典型岩溶流域不同土地利用类型土壤腐植酸与钙的关系

2021-03-23吴丽芳倪大伟王妍刘云根王艳霞

农业资源与环境学报 2021年2期

吴丽芳，倪大伟，王妍，2*，刘云根，2，王艳霞

（1.西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224；2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，昆明 650224；3.深圳衡伟环境技术有限公司，广东深圳 518000）

腐殖质是土壤有机质的主要组分[1]，其组成和性质受生物气候条件的影响显著，不同土地利用类型土壤腐植酸的组成和性质存在差异，同一地区的土壤腐植酸的组成和性质也随土壤发育程度的不同而存在差异，可以反映土壤的形成条件和演化过程，是判别土壤类型的有效诊断指标[2-4]。根据腐殖质溶解性特点，土壤腐殖质可分为水溶性有机质（Water-soluble organic matter，WSOM）、胡敏酸（Humic acid，HA）、富里酸（Fluvic acid，FA）和胡敏素（Humin，HM）4 个组分，其中腐植酸（WSOM+HA+FA）的组成最为复杂，能够影响和控制水体中营养盐、重金属和持久性有机污染物的迁移和转化，进而影响其毒性和生物可给性，同时HA 和FA 是土壤腐殖质的最重要成分，在改善土壤团粒、保持和提高土壤肥力等方面具有重要作用[5-8]。目前，国内外对森林、草甸、农田、湿地等不同土地利用类型土壤的腐植酸研究已有大量报道[3，9-12]，主要集中在施肥条件、不同植被群落变化等对土壤腐殖质的含量及其特性等方面的影响，而针对岩溶地区土壤腐植酸的研究却鲜有报道。

普者黑流域位于滇东南岩溶区，地处云贵高原向桂西平原的斜坡地带，其生态系统脆弱，灾变承受能力低，环境容量小，因而成为典型的生态脆弱区[13]。岩溶区碳酸盐岩成土背景的特殊性，导致土壤富钙[14]。钙作为碳酸盐岩液相与固相交换的重要介质之一，是决定沉积、岩石溶解、土壤理化指标及水化学特征等的重要元素，驱动并制约着岩溶环境的元素迁移。因此研究岩溶土壤有机碳与钙的关系，直接影响到喀斯特土壤生态系统的平衡，对于探讨岩溶地区的土壤有机碳稳定机理具有重要的科学意义[15-16]。徐建民等[17]的研究表明土壤松结态腐殖质的量与交换性钙呈极显著负相关，稳结态腐殖质则与交换性钙呈极显著正相关。陈家瑞等[18]的研究表明土壤钙及其各形态均与土壤有机碳总量、胡敏酸、胡敏素呈正相关关系，与富啡酸呈负相关关系。近年来，倪大伟等[19-20]和詹乃才等[21-22]对普者黑岩溶流域不同土地利用类型土壤做了大量工作，主要集中在土壤、植物的钙与磷分布特征等方面，鲜有关于土壤腐植酸含量分布与结构特征的相关探索。为此，本研究以普者黑典型岩溶流域不同土地利用类型为对象，研究流域内5种土地利用类型不同深度土壤中腐植酸与钙的关系，以期阐明普者黑岩溶流域内有机碳库的分布规律以及土壤腐植酸与钙的相关关系，并为从物质结构的角度了解流域内土壤碳的循环提供基础数据，为普者黑流域生态系统的稳定和石漠化治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省文山州丘北县境内的普者黑湿地公园开发区附近（104°06′E、24°08′N，见图1），该区域属亚热带季风气候，全年温和湿润，平均气温16.4 ℃，年平均降雨量1 206.8 mm，年平均日照时数1 800 h，年相对湿度77%，无霜期259 d，平均风速2.0 m·s-1。

普者黑岩溶流域位于滇东南岩溶区（103°55′～104°13′E，24°05′～24°12′N），地处云贵高原向桂西平原的斜坡地带，属于普者黑岩溶盆地，盆地内广泛分布着古生代石炭系、二叠系和中生三叠系灰岩，盆地东部边缘有部分碎屑岩分布，为中低山剥蚀地貌，地形坡度一般为20°～25°。普者黑流域水域面积为13.00 km2，流域内土壤以石灰土为主，石灰土受岩溶山地母岩的影响，土壤结构较好，肥力较高。普者黑流域因其国内罕见的水文地质条件在西南部地貌中极具代表性，是非常典型的生态脆弱区。

1.2 样品采集与处理

图1 采样地理位置示意图Figure 1 The diagram of sampling site

采样选用典型样地取样法，依据《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2007），并结合研究区内各土地利用类型的特点，将岩溶小流域划分为裸地（表层有岩石、石砾，基本无植被覆盖的土地，且坡度大于40°）、林地（大量人工林和天然林覆盖的水土涵养区）、旱地（属于林地下面的冲积地块，土壤肥沃，无灌溉设施，主要靠天然降水种植旱生农作物的耕地）、水田（用于种植水稻等水生农作物的耕地）及湿地（位于水田下游的岩溶湖滨带）。不同土地利用类型不同深度土壤有机碳（SOC）与钙含量分布规律如表1[19]所示。

根据采样现场的调查结果，分别选取5 种土地利用类型中典型且有代表性的样地，在每种土地利用类型样地内随机设置3 个20 m×20 m 的样方，每个样方内按S 型布点法选取3 个采样点，采样时先将土体表面枯枝落叶和腐殖质去除，挖取土壤剖面，采集表层（0～10 cm）、亚表层（10～20 cm）土壤样品，在采样现场按土层将各样方内采集的3 个土样混合均匀制成一个土样，立即装入密封袋。将采集好的土样带回室内，待土样自然风干后，磨细过20目（0.83 mm）和100目（0.15 mm）筛备用。

1.3 测定方法

土壤腐植酸提取参照Song等[23]改进的提取方法，具体步骤：取1 g 土壤干样，加入50 mL H2O 振荡离心过滤，此上清液为WSOM；对残渣加入50 mL NaOHNa4P2O7（pH=13）混合溶液，振荡离心过滤，此上清液为酸碱提取态有机质（HE）；取20 mL HE（pH 为1.0～1.5）溶液，静置8 h 后，离心过滤，上清液为松结合态有机质FA，沉淀为紧结合态有机质HA。WSOM、HE、FA 含量均采用TOC 分析仪（Apollo 9000 Combustion TOC Analyzer）测定，HA含量=HE含量-FA含量。

表1 5种土地利用类型土壤有机碳与钙的分布（mg·kg-1）Table 1 The soil organic carbon and total calcium and calcium fractions under five land-use types（mg·kg-1）

全钙含量采用盐酸-硝酸-高氯酸消解制备待测液，各形态钙含量采用BCR 连续提取法制备待测液，用电感耦合等离子体光谱仪测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化-比色法测定。

1.4 腐植酸的表征

利用傅里叶变换红外光谱仪（安捷伦640-IR型），采用KBr混合压片法，在4 000.0～500.0 cm-1扫描范围内对5 种土地利用类型土壤腐植酸进行红外光谱分析。

1.5 数据处理

实验数据采用Excel 2007、SPSS 21.0、Canoco 5.0进行统计分析和显著性检验，并采用Origin 2018进行绘图。其中，土壤腐植酸各组分的显著性差异采用单因素方差法（One-way ANOVA）进行分析，并通过LSD 法进行显著性多重比较，差异显著性水平为α=0.05。土壤腐植酸与钙的关系在Canoco 5.0软件中进行分析，将5 种土地利用类型土壤有机碳及腐植酸各组分作为物种因子，将土壤全钙及各形态钙作为环境因子，进行冗余分析。

2 结果与讨论

2.1 不同土地利用类型土壤腐植酸含量分布特征

WSOM 是有机质中较为活跃的组分，是微生物生长的速效基质，其含量高低直接影响土壤微生物的活性和数量[24]，研究区内5 种土地利用类型表层与亚表层土壤中WSOM含量的变化规律见图2A，整体来看，5种土地利用类型土壤中WSOM 含量均为表层＞亚表层，且差异显著（P＜0.05），裸地、林地、旱地、水田、湿地土壤中WSOM 含量（表层与亚表层平均值）分别为141.67、246.16、460.99、445.27、314.88 mg·kg-1，从裸地到湿地，WSOM 空间变幅较大（P＜0.05），旱地土壤中的WSOM 含量最高，为裸地的3.25 倍。土壤WSOM是水环境中微生物可直接利用的有机碳源，在沉积物中移动较快，易矿化分解，并且可以在水-沉积物界面通过浓度差进行扩散[25]，裸地由于其特殊的地理位置，土壤中WSOM 因常年的雨水冲刷作用被带到了下游，此外，湿地土壤中的WSOM 含量显著低于水田和旱地，水田下游的湖滨湿地生长着大量的湿地植物，张博等[25]研究表明，水生植物的生长有利于WSOM的转化。

图2 5种土地利用类型土壤腐植酸各组分含量随土层深度的变化Figure 2 Changes in soil humic acid content with soil depth under five land-use types

FA 是含有氨基、羧基、羟基和甲氧基等多种官能团的非均匀有机混合物，具有较强的络合、吸附和氧化还原能力[26]。5种土地利用类型表层与亚表层土壤中FA 含量的变化规律见图2B，其中裸地、林地、旱地土壤中FA含量均表现为表层＞亚表层，且差异显著（P＜0.05），水田和湿地表层与亚表层土壤中FA含量无差异。裸地、林地、旱地、水田、湿地表层与亚表层土壤中FA 平均含量分别为1 714.76、4 599.66、6 823.44、3 031.91、3 805.52 mg·kg-1，从裸地到湿地，FA 含量空间变幅较大（P＜0.05），与5 种土地利用类型土壤中WSOM 不同的是，林地土壤中FA 含量显著大于水田和湿地，这与HA、FA 的形成过程有关，输入土壤中的有机质首先形成分子量较大的HA，然后在微生物作用下分解成FA[27]，另结合图2C可以发现，林地土壤中HA 含量反而小于水田和湿地，因此可以推测林地作为水土涵养区，土壤微生物的活性和数量较水田和湿地高。

HA 是土壤腐植酸的重要成分，其含量及组成特性能够反映土壤腐殖质的类型及性质[28]，5 种土地利用类型表层与亚表层土壤中HA 含量的变化规律见图2C，其中裸地、林地、旱地、水田土壤中HA 含量均表现为表层＞亚表层，而湿地土壤中HA含量表现为表层＜亚表层，这是由于湿地亚表层水体相较于表层扰动较小，导致排水不畅或涝渍，有利于HA 的累积[29]。裸地、林地、旱地、水田、湿地表层与亚表层土壤中HA 平均含量分别为：538.69、4 290.94、6 005.54、5 231.54、5 886.62 mg·kg-1，与WSOM、FA 不同的是，旱地、水田、湿地土壤中HA 含量差异较小；与WSOM、FA 分布相同的是，旱地土壤中HA、FA、WSOM 含量均大于其他4 种土地利用类型（P＜0.05），这可能与旱地作为典型的冲积地块，大量有机质汇聚在此有关。

腐植酸是土壤腐殖质中可提取的部分，由WSOM、HA 和FA 组成。腐植酸中存在多种官能团，能够影响和控制水体中营养盐、重金属和持久性有机污染物的迁移转化，进而影响其毒性和生物可给性[30-31]。不同土地利用类型下，因土壤有机物的数量和成分各异，土壤有机碳的储量和分布状况也存在显著差异[32]。由图2可见，5种土地利用类型土壤中腐植酸含量（WSOM、HA、FA 三者含量之和）的大小依次为旱地（13 289.97 mg·kg-1）＞湿地（10 007.02 mg·kg-1）＞林地（9 136.76 mg·kg-1）＞水田（8 708.72 mg·kg-1）＞裸地（3 395.13 mg·kg-1）。5种土地利用类型土壤WSOM、HA、FA 含量的空间变幅均较大（P＜0.05），且表层＞亚表层（P＜0.05），这主要是因为土壤表层存在大量有机物质来源，此外，5 种土地利用类型中，林地土壤WSOM、HA、FA 含量从表层到亚表层的降幅较大，是因为林地的环境特点所致，土壤腐殖质通常聚积在林地土壤表层，下层腐殖质含量急剧减少[33]。5 种土地利用类型土壤腐植酸占有机碳的比例差异较大（表2），总体上高于贾重建等[34]研究的广东省3 种不同发育的土壤腐植酸占有机碳的比例，这可能是因为腐殖质的形成过程受岩溶区土壤的微碱性反应和Ca2+的影响；另外，土壤腐殖质分解速率慢一方面是因为微生物难以利用，另一重要原因是腐殖质与金属离子或土壤胶体紧密结合形成复合体，对腐殖质产生了物理性保护[35-36]。本研究水田土壤腐植酸占有机碳的比例最小（表2），可能是因为水田土壤腐植酸的物理结构以及合成腐植酸的土壤微生物受长期耕种及人为活动的影响，腐植酸被分解成为CO2而释放出来。

表2 5种土地利用类型土壤腐植酸各组分占有机碳的比例（%）Table 2 The ratios of soil humic acids to soil organic carbon under five land-use types（%）

2.2 不同土地利用类型土壤PQ 值以及HA/FA 比值的分布规律

图3 5种土地利用类型土壤PQ值和HA/FA值的分布Figure 3 The PQ value and ratios of HA/FA in soils of five land-use types

PQ为HA占WSOM+HA+FA 含量的比例[37]，PQ值可以作为反映有机质腐殖化程度的指标，腐殖化程度高，有机碳和营养盐会暂时退出物质和能量循环，反之，腐殖质等有机类物质被微生物降解发生矿化作用，说明有机碳和营养元素再次进入循环中[38]。由图3A可见，5种土地利用类型土壤PQ值的空间变幅较大，表现出一定的差异性（P＜0.05），表层和亚表层PQ平均值大小依次为水田（60.07%）＞湿地（58.80%）＞林地（46.86%）＞旱地（45.20%）＞裸地（36.43%）。因此，土壤的腐殖化程度增加会降低其对碳循环的贡献[25]。本研究中，湿地与水田的PQ 值基本相等，平均值约为59.44%，显著大于乌梁素海（21.47%）和洞庭湖（29.76%）[39]，说明普者黑岩溶湖滨湿地对碳循环的贡献较小，这可能与其属于喀斯特地貌有关。林地与旱地PQ 值次之，裸地最小，为36.43%，是因为裸地受水蚀和风蚀的影响最大，导致其土壤腐殖化程度相对较低[7]。

土壤HA/FA 可以在一定程度上反映土壤有机质的稳定性[7]。在土壤腐殖质的组成中，HA 的腐殖化程度高于FA，因为HA的芳构化程度和缩合程度均高于FA，且HA 的分子量较大，因此，土壤HA/FA 越大，土壤腐殖质的聚合程度越高，质量也越好[40-41]。由图3B可见，5种土地利用类型土壤HA/FA值变化规律与PQ值基本一致，变幅较大且表现出一定的差异性（P＜0.05），表层与亚表层HA/FA 平均值大小依为水田（1.73）＞湿地（1.55）＞林地（0.93）＞旱地（0.88）＞裸地（0.69），其中，水田和湿地土壤的HA/FA 值均大于1，说明这两种土地利用类型土壤腐植酸品质较好，为HA型土壤；野外调查研究显示，水田是当地农民的主要耕地类型，较好的腐植酸品质在一定程度上保证了农民的生活水平，而裸地土壤HA/FA 值为0.69，属FA型土壤，与其他4种类型相比，水田腐植酸品质相对较差，主要是因为裸地相对干燥，植被较少，使土壤FA向HA的缩合形成受到了一定限制[7]。

2.3 不同土地利用类型土壤腐植酸的结构特征

腐植酸是一种天然有机大分子化合物，含有多种活性官能团且有很高的芳香性，目前，随着光谱分析技术的发展，红外光谱图可提供含氧官能团的性质、反应特性及结构状况等大量信息[42]。5种土地利用类型土壤腐植酸的红外谱图以及光谱特征吸收峰见图4和表3[43-46]。由图4和表3可见，5种土地利用类型土壤腐植酸均在3 413 cm-1左右有一个宽的吸收峰，是含氢键作用的O—H 伸缩振动吸收或是N—H 振动吸收，说明腐植酸中含大量的羟基官能团；在2 360 cm-1左右均有一个吸收峰，是CO2反对称伸缩P支；在1 644 cm-1左右均出现一个弱吸收峰，是包括芳环的骨架振动C=C 吸收、H 键缔和C=O 吸收以及酰胺键（C—N）等相互叠加吸收峰，说明此次提取的腐植酸中含有较少的芳香族不饱和物质；在1 426 cm-1左右均有一个弱吸收峰，是醇类或羧酸类的O—H 弯曲振动及酚类的C—O伸缩振动峰；在1 130 cm-1左右均有一个强吸收峰，是脂肪族OH 和C—OH 伸缩振动；在917 cm-1左右均有一个强吸收峰，是—C—C脂类骨架振动。通过对比5 种土地利用类型土壤腐植酸的红外谱图（图4）发现，它们具有相同的吸收带，其腐植酸具有类似的结构组成和官能团信息，除含有一定量的芳香结构外，还含有大量的羟基、氨基、酚羟基、醇羟基以及脂肪链结构。此外，5 种土地利用类型土壤腐植酸吸收峰的强弱具有一定差异，总体而言，水田土壤腐植酸几处特征吸收峰都明显强于其他4 种土地利用类型，这可能与水田本身的特点有关，水田位于岩溶湖滨湿地的上游且紧邻湿地，这里常年种植大量水稻，稻田耕作年限越长越有利于土壤有机碳的积累和土壤腐殖化程度的加深[47]；另有研究[48]表明，稻田腐植酸的输入源中水生生物的贡献最大，导致水田土壤腐植酸中含有最多的脂肪碳。

图4 5种土地利用类型土壤腐植酸红外光谱图Figure 4 The infrared spectrum of soil humic acids under five land-use types

表3 腐植酸红外光谱图特征吸收峰的归属Table 3 The distribution of characteristic absorption peaks of humic acids′ infrared spectra

2.4 不同土地利用类型土壤腐植酸与钙的关系

岩溶土壤的有机质对钙元素具有很强的吸附和络合作用[49]。胡乐宁等[16]研究我国西南喀斯特石灰土中钙的形态与含量对土壤有机碳的影响，结果表明，西南喀斯特地区土壤有机碳的稳定性因土壤类型不同而存在差异。本研究对5 种土地利用类型土壤中SOC、WSOM、FA、HA含量与钙含量进行冗余分析，结果（图5）显示，SOC、WSOM、HA 均与全钙、各形态钙含量呈正相关，表明土壤全钙及各形态钙的含量在很大程度上影响腐植酸的种类及含量。裸地与土壤SOC、WSOM、FA、HA呈负相关关系，林地、旱地、水田、湿地均与土壤SOC、WSOM、FA、HA 呈不同程度的正相关关系，表明腐植酸含量受土地利用类型的影响。5 种土地利用类型土壤腐植酸各组分与土壤全钙及各形态钙含量间的冗余分析表明，HA 与土壤全钙及各形态钙含量之间的相关性显著大于FA，这与陈家瑞等[18]对石灰土发育过程中土壤腐殖质组成及其与土壤钙赋存形态关系的研究结果一致。HA与土壤全钙及各形态钙含量之间的相关性显著大于FA，这与HA、FA的分子组成及特性有关，HA分子量大，可以与钙结合成难溶于水的盐类，且HA不活跃，与钙离子稳定结合后，可以抑制钙的流失和迁移，而FA分子量小，分散性较强，不与钙发生络合作用，对钙无显著截留作用，这也表明HA 与FA 含量的高低会直接影响喀斯特地区土壤钙的淋溶流失。此外，在钙的4种形态中，残渣态钙与腐植酸之间关系最为密切，这可能与其活性有关，有研究表明残渣态钙含量取决于矿物的天然组成，这部分钙在自然条件下很难被利用[50]，在4 种钙形态中含量最低、活性最小。

图5 5种土地利用类型土壤腐植酸各组分与土壤全钙及各形态钙含量的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis of soil humic acid components and soil total calcium and calcium content in various forms under five land-use types