退耕还湿后不同植物群系土壤溶解性有机质的荧光光谱特征

史传奇，李 艳，于少鹏，胡宝忠*，金 梁

1. 东北农业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150038 2. 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 3. 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150038 4. 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097

引 言

溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)是具有酸、碱及水溶性的一系列复杂的有机分子的综合体，土壤中DOM主要来源于微生物活动、植物凋落物、根系分泌物等[1]，可参与土壤有机质的累积、碳循环、重金属迁移及污染物去除等过程，促进土壤发育，并有效地反映土壤有机质组成与外部环境间的相关关系[2-4]，对不同植被类型、土地利用方式、气候条件等具有响应[5-7]。应用三维荧光光谱可以测定DOM中各有机组分的荧光特征，结合平行因子分析法，判定各有机组分的种类，如类富里酸、类胡敏酸、类蛋白等，荧光强度还可以表征各有机组分浓度[1, 8]。因此，三维荧光光谱技术被广泛应用于研究不同条件下土壤DOM的来源、组成和性质，评价土壤环境质量[2, 9]。

退耕还湿是湿地生态恢复的重要措施，其中植被恢复是退耕还湿的基本条件之一，对提高植物多样性、保护野生动物栖息地、提升土壤环境质量、重建湿地生态系统具有重要意义。土壤环境质量监测作为退耕还湿恢复效果评价体系的重要组成部分，其中土壤DOM是土壤环境监测的重要指标之一。不同植被覆盖条件下，土壤DOM的组分及其来源、性质有所差异[6, 10]，探明这一差异性可为湿地土壤恢复方法提供参考依据。

本研究采集哈尔滨阿勒锦岛国家湿地公园退耕还湿后6种典型植物群系条件下土壤样品，应用三维荧光-平行因子分析的方法测定土壤中DOM的荧光光谱特征，探明退耕还湿后不同植物群系条件下土壤DOM的来源、组成和影响因素。研究结果可作为不同植被恢复方式土壤环境质量评价指标，并可指导退耕还湿过程中植物物种选择，以更好的实施退耕还湿工作。

1 实验部分

1.1 土壤样品采集

本研究于2019年7月30日，在位于松花江哈尔滨城区的阿勒锦岛国家湿地公园(126°37′26″—126°40′29″E，45°47′30″—45°48′38″N)内进行。退耕还湿工作已开展12年，植被恢复效果显著。目前该湿地公园规划面积约419公顷，具有河流湿地和沼泽湿地两大类，湿地率为71.1%。依据2019年5月—7月该湿地公园植物多样性监测结果，分别采集榆树(Ulmuspumila, U)群系、松江柳(Salixsungkianica, S)群系、猪毛蒿(Artemisiascoparia, A)群系、芦苇(Phragmitesaustralis, P)群系、灰脉薹草(Carexappendiculata, C)群系和香蒲(Typhaorientalis, T)群系土壤。其中，U、S群系以木本植物为主，植物多样性较其余4种草本植物群系丰富。U，S和A群系处于旱生环境，P，C和T群系处于湿生环境，且土壤采集时P和T群系有季节性积水。各群系内随机选取3个1 m×1 m样方，作为3次重复，两样方间距离大于10 m。将样方的4个顶点和中心点作为小样点，利用环刀(直径4 cm)于距地表5～10 cm处取土壤样品50 g，分别将5个小样点土壤样品去除植物根系等杂质后充分混合，依次做好标记，低温保存带回实验室。

1.2 方法

参考文献[8]，各取土壤样品5 g，加入50 mL双蒸水，200 r·min-1(室温)水平振荡24 h，2 800 r·min-1(4 ℃)离心10 min，上清液过0.45 μm孔径的玻璃纤维滤膜，即得到DOM溶液。利用Multi N/C 2100型TOC分析仪(德国耶拿)测定DOM溶液中溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)含量，加入双蒸水，将所有样品的DOC浓度调至15 mg·L-1。采用F-7000型(日本日立)荧光光谱测定仪测定DOM样品三维荧光光谱，激发光源450 W氙弧灯，PMT电压700 V，扫描范围激发波长(Ex)和发射波长(Em)均为200～600 nm，扫描速度2 400 nm·min-1，间隔为10 nm，狭缝宽度为5 nm。荧光发射光一侧加290 nm的截止滤光片以避免荧光光谱图出现二级瑞利散射。

采用pH仪(上海雷磁PHS-3C)测定土壤pH值《NY/T1121.2—2006》，环刀法测定土壤容重(bulk density, BD)《NY/T1121.4—2006》，烘干法测定土壤含水量(moisture content，MC)《NY/T1121.4—2006》，乙酸铵法测定土壤阳离子交换量(cation exchange capacity, CEC)《LY/T1243—1999》，Multi N/C 2100型TOC分析仪(德国耶拿)测定土壤总有机碳(total organic carbon, TOC)含量，半微量凯氏定氮法测定土壤全氮(total N, TN)含量《NY/T53—1987》，HClO4-H2SO4法测定土壤全磷(total P, TP)含量《NY/T88—1998》，酸消解-火焰光度法测定土壤全钾(total K, TK)含量《NY/T87—1988》，每个样品各项指标测定重复3次。

1.3 数据分析

利用荧光光谱测定仪软件[FL WinLab software (Perkin Elmer)]收集数据，利用Matlab R2013a软件Removescatter工具包进行去散射，DOMFluor工具包进行平行因子分析，对半分析和残差分析检验模型的可靠性，确定有机组分个数，绘制三维荧光图谱。参考文献[10]和[11]，利用Origin 2019b软件对去散射数据中激发波长Ex=254 nm时发射波长在435～480与300～345 nm范围内的荧光峰面积的比值计算腐殖化指数(humification index, HIX)。利用Excel 2010对去散射数据中激发波长Ex=370 nm时发射波长450 nm∶500 nm条件下的荧光强度比值计算荧光指数(fluorescence index, FI370)，激发波长Ex=310 nm时发射波长380 nm∶430 nm条件下的荧光强度比值计算生物指数(biological index, BIX)。利用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析及Duncan多重比较和Pearson相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤DOM的荧光光谱指数

利用去散射数据计算土壤DOM荧光光谱指数(表1)。HIX可代表土壤DOM的腐殖化程度，6种植物群系的HIX在0.830～1.699范围内，依据文献[8]和[11]中所参考的标准，本研究中HIX平均值均小于1.5，即6种植物群系土壤的腐殖化程度较低。P群系土壤HIX显著高于A群系，但两者各自与其余4种群系土壤HIX差异不显著，说明该湿地公园内不同植物群系条件下土壤腐殖化程度相接近。

表1 土壤DOM荧光光谱指数Table 1 Fluorescence spectrum indices of soil DOM

FI370可用于反映土壤DOM的来源[1, 10]，由表1可知，FI370分布于1.533～1.894范围内，介于陆生源特征值(FI370=1.4)与自生源特征值(FI370=1.9)之间，说明该湿地公园内土壤DOM的来源既有微生物活动产生，也有植物残体、根际分泌物等陆源输入。C和T群系的FI370相对较高，即两个群系具有相对较强的自生源特性。

BIX可表征土壤DOM中自源性与陆源性有机质间的比例，本研究BIX范围在0.700～0.839，同文献[11]结果相近，其中S群系平均值接近区间值0.8，U，A和P群系土壤DOM属中度新近自生源(BIX<0.8)，而C和T群系土壤自生源较强(0.8

2.2 土壤DOM的荧光光谱特征

基于平行因子分析绘制三维荧光图谱(图1)，参考文献[1]对荧光组分的鉴定方法，本研究6种植物群系土壤DOM中识别出3个有机组分。其中，C1(250/400 nm)鉴定为类富里酸组分，C2(270/450 nm)鉴定为类胡敏酸组分，C3(220/330 nm)鉴定为类蛋白组分。3个有机组分常见于草甸[1]、农田[7]及林地[8]土壤中。

图1 土壤DOM三维荧光组分Fig.1 Three dimensional fluorescence components of soil DOM

表2 土壤DOM中各有机组分的荧光强度Table 2 Fluorescence intensity of organic components of soil DOM

对6种植物群系土壤DOM中3个有机组分的荧光强度进行方差分析(表2)，C1组分的荧光强度在P群系中最高；C2组分在U，P和T群系中最高，三者差异不显著；C3组分在P和T群系中最高。各植物群系总组分和同时反映出，P群系具有相对较高的荧光强度，即DOM具有较高的相对浓度，其次为T群系，C群系相对较低。

对土壤DOM中3个有机组分的相对比重进行方差分析(表3)。除P群系中C1组分相对比重较高外，其余植物群系中C3组分的相对比重均较高，接近50%。从总组分和的比例上看，6种植物群系土壤DOM中C3相对比重最高，其次为C1，C2相对较低，即该湿地公园表层土壤中类蛋白小分子物质占有较大比例，进一步说明腐殖化程度较低。

表3 土壤DOM中各有机组分的相对比重(%)Table 3 Relative ratio (%) of organic components of soil DOM

2.3 土壤DOM有机组分与土壤理化性质相关性

如表4，不同于大尺度空间条件下的土壤样品[1, 8, 11]，本研究中6种植物群系土壤pH值无显著性差异，且土壤均呈中性。受季节性积水的影响，U，S和A群系土壤处于相对干旱环境，BD显著高于其余湿生植物群系土壤，而MC在湿生植物群系土壤中较高。P，C和T湿生植物群系土壤CEC显著高于旱生环境。木本植物群系U，S中TOC，TN，TP和TK含量均较高，可能与此两种木本植物群系具有较高的植物多样性有关。

表4 土壤样品理化性质Table 4 Physiochemical properties of soil samples

利用土壤DOM的3个有机组分的荧光强度，结合8项土壤理化指标做Pearson相关性分析。如表5，BD与C1、C2组分具有显著负相关性，MC与3个有机组分具有极显著或显著的正相关性，CEC与C1、C2组分具有极显著正相关性。说明在本研究中，BD、MC、CEC可显著地影响土壤DOM有机组分结构。pH值对土壤DOM含量具有影响[12]，但本研究中由于样品来源于较小的空间尺度，不同植物群系土壤pH值差异不显著，因此未表现出与土壤DOM有机组分间具有显著相关性。其余4项土壤养分指标与各有机组分的相关性不显著，但仍可能是影响土壤DOM的间接因素。

表5 土壤DOM各有机组分与理化指标间相关性Table 5 Correlation between organic components of soil DOM and physiochemical properties

3 结 论

退耕还湿后榆树、松江柳、猪毛蒿、芦苇、灰脉薹草、香蒲6种典型植物群系土壤腐殖化程度均较弱，土壤DOM同时来源于土壤微生物活动与植物凋落物、根系分泌物等输入。

土壤DOM中含有3种有机组分，相对比重由大到小依次为类蛋白组分、类富里酸组分、类胡敏酸组分。湿生芦苇群系土壤DOM相对浓度较高。

各植物群系土壤呈中性，pH值差异不显著。旱生植物群系具有较高的土壤容重，湿生植物群系土壤含水量及阳离子交换量较高。木本植物群系土壤养分含量高于草本植物群系。土壤容重、含水量和阳离子交换量可显著影响土壤DOM有机组分结构。

总体上看，阿勒锦岛国家湿地公园实施退耕还湿后，木本植物群系提高了土壤养分含量，而湿生草本植物群系可在一定程度上提高土壤腐殖化程度。