亞熱帶地區競爭型和忍耐型樹種葉片可溶性有機質數量及光譜學特征

紀宇皝,張秋芳,周嘉聰,游章湉,徐鵬程,林偉盛, 陳岳民,*,楊玉盛

1 福建師范大學地理科學學院,福州　350007 2 濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地,福州　350007

可溶性有機質(Dissolved organic matter, DOM)指可通過0.45 μm濾膜,能溶解于水、酸和堿性溶液中的有機物混合體,主要包括可溶性有機碳(Dissolved organic carbon, DOC)、可溶性有機氮(Dissolved organic nitrogen, DON)和可溶性有機磷(Dissolved organic phosphorus, DOP)等[1- 3]。DOM既能調節陸地生態系統內部各養分庫之間的平衡,也能影響生態系統之間物質循環和能量流動[4- 5]。森林生態系統中DOM主要來源于凋落物分解、穿透雨、樹干莖流、根系分泌物及微生物新陳代謝過程等[6-9]。尤其是降雨淋溶的葉片DOM,并且根據林冠層結構和組成的不同,其DOM的數量與質量也存在差異,且質量不同的DOM能激發土壤有機質的分解。因此其對陸地生物地球化學循環有著重要的意義[10]。

目前,我國濕潤亞熱帶地區有著世界上面積最大、最典型的常綠闊葉林,其森林覆蓋面積占全國森林總面積的45.56%,是我國最重要的森林基地之一。并且,其年平均降雨量在1552—2141 mm之間,是我國降雨最豐富的地區之一[11]。與溫帶地區相比,本地區森林樹種種類繁多,因此不同植物來源的DOM也可能具有不同的性狀[12]；同時,由于本地區具有溫度高、濕度大,加上山高、坡陡,土壤風化程度高、抗侵蝕能力弱等特點,導致本地區森林生態系統DOM通量高于溫帶地區森林生態系統[13]。因此,與溫帶地區相比,葉淋溶的DOM在本地區的生態系統碳氮循環中扮演的角色可能更為重要[14]。眾所周知,以全球變暖為主要變化特征的氣候變化正在改變全球降水格局,高緯度區域降水增加,亞熱帶區域降水減少,干旱和極端降水情況頻繁發生[15]。極端降水會改變水分過程,例如徑流、土壤蒸發和滲透,進而改變植物的生理、種群和群落結構特征[16-17]。

有研究指出,不同類型植物葉淋溶的DOM有著不同的化學性狀,其結構及分子量大小差異大,對地球生態化學循環的作用也不同[18-20]。隨著化學分析手段的更新與發展,DOM的化學組分分析取得了很大的進展。除可見光譜分析得到廣泛應用外,熒光光譜、紅外光譜、核磁共振等現代光譜技術逐漸被引入到DOM的結構表征中,成為當前研究的熱點[21-22]。如康根麗等[23]通過測定DOM紫外吸收值,腐殖化指數和紅外光譜等指標研究米櫧和杉木的DOM差異,結果發現米櫧的DOM養分含量更高,結構更復雜,更有利于有機質的積累；Kiikkila等[12]對比德國白樺和云杉不同分解層的DOM差異,發現源于白樺的DOM相比于源于云杉的DOM更容易被分解；Blschoff等[24]通過測定山毛櫸和云杉DOM的13C核磁共振,結果表明樹種的差異影響DOM中難分解物質的含量。因此,植物葉片DOM數量特征與光譜特征的不同可能會間接影響土壤養分循環。

Grime于1974年提出植被的主要生態策略可以分成3個類型：競爭型(Competitive, C)、草本型(Ruderal, R)和忍耐性(Stress-tolerant, S)[25-26]。不同生態策略的植被對環境變化有著不同的響應能力[27]。以往的研究重點主要為比較針闊樹種的差異[18-19],而對不同生態策略植被葉淋溶DOM的研究較少。那么,在氣候變化越演越烈的情況下,研究亞熱帶不同生態策略樹種淋溶所產生DOM的數量及光譜學特征,對土壤的生物地球化學循環的研究具有重要的指導意義。

因此,本研究選址于福建三明格氏栲自然保護區,通過葉面積、比葉面積、葉干物質含量這3個核心性狀[28]對本研究區內45種常見樹種進行歸納,最終選取差異性較大的C策略與S策略樹種各3種。通過室內實驗浸提葉DOM,分析其可溶性有機物的溶解特征和光譜學特征,以期探究不同生態策略樹種葉DOM在森林生態系統的作用。本研究有助于揭示本地區土壤生物地球化學循化對氣候變化的響應。

1　試驗地概況

研究地點位于福建三明格氏栲自然保護區內(117°24′—117°27′E; 26°7′—26°10′N),該區位于福建武夷山東伸支脈地帶,屬低山丘陵,海拔約250—500 m。林下土壤主要為暗紅壤,其次為紅壤和紫色土,屬中亞熱帶季風型氣候,年平均氣溫19.5℃,年降水1700 mm[29]。

圖1　各物種CSR權衡策略分類Fig. 1　The CSR ecological strategies of different speciesC:競爭型,Competitive; S:忍耐型,Stress-tolerant; R:草本型Ruderal

保護區內共有維管束植物110種,隸屬于42科68屬。全區分為格氏栲(Castanopsiskawakamii)群組和米櫧(Castanopsiscarlesii)群組,十二類群叢-格氏栲-馬尾松(Pinusmassoniana)群叢、格氏栲-木荷(Schimasuperba)群叢和米櫧-格氏栲群叢,以及米櫧-木荷群叢為該區分布較為廣泛的類型。其中殼斗科(Fagaceae)、茶科(Theaceae)、松科(Pinaceae)、樟科(Lauraceae)、紫金牛科(Mysinaceae)和冬青科植(Aquifoliaceea)重要值都在10以上[29]。通過主成分分析對不同樹種葉片性狀進行綜合分析,確定研究樹種。本實驗中選取差異性最大C策略和S策略樹種,各選取3種(圖1),分別是樹參(Dendropanaxdentiger)、黃絨潤楠(Machilusgrijsii)、黃牛奶樹(Symplocoscochinchinensis(Lour.))、細柄阿丁楓(Altingiagracilipes)、絲栗栲(Castanopsisfargesii)和羅浮栲(Castanopsisfaberi)。因為R策略多屬于草本植物,所以在本研究沒有涉及。

2　研究方法

2.1　樣本采集

于2016年6月至8月份對格氏栲保護區內的45種常見樹種進行調查,隨機選取胸徑大于10 cm的成熟樹木,人工攀爬至樹木頂端,用修枝剪剪取向陽面枝條。選取成熟樹木(胸徑大于或等于10 cm)葉片[30],隨機選取健康未損壞的葉片數枚,稱取葉鮮重(LFW, g),隨后使用WinRHIZO/WinFOLIA掃描儀(Régent Instruments, Quebec, Canada)測定葉面積(LA, cm2),最后將葉片放于65℃烘箱中烘72 h至恒重,稱取葉干重(LDW, g),每個樹種3個重復。計算比葉面積(SLA, cm2/g)=LA/LDW,葉干物質含量(LDMC, 無量綱)=LDW/LFW[31]。

2.2　室內試驗

DOM的提取：分別準確稱取50 g植物鮮樣于1 L廣口瓶中,加入500 mL超純水混合。將溶液過0.45 μm濾膜(壓力為-0.09 MPa),濾液中的有機物即為DOM[30-32]。將待測濾液置于4℃冰箱保存用以分析。其中,DOC濃度用總有機碳分析儀(TOC-LCPH/CPN, 日本)測定,DON濃度使用連續流動分析儀(Skalar san++, 荷蘭)測定。

芳香化合物含量采用紫外可見光光譜測定。主要步驟為：用紫外-可見光分光度計(UV- 2450, 日本島津)測定待測液在254 nm的吸光度值(SUVA)[33],特定的紫外吸光值能夠反映芳香化合物含量,也與通過液相1H核磁共振光譜測得的芳香化H的比例呈正相關[34]。計算芳香化指數(aromatic index,AI)[35]：

AI=SUVA254/C×100

(1)

式中,SUVA254為254 nm的吸光度值(cm-1)；C為DOC濃度(mg/L)。

熒光腐殖化指數(Humification index, HIX)和發射腐殖化指數采用(Humification index, emission mode, HIXem)熒光光譜測定。主要步驟為：用熒光分光光度計(F- 7000, 日立)測定樣品的同步熒光及熒光發射光譜[36]。熒光腐殖化指數可用來表征DOM的腐殖化程度,HIX越大,說明DOM中分子構成越復雜,π-π共軛體系越大,腐殖類物質如縮合芳環和大分子化合物的含量越高[37]。同步腐殖化指數(humification index, synchronous mode, HIXsyn)為同步熒光光譜中波長為460 nm和345 nm處熒光強度的比值。發射腐殖化指數為熒光發射光譜中波長435—480 nm與波長300—345 nm的面積比。為了提高靈敏度,去除碳酸鹽的影響,熒光光譜測定前所有待測溶液的pH值用2 mol/L鹽酸調成2[33]；由于熒光物質在高濃度時會發生熒光猝滅,高濃度樣品的熒光圖譜峰數量少而且熒光強度低,所以在光譜分析前,樣品DOC濃度應調為10 mg/L[38]。

傅里葉紅外光譜測定: 每個樹種各取1 mg混合冷凍干燥樣與400 mg干燥的KBr (光譜純)磨細混勻,在10 t/cm2壓強下壓成薄片并維持1 min,用FTIR光譜儀(Nicolet Magna FTIR 550)分析紅外光譜,波譜掃描范圍為4000—400 cm-1,每個樣品掃描64次并記錄其光譜[37],紅外吸收峰的主要歸屬如表1[39]所示。

表1　紅外吸收峰的主要歸屬[39]

2.3　數據處理與分析

采用CSR分析工具‘StrateFy’[30]對45種植物的生態策略計算分析；采用SPSS 20.0統計軟件對不同樹種葉DOM各指標進行統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行不同樹種之間各個指標的顯著性檢驗。繪圖由Origin 9.0和Sigmaplot軟件完成。

3　結果

3.1　不同生態策略樹種DOM數量特征

C策略與S策略樹種的DOC濃度均值分別為579.01 mg/L和453.36 mg/L,不同策略樹種的DOC濃度無顯著差異(圖2)。其中,黃絨潤楠的DOC濃度顯著最高,樹參DOC濃度最低,且黃絨潤楠DOC濃度是樹參濃度的7.5倍(圖2)。C策略與S策略樹種的DON濃度均值分別為2.07 mg/L和1.17 mg/L,C策略樹種的平均DON濃度高于S策略樹種,其中黃牛奶樹DON濃度最高,羅浮栲DON濃度最低,黃牛奶樹DON濃度是羅浮栲的4.4倍(圖2)。

圖2　不同生態策略樹種葉浸提液DOC和DON濃度Fig.2　The DOC and DON concentration of leaf extract from different ecological strategies不同字母代表不同樹種之前存在顯著差異；DOC: 可溶性有機碳,Dissolved organic carbon; DON: 可溶性有機氮,Dissolved organic nitrogen

3.2　不同生態策略樹種DOM光譜特征

C策略與S策略樹種的AI均值分別為0.94 L mg-1cm-1和2.25 L mg-1cm-1,C策略AI值顯著低于S策略。其中,黃牛奶樹的AI值最低,羅浮栲的AI值最高(圖3)。

圖3　不同生態策略樹種葉浸提液DOM芳香化指數Fig.3　The DOM aromatic index of leaf extract from different ecological strategiesDOM：可溶性有機質,Dissolved organic matter

從發射腐殖化指數上看,C策略樹種腐殖化程度整體低于S策略樹種(圖4)。其中絲栗栲的發射腐殖化指數值最高,黃絨潤楠的發射腐殖化指數值最低。盡管C策略樹種同步腐殖化指數的結果整體低于S策略樹種,但是兩策略樹種的同步腐殖化指數無顯著差異(圖4)。

圖4　不同生態策略樹種葉浸提液DOM發射腐殖化指數和同步腐殖化指數Fig.4　The DOM emission humic index and synchronous humic index of leaf extract from different ecological strategies

發射熒光光譜中,C策略和S策略樹種均在506 nm處有吸收峰(圖5)。除黃絨潤楠在330 nm出現小峰外,不同樹種的光譜特征趨于一致。C策略樹種的發射熒光強度高于S策略。黃牛奶樹峰值處熒光強度最高,羅浮栲峰值處熒光強度最低。

圖5　不同生態策略樹種葉浸提液DOM發射熒光光譜特征Fig.5　The DOM emission fluorescence intensity emission of leaf extract from different ecological strategies

在同步熒光光譜中,兩種策略樹種在286 nm處均存在吸收峰。C策略樹種熒光強度略高于S策略樹種。黃絨潤楠的峰值處熒光強度最高(圖6)。

圖6　不同生態策略樹種葉浸提液DOM同步熒光光譜特征Fig.6　The DOM synchronous fluorescence intensity emission of leaf extract from different ecological strategies

傅里葉紅外光譜已經被廣泛的應用于測定DOM總的特性,有助于我們了解DOM重要的結構信息,如：含氧官能團、碳水化合物基團和芳香族和脂肪族的相對豐度。不同樹種葉片DOM的紅外吸收峰主要分布在6個區域(圖7)。6種樹種葉片淋溶葉均在3300—3600 cm-1范圍內有一個強而寬的吸收峰。盡管各樹種紅外光譜峰位置基本一致,但吸收率有所差異,如絲栗栲在紅外光譜圖中各波段吸收峰中峰值最高,羅浮栲峰值最低(圖7)。總體來說,S策略樹種在短波區域中出的峰多于C策略。

圖7　不同生態策略樹種葉浸提液DOM紅外光譜Fig.7　The DOM infrared spectra of leaf extract from different ecological strategies

4　討論

4.1　不同生態策略樹種DOC和DON濃度的差異

通過降水淋溶的葉片DOM是土壤DOC的主要來源之一,因此淋溶的葉片DOM的質和量在森林土壤養分循環中起著重要作用[19]。通過對比溫帶森林系統DOC含量(3—35 mg /L)[40],結果發現本研究中各樹種葉浸提的DOC濃度均高于溫帶森林中DOC含量,說明本研究區DOC通量較大。呂茂奎等[10]研究表明,米櫧鮮葉(前期研究結果表明米櫧為S策略樹種)浸提的DOM中的DOC含量大于杉木鮮葉(前期研究結果表示杉木為C策略樹種)浸提DOM中DOC含量,這與本試驗結果并不一致。導致結果不同的原因可能是DOM中DOC含量不僅僅與植物的生長策略有關,同時可能還與葉片的質量和結構的差異有關。

本研究中,C策略樹種浸提的葉DON濃度均高于S策略(圖2),可能是因為C策略樹種是快速投資收益型[41-43],在生長過程中將較多的養分通過淋溶作用輸入到土壤中,加快養分循環。而S策略樹種為慢速投資型[41-43],主要將養分用以自身生長和器官構建,淋溶產出的DON含量較少。康根麗等[21]認為米櫧人促更新林淋溶產出的DOM更有利于土壤氮素的積累。因此,從生態策略的角度來看,與S策略樹種相比,C策略樹種DON濃度更高,進而提高土壤中的氮素有效性。

4.2　不同生態策略樹種光譜特征

Wieder等[13]研究表明不同植被淋溶產生的DOM由于其化學性狀的差異與土壤礦物會產生不同的物理吸附作用,這將會對土壤易變碳庫產生巨大的作用。因此,盡管本試驗中DOM的數量并無顯著差異,但是DOM的質量可能是影響其在土壤中參與生物化學地球循環的關鍵。其中,DOM的芳香性指數越高,表明其含有的芳香族化合物越多[44]。類似的,腐殖化指數越高,表明DOM中含有更多濃縮的芳香環難分解組分[38]。本研究中,S策略葉浸提DOM中的芳香性指數與腐殖化指數均高于C策略(圖2,圖3)。說明S策略樹種葉DOM中具有更多不飽和鍵和芳香族化合物,這可能不利微生物活性和新陳代謝[45],有利于土壤肥力的維持和碳匯的形成。

同步熒光光譜和發射熒光光譜的結果發現,各樹種的特征峰主要出現在λex278—285 nm(圖5),此特征峰代表類蛋白質基團[46]。由此看出,六種樹種葉DOM中蛋白質基團豐富,而其他基團如木質素基團或脂肪族基團含量較少。與S策略相比,C策略同步熒光強度較強,說明C策略中的蛋白質基團多于S策略,C策略葉DOM中易分解物質較多。本研究中C策略樹種葉浸提DOM熒光強度均高于S策略樹種。Kaiser等[47]研究發現發射熒光光譜波長較短、熒光強度較高的特征峰說明該物質中含有分子結構簡單、縮聚程度較低的易分解有機物,而波長較長的特征峰結果與之相反。這更進一步說明本研究區S策略樹種腐殖化程度較高,縮合芳環物質和大分子物質比C策略樹種多；C策略樹種腐殖化程度較低,其易分解物質含量較為豐富。這一結果與芳香性指數、腐殖化指數和同步熒光光譜結果一致。呂茂奎等[10]也發現米櫧葉片浸提液DOM結構明顯比杉木復雜。由此表明S策略樹種葉DOM可能更有利于土壤腐殖質的形成,傾向于儲存養分以供長期生長的需求。而C策略樹種則是快速投資收益型,葉DOM的易分解組分較多,容易被土壤微生物和植物根系利用,使得樹木生長較快。這一結果符合Grime等[48]對CSR策略樹種的定義：根據權衡策略,在未受到干擾的地區,C策略樹種有相對較高的資源獲取能力；在強干擾地區,C策略的相似功能性狀并沒有選擇優勢。而S策略樹種在應對環境變化時有著相對較強的抵抗能力。因此,在未來水熱條件發生變化的情況下,S策略樹種會比C策略樹種具有更強的適應能力,這可能對土壤生態系統碳循環過程具有重要影響。

紅外光譜可以準確監測到DOC中苯酚和多糖類物質的振動,本研究結果發現各樹種的傅里葉紅外光譜出現吸收譜帶的位置均相似,表明不同策略樹種的DOM結構具有相似性[38]。本研究中六種不同樹種強度的最大的吸收處于3400—3550 cm-1,該吸收峰歸屬于H鍵鍵合的-OH的伸縮振動,其羥基主要來源于樣品中的結構性碳水化合物和非結構性碳水化合物。1629—1700 cm-1處吸收峰最強,歸屬于有機羧酸鹽的反對稱伸縮振動以及木質素中與芳香環相連的C=O伸縮振動。1000—1260 cm-1處吸收峰為碳水化合物中C-O的伸縮振動；在1145—1149、600—870與3400—3550 cm-1均存在吸收峰,說明葉浸提DOM中存在醇類和酚類物質。但是S策略樹種葉DOM在低波段處的振動較強,則說明S策樹種中大分子官能團較多。這一結果與芳香性指數、腐殖化指數以及熒光光譜的結果一致。Bu等[37]有類似結果。周江敏等[33]研究表明,土壤DOM中C、H飽和程度高,芳香族類不飽和物質較少,且富含碳水化合物、羧基或羥基類物質。這說明土壤DOM與葉DOM結構差異較大,地上部分DOM輸入土壤系統后其結果會發生一系列復雜的物理化學反應。

總的來說,由于S策略有著更好的適應能力[28],因此在干旱和暴雨頻發的亞熱帶地區,S策略在該生態系統占主導地位。且由于其DOM結構復雜的特征,因此在未來,S策略樹種可能對森林碳匯起著重要的作用。

另外,由于紅外光譜測定方式只能對樣本進行半定量分析[49]。本研究中不同樹種之間紅外光譜結果的吸光值具有差異,但是其出峰位置并無太大差別。在未來還可以嘗試更精準的光譜手段(核磁共振)探究不同樹種葉浸提液的官能團化學結構。

5　結論

本研究通過對比不同生態策略樹種的DOM數量特征和光譜特征,結果發現C策略樹種的DOM結構更加簡單,且DON輸入量較大,能夠更快地被土壤微生物利用,加快養分循環,促進植物生長。而S策略樹種葉DOM長期來看可能有利于土壤維持土壤肥力。在全球氣候變化劇烈的背景下,不同生態策略的植被對環境變化有著不同的響應能力,從而導致不同生態策略樹種的DOM輸入土壤的比例變化,最終可能影響土壤生物地球化學循環。總得來說,面對干擾時,S策略樹種相比于C策略樹種具有更高的適應性。由于S策略樹種DOM結構相對復雜,輸入土壤后減緩土壤碳周轉速率,因此未來氣候變化情景下,S策略樹種可能將有利于土壤碳匯的形成。