不同类型河岸带土壤活性有机碳空间分布及影响因素

章 琪，袁旭音，韩 磊，于辉辉，周 睿，唐豆豆

（河海大学环境学院，江苏 南京，210098）

0 引言

随着经济的发展和资源的利用，土壤受到污染也日益加重[1]。土壤有机质作为土壤的重要组成一直是农学、林学和土壤学等学科的重要研究内容[2]，它不仅包含植物生长所必需的各种营养元素，而且能够为微生物的生命活动提供氮源和碳源[3]。相关研究表明，土壤有机碳（TOC)含量与土壤全氮（TN）、土壤总磷（TP）之间的相关性通常达到显著或极显著水平，因此土壤TOC的变化影响N,P的循环与转化[4]。在土壤TOC的组成中，有一部分TOC对外界环境变化响应十分敏感，可以用来表征土壤TOC的短期变化及质量特征，这部分碳就是活性有机碳，而活性有机碳的变化与周边环境联系密切[5-7]。

土壤活性有机碳在土壤中移动快、稳定性差、易分解和矿化，并具有较高的植物和微生物活性[8-10]。目前针对土壤活性有机碳含量及其分布特征的研究主要集中在森林、草原或农田生态系统[11-12]，而针对河岸带生态系统的研究较少，尤其针对不同类型河岸带土壤活性有机碳分布规律及其影响因素的研究更为少见[13]。河岸带是水生态系统与陆地生态系统之间的生态交错区[14]，是水陆生态系统之间物质、能量和信息交换的过渡带，能够过滤、吸附、截留地表和地下水体的N，P，活性有机碳的分布和变化将影响这些元素的生物地球化学循环[15-16]。

以位于太湖西部的苕溪流域为研究对象，选定4种不同类型（耕地、林地、草地、荒地）河岸带，研究不同类型河岸带土壤中活性有机碳分布、变化及影响因素。本研究的主要目的是：①明确流域不同类型河岸带土壤中活性有机碳的空间分布特征；②分析土壤活性有机碳含量变化的主要影响因素。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

苕溪流域位于浙江西北部，地跨杭州、湖州2市，流经安吉、长兴、临安、余杭、德清、湖州市区然后进入太湖。该流域又包括了次一级的东苕溪和西苕溪流域，是太湖重要的补给水系，属于亚热带季风气候区。苕溪流域土壤类型较为多样，有黄壤、红壤、石灰土和水稻土等，且苕溪流域土地利用的类型也较为多样，主要为林地和耕地，其他还有草地、荒地、城镇及工矿用地等[17]。研究区域和采样点分布见图1。

图1 研究区域和采样点分布

东苕溪介于东经 119°28′～ 120°08′和北纬 30°05′～30°57′之间，源头在东天目山北部平顶山南麓，其干流河长165 km，流域覆盖面积2 267 km2。流域内降雨主要集中在5～9月，多年平均降水量为1 460 mm。 西苕溪流域介于东经 119°14′～120°29′以及北纬 30°23′～ 31°11′之间，发源于安吉县永和乡的狮子山，其干流长145 km，流域覆盖面积约2 200 km2。西苕溪降雨主要集中在5～9月，多年平均降雨量为1 465 mm，丰水期和枯水期河流年径流量分别为30.6×109m3和6.6×109m3。

1.2 土壤样品采集与分析测试

1.2.1 样品采集方法

基于苕溪流域河岸带的环境地理情况，选取4种典型类型（耕地、林地、草地、荒地）河岸带设置采样区，每一个类型均选取2块样地。在垂直于岸边、远离河流的方向上于1，10和20m处分别选定1 m×1 m的区域作为采样点，每个小采样区域内采集0～10，20～30，50～70和 80～100 cm 深度范围处的土壤样品，每个深度范围内采集3份土样。采集后的土壤样品带回实验室，一部分鲜土用于土壤MBC的测定，另一部分土样自然风干，剔除其中的石块、植物残根等杂物，研磨，过筛，用于土壤其他指标的测定。

1.2.2 测定方法

土壤基本理化性质的测定采用常规的的分析方法进行测定[18]。TOC使用岛津TOC-V系列有机碳分析仪进行测定，TN采用开氏消煮法进行测定。土壤pH值按照土、水质量比为1∶2.5的比例浸提，然后用电位法测定；土壤含水率采用重量法测定，容重采用环刀法测定。土壤金属元素用XRF分析仪测定。

土壤溶解性有机碳（DOC）采取过2 mm筛的风干土样10 g，按液、土质量比为4∶1添加0.5 mol/L的K2SO4溶液，进行震荡过滤，滤液直接用TOC有机碳分析仪测定。颗粒有机碳（POC）采取过2 mm筛的土样20 g，加入100 mL质量分数为5%的六偏磷酸钠溶液，震荡18 h，将土壤悬液过筛，所剩残留物在65℃下烘48 h，然后称重，计算其占整个土壤样品的比例。微生物生物量碳（MBC）采用取过2 mm筛的10 g新鲜土样置于放有氯仿的真空干燥箱中熏蒸24 h，然后将熏蒸处理过的土壤样品和未进行熏蒸处理的对照样品转移到100 mL塑料瓶中，加入50 mL硫酸钾溶液，震荡30 min后过滤。吸取浸提液5.0 mL放入消煮管中，加入2.00 mL重铬酸钾溶液，5 mL浓硫酸，充分混匀。然后置于油浴锅内油浴加热，最后用标准硫酸盐溶液滴定。

1.3 数据处理

采样图的绘制使用CorelDRAW 12.0绘图软件；Pearson相关性分析和One-way ANOVA方差分析采用SPSS 17.0数据统计软件，图表制作采用O-rigin 8.0软件。

2 结果与讨论

2.1 不同类型河岸带土壤活性有机碳含量的变化特征

2.1.1 不同深度土壤活性有机碳含量变化

DOC具有较好的溶解性，在土壤中迁移变化较快，且易矿化分解，是TOC损失的重要途径之一[19]。苕溪河岸带土壤活性有机碳纵向含量分布见图2。

图2 苕溪河岸带土壤活性有机碳纵向含量分布

由图2可知，各类型河岸带的DOC含量随着土层深度的增加而逐渐减小。林地河岸带0～10 cm土层的DOC质量分数为90.3 mg/kg，在所有土层中最大，荒地河岸带0～10 cm土层的DOC质量分数为69.3 mg/kg，在所有河岸带0～10 cm土层中最小。各类型河岸带0～30 cm土层的DOC含量占整个剖面的55.7%～62.6%，说明DOC的表聚性较强。通过不同河岸带之间的比较发现，林地河岸带各土层DOC质量分数的变幅最大，其范围在46.8～90.3 mg/kg之间，荒地河岸带各土层DOC质量分数变幅最小，其范围在51.5～69.3 mg/kg之间。有研究表明，DOC的含量虽受地表径流、土壤养分、pH值、粘土矿物、土壤微生物及真菌活动等多重因素的影响，但其主要还是受TOC的影响[20]。而在本研究中，研究区林地河岸带植被密度最大，较多的植物凋落物和植物根系分泌物为土壤输入了大量的碳源，使得其有机碳含量升高，土壤DOC含量便随之升高。

POC被认为是土壤活性有机碳的组分和量度指标，其来源于新鲜植物残体的输入，因此土壤中地上植被凋落物和地下枯死细根归还量是POC含量的决定因素[21]。本研究中，研究区各类型河岸带的POC含量随着土层深度增加而逐渐减小，同一河岸带不同土层间的POC含量差异显著。林地河岸带0～10 cm土层POC质量分数最大，为4.9 g/kg；草地河岸带和耕地河岸带0～10 cm土层POC质量分数其次，分别为3.1和2.5 g/kg；荒地河岸带0～10 cm土层的POC质量分数最小，为2.0 g/kg。各类型河岸带0～30 cm土层的POC含量占整个剖面的67.4%～81.1%，说明POC具有较强的表聚性。不同类型河岸带间POC含量差异显著，这是由于本研究中林地、草地河岸带的植被数量相对较多，植被凋落物和根系较多，使得其POC含量较高；荒地河岸带由于其土地荒废，植被数量极其稀少，土壤POC含量显著低于其他河岸带。

MBC是TOC最活跃且最易发生变化的部分，与土壤中C，N，P，S等养分元素关系密切[22]。本研究表明，各类型河岸带的土壤MBC含量随着土层深度的增加逐渐减小，耕地河岸带0～10 cm土层MBC质量分数为1 673 mg/kg，在研究区所有土层中含量最大，这是由于耕地表层的土壤常年受到人类耕作的影响，扰动性较大，土壤通透性较好，使得微生物活跃程度最大，MBC含量最高。林地河岸带、草地河岸带0～10 cm土层MBC碳质量分数次之，分别为1 065和938 mg/kg，荒地河岸带0～10 cm土层MBC质量分数为681 mg/kg，在所有河岸带0～10 cm土层中最小。各类型河岸带0～30土层的MBC占整个土壤剖面的60.1%～79.0%，说明土壤表层是微生物活动最活跃的场所。本研究中由于林地河岸带处于非淹水区，土壤通透性好，植被生长相对茂盛，较多的凋落物能为土壤微生物提供大量的碳源物质，促进了微生物的生长繁殖，因而能显著增加土壤MBC含量；草地河岸带植被生长水平次之，因而其微生物生物量碳相对较少；耕地河岸带由于土壤表层通透性较好，显著增加了其整个土壤剖面上的MBC的含量；荒地河岸带由于植物稀少，土壤肥力较低，因而其土壤MBC含量显著小于其他类型河岸带。

2.1.2 土壤活性有机碳的水平分布变化规律

苕溪河岸带土壤活性有机碳水平含量分布见图3。

图3 苕溪河岸带土壤活性有机碳水平含量分布

由图3（a）可以看出，在距离河岸20到1 m的方向上，耕地、林地、草地河岸带土壤表层的DOC含量均呈现出先升高后降低的趋势。这是由于河岸带20～10 m的区域内植被密度较大，其中林地中不仅有树木，还有杂草等植物，植被密度最大，对地表径流的拦截效果最明显，DOC的累积就最大；而在10～1 m区域内，植被生长逐渐稀疏，河岸带对地表径流的拦截效果减弱，DOC含量随之减小。荒地河岸带土壤表层的DOC质量分数在距离河岸20到1 m的方向上逐渐升高，由距离河岸20m处的65.4mg/kg升高到距离河岸10 m处的72.1 mg/kg，最后在距离河岸1 m处质量分数达到最高，为74.7 mg/kg。这是由于荒地河岸带地表裸露，土壤对地表径流的截流效果不明显，溶解在水体中的DOC在越靠近河流的地方含量越高。

图3（b）的曲线变化表明，研究区林地河岸带土壤表层的POC质量分数在距离河岸20到1 m的方向上逐渐降低，其在距离河岸20，10，1 m处分别为5.2，4.8，4.2 g/kg。由于颗粒有机碳主要附着在土壤颗粒上，稳定性相对较高，地表径流对其影响相对较小，因而越接近河流，颗粒有机碳含量越低。耕地、草地、荒地河岸带土壤表层的POC含量在距离河岸20到1 m的方向上没有表现出明显的规律性。

研究区耕地、林地、草地河岸带土壤表层的MBC含量在距离河岸20到1 m的方向上均呈现出先升高后降低的趋势。其中，耕地河岸带土壤表层的MBC质量分数在距离河岸20，10，1m处分别为1579，1 683，1 594 mg/kg；林地河岸带土壤表层的MBC质量分数在距离河岸20，10，1 m 处分别为 923，1 205，1 073 mg/kg；草地河岸带土壤表层的MBC质量分数在距离河岸 20，10，1 m 处分别为 817，1 050 ，970 mg/kg。此现象的原因是由于距离河岸带20～10 m的区域内植被茂盛，土壤截留效果较好，使得MBC出现了累积，而10～1 m区域内植被变得稀疏，土壤截留效果减弱，使得土壤MBC含量减少。研究区荒地河岸带土壤表层的MBC含量在距离河岸20到1m的方向上逐渐减小。

2.2 不同类型河岸带土壤活性有机碳的分配特征

活性有机碳占TOC的比例能较好的反映出土壤活性有机碳库的状况，TOC中活性有机碳的占比越高，说明土壤的活性越大，稳定性越差。河岸带土壤活性有机碳的分配比见表1。

表1 河岸带土壤活性有机碳的分配比例 %

由表1可知，研究区除林地河岸带80～100 cm土层出现减小的情况外，其他类型河岸带土壤DOC占TOC比例从上到下表现为上升趋势，这是由于土层深度越大，其受地表径流的影响越小，DOC的损失量也就越小。4种类型河岸带土壤DOC含量占TOC的比例范围为0.42%～4.23%，以80～100 cm土层所占比例最大，0～10 cm土层所占比例最小。

4种类型河岸带土壤POC含量占TOC的比例变化范围较大，为10.8%～55.1%。除了草地河岸带土壤0～100cm土层POC的比例随着土层深度的增加逐渐增大，其他河岸带土壤POC含量占比在整个土壤剖面规律性不强。这与高雪松等[23]的研究相同，主要是由于POC对土地利用方式的变化响应较敏感。

土壤MBC占TOC比例是土壤碳库质量的敏感指示因子，可以推断碳素的有效性[24]。4种类型河岸带土壤MBC含量占TOC的比例范围为6.74%～19.7%，随着土层深度的增加，其分配比例在垂直剖面上均未表现出一致的变化规律，这与杨继松等[25]对小叶章湿地土壤MBC分布特征的研究结果相同，反映了生物活性碳的复杂多变。

2.3 不同类型河岸带土壤活性有机碳与主要理化因子的联系

土壤活性有机碳与土壤主要理化性质的相关系数见表2。

表2 土壤活性有机碳与土壤主要理化性质的相关系数

由表2可知，研究区各类型河岸带DOC,POC和MBC与TOC,TN之间的相关性表现为极显著水平，与TP之间表现为显著相关。除了MBC与Fe的相关性不明显，研究区DOC,POC均与Al表现出极显著负相关,土壤DOC,POC与Mg存在显著正相关。本研究还表明，DOC,POC和MBC与土壤pH值之间存在显著的负相关性，说明对于苕溪流域而言，土壤pH值的差异对土壤活性有机碳造成了显著影响。对DOC，POC，MBC与土壤含水率之间的相关性进行分析，结果表明：DOC，POC与土壤含水率表现出极显著的正相关，而MBC与土壤含水率表现出显著正相关性。表2还表明，MBC与土壤容重的相关关系不明显，DOC，POC与土壤容重之间均表现出显著负相关。这些特征表明，土壤活性有机碳的分布和变化受到了土壤性质的明显影响。

综上所述，研究区各类型河岸带DOC，POC，MBC与土壤TOC，TN表现出极显著相关，这是因为土壤中的活性有机碳直接参与了土壤生物化学过程，某些活性有机碳与土壤有机碳处于动态平衡中，而土壤氮素的增加可以提高土壤TOC的含量从而间接影响活性有机碳的含量[26]。研究区各类型河岸带土壤DOC，POC，MBC与土壤TP之间表现出显著正相关，这与赵锐锋等[27]的研究相似，因为土壤C，P含量是衡量土壤质量的重要指标，直接影响河岸带的初级生产力，两者之间有密切的相互耦合关系。除了MBC，研究区DOC，POC与Al表现出极显著负相关，与Mg表现出显著正相关，且这3种活性有机碳与Fe均未表现出明显的相关性，这与SCOTT等[28]的研究基本一致，说明土壤中Al元素的累计会使活性有机碳含量减少，Mg元素有益于活性有机碳在土壤中固存，而Fe元素对其影响较小。本研究中的3种活性有机碳与土壤pH值、含水率、容重之间表现出来的相关性不一致，这与周莉等[29]的研究结果一致，说明土壤性质对土壤有机碳库的影响在苕溪流域的滨岸带是明显的，而且是多重因素的共同作用。

3 结论

在野外采样和实验室分析的基础上，分析了苕溪流域4种典型河岸带土壤活性有机碳的空间分布特征及其与主要环境因子的相关关系。

（1）研究区各类型河岸带 DOC，POC，MBC 含量均随着土层深度的增加而不断减小；在整个土壤剖面（0 ～ 100 cm）上，不同河岸带的 DOC，POC，MBC含量差异明显。除了荒地河岸带，研究区其它3种河岸带DOC，MBC含量在距离河流20到1 m的方向上均呈现出先增大后减小的现象。POC由于附着在土壤颗粒上，受地表径流的影响较小，因而没有表现出明显的规律性。总体上活性有机碳在垂向上变化比较明显，而在垂直河岸的水平方向变化不明显。

（2）河岸带 DOC，POC，MBC 占 TOC 的比例分别为0.42%～4.23%，10.8%～55.1%和6.74%～19.7%。土壤DOC所占比例整体上随着土层的加深逐渐增大，而POC，MBC所占比例规律性不强。

（3）4 种类型河岸带 DOC，POC，MBC 均与TOC、土壤TN，TP表现出极显著或显著正相关，而与土壤化学组分（Al，Mg，Fe）的相关性较弱。