雨季热带森林土壤溶液中溶解有机物和溶解木质素酚的特征及其对氮沉积的响应

森林来源的溶解性有机质（DOM）具有高反应活性和流动性，推动着陆地生态系统中碳和养分的循环与分布。微生物代谢等生物地球化学过程取决于DOM的化学成分，而其化学成分又受到其在生态系统中的来源及转化的影响。从林冠淋溶以及地上凋落物分解产生的DOM可通过降雨直接从森林地表传输至下层土壤。

此外，根系输入（如根系分泌物和死体淋溶物）以及土壤有机质（SOM）的解吸是土壤溶液中DOM在地下的重要来源。相反，土壤溶液中的DOM可被土壤颗粒吸附或交换、被胞外酶分解、被微生物消耗或从土壤剖面中淋溶出去。

因此，土壤溶液中DOM的浓度和组成反映了生产与分解（主要由生物活动驱动）以及吸附与解吸（主要由土壤类型决定）之间的平衡。

许多因素可能会控制土壤的物理化学和生物过程，从而改变土壤溶液中DOM的浓度和特性。其中最明显的因素之一就是季节。由于土壤温度和湿度有利于微生物活动的增加，温暖湿润的季节通常因凋落物分解速率较高而呈现出比凉爽或干燥季节更高的溶解性有机碳（DOC）产量。

同时，这种现象也导致夏季高温时土壤微生物生物量和DOC消耗量最高，冬季则最低。先前的研究也指出，由于强降水事件，DOM的数量可能会受到季节变化的影响，而DOM的质量在不同季节则相对稳定。高降雨强度和频率会增加土壤湿度和孔隙水流速，缩短溶质停留时间，这往往会导致DOM浓度降低。

此外，降水变化对土壤有机质状况（如数量、化学性质以及与土壤矿物质的结合情况）的影响也会驱动DOM的动态变化。虽然大多数研究都集中在不同时期的温度（冬季与夏季）或降水（旱季与雨季）差异上，但很少有研究指出雨季（DOM传输和转化的最重要时期）期间DOM特性的变化。

另一个影响DOM的因素是外源氮（N）的添加。众所周知，在氮受限的生态系统中，氮沉降的增加通常会刺激地上生产力，导致植物产生更多的DOM输入。然而，氮添加对有机质生产与分解过程之间动态平衡的影响可能较为复杂。

首先，氮添加会降低土壤pH值和土壤中磷的可用性，直接或间接影响微生物生物量、群落结构以及功能基因的活性，抑制微生物呼吸和氧化酶活性，从而影响与土壤有机碳循环相关的土壤微生物反应。所有这些因素都可能显著改变土壤溶液中DOM的浓度和特性。

事实上，在最近的一项研究中发现，在一片温带森林的土壤中，经过22年的氮添加，DOM的芳香性和分子大小有所增加。与温带森林相比，热带森林通常具有更高的降雨强度和频率、更高的温度以及更酸性的土壤，这些因素可能会改变生态系统要素（如植物产量和微生物生物量）对氮沉降的响应。

虽然这些要素调控着DOM的生产和消耗，但尚不清楚热带森林土壤溶液中的DOM特性在雨季期间会如何响应氮沉降。

森林凋落物中含有大量木质素。这种大型、不溶性且无定形的杂聚物被认为对生物降解或矿化具有相对抗性，会产生氧化部分（主要是酚酸）。这些氧化的木质素部分可溶，因此可能会随着土壤中的水分一起传输。

然而，溶解的木质素具有丰富的酚羟基和羧基基团，可能会被一些土壤矿物质（尤其是铝和铁的水合氧化物）强烈吸附和/或共沉淀。一旦发生吸附，溶解的木质素很少会重新进入土壤溶液，因为这些有机 - 矿物复合物基本上是不溶性的，除非化学条件发生巨大变化。

因此，在向下传输时，溶解的木质素通常比其他溶解性有机化合物具有更高的保留率。然而，土壤溶液中溶解木质素随时间和氮沉降的变化几乎未曾被研究过，这限制了对热带森林土壤碳循环过程的进一步理解。

图1雨季热带森林土壤溶液中溶解有机物和溶解木质素酚的特征及其对氮沉积的响应

在此，利用吸收光谱、荧光光谱以及稳定碳同位素（δ13C）比质谱法，研究了来自两个种植园且经过三种氮处理的土壤溶液在雨季三个阶段中20厘米和40厘米深度处DOM的光谱学和同位素特征。

此外，还采用碱性氧化铜（CuO）氧化法结合气相色谱 - 质谱联用（GC - MS）技术来研究土壤溶液中源自溶解木质素的酚类单体（以下简称“溶解木质素酚类”）。

我们假设：（1）雨季的高温降解和高降水稀释作用会降低土壤溶液中DOM和溶解木质素酚类的浓度，并改变其特性（如增加芳香性和分子大小）；（2）外源氮的添加会增加土壤溶液中DOM和溶解木质素酚类的浓度，并影响其特性（如增加DOM的芳香性和木质素的降解）。本研究旨在为热带土壤溶液中DOM的短期过程及其对外源氮沉降的响应提供一个基本的理解。

1.Mengke Wang, Ziting Zhang, Yinghui Wang, Xiaohan Mo, Qiang Zhang, Peng Zhang, Gege Yin, Liping Li, Senhao Wang, Jiangming Mo, Wei Zhang, and Jun-Jian Wang, ACS Earth and Space Chemistry 2021 5 (11), 3150-3158, DOI: 10.1021/acsearthspacechem.1c00243.

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