蘆 琛 蔣小董 吳冠宇 郝爽敬 丁宏博 佟小剛

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100；3.陜西省水利水電工程咨詢中心 西安 710000)

過去20年,在我國水土流失最嚴(yán)重的黃土丘陵區(qū)實(shí)施了大規(guī)模退耕還林還草工程(Songetal.,2020)，植被覆蓋度年均提高1.15%，土壤侵蝕模數(shù)年均下降1.40 t·hm-2a-1，表現(xiàn)出顯著的水土保持效應(yīng)(王明玉等，2016；黃麟等，2020)，其相關(guān)機(jī)制及生態(tài)功能評估成為林業(yè)和生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)(Liuetal.,2020)。

土壤水溶性有機(jī)質(zhì)(water dissolved organic matter,WDOM)是一類含有富里酸、腐殖酸、芳烴聚合物質(zhì)等水溶或鹽溶提取物的有機(jī)化合物，主要元素為碳和氮(Lützowetal.,2007)。WDOM來源于凋落物、根系分泌物和土壤腐殖質(zhì)等，盡管其占土壤有機(jī)質(zhì)的比例不到1%(Yuetal.,2018)，但因具有高水溶性、生物活性和高周轉(zhuǎn)率等特性，成為土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的組分(Kaiseretal.,2012)，不僅直接參與土壤生物化學(xué)過程供應(yīng)微生物能量和植物可利用的速效養(yǎng)分，也是維持林地系統(tǒng)恢復(fù)和功能發(fā)揮的關(guān)鍵因子(Bolanetal.,2011)，可作為評價(jià)生態(tài)恢復(fù)措施影響土壤質(zhì)量和生態(tài)過程的重要指標(biāo)(王玉濤等，2016；Luetal.,2012)。目前，大量研究均表明人工林恢復(fù)能夠顯著提升土壤水溶性有機(jī)碳(water dissolved organic carbon,WDOC)和水溶性有機(jī)氮(water dissolved organic nitrogen,WDON)含量(曾全超等，2015；趙路紅等，2017；Rosenqvistetal.,2010)，且發(fā)現(xiàn)森林土壤WDOC/WDON一定程度上決定著WDOM組成與分解特性(龐學(xué)勇等，2009)，不同人工植被返還給土壤的枯落物質(zhì)量、類型、碳氮含量及比值不同，影響著土壤WDOM的有機(jī)化合物組成、累積和轉(zhuǎn)化(龐學(xué)勇等，2009；王美麗等，2010)。近年來，WDOM 三維熒光光譜特征研究表明，WDOM由分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的類腐殖質(zhì)和類蛋白物質(zhì)(具有芳香結(jié)構(gòu)的氨基酸，如酪氨酸、色氨酸等)組成(Osburnetal.,2012;Lüetal.,2019)，通過觀察三維熒光光譜不同組分的熒光峰值并結(jié)合平行因子分析(parallel factor analysis,PARAFAC)，可以定性、定量地分析WDOM的不同組分類型及各自所占比例，并可進(jìn)一步研究其組分來源及WDOM腐殖化、新鮮度等特性(宋亞輝等2020；Stedomnetal.,2003)，為探究不同生態(tài)恢復(fù)措施影響土壤WDOM有機(jī)組分的規(guī)律提供了方便、靈敏、無損的研究技術(shù)(王玉濤等，2016；宋亞輝等，2020)。

本研究以黃土丘陵區(qū)退耕還林的不同喬、灌林地為對象，對比分析富集有機(jī)質(zhì)的表層土壤的有機(jī)碳、全氮、WDOC和WDON含量與比例差異，并基于三維熒光光譜分析技術(shù)探究不同退耕還林植被恢復(fù)對土壤WDOM有機(jī)化合物組成及其來源、腐殖化、新鮮度等特性的影響，以期揭示退耕林地土壤累積水溶性碳氮的效應(yīng)和機(jī)理，為退耕還林類型選擇及生態(tài)功能評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北黃土丘陵區(qū)延安市安塞區(qū)五里灣流域(109°18′45″—109°22′17″E，36°51′21″—36° 53′32″N)，屬暖溫帶半干旱性氣候，海拔1 010～1 400 m，年均氣溫9.1 ℃，年均無霜期160天，年均降水量505.6 mm。土壤以黃綿土為主，質(zhì)地疏松，有機(jī)質(zhì)含量極低，易受雨水和風(fēng)力侵蝕。長期過度放牧和坡地耕作一度使該地區(qū)植被覆蓋率降至18%以下，成為嚴(yán)重水土流失區(qū)；近些年經(jīng)過人工林草恢復(fù)與流域水土保持綜合治理，特別是1999年以來的大規(guī)模退耕還林工程，流域植被覆蓋率提升至81.3%(許云飛，2019)，顯著提高了土壤抗侵蝕能力和土壤質(zhì)量。目前，該區(qū)域營造成了刺槐(Robiniapseudoacacia)、山桃(Amygdalusdavidiana)、山杏(Armeniacasibirica)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、楊樹(Populussimonii)、油松(Pinustabulaeformis)純林和混交林多種植被模式，成為研究退耕還林生態(tài)過程與效應(yīng)的典型區(qū)(佟小剛等，2016)。

2 研究方法

2.1 樣地選取與采樣

2019年10月，于五里灣流域選擇2000年退耕還林營造的山杏、沙棘、油松、楊樹和刺槐純林以及刺槐×山桃混交林(混交比為1∶2)為研究對象，并以同年退耕自然恢復(fù)的撂荒地為對照，每種退耕林地和撂荒地立地條件基本一致。在各退耕林地和撂荒地內(nèi)均設(shè)置3塊20 m×20 m樣地，每塊樣地選取5株標(biāo)準(zhǔn)木，采用測高儀測定每株標(biāo)準(zhǔn)木的樹高，利用圍尺測量離地1.3 m高處的喬木胸徑和離地30 cm高處的灌木地徑(王靜等，2012)。每塊樣地按照“S”形選取12個(gè)點(diǎn)，用土鉆法鉆取0～20 cm土層土樣，將每塊樣地的土樣混合后待測。取1/2鮮土樣-20 ℃下保存，用于提取水溶性有機(jī)質(zhì)(WDOM)和熒光光譜分析，剩余土樣自然風(fēng)干后研磨、過2 mm篩，用于測定土壤有機(jī)碳含量(Soil organic carbon,SOC)和全氮含量(total nitrogen,TN)。各林地土壤均以黃綿土為主，樣地概況見表1。

2.2 指標(biāo)測定

采用水浸提法測定水溶性有機(jī)質(zhì)(WDOM)(Bolanetal.,2011)：稱取25 g土樣與50 mL超純水混合均勻(水∶土=2∶1)，25 ℃下180 r·min-1振蕩60 min，再以8 000 r·min-1離心6 min，上清液過0.45 μm濾膜。濾液中水溶性全氮(water dissolved total nitrogen,WDTN)與水溶性有機(jī)碳(WDOC)采用TOC/N儀測定；水溶性有機(jī)氮(WDON)為WDTN與水溶性無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)之差，其中DIN為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和，均用連續(xù)流動(dòng)分析儀測定。土壤有機(jī)碳(SOC)與土壤全氮(TN)含量分別采用重鉻酸鉀法和全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(Cleverchem Anna,Germany)測定。土壤酸堿度用pH計(jì)測定，水土比為1∶2.5。土壤密度用環(huán)刀法于采土樣時(shí)測定。

采用熒光分光光度計(jì)(日本島津RF-6000)測定土壤WDOM的三維熒光光譜，儀器開機(jī)后等待30 min，以超純水為對照，PMT電壓700 V，響應(yīng)時(shí)間0.25 s，掃描速度6 000 nm·min-1，激發(fā)和發(fā)射的狹縫寬度5 nm，測量熒光強(qiáng)度范圍為激發(fā)波長220～550 nm，增量5 nm，發(fā)射波長220～550 nm，增量2 nm。

基于三維熒光光譜技術(shù)和平行因子法(PARAFAC)(Murphyetal.,2014)分析土壤WDOM的有機(jī)組分，使用 Matlab 軟件的 drEEM(version 0.1.0)和DOM Four 工具包校正后對WDOM 三維熒光光譜進(jìn)行平行因子分析。平行因子法可以區(qū)分重疊的熒光光譜，將數(shù)據(jù)分解成分?jǐn)?shù)，并確定其濃度。根據(jù)熒光光譜的最大熒光強(qiáng)度，采用裂半分析、殘差分析等方法除去異常值，經(jīng)反復(fù)迭代確定合適的WDOM組分?jǐn)?shù)。

熒光指數(shù)(fluorescence index,FI)指在370 nm激發(fā)波長下，發(fā)射光譜強(qiáng)度在450與500 nm 處的比值(Mcknightetal.,2001)；腐殖化指數(shù)(humification index,HI)指在254 nm激發(fā)波長下，435～480 nm處最大熒光峰值與300～345、435～480 nm處二者最大熒光峰值之和的比值(Chno,2002)。新鮮度指數(shù)(freshness index,β∶α)指在310 nm 激發(fā)波長下，380 nm發(fā)射波長處熒光強(qiáng)度與420～435 nm區(qū)間最大熒光強(qiáng)度的比值(Fellmanetal.,2010)。自身生產(chǎn)力指數(shù)(autotrophic productivity index,API)指在310 nm激發(fā)波長下，380 nm發(fā)射波長處熒光強(qiáng)度與430 nm 發(fā)射波長處熒光強(qiáng)度的比值(Huguetetal.,2009)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

對不同退耕還林植被類型土壤碳氮含量及比值、熒光光譜特征與指數(shù)差異，采用單因素方差分析和LSD多重比較法進(jìn)行P<0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；利用Pearson相關(guān)分析得到各指標(biāo)間的相關(guān)性。以上結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件，繪圖采用Sigmaplot 12.5軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同退耕還林植被類型土壤SOC和TN含量差異

退耕還林恢復(fù)19年后，除山杏林地外，其他林地土壤的SOC和TN含量(圖1)均比自然恢復(fù)的撂荒地顯著增加，平均增加131.1%和106.0%。油松、楊樹、刺槐純林和刺槐×山桃混交林表現(xiàn)出明顯的碳氮累積效應(yīng)，可顯著提升土壤碳氮含量，其中SOC含量比沙棘林和撂荒地分別平均提高35.2%和175.3%，TN含量則分別平均提高19.9%和131.6%。

3.2 不同退耕還林植被類型土壤WDOC和WDON含量差異

不同林地土壤WDOC和WDON含量差異明顯(圖2)，與撂荒地相比，僅山杏林地未能提高WDOC含量，沙棘和油松林地的WDOC含量分別提高了41.0%和80.0%，刺槐×山桃林的WDOC含量增幅最大(108.9%)。不同林地中，僅刺槐純林和刺槐×山桃林地土壤WDON含量分別比撂荒地顯著增加了173.5%和105.8%(P<0.05)，其他林地并未提高WDON含量，其中山杏林地還比撂荒地降低了29.4%。

3.3 不同退耕還林植被類型土壤碳氮占比和比值差異

各林地土壤的WDOC/SOC百分比為0.30%～0.37%，比撂荒地平均低19.5%。WDON/TN百分比為0.29%～0.64%，且相互差異較大，其中以刺槐及刺槐林地WDON/TN百分比最高，但仍比撂荒地低14.1%,油松林地平均比撂荒地低62.8%(圖3)。

所有林地土壤的SOC∶TN為14.5～20.2，均顯著高于WDOC∶WDON的9.0～16.5(P<0.05)，且不同林地2種碳氮比均存在顯著差異(圖3)。土壤SOC∶TN在油松、楊樹和刺槐×山桃林地顯著高于刺槐、山杏和沙棘林地(P<0.05)，其中以油松最高，比撂荒地高44.1%。土壤WDOC∶WDON也以油松林地最高，比撂荒地高98.9%，最低的刺槐林與撂荒地?zé)o顯著差異。

圖3 各植被類型土壤水溶性有機(jī)碳氮占比和碳氮比Fig.3 Percentage of soil water dissolved organic carbon and nitrogen and the ration of carbon to nitrogen of various vegetation types

3.4 不同退耕還林植被類型土壤WDOM的三維熒光光譜特征

采用平行因子法對各林地土壤WDOM進(jìn)行三維熒光光譜分析(圖4)，主要得出3個(gè)熒光組分。C1組分熒光峰位置為激發(fā)波長225和275 nm，發(fā)射波長>450 nm，C2組分熒光峰位置為激發(fā)波長250和310 nm，發(fā)射波長410 nm，二者皆可用來表示W(wǎng)DOM中的類腐殖質(zhì)物質(zhì)。根據(jù)Lichtman 等(2006)的研究，發(fā)射波長越強(qiáng)，熒光基團(tuán)的芳香性、絡(luò)合性和分子量越高，可知發(fā)射波長較長的C1組分通常為大分子芳香性腐殖質(zhì)(Fellmanetal.,2010)，具有較高的分子量和疏水性 (Huntetal.,2007)。發(fā)射波長相對較短的C2組分則通常為小分子的富里酸和腐殖酸，可能為結(jié)構(gòu)復(fù)雜分子的降解產(chǎn)物，對微生物具有一定的有效性(宋亞輝等，2020;Cooketal.,2009)。C3組分熒光峰位置為激發(fā)波長225和285 nm，發(fā)射波長338 nm，可確定為類色氨酸組分，也是游離在WDOM中或結(jié)合在蛋白質(zhì)上的氨基酸組分，通常與微生物代謝密切相關(guān)(Fellmanetal.,2010)。

圖4 平行因子分析法得到的3種熒光組分Fig.4 Three fluorescent components obtained by parallel factor analysis

不同林地土壤各熒光組分占比存在一定差異(圖5)。與撂荒地相比，除沙棘林地外土壤C1組分占比沒有顯著變化，其他林地C1組分占比平均增加了45.1%。同時(shí)，所有樣地均以C1組分占比最大，達(dá)40.7%～62.9%，說明大分子芳香性腐殖質(zhì)是退耕林地土壤WDOM的主要有機(jī)組分。低分子量富里酸和腐殖酸組成的C2組分占比在各樣地間差異較小，平均為23.8%。除了沙棘林地外，不同退耕林地土壤類色氨酸的C3組分占比相對最低，且均比撂荒地降低，其中油松、楊樹、刺槐林地平均減少20.8%，刺槐×山桃林與山杏林地平均減少58.1%。

圖5 各植被類型土壤水溶性有機(jī)質(zhì)各熒光組分占比Fig.5 Percentage of fluorescent components of soil dissolved organic matter of various vegetation types

不同林地土壤的4個(gè)熒光指標(biāo)中(表2)，山杏和楊樹林地的土壤腐殖化指數(shù)顯著高于其他林地(P<0.05)，說明這2種林地土壤的水溶性有機(jī)質(zhì)相對穩(wěn)定。熒光指數(shù)、新鮮度指數(shù)和自身生產(chǎn)力指數(shù)在不同林地不存在顯著差異，分別為1.60～1.69、0.56～0.61和0.57～0.62。

表2 各植被類型水溶性有機(jī)質(zhì)的4個(gè)熒光指標(biāo)①Tab.2 Four fluorescence indexes of water dissolved organic matter of various vegetation types

進(jìn)一步相關(guān)分析(表3)表明：退耕還林地土壤WDOC與WDON、SOC、TN、SOC∶TN和C2組分極顯著正相關(guān)(P<0.01)；WDON與SOC、TN、WDON/TN和WDOC∶WDON顯著正相關(guān)(P<0.05)。不同熒光組分中僅C2組分與WDOC、WDON、SOC、TN、C1組分和C3組分極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，可見退耕還林地土壤水溶性有機(jī)質(zhì)中C2組分對植被恢復(fù)較敏感。WDOC∶WDON與SOC∶TN極顯著正相關(guān)(P<0.01)，但與 WDON/TN極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；土壤水溶性有機(jī)質(zhì)中WDOC/SOC與WDON/TN 極顯著正相關(guān)(P<0.01)，但二者均與SOC∶TN極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表3 土壤水溶性有機(jī)質(zhì)熒光光譜指標(biāo)與碳氮特征相關(guān)性分析①Tab.3 Correlation analysis between fluorescence spectrum indexex of soil water dissolved organic matter and characteristics of soil carbon and nitrogen

4 討論

4.1 不同退耕還林植被類型對土壤水溶性有機(jī)碳氮的影響

除山杏林地外，其他退耕還林地土壤SOC和TN含量均比撂荒地顯著提升，這與林地植被恢復(fù)返還大量凋落物、提高微生物的生物量和活性、增加根系分泌物(馬志良等，2020)、改善土壤團(tuán)聚體固碳等有關(guān)(韓新輝等,2012)。盡管不同林地林木長勢、密度均有一定差異(表1)，但各林地間土壤碳氮總量并未發(fā)生顯著變化，這可能與土壤礦化和腐殖化有機(jī)殘?bào)w能力有關(guān)，韓新輝等(2012)也得出恢復(fù)30年的油松和刺槐林地表層土壤碳氮含量并無差異。

土壤總碳氮增加會伴隨著WDOC和WDON含量增加(Zhangetal.,2019)，本研究中WDOC土壤總碳氮極顯著正相關(guān)(P<0.01),WDON與土壤總碳氮顯著正相關(guān)(P<0.05)。各林地土壤WDOC含量較撂荒地均顯著增加，但WDON含量僅在刺槐及其混交林地顯著提高，趙路紅等(2017)亦報(bào)道刺槐林地土壤表現(xiàn)出顯著氮累積效應(yīng)，這與刺槐屬樹種固氮能力密切相關(guān)(陳雪冬等，2017)；何興元等(1996)研究表明，豆科(Leguminosus)固氮樹種土壤平均含氮量明顯高于非固氮樹種。其他林地土壤WDON含量較低，主要原因在于外源氮不足情況下，微生物繁殖會利用和同化土壤水溶性有機(jī)氮。各林地土壤SOC、WDOC、TN和WDON含量的相對不均衡增加也導(dǎo)致其比例關(guān)系發(fā)生顯著變化，其中，退耕林地土壤WDOC/SOC和WDON/TN均小于撂荒地，且二者顯著正相關(guān)，說明WDOC和WDON具有協(xié)同增加的關(guān)系。SOC∶TN和WDOC∶WDON在不同林地存在顯著差異，如梁愛華等(2013)研究表明，黃土高原退耕林地10～20年的喬木、灌木土壤SOC∶TN為14～20，曾全超等(2015)得到的WDOC∶WDON為7～10，與本研究結(jié)果近似。相關(guān)分析也說明，WDOC∶WDON與SOC∶TN顯著正相關(guān)(P<0.05)，與WDON/TN顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。退耕林地土壤水溶性碳氮比值小于碳氮總量比值，說明WDOM是一種易于被微生物分解利用的活性組分(Marschneretal.,2002)。

4.2 不同退耕還林植被類型土壤WDOM的熒光參數(shù)及組成

熒光參數(shù)能夠反映土壤WDOM的腐殖化、來源和新鮮度等特性(Fellmanetal.,2010;Ishiietal.,2012)。本研究中，只有腐殖化指數(shù)(HI)表現(xiàn)為山杏和楊樹林地顯著高于其他林地，這說明2種林地的WDOM組成相對更加穩(wěn)定、復(fù)雜，其他林地土壤WDOM為熒光參數(shù)在不同退耕植被類型間基本一致。研究認(rèn)為，當(dāng)熒光指數(shù)(FI)<1.4時(shí)，WDOM來自外源輸入的芳香性腐殖質(zhì)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的植物源(Mcknightetal.,2001)；當(dāng)FI>1.9時(shí)，WDOM來自生物降解的類蛋白質(zhì)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的微生物源(Coryetal.,2005)。本研究所有樣地的FI為1.60～1.69，說明退耕林地土壤的WDOM既來自外源植物降解，也來自微生物作用。有研究表明，API為0.8～1.0時(shí)表示內(nèi)源生物降解產(chǎn)生的WDOM較多，API為0.5～0.8時(shí)則表示內(nèi)源生物降解的WDOM少于外源植物(Fellmanetal.,2010)。本研究所有樣地的API為0.57～0.62，進(jìn)一步說明退耕林地植被恢復(fù)使WDOM更多來自外源植物降解。新鮮度指數(shù)(β∶α)中，β代表微生物新近產(chǎn)生的WDOM，α代表惰性程度較高且較老的WDOM，該比值能夠反映新近產(chǎn)生的WDOM在整體WDOM中的占比。本研究中各樣地β:α均接近0.6，說明微生物新近產(chǎn)生的WDOM相對原有WDOM的占比超過一半?？梢姡烁€林植被生物量增加可促進(jìn)土壤中植物源WDOM增加，并伴隨其分子組成趨于復(fù)雜化。

從退耕林地土壤WDOM的熒光組分來看，不同林地均以大分子芳香性腐殖質(zhì)組分C1占比最高，其次為低分子量富里酸和腐殖酸C2組分，最后為類色氨酸C3組分，與早期研究結(jié)果一致，植被恢復(fù)能夠顯著提高土壤WDOM中分子結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜物質(zhì)的比例(Chantigny,2003;Lietal.,2019;Liuetal.,2019)。此外，水溶性碳氮含量均與C2組分呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，C2組分與C1、C3組分也極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，這可能是由于C2組分的低分子量富里酸和腐殖酸在研究區(qū)旱季環(huán)境下聚合，形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、腐殖化程度高的大分子腐殖質(zhì)，同時(shí)在雨季一定濕度條件下也可礦化分解成小分子簡單物質(zhì)(王玉濤等，2016)。Li等(2019)也認(rèn)為可能是大分子的腐殖質(zhì)、小分子的富里酸和氨基酸組分之間存在著某種轉(zhuǎn)化機(jī)制?？傊?，高分子量的腐殖質(zhì)C1組分相對于氨基酸C3組分更難以被微生物利用(Guoetal.,2012)。因此，退耕還林后，大分子芳香性腐殖質(zhì)的比例增加會使水溶性有機(jī)質(zhì)趨向于穩(wěn)定和復(fù)雜，有利于水溶性碳氮的固存和利用，從而提升退耕林地土壤肥力。

5 結(jié)論

相比自然恢復(fù)的撂荒地，退耕林地土壤均表現(xiàn)出總有機(jī)碳和全氮的累積效應(yīng)，可顯著提升土壤WDOC含量，特別是刺槐和刺槐×山桃混交林地可同時(shí)提升土壤WDOC和WDON含量，其他林地主要增加WDOC含量，即相應(yīng)提高了土壤WDOM的碳氮比；但退耕還林后顯著降低了土壤水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮在土壤總有機(jī)碳和全氮中的比例。三維熒光光譜和平行因子分析說明，WDOM組成以大分子芳香性腐殖質(zhì)為主，以低分子量的富里酸和腐殖酸及類色氨酸為輔。除沙棘林地外，各林地與撂荒地相比均提升了WDOM中大分子腐殖質(zhì)比例，使土壤WDOM的結(jié)構(gòu)組成趨向復(fù)雜。熒光分析顯示，楊樹、山杏林地土壤WDOM表現(xiàn)出相對較高的腐殖化程度?？傊?，退耕還林顯著提升了WDOM含量，同時(shí)也使WDOM的結(jié)構(gòu)組成更復(fù)雜和穩(wěn)定，有利于土壤碳氮的累積和轉(zhuǎn)化，從而提升土壤質(zhì)量。