中國(guó)東部區(qū)域土壤活性有機(jī)碳分布特征及其影響因素

白瀟 ，張世熔，鐘欽梅，李婷，徐光榮

1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川 成都 611130

土壤有機(jī)碳是土壤的重要組成部分，其不僅反映土壤肥力水平，而且在全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用（唐政等，2014；Lal，2004）。由于土壤有機(jī)碳總量變化在短期內(nèi)不易被監(jiān)測(cè)，且難以反映其轉(zhuǎn)化速率和土壤質(zhì)量的潛在變化（Bhattacharyya et al.，2011；黃金花等，2015），因而部分研究者提出通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤活性有機(jī)碳組分觀測(cè)土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化。Hu et al.（2017）和 ?iri?a et al.（2016）分別研究了高原生態(tài)系統(tǒng)和典型大陸氣候下陸地生態(tài)系統(tǒng)林地、耕地和草地土壤活性有機(jī)碳的變化，表明土壤活性有機(jī)碳能靈敏地反映氣候和土地利用對(duì)土壤碳庫(kù)的影響。然而，這些研究?jī)H分析了單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響，并沒(méi)有研究一系列更廣泛的環(huán)境。因此，研究土壤活性碳組分對(duì)環(huán)境的響應(yīng)具有重大意義。

土壤活性有機(jī)碳常根據(jù)浸提劑的不同分為溶解性有機(jī)碳（DOC）和水溶性有機(jī)碳（WSOC）（趙海超等，2014；Lietal.，2015）。其中，土壤WSOC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分子量較小，易受植物和微生物影響，分解礦化快速，可用于反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)（李森等，2013）；土壤 DOC指能溶于酸、堿或鹽溶液的有機(jī)分子，其降解速率較快，對(duì)季節(jié)變化和土地利用方式的改變等反應(yīng)較快，在土壤有機(jī)碳礦化中發(fā)揮重要作用（李玲等，2012；蒙冠霖等，2015）。因此，研究?jī)烧叻植继卣骺蔀橥寥捞紟?kù)動(dòng)態(tài)變化研究提供參考。

土壤WSOC和DOC的含量和分布受氣候、地形、母質(zhì)和植被群落等成土因素的影響。Roth et al.（2015）和Lietal.（2017）研究結(jié)果表明，低溫可減緩DOC的分解，WSOC含量則呈現(xiàn)隨著海拔上升而增加，到一定高度再下降的特點(diǎn)。李潔等（2013）對(duì)板巖和花崗巖母質(zhì)發(fā)育土壤中的WSOC含量的研究表明，發(fā)育于板巖的紅壤中WSOC含量最高，紫色土中最低；不同植被類(lèi)型返回土壤的有機(jī)凋落物不同，故 DOC 的含量不同（Gutiérrez-Girón et al.，2015）。迄今，多數(shù)研究關(guān)注某些因素對(duì)DOC和WSOC的影響，且多集中于區(qū)域較小的農(nóng)田或林地，而鮮見(jiàn)大區(qū)域綜合成土因素對(duì)它們的影響報(bào)道。

中國(guó)東部區(qū)域緯度跨度大，氣溫降水變化明顯，地貌類(lèi)型多樣，成土母質(zhì)及土壤類(lèi)型豐富，土地利用方式多樣。因此，研究該區(qū)域活性有機(jī)碳空間變異特征，揭示其變異的影響因素，可為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)，也為大范圍區(qū)域綜合分析土壤碳庫(kù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

土壤樣品采集自黑龍江省、吉林省、遼寧省、北京市、天津市、河北省、山東省、安徽省、江蘇省、江西省，福建省以及廣東省等區(qū)域。研究區(qū)地理位置介于 114°04′～126°37′E，22°40′～45°44′N(xiāo)。區(qū)域內(nèi)氣候差異明顯，溫度帶自北向南包含寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶和南亞熱帶的部分區(qū)域。按照溫度帶將研究區(qū)域分為南北區(qū)，區(qū)域北部地區(qū)位于溫帶，屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.7～13.4 ℃，年平均降水量400～800 mm，夏季溫暖，冬季寒冷；河流沖積物、洪積物以及碳酸鹽等成土母巖發(fā)育成了黑土、暗棕壤、棕壤和黃棕壤等土壤類(lèi)型。區(qū)域南部位于亞熱帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫 13.2～21.4 ℃，年平均降水量500～1900 mm，冬暖夏熱，成土母質(zhì)主要為河流沖積物、黃土、花崗巖，發(fā)育了棕壤、黃棕壤、紅壤與磚紅壤等土壤類(lèi)型。研究區(qū)地處東部沿海區(qū)域，海拔較低，均在300 m以下；地勢(shì)平緩，地形多為平原；全區(qū)土地利用方式多為林地，兼有草地、園地、旱地和水田。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

土壤樣點(diǎn)布設(shè)是在收集區(qū)域土壤、土地、森林、草地資源調(diào)查的資料和遙感圖像等資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣候、地形、植被、母質(zhì)和土壤類(lèi)型進(jìn)行分層隨機(jī)抽樣，室內(nèi)確定大致樣點(diǎn)位置，野外調(diào)查時(shí)再結(jié)合交通狀況進(jìn)行調(diào)整確定（圖 1）。土壤采樣于2017年6—9月間進(jìn)行。每個(gè)樣點(diǎn)采用五點(diǎn)取樣法取同一地塊的5個(gè)子樣點(diǎn)表層土壤（0～20 cm）混合組成1個(gè)樣本，約2 kg。同時(shí)記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)、海拔、土壤類(lèi)型、土地利用方式等信息，并在 ArcGIS10.2軟件平臺(tái)上將樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)展開(kāi)提取年平均氣溫和年平均降水（為 2015年年平均數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心），共計(jì)72個(gè)樣本。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，去掉表面枯枝落葉層、植物殘?bào)w和石塊，過(guò)2 mm篩，備測(cè)。

圖1 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Sampling points in the study area

1.2.2 土壤有機(jī)碳和pH分析

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定（Lietal.，2015）。土壤水溶性有機(jī)碳測(cè)定方法如下：稱取5.0g土壤鮮樣，按1∶5的水土比加入去離子水，在25 ℃下振蕩（250 r·min-1）提取30 min。隨后，樣品在25 ℃下離心（5000 r·min-1）10 min后，用0.45 μm濾膜過(guò)濾，濾液中WSOC含量用重鉻酸鉀氧化法測(cè)量（Lietal.，2015）；溶解性有機(jī)碳則采用1 mol·L-1KCl溶液浸提，其他步驟與水溶性有機(jī)碳一致（Lietal.，2015）。土壤pH采用電位法在土液比1(m)∶2.5(V)條件下測(cè)定（采用雷磁PHSJ-3F實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)）。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

在SPSS 21.0平臺(tái)中進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析（One-Way ANVON）比較不同因素對(duì)DOC和WSOC的影響，LSD法分析比較平均數(shù)，回歸分析探討影響指標(biāo)的主要因素。運(yùn)用Origin Pro 9.0制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土壤類(lèi)型DOC和WSOC含量特征

研究區(qū)不同土壤類(lèi)型 DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于73.76～97.63 mg·kg-1。其中，暗棕壤和黃棕壤的 DOC含量顯著高于紅壤（P＜0.05），棕壤和磚紅壤與其他地帶性土壤差異不顯著（P>0.05）（表 1），與馬欣等（2016）研究結(jié)果一致。這是因?yàn)榘底厝篮忘S棕壤總有機(jī)碳含量（TOC）較紅壤豐富，且 DOC和TOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Hu et al.，2017）；此外，暗棕壤、黃棕壤和紅壤的DOC占TOC的比例分別為0.31%、0.47%和0.31%。紅壤處于中亞熱帶濕熱氣候，DOC的消耗相比生成對(duì)溫度更為敏感，在溫度偏低的地區(qū)，DOC消耗和生成速率均較慢，且DOC的運(yùn)移和遷移受到限制（Camino-Serrano et al.，2014）。

棕壤WSOC含量為紅壤的1.34倍（P＜0.05）。因?yàn)樽厝老噍^于紅壤，WSOC占總有機(jī)碳的比例更多，WSOC也與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)（?iri?a et al.，2016）。紅壤 DOC和 WSOC占總有機(jī)碳的比例均小于或等于其他土壤類(lèi)型（P＜0.05）。

黑土、鹽土和潮土 3種非地帶性土壤中 DOC和WSOC含量差異不顯著（P>0.05）。

2.2 自然因素

2.2.1 氣候

氣溫和降水作為氣候的兩大主要因子，主要通過(guò)影響土壤溫度和含水量，從而影響凈初級(jí)生產(chǎn)力和凋落物投入以及微生物代謝而影響土壤 WSOC和DOC含量（Tipping et al.，1999；盛浩等，2015；Qi et al.，2016；Hu et al.，2017）。

2.2.1.1 氣溫

區(qū)域內(nèi)土壤WSOC和DOC含量在不同溫度帶間存在顯著差異（圖2）。其中，土壤DOC含量表現(xiàn)為中溫帶、暖溫帶和北亞熱帶顯著高于中亞熱帶（P＜0.05），其他氣候帶差異不顯著（P＞0.05）。WSOC的含量與DOC具有一致性。這是由于南亞熱帶溫度較高，土壤DOC和WSOC分解快，微生物礦化分解有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充了DOC和WSOC（Luo et al.，2009），且高溫可以延長(zhǎng)植物的生長(zhǎng)期、促進(jìn)根系生長(zhǎng)和增加地下根系生物量，提高植物的初級(jí)生產(chǎn)力，從而增加植物歸還土壤的 DOC含量（Fr?berg et al.，2006；Zhou et al.，2013），與此同時(shí)，惰性碳庫(kù)受高溫刺激被分解從而補(bǔ)充DOC（Rui et al.，2011；Guan et al.，2018）。因此，南亞熱帶WSOC和DOC含量高于中亞熱帶（P＜0.05），與其他溫度帶含量無(wú)顯著差異（P>0.05）；而中溫帶、暖溫帶和北亞熱帶溫度相對(duì)較低，DOC和 WSOC利用較慢，含量高于中亞熱帶（P＜0.05）。

圖2 溫度帶與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 2 The relationship between mean annual temperature and soil organic carbon concentration

表1 不同土壤類(lèi)型下土壤水溶性和溶解性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征Table 1 Characteristic of soil organic carbon content in the different soils

2.2.1.2 降水

降水通過(guò)影響植物生長(zhǎng)以及將地表有機(jī)質(zhì)淋溶于土層進(jìn)而影響DOC含量（Ma et al.，2014；Tu et al.，2011；閆寶龍等，2017）。研究區(qū)土壤DOC和 WSOC含量均表現(xiàn)為半濕潤(rùn)區(qū)顯著高于濕潤(rùn)區(qū)（P＜0.05）（圖3），這與Tipping et al.（1999）研究結(jié)果（降水會(huì)增加土壤 DOC含量）不一致。其可能原因一方面是由于降水量過(guò)多導(dǎo)致土壤 DOC和WSOC隨徑流淋失（Ma et al.，2014）；另一方面，濕潤(rùn)區(qū)豐富的降雨使得土壤處于厭氧條件的時(shí)間增加，抑制了微生物活性，造成有機(jī)質(zhì)分解速率較慢，故其DOC和WSOC含量較半濕潤(rùn)區(qū)低（柳敏等，2007）。

圖3 年平均降水量與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 3 The relationship between mean annual precipitation and soil organic carbon concentration

2.2.2 地形

2.2.2.1 地貌類(lèi)型

地形支配著地表和土壤中水熱資源的再分配，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)從而影響DOC和WSOC含量（李林海等，2013）。平原區(qū)DOC含量顯著高于丘陵（P＜0.05），WSOC含量均無(wú)顯著差異（P>0.05）（表2）。因?yàn)檠芯繀^(qū)地貌類(lèi)型以平壩為主，少數(shù)臺(tái)地和丘陵，且土壤WSOC易變化。

2.2.2.2 海拔

海拔高度差異導(dǎo)致景觀異質(zhì)性，從而改變地下生物群落結(jié)構(gòu)并改變凋落物分解，進(jìn)而導(dǎo)致 DOC和WSOC分布產(chǎn)生差異（馬欣等，2016）。研究區(qū)域內(nèi)，隨著海拔高度增加，土壤 DOC含量下降，且在海拔高度為150～200 m時(shí)，土壤DOC和WSOC含量最低（圖4）。這是由于隨著海拔增高，氣溫降低，微生物活動(dòng)受到抑制，有機(jī)質(zhì)分解速率變慢致DOC減少。WSOC在不同海拔梯度間均無(wú)顯著性差異（P>0.05）。這與 Lietal.（2017）得出的在高山草甸 WSOC含量隨海拔升高而先升高后下降的結(jié)論不一致。其可能的原因?yàn)槠渌芯繀^(qū)海拔均為低于300 m的沿海地區(qū)，地勢(shì)起伏不明顯。

表2 不同地貌類(lèi)型下土壤有機(jī)碳含量特征Table 2 Characteristic of soil organic carbon content in the different landforms

圖4 海拔與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 4 The relationship between altitude and soil organic carbon concentration

2.2.3 成土母質(zhì)

成土母質(zhì)作為土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)直接影響著土壤的成土過(guò)程，是決定土壤活性有機(jī)碳含量與分布特征的主要因素（覃靈華等，2016）。不同成土母質(zhì)下的DOC和WSOC含量如表3所示。黃土母質(zhì)的 DOC(95.70±21.07) mg·kg-1顯著高于花崗巖(76.99±13.67) mg·kg-1（P＜0.05），前者比后者高24.30%；其余3種母質(zhì)無(wú)顯著差異（P>0.05）。這是由于花崗巖類(lèi)由大量石英組成，發(fā)育的土壤土質(zhì)相對(duì)貧瘠，而黃土粘重，含有更多有機(jī)質(zhì)，故DOC含量更多。與不同母質(zhì)發(fā)育土壤的 DOC不同，所有成土母質(zhì)的 WSOC含量均無(wú)顯著性差異（P>0.05）。

表3 不同成土母質(zhì)土壤有機(jī)碳含量特征Table 3 Characteristic of soil organic carbon content among soil parent materials

2.3 土地利用類(lèi)型

土地利用類(lèi)型主要通過(guò)控制有機(jī)碳的輸入及其積累和分解速率影響土壤 DOC和 WSOC含量（Janeau et al.，2014）。林地條件下的DOC含量顯著高于水田（P＜0.05），其余土地利用類(lèi)型均無(wú)顯著性差異（P>0.05）。自然林地條件下，生物群落組成豐富，通過(guò)增加微生物生物量釋放殘?bào)w有機(jī)化合物以及分解難溶物質(zhì)提高了土壤溶解性有機(jī)碳的含量（Whalen et al.，1999），且林地具有較多由微生物木質(zhì)素分解而成的不易變的酚類(lèi) DOC（Gutiérrez-Girón et al.，2015）；水田處于厭氧條件，微生物分解有機(jī)質(zhì)受抑制（Luo et al.，2009）且過(guò)多的水分會(huì)使一部分DOC流失（Ma et al.，2014）；此外，林地的枯枝落葉會(huì)返回土壤，而耕作土壤在收獲后，大部分地上生物量會(huì)被人為帶走（李玲等，2008）。

WSOC在5種土地利用類(lèi)型下均無(wú)顯著性差異（P>0.05）（圖5），這與李英等（2017）報(bào)道的森林和田地土壤 WSOC顯著高于農(nóng)田和草地的結(jié)論不一致，而與 Benbi et al.（2015）研究印度北部WSOC的結(jié)果具有相似性，其表現(xiàn)為林地、玉米-小麥輪作地、水稻-小麥輪作地和甘蔗地間 WSOC含量無(wú)顯著差異性。一方面，相比于自然土壤，如林地和草地，農(nóng)業(yè)土壤的總有機(jī)碳含量相對(duì)較少，但農(nóng)業(yè)土壤能提供相等甚至更多的適宜微生物活動(dòng)的碳源，從而增加 WSOC的含量（Chantigny，2003）。另一方面，林地、草地和園地的WSOC主要由多糖、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成（?iri?a et al.，2016），因其相對(duì)較低的可降解性而利于其含量積累。然而，農(nóng)田中的有機(jī)質(zhì)大多由可降解的有機(jī)碳組成（Chantigny，2003），在生物降解的作用下，產(chǎn)生高濃度的可利用碳源進(jìn)而促進(jìn)微生物的分解（Shahbaz et al.，2018），因此產(chǎn)生更多的WSOC。

圖5 土地利用類(lèi)型與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 5 The relationship between landuse type and soil organic carbon concentration

2.4 不同因素對(duì)土壤溶解性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳的影響程度

選擇了年平均氣溫、年平均降水量、地貌類(lèi)型、海拔、成土母質(zhì)和土地利用類(lèi)型等6個(gè)影響因子進(jìn)行綜合分析，通過(guò)建立6個(gè)影響因子與 WSOC和DOC之間的逐步回歸模型探討控制WSOC和DOC含量變異的主控因子。結(jié)果表明（表4），年平均氣溫和年平均降水量是影響 DOC含量差異的主要因素，而影響WSOC含量差異的主要因素為年平均氣溫。氣溫通過(guò)影響植物細(xì)根含量、根系分泌物、微生物活動(dòng)和被利用量來(lái)控制DOC和WSOC含量，而降水通過(guò)影響表層溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）、植物生長(zhǎng)發(fā)育和微生物活動(dòng)影響WSOC含量。本研究區(qū)域地形差異并不大，地貌類(lèi)型較為低矮，海拔較低，地勢(shì)起伏不明顯，不足以造成土壤活性有機(jī)碳的顯著性差異。僅林地中DOC含量顯著高于水田以外，其他土地利用類(lèi)型并無(wú)顯著性差異，這與前人研究所得結(jié)論不一致（?iri?a et al.，2016；李英等，2017；Sheng et al.，2015；唐政等，2014）。但單因素方差分析和多因素的綜合分析結(jié)果均表明土地利用對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響不顯著，而氣溫和降水對(duì)其影響較為顯著，說(shuō)明在中國(guó)東部區(qū)域的大尺度條件下，土壤活性有機(jī)碳對(duì)氣候的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，不能作為反映土地利用的指示指標(biāo)。由此可知，通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤DOC和WSOC的變化在一定程度上可以了解大尺度下氣候的改變和土壤碳循環(huán)。

表4 土壤有機(jī)碳影響因素回歸模型Table 4 Regression model of soil organic carbon densities with influence factors

3 結(jié)論

（1）本研究土壤類(lèi)型中，暗棕壤和黃棕壤的DOC含量顯著高于紅壤（P＜0.05），棕壤的WSOC含量也顯著高于紅壤（P＜0.05）。

（2）中溫帶、暖溫帶和北亞熱帶DOC和WSOC含量均顯著高于中亞熱帶（P＜0.05）；半濕潤(rùn)區(qū)DOC和WSOC顯著高于濕潤(rùn)區(qū)（P＜0.05）；平原區(qū)DOC含量顯著高于丘陵（P＜0.05）；在海拔 150～200 m條件下，土壤 DOC含量最低（P＜0.05）；黃土母質(zhì)的 DOC顯著高于花崗巖（P＜0.05）；林地條件下的DOC含量高于水田（P＜0.05）。

（3）年平均氣溫為和年平均降水量是DOC的主要影響因素；年平均氣溫為WSOC的主要影響因素。氣候的變化會(huì)引起土壤活性有機(jī)碳含量的變異。