环境科学  2024, Vol. 45 Issue (11): 6527-6537   PDF    
独流减河不同植被缓冲带土壤有机碳的空间分布特征及其季节变化
张天昱1, 张彦2, 贾琪1, 周爽1, 李天乐1, 李丛笑1, 刘福德1     
1. 天津理工大学环境科学与安全工程学院, 天津 300384;
2. 天津市生态环境科学研究院, 天津 300191
摘要: 不同植被类型会影响土壤有机碳(SOC)的积累和转移特征, 但这种影响是否通过枯落物的输入或根系调节土壤环境因子以及溶解性有机质(DOM)以达到有机碳固定的目的尚不清晰.以天津市独流减河生态堤岸上部的乔木林带、中部的混交林带和滨水植物带的土壤为研究对象, 研究不同植被带表层土壤(0~10 cm)中易氧化有机碳(EOC)、溶解性有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)和矿物质结合态有机碳(MAOC)的空间分布特征及其季节变化, 并结合紫外可见光谱和三维荧光光谱进一步分析土壤DOM组分及其介导作用. 结果表明:①夏季滨水植物带SOC的积累显著高于乔木林带和混交林带, 春季则正好相反, 这表明夏季土壤中根系的分布是决定SOC积累的关键因素, 而春季地上枯落物的输入质量对SOC的固存更重要. ②DOM组分的差异解释了SOC在不同季节的固定和转化方式, 春季类腐殖质DOM促进了DOC向POC和MAOC的转化, 而夏季微生物来源的DOM推进了EOC在微生物的作用下向MAOC转移的过程. ③土壤理化性质对SOC的直接影响较小, 其更倾向于通过调控土壤DOM的成分以及化学结构, 从而影响SOC的积累. ④结构方程模型表明含水率(MC)和总磷(TP)直接参与了土壤有机碳的迁移和转化过程, 而铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、电导率(EC)、有效磷(AP)、pH、K+和Na+则是通过腐殖质来源和微生物来源的DOM介导间接影响SOC积累. 综上所述, 本研究阐释了影响河岸水陆生态交错带这一关键功能区SOC封存的权衡机制, 研究结果可为进一步探索入海河流“流域-河口-近海”系统生态廊道的构建方法及其固碳增汇路径提供理论支持.
关键词: 独流减河      植被缓冲带      土壤有机碳(SOC)      溶解性有机质(DOM)      季节变化     
Characteristics of Spatial Distribution of Soil Organic Carbon and Its Seasonal Change of Different Vegetation Buffer Zones in Duliujian River
ZHANG Tian-yu1 , ZHANG Yan2 , JIA Qi1 , ZHOU Shuang1 , LI Tian-le1 , LI Cong-xiao1 , LIU Fu-de1     
1. School of Environmental Science and Safety Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China;
2. Tianjin Academy of Eco-Environmental Sciences, Tianjin 300191, China
Abstract: Different vegetation types may affect the accumulation and transformation of soil organic carbon (SOC), but it is unclear whether the organic carbon fixation is realized by litter input and/or root control of environmental factors and dissolved organic matter (DOM) of soils. In this study, the spatial distribution characteristics of easily oxidizable organic carbon (EOC), dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC), mineral-bound organic carbon (MAOC), and their seasonal variations in the surface soil (0-10 cm) were studied in different vegetation zones of the arbor forest (at the upper position), the mixed forest of arbor and shrub (at the middle position), and the waterfront vegetation (at the bottom position) in the ecological embankment of Duliujian River, Tianjin, China. The spatial distribution characteristics of soil DOM components and their seasonal changes were also analyzed by combining UV-visible spectroscopy and 3D fluorescence spectroscopy. The results showed that: ① The accumulation of SOC was significantly higher in the waterfront vegetation than in the arbor forest and the mixed forest of arbor and shrub in summer, whereas the opposite was true during the spring season. It was indicated that the root input of the soil was the key driving factor for determining the accumulation of SOC in summer, whereas the input quality of above-ground litters was more important for the sequestration of SOC in spring. ② Differences in DOM fractions explained the fixation and transformation pathways of SOC in different seasons, with humus-derived DOM in spring promoting the transformation of DOC to POC and MAOC and microbial-derived DOM in summer advancing the transfer of EOC to MAOC under the action of microorganisms. ③ Soil physicochemical properties had less direct influences on SOC, which preferentially affected SOC accumulation by regulating the composition as well as the chemical structure of soil DOM. ④ The structural equation modeling indicated that water content (MC) and total phosphorus (TP) were directly involved in SOC transport and transformation, whereas ammonium nitrogen (NH4+-N), nitrate nitrogen (NO3--N), electrical conductivity (EC), available phosphorus (AP), pH, K+, and Na+ indirectly affected SOC accumulation mediated by DOM from humus and microbial sources. In summary, the present study elucidated that the trade-off mechanisms affecting SOC sequestration in the critical functional zone along the land-river ecotone, and the results can provide theoretical support for further exploring the constructive methods of ecological corridors and the pathways of carbon sequestration and sink enhancement in the "watershed-estuary-offshore" system of the coastal rivers.
Key words: Duliujian River      vegetation buffer zone      soil organic carbon (SOC)      dissolved organic matter (DOM)      seasonal variation     

土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是全球碳循环的重要组成部分[1], 也是地球上最主要的碳汇之一, 其对植物和微生物生长以及维持土壤生态系统的稳定性起着关键作用[2].因此, 研究土壤中有机碳的来源、积累过程及时空变化对于理解全球碳循环并制定应对气候变化的合理对策具有重要意义[3]. 众所周知, 植被枯落物是土壤重要的外来碳源[4], 对SOC的积累起着积极的作用, 尤其是木本植物枯落物可以促进活性程度更高的SOC组分在表层土壤中的作用[5, 6]. 同时, 不同组分的SOC又决定着土壤的理化性质, 继而影响植物的生长和枯落物的数量和质量. 有研究指出, 更高的土壤团聚体促进了SOC的含量, 这可以持续促进植物的根际活动[7], 有助于土壤水对有机碳(OC)的迁移转化. 同时有研究表明, 季节性淹水程度的扩张对表层土壤的SOC储存有着明显的促进作用[8], 而保水性高的土壤在3个月的时间内也会促进枯落物以溶解性有机碳的形式归还到土壤中[9]. 由此可见, 植被类型及其季节变化均会影响土壤有机碳的积累特征.

目前植被对土壤SOC积累的研究主要集中在枯落物添加[10, 11], 以及微生物降解对土壤养分的吸收作用[12, 13]. 但由于不同植被枯落物的化学成分与其对照土壤的溶解性有机质(dissolved organic matter, DOM)相似性极高[14], 利用DOM表征分析枯落物添加对SOC的积累机制有着明显的误差. 从宏观角度分析, 分析不同组分SOC形成的机制能够更加细致地探究DOM以及环境因子对其的影响[15, 16].不同植被类型对土壤的影响主要通过持续的根际分泌[17]以及枯落物的添加[18], 其中植物枯落物不仅可以提供有机质, 促进土壤的肥力, 还可以形成水源涵养层, 减少土壤侵蚀和洪水冲击对堤坝的影响[19].此外, DOM的不同组分以及化学结构的差异, 会使得SOC积累的方式有所差异. 例如植物枯落物降解释放的物质以短期内OC的矿化[20]为生态系统中的微生物提供了重要的营养物质来源[21]. 有研究表明土壤有机质(soil organic matter, SOM)大部分来自于陆地[22]且对微生物活动有着积极影响[23], 高芳香度[10]和高腐殖化DOM[24], 在物质循环和平衡中有着长期的显著影响, 这种宏观生态SOC的积累方式对于局部区域的碳减排有着积极作用.

河流生态堤岸上的植被缓冲带是由不同植被类型构成的具有不同防护功能的植物带, 其不仅可以在洪水期减缓水流、降低河岸侵蚀和保护堤岸[25, 26], 还可以截留泥沙和污染物、增加生物多样性和野生动物栖息地等[27, 28]. 尽管河流植被缓冲带的生态防护作用已广为人知, 但其对河岸带及河流湿地有机碳积累的贡献及其影响却鲜有报道. 河流生态堤岸作为陆地和河流生态系统之间的过渡地带和生态屏障, 其有机碳的来源、时空变化及其迁移路径对于揭示全球变化和人为活动影响下区域碳收支与碳平衡的关键过程非常重要. 天津是九河下梢, 水系密布, 生态河堤及其植被缓冲带为区域的水质安全提供了有效的保障, 同时其对河流生态系统和近海海域的外源碳输入和碳汇组成都有着直接的影响. 因此, 开展滨海地区入海河流生态堤岸不同植被带土壤有机碳的积累特征及其季节变化的研究对于天津市早日实现碳达峰碳中和目标具有十分重要的意义.

本文选择海河南系独流减河流域作为研究区域, 以位于独流减河生态堤岸上部的乔木林带、中部的乔灌混交林带和滨水植物带为研究对象, 研究不同植被带表层土壤(0~10 cm)中易氧化有机碳(easily organic carbon, EOC)、溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)和矿物质结合态有机碳(mineral-associated organic carbon, MAOC)的空间分布特征及其季节变化, 并结合紫外可见光谱(UV-vis)和三维荧光光谱(EEMs)进一步分析土壤DOM及其在SOC积累和迁移等方面的介导作用. 本研究有助于进一步了解不同植物缓冲带及其配置模式对土壤碳减排及区域碳中和的生态贡献, 这对“双碳”战略背景下流域生态廊道的构建及固碳增汇路径的探索具有重要意义.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究地点位于天津市海河南系独流减河流域(东经116°54′~117°30′, 北纬38°44′~39°04′, 图 1). 独流减河属于海河流域大清河下游人工排洪河道, 以泄大清河和子牙河系入东淀之水. 周边分布有大港油田、大港电厂、石油化工厂以及大港油田天然气田等国民经济重要设施, 该地区受温带季风影响, 雨热同期, 四季分明, 具有丰富的自然资源和生态物种.该区域的土壤以黏土质壤土为主, 土地利用主要为人工植被缓冲带, 其植被种类主要包括大叶杨(Leucoides)、柽柳(Tamarix chinensis Lour.)、垂柳(Salix babylonica L.)、旱柳(Salix matsudana Koidz.)、火炬树(Rhus typhina L.)、美国榆树(Ulmus americana L.)、欧梣(Fraxinus excelsior Linn.)和刺槐(Robinia pseudoacacia L.)等. 本研究中, 乔木林带所种植植物均为乔木类植物, 混交林带所种植植物为乔木类植物与灌木类植物混种的类型, 而滨水植物带属于河漫滩类型样带, 仅种植芦苇[Phragmites australis (Cav.)Trin. ex Steud]和盐地碱蓬[Suaeda salsa (L.)Pall.]等草本植物. 以上植物对于保持土壤稳定、改善水质以及防止洪水冲刷具有重要作用. 此外, 该地区还有许多野生动物, 如野鸭和白鹭等.

图 1 研究区域采样点分布及植被缓冲带示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites and vegetation buffer zones in the study area

1.2 样品采集与处理

选择独流减河北侧的生态堤坝作为研究对象, 采样时间为2023年的3月(春季)和6月(夏季). 本文以天津市独流减河生态堤岸上部的乔木林带、中部的混交林带和滨水植物带的土壤为研究对象, 沿独流减河自上而下选取6个典型采样点, 选择采样点时避开了支流附近区域以免除外源DOM的影响. 每个采样点分别在3个不同植被带内各设置20 m×20 m样地, 并按照对角线法则选取5个1 m×1 m样方采集土壤样品, 所采集的土壤样品均为非根际土壤以去除植物根际变化的影响, 样品剥离1 cm左右的表层土后, 摘除碎石、根系等杂质并将同样地样本混合, 装入自封袋后送至实验室待处理, 此操作重复3次.土壤样品采集后留存一部分新鲜样品放入-20℃冰箱保存, 其余样品自然风干, 风干后用陶瓷研钵研磨, 分别过10目和100目土壤筛待测.

1.3 土壤实验分析

将预处理之后的土壤样品利用重铬酸钾外加热法直接测定总有机碳(SOC)的含量[29], 溶解性有机碳(DOC)利用超纯水浸提后使用TOC仪进行测定[24, 30]. 使用5 g·L-1六偏磷酸钠溶液分离颗粒有机碳(POC)和矿物质结合态有机碳(MAOC)[31], 并用重铬酸钾外加热法测定其含量. 利用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法测定易氧化有机碳(EOC)[32].

另外, 利用铝盒称取一定量鲜土测定土壤含水率(MC). 无机盐氮形态(NH4+-N, NO3--N)利用1 mol·L-1氯化钾溶液浸提-紫外分光光度计测定. 利用HF∶HNO3为1∶9的混合酸消解沉积物样品, 定容后用ICP-OES(VISTA-MPX, Varian, USA)测定总磷(TP), 有效磷(AP)利用碳酸氢钠浸提法测定. 利用Mehlich3试剂浸提测定土壤交换性K+和Na+[33].用pH计直接测定经过1∶2.5去离子水混匀后的沉积物样品的pH值. 用电导率仪直接测定经过1∶5去离子水混匀后的沉积物样品的电导率(EC)[11].

DOM采用超纯水提取法[34, 35], 取5 g风干沉积物样置于50 mL离心管中, 按1∶5土水比加入超纯水浸提, 放入25℃恒温振荡器中振荡24 h后, 4 000 r·min-1离心20 min, 所得上清液过0.45 μm滤膜后, 得到DOM提取液, 将其中一部分DOM样品使用爱丁堡FS5型荧光光谱分析仪进行EEMs光谱扫描, 另取一部分使用美国HACH公司的紫外-可见分光光度计(DR6000)进行UV-vis光谱扫描, 测量过滤沉积物浸提液, 使用SOP-Vario TOC总有机碳分析仪(Elementar, 德国)测定DOC浓度.

1.4 DOM光谱特征参数

选取7个具有代表性的光谱参数对土壤DOM的来源以及化学性质进行了分析[36], 计算方法与含义如表 1所示.

表 1 DOM光谱特征参数计算公式及其含义 Table 1 Calculation formulas and meanings of DOM spectral characteristic parameters

1.5 数据分析

本研究采用Excel 2022、Origin2022(OriginLab, USA)和SPSS 27(IBM, USA)等软件分析数据和制作图表. 采用ArcGIS 10.2(美国ESRI)绘制采样点的地理分布图. 采用R软件自写脚本对标准化的数据进行结构方程模型(SEM)分析. 在数据分析过程中, 基于Bray-Curtis距离进行ANOSIM分析以确定组间差异, 并使用排列检验分析统计显著性. EEM光谱数据通过MATLAB R2021b中的drEEM0.6.3工具箱进行PARAFAC分析.

2 结果与讨论 2.1 不同植被缓冲带土壤有机碳组分特征

独流减河生态堤岸不同植被带SOC及其它有机碳组分的季节变化如图 2所示. 春季乔木林带、混交林带和滨水植物带ω(SOC)的变化范围分别为10.36~15.94、5.95~10.68和4.65~9.10 mg·g-1, 夏季分别为6.87~10.91、8.31~17.36和10.89~25.32 mg·g-1. 可以看出春季堤岸上部的乔木林带土壤中SOC含量更高(P < 0.05), 而夏季则截然相反, 呈现出乔木林带 < 混交林带 < 滨水植物带的规律(P < 0.05), 表明植被类型及其季节变化均会对土壤中SOC的空间分布特征产生影响.

大写字母表示空间差异, 小写字母表示季节差异, 不同字母表示差异显著 图 2 不同植被缓冲带土壤SOC及其它有机碳组分(DOC、EOC、POC和MAOC)的分布特征 Fig. 2 Distribution characteristics of soil SOC and other organic carbon fractions (DOC, EOC, POC, and MAOC) in different vegetation buffer zones

与SOC不同, POC不存在明显的季节性差异(P > 0.05), 但春节和夏季滨水植物带土壤的POC含量均显著高于其他两个植被带(P < 0.05), 这可能与河流为滨水植物带土壤带来更多的外源输入或自生源DOC有关. 滨水植物带土壤的MAOC无明显季节性变化(P > 0.05), 但乔木林带和混交林带都有明显的季节变化, 其中春季显著高于夏季(P < 0.05). 同样, MAOC在夏季没有表现出空间分布上的差异, 但春季滨水植物带具有更高的MAOC含量(P < 0.05). EOC与MAOC的分布规律完全相反, 这可能与微生物活动有着密切关系, 夏季更高的微生物活性使EOC含量下降, 同时抑制了MAOC的积累. DOC没有明显的空间分布差异, 但表现出了明显的季节变化, 其中春季DOC的含量显著高于夏季(P < 0.05), 这与DOC的高溶解性和移动性有关, 由于生态堤岸上不同植被带的土壤是连续的, 夏季随着降雨后土壤水分的横向运移, 降低了其空间分布差异.

2.2 不同植被缓冲带土壤DOM光谱特征 2.2.1 三维荧光光谱特征

本研究通过EEM-PARAFAC建模确定了4种DOM组分, 如图 3所示. C1组分(Ex/Em, < 200/395 nm)表征为类蛋白酪氨酸, 这类DOM具有更长的发射波长, 因此, C1组分在其他研究中表现出更多的共轭荧光小分子[37], 这表明在产生这种荧光的荧光团中出现了更多的芳香性物质或官能团. C2组分(Ex/Em, 240/425 nm)属于类腐殖质, 主要通过农业或者人为活动输入[38, 39], 这里有可能代表枯落物的腐殖化来源. C3组分(Ex/Em, 200/255 nm), 表征为芳香族的类酪氨酸物质, 和微生物活性密切相关[40]. C4组分(Ex/Em, 255/490 nm)表征为类蛋白样物质, 与微生物腐殖质DOM高度相关[40].

各组分DOM的EEMs等高线图以及各组分DOM的分布特征的箱线图;大写字母表示空间差异, 小写字母表示季节差异, 不同字母表示差异显著;C1来自类蛋白酪氨酸, C2来自植物来源类腐殖质, C3来自类酪氨酸, C4来自微生物腐殖质 图 3 不同植被缓冲带土壤DOM组分分布特征 Fig. 3 Distribution characteristics of soil DOM fractions in different vegetation buffer zones

DOM不同组分相对含量的差异主要表现为季节性差异. 小分子的C1组分在春季的相对含量要高于夏季, 同季节不同植被带之间差异不显著. 类腐殖质C2可能对于人为的影响更敏感, 只有位于生态堤岸最上部的乔木林带表现出了季节差异, 其相对含量在春季显著高于夏季. 从表征微生物活性的C3组分的差异可以看出, 春季滨水植物带C3的相对含量处于较高水平, 而乔木林带和混交林带则在夏季处于较高水平, 这表明表层土壤的微生物活动更稳定, 且枯落物的输入可能促进了微生物活动, 但滨水植物带在夏季由于水文水动力作用带走了部分枯落物, 降低了微生物的活动及其枯落物输入水平. 微生物腐殖质C4的差异情况正好与C3相反, 进一步证实了夏季高温以及新鲜枯落物的输入, 促进了微生物的活动.

通过荧光指数可以分析DOM的来源[42, 43]. FI指数是DOM的荧光指数, 较高的FI表征微生物来源的自源性DOM, 反之为陆地输入或外源DOM. HIX指数是DOM的腐殖化指数, 与DOM的腐殖化水平成正比. 由图4(a)4(c)分析结果可知, 滨水植物带FI值处于较高水平, 并且随着季节变化3个植被缓冲带的FI值均出现了显著地提高. 不同植被缓冲带的HIX值没有显著差异, 但夏季HIX值均显著低于春季, 这表明不同植被对土壤DOM来源不存在显著差异. 但春季土壤DOM主要是腐殖化过程产生的, 而夏季土壤DOM主要为微生物来源驱动. BIX指数是DOM的自生源指数, BIX值较高说明藻类和细菌输入对DOM具有更高影响, 较低说明DOM主要受陆源输入和人类活动影响. 由图 4(b)分析结果可知, 夏季BIX值显著高于春季, 同样夏季滨水植物带BIX值显著高于混交林带和乔木林带, 这与夏季微生物活动的自生因素以及河水中藻类的输入有关.

大写字母表示空间差异, 小写字母表示季节差异, 不同字母表示差异显著;FI为荧光指数, HIX为腐殖化指数, BIX为自生源指数 图 4 不同植被缓冲带土壤DOM三维荧光光谱参数 Fig. 4 Three-dimensional fluorescence spectral parameters of soil DOM in different vegetation buffer zones

2.2.2 紫外可见光光谱特征

图 5分析可知, 独流减河生态堤岸不同植被带之间DOM的紫外光谱特征差异并不明显, 但季节变化非常明显. E2/E4表征DOM的来源[37], 数值较高为内源, 数值较低为外源.由图 5(a)可知, DOM从春季到夏季呈现出从外源向内源发展的趋势, 这可能是由于春季气温低且干旱缺水, DOM以陆源输入为主, 而夏季气温高且水分充足, 微生物自生来源较高. E4 /E6与DOM分子聚合度成反比[44], 由图 5(b)可知, 夏季DOM的分子聚合度均高于春季, 这同样是由于夏季土壤DOM的微生物活性高, 而微生物可能是土壤中有机分子聚合过程的主要驱动因子[45]. SUVA254表征DOM的芳香性[37], 与DOM的稳定性成正比, 主要来自于植物来源或土壤胶体[46], 同时有研究指出枯落物分解诱导了POM更新从而促进土壤碳汇过程[47]. 图 5(c)可知, 春季DOM的芳香性显著高于夏季, 而夏季乔木林带DOM的芳香性显著低于混交林带和滨水植物带, 这可能与枯落物的输入质量有关. SR与DOM的相对分子质量呈负相关[44], 由图 5(d)可知, 春季呈现出了比夏季更高的相对分子质量, 这表明春季到夏季DOM会出现分解的情况, 且夏季DOM的化学性质更加稳定.

大写字母表示空间差异, 小写字母表示季节差异, 不同字母表示差异显著;E2/E4为内源指数, E4/E6为分子聚合度, SUVA254为芳香度, SR为光谱斜率比值 图 5 不同植被缓冲带土壤DOM紫外-可见光光谱特征 Fig. 5 UV spectral characteristics of soil DOM in different vegetation buffer zones

2.3 不同植被缓冲带土壤的理化性质

图 6所示, 不同植被缓冲带的土壤理化性质在空间和时间上均有变化. 滨水植物带MC含量显著高于混交林带和乔木林带. 滨水植物带MC的季节变化不明显, 但混交林带和乔木林带的MC在夏季显著高于春季, 这与夏季的降水较多有关. 生态堤岸各植被缓冲带夏季pH均显著高于春季, 但同季节不同植被带之间差异不明显. 滨水植物带的EC显著高于乔木林带和混交林带, 但其季节变化不明显, 夏季乔木林带与混交林带的土壤EC显著高于春季. NH4+-N、K+和Na+的季节变化非常明显, 均呈现出春季显著高于夏季的现象, 但其空间变化无明显规律. 与此相反, NO3--N的空间变化十分明显, 表现为:滨水植物带 > 乔木林带 > 混交林带, 但其季节变化不明显. TP在空间分布上呈现出混交林带显著高于其他植被带的现象, 但其在乔木林带和滨水植物带中并无季节变化, 在混交林带则表现为春季显著高于夏季. AP在空间分布上表现为滨水植物带显著高于其他植被带, 且其在乔木林带和滨水植物带均表现为春季显著高于夏季, 但其在混交林带并无季节变化.

大写字母表示空间差异, 小写字母表示季节差异, 不同字母表示差异显著 图 6 不同植被缓冲带土壤理化性质的分布特征 Fig. 6 Distribution characteristics of soil physicochemical properties in different vegetation buffer zones

2.4 土壤有机碳的影响因素分析

植被类型、季节变化及其土壤环境因子都可能是影响有机碳变化的重要参数. 本研究通过结构方程模型(SEM)深入分析了土壤理化性质与DOM及其土壤有机碳组分之间的相互作用路径, 结果如图 7所示.

红色箭头为正向影响, 蓝色箭头为负向影响, 箭头越粗表示显著性越强 图 7 土壤理化性质、DOM来源及不同有机碳组分的路径分析 Fig. 7 Pathway analysis of soil physicochemical properties, sources of DOM, and the different components of SOC

本研究表明, 相对分子质量大的低聚合度类腐殖质DOM有助于促进POC的积累, 而微生物活动所产生的DOM也会导致POC的增加. 与此同时, 土壤中存在的K+和Na+显著促进了DOC的积累, 这可能是由于这两种离子对土壤团聚体的影响所致. 先前的研究证实土壤团聚体可抑制OC的直接矿化作用, 但其能促进活性有机碳向矿化碳的转化[48], 这与本研究的结果相一致. 在本研究中, K+和Na+可能通过影响土壤团聚体提高了类腐殖质DOM的化学稳定性, 从而推动DOC向POC的转化. 结构方程模型显示, DOM并不会直接影响MAOC的积累, 但微生物来源的DOM可以促进EOC的生成. 鉴于EOC易被微生物吸收利用, 通过介导微生物的活动进而促使EOC向MAOC的转化, 这与最近在土壤根际碳循环的研究结论相似[49, 50].

土壤理化性质中MC和TP显著影响了DOC的含量. 较高的MC可能导致土壤中DOC的浓度过低从而抑制其对其他组分有机碳的转移积累, 同时促进SOC的矿化[51], 这也是夏季DOC浓度相对较少的原因. NH4+-N、EC、AP、pH、K+和Na+对腐殖质来源DOM有着直接且显著影响, 其中NH4+-N会促使其转化为NO3--N从而降低pH, 这可以促进类腐殖质DOM介导DOC向POC和MAOC转移, 而过高的EC则抑制了类腐植酸DOM的活动. pH、K+和Na+对微生物来源DOM有着直接且显著影响, 这与氮素的影响路径是一致的. 总之, 土壤理化性质与DOM的相关性更好, 表明OC的转移与积累路径更加倾向于通过改变土壤理化性质调控DOM的组分, 进而影响具有流动性的DOC和EOC向性质更加稳定的POC和MAOC转化, 这有利于SOC的固存.

2.5 研究的意义及启示

生态堤岸是河流生态系统中不可或缺的部分, 双碳背景下如何在保持防洪安全和景观要求的基础上提高其固碳增汇能力是十分必要的. 本研究发现夏季滨水植物带土壤的固碳能力显著高于乔木林带和混交林带, 这可能与河流为滨水植物带土壤带来更多的外源碳输入有关. 其次, 有研究表明SOC的积累与枯落物和活根均密切相关[52, 53], 但也有研究表明决定SOC积累的关键因素是活根数量而不是枯落物输入[54]. 本研究发现SOC的驱动因素取决于活根与枯落物之间的权衡, 而这种权衡与季节有关. 夏季植物处于生长盛期, 土壤中活根的分布是决定SOC积累的关键因素. 与木本植物的根系相比, 芦苇等多年生草本植物根系网络发达且主要分布在表层土壤内, 因此夏季滨水植物带表层土壤中SOC的积累会显著高于乔木或乔灌混交群落. 与上述观点不同的是春季根系活性低, 但地上枯落物较多, 此时枯落物的输入对SOC的固存更重要. 与滨水植物带的草本植物相比, 木本植物的枯枝落叶富含纤维素和木质素等大分子物质, 碳密度更大, 因此春季乔木林带土壤的固碳潜力更大.

本研究对北方入海河流不同季节生态堤岸的管理措施方面具有重要的意义和启示. 例如在生态河堤建设中应适当增加滨水植物带的宽度, 此举有助于减缓水流速度、增加上游来水中颗粒碳的沉降及其在滨水植物带的滞留时间. 同时, 可以选择在混交林和乔木林下种植草本植物, 特别是根系发达且固氮能力高或富含磷元素的植物, 促进DOC向POC和MAOC转化, 强化SOC在土壤中的积累. 季节变化的影响也是需要考虑的重要因素之一, 本研究发现, 春季土壤SOC主要取决于枯落物及其腐殖化过程, 而夏季SOC的积累则更倾向于受地下活根及根际微生物的影响. 这说明, 在不同季节采取有针对性的管理措施, 可实现有机碳积累的最大化, 以提高生态堤岸土壤的固碳增汇效果. 具体而言, 春季可以加强有机物质的添加, 如添加枯落物和有机肥料, 以促进腐殖化过程, 增加土壤DOM的形成. 另外, 春季干旱, 需要合理调控乔灌混交林和乔木林带的灌溉频率确保充足的土壤水分, 或收集枯落物覆盖地表以减少水分蒸发, 上述措施有利于提高DOM的腐殖化程度, 促进DOC向POC和MAOC转化. 夏季应提高地表植被的覆盖度和多样性, 通过创造适宜的温度、湿度和营养条件, 促进微生物的繁殖和活动, 增加土壤微生物来源DOM的积累, 促进DOC向POC和MAOC转化, 提高生态堤岸土壤有机碳的积累.

此外, 土壤理化性质虽然对有机碳的直接影响较小, 但可以通过影响DOM的来源及其组分特征, 进而影响土壤有机碳的积累, 因此需定期监测和维持生态堤岸植被缓冲带的土壤条件, 提高河岸水陆交错带这一关键功能区SOC的封存潜力, 为进一步探索入海河流“流域-河口-近海”系统生态廊道的构建方法及其固碳增汇路径提供理论支持.

3 结论

(1)夏季滨水植物带SOC的积累显著高于乔木林带和混交林带, 春季则正好相反, 这取决于地下活根与地上枯落物之间的权衡. 夏季土壤中根系的分布是决定SOC积累的关键因素, 春季地上枯落物的输入质量对SOC的固存更重要.

(2)春季土壤DOM主要来源于腐殖化过程, 高芳香性大分子类腐殖质DOM促进DOC向POC转化并积累;而夏季DOM的来源则更倾向于微生物活动, 通过微生物来源的高分子聚合物DOM促进EOC向MAOC转化并积累.

(3)土壤理化性质对有机碳的直接影响较小, 但可以影响DOM的来源及组分特征, 进而影响土壤有机碳的积累.除MC与TP直接参与有机碳的迁移与转化过程外, 其他理化性质更倾向于通过腐殖质来源和微生物来源的DOM介导间接影响SOC积累.

参考文献
[1] Bao H Y, Kao S J, Lee T Y, et al. Distribution of organic carbon and lignin in soils in a subtropical small mountainous river basin[J]. Geoderma, 2017, 306: 81-88. DOI:10.1016/j.geoderma.2017.07.011
[2] 郭亮娜, 李江荣, 张波, 等. 森林土壤有机碳的影响因子及其研究进展[J]. 湖南生态科学学报, 2023, 10(3): 85-91.
Guo L N, Li J R, Zhang B, et al. Influencing factors of forest soil organic carbon and its research progress[J]. Journal of Hunan Ecological Science, 2023, 10(3): 85-91. DOI:10.3969/j.issn.2095-7300.2023.03.011
[3] Beillouin D, Corbeels M, Demenois J, et al. A global meta-analysis of soil organic carbon in the Anthropocene[J]. Nature Communications, 2023, 14(1). DOI:10.1038/s41467-023-39338-z
[4] 曾全超. 黄土高原辽东栎枯落物分解的微生物作用机制[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2018.
Zeng Q C. The microbial mechanism of Quercus wutaishansea litter decomposition on the loess plateau, China[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2018.
[5] 宋瑞朋, 杨起帆, 郑智恒, 等. 3种林下植被类型对杉木人工林土壤有机碳及其组分特征的影响[J]. 生态环境学报, 2022, 31(12): 2283-2291.
Song R P, Yang Q F, Zheng Z H, et al. Effects of three understory vegetation types on soil organic carbon and its components in Cunninghamia lanceolata plantation[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2022, 31(12): 2283-2291.
[6] 马元丹, 江洪, 余树全, 等. 不同起源时间的植物叶凋落物在中亚热带的分解特性[J]. 生态学报, 2009, 29(10): 5237-5245.
Ma Y D, Jiang H, Yu S Q, et al. Leaf litter decomposition of plants with different origin time in the mid-subtropical China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(10): 5237-5245. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2009.10.008
[7] Panchal P, Preece C, Peñuelas J, et al. Soil carbon sequestration by root exudates[J]. Trends in Plant Science, 2022, 27(8): 749-757. DOI:10.1016/j.tplants.2022.04.009
[8] Shen R C, Yang H, Rinklebe J, et al. Seasonal flooding wetland expansion would strongly affect soil and sediment organic carbon storage and carbon-nutrient stoichiometry[J]. Science of the Total Environment, 2022, 828. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.154427
[9] 孔玉华, 韩梦娟, 张志华, 等. 3种人工林表层土壤溶解性有机质含量的季节变化[J]. 中国水土保持科学, 2019, 17(2): 44-52.
Kong Y H, Han M J, Zhang Z H, et al. Seasonal dynamics of dissolved organic matter contents in surface soils of 3 artificial forests[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(2): 44-52.
[10] 康根丽, 杨玉盛, 司友涛, 等. 马尾松与芒萁鲜叶及凋落物水溶性有机物的溶解特征和光谱学特征[J]. 热带亚热带植物学报, 2014, 22(4): 357-366.
Kang G L, Yang Y S, Si Y T, et al. Soluble and spectral characteristics of DOM in leaching solution from leaves and litter-fall of Pinus massoniana and Dicranopteris dichotoma [J]. Journal of Tropical and Subtropical Botany, 2014, 22(4): 357-366.
[11] 刘晨, 白雪冬, 赵海超, 等. 寒旱区春玉米秸秆还田方式对土壤DOM光谱特征的影响机制[J]. 生态环境学报, 2023, 32(8): 1419-1432.
Liu C, Bai X D, Zhao H C, et al. The effect mechanism of spring maize straw returning method on soil DOM spectral characteristics in cold and arid regions of China[J]. Ecology and Environment Sciences, 2023, 32(8): 1419-1432.
[12] 刘金龙, 王国会, 许冬梅, 等. 不同封育年限荒漠草原土壤有机碳矿化对枯落物添加的响应[J]. 草业学报, 2019, 28(4): 47-57.
Liu J L, Wang G H, Xu D M, et al. Soil organic carbon mineralization response to litter addition in desert steppe grassland sites with differences in number of years grazing exclusion by fencing[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2019, 28(4): 47-57.
[13] 孟妍君, 秦鹏. 珠江三角洲滨海湿地土壤微生物群落多样性与养分的耦合关系[J]. 水土保持研究, 2020, 27(6): 77-84.
Meng Y J, Qin P. Coupling relationship between microbial community diversity and soil nutrients in different wetlands in coastal area of Pearl River Delta[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2020, 27(6): 77-84.
[14] Li Y, Heal K, Wang S Z, et al. Chemodiversity of soil dissolved organic matter and its association with soil microbial communities along a chronosequence of chinese fir monoculture plantations[J]. Frontiers in Microbiology, 2021, 12. DOI:10.3389/fmicb.2021.729344
[15] Zhang Y, Wang Q C, Xu L Q, et al. Mixed conifer-broadleaf trees on arbuscular mycorrhizal and ectomycorrhizal communities in rhizosphere soil of different plantation stands in the temperate zone, Northeast China[J]. Frontiers in Microbiology, 2022, 13. DOI:10.3389/fmicb.2022.986515
[16] Kroeger M E, DeVan M R, Thompson J, et al. Microbial community composition controls carbon flux across litter types in early phase of litter decomposition[J]. Environmental Microbiology, 2021, 23(11): 6676-6693. DOI:10.1111/1462-2920.15705
[17] Chen S M, Waghmode T R, Sun R B, et al. Root-associated microbiomes of wheat under the combined effect of plant development and nitrogen fertilization[J]. Microbiome, 2019, 7(1). DOI:10.1186/s40168-019-0750-2
[18] Gorka S, Dietrich M, Mayerhofer W, et al. Rapid transfer of plant photosynthates to soil bacteria via ectomycorrhizal hyphae and its interaction with nitrogen availability[J]. Frontiers in Microbiology, 2019, 10. DOI:10.3389/fmicb.2019.00168
[19] 余涵霞, 王家宜, 万方浩, 等. 植物凋落物影响土壤有机质分解的研究进展[J]. 生物安全学报, 2018, 27(2): 88-94.
Yu H X, Wang J Y, Wan F H, et al. Research progress on effects of plant litter on the decomposition of soil organic matter[J]. Journal of Biosafety, 2018, 27(2): 88-94. DOI:10.3969/j.issn.2095-1787.2018.02.003
[20] 汪景宽, 徐英德, 丁凡, 等. 植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展[J]. 土壤学报, 2019, 56(3): 528-540.
Wang J K, Xu Y D, Ding F, et al. Process of plant residue transforming into soil organic matter and mechanism of its stabilization: a review[J]. Acta Pedologica Sinica, 2019, 56(3): 528-540.
[21] Craig M E, Geyer K M, Beidler K V, et al. Fast-decaying plant litter enhances soil carbon in temperate forests but not through microbial physiological traits[J]. Nature Communications, 2022, 13(1). DOI:10.1038/s41467-022-28715-9
[22] Sokol N W, Whalen E D, Jilling A, et al. Global distribution, formation and fate of mineral-associated soil organic matter under a changing climate: A trait-based perspective[J]. Functional Ecology, 2022, 36(6): 1411-1429. DOI:10.1111/1365-2435.14040
[23] 魏圆云, 崔丽娟, 张曼胤, 等. 土壤有机碳矿化激发效应的微生物机制研究进展[J]. 生态学杂志, 2019, 38(4): 1202-1211.
Wei Y Y, Cui L J, Zhang M Y, et al. Research advances in microbial mechanisms underlying priming effect of soil organic carbon mineralization[J]. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(4): 1202-1211.
[24] 陈滢伊, 司友涛, 鲍勇, 等. 隔离降雨对亚热带米槠天然林土壤可溶性有机质数量及光谱学特征的影响[J]. 应用生态学报, 2019, 30(9): 2964-2972.
Chen Y Y, Si Y T, Bao Y, et al. Effects of rainfall reduction on the quantity and spectroscopic characteristics of soil dissolved organic matter in a subtropical natural Castanopsis carlesii forest[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(9): 2964-2972.
[25] 李君宁. 植物—水流—泥沙相互作用的影响研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2012.
[26] 张元元. 典型污染物对侵蚀水流流动变异特性影响研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2023.
Zhang Y Y. Study on the effects of typical pollutants on the flow variation characteristics of erosive water flow[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2023.
[27] 郭二辉, 孙然好, 陈利顶. 河岸植被缓冲带主要生态服务功能研究的现状与展望[J]. 生态学杂志, 2011, 30(8): 1830-1837.
Guo E H, Sun R H, Chen L D. Main ecological service functions in riparian vegetation buffer zone: Research progress and prospects[J]. Chinese Journal of Ecology, 2011, 30(8): 1830-1837.
[28] 胡海波, 邓文斌, 王霞. 长江流域河岸植被缓冲带生态功能及构建技术研究进展[J]. 浙江农林大学学报, 2022, 39(1): 214-222.
Hu H B, Deng W B, Wang X. Research progress on ecological function and construction technology of riparian vegetation buffer strips in the Yangtze River Basin[J]. Journal of Zhejiang A & F University, 2022, 39(1): 214-222.
[29] Liu J Y, Feng Y, Zhang Y, et al. Allometric releases of nitrogen and phosphorus from sediments mediated by bacteria determines water eutrophication in coastal river basins of Bohai Bay[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2022, 235. DOI:10.1016/j.ecoenv.2022.113426
[30] Liu J B, Kong W D, Xia P H, et al. Prokaryotic community succession in bulk and rhizosphere soils along a high-elevation glacier retreat chronosequence on the Tibetan Plateau[J]. Frontiers in Microbiology, 2021, 12. DOI:10.3389/fmicb.2021.736407
[31] Villarino S H, Pinto P, Jackson R B, et al. Plant rhizodeposition: A key factor for soil organic matter formation in stable fractions[J]. Science Advances, 2021, 7(16). DOI:10.1126/sciadv.abd3176
[32] Liu K, Chen Y, Li S Y, et al. Differing responses of root morphology and physiology to nitrogen application rates and their relationships with grain yield in rice[J]. The Crop Journal, 2023, 11(2): 618-627. DOI:10.1016/j.cj.2022.07.019
[33] Nwokoro C C, Kreye C, Necpalova M, et al. Cassava-maize intercropping systems in southern Nigeria: Radiation use efficiency, soil moisture dynamics, and yields of component crops[J]. Field Crops Research, 2022, 283. DOI:10.1016/j.fcr.2022.108550
[34] Jiang T, Bravo A G, Skyllberg U, et al. Influence of dissolved organic matter (DOM) characteristics on dissolved mercury (Hg) species composition in sediment porewater of lakes from southwest China[J]. Water Research, 2018, 146: 146-158. DOI:10.1016/j.watres.2018.08.054
[35] 何泽琴, 李亚飞, 李俊, 等. 典型微塑料对水库缓流区消落带土壤Cu形态的影响及其与DOM的关联[J]. 环境科学学报, 2023, 43(9): 346-356.
He Z Q, Li Y F, Li J, et al. Effect of typical microplastics on soil copper speciation and its association with DOM in water-level-fluctuation zone of slow-flowing area of the reservoir[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2023, 43(9): 346-356.
[36] 何伟, 白泽琳, 李一龙, 等. 溶解性有机质特性分析与来源解析的研究进展[J]. 环境科学学报, 2016, 36(2): 359-372.
He W, Bai Z L, Li Y L, et al. Advances in the characteristics analysis and source identification of the dissolved organic matter[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(2): 359-372.
[37] Stedmon C A, Markager S, Bro R. Tracing dissolved organic matter in aquatic environments using a new approach to fluorescence spectroscopy[J]. Marine Chemistry, 2003, 82(3-4): 239-254. DOI:10.1016/S0304-4203(03)00072-0
[38] Kowalczuk P, Durako M J, Young H, et al. Characterization of dissolved organic matter fluorescence in the South Atlantic Bight with use of PARAFAC model: Interannual variability[J]. Marine Chemistry, 2009, 113(3-4): 182-196. DOI:10.1016/j.marchem.2009.01.015
[39] Shakil S, Tank S E, Kokelj S V, et al. Particulate dominance of organic carbon mobilization from thaw slumps on the Peel Plateau, NT: quantification and implications for stream systems and permafrost carbon release[J]. Environmental Research Letters, 2020, 15(11). DOI:10.1088/1748-9326/abac36
[40] Moona N, Holmes A, Wünsch U J, et al. Full-scale manipulation of the empty bed contact time to optimize dissolved organic matter removal by drinking water biofilters[J]. ACS ES & T Water, 2021, 1(5): 1117-1126.
[41] Yamashita Y, Scinto L J, Maie N, et al. Dissolved organic matter characteristics across a subtropical wetland's landscape: application of optical properties in the assessment of environmental dynamics[J]. Ecosystems, 2010, 13(7): 1006-1019. DOI:10.1007/s10021-010-9370-1
[42] Zhang Y, Shen J, Feng J M, et al. Composition, distribution, and source of organic carbon in surface sediments of Erhai Lake, China[J]. Science of the Total Environment, 2023, 858. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.159983
[43] Zhang N, Liu J Y, Zhang T Y, et al. Sources and composition of sediment dissolved organic matter determine the ecological strategies of bacteria in rivers: evidence, mechanism, and implications[J]. Journal of Soils and Sediments, 2023, 23(6): 2613-2627. DOI:10.1007/s11368-023-03492-0
[44] Zhou Y Q, Jeppesen E, Zhang Y L, et al. Dissolved organic matter fluorescence at wavelength 275/342nm as a key indicator for detection of point-source contamination in a large Chinese drinking water lake[J]. Chemosphere, 2016, 144: 503-509. DOI:10.1016/j.chemosphere.2015.09.027
[45] Han Y F, Qu C C, Hu X P, et al. Warming and humidification mediated changes of DOM composition in an Alfisol[J]. Science of the Total Environment, 2022, 805. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.150198
[46] Wu Q X, Wu F Z, Zhu J J, et al. Leaf and root inputs additively contribute to soil organic carbon formation in various forest types[J]. Journal of Soils and Sediments, 2023, 23(3): 1135-1145. DOI:10.1007/s11368-022-03403-9
[47] Lyu M, Homyak P M, Xie J S, et al. Litter quality controls tradeoffs in soil carbon decomposition and replenishment in a subtropical forest[J]. Journal of Ecology, 2023, 111(10): 2181-2193. DOI:10.1111/1365-2745.14167
[48] Zhang Q Q, Wakelin S A, Liang Y C, et al. Soil microbial activity and community structure as affected by exposure to chloride and chloride-sulfate salts[J]. Journal of Arid Land, 2018, 10(5): 737-749. DOI:10.1007/s40333-018-0014-1
[49] Li T T, Zhang J Z, Wang X, et al. Fungal necromass contributes more to soil organic carbon and more sensitive to land use intensity than bacterial necromass[J]. Applied Soil Ecology, 2022, 176. DOI:10.1016/j.apsoil.2022.104492
[50] Beidler K V, Benson M C, Craig M E, et al. Effects of root litter traits on soil organic matter dynamics depend on decay stage and root branching order[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2023, 180. DOI:10.1016/j.soilbio.2023.109008
[51] Yin S, Bai J H, Wang W, et al. Effects of soil moisture on carbon mineralization in floodplain wetlands with different flooding frequencies[J]. Journal of Hydrology, 2019, 574: 1074-1084. DOI:10.1016/j.jhydrol.2019.05.007
[52] 赖硕钿, 吴福忠, 吴秋霞, 等. 雪被去除减缓岷江冷杉凋落叶易分解碳释放[J]. 植物生态学报, 2023, 47(5): 672-686.
Lai S T, Wu F Z, Wu Q X, et al. Reduced release of labile carbon from Abies fargesii var. faxoniana needle litter after snow removal in an alpine forest[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2023, 47(5): 672-686.
[53] 海龙. 毛乌素沙地杨柴人工灌木林土壤有机碳与呼吸作用特征研究[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2023.
Hai L. Study on soil organic carbon and cellular respiration characteristics of poplar artificial shrub in Mu Us sandy land [D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2023.
[54] Whalen E D, Lounsbury N, Geyer K M, et al. Root control of fungal communities and soil carbon stocks in a temperate forest[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2021, 161. DOI:10.1016/j.soilbio.2021.108390