郗 敏, 刘姝红, 张艳艳, 李 悦, 孔范龙

(1.青岛大学 环境科学与工程学院, 山东 青岛 266071; 2.浙江瑞阳环保科技有限公司, 浙江 杭州 310019)

土壤溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)的淋溶作用是指土壤DOC在渗漏水的作用下由土壤上部向下部迁移，或发生侧向迁移的一种土壤发生过程[1-2]。淋溶作用下导致的DOC流失是土壤总有机碳(TOC)损失的重要途径[3-4]。土壤中DOC的长期淋失会使生态系统的限制性元素(N，P)也随之流失，进而导致土壤的肥力和质量下降，影响生态系统养分循环过程和生态系统生产力[5]。同时，DOC的淋溶作用会导致土壤微生物可直接利用的有机碳源减少，抑制土壤微生物的活性，影响营养物质的供给和有效性[6]。因此，开展土壤溶解性有机碳的淋溶特征的研究，对科学理解土壤有机质的积累和迁移过程具有重要意义。

目前，土壤DOC淋溶已经开展了部分的研究工作，研究区域主要集中于森林[7-8]、农田[9]、草地[10-11]等生态系统，研究内容主要侧重于其含量时空变化的分析[2-3]及影响因素等，且对影响因素的关注尤为显著，主要关注土壤植被种类和覆盖度、微生物种类和数量、土壤温湿度、降水量、土地利用方式等因素的影响[12-16]。研究结果表明，生物因素(植被和微生物)直接影响土壤淋溶过程中DOC的生成和淋失，而非生物因素(土壤温湿度、降水等)和人为因素(土地利用和土地管理)通过影响微生物活性、植被生长、土壤颗粒对DOC的吸附能力等而间接影响土壤淋溶过程中DOC含量的动态变化[17]。总体来看，对于土壤DOC淋溶特征的关注主要集中于其含量方面，而关于结构的研究相对较少。淋溶过程中DOC结构的改变会使土壤的矿物质成分发生变化，影响微生物对有机碳的分解能力和土壤有机碳的稳定性[18]，影响DOC在土壤中的截留、转化[15]，进而影响土壤对DOC的解吸附能力[19]。因此，在当前更为关注含量的基础上，加强淋溶过程中DOC结构的研究，是对土壤DOC淋溶过程研究的深入和完善。

滨海湿地处于陆地和海洋的过渡带，是连接水生生态系统和陆地生态系统的重要生态交错带[20]，其生态系统水文波动频繁，淋溶过程频繁发生[21]。且滨海湿地的土壤粒径较大，具有较高的孔隙度和较小的容重，长期的潮汐作用使其盐碱化程度存在一定的差异，这些特征对水的渗透、胶结物质的形成等有明显的影响，必然使其淋溶过程有别于其他生态系统。但目前关于滨海湿地土壤淋溶的相关研究尚不系统。选择4种不同湿地土壤为供试土壤，采用室内土柱模拟试验，探究滨海湿地土壤DOC的淋溶迁移特征，以期揭示不同土壤DOC含量及结构特征的动态变化，有助于全面认识DOC在土壤剖面中的含量分布、迁移转化过程等环境行为，同时可为滨海湿地土壤碳素研究提供更全面的基础数据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概括

胶州湾滨海湿地位于山东省青岛市(N36°07′—36°13′，E120°03′—120°10′)，地处于胶州湾的北部及西北部沿岸，是山东半岛面积最大的河口海湾型湿地，已被列入《中国重要湿地名录》。该区域湿地总面积约1.78×105hm2，海拔0～5 m，属于温带季风气候，年平均降雨量为900 mm，年均温度12 ℃，无霜期220 d左右[22]。土壤受海水潮汐作用、植被演替、降水以及人为因素的影响，其土质不断发生变化。本研究区位于大沽河口和洋河口，大沽河作为青岛的母亲河，其流域面积为6 131.3 km2，流量约占注入胶州湾的4条主要河流总流量85.6%，大沽河距海由近及远已形成由无植被覆盖光滩到碱蓬以至芦苇的梯度性植被景观；洋河干流全长49 km，流域面积为303 km2，自1963年从国外引进米草以来，洋河口逐渐形成典型的米草草滩。研究区土壤主要是黏质土和沙质土。

1.2 土壤样品采集

根据湿地水文条件及植被分布状况，采用GPS定位，于2015年8月在胶州湾滨海湿地选取了4种具有代表性的湿地土壤(光滩湿地、碱蓬湿地、芦苇湿地、米草湿地)进行采样研究。每个样地随机选择3处采样点，每个采样点分别挖掘3个平行土壤剖面，每个剖面采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm的土样(待样品风干后，将平行土壤剖面同一土层样品混合来代表该样点对应土层样品)，4个样地共采集36份土样。将土壤样品分别装于袋中带回实验室，捡去动植物残体、石块等杂物，置于阴凉处风干后磨碎，过20目孔筛。一部分用于土壤基本理化性质的测定，另一部分在4 ℃条件下保存备用，用于土柱的填充。供试土壤的理化性质见表1。

1.3 试验设计

采用土柱模拟试验淋溶法，淋溶装置由3个直径5 cm，高10 cm的有机玻璃材质土柱组成。柱子顶盖和底端的中心处各设置一个孔径为2 cm的圆孔，以便于添加淋溶液和收集淋滤液。土柱由下往上依次为：一张定性快速滤纸，2～3 mm脱脂棉(压实)，2～3 cm的石英砂(粒径250～550 μm)，约160 g土样(石英砂校正)，再加一层脱脂棉，最后在土柱顶部均匀的加一层粗颗粒的石英砂。淋滤过程中为保证每一批柱子都以相同的速率添加淋溶液以减少人为误差，在各土柱间均连接蠕动泵。土柱装置示意图如图1所示。试验所用的淋滤液均为去离子水，利用蠕动泵使去离子水以恒定的速度泵入0—20 cm土层，淋溶完成后取出50 ml滤出液将其过0.45 μm玻璃纤维滤膜后待测，其余则继续淋溶20—40 cm土层，以此类推，直至逐层淋溶完40—60 cm。每个剖面用于淋溶试验的初始去离子水与3层土柱的土重之和保持1∶1的比例。试验设计一周为一个淋溶周期，每个土柱共淋溶7次。

表1 供试土壤的基本理化性质

图1 土柱淋溶装置示意图

1.4 样品分析

1.5 数据处理方法

本文使用的数据均通过试验获得，并采用Excel 2007软件对试验数据进行初步整理，采用Pearson相关分析与单因素方差分析的方法，利用SPSS 20.0软件，对整理的数据进行分析。采用Origin 8.0，Corel Draw X7软件进行绘图。

表2 紫外-可见光谱参数描述

2 结果与分析

2.1 土壤淋出液DOC含量变化

2.1.1 土壤淋出液DOC含量变化 淋溶结束，土壤淋出液DOC含量整体表现为芦苇湿地(23.12 mg/L)>碱蓬湿地(15.22 mg/L)>米草湿地(14.44 mg/L)>光滩湿地(8.38 mg/L)(图2)。经单因素方差分析，仅芦苇湿地土壤淋出液DOC含量与其余湿地土壤淋出液DOC含量差异显著，其余3种湿地间无显著性差异(图2)。

注：单位mg/L是指假设每一土柱淋出1 L溶液时DOC的淋出量，相同字母表示两两比较无显著性差异，不同字母表示差异显著(p<0.05)。

图2不同土壤淋出液DOC含量变化

2.1.2 不同土层淋出液DOC含量变化 淋溶周期内，DOC的含量随土层深度的增加而逐渐升高，且DOC含量在淋溶上层土壤后大量增加，中层和下层土壤淋出液DOC含量增加不明显(图3)。上层土壤淋出液DOC含量在4.42～14.71 mg/L之间，平均为9.44 mg/L，占土壤淋出液DOC含量的52.74%～63.99%，平均为61.69%；中层土壤淋出液DOC含量在1.44～4.15 mg/L之间，平均为2.31 mg/L，占土壤淋出液DOC含量的10.51%～17.94%，平均为15.10%；下层土壤淋出液DOC含量在2.52～4.27 mg/L之间，平均为3.55 mg/L，占土壤淋出液DOC含量的18.46%～30.07%，平均为23.21%。

经单因素方差分析，上层不同土壤淋出液DOC含量存在显著性差异，中层和下层无显著性差异；同一土壤淋出液DOC含量上层与中层、下层存在显著差异性，中层与下层之间无显著性差异。

注：相同大写字母表示同一土层不同样地两两比较不存在显著性差异，不同大写字母表示差异性显著(p<0.05)；相同小写字母表示同一样地不同土层两两比较不存在显著性差异，不同小写字母表示差异性显著(p<0.05)。

图3不同土层淋出液DOC含量变化

2.2 土壤淋出液DOC结构变化

2.2.1 土壤淋出液DOC的吸收光谱特征 4种土壤淋出液DOC的光谱特征值(A280，A254，A253/A203，A250/A365，A240/A420)存在一定的差异性。淋溶结束时，土壤淋出液DOC的A254值为碱蓬湿地(0.647 8)>光滩湿地(0.536 3)>芦苇湿地(0.433 9)>米草湿地(0.427 7)；A280值表现为碱蓬湿地(0.474 2)>光滩湿地(0.386 1)>米草湿地(0.323 6)>芦苇湿地(0.316 3)；A253/A203比值为芦苇湿地(0.551 3)>米草湿地(0.432 4)>碱蓬湿地(0.375 9)>光滩湿地(0.357 9)；A250/A365和A240/A420比值为光滩湿地(6.707 7，16.353 6)最大，碱蓬湿地(5.490 0，13.659 7)和芦苇湿地(5.824 0，11.782 7)居中，而米草湿地(5.131 3，10.841 0)最小(图4)。

图4 不同土壤DOC紫外-可见光谱特征参数

2.2.2 不同土层淋出液DOC的吸收光谱特征 各层土壤淋出液DOC的光谱特征值(A254，A280，A253/A203，A250/A365，A240/A420)进行分析比较，反映土壤淋出液DOC腐殖化程度和芳香性的A254，A280在垂直方向上表现为下层>中层>上层。表征土壤淋出液DOC中芳香环可取代程度的A253/A203在垂直方向上为上层>中层>下层(图5)，且数值变化特征不明显。表征土壤中溶解性有机碳分子量和聚合度的A250/A365和A240/A420在垂直方向上均表现为下层>中层>上层(图5)。

3 讨 论

3.1 土壤淋出液DOC含量变化特征

研究得出，土壤与其淋出液中DOC含量呈极显著负相关(r=-0.876，p<0.01)，光滩湿地土壤DOC含量最高，其淋出液DOC含量最低；有植被覆盖的3种土壤中，DOC含量最低的芦苇湿地其淋出液DOC含量反而最高。分析认为，土壤中植物残体的分解和土壤自身理化性质的差异导致了这一结果。

图5 不同土层DOC紫外-可见光谱特征参数

已有研究认为，土壤中植被残体分解有利于提高土壤淋出液DOC含量[28]，而光滩湿地几乎无植被覆盖，植被残体较少，因此直接导致其淋出液DOC的含量较低。在3种有植被覆盖的土壤中，其淋出液DOC含量主要受到土壤自身理化性质的影响，芦苇湿地所处区域干湿交替现象严重，干湿交替时期植物残体的分解常数远大于连续渍水或干旱时期，干湿交替会引起土壤收缩和膨胀，使一些团聚体中的有机质暴露在土壤的表面[29]，且土壤多为砂质性土壤，吸附可溶性有机质的能力较弱，有利于淋溶过程中DOC随淋滤液淋出，导致淋出液DOC含量较高；而米草湿地由于长期处于水淹状态下，土壤黏性较大且通透性差，导致土壤对DOC的吸附能力强[30]，使得DOC在淋溶过程中不易流失。关于土壤自身的理化性质影响土壤DOC淋溶过程，这在姜海超[8]对吉林省主要土壤DOC开展的淋溶试验研究中也得到了相同的结论。

由于土壤性质和DOC含量的不同，土壤淋出液DOC含量在不同土层之间存在一定差异。随着土层深度增加，淋出液DOC含量表现为增加趋势。究其原因，土壤DOC易迁移，表现为疏水性组分吸附土壤、亲水性组分随有机质向深层迁移，致使深层土壤亲水性DOC组分较多[31]，随着淋溶过程的发生易与淋滤液相结合，且在淋溶过程中各土层DOC都出现了解吸现象，导致淋出液DOC含量逐层增加。这与熊丽等[7]用超纯水淋溶米槠天然林土壤得出的研究结果一致。虽然土壤淋出液DOC含量随土层深度增加，但上层DOC占比最大，达61.69%；中层和下层相比，中层(15.10%)小于下层(23.21%)，这主要取决于不同层土壤DOC的含量以及土层对土壤DOC的解吸附能力差异。土壤上层因植被凋落物和根系分布、潮汐作用带来的藻类、海洋悬浮物等的堆积[32]，以及湿地土壤上层水热条件适宜，土壤酶以及微生物的活性高等因素的影响，导致DOC含量最高，直接表现为上层淋出液DOC含量占比最大[33]。而随着土层深度的增加，可供微生物利用的有机质减少[34]，土壤颗粒及矿物质的吸附截留和土壤水分的减少，导致有机碳的淋溶作用减弱，从而直接减少了淋出液DOC含量。而由中层到下层的淋溶过程中，土壤淋出液DOC的占比由15.10%上升到23.21%，主要是土层对土壤DOC的解吸附能力差异造成的，与中层相比，下层有机碳含量低、黏粒和铁铝氧化物含量高，未被占据的吸附位点也较多[35]，土壤吸附DOC的能力强，导致下层淋出液DOC的含量高于中层，这一研究结果与余元春等[36]研究结果一致。

3.2 土壤淋出液DOC结构变化特征

不同土壤淋出液DOC的芳香性、腐殖化程度、分子量和聚合度存在一定的差异。碱蓬湿地淋出液DOC芳香性和腐殖化程度最高，这主要由土壤中DOC来源于不同植被决定[37]。碱蓬是藜科的叶肉质化真盐生植物，与同为禾本科的芦苇和米草相比，所含化学成分更易分解，其植被及腐烂根系的分解使得土壤DOC芳香性和腐殖化程度高，直接导致碱蓬湿地淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度最高，这与相关研究表明植物的叶片质量和结构差异会影响DOC化学组成和性质的结论一致[38]。米草湿地淋出液DOC分子量和聚合度最大，主要由土壤中DOC的来源不同所致，来源于植物的DOC含有较多的疏水性组分(聚合度和分子量大)[39]。米草是一种根状茎禾本科植物，具有耐盐耐淹、根系发达和繁殖力强等特点，米草自身凋落物残体以及米草固碳作用使得大量的有机碳进入土壤，增加了土壤微生物对土壤中活性有机碳的利用程度，加强土壤中烷氧碳的利用程度，使烷基碳相对富集，导致烷基碳/烷氧碳比值增加，从而有助于提高土壤有机碳分子量大小和团聚体结合的稳定性[30]，导致米草湿地淋出液DOC分子量和聚合度最大。另一方面米草湿地距海较近，受潮汐作用影响强烈，小分子组分易溶解于潮水中迁移至海洋，导致米草湿地中DOC分子量和聚合度大的物质多，淋出液DOC分子量和聚合度大于其他有植被覆盖的湿地。关于土壤淋出液DOC结构特征受DOC自身的化学性质影响的研究结论，与曾敏[37]等人在红壤侵蚀退化地土壤对不同来源可溶性有机碳的吸附特征的研究结果一致。

随着土层深度的增加，土壤淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度增加，团聚化程度和分子量逐渐减小。这主要是由于随着土层深度的增加，土壤受外界环境影响越小，而土壤自身的解吸附作用成为影响淋出液DOC性质的主要原因[40]。淋溶完上层土壤后，淋出液中DOC芳香性和腐殖化程度增加，主要因为上层土壤中有机物分解的残留物含量较高，这些残留物含有较多的芳香化合物[39]。而随着淋溶过程的发生，下层土壤中部分芳香类的物质发生了解吸[7]，且上层淋溶下来的物质不易被土壤吸附，导致随土层深度增加淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度逐渐增加。由于上层淋失下来的DOC中大分子组分优先被下层土壤吸附，而同时土壤中的小分子组分又易发生解吸[7]，导致团聚化程度和分子量逐渐减小。这是大分子物质优先吸附和小分子物质解吸共同作用的结果，与相关学者[17]在林地土壤溶解性有机碳淋溶过程提出的共同作用的研究结果一致。

4 结 论

胶州湾滨海湿地不同土壤淋出液DOC含量不同，水平方向上表现为芦苇湿地>碱蓬湿地>米草湿地>光滩湿地；垂直方向上随土层深度的增加而增大。表明土壤中植被残体分解可以提高土壤淋出液DOC含量，且土壤DOC的含量以及各土层对土壤DOC的解吸附能力对土壤淋出液DOC的含量有显著影响。

4种土壤淋出液DOC的光谱特征值存在一定的差异性，碱蓬湿地淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度最高，米草湿地淋出液DOC分子量和团聚化最大；垂直方向上随土层深度的增加，土壤淋出液DOC的芳香性和腐殖化程度增大，团聚化程度和分子量逐渐减小。这主要是由于来源于不同植被的土壤DOC结构存在明显的差异性，且淋溶过程的发生会导致土壤中大分子物质优先吸附和小分子物质易解吸，使得土壤DOC中芳香性物质含量增加，土壤DOC的结构更加稳定，有利于土壤中有机碳的长期积累并成为一个巨大的碳汇。