张苗苗， 陈 伟， 赵 军， 林 丽， 张德罡*

(1. 甘肃农业大学草业学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 兰州城市学院地理与环境工程学院， 甘肃 兰州 730070； 3. 甘肃祁连山 国家级自然保护区西营河自然保护站， 甘肃 张掖 734031； 4. 中国科学院西北高原生物研究所， 青海 西宁 810001)

土壤可溶性有机质(Dissolved Organic Matter，DOM)是包括腐殖酸、有机酸、氨基酸等一系列组分在内的复杂可溶性混合物[1-2]，主要来源于植物凋落物、根系及其根系分泌物、微生物、土壤腐殖质等[3-4]。它不仅与土壤养分的有效性息息相关，而且是植物和微生物重要的能量和养分来源，又因其具有高度的流动性，是土壤底层有机质的重要来源之一，所以DOM影响着生态系统的生产力和可持续发展[5]。DOM虽然在有机质中的比例很小[6-8]，但它是陆地生态系统中极为活跃的组分，生物圈碳平衡很小的变化就会引起DOM的反馈，可用来反映有机质和环境条件的变化[7,9]。DOM的组分和结构特性会影响其化学稳定性、可利用性和在土壤中的吸附特性[7]。有研究指出，芳香化和腐殖化程度高的DOM具有更高的稳定性，容易被土壤颗粒吸附，更有利于有机质的积累[10-12]。土地利用方式是陆地碳库动态变化的重要驱动力，目前针对土地利用方式对土壤有机质含量及其结构性质影响的研究较多[13-15]，对DOM影响的研究多集中在湖泊河流、生活垃圾、猪粪堆肥、森林和农田土壤等方面[16-20]，种植不同类型的作物和不同的草地类型对土壤有机质和DOM含量均有显著影响[21-22]，但针对不同土地利用方式对青海省高寒草甸土壤DOM影响的研究却非常少。

目前，对DOM研究采用较多的是光谱法，其操作简单，分析高效，分析结果信息量丰富，并且不会对样品产生破坏[6]。紫外-可见光谱和荧光光谱法常被用来表征土壤中有机质的特性和来源[6-7,23]。单位浓度可溶性有机质在波长254 nm处的紫外吸光度值能够反映样品中腐殖质类大分子有机物及含有C=C和C=O的芳香环有机物相对含量的多少[24]。可溶性有机质在280 nm波长处的紫外吸光度也能提供其分子量大小和芳香性程度等有关的信息[25]。而荧光指数f450/500和腐殖化指数HIX则常被用来表征可溶性有机质中腐殖质的来源和腐殖化程度[26-27]。

高寒草甸作为青海省广泛分布的主要植被类型之一，不仅为当地居民的生产生活提供了物质基础，还具有涵养水源、保持水土等多种生态功能[28]。但由于不同利用方式的影响，高寒草甸原有的生态平衡逐渐被打破。本研究以4种不同利用方式下的高寒草甸土壤为对象，在测定不同土层有机碳和可溶性有机碳含量的同时，采用紫外-可见光谱和荧光光谱法，对其DOM的结构特性进行分析，以期进一步了解DOM的数量和结构对不同土地利用方式的响应，为青海省高寒草甸生态系统维持及草地合理经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

采样点位于青海省东北部海北藏族自治州门源县境内，地处青藏高原东北部，属于明显的高原大陆性气候，四季区分不明显，只有冷暖两季，年平均气温在-0.4～-2.5℃之间，年降雨量在425～850 mm之间，年蒸发量100 mm左右，形成了独特的高寒草甸生态系统[29-30]。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择 在原生植被为高寒草甸的区域内，选取次生沙棘林地、退耕还林地、农田和天然放牧地等4种典型的土地利用方式，各样地具体情况见表1。

1.2.2土壤样品采集 采样时间为2017年7月-8月。在4种土地利用方式样地中随机设置3个10 m×10 m的重复样方，每个样方用土钻按0～10 cm和10～20 cm土层重复采集10个土样，同一样方采集的土样混合成一个样品。

1.2.3指标测定 土壤可溶性有机质提取：土样风干后过2 mm筛，按照水土比10∶1的比例浸提，25℃恒温震荡60 min，悬浊液以4 000 r/min的速度离心20 min，上清液过0.45 μm滤膜。

可溶性有机碳：利用总有机碳分析仪(vario TOC SELECT)测定可溶性有机碳的含量，用DOC/mg·L-1表示。

紫外光谱：将可溶性有机质提取液采用紫外-可见光分光光度计(UV-2450)进行扫描，扫描波长范围为200～800 nm，扫描波长间隔1 nm，扫描前可溶性有机质的碳浓度标准化到10 mg·L-1。测定254 nm，280 nm处的吸光度值，分别记为E254和E280，计算参数SUVA254=E254/DOC×100，SUVA280=E280/DOC×100。

荧光光谱：采用荧光分光光度计(RF-5301PC)进行扫描。激发和发射光栅狭缝宽度为5 nm，扫描速度为3 000 nm·min-1。

激发、发射荧光光谱：选择激发波长370 nm，对380～550 nm发射波长进行扫描，得到发射光谱。发射光谱中荧光强度在发射波长450 nm和500 nm处的比值，即荧光指数(f450/500)，可表征可溶性有机质的芳香性。选择激发波长在254 nm处，对280～500 nm的发射波长进行扫描，通过荧光强度曲线和发射光谱435～480 nm与300～345 nm所包围面积的比值计算腐殖化指数(HIX)[26]。

表1 样地概况Table 1 Description of sampling sites

同步荧光光谱：在发射波长为250～500 nm的范围内，以固定波长差△λ=60 nm同时扫描激发和发射光谱，得到光谱图[7,26,31]。

1.3 数据分析处理

运用Excel2010、SPSS19.0和Origin2017软件分析处理文中数据并制图。采用单因素方差分析法比较不同利用方式土壤有机碳、可溶性有机碳及其结构特性之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 利用方式对土壤有机碳和可溶性有机碳含量的影响

从表2可以看出，利用方式对高寒草甸土壤有机碳和可溶性有机碳含量均有影响。0～10 cm土层，有机碳含量从高到低的顺序为天然放牧地>退耕还林地>次生沙棘林>农田，且互相之间差异显著(P<0.05)。其中，天然放牧地含量达到9.54%，是农田有机碳含量的近4倍。可溶性有机碳含量有相同变化趋势，天然放牧地含量是农田的2倍以上。

10～20 cm土层，有机碳含量从高到低的顺序同样为天然放牧地>退耕还林地>次生沙棘林>农田，互相之间差异显著(P<0.05)。但含量最高的天然放牧地与含量最低的农田之间差距变小。可溶性有机碳含量从高到低的顺序为退耕还林地>次生沙棘林>天然放牧地>农田，互相之间差异显著(P<0.05)，与0～10 cm土层相比发生变化。

不同利用方式下，土壤有机碳和可溶性有机碳含量均呈现出0～10 cm土层高于10～20 cm土层的变化规律。

表2 不同利用方式高寒草甸土壤有机碳和可溶性有机碳含量Table 2 Content of soil organic carbon and dissolved organic carbon in different land use types of Alpine meadow

注：同列不同大写字母表示0～10 cm土层差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示10～20 cm土层差异显著(P<0.05)，下同

Note：The values with different capital letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level in 0-10 cm layers while different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level in 10-20 cm layers. The same as below

2.2 紫外-可见光光谱特征

2.2.1光谱分析 图1为4种利用方式下高寒草甸土壤可溶性有机质紫外-可见光扫描谱图。可以看出，土壤可溶性有机质的吸光度值随着波长的增加而呈降低趋势，在紫外光区的吸光度明显比可见光区大。天然放牧地、次生沙棘林和退耕还林地土壤可溶性有机质紫外-可见光图谱非常相似，在280 nm左右有一个吸收平台，吸光度值在200 nm处达到最高，峰值由大到小的顺序为天然放牧地>次生沙棘林>退耕还林地，且0～10 cm土层各波段的吸光度值要高于10～20 cm土层。农田土壤可溶性有机质紫外-可见光图谱虽然在280 nm处也出现吸收平台，但吸光度值要远低于其他3种土地利用方式。

图1 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性有机质紫外可见光吸收光谱Fig 1 Ultraviolet-visible spectroscopy of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow

2.2.2光谱参数分析 图2和图3显示，0～10 cm土层和10～20 cm土层天然放牧地可溶性有机质SUVA254和SUVA280显著高于其他利用方式(P<0.05)，其次是次生沙棘林和退耕还林地，农田最低，且互相之间差异显著(P<0.05)。除农田外，其他利用方式土壤可溶性有机质SUVA254和SUVA280随着土层的加深均有所降低。

图2 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性有机质SUVA254Fig 2 SUVA254 of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow注：误差线为标准差。不同大写字母表示0～10 cm土层差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示10～20 cm土层差异显著(P<0.05)。下同Note:Error bar means standard deviation. Different capital letters indicate significant differences at the 0.05 level in 0-10 cm layers while different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level in 10-20 cm layers. The same as below

图3 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性有机质SUVA280Fig 3 SUVA280 of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow

2.3 荧光光谱特征

2.3.1光谱参数分析 表3显示，4种利用方式下土壤可溶性有机质f450/500由低到高的顺序为天然放牧地<次生沙棘林<退耕还林地<农田，且均在1.4～1.9之间，土层间的差异不大(P<0.05)。HIX由高到底的顺序为天然放牧地>次生沙棘林>退耕还林地>农田，互相之间差异显著(P<0.05)，且呈现出0～10 cm土层大于10～20 cm土层的趋势。

2.3.2同步荧光光谱分析 图4为0～10 cm和10～20 cm土层各利用方式土壤可溶性有机质的同步荧光光谱。从图中可以看出，可溶性有机质的特征峰主要有以下3个：(1)250～300 nm处，代表类蛋白基团区域，如芳香氨基酸；(2)300～370 nm处，代表富里酸类区域，指示存在3～4个苯环构成的多环芳烃和2～3个共轭结构的不饱和脂肪结构；(3)371～600 nm处，代表胡敏酸类区域，对应于5～7个苯环构成的多环芳烃。各利用类型土壤可溶性有机质出现特征峰的位置大致相同，但相对峰面积不同。

表3 不同利用方式高寒草甸土壤可溶性 有机质荧光指数和腐殖化指数Table 3 f450/500 and HIX of soil dissolved organic matter in different land use types of Alpine meadow

0～10 cm土层，在250～300 nm处的特征峰面积差别不大；在300～370 nm处的特征峰面积由大到小的顺序为退耕还林地>农田>天然放牧地，次生沙棘林在此波段特征峰不明显；在371～600 nm处的特征峰面积天然放牧地最大，其次是次生沙棘林和退耕还林地，农田最小。

10～20 cm土层，在250～300 nm处的特征峰面积差别不大；在300～370 nm处的特征峰面积天然放牧地和农田较大，退耕还林地次之，次生沙棘林在此波段特征峰不明显；在370～600 nm处的特征峰面积从大到小的顺序为天然放牧地>次生沙棘林>退耕还林地和农田。

综合0～10 cm和10～20 cm土层土壤可溶性有机质同步荧光光谱分析可以得出，4种利用方式下土壤可溶性有机质含有的简单类蛋白物质含量差别不大，天然放牧地、退耕还林地和农田含有的富里酸类区域峰面积大小近似，但是次生沙棘林在此区域内未见明显特征峰。4种利用方式土壤可溶性有机质胡敏酸类区域差异较大，天然放牧地含有较多的多环芳烃，其次是次生沙棘林和退耕还林地，农田最少。不同土层之间差异不明显。

图4 不同利用方式高寒草甸0～10 cm土层和10～20 cm土层土壤可溶性有机质同步荧光光谱Fig.4 Synchronous fluorescence spectra of soil dissolved organic matter in 0 to 10cm layers and 10 to 20 cm layers in different land use types of Alpine meadow

3 讨论

土壤可溶性有机质主要来源于植物凋落物、动植物残体以及土壤有机质的分解，根系分泌物和微生物也是重要来源[7]。植被覆盖类型和农业生产管理措施的不同，会引起土壤中有机碳库组分和分布发生变化[32]。土壤表层由于地上生物量和植物凋落物的不断增加以及根系分泌物的积累，为土壤有机碳库提供了大量可溶性有机碳组分[33]。有研究表明，土壤的利用方式会影响其中的微生物种类和有机质的数量与质量[34]。不同种植方式下的土壤，耕地土壤中的可溶性有机质含量较低，林地和草地中的明显较高[23,35-36]。本研究中，0～10 cm土层可溶性有机碳含量与有机碳含量由高到低的变化规律一致，均为天然放牧地>退耕还林地>次生沙棘林>农田，与上述研究规律一致。天然放牧地是土壤受扰动最小的利用方式，因此可溶性有机碳含量最高[37]。10～20 cm土层土壤可溶性有机碳含量则是退耕还林地和次生沙棘林较高，可能与云杉和沙棘相对于天然放牧地的藏嵩草、鹅绒委陵菜、二裂委陵菜和青稞扎根较深有关，其根系分泌物和根际微生物为可溶性有机质提供了更多来源。研究还表明，可溶性有机质含量随土层深度的加深而降低[35,38]，与本文结论一致。

从紫外-可见光光谱特性来看，土壤可溶性有机质的吸光度值随着波长的增加而逐渐减小，这与魏自民等[17]、王齐磊等[1]、张甲等[39]的研究结论一致。已有的研究显示，280 nm附近的吸收平台为腐殖质物质中木质素磺酸及其衍生物的光吸收所引起，随着腐殖质芳香族和不饱和共扼双键结构的增加，单位摩尔的腐殖质物质紫外吸收强度增强[27,40]。一般情况下，随着DOM分子结构复杂程度的增加，其紫外光谱各波长对应的吸光度均呈增加趋势[17-18]。通过紫外-可见光光谱分析可知，天然放牧地土壤含有更多的芳香族和不饱和共扼双键结构，结构更为复杂，其次是次生沙棘林和退耕还林地，农田最低。同时，0～10 cm土层可溶性有机质结构比10～20 cm土层更为复杂。

特定波长的紫外-可见光吸收比常被用来指示可溶性有机质的腐殖化或聚合程度[41]。有研究表明，254 nm处的摩尔吸光度(SUVA254)和280 nm处的摩尔吸光度(SUVA280)分别可用于表征有机质的芳香化程度和分子量大小，其值越大，芳香化程度越高，分子量越大[6,38,42-44]。从SUVA254和SUVA280等紫外-可见光光谱参数来看，天然放牧地土壤可溶性有机质芳香化程度较高，分子量较大。有研究表明，天然林土壤可溶性有机质的芳香化程度和腐殖化程度均高于人工林[5]，天然放牧地虽不是天然林，但却是在高寒草甸中受到扰动最小的一种利用方式，有相对稳定且持续的凋落物归还量，在合理放牧的情况下通过家畜为土壤提供了相当数量的有机肥料，为增加微生物活性和多样性提供可能。当凋落物等植物残体分解加快，产物中大量结构复杂、分子量大的芳香化合物迅速积累，这个过程不仅使土壤可溶性有机质的芳香化指数上升，同时还有利于腐殖物质的形成。随着土层的加深4种利用方式下土壤可溶性有机质芳香性有所降低，这与Maddalena等[43]、Bu等[38]的研究结论一致。

荧光指数f450/500常被用来研究和表征可溶性有机质中腐殖质的来源和腐殖化程度[26-27]。一般f450/500值越高，说明可溶性有机物的芳香性越低[26]。表3显示，天然放牧地f450/500最低，说明其可溶性有机质的芳香性高于其他利用方式。f450/500小于1.4和大于1.9分别指示可溶性有机质的来源是植物和微生物，处于中间范围则是混合来源[27,45-46]。有研究认为，可溶性有机质的腐殖化是随着C/H的增加而发生的，并会导致向更高的荧光发射波长转移[43]，因此腐殖化指数(HIX)一般可以用来指示可溶性有机质的缩合程度[38]。通过荧光光谱参数分析可知，4种利用方式下下高寒草甸土壤可溶性有机质主要来源于植物和微生物的混合来源，腐殖化指数HIX表明天然放牧地土壤可溶性有机质缩合程度较高，结构更复杂，并随着土层的加深有降低趋势，与紫外-可见光光谱特性结论一致。

同步荧光法具有选择性好、干扰少、谱图简化、灵敏度高等特点，尤其适合对多组分混合物的分析[38,47-48]。有研究表明，短波长范围的特征峰主要由分子结构简单、分子缩合度较低的有机物质形成，而分子质量较大，复杂化程度较高的有机物质所形成的特征峰处在长波长范围[49-50]。同步荧光光谱分析中可以看出，4种利用方式下土壤可溶性有机质含有的简单类蛋白物质含量差别不大，天然放牧地、退耕还林地和农田含有的富里酸类区域峰面积大小近似，但是次生沙棘林在此区域内未见明显特征峰，可能与沙棘根系存在根瘤有关。4种利用方式土壤可溶性有机质胡敏酸类区域差异较大，天然放牧地含有较多的多环芳烃，其次是次生沙棘林和退耕还林地，农田最少。有研究表明，各类峰的相对面积大小表征分子基团含量的多少[6]，250～300 nm处的荧光峰代表结构较简单的芳香性化合物，波长较长处的荧光峰则代表结构更加复杂的多环芳烃化合物[17]，因此，通过荧光光谱特性分析得出天然放牧地土壤可溶性有机质腐殖化程度较高，且是由多环芳烃化合物组成。

天然放牧地作为距离原始的高寒草甸最近的演替阶段，其有机碳含量、可溶性有机碳含量及其复杂程度都处于较高水平。农田是扰动较大的一种土地利用方式，由于耕作、田间管理等因素的影响，其土壤状态离原始状态最远，有机质含量、可溶性有机质含量及其复杂程度最低。次生沙棘林和退耕还林地虽也受到扰动，但比农田更好地向原始状态靠近。可以在一定程度上把天然放牧地、次生沙棘林和退耕还林地、农田分别归类为由轻到重的不同退化阶段，而同步荧光光谱在420 nm附近的荧光峰能够更简单直接地体现出这一点，可以尝试将此作为区分不同退化阶段的依据之一。关于土壤可溶性有机质光谱特性对草地退化的具体指示作用还有待于进一步研究。

4 结论

天然放牧地0～10 cm土层土壤可溶性有机质含量、芳香化程度和腐殖化程度均较高。退耕还林地和次生沙棘林10～20 cm土层可溶性有机质含量较高，但芳香化程度和腐殖化程度较低。

土壤可溶性有机质的芳香化程度和腐殖化程度有随着土层的加深而逐渐降低的趋势。天然放牧地土壤可溶性有机质的结构更为复杂，易被土壤胶体吸附，稳定性更强，利于有机碳的积累和碳库稳定，对维护碳库平衡和生态稳定有积极作用。而扰动后的次生沙棘林、退耕还林地和农田都在不同程度上降低了这种作用的发挥。

紫外-可见光光谱分析和荧光光谱分析中，不同特征参数对4种利用方式土壤可溶性有机质结构和性质的指示灵敏程度不同，在应用过程中，可以尝试将两种分析方法联合使用，可以有效提高测定的全面性和准确度。