2026, Vol. 58
2. 六安市生态环境局金寨分局, 安徽六安 237321;
3. 南京大学环境学院, 南京 210023
林地生态系统是控制全球碳循环与稳定全球碳收支平衡的核心与关键，同时扮演碳源、碳汇和碳库角色[1-2]。土壤碳组分在林地生态系统碳循环中发挥极其重要的支撑作用，高度参与乔木、灌木和草本等植被、微生物以及动物的碳行为。溶解性有机质(DOM，dissolved organic matter)是土壤碳组分中最活跃的组分之一，具有高反应活性、高移动性、高复合性等特点，可驱动有机碳转化(矿化、腐殖化)、固定和迁移，以及污染物转化等生物化学过程，是预测生态系统碳收支平衡的关键组分。为明晰林地生态系统内部复杂的碳循环过程，土壤DOM组分与性质被视为关键的切入点和突破口，成为当前的研究热点与重点。
土壤DOM主要来源于林地植被及其枯枝落叶等有机体：植被释放根系分泌物复合成DOM，植被残体直接分解释放DOM，或腐殖质类物质生物化学转化释放DOM。微生物、土壤动物的环境行为也会贡献DOM，且与地上植被高度相关。地上植被类型(如优势树种)直接影响土壤DOM总量、组分与性质。此外，土壤DOM的组成与结构受环境因子(土壤pH、温度、海拔高度等)影响较大，具有明显的地域异质性[3]。与其他陆地生态系统不同，林木生物量大，地下根系深度可达数米，造成不同深度有机碳累积与转化的差异，尤其是1 m深度土壤有机碳[4-5]。纵向空间上，有机碳的不均匀分布和根系/微生物活跃度的不均匀性会影响土壤DOM的差异化分布。深层土壤(通常指地面20 cm以下)储存着全球70% 以上的有机碳，性质较为活跃，且对全球增温等极为敏感，对全球碳循环影响巨大[6]。然而，林地1 m深度土壤中最为活跃的有机质组分DOM总量、光谱组分与性质垂直分布特征等鲜有报道。
基于以上，本研究以国家山水工程南水北调东线区域江苏省淮安市人工林(种植树种为雪松与栾树)为研究对象，分层采集1 m深度(0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm)土壤样品，利用土壤紫外–可见光谱和三维荧光光谱特征表征不同深度林地土壤DOM的组分与性质差异，揭示林地生态系统土壤碳组分垂直空间分布特征，为理解林地土壤碳行为过程、评估其碳封存潜力和调控其碳循环等提供数据与理论基础。
1 材料与方法 1.1 样品采集与分析采样地为江苏省淮安市清江浦区黄码镇乔木林地(阔叶混交林，33°56'64''N，119°15'28''E)。采样点分别设置于栾树、雪松树冠下方，各采样点之间间隔15 m，林下草本植物主要为龙葵、麦冬、酢浆草、天名精、紫花地丁、乌蔹莓、加拿大一枝黄花。
土壤样品采集时间为2024年11月3日，用土钻按0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm土层分层重复采集多个样点。土样在室内自然风干，去除杂物，研磨过筛后备用。
土壤有机碳(TOC)采用重铬酸钾氧化–硫酸亚铁滴定法测定，用于定量土壤有机质含量。
土壤DOM的提取：称取5 g过2 mm尼龙筛的土壤，置于50 mL离心管中，添加30 mL去离子水(土水质量比为1∶6)，25 ℃条件下避光恒温振荡60 min，离心20 min(4 000 r/min)，取水土混合溶液过0.45 μm滤膜，得到土壤DOM溶液。
土壤溶解性有机碳(DOC)测定：稀释提取得到的土壤DOM溶液，使样品DOM浓度控制在小于10 mg/L，基于总有机碳分析仪(OI Analytical，Aurora 1030，美国)测定溶液中有机碳含量，即为DOC，用于定量土壤DOM含量。检测过程所用气体为纯氧，配备纯水、5% 磷酸溶液和4.2% 过硫酸钠溶液，测定耗时8 min。
土壤DOM紫外与三维荧光光谱测定：DOM提取液采用紫外–可见光分光光度计(UV-2450，SHIMADZU，日本)进行扫描，波长范围为200~ 800 nm，波长间隔为1 nm，以超纯水作为空白对照。三维荧光光谱(Three-dimensional excitation emission matrix，3D-EEM)采用三维荧光扫描光谱仪(Aqualog，HORIBA Instruments Inc.，美国)进行分析，以氙灯为激发光源，信噪比 > 20 000∶1。激发波长(Ex)范围为240~600 nm，扫描间隔为3 nm。发射波长(Em)范围为210~616 nm，采用电制冷CCD检测器，扫描间隔为3.35 nm。采用SOLO+MIA 8.6.1软件(Eigenvector Research，Inc.，美国)进行平行因子分析(PARAFAC)。
1.2 数据处理与分析使用Excel 2021和SPSS 22.0软件对紫外–可见吸收光谱和三维荧光光谱数据进行参数计算和数据处理。采用单因素方差分析中的Duncan多重比较检验不同处理间差异显著性。采用Origin 8.5进行图形绘制。
2 结果与讨论 2.1 不同深度林地土壤有机质与溶解性有机质含量不同树种下不同土壤深度土壤TOC含量分异性较大，雪松树下土壤TOC含量介于5.4~18.9 g/kg，栾树树下土壤TOC含量介于2.0~8.2 g/kg(图 1A)。从垂直分布来看，雪松与栾树树下表层土壤TOC含量均显著高于深层土壤(P < 0.05)，呈现出0~20 cm > 20~ 40 cm > 40~60 cm > 60~80 cm > 80~100 cm，有机碳积累主要集中在表层土壤。林地0~20 cm土层可涵盖有机质层与淋溶层等，大量的枯枝落叶在表层土壤中分解或腐殖化，形成表层高有机碳含量特征。不同树种，其树龄、枯枝落叶及灌草生物量等均影响其林下表层土壤有机碳含量。这与De Feudis等[7]的研究结果相似，林地表层土壤，尤其是有机质层，有机碳含量远高于淋溶层、淀积层等更深层次土壤。因此，评估林地土壤有机碳储量时，应结合其不同深度有机碳分布特征。由于林地土壤有机碳含量垂直分层较为明显，未来可在土壤剖面分层的基础上，分层次分析土壤有机碳含量，进而精准评估林地碳储量等。
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(图中误差线为标准误(n=3)，不同小写字母表示同一树种下不同土层间差异显著(P < 0.05)，*、**、***分别表示同一土层下不同树种间差异在P < 0.05、P < 0.01、P < 0.001水平显著；下同) 图 1 不同深度林地土壤TOC含量(A)、DOC含量(B)和DOC/TOC比值(C) Fig. 1 TOC (A) and DOC (B) contents, and ratios of DOC/TOC (C) of forest soils in different depths |
不同树种下不同深度土壤DOC含量如图 1B所示。雪松树下不同深度土壤DOC含量介于21.9~ 72.5 mg/kg，栾树树下不同深度土壤DOC含量介于30.1~92.6 mg/kg。与土壤有机碳(TOC)垂直分布不同，栾树树下各深度土壤DOC含量均高于雪松树下。0~20 cm土层DOC含量显著高于其他深度土层(P < 0.05)，可高出62.5 mg/kg，这与Meng等[8]对林地土壤DOM的研究结果一致；与Gu等[9]对林地土壤DOC的研究结果部分一致，其研究发现，年降水量、海拔高度、温度、优势树种、植被覆盖度、树龄、微生物活性等均影响DOC的垂直分布。Huang等[10]研究了农田土壤0~20 cm与20~40 cm土层的DOM分布特征，发现不施肥或仅秸秆还田条件下，下层土壤DOM含量显著高于表层，与本研究结果相反；在施用化肥条件下，下层土壤DOM含量显著低于表层，与本研究结果一致，表明人为活动显著影响土壤DOM的垂直分布。此外，与农田土壤相比，本研究的林地土壤DOC含量较高，高强度作物生产不利于有机碳的保留。与土壤TOC含量垂直分布不同，DOC含量未随土层深度增加而下降，雪松树下40~60 cm土层DOC含量最低，栾树树下20~40 cm土层DOC含量最低。土壤有机质是DOM形成的前驱体，但不是唯一来源。枯枝落叶分解与腐殖化过程可释放DOM，微生物与植物也可直接分泌小分子有机酸、糖类等DOM，从而造成不同深度土层DOM的不规律性分布。乔木根系与灌草根系深度的差异会放大不同土层DOM的异质性[6]。精准预估不同深度土层DOM含量将是未来的研究重点。
DOC/TOC比值常被用于评估土壤碳库的转化能力与稳定性。栾树树下土壤DOC/TOC比值介于0.5%~1.7%；雪松树下土壤DOC/TOC比值介于0.3%~ 0.6%(图 1C)。林地深层土壤(如60~80 cm与80~ 100 cm)DOC/TOC比值显著高于其他土层(P < 0.05)。栾树树下各深度土壤DOC/TOC比值均显著高于雪松树下。与农田土壤(20~40 cm)相比，林地土壤DOC/TOC比值相对较小，其碳周转过程较慢[10]。从TOC含量、DOC含量和DOC/TOC比值可以看出，雪松树下土壤有机质含量高，且DOM占比低，更有助于碳封存。从土层深度分析，深层土壤(如80~100 cm) DOM占比高，需重点关注其碳行为。
2.2 不同深度林地土壤溶解性有机质紫外–可见光光谱特征栾树树下不同深度土壤DOM的A250/A365值介于4.1~20.3，呈现先升高后下降的趋势(图 2A)。其中，0~20 cm和20~40 cm土层DOM的A250/A365值显著性低于60~80 cm和80~100 cm土层(P < 0.05)。A250/A365值越低，其DOM的芳香性越高[11]。栾树树下深层土壤(如60~80 cm)的DOM芳香性较表层土壤(如0~20 cm)低。雪松树下土壤表现出相似的结果，其中40~60 cm和80~100 cm土层DOM的芳香性显著性低于其他土层(P < 0.05)。芳香性低的DOM更易被微生物转化。此结果侧面证明了深层土壤对全球气候变化等更为敏感。DOM具有一定的流动性，尤其是低芳香性组分，其水溶解度较高，更易纵向迁移至土层深处。不同树种对不同深度土壤DOM的芳香性有一定的影响。60~100 cm深度，雪松树下DOM芳香性更高，其碳库更稳定。
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图 2 不同深度林地土壤DOM的A250/A365(A)、SUVA254(B)、SUVA260(C)和SR(D)指数 Fig. 2 A250/A365(A), SUVA254(B), SUVA260(C) and SR(D) of forest soil DOMs in different depths |
不同深度林地土壤DOM的SUVA254值介于0.3~ 2.6(图 2B)，浅层土壤(0~20 cm和20~40 cm)显著性高于其他深度土壤(P < 0.05)，表明林地浅层土壤芳香性组分含量较高，腐殖化程度高[12]。这与龙云川等[13]林地土壤DOM的SUVA254值较低(< 3.0)的研究结果相似。雪松树下各深度土壤DOM的SUVA254值均高于栾树树下土壤，表明树种类型会导致DOM的组分发生变化，尤其是在60~80 cm土层。不同树种环境下，枯枝落叶的输入量及林下灌木、草本类型等均不同，导致土壤容重、微生物群落结构等存在差异，共同影响DOM的结构与性质。从芳香性来看，不同树种仅在60~80 cm深度存在显著差异(P < 0.05)。浅层土壤含氧量较更深土层高，微生物对有机物质的周转效率也较高，易形成腐殖化产物。不同深度土壤DOM的SUVA260值介于0.3~2.5(图 2C)，浅层土壤(0~20 cm和20~40 cm)显著高于其他深度土壤(P < 0.05)，表明林地浅层土壤疏水性组分含量较高，如含丰富的苯环类物质[14-15]。
SR可表征DOM的结构特征，如分子量大小、胡敏酸/富里酸比例等。不同深度土壤DOM的SR值介于1.4~8.5(图 2D)。浅层土壤DOM的SR值较低，表明其分子量较大(与分子量成反比)[16]。据此，栾树树下60~80 cm土层DOM的分子量显著性低于其他土层(P < 0.05)，其他深度土层DOM的分子量之间没有显著差异。雪松树下不同深度土壤DOM的分子量差异不显著。DOM分子量越小，其向下物理迁移的可能性越大，但同时因其微生物可利用性高，使其可被快速转化，一定程度上阻碍其向下迁移。
2.3 不同深度林地土壤溶解性有机质荧光光谱特征不同深度林地土壤DOM的荧光光谱特征如图 3所示。不同深度土层DOM的荧光特征差异较大(荧光强度与分布)。随土层深度增加，不同树种林下土壤DOM荧光特征变化趋势一致，即土壤DOM特征组分对应的发射波长(Em)与激发波长(Ex)逐渐降低，表明从表层到深层，土壤DOM分子量、芳香性、分子大小、疏水性等逐渐降低，其组分类型也由占比小的氨基酸类物质转变为主导性占比[17-18]。土壤孔隙可起到筛分DOM分子尺寸的作用。DOM分子尺寸越小，其生物可利用性越高，易被进一步转化为蛋白质类物质，如类色氨酸[19]。对比两种树种的林下土壤，栾树树下表层土壤含有更多的蛋白质类物质。
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图 3 不同深度林地土壤DOM三维荧光光谱图 Fig. 3 Three-dimensional fluorescence spectra of forest soil DOMs in different depths |
结合平行因子分析，林地不同深度土壤DOM可匹配出5种荧光组分(图 4)，其中C1组分(Ex/Em：245(364) nm/461 nm)为高分子量的陆源类胡敏酸物质，广泛分布在草原、森林、农田土壤与海洋沉积物中；C2组分(Ex/Em：239(310) nm/410 nm)为原始和再生陆源类胡敏酸物质，具有光稳定性，不易光分解；C3组分(Ex/Em：270 nm/305 nm)为类酪氨酸物质，易分解；C4组分(Ex/Em：276 nm/329 nm)为类色氨酸物质，易与金属离子结合，且易分解；C5组分(Ex/Em：270(430) nm /(366)522 nm)为类富里酸物质，芳香性较低、分子量相对较低，易转化形成活性氧类物质。
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图 4 EEM-PARAFAC特征曲线和荧光特征组分 Fig. 4 Characteristic curves and fluorescence components obtained by EEM-PARAFAC analysis |
借助荧光强度，可以半定量分析土壤DOM随土层深度的变化。如图 5所示，栾树树下与雪松树下土壤DOM的C1、C2和C5组分含量随土层深度增加，呈现明显的下降趋势。雪松树下0~20 cm土层DOM的C1、C2和C5组分含量显著高于其他深度土层(P < 0.05)；80~100 cm土层DOM的C1、C2和C5组分含量显著低于其他深度土层(P < 0.05)。这与Ye等[20]对林地土壤(0~20、20~40 cm)DOM的研究结果相似，随土层深度增加，类胡敏酸物质减少。C3组分含量的变化趋势不同于其他组分，深层土壤中其含量相对较高，与Han等[21]的研究结果相似。DOM各组分相对占比可反映其稳定性等特征。在0~20 cm土层，栾树树下与雪松树下土壤的DOM组分主要由C1、C2构成(均为类胡敏酸物质)，可达67.5%。然而，在80~100 cm土层，栾树树下与雪松树下土壤的DOM组分主要由C3、C4构成(均为类氨基酸物质)，可达76.5%。与C3和C4组分相比，C1、C2、C5组分的分子量、芳香性与疏水性较大，其生物可利用性较差。从组分含量与相对占比的角度看，深层土壤较浅层土壤含有较多易分解的类氨基酸组分。
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(图中误差线为标准误(n=3)，不同小写字母表示同一土层不同组分间差异显著(P < 0.05)) 图 5 不同深度林地土壤DOM各组分荧光强度(A，栾树；B，雪松)和相对占比(C，栾树；D，雪松) Fig. 5 Fluorescence intensities (A, Koelreuteria paniculate; B, Cedrus deodara) and relatively proportions (C, Koelreuteria paniculate; D, Cedrus deodara) of five components in forest soil SOMs in different depths |
栾树与雪松树下各土层土壤DOM的荧光指数(FI，表征生物与非生物来源特征)值分别介于1.4~1.5和1.0~1.6(图 6)。FI值相对偏小，接近1.4，远小于1.9，表明其主体为植物残体源DOM。其中，0~20 cm土层DOM的FI值相对较低，其外源性更为明显。林地土壤表层常堆积枯枝落叶等，降雨等环境行为可使植物残体中的DOM释放出来，微生物转化形成的DOM相对较少。栾树与雪松树下各土层DOM的自生源指数(BIX，表征其自生源占比特征)值分别介于0.6~0.8和0.6~0.9。BIX值相对偏小，均小于1，表明其主体为外源DOM，自生源较少。深层土壤DOM的BIX值相对较高，表明表层土壤(0~20 cm)DOM外源性更强，其微生物源DOM的来源占比相对较小。这与Jiang等[22]关于生物质炭对农田土壤不同土层DOM的影响研究结果相似，即深层土壤生物活性更强。农田土壤DOM的BIX值比本研究林地土壤高，表明农业作业可强化土壤有机质的生物转化。DOM向下迁移的同时，微生物可将大分子类DOM转化为小分子类DOM。栾树与雪松树下各土层DOM的腐殖化指数(HIX，表征其腐殖化强度特征)值分别介于0.4~2.5和0.4~4.7。相比于栾树树下土壤，雪松树下土壤DOM腐殖化程度较高(表层土壤DOM的HIX值大于3.0)。且HIX值在土层间差异性较大，随土层深度增加，HIX值呈下降趋势，表明土层越深，其DOM腐殖化程度越低。这与Li等[23]对草地、农田与林地土壤的研究结果相似。由荧光特征指数可知，林地各土层DOM主要来源于外界环境中的动植物残体、根系分泌物等，且随雨水等向下迁移。结合紫外光谱指数可知，小分子量、低芳香性、亲水性化合物易迁移至土层深处。
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(图中不同小写字母表示同一树种下不同土层间差异显著(P < 0.05)，*表示同一土层不同树种间差异显著(P < 0.05)) 图 6 不同深度林地土壤DOM荧光指数(A)、自生源指数(B)和腐殖化指数(C) Fig. 6 Fluorescence (A), biological (B), and the humification (C) indexes in forest soil DOMs in different depths |
图 7显示，林地表层(0~20 cm)土壤DOM与其他土层土壤DOM距离均较远，DOM特性差异较大。不同树种树下土壤DOM特性有一定差异。第1主成分(PC1)对DOM特性差异贡献率为61.9%，第2主成分(PC2)对DOM特性差异贡献率为19.9%，共为81.8%。表层土壤DOM组分相对分子质量、疏水性等更高，与相关指标正相关。深层土壤DOM与小分子类组分及自源性指标等正相关。DOC与C4、C5、C1、C2、SOC极显著正相关，与BIX和FI指数极显著负相关，表明林地各土层土壤有机质主要来源于外部植物残体，且可释放的DOM占比相对稳定，其组分较C3更稳定。TOC与C3组分极显著负相关以及DOC/TOC与C3组分极显著正相关，表明土壤有机质从表层到深层存在淋溶与分解过程，其内部的C3组分更易迁移至深处[24-25]。C3组分与其他组分无显著相关性，其他组分向C3转化相对较少，无对应的微生物过程[23]。水溶性高、分子量较小的DOM组分更易渗透到深层土壤中，且深层土壤中微生物数量和活性均较低，导致随水下渗至土壤深层的DOM组分没有被快速分解。
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(*、**分别表示在P < 0.05、P < 0.01水平显著相关) 图 7 不同深度林地土壤DOM含量、组分与性质主成分分析(A)和相关性分析(B) Fig. 7 Principal component analysis (A) and Pearson correlation analysis (B) on characteristics of soil DOMs in different depths |
1) 林地土壤有机质和DOM含量随土壤深度增加而显著下降，但深层土壤(60~80 cm和80~100 cm) DOC/TOC值较高。
2) 林地土壤DOM分子量、芳香性与疏水性整体表现为深层 < 表层(0~20 cm)。
3) 林地土壤DOM荧光组分较多，且随土层深度增加，类胡敏酸物质含量与占比下降，类酪氨酸物质含量与占比上升；林地各深度土层土壤DOM的主要来源为植物残体，自生源较少，尤其是其表层土壤。
4) 不同树种土壤DOM含量差异较大，但其组分相似，且1m深度内纵向变化趋势相似。
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2. Jinzhai Branch of Lu'an Ecological Environment Bureau, Luan, Anhui 237321, China;
3. School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210023, China