Soil Biol Biochem：热带人工林土壤溶解性有机质的光学及分子组成特征

撰文丨叶权辉（原文一作）

审校丨张炜 & 王俊坚（原文共同通讯）

编辑丨JinTao.Li

森林土壤溶解性有机质（Dissolved organic matter, DOM）是森林系统中物质与能量流动的重要载体，同时调控着土壤微生物的群落物种多样性。降水事件后水流从地表渗漏到地下，DOM发生着溶解-沉淀、吸附-解吸、转化和降解等复杂过程，DOM的化学与功能随之发生变化。现有DOM研究大多来源于温带森林生态系统，热带森林土壤DOM的组分特征尚未清晰，限制了对热带森林中土壤DOM生态功能的理解。另外，我国人工林面积占全球1/3，人工林在热带森林中的占比逐年提高。固氮型大叶相思与非固氮型桉树是其中两种常见树种；相比于桉树，大叶相思人工林的植物源DOM产量可能更高，其固氮能力可影响土壤碳氮存储与释放。

基于广东鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站，研究团队采集降水事件后固氮型大叶相思林与非固氮型桉树林中不同土壤深度（0 cm, 20 cm 和40 cm）的水样，并解析其中DOM化学特征，为评估热带人工林土壤DOM的迁移转化和生态功能提供基础资料。研究提出以下假设：（1）热带人工林土壤DOM的分子组成会随土壤深度增加而显著变化；（2）大叶相思林与桉树林的土壤DOM特征存在显著差异。

1. 热带人工林土壤DOM的光学特征

随着土壤深度增加，DOM的光学芳香指数（SUVA）、腐殖化指数（HIX）和斜率比（SR）显著降低，而荧光指数（FI）和新鲜度指数（BIX）显著升高，这表明DOM在土壤纵向迁移过程中，芳香性和腐殖化程度降低，分子量增加。平行因子分析法（PARAFAC）分出五个荧光组分，包括三个类腐殖质组分（C1, C2, C3）和两个类蛋白质组分（C4, C5）。随着土壤深度增加，类腐殖质组分的相对丰度明显降低，而类蛋白质组分的相对丰度增加。结果显示，随着土壤深度增加，微生物来源的DOM不断产生。总体而言，DOM的光学特征随土壤深度发生变化，地表径流（0 cm）中的DOM与深层土壤（40 cm）水的差异最大。

对比于非固氮型桉树林，固氮型大叶相思林的DOM具有较低的光学芳香指数（SUVA）、腐殖化指数（HIX）和斜率比（S_R），而荧光指数（FI）和新鲜度指数（BIX）正好相反。另外，大叶相思林的DOM含有较低丰度的类腐殖质组分（C1 和C2）和较高丰度的类蛋白质组分（C4和C5）。结果说明，固氮型大叶相思林的DOM具有较高的分子量和微生物来源的分子。

Fig.1 | 固氮型大叶相思林（AA）与非固氮型桉树林（EU）的土壤DOM光学特征。A) DOM的不同光学参数；B) DOM的五个荧光组分

2. 热带人工林土壤DOM的分子组成特征

傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）与核磁共振谱（NMR）的结果显示，DOM的分子组成特征也随土壤深度增加而变化。相比于地表径流的DOM，40 cm深层土壤DOM含有较低的平均双键当量（DBE）、平均芳香指数（AI_mod）、平均氧碳比（O/C）和较高的平均氢碳比（H/C）。这表明DOM的芳香性和不饱和度随土壤深度增加而降低，与光学参数SUVA结果一致。就分子量而言，40 cm深土壤DOM的平均分子量高于地表径流DOM，与斜率比（S_R）的结果一致；随着土壤深度增加，低分子量DOM（质荷比: 150-300 Da）减少，而中等分子量DOM（质荷比:300-450 Da）和高分子量DOM（质荷比: >450 Da）的比例增加，引起平均分子量的总体增加。对分子组分的进一步分析表明，以上现象的主要原因为：1）低分子量植物源物质（质谱中的低分子量无氮无硫CHO组分与核磁谱中的碳水化合物与芳香组分等）被快速消耗或吸附；2）微生物来源为主的DOM（光谱中的类蛋白物质组分、质谱与核磁谱中的脂类组分等）发生富集。

两种林型间的DOM分子组成特征也存在差异。固氮型大叶相思林中DOM含有较高的平均双键当量（DBE）、平均芳香指数（AI_mod）和平均氧碳比（O/C），这指示其DOM的芳香性和不饱和度更高，与课题组最近关于长期氮肥添加会促进森林土壤芳香性DOM富集的发现一致。大叶相思林中DOM含有更多中、高分子量物质和更少低分子量物质，其平均分子量明显高于桉树林中DOM。此外，大叶相思林中DOM的无氮无硫有机物（CHO）比例较低，而无氮含硫有机物（CHOS）和无硫含氮有机物（CHON）的比例较高，这暗示固氮林的固氮作用可能富集更多的含氮/硫的芳香性物质。另外，大叶相思林中DOM含有较低比例的类木质素和类脂质物质及更高比例的稠环类物质，这可能是木质素类物质转化成稠环类物质的结果。对于20 cm深处，大叶相思林的DOM浓度更高，同时含有更高丰度的芳香性酚醛类物质、碳水化合物、蛋白类和羧基脂环类物质，这与固氮林的DOM含有更多的微生物来源的分子一致。可能的原因是固氮作用提高了土壤肥力和碳氮浓度，产生了更多易降解凋落物、根生物量作为微生物碳源；同时固氮微生物与根系的相互作用可促进微生物的活性，在20 cm深处产生更高浓度的DOM和更多微生物来源的DOM组分。

Fig.2 | 固氮型大叶相思林（AA）与非固氮型桉树林（EU）的土壤DOM的分子组成特征。A) DOM的超高分辨质谱组分；B) DOM的核磁共振谱组分

随着土壤深度增加，DOM分子组成显著改变；固氮型大叶相思林与非固氮型桉树林的DOM分子组成特征也存在较大差异。表层土（0-20 cm）以低分子量和芳香性的DOM为主，而20-40 cm深土壤则富集更多中、高分子量DOM。低分子植物源DOM（如低分子糖类、多酚类）容易被微生物利用与土壤矿物吸附，微生物主导的中、高分子量物质的合成（如蛋白类、脂质类）是DOM分子组成随土壤深度增加而改变的主要原因。固氮型大叶相思林的DOM富含微生物来源的分子，暗示固氮林的DOM可能有更高的微生物周转贡献；同时固氮型大叶相思林的DOM含有更多中、高分子量DOM和芳香性分子，使其DOM的分子量与芳香性高于非固氮型桉树林的DOM。本研究为理解热带区域人工林土壤DOM的化学与功能提供了基础数据，为热带人工林种植与管理提供一定的参考依据。

研究成果得到了国家自然科学基金、广东省教育厅、深圳市科创委、国家环境保护流域地表水-地下水污染综合防治重点实验室等机构的资助。

原文：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720301772

Dissolved organic matter characteristics in soils of tropical legume and non-legume tree plantations

Ye, Q., Wang, Y.-H., Zhang, Z.-T., Huang, W.-L., Li, L.-P., Li, J., Liu, J., Zheng, Y., Mo, J.-M., Zhang, W., Wang, J.-J.

Soil Biology and Biochemistry (2020), DOI: https:// doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107880.

X-MOL导师介绍

张炜

https://www.x-mol.com/university/faculty/212372

王俊坚

https://www.x-mol.com/university/faculty/215552