研究区位于福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站— — 陈大观测点(25° 29'— 27° 07'N, 116° 22'— 118° 39'E)。 该区以低山丘陵为主, 属中亚热带季风气候, 年平均气温19.5 ℃, 最高气温40 ℃, 最低气温-5.5 ℃, 年蒸发量1 585 mm, 年降雨量1 670 mm。 2021年1月在实验地设置1.15 m× 0.5 m× 0.6 m根箱, 根箱内填充土壤为混合均匀种植多年的甘蔗土, 于根箱中间分别种植一株一年生的米槠(Castanopsis carlesii, CC)、 杉木(Cunninghamia lanceolata, CL)、 花榈木(Ormosia henryi, OP)植物实木苗, 并设置不种树根箱作为对照(no-tree, NT), 共4种处理, 每种处理5个重复, 共20个根箱, 每个根箱底部均安装两个45 cm× 40 cm× 5cm集水盘, 装置如图1所示。 植物稳定生长半年后, 于2021年8月一场暴雨后, 收集集水盘水样进行根箱渗滤液DOM研究。

图1

Fig.1

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	图1 根箱及集水盘装置Fig.1 Root box and water collecting device

1.2.1 渗滤液DOM基本性质测定

将收集水样过0.45 μm滤膜得到不同树种土壤渗滤液DOM。 溶解性有机碳(DOC)用总有机碳分析仪(TOC-LCPH/CPN, 日本)测定; 溶解性总氮(DTN)、 溶解性无机氮( NO3-)用连续流动分析仪(Skalar san++, 荷兰)测定。

1.2.2 渗滤液DOM光谱指标测定

采用紫外-可见光分光光度计(UV-2600, Shimadzu, Kyoto, Japan)测定渗滤液DOM吸光度。 将DOM样品放在10 mm的石英比色皿中, 以Milli-Q超纯水做空白, 测量之前做基线矫正, 扣除仪器偏差。 SUVA₂₅₄, SUVA₂₆₀和SUVA₂₈₀分别是在254、 260和280 nm紫外波长下的吸光度值和DOC浓度的比值, 分别表征DOM芳香化程度、 疏水性和相对分子量大小^[21]。

采用荧光光谱仪(F7000, Hitachi, Tokyo, Japan)测定DOM渗滤液激发-发射矩阵荧光光谱(excitation-emission matrix, EEM)。 设置测量参数如下: 激发波长λ _ex=5 nm, 发射波长λ _em=5 nm; 响应时间设为自动(0.5 s); 扫描速度: 1 200 nm· min^-1; 扫描波长范围为: λ _ex=200~450 nm, λ _em=250~600 nm。 扫描光谱由仪器自动校准, 通常在进行光谱分析之前, 若DOC浓度> 10 mg· L^-1则需去除内滤效应, 将pH酸化< 2或将DOC浓度稀释使其< 10 mg· L^-1。 由于本研究是自然环境下的水溶液, 酸化并不是有效处理DOM内滤的方式, 且本研究渗滤液DOM浓度均小于10 mg· L^-1, 故不进行酸化或稀释处理。 使用Matlab 2018b, 基于Peaklist工具箱, 分别计算荧光指数(fluorescence index, FluI), 新鲜度指数(freshness index, Frl), 生物源指数(biological index, BIX), 腐殖化指数(humification index, HIX)^{[22, 23, 24, 25]}。 结合PARAFAC模型(stedmon and bro, 2008), DOMFluor工具箱对总体EEMs数据集解析, 通过平行因子检验、 残差分析、 裂半检验后去除异常值, 确定DOM可识别的荧光组分及荧光强度F_max。 使用PARAFAC模型对渗滤液DOM共20个激发发射矩阵数据进行解谱, 在迭代过程中, 归一化处理得到DOM组分, 再用两次裂半分析验证结果的可靠性, 最后确定DOM可识别的三个荧光组分及荧光峰强度。 本研究中, 紫外-可见光谱和二维荧光光谱指标指示意义如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 紫外-可见光谱和二维荧光光谱指标意义 Table 1 The significance of UV-Vis absorption spectrum parameters and two-fluorescence spectrum parameters indication 光谱指数 定义 指示意义 SUVA254 (UV254/DOC)× 100 表征DOM的芳香化程度 SUVA260 (UV260/DOC)× 100 表征DOM的疏水性 SUVA280 (UV280/DOC)× 100 表征DOM的相对分子量大小 荧光指数FluI Ex370 nm, Em450 nm/Em500 nm FluI< 1.4表征植物来源(外源输入); 1.4≤ FluI≤ 1.9表征陆生植物和微生物来源; FluI> 1.9表征微生物代谢降解产物[26] 新鲜度指数Frl Ex310 nm, Em380 nm/Em(420~430 nm)max 表征微生物产生DOM占总DOM的比例[24] 生物源指数BIX Ex310 nm, Em380 nm/Em430 nm 0.6< BIX< 0.7表明DOM自生源特征较少; 0.7< BIX≤ 1.0表明DOM有较强的自生源特征; BIX> 1.0表明自生源特征主要源于生物活动[25] 腐殖化指数HIX Ex254 nm, SEm(435~480 nm)/SEm(300~345 nm) 表征DOM腐殖化程度[22]

表1 紫外-可见光谱和二维荧光光谱指标意义 Table 1 The significance of UV-Vis absorption spectrum parameters and two-fluorescence spectrum parameters indication

使用MATLAB R2018b, 基于Peaklist工具箱计算EEMs数据集FluI, Frl, BIX和HIX指数; 结合PARAFAC模型, 基于DOMFluor工具箱对EEMs数据集解析, 通过平行因子检验、 残差分析、 裂半检验后去除异常值, 确定DOM可识别的荧光组分及荧光强度Fmax。 使用Excel2020和SPSS 22.0对数据整理分析, 采用单因素方差法(one-way ANOVA)对渗滤液DOM浓度和光谱特征进行差异显著性检验。

由表2可知, 花榈木根箱土壤渗滤液的DTN和 NO3-含量最高, 但三种树种(米槠、 杉木、 花榈木)土壤渗滤液DOM的pH、 电导率、 DTN和 NO3-含量与未种植对照土壤差异不显著。 种植杉木土壤渗滤液DOC含量为(5.36± 0.71) mg· L^-1, 显著高于其他两种树种和未种树土壤渗滤液(p< 0.05)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同根箱处理土壤渗滤液DOM理化性质 Table 2 Physical and chemical properties of soil leachate DOM under different treatments 处理 pH 电导率/(μ s· m-1) DTN/(mg· g-1) NO3-/(mg· g-1) DOC/(mg· L-1) CC 7.55± 0.04a 325.33± 53.16a 16.33± 0.38a 16.16± 0.77a 2.77± 0.93b OP 7.50± 0.03a 461.67± 140.56a 21.97± 7.88a 21.44± 7.73a 3.64± 0.28b CL 7.51± 0.01a 339.00± 29.21a 16.43± 3.63a 16.34± 3.90a 5.36± 0.71a NT 7.48± 0.08a 335.00± 32.92a 18.69± 1.85a 18.59± 2.29a 2.79± 0.11b 注: CC: 米槠(Castanopsis carlesii); OP: 花榈木(Ormosia henryi); CL: 杉木(Cunninghamia lanceolata); NT: 未种树(no-tree); DTN: 溶解性总氮(dissolved total nitrogen); NO3-: 硝态氮(nitrate nitrogen); DOC: 可溶性有机碳(dissolved organic carbon); 表中数据为平均值± 标准差(n=5), 小写字母表示根箱处理的差异, 下同

表2 不同根箱处理土壤渗滤液DOM理化性质 Table 2 Physical and chemical properties of soil leachate DOM under different treatments

由表3可知, 四种根箱处理土壤渗滤液DOM的SUVA₂₅₄均小于3, 说明渗滤液DOM主要以小分子量亲水性芳香化合物组成。 米槠根箱土壤渗滤液DOM的芳香化指数(SUVA₂₅₄)显著高于其他处理根箱(p< 0.05), 分别是花榈木和杉木根箱的1.82和1.92倍, 说明米槠土壤渗滤液DOM的芳香化程度较高。 相较于杉木土壤渗滤液DOM的疏水指数(SUVA₂₆₀), 米槠土壤渗滤液DOM的疏水程度是其1.99倍(p< 0.05), 但与其他处理差异不显著。 种植三种不同树种及未种树处理根箱土壤渗滤液DOM的相对分子量大小(SUVA₂₈₀)无显著差异。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同根箱处理土壤渗滤液DOM紫外、 二维荧光光谱指标 Table 3 DOM UV-Vis and 2D fluorescence spectral indicators of soil leachate under different root box treatments 处理 SUVA254 SUVA260 SUVA280 FluI Frl BIX HIX CC 2.46± 1.03a 2.21± 1.05a 1.83± 0.96a 2.74± 0.04a 0.93± 0.03a 1.03± 0.03a 0.82± 0.01a OP 1.35± 0.19b 1.15± 0.14ab 0.89± 0.10a 2.69± 0.03a 0.97± 0.04a 1.09± 0.05a 0.82± 0.02a CL 1.28± 0.19b 1.11± 0.13b 0.85± 0.08a 2.66± 0.03a 0.93± 0.05a 1.02± 0.07a 0.79± 0.03ab NT 1.32± 0.44b 1.14± 0.41ab 0.90± 0.36a 2.68± 0.07a 0.92± 0.05a 1.00± 0.06a 0.78± 0.02b

表3 不同根箱处理土壤渗滤液DOM紫外、 二维荧光光谱指标 Table 3 DOM UV-Vis and 2D fluorescence spectral indicators of soil leachate under different root box treatments

种植米槠、 杉木、 花榈木根箱土壤渗滤液DOM的FluI、 Frl和BIX数值与对照土壤的差异不显著(表3)。 未种树根箱渗滤液DOM的HIX指数显著低于米槠和花榈木(p< 0.05), 但与杉木无显著差异, 三种树种(米槠、 杉木、 花榈木)土壤渗滤液DOM的腐殖化差异不显著且均小于1, 表明渗滤液DOM的腐殖化程度低。 三种树种和未种树土壤渗滤液DOM的荧光指数(FluI)均大于2且生物源指数(BIX)均大于1, 表明微生物对各处理土壤渗滤液DOM的贡献较大。 Frl值反映微生物产生的DOM在整体DOM中的比例, 可用于评估DOM的生物活性。 本研究各树种土壤渗滤液中微生物来源的DOM所占比例较高, 为92%~97%。

通过EEMs-PARAFAC模型, DOMFluor工具箱解析渗滤液DOM荧光组分。 本研究土壤渗滤液DOM主要由C1、 C2和C3三种荧光组分组成。 表4是渗滤液DOM三种组分的荧光谱图, 横坐标表示的是激发波长(excitation-wavelength), 纵坐标表示发射波长(emission-wavelength)。 根据对EEMs区域的组分定义可以得出C1为Ex/Em=240(320)/400 nm的类富里酸和类腐殖酸物质, C2为Ex/Em=265(365)/450 nm的类腐殖酸物质, C3为Ex/Em=240(280)/330 nm的溶解性类微生物产物。 三种不同树种和未种树之间土壤渗滤液DOM的三种荧光组分差异并不明显(p> 0.05, 图2)。 与花榈木和杉木土壤渗滤液DOM相比, 米槠土壤渗滤液DOM中C1、 C2贡献率较高, C3组分贡献率较低。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 平行因子分析鉴定的三种荧光成分 Table 4 Three fluorescent components identified by PARAFAC analysis 激发发射峰值 荧光组分 荧光光谱图 光谱负载图 Ex: 245(320) nm Em: 400 nm C1: Fulvic acid-like & Humic acid-like Ex: 265(365) nm Em: 450nm C2: Humic acid-like Ex: 240(280) nm Em: 330nm C3: Soluble microbial by-product-like 注: EEMs分别代表C1类富里酸和类腐殖酸物质; C2类腐殖酸物质; C3溶解性微生物产物; Specral loading分别是C1, C2, C3对应的负载图结果: 橙色左峰: 激发波长负载数据集; 蓝色右峰: 发射波长负载数据集

表4 平行因子分析鉴定的三种荧光成分 Table 4 Three fluorescent components identified by PARAFAC analysis

图2

Fig.2

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	图2 不同根箱处理土壤渗滤液EEMs-PARAFAC裂半分析(左)和荧光组分图(右)Fig.2 EEMs PARAFAC split half analysis (Left) and fluorescence component diagram (Right) of soil leachate from different root box treatments

Pearson相关分析表明, 渗滤液DOM的pH、 电导率、 DTN, DTN、 NO3-与光谱指标无相关关系(p> 0.05); DOC浓度与紫外指数(SUVA₂₅₄、 SUVA₂₆₀、 SUVA₂₈₀)、 二维荧光指数FluI及三维荧光组分C2成负相关, 但与C3呈正相关关系(图3, p< 0.05)。

图3

Fig.3

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	图3 不同处理土壤渗滤液DOM理化性质和光谱特征Pearson相关性Fig.3 Pearson correlation between the physicochemical properties and spectral characteristics of soil leachate DOM under different treatments

树种被认为是影响森林生态系统DOM数量和性质的重要因素之一^[27]。 本研究杉木(针叶树种)土壤渗滤液DOC含量显著高于米槠和花榈木(阔叶树种)土壤和对照土壤(p< 0.05), 这与Camino-Serrano等^[28]对全球针阔叶林土壤DOC浓度的meta分析结果类似。 可能原因之一是植物枝叶养分归还过程中, 针叶树种比阔叶树种可以浸出更多的有机酸, 加速了土壤C库的分解和DOC的释放, 故降雨淋溶产生的DOC含量增多^[29]。 也可能是由于杉木、 米槠和花榈木植物根系在土层中分布特点不同, 对土壤C分解和利用效率差异导致。 阔叶树种的细根主要分布于土壤表层, 对养分的利用效率更高, 加速表层土壤SOC的分解; 而杉木作为速生树种, 根系生长迅速, 能迅速占据土壤空间, 细根在垂直深度上分布较为均匀, 能作用于更深层土壤C分解。 米槠和花榈木细根引起表层土壤DOC的产出可能优先被微生物群落利用, 而杉木细根对土壤C分解的影响作用更深远, 故造成土壤渗滤液DOC浓度有显著差异^[30]。 还可能是相较于针叶树种杉木, 阔叶树种细根较易腐化分解, 产生根源活性碳易被根系微生物吸收利用^[31], 而较深土层产出的DOC多为难分解, 较稳定的有机C, 故杉木树种渗滤液中DOC的残余量显著高于米槠。 亦可能是杉木根系对水分的需求相较于其他树种更大, 因此根系的快速生长加速了土壤孔隙水的蒸发, 降低了土壤含水率。 植物根系还可以与特定的微生物群落结合, 从而固定或分解土壤有机碳^{[32, 33]}。 例如丛枝菌根树种根系存在广泛的菌丝体, 有助于增加土壤C含量^[34]。 而丛枝菌根的生长增加了根系分泌物, 而根系分泌物是土壤DOC的主要来源之一。 因此, 降雨会引发干燥土壤中DOC含量的快速释放, 故杉木根箱土壤渗滤液DOC的平均浓度更高^{[35, 18]}。

紫外-可见光谱表征DOM的芳香化程度, 疏水组分和相对分子量的大小, 体现样品中包括芳香化合物在内的具有不饱和碳键的化合物含量。 与高颖^[36]的研究相似, 本研究不同树种土壤渗滤液DOM的SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀均以米槠树种最高, 说明种植米槠树种早期, 根箱土壤渗滤液DOM中亲水性芳香类物质较多, 且芳香物质中的疏水组分比例相对较高。 Ding^[37]等研究发现, 叶片性质对于SUVA₂₅₄的贡献高达87%, 故米槠根箱渗滤液SUVA₂₅₄和SUVA₂₆₀较高可能是和米槠叶片的分解有关。

三维荧光光谱的腐殖化指数(HIX)可以用来表征DOM的腐殖化程度, HIX值越大表示DOM腐殖化程度越高, 结构越复杂^[22]。 本研究各处理渗滤液整体腐殖化指数偏低, 可能是由于植物种植年限较短, 凋落物和根系产生的腐殖质较少, 对渗滤液DOM腐殖化程度影响并不显著。 种植米槠和花榈木根箱, 土壤渗滤液DOM的HIX值显著高于未种树处理, 表明米槠和花榈木增加了渗滤液DOM的腐殖化程度, 这可能是米槠和花榈木等阔叶树种可以产生含有更多高度聚缩合芳香环的难分解物质, 进而提高土壤渗滤液DOM腐殖化水平^[38]。 本研究种植3种树种的土壤渗滤液DOM的HIX均高于未种树对照, 可能是由于种植幼苗的根箱土壤有植物叶片或根系归还, 形成了更较多易分解的、 亲水性低分子量化合物, 为微生物提供了更多可利用能量和养分的同时, 增加微生物残留物, 从而提高渗滤液DOM的腐殖化程度^{[39, 40]}。 本研究中三种荧光组分的贡献率无显著差异, 可能是由于树苗种植时间较短, 故不同根箱树种的DOM荧光组分未见差异。