熔岩台地矮曲林土壤溶液吸光度与土壤碳、氮含量的相关性

张文天，姜明月，魏晓雪，沈 光，潘 虹，曾 颖

（黑龙江省科学院 自然与生态研究所，哈尔滨 150040）

五大连池位于大陆中部，处于植被交错区，地质地貌种类丰富，为全球首批世界地质公园之一，是我国重要的自然保护区和风景名胜区。该地区共有14座火山，其中的新期火山最后一次喷发距今300年。火山喷发后形成面积达80 km2的熔岩台地[1]，其上岩石裸露、土壤稀薄贫瘠，植物只有改变自身形态才能在这种临界地貌生境中生存。矮曲林是该区域植物通过表型变化以适应特殊生境的突出范例[2]，一般分布于高山上，丘陵地区较为少见。目前，国内外对矮曲林林下土壤的系统研究较少。现有研究主要集中在矮曲林的群落组成结构[3，4]、群落特征[5-8]、物种组成[9]、物种多样性[10，11]、区系特点[12]等方面。

作为土壤有机质的重要组成，某些官能团能够影响有机物的稳定性，进而对土壤碳汇功能和土壤肥力维持能力产生影响。这些官能团在一些特定波长具有特异吸收峰，通过对土壤溶液吸光度值的研究能够将官能团进行直接量化，进而揭示土壤有机碳的动态变化[13，14]。前人的研究多以地表水溶液为研究对象，对于通过吸光度对矮曲林土壤官能团进行研究则较为欠缺，官能团与土壤碳、氮之间的关系也需要进一步的研究。某些基本问题，如测定河流水样常用的波长多达14个甚至更多[14]，其中哪些适用于评价矮曲林土壤碳、氮变化尚缺乏系统研究；前人在不同林型对土壤理化性质的影响上进行了大量研究，但不同波长吸光度与矮曲林土壤碳、氮的相关关系，是否能够表征不同林型林下土壤的差异却未见报道。

基于此，本文以五大连池火山熔岩台地典型的白桦、香杨、山杨矮曲林林下土壤为研究对象，通过多个波长对土样进行测定，确定哪些波长对土壤碳、氮指标具有指示作用；进而通过不同波长吸光度与不同林型林下土壤碳氮含量相关性的分析，确认这些指示作用是否在不同林型上具有差异。五大连池地区地理地质环境独特、生态植被类型罕见，这些作用和规律的确定，为探究该地区熔岩台地土壤肥力保持和固碳能力奠定基础，对当地植被恢复、自然生态和地质遗产保护具有重要而深远的意义。

1 研究地概况与研究方法

1.1 采样区概况

五大连池风景区位于中国黑龙江省中北部，地处小兴安岭山地向松嫩平原的转换地带。五大连池自然保护区属于寒温带大陆性季风气候区。多年平均降雨量为514.3 mm，雨期一般集中在6～8月份。全年多西北风，结冰期为10月初至翌年5月初，无霜期为121 d。

1.2 样地设置与数据测定

1.2.1 样地设置、样本采集及处理。选择五大连池新期火山熔岩台地上生长的白桦矮曲林、山杨矮曲林、香杨矮曲林3种林分，每种林分设置5个20 m×20 m的标准地。每个样地内采集3个土壤样本，共45个土壤样本。土样风干后去除植物根和石块，粉碎过0.25 mm土壤筛，装入塑料瓶供实验分析。

1.2.2 土壤溶液吸光度值测定。土壤溶液官能团特征采用热水浸提进行提取[14]。提取步骤如下：土：水=1：5（土3 g，去离子水15 mL）装入50 mL离心管中，在100℃水浴锅中加热1 h，静置4 h后，配平在3500 r·min-1离心15 min，离心后的土壤上清液过0.45 μm滤膜得出滤液。滤液用双光束紫外可见分光光度计（760CRT，上海仪电分析有限公司）测定250、254、260、265、272、280、285、300、340、350、365、400、436和465 nm共14个波长的吸光度值（ABS），这些波长是研究可溶性有机物中常用的波长，其具体代表的官能团见表1。

1.2.3 土壤有机碳SOC、全氮SON测定。有机碳采用重铬酸钾容量法—外加热法测定；全氮采用的半微量凯氏定氮法[20]。

1.3 数据分析

对土壤样本中吸光度值及土壤碳、氮含量的数据，使用SPSS 17.0软件的单因素方差分析进行了统计分析。使用JMP软件对吸光度值及土壤碳、氮含量间的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 林型差异对吸光度值及土壤碳、氮含量的影响

熔岩台地矮曲林不同林型间土壤吸光度值（除436 nm波长吸光度之外）以及土壤碳、氮含量均具有极为显著的差异（P＜0.05）（表2）。

表2 不同林型土壤间吸光度值及碳、氮含量的方差分析

2.2 不同林型下各波长吸光度值的相关性分析

通过前人的研究我们可以确定土壤溶液在各波长下的吸光度能够单独表达土壤溶液官能团的特征（表1），在此基础上，通过对所有9个样地共计45个土壤溶液各波长吸光度测定值进行相关性分析，我们发现一部分波长的吸光度之间存在较高的相关性（表3）。具体来说，各林型250～300 nm所有波长吸光度间相关系数都不低于0.99；白桦林340和350，365和400，436和465 nm间的相关系数不低于0.99；香杨林350和365，400、436和465 nm间的相关系数不低于0.99；山杨林340和350，400、436和465 nm间的相关系数不低于0.99。鉴于这些高度相关性，分析土壤溶液时，在具有显著相关性的指标中选择其中的1个即可。如果将相关性0.99作为下限，根据表3的分析结果，选择254 nm、340 nm、365 nm、465 nm即可代表各自林型14个波长的信息量。在下文中，我们仅对以上波长进行分析。

表1 土壤溶液的主要吸收光谱波长与对应的可溶性有机物特性[13-19]

表3 各波长吸光度值相关性分析

2.3 不同林型下各波长吸光度值与土壤碳、氮相关性分析

对各林型林下土壤溶液吸光度进行相关分析和回归分析，以确定对土壤有机碳（SOC）、全氮含量具有最佳指示作用的波长（图1）。发现各林型中，对SOC含量回归关系最好的波长均为254 nm，白桦林的R2值最高，达到0.851，香杨林和山杨林稍低于白桦林，分别为0.799和0.750；对全氮含量回归关系最好的波长白桦林和山杨林均为254 nm，R2值分别为0.796和0.785，而香杨林的最佳回归关系出现在365 nm，R2值为0.646。

图1 各林型下不同波长吸光度与土壤有机碳、全氮含量的回归关系

从总体上看，随着波长的增大，吸光度与土壤碳、氮含量的相关性逐渐降低。波长为254 nm时相关性数量与显著程度最高，共有5组极显著相关关系；在365 nm时有两组没有显著的相关关系；465 nm则发现3组不存在显著相关性，而其余3组也非极显著相关。

3 讨论

作为我国较为珍贵的且保存相对完好的新期火山熔岩地貌，五大连池自然保护区的熔岩台地具有独特的生态环境和特征，是研究火山喷发、植被演替、土壤碳汇及营养等诸多科学问题不可多得的“宝地”[21]。对该地区具有代表性的矮曲林土壤碳汇和肥力进行研究，是该地区生态环境及地质遗产保护的迫切需要，具有重要的科学意义和社会价值。对土壤碳、氮进行研究的传统方法需要采集大量样本，通过步骤较为繁复的理化分离过程才能够得到相应的数据，费时费力且效率较低。测定溶液吸光度多用于水污染、水体碳转运等研究，具有简单、准确、高效等特点[22]。基于此，本研究对五大连池新期火山熔岩台地植被中典型的白桦、山杨、香杨矮曲次生林，选择14个研究溶液可溶性有机物的常用波长，对矮曲林林下土壤溶液进行测定分析；并通过研究吸光度与碳、氮含量的相关性，探讨不同波长吸光度值对土壤碳固能力和肥力维持的指示作用。

本研究发现，不同林型间大部分波长的吸光度值以及SOC和全氮含量具有极为显著的差异，由此可以判定，在对本地区矮曲林土壤进行溶液吸光度检测时，有必要区分林型进行分析。根据对不同林型各波长吸光度值的相关性分析结果，最终选择254 nm、340 nm、365 nm、465 nm等4个波长同SOC以及全氮含量进行回归分析，发现较低波长的吸光度值与白桦矮曲林、山杨矮曲林的土壤SOC和全氮以及香杨矮曲林的SOC均具有最高的回归相关性（R2≥0.75）；随着波长的增加，白桦矮曲林、山杨矮曲林的SOC的R2出现较为明显的下降趋势，香杨矮曲林的SOC的R2则出现先降后升再降的趋势。由此可见，土壤碳含量同254 nm波长所代表的芳香族化合物结构以及与其相关的疏水碳容量、官能团元素丰度、腐殖质特性等指标的关系比较密切，而与土壤颜色以及表面分子大小的关系紧密程度则有降低的趋势。研究同时发现，白桦矮曲林、香杨矮曲林的全氮含量均在254 nm和365 nm出现较高的相关性，山杨矮曲林的R2则随着波长增大出现较明显的下降趋势，表明土壤氮含量与芳香族化合物结构、分子量、疏水碳容量、官能团元素丰度、腐殖质特性等指标的关系比较密切。另外发现，香杨矮曲林的土壤全氮含量与各波长存在显著相关关系的R2值在0.55～0.646之间，波动幅度不大，说明芳香族化合物结构、分子量、疏水碳容量、官能团元素丰度、腐殖质特性等指标对香杨矮曲林的土壤全氮含量有着相似的指示作用。

综上，林型差异以及波长变化显著影响土壤溶液的吸光度，并且林型差异也显著影响土壤碳氮含量，因此，在使用土壤溶液吸光度判定土壤碳氮含量高低之前必须区分林型；各林型在较低波长（250 nm～300 nm）中的吸光度具有极高的相关性（≥0.99），因此在区分林型的前提下可使用低波长的吸光度来指示大部分矮曲林林下土壤碳氮的变化。