植物残体埋藏对中国黄河三角洲湿地土壤中可溶性有机物质的影响

《Marine Environmental Research》：Effect of plant litter burial on soil dissolved organic matter in the Yellow River Delta wetland, China

盐沼植物凋落物分解显著改变土壤溶解有机碳（DOM）动态与组成，木质植物释放更多DOM且微生物分解早期以蛋白质为主，后期以腐殖酸类为主，表明植物凋落物质量影响DOM生物地球化学功能。

　　

谢林平|严玉彤|王敏|胡广光|孙霞|王建布|辛明|魏秦生|王宝东

自然资源部第一海洋研究所海洋生态环境科学技术重点实验室，中国青岛，266061

摘要

来自植物凋落物的溶解有机物质（DOM）经常调节沿海湿地中碳的生成和迁移及其向邻近水域的传输。为了了解盐沼在调节沿海湿地有机碳循环中的作用，我们对黄河三角洲湿地中一种木本植物（Tamarix chinensis）和两种草本植物（Phragmites australis, Suaeda salsa）的凋落物进行了实验室培养实验。植物凋落物埋藏后1周内，土壤DOM中的溶解有机碳净增量（ΔDOC）和总荧光强度净增量（ΔFt）迅速达到峰值，随后迅速下降至较低水平，并呈现轻微上升的趋势。在培养初期，土壤DOM中检测到大量类似色氨酸的蛋白质；而在凋落物分解3个月后，观察到高比例的类似腐殖酸的有机物。初始质量较低的T. chinensis叶片凋落物（例如，碳/氮（N）、纤维素/N和木质素/N比例较低）释放了最多的DOM，这表明木本植物叶片凋落物比草本植物叶片凋落物具有更大的有机物释放潜力。本研究强调了盐沼植物凋落物分解对土壤DOM特性的显著影响及其对沿海生态系统的潜在贡献。

引言

沿海湿地作为最重要的碳汇之一，在缓解全球变暖方面发挥着关键作用（Nakhavali等人，2021；Nellemann等人，2009；Wang等人，2023）。最近的研究表明，沿海地区具有温室气体汇功能，年CO₂当量吸收量为391-444 Tg（Rosentreter等人，2023）。全球范围内，沿海湿地土壤中的有机碳积累速率为0.07–0.2 Pg C yr^-1，这些土壤构成了沿海湿地生态系统中最大的长期有机碳库（占总库的49%–99%（Asanopoulos等人，2021；Hopkinson等人，2012）。土壤中的溶解有机碳（DOC）是指可用纯水或稀盐溶液提取并通过特定孔径（如0.7 μm或0.22 μm）过滤膜的部分。DOC是土壤有机碳（SOC）中最活跃且生物可利用的部分，全球表土（0–100 cm）中储存的DOC约为12.97 Pg（Kalbitz等人，2000；Guo等人，2020）。DOC通过土壤传输，并参与土壤碳的形成和封存（Cotrufo等人，2015）。DOC对反应性矿物相具有很强的亲和力，这一特性使其能够通过矿物相关的SOC实现SOC的稳定，这种稳定性可持续数十年甚至数百年（Sokol等人，2019）。由于盐沼植物的高生产力和快速更新，大量植物来源的碳可能以溶解有机物质（DOM）的形式从盐沼输送到沿海水域（Herrmann等人，2015；Yuan等人，2022）。DOM可能影响沿海生态系统的生物地球化学循环，如地表水的颜色、生物活性和营养动态（Mamidala等人，2023；Wardinski等人，2022；Zhang等人，2020）。因此，了解沿海湿地中DOM的动态和特性对于评估蓝碳生态系统中的碳封存至关重要。

DOM是由多种有机化合物组成的混合物。其组成在空间和时间上存在差异，取决于其来源和降解程度（Liu等人，2019；Wickland等人，2007）。DOM的来源决定了SOC的生化组成和稳定性（Lal，2003；Liu等人，2018）。植物碳是土壤DOM的主要外来来源。植物材料的自然分解直接决定了土壤碳的生化组成、周转和储存（Cui等人，2022；Pinsonneault等人，2021；Roth等人，2019；Ye等人，2020）。植物来源的碳通常富含低分子量有机物，优先被微生物利用并转化为大分子量的微生物衍生有机物（Roth等人，2019）。值得注意的是，微生物残体的形成受到凋落物质量和碳降解酶活性的影响（Liu等人，2025）。植物来源的OM的输入可以加速或抑制本地OM的降解过程，从而改变土壤碳的周转和封存（Mastny等人，2018；Shahzad等人，2019；Yan等人，2019；Zhuang等人，2021）。以往关于腐烂植物凋落物与SOC之间联系的研究主要集中在凋落物质量损失率（Sun等人，2016；Asif等人，2021；Zhai等人，2021）、通过土壤呼吸释放的CO₂以及启动效应（Cui等人，2023；Yan等人，2019）上。然而，植物凋落物分解对土壤DOM生化组成动态变化的影响仍不明确，这限制了我们对沿海湿地土壤碳循环的理解。

Tamarix属是一种盐生灌木，分布于世界各地，如亚洲、欧洲、美洲和澳大利亚（Harms等人，2006；Gaskin和Kazmer，2009）。Tamarix chinensis是唯一在中国北部盐沼中发现的木本植物。黄河三角洲（YRD）盐沼面积达157.1 km²，是中国北部最大的盐沼之一（Han等人，2006）。T. chinensis、Phragmites australis和Suaeda salsa是YRD盐沼中的主要植物物种，占盐沼总植被覆盖率的70%–80%（Sun等人，2016；Zhang和Wang，2019）。YRD盐沼的生物量相对较高，P. australis的平均生物量为2053 g/m²（Feng和Zhao，2008）。大量植物凋落物被潮水埋入土壤中，但凋落物分解对土壤DOM组成和结构的影响尚不清楚。在本研究中，进行了为期90天的实验室实验，以研究凋落物分解过程中土壤DOM的动态变化，重点关注植物凋落物对土壤DOM含量、组成和光学特性的影响。研究结果加深了我们对盐沼植物在YRD盐沼及其邻近水域碳循环中作用的理解。

植物凋落物和土壤采集

样品采集自中国北部山东省的YRD盐沼（图1）。该地区的年平均温度和降水量分别为12.4 °C和551.6 mm（Zhao等人，2015）。该地区经历不规则的半日潮，平均潮差为0.73至1.77 m（Li等人，1991）。土壤质地以沙质为主（80%–94%），粉砂和粘土的比例相对较低（5%–19%（Zhao等人，2021）。

土壤DOC增量变化

植物凋落物的添加显著增加了土壤DOC的含量。在所有培养实验中，ΔDOC在初始阶段迅速增加，在植物凋落物埋藏后1周内达到峰值，随后迅速下降。在中期阶段，ΔDOC保持在较低水平，而在实验后期略有上升。对于同一种类型的凋落物，ΔDOC的峰值存在差异。

植物凋落物输入对土壤DOC的影响

当前的培养实验结果表明，植物凋落物的输入是YRD沿海湿地土壤DOM的重要来源。植物凋落物的分解显著增加了土壤DOC的浓度（图2，7a），这与以往的研究结果一致（Che等人，2020；Leff等人，2012）。实地观察表明，盐沼中DOC的峰值通常出现在晚秋，此时沼泽植物开始枯萎（Chen等人）

结论

我们的研究表明，盐沼植物凋落物的分解显著提高了土壤中的DOC水平，并改变了DOM的光学特性。类似色氨酸的蛋白质（以其不稳定性和亲水性为特征）的比例下降，而类似腐殖酸的有机物C2（以其顽固性和疏水性为特征）的比例增加，且随着分解时间的延长而增加。前者作为微生物活动的主要底物

CRediT作者贡献声明 谢林平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源获取，方法学，数据分析，概念构建。 严玉彤：研究，数据分析。 王敏：资源获取，方法学，研究。 胡广光：研究，数据分析。 孙霞：研究。 王建布：资源获取，研究。 辛明：研究。 魏秦生：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念构建。 王宝东：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学。 Harms and Hiebert, 2006; Murphy et al., 2014; Nakhavali et al., 2020; Nelson and Sommers, 1974; Pucher et al., 2019; Sasmito et al., 2020. 本研究中的数据可应合理要求提供。 作者声明：本文报告的工作未受到任何已知的竞争性财务利益或个人关系的影响。 本研究得到了崂山实验室（LSKJ202204003）和国家自然科学基金（41806099）的支持。我们感谢编辑和匿名审稿人的专业评审，这些评审有助于提高本文的质量。