引用本文
张新源, 李艳, 魏丹, 谷佳林, 金梁, 丁建莉, 胡钰, 张馨元, 杨华薇. 植被覆盖下坡面降雨径流对土壤DOM荧光特性的影响[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(6): 1921-1926.
ZHANG Xin-yuan, LI Yan, WEI Dan, GU Jia-lin, JIN Liang, DING Jian-li, HU Yu, ZHANG Xin-yuan, YANG Hua-wei. Effect of Rainfall Runoff on DOM Fluorescence of Soil on a Typical Slope Under Vegetation Cover[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(6): 1921-1926.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)06-1921-06  
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植被覆盖下坡面降雨径流对土壤DOM荧光特性的影响
张新源1, 李艳2, 魏丹1,2,*, 谷佳林2, 金梁2, 丁建莉2, 胡钰1, 张馨元1, 杨华薇1
1. 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
2. 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所, 北京 100097
*通讯作者 e-mail: wd2087@163.com

作者简介: 张新源, 1995年生, 东北农业大学资源与环境学院硕士研究生 e-mail: 1054288796@qq.com

收稿日期: 2022-02-22 修回日期: 2022-12-01
基金: 科技基础资源调查专项(2021FY100406), 北京市农林科学院科技创新能力建设专项(KJCX20200801), 北京市农林科学院青年科研基金项目(QNJJ202132), 国家重点研发计划项目(2019YFD1100304), UNDP项目(cpr/19/401), 北京学者计划市财政项目资助
摘要

当前水土流失问题严重, 侵蚀环境下土壤生态系统的健康至关重要, 而植被覆盖具有固碳保水的作用, 利用人工径流设备与人工降雨设备, 在6°有无植被种植坡地模拟降雨(暴雨: 50 mm·h-1), 结合三维荧光光谱技术耦合平行因子法, 分析土壤不同坡位径流液中的溶解性有机质(DOM)的来源和组分结构, 探究DOM对土壤固碳保水的响应关系。 结果表明: ①与裸地相比, 植被覆盖下不同坡位DOM中泥沙含量、 可溶性碳(DOC)含量呈现相同的变化趋势: 地上径流>壤中流>地下径流; 土壤侵蚀量和径流量的变化趋势分别为: 壤中流>地下径流>地上径流, 地下径流>壤中流>地上径流。 ②根据荧光指数分析, FI与BIX的表征结果基本一致, 地上径流DOM来源受内源物代谢影响最大, 其次是壤中流, 地下径流影响最小, 植被覆盖与裸地相比腐殖化来源由内源转变为内源、 外源共同作用。 腐殖化系数(HIX)与径流液腐殖化程度成正相关关系, 植被覆盖下的HIX指数大于裸地的HIX指数, 表明径流液腐殖化程度地上径流>壤中流>地下径流, 因此植被覆盖可以提高径流液腐殖化程度。 ③平行因子分析表明, 不同径流液DOM包括4种荧光组分: 类胡敏酸(C1: Ex/Em=260/455 nm)、 紫外类富里酸(C2: Ex/Em=240/395 nm)、 类色氨酸(C3: Ex/Em=230~275/335, 230~275/400 nm)及类酪氨酸(C4: Ex/Em=215/395 nm)。 ④对不同处理荧光强度与 Fmax值分析发现, 有植被覆盖处理的 Fmax值均大于裸地, C1、 C2和C4组分的 Fmax值变化趋势一致: 地上径流>壤中流>地下径流, C3组分的 Fmax值变化趋势: 地上径流<壤中流<地下径流。 植被覆盖影响土壤中类胡敏酸和类蛋白质物质, 对土壤侵蚀起到保护作用, 保护幅度: 地上径流>壤中流>地下径流。 ⑤相关分析表明径流量、 侵蚀量、 泥沙含量相互呈正相关, 而C1和C4组分与径流量和侵蚀量呈显著负相关。 基于此, 根据坡面降雨径流DOM荧光光谱特性, 植被覆盖通过改变土壤中的有机质组分, 类胡敏酸和类蛋白质物质的稳定性和含量对土壤固土保水有重要作用。

关键词: 坡面径流; 溶解性有机质; 荧光光谱; 平行因子分析
中图分类号:S157.1 文献标志码:A
Effect of Rainfall Runoff on DOM Fluorescence of Soil on a Typical Slope Under Vegetation Cover
ZHANG Xin-yuan1, LI Yan2, WEI Dan1,2,*, GU Jia-lin2, JIN Liang2, DING Jian-li2, HU Yu1, ZHANG Xin-yuan1, YANG Hua-wei1
1. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China
2. Institute of Plant Nutrition, Resources and Environment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China
*Corresponding author
Abstract

Vegetation covers can do well in carbon sequestration and water retention. In this paper, we used artificial runoff and artificial rainfall equipment to simulate rainfall (storm: 50 mm·h-1) on a 6° slope with or without vegetation planting. In this case, combined with the 3DEEM-PARAFAC method, the source and component structure of runoff liquid (Dissolved Organic Matter, DOM) at different slope locations are analyzed to determine the relationship between DOM and the carbon and water sequestration effect of the soil. The results showed that: ① Compared with bare ground, the reduction of sediment concentration and (Dissolved Organic Carbon, DOC) of the vegetated surface is consistent: overland runoff>through runoff>subsurface runoff. Besides, the rank of the reduction of soil erosion is through runoff>subsurface runoff>overland runoff. Compared with bare ground, the rank of runoff reduction of the vegetated surface is: subsurface runoff>through runoff>overland runoff. ②According to the analysis of the fluorescence index, the results of FI and BIX characterization are the same. The source of DOM is influenced by the metabolism of the endogenous material: overland flow>through runoff>subsurface runoff. Compared with the humus source of bare land, the humus source of the vegetated surface changed from endogenous material to the combination of endogenous material and allothigene. The HIX index under vegetation covers is higher than that of bare land, and the degree of humification of runoff fluid is overland flow>through runoff>subsurface runoff. ③By parallel factor analysis, different runoff fluid DOM included four fluorescence components: humic acid-like ( C1: Ex/Em=260/455 nm), UV fulvic acid-like (C2: Ex/Em=240/395 nm), tryptophan-like (C3: Ex/Em=230~275/335 nm, 230~275nm/400 nm) and tyrosine-like (C4: Ex/Em=215/395 nm). ④The analysis of fluorescence intensity and Fmax values of different treatments showed that the Fmax values of the treatment with vegetation cover were all greater than those of the bare land. The Fmax values of C1, C2 and C4 components showed the same trend: above-ground runoff>soil flow> underground runoff. The Fmax values of C3 components showed the trend: above-ground runoff<soil flow<underground runoff. Vegetation covers/covered affected the humic acid and protein-like substances in soil, and played a protective role in soil erosion. The protection range was: above-ground runoff>in-soil flow>subsurface runoff. ⑤ Runoff, erosion, and sediment concentration are positively correlated, while C1 and C4 components are significantly negatively correlated with runoff and erosion. Based on this, according to DOM fluorescence spectrum characteristics of slope rainfall-runoff, vegetation coverage can change organic matter components in soil, which provides the theoretical basis for the healthy development of soil ecosystems in the eroded environment. Moreover,it also indicates that the stability and content of humic acid and protein-like substances play an important role in soil consolidation and water retention.

Keyword: Slope surface runoff; Dissolved organic matter; Fluorescence spectra; Parallel factor analysis
引言

土壤可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)是土壤有机质中最活跃成分[1], 是土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)的很少的一部分[2], 其对研究碳循环有着重要意义[3]。 目前, 国内外学者对土壤侵蚀研究多集中于坡面径流对土壤分离及转移运输过程的影响上[4], Xiao等[5]通过室内模拟降雨表明, 有植被覆盖较裸地相比减少了径流和土壤有机碳流失。 李程遥等[6]研究发现, 径流短期内使溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)浓度和腐殖化程度显著升高, 生物可利用性降低, 径流过后DOM浓度逐渐下降, DOM腐殖化程度和生物可利用性不断升高。

土壤DOM通过径流、 淋溶等方式成为水体DOM的一部分, 植被覆盖可以影响土壤有机碳的流失[7], 因此本文对植被覆盖条件下土壤径流DOM的结构和来源、 土壤固碳保水原理进行研究。 本研究利用人工径流设备, 在模拟人工降雨(大雨: 50 mm· h-1)条件下, 结合三维荧光光谱技术和平行因子分析法[8]研究土壤不同位置径流液中DOM的荧光结构和特性, 并分析径流指标与DOC荧光组分的相关性, 明确植被覆盖对土壤径流液中DOM与固碳保水的相互关系, 为侵蚀环境下土壤生态系统的健康发展提供理论依据。

1 实验部分
1.1 材料

土壤样品采集于北京市密云区黑山寺村林下经济示范田, 土壤类型为典型褐土, 基础理化指标见表1。

表1 土壤的基础理化指标 Table 1 Basic physicochemical indicators of soils
1.2 方法

1.2.1 试验处理

实验在北京市农林科学院温室进行。 将土壤过10 mm筛后除去杂草和石块, 装满栽培槽, 并压实, 填土厚度为30 cm。 共设置6个处理见表2, 每个处理3次重复。 在3个装置中种植杂草, 覆盖率达到90%以上, 生长周期为2个月, 其他3个装置去除杂草, 保持裸地状态。 在杂草营养生长茂盛期进行实验。

表2 试验处理 Table 2 Experimental treatments

图1 径流设备与降雨装置Fig.1 Runoff equipment and rainfall devices

1.2.2 降雨系统

试验采用人工模拟降雨系统设备(西安清远生产的QYJY-501设备), 设备高3.0 m、 长3.0 m、 宽1.8 m。 装置包括压力侧喷式喷头, 喷头角度设置与地面平行(180° )用来模拟降雨; 降雨强度通过控制3组喷头(喷头孔径分别为1.0、 2.0和3.0 mm)和供水压力来调节; 通过控制喷嘴的孔径和水压调节改变降雨强度。 设备降雨范围0~200 mm· h-1, 精度为0.01 mm· h-1, 降雨系数均大于80%, 设备可调节压强、 雨量、 雨强, 同时记录数据。 通过调节阀可控制设备坡度, 长2.8 m、 宽0.3 m、 高1.5 m, 栽培面积为2.0 m× 0.3 m× 0.3 m。 栽培槽前端有三个直径为5 cm的PVC管连接大径流桶, 分别收集地表径流、 壤中流、 地下径流。

降雨量控制在50 mm· h-1, 降雨时间5 min, 坡度设置为6° , 每次试验开始前24 h在坡面上用雨强15 mm· h-1进行预降雨, 直到坡面产生径流为止, 以消除前期含水量不同给试验结果带来的影响[9]。 重复3次降雨, 同时用收集桶收集不同处理的径流液。

1.3 测定指标和方法

测定径流量和侵蚀量, 同时测定径流液中的泥沙含量。 避光保存100 mL径流液, 置于4 ℃冰箱内冷藏用于实验分析。 测定径流液养分和泥沙含量时采用常规化学方法[10], 过滤径流液分离出泥沙, 在105 ℃烘箱中烘干称重。

1.4 荧光特性的测定

径流液过0.45 μ m的滤膜, 上机测定(Multi N/C 3100)DOC浓度; 所有样品的DOC浓度调至15 mg· L-1, 三维荧光光谱用荧光光谱仪(日立F-7000)测定, 激发波长(Ex)和发射波长(Em)的扫描范围均为200~600 nm, 带宽5 nm, 扫描速度为1 200 nm· min-1[8]。

1.5 数据处理

应用Matlab 2011软件及origin 2016进行三维荧光图谱绘制与平行因子分析; 利用origin 2016计算FI指数、 腐殖化系数(humification index, HIX)值和BIX指数[8]; 应用SPSS 19.0对数据进行方差分析和相关性分析。

2 结果与讨论
2.1 土壤不同径流中径流量、 侵蚀量、 DOC分析

如表3可以看出, 植被覆盖可减少径流的产生, 与裸地相比, 植被覆盖地下径流、 壤中流、 地上径流分别减小42.58%、 29.72%、 27.07%。 与裸地相比, 植被覆盖下土壤径流量、 侵蚀量减小程度一致: 地上径流和壤中流的减少程度大于地下径流, 这与Eshghizadeh[11]的结果一致, 植被覆盖度与径流量、 土壤侵蚀量成线性关系。 植被覆盖显著减少了土壤泥沙含量和养分流失, 植被覆盖下土壤有机碳均高于裸地[12]。 与裸地相比, 植被覆盖下泥沙含量、 DOC含量减小程度一致, 均表现为: 地上径流> 壤中流> 地下径流(减少程度为地上径流: 37.86%、 壤中流: 31.79%、 地下径流: 23.84%), 表明植被覆盖下各处理泥沙含量与DOC含量呈线性减少, 有无植被覆盖的变化很大程度上影响了土壤的保水能力(径流量、 泥沙量)、 土壤侵蚀程度(侵蚀量、 DOC); 有植被覆盖与裸地相比, 所产生的土壤侵蚀越少, 有机碳流失也会减少。

表3 不同试验处理间径流和侵蚀特征 Table 3 Runoff and erosion characteristics between different experimental treatments
2.2 土壤不同径流过程中荧光指数分析

采用FI、 BIX和HIX表征不同径流液中DOM的来源特征和腐殖化程度, 见表4。 FI反映腐殖质来源, BIX反映自生源有机质在所测物质中的相对含量, HIX表征有机质腐殖化程度[13]。

表4 土壤径流荧光指数表 Table 4 Soil runoff fluorescence index table

除TR1处理外, 其他处理FI均小于1.9, 表现出DOM受外源物质和内源物质的综合影响, TR1处理DOM表现出受内源性代谢产物的影响。 DOM来源受内源物代谢影响坡面径流> 壤中流> 地下径流, 植被比裸地处理腐殖化来源由内源转变为内源、 外源共同作用。 植被生长通过根系作用对土壤碳固定同时对土壤有机质提升有积极作用, 由此体现出内源作用, 同时大雨对坡面径流影响大于地下径流。

不同径流液DOM的BIX值均大于0.8, 腐殖质表现较强的自生源特征, 其中TR2和SR2处理大于1.0, 表现出强烈的自生源特征, 与FI表征结果基本一致。 但植被对腐殖质自生源的影响更为强烈, 且坡面径流> 壤中流> 地下径流。 植被通过根系的作用对水分调控和土壤碳库的迁移都起到重要作用, 微生物代谢能力的提升和团粒结构的形成, 都是径流DOM自生源表现强烈的原因, 同时植被的生长可以提高生物活动内生源的产生。

从有机质腐殖化程度分析, 不同径流液DOM的HIX值均属于弱腐殖质特征(1.5< HIX< 3.0), SR2处理5< HIX< 6, 属于强腐殖质特征和重要的陆源有机质。 腐殖化程度有植被大于裸地, 且坡面径流> 壤中流> 地下径流, 与BIX值表征结果一致。 DOM的HIX值与土壤腐殖化程度呈正相关, 因此植被覆盖能提高土壤有机质含量, 且不同土壤深度对土壤固碳能力不同, 随土层深度的加深径流DOM的腐殖化程度越高。

2.3 平行因子分析

研究不同径流DOM荧光数据, 同时进行平行因子分析, 共得到4个荧光组分。

C1组分包含1个激发峰和1个发射峰, 代表了类胡敏酸(Ex/Em=260/455 nm), Nie等[14]研究中类胡敏酸含有多环芳烃和苯环, 且与木质素降解有关。 属于腐殖质类物质, 对应传统意义上的Peak F。

C2组分包含1个激发峰和1个发射峰, 代表紫外光区类富里酸(Ex/Em=240/395 nm)。 Zhang等[15]研究表明类富里酸与腐殖质结构中羟基和羧基官能团有关, 分别对应传统意义上的类Peak C。 一般来说Peak C生物可降解性较高, 光化学性良好, 拥有较高的荧光效率, 易被氧化分解, 属于类腐殖酸, 所以其代表的物质主要源于相对分子质量较小的有机物, 常指示外源物质的输入。

C3组分包含2个激发峰和1个发射峰, 均指示类色氨酸(Ex/Em=230~275/335, 230~275/400 nm), 有研究表明[16]类色氨酸是微生物降解的溶解性代谢产物, 易使酪氨酸发生能量转移, 对荧光峰产生较大影响。 类蛋白质组分中包括类色氨酸, 与DOM中的芳环氨基酸结构有关, 用来指示完整的蛋白质, 可能是来源于一部分微生物产生的酶或生物残体中的蛋白质。

组分C4包含1个激发峰和1个发射峰, 指示类酪氨酸物质(Ex/Em=215/395 nm), 对应传统意义上的Peak B。 属类蛋白质。 Xu和Jiang[17]研究结果表明, 类酪氨酸分子量小, 比类色氨酸更容被降解, 与DOM中微生物降解产生的芳香性蛋白质类结构有关。

综上所述, 不同处理径流液DOM荧光组分为: 类胡敏酸、 类富里酸(紫外类富里酸)、 类蛋白质(类酪氨酸)及类蛋白质(类色氨酸)。

2.4 土壤径流DOM荧光组分荧光强度

对DOM不同组分的Fmax值和相对百分比进行分析, 如图2。 4种荧光组分的相对百分比变化趋势同Fmax值变化趋势一致, C1、 C2和C4组分坡面径流> 壤中流> 地下径流, 有植被大于裸地。 C3组分坡面径流< 壤中流< 地下径流, 有植被大于裸地。

图2 不同处理的荧光组分光谱图Fig.2 Spectra of fluorescence components of different treatments

图3 不同处理荧光强度与Fmax值分析Fig.3 Analysis of fluorescence intensity and Fmax values of different treatmentsv

C1组分Fmax值最高, C2组分次之, 类胡敏酸和类富里酸都属于类腐殖质组分, 说明径流液DOM主要组分以腐殖质类物质为主, Fmax值较高, 也和C1组分中含有较多的芳香环和苯环相关。 C2组分坡面径流> 壤中流> 地下径流, 类富里酸主要以紫外类富里酸为主, 此类物质易受光的影响, 所以, 随着土层的加深, Fmax值逐渐增大。 C4组分作为类蛋白质物质中的类酪氨酸, 分子量更小, 但所占相对百分比较小, 可能与土壤内微生物代谢相关。 C3组分是类蛋白质物质中的类色氨酸, 变化趋势同其他组分相反, 类色氨酸作为微生物降解产生的代谢产物, 且多数处于游离状态, 这可能与植物种植有密切关系, 植被的作用增加了土壤中微生物群落多样性, 同时增加了微生物代谢。 所以随土层加深, 类色氨酸Fmax值逐渐降低, 且有植被覆盖大于裸地处理。

2.5 荧光指数与径流指标相关性分析

表5显示, 径流量和侵蚀量呈正相关, 侵蚀量与泥沙含量呈显著正相关, 这与很多学者[18]研究结果一致。 DOC含量主要与径流量呈正相关, 主要是因为径流量的大小会引起泥沙量的变化, 同时导致水体中DOC含量的变化。 C1组分作为荧光组分中含量最多的物质, 与径流量呈显著负相关, 与径流液中DOC含量呈负相关, C4组分作为荧光组分中含量最少的物质, 对侵蚀量呈显著负相关, 与径流量和泥沙量呈负相关。 由此可以看出, 径流液中的DOM主要受类胡敏酸物质的影响, 其中类胡敏酸物质是纤维素降解的代谢产物, 由此可以说明, 植被的有无是影响径流液中DOM变化的主要原因之一。 C4组分作为类蛋白物质, 但对侵蚀指标影响都比较大, 可以通过影响径流量、 侵蚀量、 泥沙量对DOM产生影响。 因此, 植被覆盖对坡面土壤的侵蚀保护作用有重要意义。

表5 不同处理相关性分析 Table 5 Correlation analysis of different treatments
3 结论

(1)与裸地相比有植被能够减缓坡面径流与地下径流的径流量、 侵蚀量、 泥沙含量、 DOC含量, 地上径流、 壤中流、 地下径流均呈现减小趋势, 有植被起到了固定作用。

(2)FI、 BIX、 HIX表征结果一致, DOM主要受内源物代谢影响, 坡面径流> 壤中流> 地下径流, 腐殖化程度有植被大于裸地。

(3)不同处理径流量DOM荧光组分为: 类胡敏酸、 类富里酸(紫外类富里酸)、 类蛋白质(类酪氨酸)及类蛋白质(类色氨酸)。

(4)荧光组分的相对百分比变化趋势同Fmax值变化趋势一致, C1、 C2和C4组分坡面径流> 壤中流> 地下径流, 有植被大于裸地。 C3组分坡面径流< 壤中流< 地下径流, 有植被大于裸地。 且DOC与C1和C2组分呈负相关, C4组分对侵蚀指标影响最大, 呈负相关关系。

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