中国东部土壤生物化学性质空间分异及质量评价

蒋俊，王晓学，屠乃美*，冼超凡，高婷，欧阳志云，郑华

中国东部土壤生物化学性质空间分异及质量评价

蒋俊1，王晓学2，屠乃美1*，冼超凡2，高婷2，欧阳志云2，郑华2

1. 湖南农业大学农学院，长沙 410128；2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085

中国幅源辽阔，南北跨度大，在自然气候环境的影响和人为因素的干扰下，不同地区土壤养分和土壤微生物种类、数量存在显著的空间差异，进而造成了土壤质量的空间差异。为了解中国东部天然林土壤养分和微生物多样性空间分布规律，本研究依据水热梯度变化特征采集了16个自然保护区52个典型森林土壤样方，测定了土壤养分和微生物指标，包括pH值、有机碳、有机质、总碳、总氮、总磷、总钾、速效磷、速效钾、碱解氮、土壤微生物宏基因组丰度和香农多样性指数。研究发现，中国东部森林土壤养分含量较高，空间差异大，宏基因组香农多样性指数变异系数为0.03，属弱变异，速效磷变异系数为1.17，属强变异。土壤养分(除总氮、总钾外)、土壤微生物宏基因组丰度和香农多样性指数与纬度呈显著正相关。进一步采用主成分分析方法，得出了基于土壤养分和土壤微生物指标的土壤质量综合评价指数。结果表明，1）中国东部森林土壤质量综合指数与纬度呈显著正相关关系。2）较高的土壤养分含量和微生物多样性有利于提高土壤质量，它们在数值上表现为正相关关系，彼此之间存在一定的互作关系。本研究揭示了中国东部地区典型森林土壤养分、微生物多样性和土壤质量空间分异规律，为了解中国东部森林土壤状况以及土壤资源合理可持续利用与管理提供了科学依据。

天然林；土壤质量；土壤微生物；空间特征；主成分分析

土壤养分空间异质性是土壤的重要属性之一（Burgess和Webster，1980）。气候、母岩、海拔、降雨量、地形、植被、动物和微生物等方面的差异性，造成了不同地区土壤类型和结构的差异，最终导致土壤养分的差异。同时，由于土壤本身具有变异性，加上区域因素和人为因素的影响，即使同一类型土壤在不同时间和空间土壤养分也会存在差别。大部分土壤养分的变异系数属于中等变异强度，并且存在明显的空间自相关结构（胡克林等，2006；赵其国等，2002）。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，几乎所有的土壤过程都与土壤微生物有直接或间接的关系（Lejon等，2005）。大量研究表明，森林土壤微生物及其生态功能变化是土壤质量演变的关键过程（Zak等，2003；Priha等，2001）。研究土壤养分和微生物的空间特征，对了解土壤的形成过程、结构和功能具有重要的理论意义（Rossi等，1991）。

土壤质量被定义为“特定类型土壤在自然或农业生态系统边界内保持动植物生产力，保持或改善大气和水的质量以及支持人类健康和居住的能力”（Doran和Parkin，1994）。可见其对可持续发展和维持土壤运行能力的重要作用。另外，土壤质量作为一种内在指标不能直接被人们认识，只有从一系列土壤性质的综合评价才能被间接了解（张华等，2003）。当前，采用的综合评价方法有聚类分析、因子分析、主成份分析和模糊综合评判等（吕晓男等，1999）。评价指标体系包括物理、化学和生物学指标。但不同的土壤类型、不同的土地利用方式，对各指标的要求不一（卢铁光等，2003）。土壤有机质是反映土壤质量的最重要的化学参数之一，是中国土壤质量评价中必须考虑的因子，它影响着土壤的结实度、脆弱性、营养保持能力、持水能力等土壤功能（Dumanskia和Pieri，2000；Carter，2002）。pH对土壤生物学性质和化学性质间的关系具有较强影响力（刘占锋等，2006）。生物学指标一般选

表4 土壤质量综合指数与土壤质量指标相关关系Table 4 Correlation Coefficients of Soil Quality Comprehensive Index and Soil Quality Indicators(n=52)

着纬度的增高而增加。王淑平（王淑平等，2002）等的研究显示，在中国东北样带，森林土壤C、N、P在年降水量的驱动下，呈现东高西低的规律性变化。在中国南方地区雨水充足，降雨量大，增加了磷素和钾素的淋溶丧失。另外，南方土壤类型中磷素和钾素与粘土矿物之间化学作用使得磷素和钾素更易与土壤中的金属元素紧密结合。

土壤养分的变异性受海拔高度、植被类型、土壤类型等多种因素的影响。本研究中AP变异系数为1.17，属强度变异，其他养分指标均为中等程度变异。这可能是因为中国东部地区土壤普遍偏酸性，AP能与活性铝、铁、磷酸钙形成磷酸铝铁沉淀。另外，在强酸性的土壤中由于有大量的三氧化二铁存在，会形成胶膜包被在磷肥的表面形成闭蓄态磷。

3.1.2 土壤微生物空间分布特征

土壤养分是土壤微生物生存的物质基础，土壤有机质是土壤微生物的C源和N源（王长庭等，2010）。土壤养分的丰富度和成分决定了土壤微生物的种类、数量及比例的消长（Attiwill和Adams，1993）。何友军（何友军等，2006）等研究表明，土壤微生物量碳与TN、铵态氮、TK和AK呈极显著的正相关。徐华勤（徐华勤等，2007）等研究发现：土壤微生物量碳、氮与SOC、TN、AHN显著正相关。赵彬（赵彬等，2011）等的研究则表明，土壤微生物生物量与SOC和pH呈显著正相关。钟芳（钟芳等，2010）的研究也有相似结果。因此，土壤养分含量是造成土壤微生物多样性随纬度升高而增加的主要因素。

3.1.3 土壤质量综合指数特征

如何选择土壤质量指标和如何科学合理地确定单项肥力指标的权重系数是土壤质量综合评价中的关键问题。评价方法分为定性评价和定量评价，定量评价应用较广（黄勇和杨忠芳，2009）。本研究采用的是定量评价中的土壤质量综合指数法。结果表明，中国东部森林土壤质量综合指数与纬度、土壤养分(除TK外)、微生物多样性指数呈显著正相关关系。这是因为中国北方地区植物凋落物总量大、降雨少，土壤养分存储丰富且流失较少。

另外，土壤养分和微生物之间的互作关系有助于提高土壤质量。土壤微生物作为土壤生态系统中养分源和汇的一个巨大原动力，在植物凋落物的降解、养分循环与平衡、土壤理化性质改善中起着重要的作用（孙波等，1997）。高质量的土壤具有稳定的微生物群落组成和结构、高微生物多样性及良好的微生物活性。

3.2 结论

本文通过对中国东部天然林土壤养分、微生物多样性空间特征和土壤质量进行研究，得出以下结论：中国东部森林土壤养分含量较高，空间差异大；宏基因香农多样性指数为弱变异，速效磷为强变异。土壤养分(除TN、TK外)、土壤微生物多样性和土壤质量综合指数与纬度呈显著正相关。土壤养分和微生物多样性对提高土壤质量存在一定的互作关系。

本研究没有检测土壤的物理指标，以至于不能全面系统的对土壤质量进行评价。但就土壤质量综合指数与土壤质量指标相关结果而言，土壤养分和微生物多样性指标基本能反映土壤质量状况。

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Spatial variation of the biochemical property of soil and quality evaluation for the soil in eastern China

JIANG Jun1，WANG Xiaoxue2，TU Naimei1*，XIAN Chaofan2，GAO Ting2，OUYANG Zhiyun2，ZHENG Hua2
1. College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

China covers a territorial scope at large scale with a long distance from north to south. There exist obvious spatial differences between soil nutrition, and the species and amount of soil microorganisms under the impacts of climatic and anthropogenic factors, which then cause to the spatial differences of soil quality. In order to explore the spatial distribution of soil nutrient and microbial diversity of the virgin forests in the eastern China, the soil samples were collected from 16 natural reserves including 52 typical forests, basing on the characteristics of the changes of water thermal gradient. Some indexes of soil nutrient and microorganism were measured which include pH, organic carbon, organic matter, total carbon, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus, available potassium, alkaline hydrolysis nitrogen, the Gene richness and Shannon's diversity index of soil microorganism. The research found out that the nutrient content of forest soil in Eastern China is higher with great spatial differences, and the Shannon's diversity index of the soil microorganism (0.03) varied weakly but the index of rapidly available phosphorus (1.17) varied strongly. The latitude has positive correlation with the soil nutrient content (except the total nitrogen and potassium), the gene richness and Shannon's diversity of soil microorganism. The Principal Component Analysis would be applied further to work out the integrated evaluation indexes of soil quality based on the index of the soil nutrient and microorganisms. The results showed: 1) The soil quality integrated indexes of the forests in the Eastern China have positive correlation with the latitude; 2) The higher soil nutrient content and the diversity of soil microorganism contribute to the improvement of soil quality, and the numerical values of them have positive correlations with each other, which means that there may exit interaction between them. The research reveals the spatial variation of soil nutrient, microbial diversity and soil quality of typical forests in Eastern China, which provides the scientific supports for the cognition of the forest soil conditions in Eastern China and the sustainable use and management of soil resources.

virgin forest; soil quality; soil microorganism; spatial distribution; the principal component analysis

S154.2

A

1674-5906（2014）04-0561-07

蒋俊，王晓学，屠乃美，冼超凡，高婷，欧阳志云，郑华. 中国东部土壤生物化学性质空间分异及质量评价[J]. 生态环境学报, 2014, 23(4): 561-567.

JIANG Jun，WANG Xiaoxue，TU Naimei，XIAN Chaofan，GAO Ting，OUYANG Zhiyun，ZHENG Hua. Spatial variation of the biochemical property of soil and quality evaluation for the soil in eastern China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(4): 561-567.

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2009CB421105)

蒋俊（1987年生），男，硕士研究生，研究方向：土壤微生物生态。E-mail: 379354956@qq.com *通讯作者；E-mail: tnm505@163.com

2014-01-09