribution rate of recent autogenic characteristicwas low. Three types of five kinds of organic components were identified fromthe soil DOM. Humus-like substance (ultraviolet fulvic-like acid componentand visible fulvic-like acid component) had the largest relative proportion, and the soil samples with obvious exogenous characteristics had high content. Followed by protein-like substance (tyrosine-like componentand tryptophan-likecomponent), its content was higher in the soil sample with strong autogenic characteristics. Humic-like acid substance (humic acid component) was the lowest, and mostly existed in the xerophyte-mesophyte environment. Soil moisture content, pH value, and total organic carbon content had significant or significant effects on DOM composition. The three physicochemical indexes were positively correlated with the protein-like substance content and negatively correlated with the humus-like substance content. The correlation of moisture content, total organic carbon content with humic-like acid substancecontent were negative, respectively. Overall, in this wetland park, the soil samples of deciduous broad-leaved forest and shrubs are weakly acidic, with low moisture content and total organic carbon content, high degree of humification, obvious exogenous characteristic, high humus-like substance and humic-like acid substance content. However, under aquatic vegetation, the soil is nearly neutral, with high water content and total organic carbon content, a low degree of humification, obvious autogenic characteristic, and high protein-like substance content. The results of this study can provide basic data for the monitoring and evaluating soil environmental quality in permanent river wetlands in the cold northern region represented by this wetland park.

Keyword: Three-dimensional fluorescence spectroscopy; Dissolved organic matter; Wetland soil; Vegetation
引言

溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是多种能够通过0.45 μ m孔径滤膜的有机分子综合体, 具有酸性、 碱性及水溶性特征, 常见于水体、 土壤环境中[1, 2]。 土壤中DOM主要来源于外生源的植物枯落物、 根系分泌物和自生源微生物代谢产物, 可参与生态系统碳循环和氮循环、 土壤重金属迁移等过程, 对全球气候变化及生态系统稳定具有重要价值[3, 4]。 土壤DOM对土壤类型、 水分条件、 植被覆盖等外部环境变化具有响应, 可作为土壤环境质量监测与评价的重要指标[5, 6]。 Zhang等[7]通过对DOM光谱学特征分析, 认为土壤DOM组成与含量变化可反映水土流失过程中土壤有机碳的稳定性。 王姝等[8]利用若尔盖高寒泥炭地在不同水分梯度下土壤DOM含量及结构特征, 提出随着干旱化程度加深, 土壤总有机碳含量显著降低, 可能导致有机碳大量排放。 贾汉忠等[9]认为在对毛乌素沙地进行植被恢复过程中, 相比于草本和灌木, 种植乔木可提高土壤DOM的含量和腐殖化程度, 且有利于土壤固碳, 这一结论可为沙地植被恢复效果评价提供参考依据。

三维荧光光谱-平行因子分析法可灵敏、 高效地鉴定DOM的来源与组成, 荧光光谱中荧光峰位置和荧光强度可判别DOM中各有机组分的类型及含量[10, 11]。 腐殖化指数(humification index, HIX)可用于判定DOM腐殖化程度, HIX升高, 腐殖化程度增大; 荧光指数(fluorescence index, FI)可用于分析自生源有机质与总有机质的比例, 反映DOM的来源, 当FI< 1.4时主要表现为外生源, 当FI> 1.9时主要表现为自生源, 当FI值介于1.4和1.9之间时兼具自生源与外生源特征; 生物指数(biological index, BIX)可用于表征自生源有机质与外生源有机质间的比例, 在一定范围内BIX值越高, 表明由微生物代谢活动产生的新近自生源有机质的贡献率越大[10, 12]。

北方寒区湿地是我国湿地保护体系中重要的组成部分, 在调节气候、 水土保持、 碳源汇等方面具有重要意义。 本研究以黑龙江碾子山雅鲁河国家湿地公园为代表, 测定5种植被下土壤中DOM的荧光光谱特征, 分析土壤DOM特征及其影响因素, 为北方寒区永久性河流湿地土壤环境质量监测与评价提供基础数据, 并为湿地保护与恢复提供理论依据。

1 实验部分
1.1 研究区概况

碾子山雅鲁河国家湿地公园(122° 49'56″— 122° 52'09″E, 47° 33'42″— 47° 39'40″N)位于我国松嫩平原西部, 大兴安岭东麓, 总面积为1 137.19 hm2, 湿地面积为852.40 hm2, 湿地率达74.96%, 为我国北方寒区典型永久性河流湿地生态系统。 属大陆性季风气候, 降雨集中在6月— 8月, 冬季寒冷干燥, 年均气温3.7 ℃, 年均降水量约450 mm。 雅鲁河为嫩江一级支流, 全长398 km, 平均流量为718 m3· s-1, 干流、 支流纵横交错于该湿地公园内, 同多条季节性河流形成永久性河流湿地。 土壤类型主要为沼泽土和草甸土。

1.2 土壤样品采集

依据2020年5月— 10月该湿地公园植物多样性及生物量调查结果, 于2021年6月16日, 分别采集5种植被类型、 9种群系条件下的土壤样品, 各群系优势种、 伴生种及编号见表1, 植物种类鉴定依据http://www.iplant.cn/frps。

表1 土壤样品采样地植被信息 Table 1 Vegetation information of soil sampling site

按生境类型划分, PD、 UP、 SL、 LC均处于旱生-中生环境, EC、 PA处于河漫滩湿生环境; ST、 MV及PN为水生环境。 土壤样品采集时, ST水深约0.2 m、 MV、 PN水深约0.5 m。 每个采样地内选取3个2 m × 2 m样方, 旱生-中生及湿生环境样方间距不小于20 m, 水生环境样方间距离不小于5 m。 利用直径4 cm环刀(非水生环境)和彼得逊底泥采样器(水生环境)于样方顶点和中点的地表0~20 cm处取土壤样品, 去除杂质, 分别将同一样方内5个样点的土壤样品混匀, 保留500 g。

1.3 土壤样品测定

参考文献[9, 13], 取5.0 g土壤样品, 加入50 mL超纯水, 室温下200 r· min-1水平振荡24 h, 4 ℃下3 500 r· min-1离心10 min, 保留上清液, 玻璃纤维滤膜(0.45 μ m孔径)过滤, 滤液即为DOM溶液。 使用TOC分析仪(Multi N/C 2100型, Jena)测定DOM溶液中溶解性有机碳含量, 加入超纯水, 将所有样品的溶解性有机碳的浓度调至15 mg· L-1。 使用荧光光谱测定仪(F-7000型, Hitachi)测定DOM样品三维荧光光谱, 参数设定: 激发光源450 W氙弧灯, 光电倍增管电压700 V, 激发波长(Ex)和发射波长(Em)范围均为200~600 nm, 扫描速度2 400 nm· min-1, 间隔5 nm, 狭缝宽度5 nm。 超纯水作为空白样品, 校正散射。 每个样品测定重复3次。

参考文献[13], 土壤含水量(moisture content, MC)采用烘干法(105 ℃)测定; pH值采用雷磁PHS-25型pH仪测定, 水土比为2.5:1(V/W); 总有机碳(total organic carbon, TOC)含量采用德国Jena Multi N/C 2100型TOC分析仪测定; 总氮(total N, TN)含量采用半微量凯氏定氮法测定; 总磷(total P, TP)含量采用HClO4-H2SO4法测定; 总钾(total K, TK)含量采用酸消解-火焰光度法测定。 各项理化指标重复3次测定。

1.4 数据分析

使用FL WinLab软件(Perkin Elmer)收集荧光光谱数据, 利用Matlab R2019a软件中Removescatter工具包做去散射处理, DOMFluor工具包进行平行因子分析, 确定有机组分个数, 绘制三维荧光光谱图。 参考文献[5, 9], 利用Origin 2021软件计算HIX: Ex=254 nm时, Em在435~480与300~345 nm荧光峰面积的比值。 利用Office Excel 2016对数据中Ex=370 nm时, Em在450与500 nm条件下的荧光强度比值计算FI, Ex=310 nm时Em在380与430 nm条件下的荧光强度比值计算BIX。

利用SPSS 22.0软件分别对5种植被类型条件下土壤样品DOM荧光光谱指数、 不同有机组分含量和相对比重及土壤理化指标进行单因素方差分析(Duncan多重比较), 显著性水平为0.05; 对DOM有机组分间及其与理化指标间进行Pearson相关性分析, 显著性水平为0.05和0.01。 利用Canoco 4.5软件对5种植被类型条件下土壤样品DOM各有机组分与理化指标间进行排序分析, 显著性采用Monte Carlo置换检验方法(n=999), 并利用CanoDraw 4.0绘图。

2 结果与讨论
2.1 土壤DOM荧光光谱指数

不同植被类型条件下土壤DOM荧光光谱指数如表2。 依据文献[4, 12], 本研究中HIX在2.562~9.052范围内, 即各土壤样品DOM腐殖化程度具有较大差异。 PD、 UP、 SL土壤HIX显著(p< 0.05)高于LC, 其次为EC、 PA, ST、 MV和PN显著低。 可以看出, 落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛土壤DOM腐殖化程度显著高于草甸, 其次为沼泽, 而水生植被条件下最低, 这与贾汉忠等[9]研究结果相近。

表2 土壤DOM的荧光光谱指数 Table 2 Fluorescence spectrum indexes of soil DOM

由表2可知, FI介于1.407~1.586之间, 依据文献[9], 本研究中FI平均值大于外生源特征值(1.4), 小于自生源特征值(1.9), 说明土壤DOM的来源兼具外生源和自生源特征。 MV、 PN、 EC的FI显著高于SL、 LC, 其次为ST, PD、 UP、 PA最低。 依据前期植物多样性及生物量调查结果, 落叶阔叶林和芦苇沼泽植物枯落物及根际分泌物较多, 土壤DOM更多表现出外生源特征, 而其他植被类型, 特别是水生植被条件下, 植物枯落物及根际分泌物较少, 土壤DOM表现为由微生物代谢活动产生的自生源特征。 该湿地公园内水田退耕还湿过程中, 可适当增加芦苇沼泽面积, 而旱田退耕可种植乔木, 提高土壤DOM外生源物质输入。

参考贾汉忠等研究结果[9], 本研究BIX在0.482~0.662之间, 说明土壤DOM新近自生源贡献率均较低, 其中MV、 SL、 EC相对较高(BIX> 0.6), 而PD、 UP、 PA相对较低, 即植物枯落物及根际分泌物较多时, 作为外生源输入土壤的DOM相对多于自生源产生。

2.2 土壤DOM有机组分

利用去散射数据绘制出三维荧光图谱, 参考文献[4, 11], 本研究土壤DOM中共识别出3类5种有机组分(图1)。 C1(Ex/Em=240/410 nm)鉴定为类腐殖质(紫外类富里酸)组分, 对应A峰; C2(Ex/Em=330/465 nm)鉴定为类腐殖质(可见类富里酸)组分, 对应C峰; C3(Ex/Em=245/430 nm)鉴定为类腐殖酸(胡敏酸)组分, 对应F峰; C4(Ex/Em=275 /330 nm)鉴定为类蛋白质(类色氨酸)组分, 对应T峰; C5(Ex/Em=225/305 nm)鉴定为类蛋白质(类酪氨酸)组分, 对应B峰。 本研究中5种有机组分常见于草甸、 湿地、 林地[4, 8, 9]及高寒地区土壤[12]中。

图1 土壤DOM三维荧光组分
C1: 紫外类富里酸组分; C2: 可见类富里酸组分; C3: 胡敏酸组分; C4: 类酪氨酸组分; C5: 类色氨酸组分Fig.1 Three dimensional fluorescence components of soil DOM
C1: Ultraviolet fulvic-like component; C2: Visible fulvic-like component; C3: Humic acid component; C4: Tyrosine-like component; C5: Tryptophan-like component

如表3, 各类型土壤样品DOM总组分和中, PN最高, 而ST、 MV较低。 5种有机组分中, C1的荧光强度在PA中最高, ST、 MV中最低; C2在PA、 UP中最高, EC、 ST中最低; C3在PD、 SL、 LC中最高, PA中最低; C4在PN中最高, PD中最低; C5在ST、 MV中较高, PA、 UP中最低。 结合表2可以看出, 类腐殖质(C1、 C2)多出现在外生源输入较多的土壤样品中, 其腐殖化程度相对高, 类蛋白质(C4、 C5)多出现在自生源较强的土壤样品中, 其腐殖化程度相对低, 而类腐殖酸(C3)含量在旱生-中生环境的土壤样品中高于湿生和水生环境。

表3 土壤DOM中5种有机组分的荧光强度 Table 3 Fluorescence intensity of the five organic components of soil DOM

如表4, 总体上看, C1在5种土壤样品DOM有机组分中具有较高的相对比重, 占总组分和的28.49%, 其次为C2、 C4、 C5、 C3。 类腐殖质总和占总组分和近1/2, 类蛋白质总和占总组分和近1/3, 而类腐殖酸的比例最低。 C3在PA、 ST、 MV、 PN中相对比重均处于最低水平, 再次证明了表3所得出的结果。

表4 土壤DOM中5种有机组分的相对比重 Table 4 Relative proportions of the five organic components of soil DOM
2.3 土壤DOM有机组分间及其与土壤理化性质间相关性

如表5, 依据土壤样品采集地环境, 水生环境土壤MC显著高于旱生-中生环境, 且PN的最高, 旱生-中生的4种植被类型条件下土壤样品间MC无显著差异。 所有土壤样品pH值呈弱酸性至中性, 除ST外, 水生环境土壤pH值显著高于旱生-中生和湿生。 ST中TOC、 TN、 TP、 TK含量均显著高于其余土壤样品, 这可能与该土壤样品所处水体环境中存在大量水绵属植物有关。 EC、 PA的TOC含量显著高于LC, LC与SL差异不显著, 但显著高于PD和UP, 说明沼泽土壤TOC含量显著高于草甸, 草甸与落叶阔叶灌丛接近, 均显著高于落叶阔叶林, 而TN、 TP、 TK含量和TOC含量基本相反(除ST外), 即旱生-中生环境高于湿生和水生环境。

表5 土壤样品理化指标 Table 5 Physicochemical indexes of soil samples

利用6项土壤理化指标与土壤DOM有机组分的最大荧光强度值(Fmax)做相关性分析(表6)。 土壤DOM对水分含量具有响应[8]。 同样在本研究中, MC对土壤DOM有机组分含量表现出显著或极显著的相关性, MC与C4、 C5成极显著(p< 0.01)正相关, MC升高, 有利于类蛋白质产生, 抑制类腐殖质和类腐殖酸积累。 可见湿地保护与恢复过程中, 水分条件对土壤DOM来源和组成的重要性。 土壤pH值对DOM的流动性具有影响, 但机理尚不清晰[3]。 而在较小的空间尺度下不同植物群系土壤pH值差异不显著, 导致pH值对DOM有机组分的影响不显著[13]。 本研究中pH值在不同植被类型条件下具有差异, 且与C2成显著负相关, 与C4、 C5具有显著或极显著正相关性, 说明pH值趋于中性有利于类蛋白质产生, 但不利于类腐殖质积累。

表6 土壤DOM有机组分间及与理化指标间相关系数 Table 6 Correlation coefficients among soil DOM organic components and between organic components and physicochemical indexes

土壤养分指标中, TOC对土壤DOM有机组分含量的影响与MC相近, MC、 TOC含量升高时, 土壤微生物代谢活动增强, 有利于类蛋白质产生, 而外生源输入物质的积累量减少。 TN、 TP与C1、 C4和C5成负相关, 与C2、 C3成正相关; TK与C5成正相关, 与其余有机组分成负相关, 但均未达到显著水平, 这与文献[13]的研究结果相近。

C1与C2成极显著正相关, 说明在土壤DOM组成上, 两种类腐殖质具有相同来源。 C1、 C2与C3成不显著的负相关性, 即类腐殖质和类腐殖酸可能有不同的来源。 C4和C5成不显著的正相关性, 即两种类蛋白质的来源相互独立。 C1、 C2与C5, C3与C4均成极显著负相关, 即在自生源有机组分含量增加时, 外生源有机组分含量相对减少。

利用DOM的5种有机组分的Fmax值矩阵做除趋势对应分析, Lengths of gradient在第一排序轴上值为0.083, 结合对DOM具有显著影响的3项土壤理化指标(MC、 pH值、 TOC), 做冗余分析(redundancy analysis, RDA)。 如图2, 前两个排序轴解释总变量的63.7%, 能够较好地反映出土壤理化指标对DOM各有机组分的影响。 类腐殖质与RDA 1成正相关, 与3项土壤理化指标均成负相关, 而类蛋白质与3项土壤理化指标均成正相关。 类腐殖酸与RDA 2成正相关, 与类腐殖质、 C5及pH值的相关性不显著。 不同植被类型条件下土壤样品间相对分散, 表明不同植物群系土壤DOM含量具有差异, 这可能与植物的多样性有关[14]。 总体上看, 旱生-中生及湿生植被类型条件下类腐殖质、 类腐殖酸含量相对高于水生植被, 而类蛋白质含量在水生植被中更高。

图2 DOM有机组分与理化指标排序分析Fig.2 Ordination analysis between DOM organic components and physicochemical indexes

3 结论

以黑龙江省碾子山雅鲁河国家湿地公园为典型代表的北方寒区永久性河流湿地, 不同植被类型条件下土壤DOM荧光光谱特征具有明显差异。 落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛的土壤DOM的腐殖化程度高于草甸、 沼泽, 水生植被条件下最低。 土壤DOM来源兼具自生源和外生源特征, 新近自生源贡献率低。 类腐殖质(紫外类富里酸和可见类富里酸)、 类腐殖酸(胡敏酸)多存在于旱生-中生及湿生环境, 类蛋白质(类酪氨酸和类色氨酸)多存在于水生环境。 土壤含水量、 pH值、 总有机碳含量对DOM有机组分含量具有不同程度的影响, 进而影响DOM的组成。 在湿地保护与恢复过程中, 需因地制宜, 水田退耕可适当增加芦苇种植面积, 旱田退耕可兼顾还林, 提高植物多样性及生物量的同时, 增加土壤有机质稳定性。

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