青藏公路对沿线草地生态系统土壤可溶性有机碳及其特征的影响

陈 琦， 李富翠*， 彭钰梅， 刘卓成， 汪梦寒， 贾辰雁， 韩烈保

(1.北京林业大学草业与草原学院， 北京 100083； 2.中国农业大学， 北京 100193； 3.内蒙古蒙草生态环境(集团)股份有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010010)

高寒荒漠地区极易受环境影响，植物种群少、生产力低，但作为重要的绿色生态屏障，其作用不可忽视，土壤有机碳含量差异对整个高寒荒漠系统影响深远[16]。诸多研究表明[17-18]，近年来，青藏高原气温不断升高，由于冻土热力敏感性大，高原冻土具有很大的碳、氮等温室效应气体的排放潜力，青藏高原也因其敏感而脆弱的生态环境，被看作为全球变化的指示区与预警区[19]。公路作为各地区之间交流的快速通道，规模不断扩大和发展的同时，不可避免地对公路沿线土壤产生了一定程度的干扰[20]。陈爱侠等[21]提出了“路域”概念，它的范围是公路用地界之内，宽约50～70 m，长数十至数百千米的地带，后来Bignal等[22-23]将道路对环境的影响范围扩大到了100～200 m。目前对路域土壤的研究多集中在微生物群落和重金属污染等方面，如龙昊知等[24]以垂直青藏公路不同距离样带土壤为研究样本，研究发现3个样点不同样带呈现从10～50 m样带土壤细菌丰度递增的趋势。戴青云[25]选取湖南省运营期的G4和G60部分路段的路域土壤进行研究，研究表明Zn，Pb，Cd，Cr和Cu等五种重金属的浓度随着与公路距离的增加而降低。关于公路对土壤有机碳的影响研究较少，王俊霞[26]研究发现，除人为因素影响最大的10 m距离外，在荒地中表层土有机碳的变化趋势为距离公路越远，有机碳含量越低，而在林地表层土中则是与公路垂直距离20 m处的有机碳含量最低，距离50 m处最高。这些结果均表明，公路会影响周围土壤碳的空间分布格局，但具体机理尚不清楚。DOC被认为是陆地生态系统碳循环的关键物质，对探讨全球碳循环具有重要意义[7,27]，而当前关于公路对土壤可溶性有机碳及其特征的影响尚无相关报道。

因此，本研究以青藏公路路段沿线土壤为研究对象，从不同水平距离土壤有机碳含量、可溶性有机碳含量及其芳香结构特性和降解特性等方面开展研究，探讨公路对路域土壤可溶性有机碳的影响，在填补相关领域研究空白的同时，为路域土壤的生态修复提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

G109国道格尔木至拉萨段总长1 152.5 km，为国家二级公路干线，路基宽10 m，坡度小于7%，最大行车速度为60 km·h-1。自1954年建成通车以来经过多次修缮，于2003年完成第四次整治改建工程。该公路是西藏出省的主要公路，也是西藏运输最繁忙的公路，担负着80%的进藏物资的运输，全线平均海拔为4 500 m[28]，所在地区属于高原寒温带气候，年均温度1.3℃，年均降雨量 456.8 mm，年均蒸发量1 725.7 mm[29]。根据草地综合顺序分类系统(IOCSG分类系统)[30]，海拔4 600 m取样地草地类型主要为高山草原类，土壤类型为高山草原土，主要植物有：紫花针茅(Stipapurpurea)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、高原早熟禾(Poapratensisalpigena)、矮火绒草(Leontopodiumnanum)、青藏薹草(Carexmoorcroftii)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、蕨麻(Potentillaanserina)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)以及棘豆属(Oxytropis)的植物。海拔5 200 m取样地草地类型主要为高山草甸草原，土壤类型为高山草甸土，主要植物除了上述几种外还有二裂委陵菜(Potentillabifurca)和珠芽蓼(Polygonumviviparum)等。

1.2 土壤样品采集

本研究选取4 600 m，5 200 m两个海拔高度并设置2个取样地(取样地1坐标为34°27′N，92°44′E；取样地2坐标为32°53′N，91°55′E)。在每个取样地设置4条取样带，作为4个重复，取样带长400 m，宽10 m，每条取样带间隔100 m，取样带内高度落差均小于30 m。在取样带上按照距离路肩不同水平距离(20 m，100 m，400 m)设置样方，取样带位置和设置见图1。其中每个距离设置四个1 m×1 m的样方，采用“五点混合法”用土钻取0～20 cm深度土壤，将每个样方采集的土壤样品混合为1个样品。新鲜土壤样品用于DOC含量和紫外、荧光表征，以及水分含量测定，风干土用于土壤有机碳的测定。土壤基本性状见表1。

图1 取样带设置图Fig.1 Sampling belt setup diagram

表1 土壤基本性状Table 1 Basic properties of the soil

1.3 样品测定

1.3.1土壤有机碳的测定 根据林业标准“森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算”[31]，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳含量。称取0.2 g过筛后的土样，置于试管底部，以此加入硫酸银粉末、重铬酸钾标准溶液和浓硫酸，170℃～180℃油浴5 min，冷却，加入3～4滴邻菲咯啉指示剂，用0.2 mol·L-1硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液从橙黄色经蓝绿色到棕红色为终点，记录硫酸亚铁用量并计算有机碳含量。

1.3.2土壤DOC溶液的提取及测定 采取水土振荡法[32]，将10.00 g新鲜土壤样品按5∶1的水土比加入超纯水，室温下以180 r·min-1振荡12 h，悬浊液以3 500 r·min-1离心25 min，上清液过0.45 μm水系滤膜，抽滤(滤膜提前用超纯水浸泡12 h，以除去滤膜可能残留的有机组分)后在TOC分析仪(vario TOC,Elementar,Germany)上测定。

1.3.3紫外可见光谱测定 采用紫外分光光度计(TU-1900，北京普析通用仪器有限责任公司，中国)，用超纯水进行校正，测定样品在254 nm和260 nm 波长下的吸光度UV254和UV260，由公式：

分别计算两种波长下的特定紫外吸光度SUVA254和SUVA260，作为DOC的芳香性和疏水性指标。

1.3.4三维荧光光谱测定 采用配备有150瓦氙灯的三维荧光分光光度计(F97PRO，上海精密仪器仪表有限公司，中国)在室温下进行三维荧光光谱测量，配用1 cm石英比色皿，以Milli-Q超纯水为实验空白。PMT电压设为750 V，激发和发射单色仪的狭缝宽度均为10 nm，激发波长(Ex)范围从200～500 nm，波长间隔为5 nm；发射波长(Em)范围从250～600 nm，波长间隔为1 nm，扫描速度保持3 000 nm·min-1。

DOM光谱特征参数：荧光指数(Fluorescence index,FI)、腐殖化指数(Humification index,HIX)、自生源指标(Index of recent autochthonous contribution,BIX)、新鲜度指数(β∶α)，相关光谱特征参数的计算方法及公式参数见表2。

表2 光谱特征参数基本信息Table 2 Basic information of spectral characteristic parameters

1.4 统计分析

采用Excel 2020处理数据，利用SPSS 22.0统计分析软件，对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA，LSD)，P<0.05为差异显著。采用Origin 2019b绘图。

2 结果与分析

2.1 距离公路不同远近土壤中可溶性有机碳的含量差异

由图2可知，本研究中土壤有机碳(SOC)的含量为9.52～28.00 g·kg-1。海拔高度为4 600 m时，各处理间有机碳含量差异不显著，海拔高度为5 200 m时，距离公路越远，有机碳含量越高，且各处理间差异显著(P<0.05)，与距离20 m相比，距离400 m和100 m的土壤有机碳含量分别增加194%和42%。

图2 不同样点土壤有机碳和可溶性有机碳含量Fig.2 Different soil organic carbon and dissolved organic carbon content注：不同小写字母表示4 600 m处理间有显著差异(P<0.05)，不同大写字母表示5 200 m处理间有差异(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant differences between 4 600 m treatments (P<0.05),and different uppercase letters indicate differences between 5 200 m treatments (P<0.05). The same as below

土壤DOC含量在1.67～17.84 mg·kg-1之间，在4 600 m和5 200 m的海拔高度下，距公路不同距离土壤DOC含量均为：400 m >100 m >20 m，表现为距离公路越远，土壤DOC的含量越高，这一规律在海拔高度为5 200 m时表现更显著(P<0.05)。不同海拔高度在距离公路400 m处的土壤DOC含量均显著高于20 m处(P<0.05)，在4 600 m和5 200 m海拔高度下，与距离20 m相比，距离400 m土壤DOC含量分别增加95%和884%。由此可见，公路的存在显著影响了周围土壤DOC的含量和分布。

2.2 距离公路不同远近土壤中DOM的紫外可见吸收特性

SUVA254被广泛用于识别源自土壤、沉积物或水生生态系统的有机质[36-37]，反映土壤腐殖化程度和DOM中芳香族物质的组成[38]，SUVA254越高，有机质的芳香程度越高，腐殖程度也越高；SUVA260被广泛用于表征DOM疏水性组分的含量，SUVA260值越高，DOM中的疏水有机组分含量越高，则其参与污染物迁移转化的活性就越高[39]。由图3可知，本研究中，在海拔5 200 m处DOM的芳香和疏水结构以及腐殖化程度受公路影响显著，表现为距公路越近，SUVA254和SUVA260越小，即有机质的腐殖化程度越小，芳香结构和疏水结构越少。在海拔4 600 m处也表现出相似的规律，距公路400 m处的SUVA254和SUVA260最大，与20 m相比，SUVA254在海拔5 200 m和4 600 m分别高出79%和157%；SUVA260在海拔5 200 m和4 600 m分别高出85%和157%，土壤DOM的稳定性较高。

图3 不同样点土壤可溶性有机质紫外-可见光光谱表征参数SUVA254及SUVA260Fig.3 SUVA254 and SUVA260 of dissolved organic matter in different treatments

2.3 距离公路不同远近土壤中DOM的荧光特性

荧光指数(FI)可表征DOM的来源，反映了芳香氨基酸与非芳香物对DOM荧光强度的相对贡献率[40]。研究表明，荧光指数(FI)存在两个端源值，FI低于1.4时，认为DOM主要为外源输入(陆地植物、土壤有机质等)，FI在1.9附近时，认为DOM主要为生物源输入(微生物的胞外释放及渗出液)[40]。在本研究中，不同海拔和距公路不同距离的土壤DOM的荧光指数在1.71～1.90之间，因此可以判断土壤DOM主要由微生物活动产生。腐殖化指标(HIX)可表征DOM腐殖化程度或成熟度[41]。HIX大于16代表DOM具有较强的腐殖化特征和较强的外源输入特征；介于6～10之间代表较强腐殖化特征和较弱自生源特征；介于4～6之间代表弱腐殖化特征和较强自生源特征；小于4表示具有强自生源特征[42]。海拔4 200 m和海拔5 200 m各土壤处理间HIX值均小于1，土壤DOM属于微生物来源输入，有强自生源特征，与荧光指数得出的结果一致。海拔4 600 m处，距离公路20 m土壤DOM的HIX值显著高于距离公路100 m处的HIX，说明离公路越近的土壤DOM腐殖化程度越小。海拔5 200 m处各处理差异不显著。自生源指数(BIX)一般表征DOM中自生源贡献比例，也可评价土壤DOM的生物可利用度高低[41]。BIX值大于1时代表生物或细菌引起的自生来源，而介于0.6～0.7之间代表陆地源输入或受人类影响较大。新鲜度指数(β：α)可表征新产生的DOM在整体DOM中所占的比例[35]。本研究中土壤DOM的BIX和β：α的均值均在0.5左右，两个指标的值都较低，且二者变化趋势一致，均在海拔5 200 m处，距公路越远值越小；在海拔4 600 m处，距公路100 m的值最大，且差异显著。

3 讨论

3.1 距离公路不同远近土壤中有机碳和可溶性有机碳的含量差异

本研究中SOC和DOC的含量整体表现为距离公路越远含量越高，与王俊霞的研究结果不一致[26]，可能是由于后者所选的试验地受秸秆焚烧、农田施肥等人为因素的影响更大。海拔5 200 m处，不同距离土壤SOC和DOC含量之间的差异较海拔4 600 m处更为显著，这是因为草地土壤有机碳的输入主要来自落叶、枝条等死亡残体及其根系的分解和周转[43]，海拔5 200 m处距离公路较近区域的植被出现了不同程度的退化，但是植被覆盖度低于20%的区域面积比例在公路400 m内随距离增加逐渐下降[44]。马维伟等人[43]在尕海湿地的研究也表明，植被退化后土壤总有机碳随退化程度增加而逐渐降低。因此植被覆盖度的差异可能是导致本研究中SOC和DOC含量差异的原因。

土壤水分含量的变化会改变土壤团聚体和团粒结构，也会直接影响根际和土壤微生物活性，在一定程度上影响有机碳的分解速率和土壤DOC含量，改变土壤中有机碳的储量[45]。本研究结果显示，在同一海拔高度下，距离公路400 m处的土壤水分含量显著高于同海拔下的其他处理(表1)，公路可能通过影响周边土壤的水分含量来影响DOC在土壤中的移动和分布。张雪雯等[46]以若尔盖泥炭土为对象，设置不同水分条件处理，研究干湿交替对泥炭土可溶性有机碳的影响，结果表明水分饱和处理下的泥炭土DOC含量高于干燥处理土壤。付琳玉等[47]的研究也表明若尔盖地区浅层土壤最大持水量与有机碳含量呈显著正相关关系。这与本研究结果一致，具体原因可能是路域土壤由于受施工和其他人为因素影响，紧实度总体来说要高于自然土壤[20]，而且相关研究表明，土壤紧实度明显影响土壤含水量，疏松土壤有利于保持土壤水分[48]。

另外，有研究发现[49]，在唐古拉山的大部分山区，青藏公路沿线植被有明显退化趋势。Auerbach等[50]通过对阿拉斯加北部Dalton公路沿线的观测研究也表明，公路两侧土壤水分含量低、土壤密实，植被生物量与原有植被相比有所减少。因此公路可能通过影响路域土壤的物理性状和植被，间接影响土壤DOC，使距离公路较近的区域DOC降解的多而输入的少，而距离公路较远的区域受人为扰动较小，植被覆盖度较高，因此积累了更多的土壤DOC。

3.2 距离公路不同远近土壤中DOM的紫外可见吸收特性

本研究结果显示，在同一海拔高度下，距离公路400 m处土壤DOM的芳香和疏水组分以及腐殖化程度都较高，土壤有机碳更稳定(图3)。土壤可溶性有机质的芳香度越高，说明形成的化合物越复杂、分子量越大，同时具有更高的稳定性[51]，Nishijima等[42]研究认为，影响波长254 nm处紫外吸收的主要因素是芳香族化合物等具有不饱和C=C键的有机化合物，距离公路400 m处土壤可能含有较多具有不饱和C=C键的有机化合物，使此处DOM的稳定性更高，因此DOC的含量也较高。DOM中的疏水组分往往有更高的芳香性，因此周转周期更长，也更加难以分解[52]，距离公路400 m处土壤受人类活动影响相对较小，植被种类和数量更多，微生物活性也越强，有利于植物残体的腐解和DOM的累积。于波[53]在研究中发现DOM可与重金属离子结合形成络合物，受公路交通影响，路域土壤Cd，Pb和Cr等重金属含量较多[25]，因此距离公路较近区域土壤的DOM可能因结合了较多的重金属离子，导致土壤DOM的芳香性降低。也曾有研究指出在汽车尾气排放的成分中，饱和烃约占30%[54]，距离公路较近距离处芳香度低可能是受到汽车尾气排放的影响。

3.3 距离公路不同远近土壤中DOM的荧光特性

三维荧光光谱具有灵敏度高、选择性好且对样品无破坏的优点，近年来被广泛应用于水体、土壤中DOM的表征和去除过程[55-56]。本研究通过对6个处理的土样进行三维荧光光谱扫描，来分析不同海拔和公路对土壤DOM的产生来源和降解的影响。由图4得知，所有处理的FI都介于1.4和1.9之间，而且更接近1.9，土壤DOM的输入来源以微生物源为主。海拔5 200 m高度下，土壤DOM的FI值在距公路400 m处均显著低于其他距离，主要原因可能是公路的存在影响了土壤DOM的荧光物质(类腐殖质和类蛋白)的组成，但还需要进一步的分析验证。不同处理中的HIX值都相对较低，表明土壤DOM没有显著的腐殖化特征，有较强自生源特征，这与FI的结果一致。由BIX和β：α的结果分析得出，所有处理中的土壤DOM的生物可利用度较低，新鲜有机质输入较少。各处理的差异规律与FI所表现的差异规律大致相同。在同一海拔高度下，距离公路越远，BIX和β：α越小，土壤中的生物活性越低。

图4 不同样点DOM的荧光光谱表征参数FI，HIX，BIX及β：αFig.4 FI,HIX,BIX and β：α of soil organic matter in different treatments

以上结果的产生可能与微生物活动有关，杨宝玲等人[57]以沪宁高速公路两侧土壤为研究对象，结果表明土壤微生物量随公路垂直距离的增加而增加。原因是公路的大规模发展可能使周围土壤受汽车尾气、粉尘、重金属等一系列污染加重，进而导致周围土壤部分微生物的死亡。而且由于取样地的植被主要为草类植物，细根系较多，含有的木质素和纤维素较少，易于被地下的微生物分解利用，使得土壤DOM的自生源特征明显。

总之，路域土壤由于受到人为干扰，退化严重，使土壤贫瘠化，不再适于植物生长[20]，相关研究也表明可矿化氮、磷这些养分的有效性与DOC动态密切相关[58]。因此，注重对路域土壤的生态修复，提高有机碳的稳定性，可以有效提高土壤养分，从而逐渐提高土壤质量。

4 结论

青藏公路的建设通过影响植被覆盖度、土壤水分以及土壤紧实度，对DOC的含量产生影响，距离公路越远DOC含量越高，路域土壤DOC的稳定性也随着距离的增加而增加。土壤DOM属于微生物源有机质输入，自生源特征较强，但缺乏新鲜有机质的输入。因此，对公路周边环境进行生态修复时，要格外注意在距离公路较近处，可以通过人工建植的方式，提高植被覆盖度，进而增加土壤碳储量及稳定性，保护生态环境。后续可进行荧光区域积分来表征DOM的不同组分，进一步研究公路对土壤有机碳稳定性的影响机制。