盐度和淹水程度对短叶茳芏枯落物分解初期DOM含量及其组成结构的影响

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曾阿莹, 胡伟芳, 张林海, 林雪琼, 张美颖, 曾从盛

ZENG Aying, HU Weifang, ZHANG Linhai, LIN Xueqiong, ZHANG Meiying, ZENG Congsheng

Effect of salinity and flood on the dissolved organic matter content and composition structure in the early stage of decomposition of Cyperus malaccensis litter

生态学报. 2020, 40(8): 2751-2762

Acta Ecologica Sinica. 2020, 40(8): 2751-2762

http://dx.doi.org/10.5846/stxb201902250351

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收稿日期: 2019-02-25

网络出版日期: 2019-12-31

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曾阿莹, 胡伟芳, 张林海, 林雪琼, 张美颖, 曾从盛. 盐度和淹水程度对短叶茳芏枯落物分解初期DOM含量及其组成结构的影响. 生态学报, 2020, 40(8): 2751-2762.

Zeng A Y, Hu W F, Zhang L H, Lin X Q, Zhang M Y, Zeng C S. Effect of salinity and flood on the dissolved organic matter content and composition structure in the early stage of decomposition of Cyperus malaccensis litter. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40(8): 2751-2762.

盐度和淹水程度对短叶茳芏枯落物分解初期DOM含量及其组成结构的影响

曾阿莹^2,3 , 胡伟芳^2,3 , 张林海^1,3,4 , 林雪琼² , 张美颖^2,3 , 曾从盛^1,4

1. 福建师范大学地理研究所, 福州 350007;
2. 福建师范大学地理科学学院, 福州 350007;
3. 福建省植物生理生态重点实验室, 福州 350007;
4. 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007

收稿日期: 2019-02-25; 网络出版日期: 2019-12-31

基金项目: 福建省科技厅公益类科研院所专项(2017R1034-6)；福建省自然科学基金项目(2015J01161)

^*通讯作者Corresponding author. 张林海.E-mail:mary12maryzhang@126.com.

摘要: 选取闽江河口潮汐湿地短叶茳芏枯落物为研究对象，通过设置不同盐度(0、5、10、15)和淹水程度(不浸没分解袋，淹水Ⅰ和持续浸没分解袋，淹水Ⅱ)等处理，分析枯落物分解过程中可溶性有机物(DOM)的含量及组成结构的紫外光谱、荧光光谱和红外光谱学等变化特征。研究结果表明，在181 d的分解过程中，枯落物可溶性有机碳(DOC)、可溶性总氮(DTN)、可溶性无机氮(DIN)和可溶性有机氮(DON)等浓度在不同盐度和淹水处理下均有显著差异(P < 0.05)。盐度对DOC和DON影响不显著，但高盐组的DIN显著较低(P < 0.05)；除淹水Ⅰ对照组外，各盐分处理组的芳香化指数(AI)随分解时间推移呈上升趋势。不同分解阶段对枯落物DOM组分和光谱特征有重要影响。分解前期(前89 d)，淹水Ⅰ处理下，盐分升高可导致枯落物中的腐殖化指数(HIX_syn，HIX_em)降低。分解中、后期(120 d后)，盐分较高条件下，腐殖质在枯落物中累积；而淹水Ⅱ处理下，盐分处理组在整个实验期内始终抑制枯落物的分解，腐殖化程度较高。淹水程度也会影响枯落物DOM的淋溶和腐殖化过程。在分解前期，淹水Ⅰ处理的AI和HIX_em显著高于淹水Ⅱ处理，而淹水Ⅱ处理下枯落物DOM较淹水Ⅰ处理更容易发生N的淋溶；分解中、后期，淹水Ⅱ处理下的厌氧环境反而抑制枯落物DOM中的腐殖质和芳香类物质析出。红外光谱分析表明，闽江河口短叶茳芏枯落物DOM中结构简单、容易分解的碳水化合物含量相对较高，但是不同淹水处理并未改变枯落物DOM的结构特征。

关键词: 枯落物盐度淹水程度可溶性有机质光谱特征

Effect of salinity and flood on the dissolved organic matter content and composition structure in the early stage of decomposition of Cyperus malaccensis litter

ZENG Aying^2,3 , HU Weifang^2,3 , ZHANG Linhai^1,3,4 , LIN Xueqiong² , ZHANG Meiying^2,3 , ZENG Congsheng^1,4

1. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China;
2. School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China;
3. Fujian Provincial Key Laboratory of Plant Ecophysiology, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China;
4. Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process of the Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China

Abstract: In this study, we chose the withered litters of Cyperus malaccensis in Min River estuary wetlands as the research object, adopting different salinity (0, 5, 10, 15) and flooding degree (unimmersed litterbags, flooded treatment Ⅰ and continuous immersion litterbag, flooded treatment Ⅱ) to do experiments on decomposition of the withered litters, of which its dissolved organic matter (DOM) content and structures of UV-visible spectroscopy, Fluorescence Spectroscopy, and Infrared Spectroscopy with changes in characteristics and so on. The results of this study show that the concentrations of dissolved organic carbon (DOC), total soluble nitrogen (DTN), dissolved inorganic nitrogen (DIN) and soluble organic nitrogen (DON) are of significant difference under the condition of different salinity and flooded treatment in the decomposition time (P < 0.05) over 181 days of decay period. The concentrations of DOC and DON were no significant difference in different salinities, but the DIN in high salt group was significantly lower (P < 0.05). The aromaticity index (AI) with different salinity treatments increased throughout the decomposition time except under the condition of flooded treatment Ⅰ. Different decomposition phases had important effects on the DOM components of C.malaccensis litters and spectral characteristics. At the earlier stage of decomposition (before 89 d), under the condition flooded Ⅰ, humification index of withered litters and debris (HIX_syn, HIX_em) was decreased when the salinity was increased. During the middle and later periods of litters decomposition (after 120 d), the higher salinity was in favor of the accumulation of humus. While under the condition of flooded treatment Ⅱ, the decomposition of litters was inhibited throughout the whole experiment period and thus the degree of humus was much higher. Water conditions also had an impact on leaching and humification of DOM of litter. The value of AI and HIX_syn were both higher in flooded Ⅰ treatments compared to flooded Ⅱ treatments at the earlier stage of litter decomposition, but more leaching of nitrogen was observed in the DOM of C. malaccensis litter under the flooded Ⅱ treatments than the flooded Ⅰ treatments in this phase. Humus and aromatic of the withered litters DOM were restrained due to the anaerobic environment under the flooded treatment Ⅱ condition during the middle and later periods of litters decomposition. Infrared Spectroscopy analysis indicates that the withered litters DOM of C. malaccensis in Min River estuary, of which the structure was simple and easy to resolve carbohydrates content which is comparatively higher. However, the structure characteristics of the withered litters DOM in C. malaccensis were unchanged under the two flooded treatments conditions.

Key Words: litter salinity flooded degree dissolved organic matter spectroscopic characteristics

可溶性有机质(DOM, Dissolved organic matter)是指小于0.45 μm的不同结构与大小的有机分子混合体, 主要包括可溶性有机碳(DOC, Dissolved organic carbon)、可溶性有机氮(DON, Dissolved organic nitrogen)和可溶性有机磷(DOP, Dissolved organic phosphorus)等^[1]。DOM是土壤和枯落物分解过程中的重要有机质存在形态, 其结构、大小和浓度与环境中养分状况、有机物的迁移转化等过程密切相关^[2]。虽然其占总有机质的比例很小, 但因为高度的流动性和活跃性, 在环境中扮演着重要的天然配位体和吸附载体的角色, 使土壤有机质与生物体如植物枯落物等产生紧密联系^[3]。枯落物分解过程中产生的木质素、单宁或低分子成分的酚类、酚酸类、黄酮类等芳香族化合物等有机物质, 是土壤DOM中重要来源^[4]。由于DOM与地上/地下枯落物分解直接联系, 其含量和浓度大小能敏感反映土壤有机质的变化, 关系到土壤碳(C)、氮(N)的吸存和保持^[5], 因此枯落物分解产生的DOM是影响生态系统环境物理化学特征的重要因素, 成为生态系统生物地球化学循环过程中的关键环节^[6]。近年来逐渐兴起了对于生态系统土壤和枯落物DOM研究, 但是由于其结构复杂, 鉴于传统研究方法的局限性, 光谱学分析等新技术被引入到DOM的结构表征中^[7-8], 如紫外光谱分析DOM的共轭体系多环芳烃含量、荧光光谱分析DOM的类胡敏酸物质、类富里酸物质、类蛋白物质等^[9-10], 红外光谱也能反映DOM中化合物及其比例, 因此广泛应用于DOM组分特征分析^[5]。但是目前研究绝大部分集中于森林生态系统土壤及其淋滤液DOM的光谱分析, 关于湿地植物凋落物分解过程中产生的DOM及其光谱特征研究较为匮乏^[3]。

河口潮汐湿地是极为特殊的生态系统, 因位于海陆交汇处, 河口湿地植被和土壤常处于淡、咸水周期性的淹没环境, 受潮汐、径流、盐度的共同作用^[11]。河口潮汐湿地由于承接了大量陆源营养盐, 加之近年来人类活动和环境变化导致的海平面上升和盐水入侵^[12], 其稳定性和可持续性受显著影响^[13], 已成为威胁滨海河口湿地生态安全的重要因素^[14]。目前, 关于盐度和淹水差异对湿地枯落物分解的影响主要集中在分解速率及其养分动态等方面的研究^[15-23], 而对于枯落物分解产生的DOM浓度及其光谱特征的研究鲜见报道。基于此, 本研究选取闽江河口湿地盐度和淹水适宜性较广的优势植被--短叶茳芏(Cyperus malaccensis)枯落物为研究对象, 通过模拟不同盐度和淹水条件, 分析DOM中化合物的官能团组成(如C-H、N-H、CO等)及相对含量的变化, 探讨盐度和淹水差异对湿地枯落物DOM及光谱学特征的影响, 这对于深入认识全球变化下河口湿地枯落物DOM的分解及其迁移转化过程具有重要意义, 同时为河口湿地的生态环境研究提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 材料采集与实验处理

实验材料(枯落物及土壤等)取自于福建省闽江河口的鳝鱼滩湿地。选取长势均匀、生长状况较为一致的短叶茳芏优势群落, 采集短叶茳芏立枯体及其表层15 cm的原状土带回实验室。将原状土(土壤TC含量为(20.66±0.63) mg/g, TN含量为(1.82±0.06) mg/g, pH值和EC分别为5.73±0.04和0.27±0.04 mS/cm)放入分解箱(90 cm×30 cm×26 cm的树脂塑料大盆), 加入不同盐度的“人造海水”, 稳定培养环境1个月。设置2种淹水处理(淹水Ⅰ：水淹深度为淹至土壤表层1 cm处, 不浸没分解袋；淹水Ⅱ：水淹深度为淹至土壤表层10 cm处, 持续浸没分解袋)两种淹水条件。同时根据闽江河口半咸水湿地和潮汐淡水湿地的盐度差(约为5)^[24], 将枯落物分解实验中的盐度梯度分别设置为0(对照)、5(低盐)、10(中盐)和15(高盐), 共8种处理, 每种处理3个重复。此外, 为了防止雨水的干扰, 在分解箱上方安装防雨装置。

枯落物分解采用分解袋法, 将枯落物表面浮尘洗净, 晾干表面水分后, 剪成5 cm左右的小段, 按每袋称重15 g装入分解袋(规格为25 cm×25 cm, 孔径为0.2 mm的尼龙网), 待分解箱环境稳定后投放至分解箱。本模拟实验在分解实验开始后约每个月(第28、59、89、120、150、181 d)定期采集分解袋中的枯落物, 每次小心取出枯落物后, 用去离子水冲洗干净, 于80℃烘干至恒重并称重。将烘干的枯落物样品用粉碎机磨碎, 过0.149 mm筛备用。取0.5 g过筛后的样品于40 mL离心管中, 加入40 mL去离子水, 震荡30 min, 离心后, 取上清液过0.45 μm滤膜为待测液^[25]。

1.2 测定方法 1.2.1 环境因子和C、N组分的测定

采用2265FS便携式电导/温度计(Spectrum Technologies Inc, 美国)测定土壤和表层水体温度与电导率, 采用pH便携式测定仪(IQ150, 美国)测定土壤pH。采用总有机碳分析仪(Shimadzu TOC-VCPH, 日本)测定待测液的可溶性有机碳(DOC)；连续流动分析仪(Skalar Analytical SAN++, 荷兰)测定待测液的溶解性总氮(DTN)、溶解无机氮(DIN)和溶解有机氮(DON)含量。采用植物元素分析仪(Elemental Vario EL, 德国)测定枯落物的总碳(TC)和总氮(TN)含量。

1.2.2 枯落物DOM光谱测定

本研究DOM光谱主要测定参考蒲晓婷^[26]的方法。使用紫外可见光谱仪(UV-2450, 岛津)测定待测液的紫外可见吸光值, 用波长254 nm处的吸收值(SUVA)来计算其芳香化程度, 也叫“芳香性指数Aromaticity Index(AI)”^[27], 具体为：

式中, UV₂₅₄为DOM的紫外光谱在波长254 nm处的吸收值(L mol^-1 cm^-1), DOC为可溶性有机碳的含量(mg/g)。

使用F7000荧光分光光度计(F7000, Hitachi, Tokyo, Japan)测定样品的同步荧光及荧光发射光谱及三维荧光光谱。荧光发射光谱波长范围设定为380-480 nm, 荧光同步光谱波长范围设置为250-500 nm。荧光发射光谱腐殖化指数(Humification Index, emissionmode, HIX_em)、荧光同步光谱腐殖化指数(Humification Index, synchronousmode, HIX_syn)、荧光效率(Fluorescence Efficiency, F_eff)等的计算方法参考马莹玲等^[5]的方法, 具体为：

式中, HIX_em为荧光发射光谱腐殖化指数, (∑435-480 nm)和(∑300-345 nm)分别为荧光发射光谱中435-480 nm区域与300-345 nm区域的峰面积。HIX_syn为荧光同步光谱腐殖化指数, F₄₆₀和F₃₄₅分别为荧光同步光谱波长460 nm和345 nm处荧光强度。F_eff为荧光效率, F_max为样品荧光发射光谱的最大荧光强度；AI为DOM的芳香性指数。

使用FTIR光谱仪(Nicolet Magna FTIR 550, Thermo, Waltham, USA)测定DOM的红外光谱。将3个重复的样品每个各取5 mg混合(共15 mg), 冷冻干燥后放入80℃烘箱干燥后进行制样。将1 mg样品与400 mg干燥的KBr(光谱纯)磨细混匀后压成薄片, 测定并记录其4000-400 cm^-1范围的红外光谱。红外光谱的六个波段吸收峰的主要归属分别为：A波段(3000-3600 cm^-1, 醇及苯酚中O-H的伸缩振动, 芳香族C-H的伸缩振动)、B波段(2850-3000 cm^-1, 脂肪族C-H, C-H₂, C-H₃的伸缩振动)、C波段(1625-1644 cm^-1, 木质素中与芳香环相连的CO伸缩振动, 羧酸盐COO-的反对称伸缩振动)、D波段(1300-1550 cm^-1, N-H的对称弯曲振动；饱和C-H面内的弯曲振动)、E波段(1000-1260 cm^-1, 角质类及芳香脂类C-O的伸缩振动)、F波段(605-880 cm^-1, 羧酸化合物中O-H变形振动, 或苯环C-H面外的弯曲振动)。

1.3 数据分析与处理

采用EXCEL 2007计算数据的最大值、最小值、平均值和标准误等参数；采用SPSS 19.0的重复测量方差分析(Repeated measures data of ANOVA)对不同处理进行差异性检验, 采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同处理间的差异, 显著性水平设定为0.05, 当P < 0.05时, 视为达到显著性水平；皮尔逊相关性分析用于描述各因子的相关关系, 采用Origin 8.0制图。

2 结果与分析 2.1 枯落物失重率及DOM各组分浓度

在181 d的分解过程中, 不同盐度和淹水条件下枯落物的失重率均随着分解时间的延长而波动上升, 仅淹水Ⅰ处理对照组150 d后失重率开始下降(图 1)。短叶茳芏枯落物DOM各组分的浓度随时间变化情况见图 2。枯落物的DOC、DTN、DIN和DON浓度变化范围分别为(3.60±0.57) mg/g-(20.01±6.83) mg/g, (0.13±0.01) mg/g-(1.27±0.01) mg/g, (0.04±0.00) mg/g-(0.42±0.05) mg/g和(0.05±0.00) mg/g-(1.11±0.02) mg/g。短叶茳芏枯落物中DOC、DTN、DIN和DON在盐度和淹水作用下均有显著差异(P < 0.05)。各处理下DOC浓度随分解时间增加呈现波动降低的趋势；在淹水Ⅱ处理下DTN、DIN和DON随分解时间波动上升, 而淹水Ⅰ处理下DTN和DON随分解时间波动下降。在整个分解期内, 不同盐度处理下DOC和DON浓度差异不显著(P>0.05), DTN、DIN则有显著差异, 特别是DIN多表现为高盐处理组显著较低(P < 0.05)。DTN、DIN和DON在不同淹水程度下有显著差异, 表现为分解前期(60 d前)淹水Ⅰ处理下枯落物的DTN、DIN和DON浓度显著大于淹水Ⅱ处理(P < 0.01), 分解120 d后情况相反。淹水I处理下DOC占TC的比例范围为1.15%-3.38%, 整体上均随着分解时间的延长而下降, DON占TN的比例范围为0.62%-6.71%, DOC和DON所占比例整体上均随分解时间的延长而下降(表 1)。淹水Ⅱ处理下的DOC占TC的比例范围为1.41%-4.89%, DOC所占比例整体上均随着分解时间的延长而下降, DON占TN的比例范围为0.40%-4.07%, DON所占比例随分解时间的延长而波动增加。相对初始值而言, 不同盐度与淹水处理下的DOC浓度整体上表现为不同程度的降低(P < 0.05), 而DON浓度均有所上升(P < 0.05)。

图 1 不同盐度和淹水条件下短叶茳芏枯落物分解过程中失重率变化 Fig. 1 Weight loss of litter under different salinity and flooded treatments during decomposition

图选项

图 2 不同盐度和淹水条件下短叶茳芏枯落物中的DOC、DON、DIN和DON浓度的动态变化 Fig. 2 Dynamics of DOC, DON, DIN and DON concentrations in the litter of Cyperus malaccensis under different salinity and flooded treatments 具有相同大写字母表示相同时间下各盐度处理差异不显著(P>0.05), 反之差异显著

图选项

表 1 不同盐度和淹水条件下枯落物中可溶性有机碳(或可溶性有机氮)所占比例及相对含量动态变化 Table 1 Dynamic changes of the proportion and relative content of DOC (or DON) in litter under different salinity and flooded treatments

处理 Treatment		项目 Item	分解时间Decomposition time/d
处理 Treatment		项目 Item	28	59	89	120	150 d	181 d
淹水Ⅰ处理	ac	DOC/(mg/g)	10.91±0.55	11.52±0.60	6.89±0.21	8.62±0.33	7.87±0.28	3.60±0.57
Flooded treatment Ⅰ		占TC/%	2.86	2.87	1.68	2.11	1.94	1.15
		相对含量	-0.69	-0.60	-1.68	-1.14	-1.35	-4.13
		相对/(mg/g)	0.79±0.00	0.62±0.05	0.08±0.00	0.45±0.01	0.33±0.02	0.25±0.02
		占TN/%	4.62	4.17	0.46	2.25	1.59	1.29
		相对含量	0.97	0.97	0.75	0.96	0.94	0.92
	al	DOC/(mg/g)	11.18±0.17	11.62±0.22	6.90±0.41	8.97±0.32	8.54±0.38	5.27±0.19
		占TC/%	2.97	2.98	1.73	2.19	2.11	1.47
		相对含量	-0.65	-0.59	-1.68	-1.06	-1.16	-2.50
		相对/(mg/g)	0.99±0.03	0.50±0.06	0.16±0.03	0.43±0.04	0.38±0.03	0.35±0.02
		占TN/%	5.98	3.22	0.94	2.37	1.90	1.71
		相对含量	0.98	0.96	0.88	0.95	0.95	0.94
	am	DOC/(mg/g)	9.49±0.51	13.11±1.35	6.32±0.13	9.17±0.16	6.06±0.30	6.13±0.26
		占TC/%	2.60	3.38	1.57	2.29	1.56	1.69
		相对含量	-0.95	-0.41	-1.92	-1.01	-2.05	-2.01
		相对/(mg/g)	1.11±0.02	0.46±0.10	0.10±0.01	0.47±0.03	0.45±0.03	0.27±0.03
		占TN/%	6.71	3.28	0.62	2.71	2.38	1.35
		相对含量	0.98	0.96	0.80	0.96	0.96	0.93
	ah	DOC/(mg/g)	10.62±0.45	11.71±0.31	6.50±0.11	9.94±0.38	6.08±0.19	5.64±0.17
		占TC/%	2.80	3.15	1.73	2.53	1.60	1.51
		相对含量	-0.74	-0.58	-1.84	-0.86	-2.04	-2.27
		相对/(mg/g)	0.34±0.05	0.44±0.06	0.11±0.00	0.52±0.02	0.55±0.04	0.31±0.03
		占TN/%	2.27	2.85	0.68	2.98	3.07	1.60
		相对含量	0.94	0.95	0.82	0.96	0.96	0.94
	bc	DOC/(mg/g)	8.53±0.94	16.08±0.63	5.95±0.24	9.73±0.13	7.66±0.76	6.85±0.36
		占TC/%	2.34	3.87	1.41	2.26	1.82	1.71
		相对含量	-1.17	-0.15	-2.10	-0.90	-1.41	-1.70
淹水Ⅱ处理		相对/(mg/g)	0.12±0.01	0.36±0.01	0.08±0.00	0.38±0.03	0.25±0.13	0.30±0.05
Flooded treatment Ⅱ		占TN/%	0.74	2.33	0.49	2.07	1.15	1.28
		相对含量	0.83	0.94	0.75	0.95	0.92	0.93
	bl	DOC/(mg/g)	9.46±0.01	8.91±0.33	6.74±0.38	10.59±0.43	6.31±0.14	7.44±0.27
		占TC/%	2.53	2.26	1.74	2.82	1.74	2.31
		相对含量	-0.95	-1.07	-1.74	-0.74	-1.93	-1.48
		相对/(mg/g)	0.06±0.01	0.37±0.03	0.19±0.00	0.43±0.03	0.47±0.02	0.29±0.04
		占TN/%	0.46	2.64	1.30	2.71	2.58	1.50
		相对含量	0.67	0.95	0.89	0.95	0.96	0.93
	bm	DOC/(mg/g)	9.11±0.06	6.61±0.93	6.15±0.25	12.04±0.05	9.01±0.55	5.70±0.35
		占TC/%	2.47	1.70	1.68	3.38	2.70	1.88
		相对含量	-1.03	-1.79	-2.00	-0.53	-1.05	-2.24
		相对/(mg/g)	0.05±0.00	0.08±0.01	0.09±0.01	0.56±0.04	0.11±0.01	0.36±0.36
		占TN/%	0.40	0.60	0.58	3.42	0.65	2.01
		相对含量	0.60	0.75	0.78	0.96	0.82	0.94
	bh	DOC/(mg/g)	20.01±6.83	8.74±0.40	7.26±0.22	12.58±0.57	8.69±0.53	6.48±0.38
		占TC/%	4.89	2.47	2.03	3.79	2.85	2.12
		相对含量	0.08	-1.11	-1.54	-0.47	-1.13	-1.85
		相对/(mg/g)	0.09±0.00	0.07±0.00	0.10±0.01	0.67±0.06	0.30±0.18	0.41±0.07
		占TN/%	0.58	0.50	0.66	4.07	1.75	2.23
		相对含量	0.78	0.71	0.80	0.97	0.93	0.95
a代表淹水Ⅰ处理, b代表淹水Ⅱ处理；c、l、m、h分别代表对照、低盐、中盐和高盐；DOC：可溶性有机碳, Dissolved organic carbon；DON：可溶性有机氮, Dissolved organic nitrogen；TC：全碳, Total carbon；TN：全氮, Total nitrogen；相对含量代表枯落物中的DOC/DON含量相较其初始DOC/DON的变化

表选项

2.2 DOM光谱学特征 2.2.1 芳香化指数

不同盐度和淹水条件下枯落物DOM的芳香化指数值均在2.5以内。重复测量方差分析结果表明, 在不同盐度和淹水条件下枯落物组分浓度及其紫外和二维荧光光谱特征均呈显著性差异(P < 0.05)(表 2)。在分解前期, 淹水Ⅰ处理的AI值显著高于淹水Ⅱ处理, 分解中、后期则呈波动变化, 淹水Ⅱ处理组AI值较分解前期显著提高。除了淹水Ⅰ处理下分解前期(89 d前)高盐条件下AI显著较低, 其余大部分表现为中、高盐分处理的AI值较高, 最高值出现在淹水Ⅰ的中盐组(2.14±0.21)(图 3)。

表 2 不同盐度和淹水条件下枯落物组分浓度及其紫外和二维荧光光谱特征的重复测量方差分析 Table 2 Repeated measures ANOVA results for DOM concentrations and its ultravioletand two-dimensional fluorescence spectrum under different salinity and flooded treatments

项目 Item	df	可溶性组分Soluble components						DOM光谱DOM spectrum
项目 Item	df	DOC	DTN	DIN	DON	AI	HIX_syn	HIX_em
盐度Salinity	3	P＜0.05	P＜0.05	P＜0.01	P＜0.05	P＜0.01	P＜0.05	P＜0.05
淹水程度Flooding degree	1	P＜0.05	P＜0.01	P＜0.01	P＜0.01	P＜0.01	P＜0.05	P＜0.01
DTN：溶解性总氮, Dissolved total nitrogen；DIN：溶解无机氮, Dissolved inorganic nitrogen；AI：芳香性指数, Aromaticity Index；HIX_syn：荧光同步光谱腐殖化指数, Humification Index, synchronousmode；HIX_em：荧光发射光谱腐殖化指数, Humification Index, emissionmode

表选项

图 3 不同盐度和淹水条件下短叶茳芏枯落物DOM的芳香性指数 Fig. 3 Aromatic Index of DOM in the litter of Cyperus malaccensis under different salinity and flooded treatments

图选项

2.2.2 腐殖化指数

HIX_syn和HIX_em随分解时间多呈“M型”双峰变化趋势, 淹水Ⅰ处理下, 对照和高盐处理下HIX_syn和HIX_em的变化趋势较为一致, 而低、中盐处理下HIX_syn和HIX_em随分解时间的变化其趋势恰好相反；淹水Ⅱ处理下各处理HIX_syn和HIX_em随时间的变化趋势都较为一致。各处理下HIX_syn和HIX_em的变化范围分别为0.34-1.13和2.01-5.29(表 3)。由表 3可知, 淹水Ⅰ条件下各盐度处理的HIX_syn和HIX_em呈较大波动变化, 分解前3个月, 对照组的HIX_syn和HIX_em相对较高；淹水Ⅱ条件下各盐度处理的HIX_syn和HIX_em峰值出现在59 d和120 d。枯落物DOM的HIX_syn和HIX_em在不同盐度和淹水处理下均呈显著性差异(P < 0.05)；虽然在整个分解过程中, 不同淹水处理对HIX_syn影响不显著, 但是分解后期(120 d后), 淹水Ⅱ处理下HIX_syn显著高于淹水Ⅰ处理(P < 0.01)。

表 3 不同盐度和淹水条件下短叶茳芏枯落物可溶性有机质的腐殖化指数 Table 3 Humification Index of Cyperus malaccensis litter DOM under different salinity and flooded treatments

项目Item		分解时间Decomposition time/d
项目Item		28 d	59 d	89 d	120 d	150 d	181 d
荧光同步光谱腐殖化指数	ac	0.66±0.01	0.87±0.06	0.75±0.04	0.71±0.03	0.73±0.08	0.53±0.02
Humification Index,	al	0.58±0.02	0.85±0.03	0.73±0.04	0.82±0.04	0.75±0.03	0.82±0.10
synchronousmode (HIX_syn)	am	0.51±0.02	0.70±0.05	0.59±0.02	0.90±0.07	0.39±0.33	0.78±0.07
	ah	0.57±0.03	0.66±0.03	0.50±0.05	0.88±0.04	0.34±0.29	0.78±0.08
	bc	0.55±0.01	0.77±0.04	0.70±0.06	0.66±0.02	0.56±0.25	0.41±0.05
	bl	0.59±0.01	0.84±0.01	0.63±0.02	1.01±0.06	1.01±0.06	0.35±0.08
	bm	0.62±0.03	0.81±0.03	0.72±0.02	1.13±0.10	0.96±0.04	0.44±0.03
	bh	0.56±0.05	0.82±0.04	0.72±0.02	1.12±0.03	0.95±0.03	0.83±0.36
荧光发射光谱腐殖化指数	ac	3.75±0.07	4.25±0.97	5.23±0.19	3.87±0.23	4.96±0.84	3.68±0.37
Humification Index,	al	3.42±0.22	2.43±0.52	4.29±0.13	4.22±0.35	4.44±0.67	3.86±0.26
emissionmode(HIX_em)	am	2.96±0.12	2.35±0.65	3.92±0.31	3.10±0.73	3.59±0.52	3.17±0.18
	ah	2.67±0.14	2.92±0.42	2.97±0.28	5.29±0.78	3.51±0.30	3.16±0.24
	bc	2.74±0.03	2.64±0.37	2.85±0.07	3.12±0.10	2.17±0.74	3.11±0.12
	bl	2.76±0.12	2.98±0.32	2.91±0.40	4.10±0.17	3.32±0.19	2.31±0.15
	bm	2.77±0.08	2.97±0.21	3.10±0.31	3.85±0.24	2.99±0.20	2.05±0.49
	bh	2.23±0.14	2.97±0.02	3.13±0.17	4.12±0.15	2.55±0.08	2.01±0.23

表选项

2.2.3 枯落物DOM的红外光谱特征

除分解后期外, 不同淹水和盐度处理下枯落物DOM的红外光谱峰位置基本一致, 在A波段出现强而宽的吸收峰, 在C和E波段出现窄的吸收峰, B波段的吸收峰基本消失(图 4)。在分解的第28 d, 淹水Ⅰ处理下的低盐和中盐处理组的A、C和E波段吸收峰明显增强, 高盐组的减弱；淹水Ⅱ处理下对照组的A、C和E波段吸收峰明显增强, 盐度处理组减弱；淹水Ⅰ处理透射度显著高于淹水Ⅱ处理(P＜0.05)。淹水Ⅰ处理下盐度处理组的A、C和E波段在59-89 d吸收峰明显增强, 在120 d明显减弱。分解中期(89-150 d), 淹水Ⅰ处理的A、C和E波段吸收峰强度大于淹水Ⅱ处理。在分解后期(181 d), 除淹水Ⅱ高盐组外, 淹水、盐度处理组均促进A、C和E波段吸收峰强度。

图 4 不同水盐条件下枯落物DOM的红外光谱 Fig. 4 Infrared spectra of Cyperus malaccensi litter DOM in different salinity and flooded gradients

图选项

2.3 枯落物DOM各组分、光谱特征与环境因子的相关关系

枯落物DOM各组分、光谱特征与环境因子的相关关系见表 4。短叶茳芏DOM中的DOC与DTN、DON、HIX_syn、F_eff、枯落物TC显著正相关, 与AI、水温、土温、pH、枯落物失重率及TN显著负相关(P < 0.05)。枯落物中DTN、DON与AI、F_eff、淹水、pH、电导和TN显著相关；枯落物中DIN则与盐度、电导、水温、土温、枯落物失重率和TN显著相关(P < 0.05)。DOM的光谱特征中, HIX_em和AI与环境因子的相关性较强, HIX_syn和F_eff与环境因子的相关关系较弱；土壤温度与枯落物DOM光谱特征中的HIX_syn、HIX_em、AI和F_eff均存在显著相关关系(P < 0.05)。

表 4 可溶性有机质各组分浓度、紫外和二维荧光光谱特征与环境因子的相关分析 Table 4 Correlation analysis between DOM concentrations, its ultravioletand two-dimensional fluorescence spectrum and environmental factors

	DTN	DIN	DON	HIX_syn	HIX_em	AI	F_eff	盐度 Salinity	淹水程度 Flooded
DOC	0.26^**	-0.05	0.31^**	0.23^**	-0.05	-0.51^**	0.25^**	0.04	0.07
DTN		0.48^**	0.95^**	0.03	0.15	0.26^**	-0.29^**	-0.10	-0.38^**
DIN			0.17^*	-0.14	0.02	-0.05	0.12	-0.23^**	-0.14
DON				0.08	0.16	0.31^**	-0.37^**	-0.03	-0.37^**
HIX_syn					0.28^**	0.03	-0.22^**	0.08	0.12
HIX_em						0.29^**	-0.26^**	-0.18^*	-0.40^**
AI							-0.75^**	0.00	-0.33^**
F_eff								-0.09	0.11

	水电导 Water conductance	水温 Water temperature	土电导 Soil conductance	土温 Soil temperature	pH	枯落物失重率 Mass loss	枯落物全氮 Litter TN	枯落物全碳 Litter TC
DOC	0.02	-0.27^**	-0.08	-0.27^**	-0.20^*	0.45^**	-0.37^**	0.17^*
DTN	-0.13	0.21^**	-0.18^*	0.22^**	-0.26^**	-0.11	0.33^**	0.03
DIN	-0.21^*	0.48^**	-0.22^**	0.47^**	-0.15	-0.45^**	0.51^**	0.10
DON	-0.07	0.07	-0.12	0.07	-0.23^**	0.04	0.18^*	-0.01
HIX_syn	0.09	0.24^**	0.11	0.25^**	0.04	0.01	-0.11	-0.07
HIX_em	-0.24^**	0.16	-0.18^*	0.17^*	0.16	-0.30^**	0.21^*	0.22^**
AI	0.02	0.21^*	0.03	0.20^*	-0.02	-0.33^**	0.35^**	-0.03
F_eff	-0.09	-0.17^*	-0.10	-0.17^*	-0.07	0.06	-0.08	0.06
F_eff：荧光效率, Fluorescence Efficiency; N=144, *.在0.01水平(双侧)上显著相关, .在0.05水平(双侧)上显著相关

表选项

3 讨论 3.1 盐度对枯落物DOM的影响

本研究中, 在整个分解期内, 不同盐度处理下枯落物DOM中的DOC、DON、HIX_syn和HIX_em差异不显著, 但是盐度对DTN、DIN和AI有显著影响(表 2)。盐度对枯落物DOM中的DOC、DON的影响不显著, 但盐度增加可以显著降低枯落物中的DTN和DIN含量。这可能是由于DOC和DON是枯落物有机体中的主要存在形式, 其主要源自腐殖质分解和微生物代谢, 容易分解转化^[28], 因此在长时间的分解过程, 盐度变化对枯落物DOM中结构稳定、不易分解的芳香类物质的影响更为显著。同时图 3也表明, 除了淹水Ⅰ处理下的分解28 d盐分处理组的AI值较高外, 各盐分处理组的AI值随分解时间推移整体呈上升趋势, 表明盐分的增加促进枯落物中的芳香类物质、大分子物质的累积。从表 4还可知, DOC分别与HIX_syn和AI存在极显著正相关和负相关关系, 而DTN与AI存在极显著正相关, 进一步说明短叶茳芏枯落物DOM中的DOC主要源于腐殖质的释放, 而不是芳香类物质。

闽江口湿地短叶茳芏枯落物中DOC、DTN、DIN、DON、AI、HIX_syn和HIX_em等均随着分解时间的变化发生显著改变(图 2-图 3, 表 3)。通常认为, 枯落物分解经历三个阶段：“可溶性物质的淋溶阶段”、“碎屑物质的微生物降解阶段”和“物理和生物的分解阶段”^[29]。本研究淹水Ⅰ处理中, 在分解前期(分解89 d), 盐度处理组(5、10、15)的HIX_syn和HIX_em低于对照处理(0), 而后期盐度处理组的腐殖化指数逐步提高(表 3), 表明淹水Ⅰ处理下, 在可溶性物质淋溶阶段, 盐分升高可导致枯落物中的腐殖化程度降低。随着分解阶段的推移, 盐分较高条件下腐殖质在枯落物中累积。而淹水Ⅱ条件下, 盐分处理组的枯落物腐殖化程度始终较高, 这可能与盐分对微生物的胁迫机制有关^[30-31], 盐分升高抑制枯落物的分解^[24], 分解阶段出现“滞后”现象^[32], 导致较高的腐殖度。

本研究的低、中盐度处理组促进A、C和E波段吸收峰强度, A波段吸收峰主要源于样品中的纤维素、糖类等碳水化合物及芳香族化合物^[28]；C波段吸收峰主要源于样品中较高的木质素等^[5], E波段吸收峰主要源于样品中的硅氧和碳水化合物, 这表明芳香族成分所占比例较大^[33]。适度的盐度升高可吸附更多的芳香类和木质素等难分解物质, 导致枯落物分解阶段出现“滞后”现象。而淹水Ⅱ处理下, 分解前期盐度处理组的A、C和E波段吸收峰减弱, 可能与水分增加缓解了盐分对枯落物分解的抑制作用有关。

3.2 淹水程度对枯落物DOM的影响

水分条件是制约湿地植物枯落物分解的重要因素, 主要对枯落物中的养分的淋溶及微生物的降解产生影响^[34]。不同淹水程度下的DTN、DIN、DON浓度差异显著(表 2), 表明水分条件的改变对枯落物DOM中的氮淋溶、固持、积累和转化过程有显著影响。分解前期, 淹水Ⅰ处理的枯落物中DTN、DIN和DON浓度显著大于淹水Ⅱ处理, 分解后期反之。同时, DTN、DIN、DON与枯落物的TN存在极显著正相关, 表明DOM组分与枯落物TN含量变化规律一致。因此, 在分解前期, 淹水Ⅰ处理促进了枯落物氮累积, 而后期则促进氮的释放^[32], 这也表明在淹水Ⅱ处理下, 枯落物DOM中的氮在分解前期更容易淋溶, 这是因为水分增加提高了枯落物表面湿度, 缩短N淋溶和N固持的滞留时间^[34], 同时提高了微生物对枯落物中养分的利用率, 从而使枯落物的分解加快, 这与前人的研究结果一致^[35]。

本研究中, 不同淹水程度下DOM的光谱特征也有显著差异。在分解前期, 淹水Ⅰ处理的AI和HIX_em显著较高。这表明在淋溶阶段, 淹水Ⅱ条件下枯落物的芳香类物质比淹水Ⅰ条件下的更容易浸出。这主要归因于分解前期水体的浸润作用促进了枯落物的水解酶活性^[31]和微生物的新陈代谢^[36-38], 进而催化及降解枯落物中复杂的化合物^[39]。而分解中、后期, 淹水Ⅱ处理下的土壤长时间处于厌氧还原状态, O₂消耗较快, 抑制酚氧化酶的活性和微生物的新陈代谢^[40], 进而抑制枯落物的分解和DOM中的腐殖质和芳香类物质析出, AI和HIX_syn显著提高。

从红外光谱特征看, 不同淹水处理下的枯落物DOM红外光谱出现的吸收峰位置基本相同, 表明淹水条件的变化并未改变枯落物DOM的结构特征；淹水Ⅰ和Ⅱ处理下A、E波段均有较强的吸收峰, 说明短叶茳芏枯落物中DOM结构简单、容易分解的碳水化合物含量较高。但是淹水作用下DOM红外光谱特征有显著差异, 在不同的分解阶段, 不同淹水处理对枯落物DOM的影响并不一致。在分解前期, 枯落物DOM在淹水Ⅰ处理下的C波段吸收峰强度大于淹水Ⅱ处理, 表明淹水Ⅰ处理下枯落物中木质素等不易分解的物质含量较高^[5]；在分解后期, 除高盐组外, 淹水Ⅱ处理促进C波段的吸收峰强度, 可能与淹水厌氧环境有关, 这与前面荧光和紫外光谱分析的结果也相吻合。

4 结论

(1) 盐度对枯落物DOM中的DOC、DON的影响较弱, 但盐度增加可以显著降低枯落物中的DTN和DIN含量, 各盐分处理组的AI值随分解时间推移呈上升趋势, 表明盐分可以促进枯落物DOM中的芳香类物质、大分子物质的累积。

(2) 枯落物DOM组分和光谱特征随分解时间的推移亦发生了显著变化。淹水Ⅰ处理下, 在可溶性物质淋溶阶段, 盐分升高可导致枯落物中的腐殖化程度降低, 随着分解阶段的推移, 枯落物中的腐殖质在盐分较高条件下发生累积；而淹水Ⅱ处理下, 盐分始终抑制枯落物分解, 腐殖化程度较高。

(3) 淹水Ⅱ处理下枯落物DOM在分解前期更容易发生氮的淋溶。在分解前期, 淹水Ⅰ处理的AI和HIX_em显著较高, 而在分解中、后期, 淹水Ⅱ处理下AI和HIX_syn显著提高。两种淹水处理下A、E波段均有较强的吸收峰, 但并未明显改变枯落物DOM的结构特征；在不同的分解阶段, 不同淹水处理对枯落物DOM的影响并不一致。分解前期, 淹水Ⅱ处理下枯落物的芳香类物质比淹水Ⅰ处理下的更容易浸出；而分解后期, 淹水Ⅱ处理下的厌氧环境反而抑制枯落物DOM中的腐殖质和芳香类物质析出。

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