李美娟，炊 雯

(1. 陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013;2. 寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

1 前 言

森林生態(tài)系統(tǒng)中森林凋落物包括枯落枝葉、落皮、枯死樹根、枯死草本、落地的營(yíng)養(yǎng)和繁殖器官、微、小動(dòng)物殘骸以及他們的異化代謝產(chǎn)物等。由于森林類型各異，各組分在凋落物中所占比例也不盡相同[1]。凋落物分解是森林生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分歸還的主要途徑[2]?？扇苄杂袡C(jī)物(Dissolved organic matter, DOM)是指可通過(guò)0.45μm濾膜，能溶解于水、酸或堿溶液中的不同結(jié)構(gòu)和大小的有機(jī)分子混合體，其中尤以可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon, DOC)為研究熱點(diǎn)，它是森林生態(tài)學(xué)、森林土壤學(xué)、生物地球化學(xué)及整個(gè)大氣碳循環(huán)研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)[3-4]。

紫外-可見(UV-Visble)光譜法可用于可溶性有機(jī)質(zhì)的半定量分析，表征土壤和水體中有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成與特性[5]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，即使不同來(lái)源的DOM，其DOC含量與254nm處的吸光度值之間也具有良好的線性相關(guān)關(guān)系[6]；周焱等[7]對(duì)武夷山不同海拔土壤研究發(fā)現(xiàn)，A230與土壤DOC存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；楊玉盛等[8]發(fā)現(xiàn)森林凋落物淋出液中可溶性有機(jī)碳與A200有良好的線性相關(guān)性。研究可溶性有機(jī)碳含量與其紫外-可見光譜特征有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)可溶性有機(jī)質(zhì)的含量組成乃至其結(jié)構(gòu)特性等。

選取太白縣蘇家溝林場(chǎng)和終南林場(chǎng)的油松林(Pinustabulaeformis)和落葉松林(Larixgmelinii)不同分解階段(L-未分解，F(xiàn)-半分解，H-完全分解)的凋落物進(jìn)行室內(nèi)10天恒溫浸提培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，初步分析了供試凋落物在分解過(guò)程中可溶性有機(jī)碳(DOC)的含量變化及其紫外-可見光譜曲線的變化特征，以期為森林土壤有機(jī)碳的來(lái)源及遷移過(guò)程提供研究依據(jù)，為進(jìn)一步研究凋落物在森林碳循環(huán)中分解、遷移的機(jī)理過(guò)程做一參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于秦嶺西部腹地，屬陜西省太白林業(yè)局太黃段蘇家溝林場(chǎng)和終南林場(chǎng)，南接黃柏塬，北依桃川林場(chǎng)，地處秦嶺南坡，位于秦嶺分水梁附近。林業(yè)局歸屬地太白縣的地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°03′00″～107°46′40″，北緯33°38′13″～34°09′55″(圖 1)，海拔高度1 250～3 400m；東西長(zhǎng)66.7km，南北寬53.4km，具有明顯大陸性季風(fēng)氣候及山地氣候特點(diǎn)，年均日照數(shù)為2 133.3h，年均氣溫8.2～9℃，年均無(wú)霜期158天，年平均降雨量751.8mm。長(zhǎng)冬無(wú)夏，春秋相連，晝夜溫差大，土壤類型多為棕壤或暗棕壤，部分為灰化土和高山草甸土，土層薄，有較厚腐殖土和枯枝腐葉層。主要樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)油松(Pinustabulaeformis)、華山松(Pinusarmandii)、白樺(Betulaplatyphylla)、紅樺(Betulaalbosinensis)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、銳齒槲櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)、冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)等，森林資源豐富，以次生林為主，伴有部分人工林。林區(qū)植被覆蓋率達(dá)93%以上。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

2.2 樣地的設(shè)置及樣品采集

于2015年11月在終南林場(chǎng)(107°18′37″～50″E，34°08′48″～51″N，海拔高度1 737～1 798m，土壤類型為棕壤、暗棕壤)和蘇家溝林場(chǎng)(107°16′41″～52″E，33°08′18″～48″N，海拔高度2 080～2 140m，土壤類型為棕壤、暗棕壤)的油松天然林、落葉松人工林設(shè)立采樣地。所選落葉松林(樹齡25～30a；胸徑15～19cm，郁閉度80%～90%；莎草、蒿草等較多，凋落物厚度3～5cm)呈東西條帶狀走向，寬約1.5km，長(zhǎng)約5km，坡度范圍5°～15°，將樣地按東西走向依次分割為3塊500m×500m樣地，在每一塊樣地內(nèi)按梅花樁法設(shè)立25m×25m小樣方5個(gè)，每塊小樣方內(nèi)再隨機(jī)設(shè)立5個(gè)面積為30cm×30cm采樣點(diǎn)。每個(gè)小樣方內(nèi)同層小樣混合裝于塑封袋、編號(hào)記錄并帶回實(shí)驗(yàn)室，共計(jì)取樣45袋。所選油松林(樹齡40～50a；胸徑25～30cm，郁閉度75%～80%；灌草植被豐富，凋落物厚度7～12cm)呈條帶狀，坡度約20°，高程差100m，故將選取的林地按東西條帶狀設(shè)置3塊500m×100m樣地，在每一塊樣地內(nèi)按上坡-中坡、下坡設(shè)立3條平行于等高線的樣線，每條樣線上隨機(jī)設(shè)30cm×30cm采樣點(diǎn)5個(gè)。取樣時(shí)候在每個(gè)采樣點(diǎn)按層取樣，坡度相同樣線內(nèi)樣品同層次混合裝入寫有樣品編號(hào)的塑封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，共計(jì)取樣27袋。所取樣品全部帶回實(shí)驗(yàn)室按編號(hào)平攤于牛皮紙，置于陰涼通風(fēng)處，自然風(fēng)干。

凋落物樣品分層采取人為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)：L層指代未分解的新近凋落物層，凋落物顏色未有明顯變化，形狀無(wú)缺失；F層指代顏色變深，形狀有缺失，但是脈絡(luò)性狀等原有植物組織形態(tài)外觀可辨的半分解凋落物；H層指代已經(jīng)肉眼無(wú)從辨別原形狀及脈絡(luò)，失去其原有植物組織形態(tài),類似腐殖質(zhì)及土壤混合物[9-10]。

2.3 測(cè)定方法

2.3.1 凋落物DOC浸提液的制備

把自然風(fēng)干后的不同分解階段L-F-H凋落物樣品采用四分法留取適量，撿去小石塊、動(dòng)物糞便及殘骸等。經(jīng)植物粉碎機(jī)粉碎(40～60目)后保存于寫有具體樣地編號(hào)及植被類型等相關(guān)信息的密封袋內(nèi)。

稱取處理好的凋落物干樣1g，放入100ml帶蓋的離心管，加入超純水50ml，擰緊離心管蓋子，置于25℃生化培養(yǎng)箱做恒溫浸提培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(1d-3d-5d-7d-10d)，培養(yǎng)結(jié)束后的樣品取出，置于恒溫往復(fù)震蕩箱(200r/min，24h，)，離心機(jī)離心(Eppendoff R5810，8 000r/min，10min)取出，將上清液經(jīng)由0.45μm水系濾膜過(guò)濾器過(guò)濾，制得凋落物DOC儲(chǔ)備液。制得的儲(chǔ)備液置于4℃冰箱冷藏待測(cè)。

2.3.2 凋落物DOC含量的測(cè)定

將制得的凋落物DOM儲(chǔ)備液經(jīng)過(guò)合適比例稀釋，用德國(guó)元素公司的liquidⅡTOC儀測(cè)定。每個(gè)樣測(cè)2次求平均。

2.3.3 光譜分析

紫外-可見吸收光譜測(cè)定用美國(guó)哈希公司的DR6000紫外-可見分光光度計(jì)的單波長(zhǎng)掃描模式，掃描精度1nm，掃描區(qū)間設(shè)置為200nm～800nm。

3 結(jié)果與分析

3.1 DOC含量及其分布特征

對(duì)油松林及落葉松林不同分解階段(L-未分解，F(xiàn)-半分解，H-完全分解)的凋落物，進(jìn)行室內(nèi)10天恒溫 (25℃)浸提實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示，圖中數(shù)據(jù)為三次重復(fù)平均值，數(shù)據(jù)標(biāo)簽不同字母表示處理間差異達(dá)0.05的顯著水平。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，同種植被凋落物不同分解階段、不同浸提時(shí)間，其浸提液DOC含量差異均較為顯著。對(duì)相同分解階段凋落物而言，落葉松與油松凋落物浸提液在相同浸提時(shí)間，其浸提液DOC含量差異也較為顯著。落葉松L層凋落物DOC含量依次DOC10d>DOC1d>DOC5d>DOC7d>DOC3d，F(xiàn)層凋落物DOC含量依次DOC5d>DOC10d>DOC3d>DOC1d>DOC7d，H層凋落物DOC含量依次DOC3d>DOC7d>DOC10d>DOC1d>DOC5d。不同浸提時(shí)間，油松L層凋落物DOC含量依次DOC1d>DOC3d>DOC7d>DOC10d>DOC5d， F層凋落物DOC含量依次DOC1d>DOC5d>DOC3d>DOC10d>DOC7d。H層凋落物DOC含量依次DOC10d>DOC5d>DOC1d>DOC3d>DOC7d。

圖2 落葉松凋落物不同浸提時(shí)間DOC含量Fig.2 DOC contnet of the litters form Larix gmelinii in different extraction time

圖3 油松凋落物不同浸提時(shí)間DOC含量Fig.3 DOC content of the litters from Pinus tabulaeformis in different extraction time

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是落葉松還是油松，其不同分解階段(L-未分解，F(xiàn)-半分解，H-完全分解)浸提液中DOC含量均隨著L-F-H依次減小，即DOCL>DOCF>DOCH，僅在油松的10d浸提液中DOCH>DOCF；對(duì)L層未分解凋落物，浸提不同時(shí)間1d-3d-5d-7d-10d，其DOC含量均表現(xiàn)為DOC油松>DOC落葉松，隨著浸提時(shí)間不同，油松L層凋落物DOC含量呈現(xiàn)降低-升高-再降低，落葉松L層凋落物DOC含量呈現(xiàn)降低-升高-再降低—再升高，這是源于凋落物分解的幾個(gè)階段：可溶性成分的分解析出；纖維素(cellulose)、粗脂肪(crude fat)、單寧(tannins)、角質(zhì)(cutin)、木質(zhì)素(lignin)、酚類(phenolics)等難分解成分的微生物氧化反應(yīng)；物理生物破碎的生化反應(yīng)過(guò)程[11～14]。落葉松凋落物與油松凋落物浸提分解過(guò)程也經(jīng)歷類似的分解過(guò)程。對(duì)L層凋落物，在浸提分解初始階段(1d)，可溶性成分快速分解析出，隨著時(shí)間增長(zhǎng)(3d-5d-7d-10d)，由于微生物氧化反應(yīng)及物理化學(xué)生化作用，淋溶分解速率放緩，以富集吸附為主，數(shù)值降低，再隨著浸提時(shí)間增長(zhǎng)及生化作用發(fā)生，會(huì)出現(xiàn)再分解-再富集吸附過(guò)程，整個(gè)過(guò)程是富集吸附與分解的復(fù)雜生化反應(yīng)的綜合體現(xiàn)，所以在數(shù)值上會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。F層、H層情況與此類似。由于不同分解狀態(tài)層(L-F-H)凋落物在自然界中經(jīng)過(guò)雨水的淋溶、小動(dòng)物及微生物活動(dòng)、物理化學(xué)破碎等因素影響，可溶性碳組分會(huì)有不同程度遷移、降解，所以出現(xiàn)DOCL>DOCF>DOCH，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。由圖2、圖3對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，在浸提分解實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)(10d)，油松凋落物L(fēng)層DOC含量均值明顯高于落葉松；但在H層，油松凋落物DOC均值明顯低于落葉松，這與Swift等(1989)提出的凋落物化學(xué)屬性“基質(zhì)質(zhì)量(substrate quality)”相關(guān)[14]，油松屬于針葉常綠植物，其葉質(zhì)含有難分解的木質(zhì)素、纖維素、酚類物質(zhì)較為豐富，故在保持凋落物原狀的L層，其凋落物養(yǎng)分含量較為豐富，相應(yīng)的DOC也處在含量相對(duì)(落葉松)較高并穩(wěn)定的一個(gè)狀態(tài)，分解釋放波動(dòng)較為緩慢；而在凋落物分解程度比較深入，失去其原有植物組織形態(tài),類似腐殖質(zhì)及土壤混合物的H層，其DOC含量相對(duì)稍低。

3.2 紫外-可見光譜特征

紫外-可見光譜具有靈敏度高，所需樣品少，樣品不需要特殊分離等優(yōu)點(diǎn)，為研究樣品有機(jī)物來(lái)源，腐殖化程度等提供了便利快捷的方法[15]。通過(guò)對(duì)落葉松及油松不同分解階段凋落物浸提液自200nm到800nm區(qū)間全波段掃描，得到落葉松及油松不同分解階段凋落物浸提液不同分解時(shí)間的紫外-可見光譜曲線，見圖4、圖5。由圖4、圖5可見，兩種植被凋落物譜圖曲線顯示：浸提液吸光度值隨波長(zhǎng)增加而逐漸減小，且L層凋落物吸光度值曲線呈現(xiàn)明顯的單波峰，波峰及端吸收都出現(xiàn)在200nm附近；肩峰普遍出現(xiàn)在240～280nm范圍內(nèi)；對(duì)相同浸提液的相同稀釋倍數(shù)，其紫外-可見波譜曲線中吸光度值與波長(zhǎng)所圍成的峰面積呈現(xiàn)SL>SF>SH。

3.3 DOC含量與A200nm相關(guān)性分析

將凋落物分解過(guò)程中測(cè)的可溶性有機(jī)碳(DOC)與紫外-可見光譜200nm處吸光度值做線性相關(guān)性分析，所得結(jié)果見圖6、圖7。由所得結(jié)果可見DOC含量與200nm處吸光度值呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性(R2>0.9)，說(shuō)明對(duì)供試研究的植被凋落物用A200估算其浸提液DOC含量具有一定可行性。

圖4 落葉松凋落物不同分解階段紫外-可見光譜Fig.4 UV-Visible spectrum of the litters from Larix gmelinii in different decomposition stages

圖5 油松凋落物不同分解階段紫外-可見光譜Fig.5 UV-Visible spectrum of the litters from Pinus tabulaeformis in different decomposition stages

圖6 落葉松DOC與A200nm相關(guān)性Fig.6 Correlation between DOC and A200nm of the litters from Larix gmelinii

圖7 油松DOC與A200nm相關(guān)性Fig.7 Correlation between DOC and A200nm of the lietters from Pinus tabulaeformis

4 結(jié) 論

對(duì)于供試地區(qū)落葉松林及油松林，其不同分解階段凋落物DOC含量依次為L(zhǎng)層>F層>H層，兩種植被類型凋落物DOC含量為DOC油松林>DOC落葉松；凋落物分解過(guò)程其浸提液紫外-可見光譜自200nm到800nm范圍內(nèi)吸光度值逐漸趨于減小，L層呈現(xiàn)一個(gè)明顯的單波峰，波峰及端吸收都出現(xiàn)在200nm附近；肩峰普遍出現(xiàn)在240～280nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，這可能與苯環(huán)的B吸收帶相關(guān)，由此可推斷樣品中有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)存在[16]。凋落物不同分解階段浸提液DOC含量與200nm處吸光度值呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性(R2>0.9)。說(shuō)明對(duì)供試研究的植被凋落物用A200估算其浸提液DOC含量具有一定可行性。

研究秦嶺地區(qū)落葉松與油松凋落物不同分解階段的可溶性碳含量分布特征對(duì)研究森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分遷移、土壤養(yǎng)分活性乃至森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重大參考價(jià)值，紫外-可見光譜技術(shù)可用于可溶性有機(jī)質(zhì)的半定量分析。紫外光譜特定波長(zhǎng)下的紫外吸光度值或兩個(gè)特定波長(zhǎng)下的吸光度比值可表征DOM的含量組成、團(tuán)聚化、腐殖化、取代基復(fù)雜程度、分子量大小等等[17]。在后續(xù)研究中可嘗試將紫外-可見光譜技術(shù)手段用于對(duì)凋落物分解過(guò)程中有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)特性及其在分解-遷移過(guò)程中對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響等方面進(jìn)行深入研究。