中国东部区域土壤活性有机碳分布特征及其影响因素

白潇 ，张世熔，钟钦梅，李婷，徐光荣

1. 四川农业大学环境学院，四川 成都 611130；2. 四川农业大学资源学院，四川 成都 611130

土壤有机碳是土壤的重要组成部分，其不仅反映土壤肥力水平，而且在全球碳循环中起着关键作用（唐政等，2014；Lal，2004）。由于土壤有机碳总量变化在短期内不易被监测，且难以反映其转化速率和土壤质量的潜在变化（Bhattacharyya et al.，2011；黄金花等，2015），因而部分研究者提出通过监测土壤活性有机碳组分观测土壤碳库的动态变化。Hu et al.（2017）和 Ćirića et al.（2016）分别研究了高原生态系统和典型大陆气候下陆地生态系统林地、耕地和草地土壤活性有机碳的变化，表明土壤活性有机碳能灵敏地反映气候和土地利用对土壤碳库的影响。然而，这些研究仅分析了单个生态系统对土壤活性有机碳的影响，并没有研究一系列更广泛的环境。因此，研究土壤活性碳组分对环境的响应具有重大意义。

土壤活性有机碳常根据浸提剂的不同分为溶解性有机碳（DOC）和水溶性有机碳（WSOC）（赵海超等，2014；Lietal.，2015）。其中，土壤WSOC结构简单，分子量较小，易受植物和微生物影响，分解矿化快速，可用于反映土壤养分转化和循环（李森等，2013）；土壤 DOC指能溶于酸、碱或盐溶液的有机分子，其降解速率较快，对季节变化和土地利用方式的改变等反应较快，在土壤有机碳矿化中发挥重要作用（李玲等，2012；蒙冠霖等，2015）。因此，研究两者分布特征可为土壤碳库动态变化研究提供参考。

土壤WSOC和DOC的含量和分布受气候、地形、母质和植被群落等成土因素的影响。Roth et al.（2015）和Lietal.（2017）研究结果表明，低温可减缓DOC的分解，WSOC含量则呈现随着海拔上升而增加，到一定高度再下降的特点。李洁等（2013）对板岩和花岗岩母质发育土壤中的WSOC含量的研究表明，发育于板岩的红壤中WSOC含量最高，紫色土中最低；不同植被类型返回土壤的有机凋落物不同，故 DOC 的含量不同（Gutiérrez-Girón et al.，2015）。迄今，多数研究关注某些因素对DOC和WSOC的影响，且多集中于区域较小的农田或林地，而鲜见大区域综合成土因素对它们的影响报道。

中国东部区域纬度跨度大，气温降水变化明显，地貌类型多样，成土母质及土壤类型丰富，土地利用方式多样。因此，研究该区域活性有机碳空间变异特征，揭示其变异的影响因素，可为环境监测提供基础数据和决策依据，也为大范围区域综合分析土壤碳库提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

土壤样品采集自黑龙江省、吉林省、辽宁省、北京市、天津市、河北省、山东省、安徽省、江苏省、江西省，福建省以及广东省等区域。研究区地理位置介于 114°04′～126°37′E，22°40′～45°44′N。区域内气候差异明显，温度带自北向南包含寒温带、中温带、暖温带、北亚热带、中亚热带和南亚热带的部分区域。按照温度带将研究区域分为南北区，区域北部地区位于温带，属温带季风气候，年平均气温3.7～13.4 ℃，年平均降水量400～800 mm，夏季温暖，冬季寒冷；河流冲积物、洪积物以及碳酸盐等成土母岩发育成了黑土、暗棕壤、棕壤和黄棕壤等土壤类型。区域南部位于亚热带，属亚热带季风气候，年平均气温 13.2～21.4 ℃，年平均降水量500～1900 mm，冬暖夏热，成土母质主要为河流冲积物、黄土、花岗岩，发育了棕壤、黄棕壤、红壤与砖红壤等土壤类型。研究区地处东部沿海区域，海拔较低，均在300 m以下；地势平缓，地形多为平原；全区土地利用方式多为林地，兼有草地、园地、旱地和水田。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集

土壤样点布设是在收集区域土壤、土地、森林、草地资源调查的资料和遥感图像等资料的基础上，根据气候、地形、植被、母质和土壤类型进行分层随机抽样，室内确定大致样点位置，野外调查时再结合交通状况进行调整确定（图 1）。土壤采样于2017年6—9月间进行。每个样点采用五点取样法取同一地块的5个子样点表层土壤（0～20 cm）混合组成1个样本，约2 kg。同时记录每个采样点的地理坐标、海拔、土壤类型、土地利用方式等信息，并在 ArcGIS10.2软件平台上将样点的地理坐标展开提取年平均气温和年平均降水（为 2015年年平均数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心），共计72个样本。土壤样品经自然风干，去掉表面枯枝落叶层、植物残体和石块，过2 mm筛，备测。

图1 研究区土壤采样点分布图Fig. 1 Sampling points in the study area

1.2.2 土壤有机碳和pH分析

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定（Lietal.，2015）。土壤水溶性有机碳测定方法如下：称取5.0g土壤鲜样，按1∶5的水土比加入去离子水，在25 ℃下振荡（250 r·min-1）提取30 min。随后，样品在25 ℃下离心（5000 r·min-1）10 min后，用0.45 μm滤膜过滤，滤液中WSOC含量用重铬酸钾氧化法测量（Lietal.，2015）；溶解性有机碳则采用1 mol·L-1KCl溶液浸提，其他步骤与水溶性有机碳一致（Lietal.，2015）。土壤pH采用电位法在土液比1(m)∶2.5(V)条件下测定（采用雷磁PHSJ-3F实验室pH计）。

1.2.3 数据分析

在SPSS 21.0平台中进行数据统计分析。采用单因素方差分析（One-Way ANVON）比较不同因素对DOC和WSOC的影响，LSD法分析比较平均数，回归分析探讨影响指标的主要因素。运用Origin Pro 9.0制图。

2 结果与讨论

2.1 不同土壤类型DOC和WSOC含量特征

研究区不同土壤类型 DOC质量分数介于73.76～97.63 mg·kg-1。其中，暗棕壤和黄棕壤的 DOC含量显著高于红壤（P＜0.05），棕壤和砖红壤与其他地带性土壤差异不显著（P>0.05）（表 1），与马欣等（2016）研究结果一致。这是因为暗棕壤和黄棕壤总有机碳含量（TOC）较红壤丰富，且 DOC和TOC呈显著正相关关系（Hu et al.，2017）；此外，暗棕壤、黄棕壤和红壤的DOC占TOC的比例分别为0.31%、0.47%和0.31%。红壤处于中亚热带湿热气候，DOC的消耗相比生成对温度更为敏感，在温度偏低的地区，DOC消耗和生成速率均较慢，且DOC的运移和迁移受到限制（Camino-Serrano et al.，2014）。

棕壤WSOC含量为红壤的1.34倍（P＜0.05）。因为棕壤相较于红壤，WSOC占总有机碳的比例更多，WSOC也与土壤有机质呈显著正相关（Ćirića et al.，2016）。红壤 DOC和 WSOC占总有机碳的比例均小于或等于其他土壤类型（P＜0.05）。

黑土、盐土和潮土 3种非地带性土壤中 DOC和WSOC含量差异不显著（P>0.05）。

2.2 自然因素

2.2.1 气候

气温和降水作为气候的两大主要因子，主要通过影响土壤温度和含水量，从而影响净初级生产力和凋落物投入以及微生物代谢而影响土壤 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 气温

区域内土壤WSOC和DOC含量在不同温度带间存在显著差异（图2）。其中，土壤DOC含量表现为中温带、暖温带和北亚热带显著高于中亚热带（P＜0.05），其他气候带差异不显著（P＞0.05）。WSOC的含量与DOC具有一致性。这是由于南亚热带温度较高，土壤DOC和WSOC分解快，微生物矿化分解有机质补充了DOC和WSOC（Luo et al.，2009），且高温可以延长植物的生长期、促进根系生长和增加地下根系生物量，提高植物的初级生产力，从而增加植物归还土壤的 DOC含量（Fröberg et al.，2006；Zhou et al.，2013），与此同时，惰性碳库受高温刺激被分解从而补充DOC（Rui et al.，2011；Guan et al.，2018）。因此，南亚热带WSOC和DOC含量高于中亚热带（P＜0.05），与其他温度带含量无显著差异（P>0.05）；而中温带、暖温带和北亚热带温度相对较低，DOC和 WSOC利用较慢，含量高于中亚热带（P＜0.05）。

图2 温度带与土壤有机碳质量分数Fig. 2 The relationship between mean annual temperature and soil organic carbon concentration

表1 不同土壤类型下土壤水溶性和溶解性有机碳质量分数特征Table 1 Characteristic of soil organic carbon content in the different soils

2.2.1.2 降水

降水通过影响植物生长以及将地表有机质淋溶于土层进而影响DOC含量（Ma et al.，2014；Tu et al.，2011；闫宝龙等，2017）。研究区土壤DOC和 WSOC含量均表现为半湿润区显著高于湿润区（P＜0.05）（图3），这与Tipping et al.（1999）研究结果（降水会增加土壤 DOC含量）不一致。其可能原因一方面是由于降水量过多导致土壤 DOC和WSOC随径流淋失（Ma et al.，2014）；另一方面，湿润区丰富的降雨使得土壤处于厌氧条件的时间增加，抑制了微生物活性，造成有机质分解速率较慢，故其DOC和WSOC含量较半湿润区低（柳敏等，2007）。

图3 年平均降水量与土壤有机碳质量分数Fig. 3 The relationship between mean annual precipitation and soil organic carbon concentration

2.2.2 地形

2.2.2.1 地貌类型

地形支配着地表和土壤中水热资源的再分配，影响土壤生态系统循环从而影响DOC和WSOC含量（李林海等，2013）。平原区DOC含量显著高于丘陵（P＜0.05），WSOC含量均无显著差异（P>0.05）（表2）。因为研究区地貌类型以平坝为主，少数台地和丘陵，且土壤WSOC易变化。

2.2.2.2 海拔

海拔高度差异导致景观异质性，从而改变地下生物群落结构并改变凋落物分解，进而导致 DOC和WSOC分布产生差异（马欣等，2016）。研究区域内，随着海拔高度增加，土壤 DOC含量下降，且在海拔高度为150～200 m时，土壤DOC和WSOC含量最低（图4）。这是由于随着海拔增高，气温降低，微生物活动受到抑制，有机质分解速率变慢致DOC减少。WSOC在不同海拔梯度间均无显著性差异（P>0.05）。这与 Lietal.（2017）得出的在高山草甸 WSOC含量随海拔升高而先升高后下降的结论不一致。其可能的原因为其他研究区海拔均为低于300 m的沿海地区，地势起伏不明显。

表2 不同地貌类型下土壤有机碳含量特征Table 2 Characteristic of soil organic carbon content in the different landforms

图4 海拔与土壤有机碳质量分数Fig. 4 The relationship between altitude and soil organic carbon concentration

2.2.3 成土母质

成土母质作为土壤形成的物质基础直接影响着土壤的成土过程，是决定土壤活性有机碳含量与分布特征的主要因素（覃灵华等，2016）。不同成土母质下的DOC和WSOC含量如表3所示。黄土母质的 DOC(95.70±21.07) mg·kg-1显著高于花岗岩(76.99±13.67) mg·kg-1（P＜0.05），前者比后者高24.30%；其余3种母质无显著差异（P>0.05）。这是由于花岗岩类由大量石英组成，发育的土壤土质相对贫瘠，而黄土粘重，含有更多有机质，故DOC含量更多。与不同母质发育土壤的 DOC不同，所有成土母质的 WSOC含量均无显著性差异（P>0.05）。

表3 不同成土母质土壤有机碳含量特征Table 3 Characteristic of soil organic carbon content among soil parent materials

2.3 土地利用类型

土地利用类型主要通过控制有机碳的输入及其积累和分解速率影响土壤 DOC和 WSOC含量（Janeau et al.，2014）。林地条件下的DOC含量显著高于水田（P＜0.05），其余土地利用类型均无显著性差异（P>0.05）。自然林地条件下，生物群落组成丰富，通过增加微生物生物量释放残体有机化合物以及分解难溶物质提高了土壤溶解性有机碳的含量（Whalen et al.，1999），且林地具有较多由微生物木质素分解而成的不易变的酚类 DOC（Gutiérrez-Girón et al.，2015）；水田处于厌氧条件，微生物分解有机质受抑制（Luo et al.，2009）且过多的水分会使一部分DOC流失（Ma et al.，2014）；此外，林地的枯枝落叶会返回土壤，而耕作土壤在收获后，大部分地上生物量会被人为带走（李玲等，2008）。

WSOC在5种土地利用类型下均无显著性差异（P>0.05）（图5），这与李英等（2017）报道的森林和田地土壤 WSOC显著高于农田和草地的结论不一致，而与 Benbi et al.（2015）研究印度北部WSOC的结果具有相似性，其表现为林地、玉米-小麦轮作地、水稻-小麦轮作地和甘蔗地间 WSOC含量无显著差异性。一方面，相比于自然土壤，如林地和草地，农业土壤的总有机碳含量相对较少，但农业土壤能提供相等甚至更多的适宜微生物活动的碳源，从而增加 WSOC的含量（Chantigny，2003）。另一方面，林地、草地和园地的WSOC主要由多糖、纤维素、半纤维素和木质素构成（Ćirića et al.，2016），因其相对较低的可降解性而利于其含量积累。然而，农田中的有机质大多由可降解的有机碳组成（Chantigny，2003），在生物降解的作用下，产生高浓度的可利用碳源进而促进微生物的分解（Shahbaz et al.，2018），因此产生更多的WSOC。

图5 土地利用类型与土壤有机碳质量分数Fig. 5 The relationship between landuse type and soil organic carbon concentration

2.4 不同因素对土壤溶解性有机碳和水溶性有机碳的影响程度

选择了年平均气温、年平均降水量、地貌类型、海拔、成土母质和土地利用类型等6个影响因子进行综合分析，通过建立6个影响因子与 WSOC和DOC之间的逐步回归模型探讨控制WSOC和DOC含量变异的主控因子。结果表明（表4），年平均气温和年平均降水量是影响 DOC含量差异的主要因素，而影响WSOC含量差异的主要因素为年平均气温。气温通过影响植物细根含量、根系分泌物、微生物活动和被利用量来控制DOC和WSOC含量，而降水通过影响表层溶解性有机质（DOM）、植物生长发育和微生物活动影响WSOC含量。本研究区域地形差异并不大，地貌类型较为低矮，海拔较低，地势起伏不明显，不足以造成土壤活性有机碳的显著性差异。仅林地中DOC含量显著高于水田以外，其他土地利用类型并无显著性差异，这与前人研究所得结论不一致（Ćirića et al.，2016；李英等，2017；Sheng et al.，2015；唐政等，2014）。但单因素方差分析和多因素的综合分析结果均表明土地利用对土壤活性有机碳的影响不显著，而气温和降水对其影响较为显著，说明在中国东部区域的大尺度条件下，土壤活性有机碳对气候的响应更为强烈，不能作为反映土地利用的指示指标。由此可知，通过监测土壤DOC和WSOC的变化在一定程度上可以了解大尺度下气候的改变和土壤碳循环。

表4 土壤有机碳影响因素回归模型Table 4 Regression model of soil organic carbon densities with influence factors

3 结论

（1）本研究土壤类型中，暗棕壤和黄棕壤的DOC含量显著高于红壤（P＜0.05），棕壤的WSOC含量也显著高于红壤（P＜0.05）。

（2）中温带、暖温带和北亚热带DOC和WSOC含量均显著高于中亚热带（P＜0.05）；半湿润区DOC和WSOC显著高于湿润区（P＜0.05）；平原区DOC含量显著高于丘陵（P＜0.05）；在海拔 150～200 m条件下，土壤 DOC含量最低（P＜0.05）；黄土母质的 DOC显著高于花岗岩（P＜0.05）；林地条件下的DOC含量高于水田（P＜0.05）。

（3）年平均气温为和年平均降水量是DOC的主要影响因素；年平均气温为WSOC的主要影响因素。气候的变化会引起土壤活性有机碳含量的变异。