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Effects of forest regeneration patterns on the quantity and chemical structure of soil solution dissolved organic matter in a subtropical forest.

更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性有机质数量及化学结构的影响


采用负压法对福建省三明市亚热带常绿阔叶林中米槠次生林(BF)、米槠人促更新林(RF)、米槠人工林(CP) 0~15、15~30、30~60 cm土层土壤溶液可溶性有机质(DOM)的浓度及光谱学特征进行研究.结果表明: 土壤溶液可溶性有机碳(DOC)浓度整体趋势为RF>CP>BF,而可溶性有机氮(DON)则为米槠人工林最高;且 DOC 和 DON 在表层(0~15 cm)土壤浓度皆显著高于底层(30~60 cm).芳香化指数大小为RF>CP>BF,且整体为表层较高.米槠人工林表层土壤以荧光强度高的短波峰(320 nm)为特征峰,表明其易分解物质含量高,腐殖化程度较低;而米槠人促更新林表层土壤则以宽平的中长波峰(380 nm)为特征峰,说明其腐殖化程度较高,有助于土壤肥力的储存.此外,30~60 cm深层DOM特性几乎不受森林更新方式的影响.

Using the negative pressure sampling method, the concentrations and spectral characteristics of dissolved organic matter (DOM) of soil solution were studied at 0-15, 15-30, 30-60 cm layers in Castanopsis carlesii forest (BF), humanassisted naturally regenerated C. carlesii forest (RF), C. carlesii plantation (CP) in evergreen broadleaved forests in Sanming City, Fujian Province. The results showed that the overall trend of dissolved organic carbon (DOC) concentrations in soil solution was RF>CP>BF, and the concentration of dissolved organic nitrogen (DON) was highest in C. carlesii plantation. The concentrations of DOC and DON in surface soil (0-15 cm) were all significantly higher than in the subsurface (30-60 cm). The aromatic index (AI) was in the order of RF>CP>BF, and as a whole, the highest AI was observed in the surface soil. Higher fluorescence intensity and a short wave absorption peak (320 nm) were observed in C. carlesii plantation, suggesting the surface soil of C. carlesii plantation was rich in decomposed substance content, while the degree of humification was lower. A medium wave absorption peak (380 nm) was observed in humanassisted naturally regenerated C. carlesii forest, indicating the degree of humification was higher which would contribute to the storage of soil fertility. In addition, DOM characteristics in 30-60 cm soil solution were almost unaffected by forest regeneration patterns.


全 文 :更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性
有机质数量及化学结构的影响
元晓春1,2  林伟盛1,2  蒲晓婷1,2  杨智榕1,2  郑  蔚1,2  陈岳民1,2∗  杨玉盛1,2
( 1福建师范大学地理科学学院, 福州 350007; 2湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州 350007)
摘  要  采用负压法对福建省三明市亚热带常绿阔叶林中米槠次生林(BF)、米槠人促更新
林(RF)、米槠人工林(CP) 0~15、15~30、30~ 60 cm 土层土壤溶液可溶性有机质(DOM)的浓
度及光谱学特征进行研究.结果表明: 土壤溶液可溶性有机碳(DOC)浓度整体趋势为 RF>CP>
BF,而可溶性有机氮(DON)则为米槠人工林最高;且 DOC 和 DON 在表层(0 ~ 15 cm)土壤浓
度皆显著高于底层(30~60 cm) .芳香化指数大小为 RF>CP>BF,且整体为表层较高.米槠人工
林表层土壤以荧光强度高的短波峰(320 nm)为特征峰,表明其易分解物质含量高,腐殖化程
度较低;而米槠人促更新林表层土壤则以宽平的中长波峰(380 nm)为特征峰,说明其腐殖化
程度较高,有助于土壤肥力的储存.此外,30~60 cm深层 DOM特性几乎不受森林更新方式的
影响.
关键词  森林更新; 可溶性有机质; 荧光光谱; 芳香化指数; 腐殖化指数
Effects of forest regeneration patterns on the quantity and chemical structure of soil solution
dissolved organic matter in a subtropical forest. YUAN Xiao⁃chun1,2, LIN Wei⁃sheng1,2, PU
Xiao⁃ting1,2, YANG Zhi⁃rong1,2, ZHENG Wei1,2, CHEN Yue⁃min1,2∗, YANG Yu⁃sheng1,2
( 1School of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2State Key
Laboratory of Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China) .
Abstract: Using the negative pressure sampling method, the concentrations and spectral characte⁃
ristics of dissolved organic matter (DOM) of soil solution were studied at 0-15, 15-30, 30-60 cm
layers in Castanopsis carlesii forest ( BF), human⁃assisted naturally regenerated C. carlesii forest
(RF), C. carlesii plantation (CP) in evergreen broad⁃leaved forests in Sanming City, Fujian Pro⁃
vince. The results showed that the overall trend of dissolved organic carbon (DOC) concentrations
in soil solution was RF>CP>BF, and the concentration of dissolved organic nitrogen (DON) was
highest in C. carlesii plantation. The concentrations of DOC and DON in surface soil (0-15 cm)
were all significantly higher than in the subsurface (30-60 cm). The aromatic index (AI) was in
the order of RF>CP>BF, and as a whole, the highest AI was observed in the surface soil. Higher
fluorescence intensity and a short wave absorption peak (320 nm) were observed in C. carlesii plan⁃
tation, suggesting the surface soil of C. carlesii plantation was rich in decomposed substance con⁃
tent, while the degree of humification was lower. A medium wave absorption peak (380 nm) was
observed in human⁃assisted naturally regenerated C. carlesii forest, indicating the degree of humifi⁃
cation was higher which would contribute to the storage of soil fertility. In addition, DOM characte⁃
ristics in 30-60 cm soil solution were almost unaffected by forest regeneration patterns.
Key words: forest regeneration; dissolved organic matter; fluorescence spectra; aromatic index;
humification index.
本文由国家自然科学基金项目(31130013)和高等学校博士学科点专项科研基金(优先发展领域)项目(20113503130001)资助 This work was
supported by the National Natural Science Foundation of China (31130013) and the Special Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education
(Priority Development Area) (20113503130001).
2015⁃12⁃01 Received, 2016⁃03⁃18 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: ymchen@ fjnu.edu.cn
应 用 生 态 学 报  2016年 6月  第 27卷  第 6期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2016, 27(6): 1845-1852                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201606.023
    可溶性有机质(dissolved organic matter,DOM )
是指通过 0.45 μm 筛孔且能溶解于水、酸或碱溶液
的不同大小和结构的有机分子混合体[1] .虽然 DOM
只占土壤有机质库的一小部分,但是其在调节土壤
养分流失、影响微生物的生长代谢、土壤有机质分解
和转化过程中均有重要影响[2] .一般能溶解在土壤
溶液中的物质才是最活跃的部分.土壤溶液组分是
森林生物地球化学循环过程的敏感指标,能快速响
应周围环境的干扰和变动[3] .因此,土壤溶液 DOM
是森林生态系统最为敏感的指标之一.溶解性有机
碳(dissolved organic carbon,DOC)的吸附有助于土
壤溶解有机碳库的积累[4],溶解性有机氮(dissolved
organic nitrogen,DON)在 N淋溶、矿化和植物吸收利
用 N源等生物过程中起相当重要的作用[5] .DOC 和
DON是 DOM中的主要组成部分,被公认为森林碳
氮循环和养分循环的关键物质,因而成为目前研究
的热点.
亚热带地区由于高温、降雨量大、坡度陡及人为
干扰等原因,土壤有机质极易发生耗损和流失[6],
进而增加生态系统的潜在脆弱性.因此,探讨维持和
提升土壤有机质的途径对本区具有重要的理论和现
实意义.森林更新作为森林培育和调整的重要手段,
其通过皆伐、火烧、整地等营林措施,直接影响土壤
有机质库[7-9] .而 DOM作为体现土壤有机库动态变
化的重要表现形式,对深入评价不同营林活动对土
壤肥力及其养分有效性有着重要价值.目前,有研究
表明,常绿阔叶林人促更新模式下生物量、生产力、
土壤肥力均显著高于人工林[10] .吴波波等[11]研究表
明,采伐剩余物是表层土壤养分的重要来源,保留采
伐剩余物有利于改善林地水热条件和养分循环[12] .
刘翥等[13]指出,天然林转换为人工林后,其土壤表
层 DOC、DON 浓度降低,且芳香化、腐殖化程度降
低.目前,多数研究集中在土壤表层,对深层土壤缺
乏探索.然而,植物根系的总长度在获取养分和水分
上十分重要[14] .有研究指出,米槠林根系发达,虽集
中在土壤表层,但在 0~80 cm均有分布[15] .因而,研
究垂直剖面土壤溶液 DOM 数量及结构对森林更新
方式的响应具有重要意义.
本文选取米槠次生林、米槠人促更新林、米槠人
工林为研究对象,对土壤溶液 DOM 的浓度及光谱
学特征进行研究,旨在探索 DOM 的数量和结构对
森林更新的响应,有助于揭示森林更新下林分的自
肥机理,以期为森林经营方式的合理调整及未来森
林更新方式的选择提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
试验地设在福建三明森林生态系统与全球变化
研究站(26°19′ N,117°36′ E)近 40年生的米槠天然
更新次生林.试验地海拔 330 m,均坡度 33°,年均气
温 19.1 ℃,年均降水量 1749 mm,属于中亚热带季
风气候.区域土壤为花岗岩发育的酸性红壤,厚度超
过 1 m,土壤平均容重为 1.37 g·cm-3 .林地更新前
林分密度为每公顷 2600 株,平均胸径 13.03 cm,平
均树高 16.2 m,主要树种为:米槠(Castanopsis car⁃
lesii)、闽粤栲(Castanopsis fissa)、木姜子(Litsea sub⁃
coriace)、杜英等(Elaeocarpus decipiens),灌木层主要
由鼠剌( Itea chinensis)、山巩(Symplocos caudata)、黄
瑞木(Adinandra dichotama)等组成,草本层以黑莎
草(Gahnia tristis)、芒萁(Dicranopteris dichotama)、毛
冬青( Iles pubescens)、扇叶铁线蕨(Adiantum flabellu⁃
latum)等为主.
1􀆰 2  样地设置
设置 9块 20 m×20 m样地,分布于 4个山坡,山
坡间有 30 m 左右的坡沟相隔.样地于 2011 年 12
月、2012年 3月相继完成皆伐和火烧处理,2012 年
4月完成对样地的促进更新和米槠人工林的种植.
2015年 1月各林地土壤总碳和总氮浓度见表 1.
    2014年 4月在每个样地 15、30、60 cm处布设土
壤溶液取样器( suction lysimeter),于 2014 年 6—8
月进行采集,采样频率为一个月两次.土壤溶液采集
采用负压法[16],即用真空泵将土壤溶液取样器抽成
近真空状态,待 24 h 后再将水样抽出.土壤采用不
锈钢取土器(直径 2.5 cm),分别对 0 ~ 10、10 ~ 20、
20~40、40~60 cm分层采集.
1􀆰 3  测定项目与方法
1􀆰 3􀆰 1土壤碳和氮含量测定  土壤样品过 0.149 mm
筛后称 0.8 g 置于碳氮元素分析仪(Elementar Vario
EL Ⅲ)配套的小坩埚中,利用碳氮元素分析仪测定
土壤碳、氮含量及碳氮比.
1􀆰 3􀆰 2 DOC和 DON浓度测定  水样从野外带回后,
立即使用 0.45 μm 滤膜抽滤,所得溶液即 DOM 溶
液.DOC浓度用总有机碳分析仪(TOC⁃L CPH / CPN,
日本) 测定,溶解性总氮 ( TIN)、溶解性无机氮
(NO3
- ⁃N、NO2
- ⁃N、NH4
+ ⁃N)使用连续流动分析仪
(Skalar san++,荷兰)测定. DON 为溶解性总氮与总
溶解性无机氮的差值.
6481 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 1  林地概况
Table 1  General status of sample sites
更新方式
Forest
regeneration
土层深度
Soil depth
(cm)
总碳
TC
(g·kg-1)
总氮
TN
(g·kg-1)
碳氮比
C / N
造林方式
Afforestation
method
管理措施
Management
measure
BF 0~10 16.33±0.40ABa 1.46±0.01Aa 11.06±1.28ABa 不采伐,米槠林造林     无
10~20 10.85±0.10Ab 1.15±0.01Ab 9.47±0.73Ab 密度 2600株·hm-2
20~40 5.70±0.03Bc 0.81±0.01Bc 7.01±0.16Ac
40~60 3.81±0.07Ac 0.76±0.01Ac 4.99±0.60Ad
RF 0~10 23.59±0.45Aa 1.81±0.03Aa 13.03±1.07Aa 采伐剩余物平铺于 封禁管理,劈除
10~20 15.24±0.59Ab 1.37±0.03Aa 10.80±2.14Aac 地表,保留目的树种 杂苗及杂灌
20~40 9.26±0.25Ab 1.07±0.01Ab 8.57±1.61Abc
40~60 4.56±0.02Ab 0.79±0.01Ab 5.75±0.35Ac
CP 0~10 13.91±0.14Ba 1.43±0.01Aa 9.76±0.58Ba 火烧、穴状整地、种植米槠, 除草、松土
10~20 9.49±0.10Ab 1.15±0.01Ab 8.23±0.10Ab 造林密度 1800株·hm-2
20~40 6.42±0.13Ac 0.91±0.01ABbc 7.01±0.46Ac
40~60 4.33±0.16Ac 0.84±0.01Ac 5.05±0.97Ad
BF: 米槠次生林(对照)Secondary broadleaved C. carlesii forest (control); RF: 米槠人促更新林 Human⁃assisted naturally regenerated C. carlesii fo⁃
rest; CP: 米槠人工林 C. carlesii plantation. 不同大写字母表示相同土层不同处理间差异显著,不同小写字母表示相同处理不同土层间差异显著
(P<0.05) Different capital letters meant significant difference among different treatments at the same soil layer, and different small letters meant signifi⁃
cant difference among different soil layers in the same treatment at 0.05 level. 下同 The same below.
1􀆰 3􀆰 3光谱分析   用紫外⁃可见光分光度计 ( UV⁃
2450,日本岛津)测定 254 nm的吸光度值.利用待测
液 254 nm处吸收值(SUVA)分析其芳香化程度和
疏水特性[17],计算芳香化指数 ( aromatic index,
AI) [18]:
AI=UV254 / C×100 (1)
式中:UV254为 254 nm的吸光度值(cm
-1);C 为 DOC
浓度(mg·L-1).
用 F⁃7000荧光分光光度计测定样品的同步荧
光及荧光发射光谱,测定方法及参数设定参照文献
[13].荧光腐殖化指数( humification index,HIX)可
用来表征 DOM的腐殖化程度,HIX 越大,说明 DOC
中分子构成越复杂,π⁃π共轭体系越大,腐殖类物质
如缩合芳环和大分子化合物的含量越高[19] .同步腐
殖化指数 ( humification index, synchronous mode,
HIXsyn)为同步荧光光谱中波长为 460和 345 nm处
荧光强度的比值.发射腐殖化指数( humification in⁃
dex,emission mode,HIXem)为荧光发射光谱中波长
435~480 nm与波长 300~345 nm的面积比.
1􀆰 4  数据处理
采用 Excel 2007 和 SPSS 19.0 软件对数据进行
统计分析.采用单因素(one⁃way ANOVA)和 Duncan
法进行方差分析和多重比较(α = 0.05).利用 Origin
9.0软件作图.图表中数据为平均值±标准差.
2  结果与分析
2􀆰 1  土壤溶液氮含量及酸碱性
由表 2 可以看出,各土层米槠人工林土壤溶液
溶解性总氮、硝态氮含量显著高于米槠次生林及米
槠人促更新林.各林地酸碱度差异不大,整体趋势为
表层偏酸.
2􀆰 2  土壤溶液 DOC和 DON浓度变化
由图 1可以看出,土壤溶液 DOC浓度整体趋势
为米槠人促更新林>米槠人工林>米槠次生林,米槠
人促更新林 0~15 cm表层 DOC 浓度是米槠次生林
的 1.5 倍;而 DON 为米槠人工林最高,其表层 DON
浓度是米槠次生林的 2.6 倍.从表层到深层 DOC 和
DON浓度的变化趋势明显,米槠次生林 DOC 和
DON浓度随土层加深先升后降,而米槠人工林 DOC
和 DON浓度均随土层加深而降低.总体上,各林地
表层土壤溶液 DOC 和 DON 浓度均明显高于底层
(30~60 cm).
表 2  不同更新方式下土壤溶液溶解性总氮、硝态氮浓度及
酸碱度
Table 2  Dissolved total nitrogen and nitrate nitrogen con⁃
centration and pH in soil solution under different forest re⁃
generation patterns
更新方式
Forest
regeneration
pattern
土层深度
Soil
depth
(cm)
溶解性总氮
Dissolved
total N
(mg·L-1)
硝态氮
NO3-⁃N
(mg·L-1)
酸碱度
pH
BF 0~15 2.44±0.86Aa 1.73±0.72Aa 6.08±0.23Aa
15~30 2.74±0.26Aa 1.30±0.14Aa 6.97±0.98Aa
30~60 2.12±0.74Aa 1.22±0.82Aa 7.06±0.72Aa
RF 0~15 2.44±1.06Aa 1.62±0.50Aa 6.37±0.14Ab
15~30 1.81±0.68Aa 1.23±0.26Aa 6.99±0.30Aa
30~60 1.90±0.35Aa 1.69±0.17Aa 6.76±0.39Aab
CP 0~15 4.27±1.20Aa 2.30±0.94Aa 6.53±0.79Aa
15~30 3.72±1.53Aa 1.97±0.90Aa 6.30±0.59Aa
30~60 3.05±1.76Aa 2.33±1.48Aa 6.91±0.61Aa
74816期                元晓春等: 更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性有机质数量及化学结构的影响       
图 1  不同更新林地土壤溶液 DOC和 DON浓度
Fig.1  DOC and DON contents in different regeneration forests.
BF: 米槠次生林(对照) Secondary broadleaved C. carlesii forest (Con⁃
trol); RF: 米槠人促更新林 Human⁃assisted naturally regenerated C.
carlesii forest; CP: 米槠人工林 C. carlesii plantation. 不同大写字母表
示相同土层不同处理间差异显著,不同小写字母表示相同处理不同
土层间差异显著(P < 0. 05) Different capital letters meant significant
difference among different treatments at the same soil layer, and different
small letters meant significant diffe⁃rence among different soil layers in the
same treatment at 0.05 level. 下同 The same below.
2􀆰 3  土壤溶液 DOM结构特征
2􀆰 3􀆰 1芳香化指数  各土层米槠人促更新林和米槠
人工林芳香化指数(AI)均有升高,0 ~ 15 cm 表层米
槠人促更新林 AI最高.米槠人促更新林与米槠次生
林 AI均随土层加深而降低,而米槠人工林 AI 随土
层加深先升后降(图 2).
2􀆰 3􀆰 2腐殖化指数  同步腐殖化指数(HIXsyn)及发
射腐殖化指数(HIXem)统称为腐殖化指数(HIX),
均可体现林地土壤腐殖化程度.除 30~60 cm土层米
槠人工林 HIXsyn相对于米槠次生林有显著减小外,
图 2  不同更新林地的芳香化指数
Fig.2  Aromatic index in different regeneration forests.
图 3  不同更新林地同步腐殖化指数和发射腐殖化指数
Fig.3  Synchronous humic index and emission humic index in
different regeneration forests.
其他均无显著差异.米槠人工林 HIX 整体呈现下降
趋势,尤其表现在表层,表层 HIXem 仅有米槠次生
林的 87%.而表层米槠人促更新林 HIX 与米槠次生
林持平或略有升高(图 3).
2􀆰 3􀆰 3荧光光谱特征   由图 4 可以看出,同步荧光
光谱图中,0~15 cm土层各林地均在短波 283 nm处
存在吸收峰,米槠人促更新林和米槠人工林在中波
长 325 nm处均存在吸收峰,且人促更新林峰值处荧
光强度最高.15 ~ 30 cm 土层人促更新林在 360 nm
处新出小峰,其荧光强度最低.到 30~60 cm土层,人
工林同步荧光强度有所回升,人促更新林在 360 nm
处的吸收峰消失,3种林地荧光光谱趋于一致.
0~15 cm荧光发射光谱中米槠人促更新林有宽
平的中长波(380 nm)吸收峰,而米槠人工林有荧光
强度强的短波(320 nm)吸收峰;15 ~ 30 cm 处米槠
人促更新林波峰位置从 380 nm 移至 347 nm 处,且
荧光强度低于次生林,而米槠人工林向长波方向移
动,移至 340 nm 处.而 30 ~ 60 cm 土层,3 种林地波
峰均移至 345 nm处,光谱趋于一致.
3  讨    论
3􀆰 1  DOC和 DON浓度对更新方式的响应
本研究中,米槠人促更新林与米槠人工林土壤
溶液 DOC 和 DON 浓度整体趋势均高于米槠次生
林,表层明显增加(图 1),其原因主要受营林措施的
持续影响 .有研究报道,森林皆伐后土壤DOM质量
8481 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 4  不同更新林地的荧光光谱
Fig.4  Fluorescence spectra in different regeneration forests.
浓度增加[20-21] .Qualls等[22]在美国阿巴拉契亚落叶
林集水区的研究表明,皆伐后土壤溶液中 DOC 和
DON浓度分别是对照林分的 2.6 和 3.2 倍. Pardini
等[23]对西班牙东北部的油橄榄林地研究发现,火烧
后 6个月土壤溶液 DOC输出量可达火烧前的 4 倍.
Wang等[24]对 76 篇文献中的数据进行 meta 分析,
发现特定火烧 3 个月、1 年、3 年,其 DOC 浓度分别
呈现升高、降低、再次升高的趋势.郭剑芬等[25]指
出,皆伐火烧后造成 DOM 增加的主要原因是对土
壤的干扰增强,整地也会刺激 DOM 生产.Gregorich
等[26]发现,整地后表层土壤 DOC 浓度提高. Bhogal
等[27]则发现,表层土壤 DON浓度也有所增加.
DOM浓度的增加还与森林更新后林地温度密
切相关.温度直接影响土壤微生物和生物酶活
性[28-30],而土壤微生物活性等生物因素是控制
DOM生产的主要原因[31] .Park等[32]研究表明,落叶
林土壤 DOM 的供应受温度控制,主要途径为改变
土壤有机质的溶解、扩散和交换反应,以及根际沉积
和胞外酶活性等.此外,增温还促进 SOM 中木质素
和角质衍生物的降解[33],显著增加土壤 DOC 和
DON含量[34] .本研究中,皆伐措施使米槠人促更新
林和米槠人工林的郁密度降低,其平均地表温度
(25.2 ℃)显著高于次生林(16.3 ℃),促使土壤微生
物活性及酶活性增强,进而加速 SOM 分解,导致更
多难分解的有机质转化为 DOM.
本研究中,米槠人促更新林土壤溶液 DOC 浓度
高于米槠人工林,可能与更新后土壤理化性质改变
有关.有研究表明,土壤溶液 DOC 浓度与土壤 C / N
呈正相关[35] .米槠人促更新林各土层土壤 C / N值高
于米槠人工林,也证实了这一观点.另有研究表明,
pH在 4~5时土壤对 DOC 吸附量最大,在较高或较
低 pH下,土壤对 DOC 吸附量都有所下降[32],导致
更多的 DOM进入土壤溶液.王艮梅等[36]研究发现,
pH值越高,土壤中含铁氧化物及氢氧化物的表面正
电荷减少,土壤对 DOM 的吸附能力减弱.而本研究
中林地 pH值相差不大,其效应不显著,即使表层米
槠次生林 pH 值与 DOM 浓度可能存在上述的相关
性(表 2).还有研究表明,溶液中 DOC 浓度与 Al、
Fe、NH4
+浓度呈正相关,与可交换 Al3+呈负相关[35] .
森林更新后其 Al、Fe 和 NH4
+浓度是否有相应的变
化,还有待研究.另一方面,本研究中,土壤溶液 DON
浓度为人工林最高,可能与溶液中 DTN 及 NO3
- ⁃N
显著增加有关(表 2).森林措施的干扰可显著提高
土壤硝化率[37],产生更多的 DON.另外,整地措施可
能是米槠人工林表层 DOM增加的主要原因.
3􀆰 2  DOM性质对更新方式的响应
芳香性(AI)越高表明 DOM所含芳香族化合物
越多[38] .各土层米槠人促更新林和米槠人工林 AI
94816期                元晓春等: 更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性有机质数量及化学结构的影响       
均有升高,米槠人促更新林最高(图 2).这表明米槠
人促更新林保留采伐剩余物有助于提高土壤团聚化
程度,增加表层土壤芳香性化合物,进而加快营养元
素循环,可为林木生长提供更多的营养物质.同步荧
光光谱中,各林地的特征峰主要集中在 λex283、
λex325和 λex360 nm(图 4).特征峰性质如下:1)
λex 278~ 283 nm,代表类蛋白质基团;2) λex 310 ~
360 nm,代表类富里酸物质;3) λex 340 ~ 350 nm,
代表脂肪族和芳香族基团;4) λex 450 ~ 453 nm,代
表木质素类基团[12,19,39] .由此看出,林地土壤溶液类
蛋白质基团丰富,而缺乏木质素类基团.有研究表
明,木质素类等难分解的物质容易被土壤优先吸附.
而 0~15 cm土层唯有米槠次生林在 325 nm 处特征
峰不明显,说明人促和人工方式促进了类富里酸物
质的生成.荧光发射光谱图中波长较短、荧光强度较
高的特征峰主要是由分子结构简单、缩合度较低的
易分解有机物质所致;而较长波长下的荧光峰反
之[40] .本研究中,0 ~ 15 cm 土层米槠人促更新林在
中长波(380 nm)有宽平的吸收峰,而米槠人工林为
荧光强度大的短波(320 nm)吸收峰(图 4).这表明
米槠人促更新林表层腐殖化程度较高,缩合芳环和
大分子化合物相对增多;而米槠人工林表层腐殖化
程度降低,但易分解物质含量丰富.DOM 的腐殖化
指数(HIX)越高,表征其含有更多高度浓缩的芳香
环顽固的成分[41] . HIX 与光谱显示结果一致,表层
HIX大小为米槠人促更新林>米槠次生林>米槠人
工林(图 3).说明采伐剩余物平铺于地表,其枯枝残
叶的腐烂有助于腐殖质的形成,而火烧可使土壤腐
殖质遭分解[11] .有研究表明,火烧能减少表层土壤
有机质中能降低物质溶解度的表面含氧基团,减小
烷基化合物如烷烃、脂肪酸和醇的链长,使糖和脂类
发生芳构化,腐殖质大分子缩合等[42] .因而米槠人
工林腐殖化程度降低,尤其是在表层.
3􀆰 3  土壤溶液 DOM的垂直分布
土壤溶液 DOM浓度随土层深度变化明显,DOC
和 DON浓度均为表层显著大于底层.这与 Xu 等[43]
在中国东北温带红松阔叶林土壤溶液 DOC浓度 0~
15 cm大于 30~60 cm土层的研究结果一致.其原因
主要是深层土壤的微生物量和可供微生物利用的有
机质减少,而土壤吸附 DOC 的能力增强[44] .本研究
表明,米槠次生林 DOC和 DON浓度中间层最高,即
15~30 cm大于 0~15 cm土层(图 1),其原因可能是
受本区降雨量的影响.强降雨会使表层土壤 DOM极
易发生损耗和流失.Jandl等[45]对全球尺度的研究发
现,表层土壤溶液 DOC 浓度与降水量呈负相关.据
统计,本区年平均降雨量为 1749 mm,且 6—8 月平
均降雨量占年降雨量的 70%以上.降雨使表层 DOM
向下淋溶增强,DOM 一部分随水流失,一部分透土
下渗,下渗部分在土壤中间层富集,导致 15 ~ 30 cm
土层溶液中 DOM 浓度最高.而米槠人工林 DOC 和
DON浓度仍为 0~15 cm土层最高,其原因可能是受
后期整地的影响.一方面,整地可破坏土壤团聚体,
增加土壤通气性,加速土壤有机质的分解,进而使表
层活性有机质大幅度增加.而表层土壤通透性的增
强使土壤排水速度加快,土壤 DOM 吸附下降.另一
方面,整地使土壤疏松,有助于土壤与植物残体充分
混合,促进微生物分解植物残体,进而增加 DOM 含
量[24-25] .
本研究中,15~30 cm土层同步荧光光谱中仅有
米槠人促更新林在 360 nm处新生小峰(图 4),说明
米槠人促更新林 15~30 cm土层处有脂肪族和芳香
族基团物质积累.但荧光强度总体降低,蛋白质及芳
香性物质有所减少.波峰对应的波长往短波方向移
动,表示腐殖化程度降低,电子共轭体系逐渐减少.
荧光发射光谱中米槠人促更新林波峰位置由 380
nm移至 347 nm(图 4),且其 HIX 有所降低(图 3).
表明米槠人促更新林随土层的加深腐殖化程度降
低.而米槠人工林特征峰由 320 nm 移至 340 nm,荧
光强度明显降低且低于次生林(图 4),显示 0 ~ 15
cm至 15~30 cm 土层米槠人工林腐殖化程度升高
但物质含量明显降低.此外,至 30~60 cm土层,米槠
人促更新林和米槠人工林同步、发射光谱均与米槠
次生林趋于一致,揭示深层 DOM 特性几乎不受森
林更新的影响.
4  结    论
人促更新方式可极强地促进 DOC浓度增加,增
强土壤养分有效性,加之因采伐剩余物的腐烂促进
了表层腐殖质的形成,有助于土壤肥力的储存.人工
林对 DON 促进作用明显,但火烧使大分子物质缩
合,其腐殖化程度明显降低,不利于有机质的积累.
皆伐和火烧等营林措施是影响土壤溶液 DOM 对森
林更新方式响应的主要因素,但其对深层(30 ~ 60
cm)DOM结构特性几乎没有影响.
参考文献
[1]  Kalbitz K, Solinger S, Park JH, et al. Controls on the
dynamics of dissolved organic matter in soils: A review.
0581 应  用  生  态  学  报                                      27卷
Soil Science, 2000, 165: 277-304
[2]  Zhao J⁃S (赵劲松), Zhang X⁃D (张旭东), Yuan X
(袁  星), et al. Characteristics and environmental sig⁃
nificance of soil dissolved organic matter. Chinese Jour⁃
nal of Applied Ecology (应用生态学报), 2003, 14
(1): 126-130 (in Chinese)
[3]  Michel K, Matzner E, Dignac MF, et al. Properties of
dissolved organic matter related to soil organic matter
quality and nitrogen additions in Norway spruce forest
floors. Geoderma, 2006, 130: 250-264
[4]  Schrumpf M, Kaiser K, Schulze ED. Soil organic carbon
and total nitrogen gains in an old growth deciduous forest
in Germany. PLoS One, 2014, 9(2): e89364
[5]  NaSholm T, Ekblad A, Nordin A, et al. Boreal forest
plants take up organic nitrogen. Nature, 1998, 32: 914-
916
[6]  Yang YS, Guo JF, Chen GS, et al. Effects of forest con⁃
version on soil labile organic carbon fractions and aggre⁃
gate stability in subtropical China. Plant and Soil,
2009, 323: 153-162
[7]  Qi G (齐   光), Wang Q⁃L (王庆礼), Wang X⁃C
(王新闯), et al. Soil organic carbon storage in different
aged Larix gmelinii plantations in Great Xing ’ an
Mountains of Northeast China. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2013, 24(1): 10-16 ( in
Chinese)
[8]  Yang D (杨  达), He H⁃S (贺红士), Wu Z⁃W (吴
志 伟 ), et al. Influence of fire disturbance on
aboveground deadwood debris carbon storage in Huzhong
forest region of Great Xing’ an Mountains, Northeast
China. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学
报), 2015, 26(2): 331-339 (in Chinese)
[9]   Lv M⁃K (吕茂奎), Xie J⁃S (谢锦升), Jiang M⁃H
(江淼华), et al. Comparison on concentrations and
quality of dissolved organic matter in through fall and
stem flow in a secondary forest of Castanopsis carlesii and
Cunninghamia lanceolata plantation. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2014, 25 ( 8):
2201-2208 (in Chinese)
[10]  Laik R, Kumar K, Das DK, et al. Labile soil organic
matter pools in a calciorthent after 18 years of afforesta⁃
tion by different plantations. Applied Soil Ecology,
2009, 42: 71-78
[11]  Wu B⁃B (吴波波), Guo J⁃F (郭剑芬), Wu J⁃J (吴
君君), et al. Effects of logging residues on surface soil
biochemical properties and enzymatic activity. Acta Eco⁃
logica Sinica (生态学报), 2014, 34(7): 1645-1653
(in Chinese)
[12]  Ren W⁃L (任卫岭), Guo J⁃F (郭剑芬), Wu B⁃B (吴
波波), et al. Decomposition dynamics of leaf litter in
logging residue of a secondary Castanopsis carlesii plan⁃
tation and its chemical composition changes. Chinese
Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2015, 26
(4): 1077-1082 (in Chinese)
[13]  Liu Z (刘  翥), Yang Y⁃S (杨玉盛), Zhu J⁃M (朱
锦懋), et al. Comparative study on quantities and spec⁃
troscopic characteristics of soil dissolved organic matter
between two economic forest in subtropical China. Jour⁃
nal of Soil and Water Conservation (水土保持学报),
2014, 28(5): 170-175 (in Chinese)
[14]  Hu S⁃C (胡双成), Xiong D⁃C (熊德成), Huang J⁃X
(黄锦学), et al. Fine root production in initial stage of
Castanopsis carlesii under different regeneration modes in
Sanming, Fujian Province, China. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2015, 26 ( 11):
3259-3267 (in Chinese)
[15]  Wang W⁃W (王韦韦), Huang J⁃X (黄锦学), Chen F
(陈   锋), et al. Effects of tree species diversity on
fine⁃root biomass and morphological characteristics in
subtropical Castanopsis carlesii forests. Chinese Journal
of Applied Ecology (应用生态学报), 2014, 25(2):
318-324 (in Chinese)
[16]  Wu L⁃H (吴龙华), Luo Y⁃M (骆永明). Rhizosphere
soil solution sampler: Introducing a new collecting de⁃
vice in situ soil solution. Soils (土壤), 1999, 31(1):
54-56 (in Chinese)
[17]  Akagi J, Zsolnay Á, Bastida F. Quantity and spectro⁃
scopic properties of soil dissolved organic matter
(DOM) as a function of soil sample treatments: Air⁃
drying and pre⁃incubation. Chemosphere, 2007, 69:
1040-1046
[18]  Saadi I, Borisover M, Armon R, et al. Monitoring of ef⁃
fluent DOM biodegradation using fluorescence, UV and
DOC measurements. Chemosphere, 2006, 63: 530-539
[19]  Bu XL, Wang LM, Ma WB, et al. Spectroscopic cha⁃
racterization of hot⁃water extractable organic matter from
soils under four different vegetation types along an eleva⁃
tion gradient in the Wuyi Mountains. Geoderma, 2010,
159: 139-146
[20]   Qualls RG, Haines BL, Swank WT, et al. Soluble or⁃
ganic and inorganic nutrient fluxes in clearcut and ma⁃
ture deciduous forests. Soil Science Society of America
Journal, 2000, 64: 1068-1077
[21]  Piirainen S, Finér L, Mannerkoski H, et al. Effects of
forest clear⁃cutting on the carbon and nitrogen fluxes
through podzolic soil horizons. Plant and Soil, 2002,
239: 301-311
[22]   Qualls RG, Haines BL, Swank WT, et al. Soluble or⁃
ganic and inorganic nutrient fluxes in clear cut and ma⁃
ture deciduous forests. Soil Science Society of America
Journal, 2000, 64: 1068-1077
[23]  Pardini G, Gispert M, Dunj􀆩 G. Relative influence of
wildfire on soil properties and erosion processes in diffe⁃
rent Mediterranean environments in NE Spain. Science of
the Total Environment, 2004, 328: 237-246
[24]  Wang QK, Zhong MC, Wang S. A meta⁃analysis on the
response of microbial biomass, dissolved organic matter,
respiration, and N mineralization in mineral soil to fire
in forest ecosystems. Forest Ecology and Management,
2012, 271: 91-97
[25]  Guo J⁃F (郭剑芬), Yang Y⁃S (杨玉盛), Chen G⁃S
(陈光水), et al. Dissolved organic matter in forest
soils: A review on the influence of management prac⁃
tices. Journal of Fujian Normal University (Natural Sci⁃
ence) (福建师范大学学报: 自然科学版), 2008, 24
(4): 102-108 (in Chinese)
[26]  Gregorich EG, Liang BC, Ry CF, et al. Elucidation of
the source and turnover of water soluble and microbial
carbon in agricultural soils. Soil Biology & Biochemistry,
2000, 32: 581-587
[27]  Bhogal A, Murphy DV, Fortune S, et al. Distribution of
nitrogen pools in the soil profile of undisturbed and re⁃
seeded grasslands. Biology and Fertility of Soils, 2000,
30: 356-362
[28]  Li N (李  娜), Wang G⁃X (王根绪), Gao Y⁃H (高
永恒), et al. Effects of simulated warming on soil nutri⁃
15816期                元晓春等: 更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性有机质数量及化学结构的影响       
ents and biological characteristics of alpine meadow soil
in the headwaters region of the Yangtze River. Acta
Pedologica Sinica (土壤学报), 2010, 47(6): 1214-
1224 (in Chinese)
[29]   Yin HJ, Chen Z, Liu Q. Effects of experimental war⁃
ming on soil N transformations of two coniferous species,
Eastern Tibetan Plateau, China. Soil Biology & Bio⁃
chemistry, 2012, 50: 77-84
[30]  Chen X⁃L (陈晓丽), Wang G⁃X (王根绪), Yang Y
(杨  阳), et al. Response of soil surface enzyme acti⁃
vities to short⁃term warming and litter decomposition in a
mountain forest. Acta Ecologica Sinica (生态学报),
2015, 35(21): 7071-7079 (in Chinese)
[31]  Feng R⁃F (冯瑞芳), Yang W⁃Q (杨万勤), Zhang J
(张   健), et al. Effects of simulated elevated atmos⁃
pheric CO2 concentration and temperature on soil enzyme
activity in the subalpine fir forest. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2007, 27(10): 4019 - 4026 ( in Chi⁃
nese)
[32]  Park JH, Kalbitz K, Matzner E. Resource control on the
production of dissolved organic carbon and nitrogen in a
deciduous forest floor. Soil Biology & Biochemistry,
2002, 34: 813-822
[33]  Pisani O, Frey SD, Simpson AJ, et al. Soil warming
and nitrogen deposition alter soil organic matter composi⁃
tion at the molecular⁃level. Biogeochemistry, 2015, 123:
391-409
[34]  Liu F⁃R (刘芙蓉), Wang H⁃M (王红梅), Zhang Y⁃
M (张咏梅), et al. Effects of elevated temperature and
doubled CO2 concentration on soil dissolved organic car⁃
bon and nitrogen in a subalpine coniferous forest of wes⁃
tern Sichuan, Southwest China. Chinese Journal of Eco⁃
logy (生态学杂志), 2013, 32(11): 2844-2849 ( in
Chinese)
[35]  Camino⁃Serrano M, Gielen B, Luyssaert S, et al. Link⁃
ing variability in soil solution dissolved organic carbon to
climate, soil type, and vegetation type. Global Biogeo⁃
chemical Cycles, 2014, 28: 497-509
[36]  Wang G⁃M (王艮梅), Zhou L⁃X (周立祥). Dynamics
of dissolved organic matter in terrestrial ecosystem and
its environmental impact. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2003, 14 ( 11): 2019 -
2025 (in Chinese)
[37]  Ranger J, Loyer S, Gelhaye D, et al. Effects of clear
cutting of Douglas fir plantation (Pseudotsuga menziesii)
on the chemical composition of soil solutions and on the
leaching of DOC and ions in drainage waters. Annals of
Forest Science, 2007, 64: 183-200
[38]  Xie J, Wang D, van Leeuwen J, et al. pH modeling for
maximum dissolved organic matter removal by enhanced
coagulation. Journal of Environmental Sciences, 2012,
24: 276-283
[39]  Janhom T, Wattanachira S, Pavasant P. Characterization
of brewery wastewater with spectrofluorometry analysis.
Journal of Environmental Management, 2009, 90: 1184-
1190
[40]  Kaiser K, Guggenberger G. The role of DOM sorption to
mineral surfaces in the preservation of organic matter in
soils. Organic Geochemistry, 2000, 31: 711-725
[41]  Yang LY, Hong HS, Guo WD, et al. Absorption and
fluorescence of dissolved organic matter in submarine
hydrothermal vents off NE Taiwan. Marine Chemistry,
2012, 128: 64-71
[42]  Zhao Y (赵  越), He X⁃S (何小松), Xi B⁃D (席北
斗), et al. Effect of pH on the fluorescence characteris⁃
tics of dissolved organic matter in landfill leachate. Spec⁃
troscopy and Spectral Analysis (光谱学与光谱分析),
2010, 30(2): 382-386 (in Chinese)
[43]  Xu XK, Lin H, Luo XB, et al. Effects of nitrogen addi⁃
tion on dissolved N2O and CO2, dissolved organic mat⁃
ter, and inorganic nitrogen in soil solution under a tem⁃
perate old⁃growth forest. Geoderma, 2009, 151: 370 -
377
[44]  Xiong L (熊   丽), Yang Y⁃S (杨玉盛), Zhu J⁃M
(朱锦懋), et al. Transport characteristics of dissolved
organic carbon in different soil horizons in natural Cas⁃
tanopsis carlesii forest. Acta Ecologica Sinica (生态学
报), 2015, 35(17): 5711-5720 (in Chinese)
[45]   Jandl R, Lindner M, Vesterdal L, et al. How strongly
can forest management influence soil carbon sequestra⁃
tion? Geoderma, 2007, 137: 253-268
作者简介  元晓春,女,1990年生,硕士研究生. 主要从事森
林生态研究.E⁃mail: 1075559162@ qq.com
责任编辑  孙  菊
元晓春, 林伟盛, 蒲晓婷, 等. 更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性有机质数量及化学结构的影响. 应用生态学报, 2016,
27(6): 1845-1852
Yuan X⁃C, Lin W⁃S, Pu X⁃T, et al. Effects of forest regeneration patters on the quantity and chemical structure of soil solution dis⁃
solved organic matter in a subtropical forest. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(6): 1845-1852 (in Chinese)
2581 应  用  生  态  学  报                                      27卷