土壤溶解有机碳的研究进展.doc土壤溶解有机碳的研究进展.doc

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专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏土壤溶解有机碳的研究进展李淑芬1,俞元春2,何晟21金陵科技学院幕府校区园艺系,江苏南京210038;2南京林业大学森林资源与环境学院,江苏南京210037摘要系统地综述了DOC的来源、组成、性质、影响因素、环境效应及测定方法等。尽管关于土壤DOC的研究目前还不完善,至今对DOC的组成、性质等问题都不是很清楚,但现有的研究已经表明,DOC是土壤圈中一种非常活跃的化学物质,它对土壤中化学物质的溶解、吸附、解吸、迁移和毒性等行为均有显著的影响。关键词溶解有机碳(DOC);环境效应中图分类号X14文献标识码A文章编号1008181X(2002)04042208土壤溶解有机碳只占森林土壤有机质的很少一部分,但它与土壤有机质的其它组分之间可以在一定的条件下相互转化,始终处于动态平衡之中。就土壤DOC的作用而言,一方面,它与土壤微生物生物量一样是土壤活性有机质,容易被土壤微生物分解,在提供森林土壤养分方面起着重要的作用;另一方面,它在水中可溶,对森林土壤生态系统中元素的生物地球化学循环及铝、重金属等元素的毒性和迁移有深刻的影响。同时森林土壤DOC的淋失是土壤有机碳损失的重要途径,它作为一项环境指标,对研究碳循环与环境有重要意义。BLAIR等1认为,对于农林可持续发展系统来说,土壤碳库容量是很重要的因子,其变化主要发生在溶解易氧化碳库存量。BIEDERBECK等2人通过动力学研究指出,土壤有机质的短暂波动主要发生在易氧化易分解部分,并选择易氧化碳、可矿化碳及微生物量碳作为土壤溶解性有机碳的指示因子。ROSS等3研究指出,活性溶解AL和总AL密切相关,除了有机质积累层O层外,两种形态的AL与土壤中DOC含量正相关,因而DOC可能控制着酸性土壤中铝的移动。土壤溶解有机碳(DOC)已逐步成为陆地生态系统中的一个研究热点。1土壤溶解有机碳的基本概念及相关术语土壤溶解有机碳(DISSOLVEDORGANICCARBON,简称DOC),是指在一定的时空条件下,受植物和微生物影响强烈、具有一定溶解性、在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化,其形态、空间位置对植物、微生物来说活性比较高的那一部分土壤碳素。其不是一种单纯的化合物,而是土壤有机碳的组成部分之一4。国内外相关研究中描述这一部分碳素的术语很多,如有效碳(AVAILABLECARBON)、水溶性有机碳(WATERSOLUBLEORGANICCARBON,简称WSOC)、易氧化碳(LABILECARBON)、可矿化碳(MINERLIABLECARBON)、活性有机碳(ACTIVECARBON)、微生物量碳(MICROBIALCARBON)4。WHITBREAD等5认为活性有机质包括了众多游离度较高的有机质,如植物残茬,根类物质,真菌菌丝,微生物量及其渗出物如多糖等。JOHNS6认为活性有机质是能够被微生物利用作为能源和碳源的土壤有机质。BLAIR等1指出活性有机质是土壤中易氧化分解的有机质。林滨等7认为土壤中水溶性有机碳指的是土壤样品在室温及天然PH条件下能溶于水相的有机组分。也有人认为水溶性有机碳是用水提取的能通过045M微孔滤膜的土壤有机物质的总称8。陶澍等9认为土壤中能直接进入水相的有机碳仅仅是土壤总有机碳的一小部分,即以小分子量富里酸为主要成分的水溶性有机物。2土壤DOC的来源及含量土壤中DOC的来源一般可以分为两种一种是土壤自身含有的;另一种是外部进入土壤的,例如枯枝落叶、植物残体经淋溶而带入土壤的DOC,或者通过施用有机肥(城市污泥、家畜粪尿、人粪尿、秸秆堆肥、有机废弃物)等农事的活动进入土壤的DOC。生物废弃物,如家禽和动物的粪尿以及污水污泥等增加了DOC的总量,它既可以充当DOC的来源,也可以增强土壤有机质的溶解10。KALBITZ等11人认为,土壤中DOC主要来源于近期的植物枯枝落叶和土壤有机质中的腐殖质,可提取的铁、铝、有机碳、粘土矿物等也在某种程度上控制着DOC的含量。MCDOWELL和LIKENS12则认为李淑芬等土壤溶解有机碳的研究进展423DOC主要来源于淋溶的有机质和微生物分解的有机质,而不是近期的枯枝落叶。相反,QUALLS等13报道,在落叶林生态系统中,DOC的含量增加主要是源于上层的森林覆被层。不同来源的DOC,含量不同。在天然水中,DOC的浓度范围一般是050MG/L。在湿地土壤溶液中,一般为2550MG/L,与森林土壤剖面淋滤水中的DOC含量相近。在土壤溶液中,DOC的浓度范围通常在081MG/L之间。河水和地下水中DOC浓度一般很低,约210MG/L14。据WEBBER报道,DOC在海水腐殖质中大约占20,在河水腐殖质中约占60,而在湿地土壤溶液的腐殖质中约占70。一般来说,土壤中DOC仅占土壤有机碳总量的极小一部分,通常不会超过百分之几(表1),但DOC却是土壤微生物能迅速利用的底物。土壤微生物的周转需要补充DOC作为能源,补充的途径可以是土壤胶体的解吸、落叶的腐解、根系分泌物和剥落物或土壤不溶聚合物的水解等。需要说明的是,目前对于DOC含量的测定尚无统一的方法,研究者测定的方法之间差别较大,而且样品的测定结果在很大程度上依赖于样品的采集和前处理等,因此难以直接比较文献中有关DOC的含量。3土壤DOC的组成及分类土壤溶解有机物(DOM)是土壤溶解有机碳(DOC)、溶解有机氮(DON)、溶解有机磷(DOP)和溶解有机硫(DOS)等的统称,但DOM的组分以DOC为主,而且DOM的研究对象主要是DOC。因此,研究DOC的组成往往是从研究DOM开始的。多数研究者在研究DOM时,实际操作中还不可能对所有的DOM组分进行逐一分离和测定,往往只能根据它们的某些特性,将其分成不同组分,然后分别加以研究。DOM的组分可按元素和功能团来划分15,也可按特殊化合物和化学基团来划分16,还可按分子量来分类1720,或者按蔬水亲水性、酸碱性质来分类21,22。许多学者曾按分子量分类法对DOM的组成进行了研究。他们得到的结果都是分子量小于几千的DOM包括脂肪酸、芳香酸、氨基酸、单糖、低聚糖和低分子量的富里酸,而高分子量的DOM主要包括结构尚未十分明确的复杂有机物,如高分子量的富里酸和胡敏酸等。LEENHEER及其合作者们按化合物的极性和电荷特性,于1976年率先采用XAD树脂和阴、阳离子交换树脂,将水中的DOM分离为6个组分23(1)亲水的酸性有机质(HPIA)。包括低分子量的及高羟基/碳比(COOH∶C)的腐殖质和非腐殖质,例如羧酸等。(2)水的中性有机质(HPIN)。包括单糖、醇和非腐殖质结合的多糖等。(3)亲水的碱性有机质(HPIB)。包括蛋白质等。(4)疏水的酸性有机质(HPOA)。这一组分大致与土壤中的富里酸和胡敏酸相似。(5)疏水的中性有机质(HPON)。主要包括碳水化合物、长链脂肪酸、烷基醇和带有少量功能团的腐殖质等。(6)疏水的碱性有机质(HPOB)。主要有芳香族胺类等。不同的学者对DOC的组成有不同的看法有人指出河水中的DOM主要包括叶绿素、藻类分泌物、酚酮类化合物和氨基酸等24。CRONAN25认为6090的DOC是疏水酸和亲水酸。VANCE和DAVID21认为疏水酸具有选择吸附作用,并且疏水部分对土壤有较高的亲合力。对于O层和B层来说,DOC分级方式是不同的,这两层土壤随着酸的输入不断被酸化,因为疏水酸逐渐减少而亲水酸逐渐增加。还有人认为土壤总吸附的DOC中80多是疏水有机溶质,不到20的亲水有机溶质,其中疏水有机溶质中50是疏水酸,50是疏水盐26。KLAUSKAISER和WOLFGANGZECH27将溶解有机物质(DOM)分成亲水和疏水部分(HYDROPHILICANDHYDROPHOBICDOM),并提出亲水性的DOM是土壤溶液中最易移动的有机质。陶澍、曹军33认为土壤水溶性有机质含有少量的低分子有机酸、碳水化合物和氨基酸,但主要是分子量相对较高的富啡酸。表1土壤和沉积物等样品中DOC含量及其占总有机碳的比例7来源DOC/MGG1占腐殖质比例/占有机碳比例/草甸沼泽土暗棕壤A层暗棕壤AB层河流沉积物土壤淋滤液28605722402581038132016-13031007-424土壤与环境第11卷第4期(2002年11月)对DOM无机组分的分析都显示出了相同的结果2830,即DOM中金属离子CD2、CU2、PB2、ZN2及AL、SI、FE的含量相当低,主要的离子则是不与有机质络合的碱金属离子(NA、K)及碱土金属离子(CA2、MG2)。JOHNBAHAM等30对经厌氧消化污泥的水溶性有机提取物的化学组成的研究认为DOM主要由C、O、H和少量的N、S、P组成,有机C/N比率约为6,显示DOM富含C/N比率较低的有机聚合物,如氨基糖、多肽(C/N≈4)及含氮碱化合物等。4影响土壤DOC含量的因素DOC在不同的生态系统中影响因素是土壤溶解有机碳研究中比较多的内容之一。在众多的研究中提到了很多因素,如凋落物数量、微生物数量、土壤金属离子含量、PH值、人类干扰活动等。KKALBITZ等11总结了多数人对溶解有机碳(DOC)、溶解有机氮(DON)、溶解有机磷(DOP)、溶解有机硫(DOS)的研究,并将这些研究对象统称为溶解有机物(DOM),其中主要研究对象是DOC,他们将影响DOM浓度和流动的因素归纳如表(2)。KKALBITZ等所提到的是多数研究中的情况,对于某一具体的影响因子,不同的学者在不同的土壤上的研究结果仍有较大差别。41季节MCDOWELL31在灰土区收集水样测定表明,A2层中DOC浓度从4月到9月增加,而10月略有所下降,最高浓度出现在干旱时期,其季节变化明显。B层DOC浓度比较恒定与溪水中一致,无季节变化。B层中FE和有机物的沉淀作用(灰化作用的主要过程),在很大程度上控制着水中的DOC浓度。MCDOWELL32发现,土壤中DOC和DON浓度随季节而变化,夏秋季最高。有人研究表明供试土壤溶液中DOC的季节变异十分强烈,无论是针叶林还是阔叶林,无论是根圈土还是非根圈土溶液中DOC平均含量以以下顺序递增夏季春季秋季冬季,后者的平均含量可达夏季的15020033。而DOSSKEY等34在关于溶解有机物在砂质森林土壤中的运动这一研究中,发现季节变化和雨量对DOC浓度无影响。42温度VANC等研究表明温度对DOC吸附基本上没影响35。JARDINE26发现,降低土壤温度DOC吸附仅发生轻微的减少,由于与温度关系不大,他们推断DOC吸附是一个熵变过程,伴着一个占主导地位的物理吸附机制,被吸附的DOC中25是通过阴离子交换被吸附的。但有人在测定中发现样品中的可溶性有机碳的产生量随温度增加而呈指数的函数增加36,温度升高,生物活性增加,土壤DOC水平增加,土壤表层DOC的移动状况受温度影响较大,温度的空间分异和DOC的组分不同直接影响DOC的运动。HALIECHTY研究表明雨水的PH和气温对水体的DOC浓度和动态变化具有很大影响,DOC随着土壤温度季节性的上升和生物活性上升而增加,随土壤PH的下降而增加。43湿度在湿样品中,随水分含量增加,DOC产生量也增加,湿的培养条件可以增加疏水酸的含量,温暖的培养条件可以增加亲水酸的含量36。干样与湿样表2实验室实验和野外观测中土壤DOM*浓度及流动的影响因素含C量较高的上层土壤和森林覆被含C量较低的下层土壤室内测得浓度野外观测浓度野外流动状况室内测得浓度野外观测浓度野外流动状况固态物质特征凋落物数有机质含量腐殖质含量针/阔叶林之比碳氮比微生物活性菌类数量铁铝氧化氢氧化物粘粒////液态物质特征PH值离子强度硫磷其他阴离子高价阳离子///////环境条件温度干湿交替水分饱和度水分流动霜冻及雪融氮沉降皆伐施用石灰施用有机肥////////////////“”表示极显著的正影响;“”正影响;“”极显著的负影响;“”负影响;“/”无影响*主要是DOCDOC,DON和DOP之间有不同李淑芬等土壤溶解有机碳的研究进展425相比,干样中测得的DOC含量要低的多24。有研究表明经风干,棕壤和褐土样品DOC实测值比新鲜样直接提取结果低602和173。红壤新鲜样品含水量很低(6),风干过程影响相对较少。风干过程显然对测定结果有显著影响,该过程中溶入土壤空隙水中的DOC成为固体析出,该过程显然是不可逆的,从而导致测定DOC降低37。但是也有相反的研究,NSBOLAN38研究结果表明,风干和烘干均可使DOC浓度增加,并且烘干的大于风干的。而4℃下冷冻对DOC浓度无影响,与新鲜样品中浓度一致39。44土壤剖面深度灰土剖面中,溶液中DOC与H随土层深度增加而减少31。一般地,大量的DOM从森林覆被层被淋溶到矿质层,溶液浓度高达122MG/L40,随土壤深度增加DOM急剧下降,B层溶液中平均浓度是森林覆被层的1/1541。GHIORSE等人40,42认为活性有机碳数量随深度增加而下降,深度越大,土壤有机碳驻留时间越长,有效性越低。然而,也有人研究指出,DOC浓度的深度变化并不服从土壤有机碳的深度分布,除表层外,高含量的DOC趋向于土壤深部,这与DOC向剖面深度的活越迁移及保持有关。45PH值有人认为DOC吸附与PH变化关系不大,但最终来说,PH增加,DOC吸附是减少的,然而这一现象并没被证实35。JARDINE26认为PH45时DOC吸附达最高,在较高或较低的PH时DOC吸附都有所下降。VANCE和DAVID21通过酸淋溶土柱实验发现,O层土柱用水淋溶时,淋溶液中DOC含量最大;用酸淋溶时,随PH值降低溶液中DOC含量减少。B层土柱,随PH值降低DOC含量增加,这可能是因为通过质子作用,金属有机配合物被释放出来,致使土壤溶液中有机物含量增加,从而使DOC含量增加。46森林采伐和造林森林采伐和造林对土壤中DOC的影响在不同的研究中有不同的结果。JOHNSON43的研究发现,在森林采伐后,林下土壤中的DOC含量有所上升;MAYER和LEPISTO等人却有相反的结果,他将森林采伐后林地DOC含量降低的原因归结于径流量的增加,与森林采伐本身没有关系44,45;而MCDOWELL和LIKENS12,MOORE和JACKSON46的研究发现森林采伐后,土壤DOC含量没有明显的变化。QUIDEAU和BOCKHEIM47的研究指出造林后,土壤溶液中的DOC含量增加;而COLLIER等48的研究却发现造林与土壤中的DOC含量没有关系。对于森林采伐后的林地清理及造林前的整地目前还很少有单独的研究,这方面的研究多见于对总有机碳(有机质)的影响的研究。47耕作和种植制度耕作和种植制度对土壤中的DOC有较明显的影响。DLPRAT49等人认为,林地初次耕作可使土壤中DOC提高25倍,而以后长期耕作会使土壤中DOC明显降低。有人研究表明,不同的轮作方式下,土壤中轻组有机质的含量随着休闲频率的增加而减少,如连续种植小麦的轮作方式休闲小麦麦饲料饲料休闲小麦小麦休闲小麦50。FRANZLUEBBERS51等人认为在轮作中,适时休闲,可以提高土壤活性有机碳的含量;GHIDEY52认为,栽培作物顺序可以影响作物根系和作物残体的数量、质量,从而影响土壤活性有机碳;CLAIRE53认为,在一定的种植制度下,土壤活性有机碳含量随种植年龄的增加呈上升趋势。48施用石灰和施肥多数人的研究结果表明,施用石灰可使DOC含量提高。KREUTZER等人将这种提高归结于DOC在高PH值的环境中更容易移动,以及施用石灰提高了微生物的活性。不过CRONAN54的研究却指出,施用石灰对土壤中的DOC没有影响。而SIMART的研究还发现,施用石灰后,CA2浓度的增加,DOC的含量下降。人们研究表明,施用有机肥可以提高土壤中的DOC含量55。而ROCHETTE和GREGOZICH56的研究进一步表明,施用有机肥后DOC的含量只在短时间内增加,随之就有所下降。魏朝富57等对紫色土的研究表明,单施化肥会导致土壤中轻组有机质(描述溶解有机碳的另一术语)的含量下降,而配施不同的有机肥和化肥会提高土壤中轻组有机质含量,其中土壤轻组有机质含量提高最多的施肥方法是配施猪粪和化肥(有机氮∶无机氮1∶15)。徐阳春等58研究结果表明,与对照相比单施化肥及化肥与有机肥配合施用,土壤微生物生物量碳分别增加了96和322。长期施用化肥,尤其是无机氮肥,虽然增加了植物根茬等的残留,但由于土壤的C/N比下降,加速了土壤中原有有机碳的分解,导致土
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