期刊名称：Journal of P lant Ecology

影响因子：3.9

DOI：https://doi.org/10.1093/jpe/rtaf087

本研究以横断山脉玉龙雪山2600-3500m海拔梯度森林为对象，探究森林类型、海拔与季节对土壤DOM动态的调控机制。结果显示，阔叶林土壤DOC含量显著高于针叶林，且不受海拔影响；湿季DOC含量高于干季，腐殖化指数与DOC趋势一致，芳香性指数则相反。分子分析表明，土壤DOM以木质素/CRAM类和单宁为主，呈现典型植物源特征，干季木质素丰度随海拔升高降低。驱动机制存在明显季节差异：干季土壤性质（尤其是铵态氮）主导DOM动态，湿季则由凋落物特性（叶片DOC）起关键作用。研究证实，森林类型对土壤DOM的影响强于海拔，季节驱动因子分异明显，为气候变化下高山森林土壤碳固存研究提供科学依据。

本研究以横断山脉玉龙雪山2600-3500m海拔梯度的四种典型森林为研究对象，沿海拔设置20m×20m样地，每个海拔3次重复。分别在2020年干季（11月）与2021年湿季（8月）开展样品采集，土壤采集0-10cm表层，按“S”形5点混合，剔除杂质后立即过2mm筛，分为-20℃冷冻与4℃冷藏两份保存，分别用于培养实验及理化、DOM分析。同时采集各优势树种完全展开的新鲜叶片，用于凋落物特性测定。土壤理化分析样品经风干、研磨后，测定温度、湿度、容重、pH、有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮与机械组成。微生物分析采用新鲜土样，以氯仿熏蒸提取法测定微生物量碳氮，磷脂脂肪酸法鉴定菌群组成。叶片样品经球磨粉碎，用超纯水制备浸提液，用于叶片DOC、全氮及光谱指标测定。土壤DOM以水土比4:1振荡、离心提取，经0.45μm滤膜过滤得到待测液。分子水平检测前，DOM样品经固相萃取柱纯化处理。

（1）沿海拔梯度的土壤溶解有机质含量及光谱指数

土壤DOC含量在湿季显著高于干季，各海拔高度均是如此，唯独在3500m处例外，湿季在3200m处达到最高水平（图1a）。总体而言，阔叶林土壤（2900m和3500m）的土壤DOC含量高于针叶林土壤（2600m和3200m）。相反，DON在不同海拔和季节之间没有明显规律，在干季2900m和湿季3200m观察到较高值（图1b）。芳香性指数（AI）在干季显著高于湿季，并且随着海拔升高呈下降趋势（图1c）。阔叶林土壤的腐殖化指数（HIX）在各季节都显著高于针叶林土壤（图1d），荧光指数（FI，范围为1.54-1.82）和生物指数（BIX）在不同海拔和季节中均未显示出显著变化，唯一的例外是在干季2600米处记录到的最高BIX值（图1e、f）。

图1.不同海拔梯度下土壤DOM含量及光谱指标的季节变化。同一行中不同的小写字母表示不同海拔间存在显著差异，而同一列中不同的大写字母表示不同季节间存在显著差异（P<0.05）。DOC，溶解有机碳；DON，溶解有机氮；HIX，腐殖化指数；AI，芳香性指数；FI，荧光指数；BIX，生物指数。2600/PA，主导植被树种为华山松（Pinus armandii）、海拔2600m；2900/QR，主导植被树种为瑞氏栎（Quercus rehderiana）、海拔2900m；3200/PY，主导植被树种为云南松（Pinus yunnanensis）、海拔3200m；3500/QG，主导植被树种为金花栎（Quercus guyavifolia）、海拔3500m。

（2）海拔梯度上土壤DOM分子特征变化

在湿季，DBE和NOSC的平均值高于干季。湿季中，阔叶林土壤的DBE高于针叶林土壤。干季中，DBE随海拔升高而增加，而NOSC在干季呈现类似的变化趋势，但在湿季不同海拔间没有明显规律（图2c,d）。H/C和O/C在不同海拔和季节间没有显著变化（图2a,b）。

图2.沿海拔梯度土壤DOM分子特征及不同元素组合相对丰度的季节性变化。H/C，每个分子中氢原子与碳原子之比；O/C，每个分子中氧原子与碳原子之比；DBE，双键当量；NOSC，碳的名义氧化态。

CHO是土壤DOM分子中的主要功能基团，在干季的范围较低，为60.69%-69.15%，而在湿季除3500m海拔外的各海拔范围为65.26%-80.49%，CHON的贡献分别为22.78%-32.08%和13.31%-27.80%，CHOS分别为4.35%-6.44%和2.41%-6.51%，CHONS分别为2.10%-3.72%和2.23%-5.30%（干季和湿季对DOM分子的贡献）（图3）。湿季针叶林土壤中CHO含量高于阔叶林土壤。在干季，CHO的相对丰度随海拔升高呈增加趋势，而CHON和CHOS呈相反趋势（图3）。

图3.沿海拔梯度土壤DOM分子不同主要亚类相对丰度的季节变化。CHO、CHON、CHOS和CHONS为土壤DOM分子的主要亚类，包含C、H、O、N和S原子结构。

此外，将DOM分子重新归类为七类化合物，我们发现CHO主要存在于木质素/CRAM结构和单宁区域。木质素/CRAM样区域的CHO数量在各海拔下的雨季高于旱季。CHON亚类主要出现在木质素/CRAM样结构、缩合芳香结构和单宁区域，而CHONS亚类主要出现在脂质和缩合芳香结构中。CHOS亚类的分子在低海拔地区比高海拔地区更多（图4）。

图4.沿海拔梯度不同生化化合物类别的土壤DOM的季节性变化。不同颜色的实心圆表示按元素亚类识别的DOM分子。脂类，一类有机化合物；脂肪族/蛋白质，一类含氮有机化合物，由氨基酸聚合物组成；木质素/CRAM类，一种由碳水化合物纤维素组成的复杂聚合物；碳水化合物，简单糖的小分子以及大分子物质的重要结构成分；不饱和烃，一类含碳氢的不饱和有机化合物；缩聚芳香族，一类由一个或多个苯环组成的有机化合物，具有浓烈的芳香气味；单宁，一类与酚类物质形成络合的有机化合物。

木质素/CRAM类结构分子在DOM中所占比例最大（59%-86%），在干季随海拔升高而下降，而在湿季则先增加后下降。单宁的比例在6%到22%之间，干季随海拔升高而增加，湿季在针叶林土壤中的含量高于阔叶林土壤。相比之下，芳香结构、脂质和脂肪族/蛋白的相对丰度仅占DOM的3%-9%（图5）。

图5.沿海拔梯度土壤DOM中不同主要生物化学化合物类别的相对丰度的季节变化。

（3）土壤DOM特征的驱动因子

主成分分析（PCA）将针叶林和阔叶林下的土壤DOM的数量和质量（光谱特性和分子特征）聚类，并解释了DOM总变异的99.47%（图6）。土壤DOM的数量和质量与不同海拔和季节的微气候、植物凋落物、土壤性质及微生物特征密切相关。具体而言，干季各海拔的土壤DOM数量和质量与土壤含水量（SM）、pH值、有机碳（SOC）、全氮（TN）、铵态氮（NH₄⁺-N）、叶片DOC（Leaf-DOC）、叶片湿度指数（Leaf-HIX）、叶片芳香指数（Leaf-AI）、微生物生物量氮（MBN）、拟杆菌/放线菌（Cy/Pre）和异养/抗性菌（Iso/Ant）显著相关。而在湿季，它们与土壤温度（ST）、pH值、SOC、TN、Leaf-DOC、Leaf-HIX、Leaf-AI、革兰氏阳性菌（GN）、GP/GN比值、真菌/细菌（F/B）、Iso/Ant和Cy/Pre显著相关。VPA显示，土壤性质、微气候、凋落物和土壤微生物的共同效应分别解释了干季和湿季土壤DOM方差的63%和83%。具体而言，在干季，土壤性质对土壤DOM的方差贡献最大，为81.65%，而在湿季，凋落物特征是调控土壤DOM的主要因素，方差为83.40%（图7）。

图7：土壤性质、微气候、凋落物和微生物对干季和湿季土壤DOM数量和质量的相对贡献。（a）干季：土壤性质（pH、SOC、TN和NH₄⁺-N）、微气候（ST和SM）、凋落物（叶-DOC、叶-HIX和叶-AI）、微生物（MBN和GP）；（b）湿季：土壤性质（pH、SOC和TN）、微气候（ST和SM）、凋落物（叶-DOC、叶-HIX和叶-AI）、微生物（GN、真菌和GP/GN）。MBN，微生物量氮；GP，革兰氏阳性菌；GN，革兰氏阴性菌；GP/GN，革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比例。

结构方程模型（SEM）进一步显示，土壤特性、小气候、凋落物和微生物是解释干季和湿季土壤DOM数量和质量变化的四个主要因素，分别解释了77.6%和80.8%的变异（图8）。具体而言，土壤和凋落物特性在干季分别正向和负向解释了59%和72%的土壤DOM（图7a）。然而，在湿季，凋落物特性、小气候和微生物显著且正向解释了土壤DOM的90%、52%和32%（图7b）。干季土壤铵态氮（NH₄⁺-N）是关键因素，其标准化直接效应占71.8%；而湿季叶片可溶性有机碳（Leaf-DOC）是关键因素，其标准化总效应占88.3%。