在森林生态系统中，植物是土壤有机碳的重要来源。其中植物残体被微生物分解后产生的水溶性物质有相当一部分会进入到土壤溶液中去，因此凋落物层是森林土壤可溶性有机碳(DOC)最重要的来源之一^[1]。DOC在经过富含铁铝氧化物的土层时由于被吸附，其浓度会明显下降；反之，如果DOC不能有效地被土壤吸附，就会以较快的速度淋失。绝大部分(大约90%)被吸附的DOC很难通过简单的物理方法和土壤颗粒分离^[2]，因此就大大降低了微生物的可利用性。有报道指出有机碳被吸附后其微生物分解的速率只有未被吸附有机碳的1/5^[3]。所以矿质土壤对DOC的吸附过程有利于有机碳的累积，在增加矿质土壤碳储量面具有重要意义^{[4, 5]}。

虽然铁铝氧化物是酸性土壤中有效的吸附剂^{[6, 7]}，但是影响土壤吸附DOC的因素很多，这些因素在不同的土壤中发挥的作用往往不同。如Kothawala报道铁铝氧化物的含量与土壤最大吸附能力呈正相关^[8]。韩成卫等发现粘粒含量越高，土壤对DOC的吸附能力越强^[9]，但也有研究表明土壤的吸附能力与土壤质地并无相关性^[10]。土壤有机碳与DOC吸附的关系，不同研究者也持有不同看法。Kaiser认为土壤有机碳含量增加，抑制了总DOC的吸附，特别是亲水性DOC吸附量减少更为明显^[11]，Liang的研究表明随着有机碳含量的增加，土壤对DOC的吸附能力增强^[12]，Oren则认为已吸附的可溶性有机碳不会影响到土壤的吸附能力^[10]。鉴于22%—25%的矿质土壤碳源于DOC的固定^{[13, 14]}，因此确定DOC在土壤中截留的关键影响因素对于充分了解土壤的固碳潜力十分重要。另一方面，大多数研究关注的是土壤吸附DOC的量，而对被吸附DOC的化学结构了解较少。土壤颗粒表面的吸附和解吸是影响土壤中DOC化学成分的重要非生物过程^[15]。不同结构的DOC被吸附能力的大小，决定了土壤的固碳数量和质量，也决定了哪些物质可能被解吸从而被微生物利用。

本研究选取的米槠天然林是我国中亚热带典型的天然常绿阔叶林之一，广泛分布于长江以南的大部分省份^[16]。通过模拟米槠凋落物的DOC在不同土层的淋溶过程，不仅分析了土壤性质与DOC截留量的相关性，而且还利用紫外、红外等光谱手段来探讨DOC在不同土层迁移过程中化学性质和物质结构的变化，以期为深入理解亚热带常绿阔叶林土壤有机碳的稳定机制和碳循环提供科学依据。

研究地区位于福建省三明市(25°29′—27°07′N，116°22′—118°39′E)，地处武夷山东南，戴云山脉西北。地貌以低山丘陵为主，属中亚热带海洋季风气候，年均气温19.1 ℃，年均降水量1749 mm，年均蒸发量1585 mm，相对湿度81%，全年无霜期达300 d。样地位于格氏栲(Castanopsis kawakamii)自然保护区内，约200a没有人为干扰，海拔315 m，坡向NE25°，坡度35°。土壤为细粒石英砂岩发育的普通山地红壤，参照世界土壤资源参比基础(草案，1994)土壤对应为铁铝质雏形土^[17]，厚度超过1 m。建群树种为米槠，群落分层明显，可划分为乔木层、灌木层和草本层3个层次，其中乔木层以米槠占绝对优势。

在样地内布设3块20 m×20 m固定标准地，于2013年7月5日在每个标准地中部地势相对平缓，周围米槠分布较均匀的地段去除表层的枯枝落叶后，通过挖剖面法，按0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm的深度取土。为避免样地破坏，每个标准地只取一个剖面，每个土层取6个环刀，然后将环刀中的土样混合均匀，风干并挑除肉眼可见的碎石、凋落物、根系等杂物，过2 mm筛，一部分用于基本理化性质的测定；另一部分则用于土柱的填充。土壤按不同深度分别回填至4 cm×10 cm(内径×高度)的PVC管内，参考Guo^[18]的方法并略作修改，每根土柱填土151 g，土壤密度约为1.20 g/cm³；为了保证土柱内土壤紧实度的一致，将土壤分3次填充，并适当压实。为反映亚热带森林土壤的异质性，3个剖面的土壤独立进行试验。

于2013年7月5日在样地内收集新近米槠凋落物，并立即送回室内烘干，混合均匀。每次淋溶实验前，按凋落物 ∶ 水 =1 ∶ 100(质量 ∶ 体积)的比例将凋落物用超纯水浸泡24 h，然后用玻璃纤维滤膜(0.45 μm)过滤，此为用于模拟淋溶的初始DOC溶液。

在土柱的顶部和底部均铺一层玻璃纤维，以保证DOC淋溶的均匀性和防止底部土壤的流失，然后将土柱放置于布氏漏斗上，用恒流泵以2 mL/min的速度将新鲜制备的初始DOC溶液泵入土柱内，并用广口瓶收集滤出液，将其过0.45 μm玻璃纤维滤膜后待测。每根土柱均淋溶一次，时间均控制在80—90 min内。土柱淋溶所用的初始DOC溶液体积均与土柱内的土重保持1 ∶ 1的比例，为151 mL。实验操作在20 ℃下进行。

pH值用奥豪斯STARTER 300测定，水土比为2.5 ∶ 1；土壤有机碳含量用土壤元素分析仪(Vario MAX-1，Elementar，德国)测定，由于土壤为花岗岩发育，土壤中无机碳含量可忽略不计；土壤粒径组成采用比重计法测定；游离态铁铝(Fe_d、Al_d)的提取采用柠檬酸钠-连二亚硫酸钠-重碳酸钠法。土壤粒径组成和铁铝氧化物的具体测定方法和步骤参见《森林土壤分析方法》^[19]，浸提液中的Fe和Al分别采用邻菲罗啉比色法和络天青比色法测定。

滤出液的DOC样品中取一部分用总有机碳分析仪(TOC-VCPH/CPN)测定其浓度；另一部分用稀HCl将pH值调为2，然后以恒速(2.5 mL/min)通过XAD-8树脂柱(Supelite)，其中通过树脂柱的定义为亲水性DOC组分，吸附在树脂上的定义为疏水性DOC组分，疏水性DOC的浓度则通过差值法得出。

为了测定结果的可比性，一部分样品的DOC浓度用超纯水稀释至10 mg/L，pH值用稀HCl调为2，然后用紫外-可见光分光度计(UV-2450，日本岛津)测定250、254、365 nm的吸光度值。

剩余的样品冷冻干燥后，在玛瑙研钵中与KBr(光谱纯)混合均匀，并制成压片进行红外光谱的测定，波段为4000—400 cm^-1，分辨率4 cm^-1，扫描次数为32(Nicolet 5700)。

液相¹H核磁共振的结果表明254 nm的紫外吸光度值与芳香H的含量呈正相关关系^[20]，因此芳香化指数能够反映DOC溶液中芳香化合物含量的高低^[21]。芳香性指数的计算公式如下：

AI=100×UV₂₅₄/b×DOC

式中,AI为芳香性指数(L mg^-1 C m^-1)，UV₂₅₄为254 nm紫外吸光度值(cm^-1)，b为紫外吸收光程(1 cm)，DOC为样品的浓度(mg/L)。

E₂/E₃可以反映DOC的平均分子量大小^[22]，E₂/E₃值越高，说明DOC的平均分子量越小，其计算公式如下：

E₂/E₃= UV₂₅₀/ UV₃₆₅

式中,UV₂₅₀为250 nm的紫外吸光度值，UV₃₆₅为365 nm的紫外吸光度值。

DOC截留量可用下面公式计算：

Q =(C₀×V₀- C₁×V₁)/M

式中,Q为截留量(mg/kg)；C₀、C₁分别为初始DOC和滤出液DOC的浓度(mg/L)；V₀、V₁分别为初始DOC和滤出液DOC的体积(L)；M为土柱内的土重(kg)。

试验数据先进行正态分布检验(Kolmogiriv-Smirnov检验)，对其中不服从正态分布的芳香性指数进行对数转换后再进行统计分析。采用最小显著差数法(LSD)进行土层间土壤性质的差异和不同土层滤出液DOC的化学性质差异的显著性检验(显著性水平为α=0.05)。DOC截留量与土壤性质间的相关性分析用线性拟合完成。软件采用SPSS 16.0。图形由Excel 2003和Origin 8.0绘制。

由表 1可见，土壤pH值在4.33—4.53之间，土层间差异不显著。土壤有机碳含量随着土层深度增加而不断下降，40 cm以下土层间差异不显著。随着土层深度增加砂粒含量逐渐降低，粘粒含量逐渐增加。游离态氧化铁(Fe_d)的含量随土层深度增加逐渐增加，而游离态氧化铝(Al_d)的含量变化并未表现出明显的规律，但80—100 cm土层的含量要显著高于0—10 cm土层。

初始DOC溶液的浓度为(211.87±11.52)mg/L，疏水性DOC组分所占比例为(80.26±2.47)%，pH值为5.36±0.15，芳香性指数为(1.70±0.24) L mg^-1 C m^-1，E₂/E₃值为3.88±0.07。

在淋溶过程中，由于吸附作用所有土层滤出液的DOC浓度与初始DOC溶液相比均有显著下降(图 1)，而且下降的程度随着土层深度增加而不断增加。0—10 cm土层滤出液的DOC浓度下降了约32%，80—100 cm土层滤出液的DOC浓度下降了约72%。不同土层DOC的截留量随着土层深度增加呈逐渐上升的趋势，80—100 cm土层的截留量最大，达到了174.84 mg/kg，显著高于0—10 cm土层，说明下层土壤具有更大的DOC吸附能力。

图1 不同土层滤出液DOC的浓度和DOC截留量 (N=3) Fig.1 DOC concentration of leachates and DOC interception of different soil horizons (N=3) 误差线表示标准差范围，相同字母表示两两比较不存在显著性差异，不同字母表示差异性显著(P<0. 05)

图选项

土壤性质与DOC截留量的关系如图 2所示。DOC截留量与土壤粘粒、游离态氧化铁的含量呈极显著正相关关系，与土壤有机碳、砂粒含量呈极显著负相关关系，而与游离态氧化铝的线性相关性却不显著。本研究发现米槠天然林中土壤有机碳的含量是不同土层DOC截留量的关键影响因素。

图2 不同土层DOC的截留量与土壤性质的相关性 Fig.2 Relation between the DOC interception of different soil horizons and soil properties (N=18)

图选项

如图 3所示，不同土层滤出液DOC的芳香性指数与初始DOC溶液相比均有显著性下降，下降程度随着土层深度增加而增加，80—100 cm土层滤出液DOC的芳香性仅为初始DOC的23%，表明土壤会优先吸附DOC中的芳香化合物，而且下层土壤对芳香化合物的吸附能力更强。不同土层滤出液DOC的E₂/E₃值随土层深度增加呈逐渐增大的趋势，80—100 cm土层滤出液DOC的E₂/E₃值是初始DOC溶液的2倍，说明下层土壤滤出液DOC的相对分子量更小，土壤优先吸附了DOC中大分子类物质。淋溶后，不同土层滤出液DOC的pH值与初始DOC溶液相比也均出现了显著下降。

图3 不同土层滤出液DOC的芳香性指数、E2/E3和pH值 (N=3) Fig.3 The aromaticity index, E2/E3 and pH of DOC leached from different soil horizons (N=3) 误差线表示标准差范围，相同字母表示两两比较不存在显著性差异，不同字母表示差异性显著(P<0. 05)

图选项

不同土层滤出液中疏水性DOC所占比例随着土层深度增加而逐渐下降(图 4)，与初始DOC溶液相比均有显著下降。0—10 cm土层滤出液中疏水性DOC所占比例为51.64%，而在80—100 cm土层滤出液中仅为25.34%，显著低于0—10 cm土层；这说明亲水性DOC组分流动性更强，土壤会优先吸附DOC中的疏水性组分，而且疏水性DOC对下层土壤表现出更大的亲和力。但是不同土层被截留的DOC中疏水性组分所占的比例却呈下降的趋势，0—10 cm土层截留的DOC中疏水性组分所占的比例要显著高于其他土层，这表明下层土壤对亲水性DOC的吸附能力也更强。

图4 不同土层滤出液和被截留DOC中的疏水性组分所占比例 Fig.4 The proportion of hydrophobic of leachates and DOC interception of different soil horizons (N=3) 误差线表示标准差范围，相同字母表示两两比较不存在显著性差异，不同字母表示差异性显著(P<0. 05)

图选项

初始DOC的红外光谱如图 5所示，在3418 cm^-1附近的大而宽的吸收峰是H键键合的—OH的伸缩振动的特征吸收^[15]，这个宽峰同时也掩盖了芳香环上C—H的伸缩振动；1607 cm^-1(苯环的骨架伸缩振动)^[23]和618 cm^-1(苯环C—H弯曲振动)^[24]处的两个强吸收峰可以证明芳香类物质的存在；2928 cm^-1的弱吸收应该是烷烃类物质的C—H伸缩振动的表现^[25]，这个峰和1388处的较强吸收(甲基C—H的弯曲振动)^[26]的共同存在，表明了初始DOC溶液中含有烷烃类物质；最后，1121 cm^-1[24]对应于C—O伸缩振动的频率。

图5 不同土层淋溶前后DOC红外光谱图 Fig.5 Infrared spectra of DOC of different soil horizons before and after leaching

图选项

当DOC淋溶0—10 cm土层后，1607 cm^-1和618 cm^-1两个吸收峰均消失；1643 cm^-1和1430 cm^-1是苯环骨架振动的体现^[24]，但是其强度较弱，这说明芳香类物质被吸附。1728 cm^-1的出现，表明羰基(C O)的存在^[15]，结合1136 cm^-1、1079 cm^-1和1043 cm^-1，可以推测羧酸类或醇类物质被解吸附继而出现在滤出液中^[24]，淋溶后溶液pH值的下降亦可证明这一点。1121 cm^-1吸收峰的消失，说明虽然结构中都含有C—O单元，但是醚类物质比酚、醇类物质更容易被吸附。2930 cm^-1和1384 cm^-1的吸收仍然存在，表明烷烃类物质没有被吸附。

1 0—20 cm和20—40 cm土层的滤出液的结果和0—10 cm的结果相似，区别主要在于芳香环类物质的比例逐渐减小，而醇、酚类物质的相对比例增加了，这应该是水溶性较好的结构相对简单的分子。

40 cm以下土层的滤出液的谱图和40 cm以上的有明显的不同。其最大的特征是3600—3000 cm^-1范围内都存在强而宽的吸收，同时1200—1000 cm^-1范围内的吸收比例也明显增加。这两个区域的强度的同时增加，证明了含有羟基的小分子物质在滤出液中的比例很高^{[24, 26]}。

对于所有的土层，小分子的烷烃基本都没有被吸附。

由上层到下层，土壤截留DOC的能力逐渐增强，而且疏水性、亲水性DOC的截留数量均不断增加，俞元春等研究也发现下层土壤比上层土壤吸附DOC的能力更强^[27]。虽然被截留的疏水性DOC的数量随土层加深而增加，但是其在被截留的总DOC中的比例基本呈下降的趋势(98%—90%)。这说明：第一，DOC在土壤中截留主要是因为吸附而不是生物的分解作用，这与Yano^[28]的报道一致。因为不仅初始DOC中疏水性组分占绝大多数(>80%)，而且被吸附的DOC也主要是疏水性组分，而这也正好是生物难以利用的部分，而且研究中淋溶实验的时间较短(80—90 min)，而生物分解作用是非常缓慢的过程；第二，下层土壤不仅吸附疏水性DOC的能力强，而且对亲水性物质的吸附能力也会增强。研究表明亲水性DOC与疏水性DOC会争夺土壤和氧化铁表面的吸附位点^[29]，在有限的吸附位点的情况下，疏水性DOC会限制亲水性DOC的吸附^[11]，上层土壤的吸附证明了这一点。下层土壤有机碳含量较上层土壤低、粘粒和铁铝氧化物含量高，未被占据的吸附位点也较多，因此亲水性DOC占总吸附量的比例随土层深度增加呈逐渐上升的趋势。同时，芳香类物质、大分子物质表现出和疏水性物质相似的趋势，表明这些疏水性DOC有相当一部分就是芳香类的大分子物质。这类物质之所以更易被吸附，一是因为分子体积较大，流动性不高；二是因为它们往往不是简单的碳氢化合物，而是含有醚基等官能团，这些官能团更容易通过配体交换等方式固定在氧化铁的表面上^[30]。已有的研究也表明DOC在土壤迁移过程中大分子物质、芳香化合物能被土壤矿物优先吸附^{[31, 32]}，疏水性DOC组分比亲水性DOC组分具有更大的土壤亲和力^{[18, 33]}。

红外光谱可以从更加微观的角度揭示被截留物质的结构特征。初始DOC溶液通过0—10 cm土层后，红外光谱显示芳香类和醚类等疏水性物质明显减少，同时酚、醇类小分子亲水性物质会被置换出来。在实验过程中发现初始的DOC通过0—10 cm土层后，疏水性DOC的截留量有时会大于总的截留量，同时还发现由上层土壤到下层土壤，疏水性DOC占滤出液总DOC的比例和占总吸附量的比例同时下降；对此合理的解释是初始DOC溶液中的疏水性物质置换了土壤中原有的亲水性物质。亲水性物质主要包含酚类和醇类，它们虽然也有可能被吸附在氧化铁的表面，但当有吸附能力更强的物质存在时，它们就可能发生解吸附^[11]，Scott通过原状土柱的淋溶试验也发现，土壤中已吸附的亲水性组分会被新鲜输入的DOC溶液置换出来，增加溶液中亲水性DOC的含量^[34]。不同土层滤出液的pH值较初始DOC溶液低，也表明了小分子酸类物质的存在。40 cm以下的土层淋滤液中的小分子量物质的比例明显增大，这一方面表明这些土壤本来就含有较多的小分子物质，原因是在自然条件下大分子量的芳香类物质被上层土壤截留，而流动性较高的小分子物质能达到下层土壤；二是因为小分子物质被土壤中粘粒和铁铝氧化物吸附的能力较小，容易被亲和力更大的物质取代。初始DOC中的烷烃类物质由于没有官能团，所以在所有的土层中均不易被吸附，这与Kaiser的报道相一致^[35]。

在影响DOC截留量的诸多因素中，粘粒和游离氧化铁的含量与土壤截留能力呈正相关。在下层土壤中，由于碳含量较低，缺乏足够的粘合剂，而且铁铝氧化物含量较高，因此粘粒的含量较高，游离铁铝氧化物在<2 μm的颗粒组中会更加富集^{[36, 37]}。粘粒的径级小，比表面积大，而且铁铝氧化物是有效的DOC吸附剂，因此粘粒吸附DOC的能力也会加强。在温带耕地土壤中，总有机碳的50%—75%与粘粒结合，其余20%—40%与粉粒结合，与砂粒结合比例<10%^[38]。值得一提的是，Tiessen等人研究发现，粘粒组分吸附的DOC大多是一些结构不稳定的小分子化合物^[39]，这可能是因为在DOC下渗过程中，结构复杂的大分子化合物优先被上层土壤截留了，无法到达下层土壤，这与本研究结果相似，即下层土壤吸附的亲水性小分子类物质的比例增加了。研究中可能是因为游离氧化铁的存在且含量较高，DOC截留量与游离氧化铝的线性关系并不显著。

土壤本来的有机碳含量与截留能力呈负相关，且是最关键的影响因素，这表明土壤的固碳量有一定的上限。韩成卫报道，DOC吸附量随土壤有机碳含量的增加而减少，土壤有机碳含量较高时吸附DOC的能力较弱^[9]。Shen用H₂O₂去除土壤约90%的有机碳后，土壤的DOC吸附量增加约30%，也说明有机碳降低了土壤对DOC的吸附^[40]。土壤有机碳的含量是DOC在土壤中截留的最大影响因子,这可能是由于上层土壤较高的有机碳含量占据了大量的吸附位点从而限制了土壤的吸附能力，而下层土壤因有机碳含量少，粘粒和铁铝氧化物含量多，可利用的吸附位点较多，因此具有较大的DOC截留能力。本研究发现砂粒含量与土壤截留能力呈极显著负相关，这是因为砂粒含量增多不仅减少了铁铝氧化物的含量，还减少了土壤的比表面积，导致DOC截留量的减少。而且受优先流和大孔隙流动的影响，砂粒含量增多可能会减少DOC与土壤颗粒的接触时间和接触面积，这也会影响DOC的吸附。

(1)DOC在土壤迁移过程中由于吸附作用会截留在土壤中，其中疏水性DOC、芳香化合物等大分子物质会被优先吸附，下层土壤比上层土壤吸附DOC的能力更强；由上层到下层，亲水性DOC的截留量占总DOC截留量的比例均逐渐增加，说明亲水性DOC与疏水性DOC间争夺土壤和氧化铁表面的吸附位点，在有限的吸附位点的情况下，疏水性DOC限制了亲水性DOC的吸附。

(2)红外光谱表明芳香类物质和醚类等疏水性物质会优先被吸附，烷烃类物质不易被吸附，同时酚、醇类小分子亲水性物质会被吸附能力更强的疏水性物质置换出来，说明当有吸附能力更强的物质存在时，土壤中原有的亲水性物质就可能发生解吸附。

(3)粘粒、游离氧化铁与土壤DOC的截留能力呈极显著正相关，而土壤有机碳和砂粒含量与土壤DOC的截留能力呈极显著负相关，其中土壤有机碳的含量是影响米槠天然林不同土层DOC截留量的关键因素。