黄土丘陵区不同植被下土壤可溶性有机物的荧光特征研究

王玉涛, 石 辉*, 刘雄飞, 昝 利, 武云飞, 郑纪勇

(1西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055; 2中国科学院水利部水土保持研究所， 陕西杨陵 712100)



黄土丘陵区不同植被下土壤可溶性有机物的荧光特征研究

王玉涛1, 石 辉1*, 刘雄飞1, 昝 利1, 武云飞1, 郑纪勇2*

(1西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055; 2中国科学院水利部水土保持研究所， 陕西杨陵 712100)

【目的】土壤水溶性有机质的组成和结构是土壤质量的重要判别指标，具有重要的生态意义。研究黄土丘陵地区不同植被下土壤水溶性有机物的数量和荧光结构特征，可以为该地的植被修复及土壤质量评价提供科学依据。【方法】利用传统荧光和三维荧光技术，选取激发发射荧光光谱、 同步荧光光谱得到的腐殖化指标对土壤水溶性有机物的来源和结构进行评估，通过三维荧光技术探究不同植被下土壤水溶性有机物之间组分的差异。【结果】辽东栎(Quercus liaotungensis)和油松林(Pinus tabulaeformia)地具有较高的水溶性有机物含量，含量均为0.16mg/g; 而荒坡地和农地的水溶性有机物较低,分别为0.04和0.05mg/g，灌木荆条(Vitex negundo var. heterophylla )和狼牙刺(Sophora viciifolia)林地的含量介于两者之间。发射激发荧光光谱、 同步荧光光谱以及三维荧光光谱表明土壤水溶性有机物大多来源于植物和微生物的混合作用; 油松林地的水溶性有机物结构较简单、 腐殖化程度较低; 而灌木林地的水溶性有机物结构较为复杂、 腐殖化程度较高。从不同植被下土壤水溶性有机物的组成来看，蛋白类的物质差异不明显; 油松和辽东栎林地土壤水溶性有机物的类酪氨酸蛋白质、 类色氨酸蛋白质、 类溶解性微生物代谢产物含量较高，灌木林地较低。最主要的差异是富里酸类和胡敏酸类物质，油松林地的水溶性小分子量的富里酸类物质占主导地位，而灌木林地的水溶性有机物芳香化程度较高，农地和抛荒地类富里酸物质和类胡敏酸类物质含量的比值最低，其水溶性腐殖质的缩聚度高。油松、 辽东栎林地水溶性有机物由于植物残体分解形成的富里酸较易被氧化,同时阴坡林地较高的含水量使得这些产物较难缩合; 而灌木林地和农田及荒地较为干旱，枯枝落叶少，腐殖酸有充分时间进行缩合，导致了水溶性有机物的高芳香化和腐殖化。【结论】不同植被下的土壤水溶性有机物的组成和结构是存在差异的，同时说明荧光技术可用于揭示水溶性有机物的组成和缩合特性研究。

植被; 土壤水溶性有机质; 荧光特性

一般认为，土壤水溶性有机物主要来源于落叶和根系分泌物、 土壤有机物的水解以及土壤微生物的代谢产物，因此土壤水溶性有机物的含量、 组成和结构反映了成土过程中地表植被的影响[7]，以及施肥管理的效应[8-9]。水溶性有机物一般由碳水化合物、 长链脂肪族化合物和蛋白质组成[10]; 但不同植被类型下，凋落物化学组成不同会导致土壤水溶性有机物存在明显的差异[11]。由于土壤水溶性有机物中包含几种不同的荧光基团，因此可以利用荧光特性了解其结构、 官能团、 构型、 非均质性、 分子内与分子间的动力学特征等有关的信息[12-14]。三维荧光技术能够获得激发波长与发射波长或其他变量同时变化时的荧光强度信息，可对多组分复杂体系中荧光光谱(激发/发射)重叠的对象进行光谱识别和表征，获得的各种荧光指数能有效区分溶解性有机物中荧光性质不同的组分及表征其结构[15]，且测定方法具有灵敏度高、 需要的样品量少、 样品无需破坏等优点，在天然溶解有机物研究方面被广泛应用。然而，目前荧光技术的应用主要局限于水体中DOM组成特征的识别研究，有关土壤中的可溶性有机碳的荧光特征涉及较少[16]。利用DOM的荧光特性可进一步分析环境因素、 管理因素等对土壤可溶性有机质的结构和组成的影响，合理评价不同植被群落下的土壤DOM库特征，为进一步认识土壤DOM转化的生物地球化学动力过程和土壤质量的演变提供依据。同时土壤DOM荧光特征与天然水体中的比较，可以表明天然水体有机物的来源，为水质的净化提供基础。

在黄土丘陵地区，植被恢复是一项重要的水土保持生物措施，因此植被的水土保持功能和生态效应成为研究的重点。在天然和人工植被对土壤理化性质影响[17]， 不同植被恢复措施对土壤养分和微生物量碳、 氮、 磷的效应[18], 特别是植物群落对土壤有机物的累积以及在团聚体中的分配[19-21]等方面进行了大量的研究，为评价黄土丘陵区小流域土地利用和植被恢复对土壤质量的影响提供了依据[22]。但有关黄土丘陵区土壤中水溶性有机物的组成和结构的研究较少。土壤水溶性有机物的组成和结构对土壤有机物含量、 微生物碳数量和营养物质的生物可利用性有重要的影响，而这些参数又是土壤质量的判别指标之一，具有重要的生态意义。因此本研究利用三维荧光分析技术研究了黄土丘陵区不同植被下土壤水溶性有机物的结构特征，以期为进一步认识植被恢复对土壤质量的影响提供科学依据。

1　材料与方法

1.1样品采集

在每种植被样地采取10个相距100m样点的表层土壤(0—20cm)，将样品均匀混合，采用四分法保留1kg左右的样品。将样品室内自然风干，研磨后过2mm筛用于提取土壤水溶性有机物。

1.2水溶性有机物的提取及总量测定

水溶性有机物的提取按照Borisover等的方法进行[23]。将过2mm筛的60.0g土样与120mL超纯水混合均匀(水 ∶土 = 2 ∶1)，在恒温震荡器以25 ℃水平震荡 60min，悬浊液以4000r/min的速度离心20min，其上清液过0.45μm滤膜，过滤的溶液在4 ℃下冷藏贮存备用。利用岛津TOC总有机物分析仪(日本岛津公司生产，型号TOC-VWP)测定水溶性总有机物的含量。每个样品4个重复，其中3个用于测定水溶性总有机物的含量，1个用于荧光光谱的测定。

1.3荧光光谱测定

为消除Rayleigh散射的部分影响，荧光光谱测定时所有样品均需扣除空白溶液超纯水的荧光效应。

1.4荧光区域一体化分析

Φi= ∑ex∑emI(λexλem)dλexdλem

(1)

式中,i=Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ，其中I(λexλem)是在激发波长为λex、 发射波长为λem的荧光强度，dλex和dλem分别为荧光矩阵中激发波长和发射波长的数据间隔; 体积Φi与MFi相乘得到标准化的体积Φi，n，其中MFi等于激发-发射矩阵每一区域面积百分比的倒数; 五个区域标准化的体积Φi，n之和记为ΦT，n，则荧光效应百分比Pi，n为:

Pi,n=Φi,n/ΦT,n×100%

(2)

2　结果与分析

2.1水溶性有机物的含量

在测定样品中，水溶性有机物含量较高的是子午岭辽东栎林地(样品A)、 油松林地(样品B)和宜川的油松林地(样品H)，为0.16mg/g; 其次为灌木荆条林地(样品G)0.13mg/g、 狼牙刺林地(样品F)0.10mg/g和新建的人工混交的辽东栎油松林地(样品C)0.09mg/g; 农业抛荒之后的荒坡地(样品D)和农地(样品E)的水溶性有机物分别为0.04mg/g和0.05mg/g。通过ANOVA分析，乔木林和灌木林的土地利用与农(荒)地利用之间的水溶性有机物含量之间有显著差异(P=0.010)。

2.2荧光光谱特征

2.2.1 发射、 激发荧光光谱特征根据发射光谱得到荧光指数f450/500，子午岭辽东栎林地(样品A)为1.62，油松林地(样品B)和宜川的油松林地(样品H)分别为1.53和1.52，人工混交的辽东栎油松林地(样品C)为1.50; 灌木荆条林地(样品G)为1.28、 狼牙刺林地(样品F)为1.51; 农业抛荒之后的荒坡地(样品D)和农地(样品E)分别为1.65和1.60。一般f450/500值越高，水溶性有机物的芳香性越低。灌木荆条林地土壤的f450/500远远小于其他植被下土壤的结果，说明了荆条林地土壤水溶性有机物的芳香性远远高于其它。按照McKnight等的分类[26]，f450/500值小于1.4和大于1.9，分别指示水溶解性有机物的来源是植物和微生物，中间范围则是混合来源。故荆条林地土壤水溶性有机物主要来源于植物，而其余土壤则是植物和微生物的混合来源。

腐殖化指数HIX可表征可溶性有机物的缩合程度[29]。土壤水溶性有机物腐殖化指数最高的是抛荒农田(样品D)为2.89，其次是灌木林的狼牙刺(样品F)和荆条(样品G)林地，分别为2.62和2.52，最低的为两个油松林地，其值为0.74(样品B)和0.98(样品H); 作为当地顶级树种的辽东栎林地的腐殖化指数为2.20。

图1　不同植被下土壤水溶性有机质同步荧光光谱Fig.1　Synchronous fluorescence spectra of soil dissolved organic matter under different vegetation

表1　不同植被下土壤同步荧光峰值区域面积比较Table 1　Comparision of different peak area of synchronous fluorescence spectra ofsoil dissolved matter in different vegetation land

注(Note):PLR—蛋白类物质在同步荧光中所占面积比例Rationoffluorescencespectraareaofprotein-likematterandtotalareaofsynchronousfluorescencespectra;FLR—富里酸类物质在同步荧光中所占面积比例Rationoffluorescencespectraareaoffulvic-likematterandtotalareaofsynchronousfluorescencespectra;HLR—胡敏酸类物质在同步荧光中所占面积比例Rationoffluorescencespectraareaofhumic-likematterandtotalareaofsynchronousfluorescencespectra.

对于区域Ⅰ的类酪氨酸蛋白质，油松林地的较高，平均为14.4%，灌木的荆条林地最低为9.7%; 区域Ⅱ的类色氨酸蛋白质依然是油松林地最高为19.4%，荆条林地最低为11.9%; 区域Ⅲ的类富里酸，辽东栎林地的含量最高为26.2%，油松林地的最低为19.7%; 区域Ⅳ类溶解性微生物代谢产物中，还是油松的最高(28.7%)，荆条林地最低(17.3%); 胡敏化最高的区域Ⅴ是荆条林地最高(38.2%)，油松最低(20.4%)。由于区域Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅳ中均含有蛋白质，累积最高的是油松林地，为62.8%, 最低的为荆条林地的38.8%(图3)。

图2　不同植被条件土壤可溶性有机物的激发-发射矩阵等高线图(三维荧光图)Fig.2　The excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy of soil dissolved organic matter under different vegetation (three-dimensional fluorescence spectroscopy)

[注(Note):A—辽东栎 Quercus liaotungensis;B—油松 Pinus tabulaeformia;C—辽东栎与油松混交MixedforestofQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformia;D—荒坡地 Uncultivated lands;E—农田Farmland;F—狼牙刺Sophora viciifolia;G—荆条Vitex negundo var. heterophylla;H—油松 Pinus tabulaeformia.]

图3　不同植被条件土壤可溶性有机质荧光区域一体化分析组分分布Fig.3　Distribution of FRI in DOM of soils under different types of vegetation

[注(Note):A—辽东栎 Quercus liaotungensis;B—油松 Pinus tabulaeformia;C—辽东栎与油松混交MixedforestofQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformia;D—荒坡地 Uncultivated lands;E—农田Farmland;F—狼牙刺Sophora viciifolia;G—荆条Vitex negundo var. heterophylla;H—油松 Pinus tabulaeformia.]

3　讨论

一些研究结果表明，土壤可溶性有机物的化学特性往往随植被物种组成的不同而异[36]。地表植被的不同，导致植被地上部分的凋落物及其地下部根系的分泌物和细根周转产生的碎屑不同，同时植被影响了成土的水热条件，从而影响腐殖质的缩合。灌木林地和抛荒农田，由于回归的有机物质相对较少，同时处于阳坡相对干旱的环境条件，土壤水溶性有机物中的小分子物质易于分解，同时干旱有利于腐殖质的缩合，提高腐殖化指数，因此荆条林地土壤水溶性有机物的芳香性远远高于其他植被; 抛荒的农田、 灌木的狼牙刺和荆条林地腐殖化指数也较高，而辽东栎和油松林地位于阴坡，枯落的生物量和含水量较高有利于小分子的有机物质积累，因此水溶性的有机物中缩合程度较低，其土壤水溶性有机物的芳香性相对较低。

从不同植被下土壤水溶性有机物的组成来看，蛋白类的物质差异不明显，最主要的差异是富里酸类和胡敏酸类物质，油松林地的水溶性的小分子量的富里酸类物质占主导地位，说明其有机物结构较简单、 腐殖化程度较低; 而灌木林地的水溶性有机物结构较为复杂、 腐殖化程度较高。油松林地土壤水溶性有机物的类酪氨酸蛋白质、 类色氨酸蛋白质、 类溶解性微生物代谢产物的含量高于其它植被下的土壤; 辽东栎林地这三类蛋白类物质的含量也处于较高的位置; 两种灌木林地仅处于较低的水平。类富里酸以辽东栎林地含量最高、 油松林地最低，类胡敏酸物质也具有同样的规律，但其类富里酸物质和类胡敏酸类物质含量的比值为乔木的辽东栎和油松较高，其次为灌木林地，而农地和抛荒地最低; 说明农地和抛荒地的水溶性腐殖质的缩聚度高。

根据腐殖酸形成的多元酚理论，即在腐殖物质形成过程中有多元酚和醌有机化合物的参与，它们可直接来自木质素，也可以是微生物的副产物，醌与含氮化合物反应聚合形成大分子的类腐殖物质，首先形成的是富里酸，进一步聚合形成胡敏酸和胡敏素。进入土壤的油松、 辽东栎的植物残体，形成的富里酸较易被氧化，较难缩合; 而农地和灌木林地由于含水量低、 较为干旱，枯枝落叶少，腐殖酸有充分时间进行缩合，导致了水溶性有机物的高芳香化和腐殖化。这些研究结果说明，不同植被下的土壤水溶性有机物的组成和结构是存在差异的，利用三维荧光光谱分析技术对土壤水溶性有机物进行研究，可获得水溶性有机物的进一步信息，有利于认识土壤活性有机物的迁移转化特征。

4　结论

1)由于植被产生可腐殖化有机物质数量的不同和受环境条件的影响，油松、 辽东栎林地的水溶性有机物含量高于灌木林地和农田及抛荒地。

2)土壤水溶性有机物大多来源于植物和微生物的混合作用; 油松林地的水溶性有机物结构较简单、 腐殖化程度较低; 而灌木林地的水溶性有机物结构较为复杂、 腐殖化程度较高。油松和辽东栎林地土壤水溶性有机物的类酪氨酸蛋白质、 类色氨酸蛋白质、 类溶解性微生物代谢产物含量较高，灌木林地较低。

3)激发、 发射荧光技术、 同步荧光技术和三维荧光技术可用于土壤水溶性有机物的特性研究，其荧光特征可揭示水溶性有机物的组成和缩合特性。

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SpectrofluorometriccharacterizationofsoildissolvedorganicmatterunderdifferentvegetationinLoessHillyRegion

WANGYu-tao1,SHIHui1*,LIUXiong-fei1,ZANLi1,WUYun-fei1,ZHENGJi-yong2*

(1 School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objectives】Compositionandstructureofsoildissolvedorganicmatter(DOM)areimportantindicesofsoilquality，andplaysignificantrolesinecosystemfunctionsbyinfluencingcarbonandnitrogencycles.StudiesofsoilDOMquantitiesandfluorescentpropertiesunderdifferentvegetationcanprovidescientificevidenceforvegetationrestorationonsoilqualityassessment. 【Methods】Thetraditionalfluorescencespectraandthree-dimensionalfluorescencespectraarecombinedtostudysoilDOM.Humificationindicesfromexcitation-emissionfluorescencespectraandsynchronousfluorescencespectrawereselectedtoassesssourceandstructureofDOM,andthecompositiondifferencewasresearchedbyusing3-dimensionalfluorescencespectralcharacteristics. 【Results】TherearehighcontentsofDOMwith0.16mg/gforQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformiaforestland,comparedtofarmanduncultivatedlandswiththecontentssfrom0.04to0.05mg/g,andtheDOMcontentsofshrubforestlandsuchasVitex negundo var. heterophyllaandSophora viciifoliaareintheaboverange.Theexcitation-emission,synchronous,andthree-dimensionalfluorescencespectrashowthatsoilDOMismostlyderivedfrommixingplantsandmicroorganisms,thestructuresofDOMinPinus tabulaeformiaforestlandisrelativelysimpleduetolowhumificationdegree,incontrasttoDOMinshrublandwithhigherhumificationdegreeandmorecomplexmatterstructure.Therearenoobviousdifferencesforprotein-likemattersfordifferentvegetationandlandutilization.TheDOMinQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformiaforestlandhashighcontentsfortyrosine-likeprotein,tryptophan-likeprotein,andsomemattersassociatedwithbiologicalproduction,butthesematerialsarelowinshrubforestland.Themajordifferencesareinhumicacid-likeandfulvicacid-likematters.Thesmallmolecularweightfulvicacid-likemattersarepredominantforsoilDOMinPinus tabulaeformiaforestland,butDOMundershrubforestlandhasahigherlevelofaromatic.Theratiosoffulvicacid-likeandhumicacid-likemattersforfarmanduncultivatedlandsarethelowestamongsoilswiththatdifferentgroundvegetation,andtheDOMiswithhighdegreeofcondensation.TheDOMfromQuercus liaotungensisandPinus tabulaeformiaforestlandisdifficulttocondensateasaresultoffulvicacid-likemattersfromdecompositionofplantresiduesmoreeasilyoxidization,andhigherthemoistureinshadywoodland.ThedegreesofaromaandhumificationofDOMfromshrub,cultivatedanduncultivatedlandsareratherhighwithsufficienttimeforcondensationduetoaridenvironmentandlesslittersources. 【Conclusions】Theresultsofthesestudiesillustratethatsoildissolvedorganicmatterwithdifferentvegetationhasdifferentcompositionandstructure,sofluorescencetechniquescanbeusedtostudythecharacteristicsofsoilDOMasatooltorevealcompositionandcondensationofwatersolubleorganicmatte.

vegetation;soildissolvedorganicmatter(DOM);spectrofluorometriccharacterization

2014-07-30接受日期: 2015-01-20网络出版日期: 2015-05-21

中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-13)资助。

王玉涛(1990—)，男，安徽蚌埠人，硕士研究生，主要从事环境生态方面的研究。E-mail:wangyutao@yeah.net

E-mail:shihui06@126.com;E-mail:zhjy@ms.iswc.ac.cn

S153.6+2;S714.8

A

1008-505X(2016)01-0171-09