土壤溶解性有机质生物降解研究进展_贾华丽

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生 态 科 学

35 卷

几百个 C mg/L, 占土壤总有机质的一小部分, 但却 是土壤中最活跃的有机碳库。 DOM 的生物降解是指 土壤微生物对有机化合物的利用 , 可以减少可溶 性有机物的淋失, 避免对地下水的污染[4]。 降解过程 还可减少土壤中 O2 的含量并提供甲烷产生作用和 反硝化作用需要的电子 , 从而调节土壤温室气体 CH4 、N2O 的产生[5]。此外, 研究 DOM 的生物降解 对了解土壤养分的循环具有重要意义 。 为研究不同土壤条件下 DOM 的生物降解现象, 国内外学者从降解过程和影响因素等方面进行了相 关的研究 , 归纳起来 , 研究中主要涉及了生物降解 过程的表征、降解过程的影响因素两大方面。本文 就此对目前有关土壤 DOM 生物降解及其影响因素的 研究进行了综述, 旨在了解不同环境条件下 DOM 的 生物降解机制。 2 DOM 生物降解的表征 目前, 有关 DOM 生物降解过程的研究主要包 括其浓度的动态变化和组成结构的变化, 分别用矿 化动力学指标和光谱指标来表征 , 其中 , 矿化动力 学指标包括降解率、降解速率和半衰期等, 光谱指 标则主要为紫外-可见吸收光谱和腐殖化指数。 2.1 矿化动力学指标 矿化动力学指标主要包括降解率、降解速率和 半衰期等 , 主要用于量化降解过程中溶解性有机 碳、氮的变化情况。 2.1.1 降解率和降解速率 DOC 的降解率是指培养结束时减少的 DOC 量 占初始 DOC 的比率, 即易降解 DOC 的百分含量; 降解速率则用于描述降解的快慢。通常用双指数衰 变模型[7]来表示两者之间的关系, 其表达式为: 剩余的溶解性有机碳(%) = (100–b)e– k1t + be–k2t 其中, b 为稳定 DOC 的百分含量(%), (100–b)为易降 解的百分含量(%), k1 为易降解 DOC 的矿化速率常 数(d–1), k2 为稳定 DOC 的矿化速率常数(d–1), t 为时 间(d)。 学者们对森林、农田等土壤中 DOM 生物降解 所开展的研究中用其表征降解过程中 DOC 的浓度 变化, DON 的降解也同样符合一个双指数的一次衰 变模型 。研究中 DOC、DON 降解速率的一般规律 为: 培养初期, 易降解部分优先降解, 降解速率较快,
[6] [6] [3]

随着该组分的不断消耗, 降解速率逐渐减慢[3–4,6,8–10]。 降解率则受土壤来源、性质等外部因素的影响而不 尽相同, Kiikkilä O 等[11–12]对落叶林和针叶林的研究 表明, 森林枯落物层 DOC 的降解率为 25%–32%, 腐 殖质层为 10%–20%; 而水稻土中 DOC 的降解率则 为 30%–70%不等[13–14]。 2.1.2 半衰期 半衰期是指不同组分的浓度经过生物降解反应 降低到初始浓度的一半时所消耗的时间。根据 DOC 不同组分的半衰期不同可将其分为易降解 ( 不稳 定)DOC 和难降解(稳定)DOC 两部分。各组分半衰 期的计算方法为[8]: 不稳定 DOC 的半衰期=ln2×(k1)–1 稳定 DOC 的半衰期=ln2×(k2)–1 其中, k1 为不稳定 DOC 的矿化速率常数(d–1), k2 为稳 定 DOC 的矿化速率常数(d–1) 汪景宽[6]、 禹洪双[14]等人分别对 Schwesig D [8]、 不同森林、 水稻土壤中 DOC 生物降解的半衰期进行 了研究, 发现易降解 DOC 的半衰期都在 1–2 天, 而 难降解 DOC 受其结构的影响, 半衰期在几十到几百 天不等, 此规律同样适用于 DON 的降解情况[6]。 2.2 光谱指标 降解过程中, 光谱特征常被用于研究 DOM 的 组成结构, 其理论基础是不同有机物所含的基团对 不同类型和长度的光波具有各自的吸收特性[15]。目 前, 用于评价 DOM 降解过程的光谱指标主要包括 SUVA254, UV260, UV280, E240/E420, E465/E665, E250/E365 和腐殖化指数。 280nm 处 DOM 的紫外吸收值(UV280)和腐殖化 指数(HIXem)被广泛用于评价 DOM 的结构复杂程度 和分解特性 , 一般认为 , 值越高其中含有的芳香性 化合物越多, 结构越复杂[16–17]。学者们[8,

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前言 溶解性有机质(Dissolved organic Matter, DOM)

过 0.45 μm 微孔滤膜的, 能溶于水的有机物的总称[1], 具体包括可溶性有机碳(DOC)、 可溶性有机氮(DON) 和可溶性有机磷(DOP)等。 土壤 DOM 主要来源于新 近凋落物和土壤腐殖质 [2], 含量很低 , 只有几个到
Байду номын сангаас
贾华丽, 郗敏, 孔范龙, 等. 土壤溶解性有机质生物降解研究进展[J]. 生态科学, 2016, 35(2): 183188. JIA Huali, XI Min, KONG Fanlong, et al. Research progress on the biodegradation of soil dissolved organic matter[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 183188.
13–14,]

对不

同区域 DOM 生物降解的研究指出 , 培养过程中 , UV280 呈先上升, 达到最大值后又下降的趋势, 主 要是由于培养前期易降解的组分优先被微生物利用, 导致溶液中芳香性物质比例增加, 当易降解组分分 解完成后 , 芳环物质开始被微生物利用 , 从而导致 其比例下降。一般情况下, 培养结束时, DOM 的腐 殖化指数 (HIXem) 增加 [4,15] 也表明随着培养的进行 , 溶液中结构相对复杂的芳香性化合物和难降解组分 比例增加。 但是, 培养过程中, 高微生物活性可能会

土壤溶解性有机质生物降解研究进展
贾华丽, 郗敏*, 孔范龙, 李悦, 乔婷
青岛大学化学化工与环境学院, 山东青岛 266071

【摘要】 溶解性有机质 (DOM) 是土壤有机质中最容易被微生物利用的一部分 , 是土壤微生物代谢重要的物质和能量来 源。DOM 的生物降解反映了其稳定性及在物质、能量代谢中的作用 , 对土壤的碳循环和大气的温室效应有重要影响。 目前 , 有关 DOM 生物降解的研究主要集中在降解过程的表征及其影响因素两大方面 , 该文对相关问题进行了综述。 表征指标可以归纳为降解率、降解速率、半衰期等矿化动力学指标和光谱指标两大类 ; 降解过程直接取决于 DOM 分 子大小、结构和微生物群落、数量和活性等直接影响因素 , 而土层深度、土壤湿度、温度、土地利用和管理方式、 pH 等间接因素通过影响 DOM 的组成结构及微生物的性质进而影响 DOM 的降解过程。在此基础上 , 论文指出了目前国 内研究中存在的问题 , 并提出了进一步研究的方向。 关键词：溶解性有机质; 生物降解; 表征指标; 影响因素 doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.027 中图分类号： X144 文献标识码： A 文章编号： 1008-8873(2016)02-183-06

2期

贾华丽, 等. 土壤溶解性有机质生物降解研究进展

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引起基质和营养的快速消耗, 导致部分微生物死亡, 将容易降解的细胞成分释放到 DOM 溶液中 会改变 UV280 和 HIXem 变化趋势。 此外, 254 nm 处的摩尔吸光度(254 nm 吸光系数 与 DOC 浓度值比)可示踪 DOM 的芳香性, 值越大表 明有机物越难被分解和利用
网络出版时间：2016-04-12 15:49:39 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1215.Q.20160412.1549.019.html

第 35 卷

第2期

2016 年 3 月

生 态 科 学 Ecological Science

35(2): 183188 Mar. 2016

Research progress on the biodegradation of soil dissolved organic matter
JIA Huali, XI Min * , KONG Fanlong, LI Yue, QIAO Ting College of Chemical and Environmental Engineering, Qingdao University , Qingdao 266071, China Abstract: DOM as one of the most readily used parts of the soil organic matter is the important material and energy sources for soil microbial metabolism. The biodegradation of DOM reflects its stability and the irreplaceable role in the metabolism of material and energy, which has a great impact on the carbon cycle in soil and greenhouse effect in the atmosphere. Present research on biodegradation of DOM mainly focuses on the characterization of degradation process and the influence factors. Herein, we summarize these two aspects in this paper. The indicators can be concluded into two categories, the spectral index and mineralization kinetics index, including the rate of degradation, degradation rate and half-life of DOM. The degradation process depends directly on the molecular size and chemical structure of DOM and the community, number and activity of microbe. Meanwhile, the process is also influenced by the depth of soil, soil moisture, temperature, pH, land use and management manner. Given this, we propose the direction of further study after summing up the shortcomings of relevant studies. Key words: dissolved organic matter; biodegradation; indicators; influence factors

是由一系列大小、结构不同的分子组成的, 且能通

收稿日期: 2015-04-21; 修订日期: 2015-06-01 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41101080); 山东省自然科学基金资助项目(ZR2014DQ028, ZR2015DM004); 山东省高等学校科技计划资助项目(J12LC04) 作者简介: 贾华丽(1990—), 女, 山东潍坊人, 硕士研究生, 主要从事湿地变化与环境效应研究, E-mail: 1437960348@qq.com *通信作者: 郗敏, 女, 博士, 副教授, 主要从事湿地变化与环境效应研究, E-mail: ximin2008@126.com