我国亚热带被称为“北回归线荒漠带上的绿洲”，与同纬度的中亚、西亚及北非等地的荒漠、稀树草原景观不同，本区域四季分明、水热同季、生态系统生产力高，地带性植被为常绿阔叶林；然而长期以来，随着南方山地开发和商品林基地建设，大面积的天然常绿阔叶林被转换成各种人工林。森林转换初期林地土壤受到极大的干扰，后期地表凋落物的数量、化学组成，以及其分解过程均与天然林有较大不同，这必将给表层土壤(0—10 cm)有机质库带来显著影响^{[1, 2, 3]}。可溶性有机质(DOM) 是土壤有机质库中最为活跃的部分，它既体现了地表凋落物的性质又能反映有机质在土壤中的腐殖化、吸附等一系列物理化学过程，因而能最敏感的反映土壤有机质的变化。它不仅关乎养分的有效性，是植物和微生物的重要养分来源；同时又因高度的流动性关系到土壤的C吸存，是底层土壤有机质最主要的来源之一，影响着生态系统的生产力及可持续性^{[4, 5]}。

全球气候变化背景下，土壤中DOM的数量和结构特征与森林转换导致的土壤有机质的储量和稳定性的变化密切相关。DOM操作上的定义是指能通过0.45 μm滤膜的不同大小和结构的有机分子混合体，包括可溶性有机碳(DOC)及可溶性有机氮(DON)等^[6]，成分的复杂性给DOM的性质分析带来一定的挑战。

DOM的数量特征常用DOC、DON等组分的浓度来表示。而DOM结构复杂，传统的分析方法常具有一定的局限性。如亲疏水性分组法得到的两类物质之间并没有严格明确的界限，每类物质均包含复杂的混合物。新近兴起的红外光谱法操作简便快速，结果准确可靠，能够反映DOM中化合物的官能团组成及比例信息^[7]；紫外可见光谱分析方法简单且对样品无损坏，能够对DOM进行半定量的检测^[8]；荧光光谱分析是一种高效且信息丰富的分析手段^[9]。因此，光谱学研究方法的引入将使我们对森林转换后土壤DOM的变化有更加全面的了解。

福建省三明市莘口格氏栲(Castanopsis kawakamii)保护区内的格氏栲天然林是目前保存较为完整的中国亚热带天然常绿阔叶林，其树龄约为160a，面积700 hm²。20世纪60年代，部分格氏栲天然林被皆伐、炼山、整地后营造成结构单一的人工纯林，这些人工林与现存格氏栲天然林毗邻、本底条件(母岩、土壤层次、土层厚度)相似，从而为探讨森林转换对土壤DOM数量与光谱学特征的影响提供了良好的试验地条件^[10]。本研究选取格氏栲天然林及其转换而成的木荷(Schima superba)、锥栗(Castanea henryi)及福建柏(Fokienia hodginsii)等3种人工林为研究对象，探讨天然林转换成不同树种的人工林后，土壤DOM的数量和光谱学特征所发生的变化，以期为揭示森林转换对土壤可溶性有机质的影响机理及我国人工林的经营和树种选择提供依据。

试验地位于福建省三明市莘口教学林场(26°11′N，117°26′E)，东南面和西北面分别与戴云山脉和武夷山脉相连；属中亚热带季风气候，年均气温19.4 ℃，年均降水量1605.9 mm，年均蒸发量1585 mm，相对湿度81%，全年无霜期为300 d；土壤为砂质页岩发育的红壤，土层厚度超过1 m。

格氏栲天然林林龄约160a，群落结构组成复杂，其中格氏栲占优势。灌木层主要有狗骨柴(Tricalysia dubia)和毛冬青(Ilex pubescens)等，草本层以狗脊(Woodwardia japonica)和芒萁(Dicranopteris dichotoma)为主^[11]。

3种人工林林龄接近50a，初植密度均为2500株/hm²左右，幼苗栽种10a后，进行卫生伐，20a后进行间伐，期间有除草、松土等措施；锥栗林每年劈草3次，在达到成熟期后，落果几乎全被人工采收。3种人工林林冠皆为单层。林下植被主要有毛冬青(Iles pubescens)、芒萁(Dicranopteris dichotama)、矩叶鼠刺(Itea oblonga)及狗骨柴(Tricalysia dubia)等^[12]，各林分基本特征和土壤性质见表1。

2013年7月进行采样。使用网格法取土，在每个林分内布设3块30 m×30 m的样地，将每块样地平均划分成100个网格，从这100个网格中随机抽取30个，使用土钻按0—5 cm及5—10 cm分层取样。样品带回室内，去除石砾、碎屑以及植物根系，每块样地内相同层次土样混合均匀，取一部分用于测定含水率，其余过2 mm土壤筛，用于提取DOM。取部分过筛的土壤风干并研磨过0.149 mm筛用于测定土壤有机碳及全氮。

土壤有机碳及全氮使用Elementar Vario MAX碳氮分析仪测定，pH值使用CHN868型pH计(Thermo Orion)测定，土壤密度采用环刀法测定。

样品DOM采用水浸提法^[13]，取15 g鲜土于离心管中，加入去离子水(水土比2∶1，体积质量比)，震荡30 min后离心10 min(4000 r/min)，用0.45 μm滤膜过滤，滤液中有机物即为DOM。

采用岛津TOC-VcPh有机碳分析仪测定样品DOC浓度，使用连续流动分析仪(Skalar San⁺⁺，Netherlands)测定DON浓度。

使用UV-2450(岛津)紫外可见分光光度计测定紫外可见吸光值，通过检测待测液在波长254 nm处的吸收值(Special Ultraviolet-Visible Absorption，SUVA)来分析其芳香化程度。SUVA也称为芳香性指数(Aromaticity Index，AI)，计算方法为：(UV₂₅₄/DOC) ×100^{[14, 15]}。

荧光光谱使用日立F7000仪器进行测定，激发和发射光栅狭缝宽度都为10 nm，扫描速度1200 nm/min，激发波长254 nm，荧光发射光谱波长范围300—480 nm，荧光同步光谱波长范围250—500 nm。荧光发射光谱中(∑435—480 nm)区域与(∑300—345 nm)区域的峰面积比值被称为荧光发射光谱腐殖化指数(HIX_em)，荧光同步光谱波长460 nm与345 nm处荧光强度的比值为荧光同步光谱腐殖化指数(HIX_syn)^{[9, 16]}；荧光效率(F_eff)计算方法为样品荧光发射光谱的最大荧光强度(F_max)除以其SUVA值^[17]。为提高灵敏度，荧光光谱测定前使用2 M盐酸将所有待测液的pH值调成2^[14]。

将1 mg冷冻干燥的样品与400 mg干燥的KBr(光谱纯)磨细混匀，在10 t/cm²压强下压成薄片并维持1 min，用FTIR 光谱仪(Nicolet Magna FTIR 550)测定并记录其红外光谱，波谱扫描范围为4000—400 cm^-1。

数据分析在SPSS 17.0中进行，采用方差分析和LSD比较不同林分、不同土层土壤DOM数量和性质的差异性，显著性水平设定为α=0.05。相关图表制作在Excel中完成。

在0—5 cm土层，格氏栲天然林DOC浓度(41.68 mg/kg)分别是木荷人工林(14.16 mg/kg)、锥栗人工林(12.56 mg/kg)及福建柏人工林(29.44 mg/kg)的2.9、3.3和1.4倍，差异达到显著水平(P < 0.05)，3种人工林中，福建柏土壤DOC浓度显著高于其余两种人工林(P < 0.05)；5—10 cm土层中，各林分土壤DOC浓度差异较小，其中福建柏人工林浓度最高(13.69 mg/kg)。各林分0—5 cm土壤DOC浓度均高于5—10 cm土层，其中格氏栲天然林及福建柏人工林上下两土层差异显著(P < 0.05)(图1)。

图 1 各林分土壤DOC及DON浓度 Fig.1 Concentration of soil DOC and DON in different forests 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH:锥栗人工林Castanea henryi plantation; FOH 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 不同大写字母表示同一土层内不同林分间差异显著，不同小写字母表示同一林分不同土层间差异显著(P < 0.05)；图中数据为平均值±标准差(n=3)

图选项

0—5 cm土层内，格氏栲天然林土壤DON浓度最高，为5.38 mg/kg，但仅显著高于锥栗人工林(1.49 mg/kg)(P < 0.05)；在5—10 cm土层内，DON浓度最高的是福建柏人工林，为4.17 mg/kg，显著高于其余林分(P < 0.05)。各林分0—5 cm土壤DON浓度均高于5—10 cm土层(图1)。

从图2中可以看出，天然林转换成人工林后，土壤DOM的SUVA 值显著降低(P < 0.05)，在0—5 cm土层，降低幅度为45%—74.3%，5—10 cm土层内则降低了54.3%—82.9%。所有林分0—5 cm土壤DOM的SUVA值均显著高于5—10 cm土层(P < 0.05)，在3种人工林中，福建柏人工林土壤DOM的SUVA 值最高。

图 2 各林分土壤DOM的光谱学特征 Fig.2 Spectroscopic characteristics of soil DOM in different forests NF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH: 锥栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 不同大写字母表示同一土层内不同林分间差异显著，不同小写字母表示同一林分不同土层间差异显著(P < 0.05);图中数据为平均值±标准差(n=3)

图选项

图3为各林分土壤DOM荧光发射光谱图。两个土层中，天然林土壤DOM波峰所对应的波长均较大。3种人工林同一土层土壤DOM所得到的峰型相似，0—5 cm土壤DOM的波峰所对应的波长主要集中在425—429 nm，而5—10 cm 土层则集中在波长较短的354—366 nm。

图4为各林分土壤DOM荧光同步光谱图。从图中可以看出，各林分土壤DOM样品的特征峰主要有以下3个：(1) λex 285—290 nm，代表类蛋白质基团，如芳香氨基酸等；(2) λex 349—381 nm，代表芳香性脂肪族基团；(3) λex 450—453 nm，代表木质素类基团。各林分出现特征峰的位置大致相同，但相对峰面积不同，天然林在波长380 nm及453 nm附近的相对峰面积较大，而3种人工林在短波长位置的相对吸收峰面积较大。

图 3 不同林分土壤DOM荧光发射光谱图 Fig.3 Fluorescence emission spectra of soil DOM in different forests NF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH:锥栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 由于同一林分中3块样地的土壤DOM所得谱图类似，为简便起见，只选择其中1个列出

图选项

图 4 不同林分土壤DOM荧光同步光谱图 Fig.4 Synchronous fluorescence spectra of soil DOM in different forests NF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH: 锥栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 由于同一林分中3块样地的土壤DOM所得谱图类似，为简便起见，只选择其中1个列出

图选项

在两个土层中，格氏栲天然林土壤DOM的HIX_em值均显著高于3种人工林(P < 0.05)。0—5 cm土层中，天然林土壤DOM的HIX_em值分别是木荷、锥栗及福建柏的1.7、1.6及1.6倍，在5—10 cm土层，前者的HIX_em值为后三者的1.4倍；3种人工林土壤DOM的HIX_em值差异不显著(P> 0.05)(图2)。从图2的荧光同步光谱腐殖化指数中可以看出，天然林土壤DOM的HIX_syn值高于3种人工林，差异达显著水平(P < 0.05)，3种人工林中，福建柏人工林土壤DOM的HIX_syn值最高。随着土层的加深，各林分土壤DOM的HIX_em及HIX_syn值均下降。

各林分土壤DOM 的F_eff值变化趋势与SUVA及HIX不同(图2)，森林转换后，土壤DOM 的F_eff值显著升高(P < 0.05)，在0—5 cm土层，升高幅度为111%—305%，5—10 cm土层升高幅度则为115%—273%。3种人工林中，福建柏土壤DOM的F_eff值低于木荷及锥栗。各林分0—5 cm土层土壤DOM的F_eff值均小于5—10 cm土层。

由图5可知，格氏栲天然林0—5 cm土壤DOM中所含有的官能团主要为：3400 cm^-1附近的羟基，2927 cm^-1及2856 cm^-1处的亚甲基，1632 cm^-1处的双键，1388 cm^-1处的甲基及1109、1020 cm^-1处的碳水化合物；5—10 cm土壤DOM中所含有的官能团主要为：3406 cm^-1处的羟基，2978、1387 cm^-1处的甲基，2926 cm^-1处的亚甲基，1624和1435 cm^-1处的羧酸盐及1192、1140、1105及1041 cm^-1处的碳水化合物。

图 5 不同林分土壤DOM红外光谱图 Fig.5 FTIR spectra of DOM in different forests NF: 格氏栲天然林 natural forest of Castanopsis kawakamii; SCS: 木荷人工林Schima superba plantation; CAH: 锥栗人工林Castanea henryi plantation; FOH: 福建柏人工林Fokienia hodginsii plantation; 由于同一林分中3块样地的土壤DOM所得谱图类似，为简便起见，只选择其中1个列出

图选项

天然林转换为木荷人工林后，0—5 cm 土层中1383 cm^-1处甲基的吸收比例上升，1142、1120 cm^-1处碳水化合物的比例也上升，且向高波数方向移动，这表明了酚类物质的增加；5—10 cm土壤的红外吸收和0—5 cm土层很相似，只是2854 cm^-1处的吸收略下降，多了1196 cm^-1的弱吸收；与天然林5—10 cm土层相比，木荷人工林2978 cm^-1处甲基的吸收比例减小,但1385 cm^-1的比例明显增加。

天然林转换为锥栗人工林后，0—5 cm土层中3545及1387 cm^-1处的吸收明显增强，而1626 cm^-1处吸收减弱，碳水化合物的吸收峰向高波数1140 cm^-1移动且比例增加；5—10 cm和0—5 cm土壤DOM所得谱图相似，但3545 cm^-1处的吸收更明显。

3种人工林中，福建柏土壤DOM所得谱图与天然林最为相似，但仍存在一些区别。如0—5 cm土层中1105 cm^-1处的吸收明显增加；5—10 cm土层中，亚甲基减少，甲基增加且其弯曲振动吸收变强；1200—1100 cm^-1的吸收变得复杂且比例继续增加。

本研究结果表明，格氏栲天然林转换成木荷、锥栗及福建柏人工林后，0—5 cm土壤可溶性有机碳浓度显著降低(P < 0.05)(图1)，这与周程爱^[18]及Chen^[19]等人的研究结果一致。造成森林转换后土壤可溶性有机质减少的原因可概括为以下几个方面：(1)人工林造林初期营林措施(皆伐、炼山、整地)的干扰。皆伐火烧使采伐剩余物及枯枝落叶层C库损失殆尽；同时，部分表层土壤有机碳也在火烧的过程中因挥发而损失；而整地使土壤透气性增加、微生物活动加强，从而加速了土壤有机质的分解^{[3, 20]}。(2) 凋落物归还量的差异。人工林在幼林时期，地上凋落物的归还量极少，且研究表明，在人工林达到成熟后，其凋落物归还量仍显著低于天然林^{[3, 20]}。(3)人工林管理方式的影响。人工林在管理过程中所采取的间伐、劈草等措施，进一步减少了土壤有机碳库的输入^{[3, 20]}。在这些因素的共同作用下，森林转换后，土壤可溶性有机碳浓度呈现出下降的趋势。各林分5—10 cm土层DOC浓度差异较小，说明初期营林措施对这一土层土壤的影响相对较小；同时福建柏5—10 cm土层DOC浓度略高于天然林，结合福建柏土壤有机碳浓度较高的事实(表1)，说明福建柏人工林土壤有机碳恢复较快，其原因可能与福建柏凋落物中有机质的结构有关。3种人工林中，福建柏土壤可溶性有机质浓度最高，而锥栗最低(图1)。研究表明，福建柏人工林年凋落物量为7318.3 kg/hm²，而锥栗林仅为2414.6 kg/hm²，远低于前者^{[12, 21]}；此外，锥栗作为一种果树，受人为干扰较严重，其落果的采收进一步降低了凋落物的归还量，从而导致了土壤可溶性有机碳来源的减少，由此可见，不同树种人工林间土壤可溶性有机质浓度的差异主要受凋落物归还量的影响，这与Li^[22]及Wu^[13]等人的研究结果一致。

可溶性有机氮在森林生态系统土壤氮循环过程中发挥着重要作用^[23]，其数量及结构组成受一系列生物及非生物因素的影响，如树种、土壤有机质的输入及森林管理措施等^{[23, 24, 25]}，而森林转换也主要通过影响这些因素来改变土壤可溶性有机氮库。本研究结果显示，格氏栲天然林转换成3种人工林后，土壤可溶性有机氮浓度总体呈下降趋势(图1)。Burton等^[23]的研究也表明，澳大利亚东南部的天然林转换成南洋杉(Araucaria cunninghamii)(53年生)后，0—10 cm土层的可溶性有机氮浓度显著降低。而Fujii等^[26]却指出，天然林转变成耕地后，受有机肥料添加的影响，土壤可溶性有机氮的浓度升高。这表明，土壤可溶性有机氮库受自然条件及人类活动的共同影响。天然林受人类干扰较少，物种丰富，地上凋落物归还量大^{[2, 11]}，因此，森林转换后，土壤可溶性有机氮的浓度降低。3种人工林中，福建柏土壤可溶性有机氮浓度最高，这与其凋落物量大且N含量高有关^[12]。

天然林转换成人工林后，土壤有机质的恢复需要一个较长的过程，结构复杂的大分子有机质的积累就更慢。与天然林相比，人工林凋落物数量少，养分含量低且分解速度慢^[2]，因此，人工林凋落物在分解过程中释放分解产物的速度较慢，而分解产物中木质素等结构复杂物质的积累将增加土壤有机质的芳香化程度。本研究结果表明，人工林土壤DOM的SUVA值显著低于天然林(P < 0.05)(图2)，说明天然林土壤DOM中含有更多芳香化合物，如木质素类难分解物质^[27]；荧光发射光谱中波峰向短波方向移动意味着人工林土壤DOM分子中共轭体系减少，分子结构变得简单，而芳环是最常见的共轭体系，因此和SUVA的结果吻合；与此对应的是，荧光同步光谱所得到的几个特征峰中，来自木质素类基团的吸收是天然林和福建柏人工林土壤DOM的最大吸收。

荧光发射光谱和荧光同步光谱给出的腐殖化指数(HIX_em、HIX_syn)可以用来表征DOM的腐殖化程度^[28]；本研究中，天然林转换成人工林后，土壤DOM腐殖化指数显著降低(P < 0.05)(图2)，说明天然林土壤DOM中含有更多结构复杂且不易分解及迁移的成分。荧光效率被认为与荧光基团的量子效率呈比例关系，天然林转换成人工林后土壤DOM的荧光效率值升高(图2)，这表明虽然人工林土壤DOM浓度相对较低，但其中的荧光物质主要是含有π电子的物质。红外光谱显示，人工林土壤DOM含有的结构简单的物质主要是小分子烷烃或碳水化合物。

天然林转换成人工林的过程中，土壤有机质经历了一个先流失后积累的过程。造林初期土壤受扰动较大，土壤有机质结构遭到破坏，因此一些成分复杂、分子量大的组分发生了分解和转化，其中0—5 cm土壤受到的干扰大于5—10 cm土壤。后期恢复过程中，凋落物中的有机质直接归还到0—5 cm土壤中，因此这一土层的DOM更能反映凋落物的性质，结构复杂且差异性较大；5—10 cm土层DOM主要来自于上层土壤DOM的迁移，因此其含有更多流动性高的小分子物质。从天然林到人工林，0—5 cm土壤DOM荧光发射光谱中的波峰由451 nm移动到425—429 nm，变化幅度较小；对于5—10 cm土层，这个数值从428 nnm移动到354—366 nnm，变化幅度较大；这与5—10 cm土壤DOM的SUVA变化幅度较大吻合。各林分0—5 cm土层DOM的芳香化及腐殖化程度均高于5—10 cm土层，这与Bu^[29]等及Bi^[30]等人的研究结果一致，这表明上层土壤DOM中含有更多分子量大、结构复杂的物质，这类物质不易向下迁移，因为土壤类似于一个层析系统，流动性高的物质更易向下迁移^[31]。红外光谱显示，5—10 cm土壤DOM较0—5 cm含有更多羟基、羧酸类以及碳水化合物中的烷氧基等结构简单易迁移的物质，这与SUVA、HIX及F_eff的规律吻合。不同树种人工林间土壤DOM光谱学特征的差异可能来源于凋落物性质的不同^[32]，福建柏土壤DOM结构最为复杂且浓度最高，在5—10 cm土层中其浓度甚至高于天然林，根据红外光谱分析结果可以推测，其原因可能来自于福建柏凋落物DOM结构与土壤DOM结构的相似性，这种相似性有利于土壤DOM的积累。3种人工林同一土层土壤DOM的红外吸收差异主要在碳水化合物区和甲基弯曲振动区。

天然林转换成人工林后，土壤有机质的恢复需要一个漫长的过程。对于大部分人工林，50a的时间不足以使土壤有机质恢复到天然林的水平，其中腐殖化程度高的大分子物质的积累较慢是一个主要原因。但是，如果人工林凋落物中的DOM的结构和土壤DOM的结构相似，土壤有机质就有可能在较短的时间内恢复甚至超过天然林的水平。因此，未来森林转换应注意转换前后两种林分凋落物所释放的有机质的结构的差异，相似程度高的树种不仅可以为人类提供木材，还可以使土壤较快的恢复肥力。