米槠人促更新林与杉木人工林叶片及凋落物溶解性有机物的数量和光谱学特征

1 试验地概况

研究地位于福建省三明市陈大镇森林经营科技示范基地(26°19'N，117°36'E)，东南面和西北面分别与戴云山脉和武夷山脉相连;属中亚热带季风气候，年均气温19.1℃，年均降水量1749 mm，年均蒸发量1585 mm，相对湿度81%。区域土壤为粗晶花岗岩发育的红壤，厚度超过1 m。

米槠(Castanopsis carlesii)人促更新林形成时间36 a，海拔 335 m，坡度38°，林分密度为 2158株/hm2，平均胸径16.8 cm，平均树高13.7 m，细根生物量0.7 kg/m3;土壤表层(0—20 cm)的理化性质为:有机碳储量50.14 t/hm2，土壤容重1.21 g/cm3，全氮0.98 g/kg，全磷0.34 g/kg，土壤pH值4.3。米槠天然林经过强度择伐后天然更新，并在更新过程中人为去除其它林分形成的米槠人促天然更新次生林。主要林分有米槠、木荷(Schima superba)、东南野桐(Malloyus lianus)、灰木(Symplocos paniculata)等。灌木层以鼠刺(Itea chinensis)、毛叶冬青(Ilex pubilimba)、石栎(Lithocarpus glabra)等为主。草本层不发达，有鳞子莎(Lepidosperma labill)、狗脊蕨、扇叶铁线蕨等。

杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林形成时间37 a，海拔301 m，坡度30°，林分密度为2858株/hm2，平均胸径15.6 cm，平均树高18.2 m，细根生物量0.77 kg/m3;林分内土壤表层(0—20 cm)理化性质为:土壤有机碳储量51.76 t/hm2，土壤容重1.41 g/cm3，全氮 0.6 g/kg，全磷 0.52 g/kg，土壤 pH 值4.75。杉木人工林为1976年人促林皆伐后，营造人工纯林形成。杉木人工林为西北坡向，林冠单层，林下植被主要以狗骨柴(Tricalysia dubia)、毛冬青(Ilex pubescens)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)为主。

2 研究方法

2.1 样品采集

于2012年11月进行取样，此时为秋季，凋落量大，枯枝落叶层丰富［15］;且该月份降雨量为281 mm，达该年降雨量第2高(6月份最高，为292 mm)，此时温度也适中，更有利于探讨降雨淋溶对鲜叶和凋落物不同组分之间的差异。在米槠人促更新林和杉木人工林实验样地内，在上、中、下坡设3条平行于等高线的样线，每条样线上随机设10个25 cm×25 cm小样方，在凋落物层(0—5 cm)按未分解层(L层)和半分解层(F层)采集凋落物样品(L层和F层混合，没有明显界限);同时用高枝剪从东、西、南、北4个方向采摘与收集样方临近的米槠和杉木树冠中上部的鲜叶，带回室内。将每个林分的30个小样方的各分解层凋落物样品和鲜叶分别混匀，风干，去除矿质土。各样品分别取小样测定含水量，其余样品用于淋溶实验。

2.2 DOM的提取

样品DOM的提取采用水浸提法［11，16］。分别准确称取15 g干重样品，置于8个250 mL烧杯中，植物水比为1∶10，即加入150 mL超纯水混合。为了了解不同淋溶时间的差异性，8个烧杯内样品的浸提时间分别为3，6，9 h，…，24 h。烧杯内的上清液过 0.45 μm滤膜(压力为－0.09 MPa)，滤液中的有机物即为DOM。将待测滤液置于生化培养箱中保存(4℃，且保存时间不超过1 d)用以分析。每种样品3次重复。

2.3 DOC，DON和DOP含量的测定

采用岛津TOC－VcPh有机碳分析仪测定样品DOC含量;采用连续流动分析仪(Skalar San++)测定DON和DOP含量，DON是溶解性总氮和总无机氮的差减法，DOP是溶解性总磷和磷酸盐的差减法求得［17－18］;由于采用连续流动分析仪在测定过程中有消解功能，所以样品测定前无需做消解等其他处理。

2.4 光谱分析

紫外可见吸光值用UV－2450(岛津)紫外可见光谱仪测定，通过检验待测液254 nm处吸收值(Special Ultraviolet－Visible Absorption，SUVA)来分析其芳香化程度［19］。SUVA也叫芳香性指标(Aromaticity Index，AI)［20］，计算方法为:(UV254/DOC)·100［21－22］。

荧光光谱用日立F4600仪器测定(激发和发射光栅的狭缝宽度都为10 nm，扫描速度为1200 nm/min，激发波长254 nm，发射波长范围为300—480 nm)，主要确定腐殖化指标(HIX)、相对荧光强度(RFI)、荧光强度最大值(Fmax)等。荧光发射光谱中(∑435—480 nm)区域与(∑300—345 nm)区域的峰面积比值认为是腐殖化指标［1，4］;用DOC含量将其荧光强度标准化后得到相对荧光强度值［4，23］。为了提高灵敏度，去除碳酸盐，荧光光谱测定前所有待测溶液的pH值用2 mol/L盐酸调成2［20］;由于荧光物质在高浓度时会发生荧光猝灭，高浓度样品的荧光图谱荧光峰数量少而且荧光强度低，所以在光谱分析前，样品 DOC 浓度应调为10 mg/L［24］。

用FTIR光谱仪(Nicolet Magna FTIR 550)分析红外光谱，将1 mg冷冻干燥的样品与400 mg干燥的KBr(光谱纯)磨细混匀，在10 t/cm2压强下压成薄片并维持1 min，测定并记录其光谱;波谱扫描范围为 4000—400 cm－1。

2.5 数据处理与分析

利用SPSS 17.0进行数据分析:采用方差分析和LSD比较不同林分，不同组分或不同淋溶时间间DOM数量和性质的差异性(P＜0.05)。相关图表制作在Excel中完成。

3 结果与分析

3.1 不同淋溶时间后DOM的含量变化

如图1所示，米槠人促更新林的L层凋落物释放的DOC含量在24 h内表现出先上升后下降的趋势，而米槠人促更新林鲜叶和F层凋落物均表现出不断(波动式)上升的趋势;不同淋溶时间之间的平均DOC含量为L层(1539.2 mg/kg)＞F层(1508.9 mg/kg)＞鲜叶(1343.4 mg/kg)。杉木人工林的鲜叶、L层和F层凋落物的DOC含量则是先上升后明显下降最后又轻微上升，它们的平均值为:鲜叶(2060.3 mg/kg)＞L层(1682.4 mg/kg)＞F层(1260.9 mg/kg)。在米槠人促更新林中，L层凋落物的反吸附现象最明显;而杉木人工林中，鲜叶的反吸附最明显，但反吸附之后又跟随着DOC的释放。24 h后米槠人促更新林3种样品淋溶出的总的DOC量(6414.7 mg/kg)略高于杉木人工林(6219.5 mg/kg)。

两林分中，鲜叶淋溶的DON含量明显低于凋落物层，表明N元素在鲜叶中不易被释放(图1)。米槠人促更新林凋落物的平均DON含量为L层＞F层，但到24 h后，L层的含量却低于F层凋落物，这主要是F层的反吸附造成的。杉木人工林凋落物的平均DON含量为L层＜F层。

样品的DOP含量明显低于DOC和DON，米槠人促更新林和杉木人工林分别在0.2—10.5 mg/kg和0.1—1.1 mg/kg间变动(图1)。两林分中都是L层凋落物淋溶出的DOP的量最多。米槠人促更新林鲜叶的DOP的淋溶量最小，而在杉木人工林F层凋落物最小。

3.2 淋溶DOM的SUVA值

两林分SUVA值均表现为:F层＞L层＞鲜叶，两林分内的鲜叶和L层凋落物的SUVA较接近(图2)，表明F层的芳香性化合物含量显著高于L层和鲜叶。米槠人促更新林F层和L层凋落物的SUVA在淋溶21 h后达到最大值，随后下降;米槠人促更新林鲜叶和杉木人工林F层凋落物随着淋溶时间增加有轻微的上升;杉木人工林鲜叶和L层凋落物在淋溶过程中亦呈现先上升后下降的趋势(图2)。同一种样品不同淋溶时间之间差异性不显著(P＞0.05)。

3.3 淋溶DOM的荧光光谱分析

源于荧光发射光谱的腐殖化指标(HIX)用于确定DOM的腐殖化程度，它不仅能描述芳香化合物的含量，还可以反应DOM的分子结构，如π－π共轭体系的大小［1，23］。同一林分内DOM的HIX大小表现为:F层＞L层＞鲜叶(图3)，说明由鲜叶到L层再到F层凋落物，其腐殖化程度不断升高。随着淋溶时间增加，F层凋落物的HIX呈现轻微的波动上升，鲜叶和L层变化不大。米槠人促更新林各分解层的HIX高于杉木人工林，表明其DOM内含有较多腐殖化物质。

图1 淋溶过程中DOC，DON和DOP含量的变化Fig.1 The DOC，DON and DOP cotent of DOM during leaching

图2 淋溶过程中溶解性有机物的紫外吸收值Fig.2 SUVA of DOM during leaching

图3 淋溶过程中溶解性有机物腐殖化指标Fig.3 HIX of DOM during leaching

同一种样品不同淋溶时间得到的DOM呈现一个相似的峰形，图4为淋溶24 h后的相对荧光光谱图，两林分的RFI均表现为F层大于鲜叶和L层，米槠人促更新林F层凋落物的RFI大于杉木，但鲜叶和L层凋落物略小于杉木人工林。同一种样品不同淋溶时间的DOM荧光强度最大值(Fmax)变化不大;但同一林分内按照鲜叶到L层到F层凋落物的顺序，其荧光强度最大值对应的波长由短波向长波移动(图4);表明由鲜叶到L层到F层凋落物，其电子共轭体系的增大，亦即含有更多的高分子量化合物和更复杂的结构［23］。

图4 淋溶24 h后溶解性有机物的荧光发射光谱图Fig.4 Fluorescence emission spectra of DOM after leaching for 24 h

3.4 淋溶DOM的傅里叶变换红外光谱分析

红外光谱分析应用于DOM的结构和官能团检测，可以提供大量准确信息。除米槠鲜叶的前2次淋溶液的红外吸收和后6次淋溶液的红外吸收有明显差异外，其余样品不同淋溶时间得到的DOM的红外吸收都较相似，为了简洁和便于比较，图5仅画出了两林分6种样品淋溶24 h后的红外光谱图。所有的谱图都在3758—3058 cm－1有一个强而宽的吸收峰，这是H键键合的—OH的伸缩振动的特征吸收，这个宽峰同时也掩盖了芳香环上C—H的伸缩振动;1630—1600 cm－1(苯环的C=C的振动)和690—600 cm－1(苯环面外弯曲振动)可以证明芳香类物质的存在;1420—1400 cm－1归属于羧酸O—H弯曲振动;1080—1020 cm－1是C—O不对称伸缩振动，表明烷氧类物质或者羧酸的存在［11，16，23，25］。

对于米槠人促更新林，由鲜叶到L层再到F层凋落物，其在690—600 cm－1的吸收的相对比例逐渐增大，说明苯环类物质含量增加且结构也越来越复杂;另外，在3758—3058 cm－1强吸收峰上伴有一个弱吸收(2923 cm－1附近)，这是饱和脂肪族C—H键的伸缩振动。杉木人工林F层的1080—1020 cm－1和690—600 cm－1两个吸收带比L层凋落物略向低频方向移动，这是共轭体系增大的表现;F层的1630—1600 cm－1和1420—1400 cm－1两个吸收带所占的比例比L层凋落物高，表明芳香类、羧酸类物质的增加。总体上，杉木人工林DOM在1420—1400 cm－1的吸收比例小于米槠人促更新林的DOM，即羧酸类物质更少。

图5 淋溶24 h后DOM的红外光谱图Fig.5 FTIR spectra of DOM after leaching for 24 h

4 讨论

4.1 淋溶过程中DOM含量的变化和比较

米槠鲜叶和L层凋落物的DOC含量分别低于杉木鲜叶和L层凋落物，但F层凋落物的DOC含量为米槠人促更新林较高;米槠人促更新林中的样品的DON和DOP含量都大于杉木人工林的同种样品。这与两树种的叶片质量及结构差异有关;说明米槠人促更新林样品释放的DOM的C/N，C/P比例更低，更有利于养分的积累。样品在不同淋溶时间下得到的DOM含量的平均值可以大致反映这种样品释放DOM的能力;除杉木人工林L层DON含量略低于F层外，两林分的DOC，DON和DOP平均含量总体表现为L层＞F层(图1)，这和杨玉盛等［7］对格氏栲和杉木两林分不同分解层凋落物进行研究的结论相似;郭剑芬等［15］对木荷与杉木人工林枯枝落叶层有机碳含量的研究也指出:两种林分不同分解层次DOC含量顺序皆为:未分解层大于半分解层。在温带地区的研究结果也呈现相同的规律，例如Kiikkilä等［26］对德国白桦和云杉林分不同分解层研究发现，两林分DOC含量均为L层＞F层。这是由于L层凋落物还未被分解养分较富集，而F层凋落物随着分解程度的增加养分被分解而本身被淋溶出来的量下降。鲜叶和凋落物层的DOM含量相比较，除杉木人工林DOC和DOP含量表现为鲜叶较大外，其余情况均表现为L层和F层凋落物大于鲜叶(图1)，Kiikkilä等［27］研究也显示腐殖质层凋落物 DON含量大于植物鲜叶;所以鲜叶虽然含有的养分较多，但是能淋溶出来的较少。同时，本文研究的杉木人工林鲜叶DOM含量和德国云杉林较相近［27］，其余则略有差别，表明亚热带地区和温带地区由于林分本身特性、气候和立地条件等综合因素使得阔叶树和针叶树的不同分解层DOM含量各异。

从不同淋溶时间上看，不同样品的DOM含量随着淋溶时间的增加，呈现先上升后下降，或者有波动的上升趋势。这与李忠佩等［28］对土壤不同浸提时间的研究结果相似。DOM含量不升反降，说明淋溶过程中溶解性组分一定被反吸附了;因为在本文的研究时间(24 h)内，DOM的矿化或挥发可忽略不计。因此，DOM的释放、反吸附共同控制着DOM的含量。

L层和F层凋落物在不同淋溶时间后DOM含量呈显著差异性(P＜0.05);两林分的鲜叶除DOC含量在不同淋溶时间后差异性极显著外(P＜0.01)，DON和DOP含量差异性不明显(P＞0.05)。说明延长淋溶时间对不同样品的不同溶解性组分的影响程度不同。

4.2 淋溶DOM的光谱学特征

紫外可见光谱数据(图2)显示，两林分中均是F层凋落物的SUVA最高，表明其含有的芳香类物质最多。米槠人促更新林L和F层凋落物在淋溶21 h后达到最大值随后下降，杉木人工林的鲜叶和L层凋落物在15 h后达到最大值随后下降，表明在这两个临界点之后芳香类物质的相对比例下降了。然而SUVA最大值和DOC含量最大值并不一定同时出现，比如米槠人促更新林F层凋落物在21 h后的DOC含量仍继续升高，但是此时的SUVA已开始下降;芳香类物质相对更加容易被反吸附，以及非芳香类物质的继续释放是出现这一现象的最主要的原因［10］，在土壤中芳香类物质更容易被吸附。

HIX既能反应芳香类物质的含量，又和分子内部的荧光跃迁的难易相关。比较图2和图3可知，在表征样品的分解程度方面，HIX比SUVA更加灵敏，区分度更高。米槠人促更新林的各样品的HIX值均大于杉木人工林的同类样品(图3)，说明阔叶树较针叶树含更多的高分子量化合物。芳香类物质增多只是植物分解的一个体现，此过程中还伴随着分子内部结构的变化。通过淋溶DOM的荧光光谱特征(图4)发现，两林分的Fmax值由鲜叶到L层到F层凋落物逐渐增大，对应的波长由短波向长波转移，表明随着分解程度的增加，DOM中共轭体系逐渐增大，亦即荧光能级之间的跃迁更加容易［23］。

米槠鲜叶的前2次淋溶液的红外吸收仅有两个弱吸收带，和后面的6次淋溶液的红外吸收有明显差异，这说明较短的淋溶时间内米槠鲜叶中的养分不易被淋溶出来，这和上述DON、DOP的含量的结论一致。两林分6种样品的红外光谱显示了5个相似的吸收谱带，这一方面是由于分子内部只有产生偶极矩变化的振动或转动才有红外吸收，另一方面也显示了样品之间DOM结构的相似性［23］。周江敏等［16］发现土壤DOM红外强吸收峰出现在:3500—3300 cm－1和 1080—1020 cm－1处，弱吸收峰在2950—2900 cm－1和 1630—1600 cm－1处;表明土壤DOM和地上凋落物的DOM结构差异还是较大，地上部分的DOM输入到土壤中后其结构会发生一系列变化。同一林分内3种样品之间的红外吸收的差异亦证明了鲜叶到L层凋落物再到F层凋落物，其芳香类物质含量逐渐升高，共轭体系变大，这和SUVA、HIX的规律吻合。最强的红外吸收来自于H键键合的—OH的伸缩振动的特征吸收，表明酚类、醇类或者羧酸类物质的比例相对较高，这类物质恰恰最容易在矿质土壤表面发生吸附，也容易聚合成为超分子化合物。

5 小结

浸提初期针叶树会释放更多的DOC，但24 h之后却是阔叶树释放的DOC略多。整个淋溶过程中阔叶树DOM的养分含量更多，结构更复杂;这一方面为微生物提供了更多的养分，另一方面又增加了底物分解的难度。由于叶片和凋落物淋溶后的DOM大部分会进入土壤，本文的结论可为今后研究不同来源的DOM在土壤中的吸附、解吸附提供参考;同时，这些DOM在土壤中的物理化学过程直接影响着土壤呼吸速率和微生物活性，因此采取合适的分析手段分析DOM在土壤中的迁移、转化应是未来研究的课题之一。

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