土壤可溶性有机碳、氮的迁移淋溶规律研究进展

2022-08-12孙盛凯刘新坤朱旭毅段霄汉韩惠芳

山西农业科学 2022年8期

孙盛凯，刘新坤，朱旭毅，段霄汉，韩惠芳

（作物生物学国家重点实验室/土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学农学院，山东泰安 271018）

土壤可溶性有机碳（DOC）和可溶性有机氮（DON）是以有机状态存在于土壤溶解性有机质中的碳和氮，是陆地生态系统养分循环的重要组成成分。DOC 和DON 在土壤物质循环和养分流动过程中的作用受到广泛关注，其中土壤中潜在活性养分含量和周转速率、土壤吸附能力影响下的迁移转化、溶解有机物的淋失和防控是众多科学研究中的焦点。因而，必须科学研究土壤DOC、DON在土壤生物氧化中的功效，为合理耕作施肥、提高土壤质量、促进农业可持续发展和保护生态环境提供理论依据。

土壤有机质中能被溶液提取的部分称为土壤可溶性有机物（DOM）[1]，其主要成分是土壤DOC和DON，它们是土壤有机质中最活泼的有效成分，也是微生物生长和分解过程中的重要能量来源，与土壤碳/氮库中有机碳/氮的迁移、固持以及CO2和N2O 的释放有密切的关系[2-4]。在生态系统碳、氮循环中，DOC 是土壤碳库最活泼的有机碳组分之一[5-6]，而DON 是对土壤生物氧化起关键缓冲作用的有机氮组分[7-8]。

DOC 通常是指在特定的空间范围内，会受到植物及微生物强烈作用的土壤碳，在土壤中有极强的移动性，是最容易被土壤微生物分解利用的土壤有机碳组分。DOC 受外界条件影响强烈，在一定空间内受植物和微生物的影响，能有效地溶解于水，在土壤中有着较强的流通性，易被空气氧化、溶解和酸化，因此也是土壤碳迁移和淋失的主要形式。另外，与固态有机碳相比，DOC 有着大量的特异性结构域[9]，可影响土壤形成、矿物风化、污染物毒副作用的转移及营养的易用性[10]，是陆地生态系统与水域生态系统之间的直接联系者。

DON 通常是指存在于纯天然土壤水溶液或溶液中的有机氮，DON 与溶解性有机氮（SON）不同，它表示了SON 中吸附性低和溶解性强的部分[11]。尽管DON 只占土壤有机氮库的一小部分，但它是土壤中最活跃、最易转移的组分之一[12]，作物及时吸收DON 还可以降低对土壤有机氮矿化和无机物氮组分吸收的依赖[1]，在农田作物营养物质吸收过程中起着关键作用[13]。

长期以来，针对DOC 和DON 研究的热点问题，国内外众多学者对其含量、迁移转化以及影响因素和防控迁移淋溶措施等方面进行了大量较为系统的科学研究，并取得了许多重要的研究成果。本综述旨在将已有研究成果进行系统总结，并在此基础上提出今后有关土壤DOC 和DON 研究需要给予关注和加强的方向，从而提高土壤肥沃度，确保高产高效粮食生产，为农业的节能减排、资源高效利用提供理论依据。

1 土壤可溶性有机碳、有机氮的分布含量及影响因素

1.1 可溶性有机碳的含量及其分布

DOC 是陆地碳库中最活跃的一个组成部分，可作为土壤碳长期变化状况的一个指示因子。研究结果显示，土壤中DOC 含量低于200 mg/kg，在土壤总有机碳的占比较小，一般不超过3%[14-15]，但其含量和特性足够说明土壤有机碳的稳定性[16-17]。浸提方式和分析方法的不同会影响DOM 库的大小和动态。通过采用冷水、热水、KCl 溶液分别浸提天然林土壤样品，DOC 含量及DOC/土壤全碳（TOC）大小排序为热水>KCl>冷水（表1）[18]。

表1 不同浸提方式下土壤表层和深层土壤DOC 含量及其占TOC 的比例［18］Tab.1 DOC concentration and percentage to TOC in top soil and subsoil under different extraction methods

DOC 含量受土壤类型和土壤性质等因素的显著影响。禹洪双等[19]研究了红壤、黄壤和乌栅土等3 种不同种类的水稻土，发现3 种土壤的DOC 含量范围在31.64～49.25 mg/kg，其中乌栅土的DOC 含量最高，黄壤土次之，红壤水稻土含量最低。盛浩等[20]研究了亚热带气候不同母质水稻土DOC 的截面遍布特点，并讨论了DOC 与SOC 的关联，结果显示，水稻土DOC 含量范围为13.61～90.34 mg/kg，表层土壤DOC 含量最高；除江河污泥外，其余水稻土剖面的DOC 含量并没有伴随土壤层次加深而减少，但入渗层和母质层的DOC 含量高过顶层土壤。除土壤类型外，培肥对DOC 含量也有显著影响，高忠霞等[21]以黄土高原南部地区的长期肥料定位试验为研究对象，发现在0～20 cm 土层中，土壤中DOC 含量介于4.65～8.94 mg/kg，平均含量为6.42 mg/kg，撂荒、施肥特别是有机物料（有机肥和秸秆）与无机肥配施，不仅能够明显提高土壤中溶解性有机碳的含量，而且影响其结构特性。曹宏杰[22]研究了东北三省不同施肥处理对土壤有机碳的影响，发现在不同外源有机肥施入下，样区内DOC 含量沿纬度呈现出南低北高的分布趋势：海伦地域土壤DOC 含量范围为325.72～469.16 mg/kg，哈尔滨市地域为152.22～268.27 mg/kg，沈阳市地域为139.86～281.10 mg/kg。

1.2 可溶性有机氮的含量及其分布

受土地利用类型、施肥类型、植被覆盖等影响，土壤中DON 的主要来源和动向比较复杂[23]。一般来说，施加化肥会降低DON 含量，而施用有机肥会提高DON 含量[24-25]。JIKUAN 等[26]研究发现，土地利用类型对土壤DON 含量及在总水溶性氮（TDN）中所占的比例有显著影响：4 种土地利用类型土壤总DON 含量为5.25～10.88 mg/kg，占TDN 的26.08%～67.11%，由高到低的顺序为水稻土、菜园子土、种植园土和胶原纤维培养土。4 种土地利用类型土壤中DON 含量关键分散在105u 的小粒度中，范围为4.85～9.48 mg/kg，占总产量的85.89%～92.41%，在其中103u 粒度的DON 含量最大，范围为2.45～3.92 mg/kg，占总产量的32.34%～46.71%。MURPHY 等[13]在洛桑长期化肥试验中发现，土壤DON 与TDN 比率超出40%，施用有机肥土壤中的DON 含量比未施肥处理高29%。BERG 等[26]研究还发现，施用家禽粪和三叶草绿肥在小麦生长期中土壤氮素淋失量比仅施用化肥的土壤高，这种现象可能是由于有机肥释放出的氮素和农作物消化吸收氮素在时间上的差异。另外，植被覆盖物数量和质量也显著影响土壤中DON 的含量[27-28]。通过采用冷水、热水、KCl 溶液分别浸提天然林土壤样品，DON 含量及DON/土壤全氮（TON）大小排序为热水>KCl>冷水（表2）[18]。

表2 不同浸提方式下土壤表层和深层土壤DON 含量及占TON 的比例［18］Tab.2 DON concentration and percentage to TON in top soil and subsoil under different extraction methods

1.3 可溶性有机碳、有机氮含量的影响因素

1.3.1 季节 MCDOWELL[29]研究发现，土壤中DOC 和DON 含量随季节改变，二者的浓度最大值出现在夏季或秋季。但在对庐山针叶和阔叶林的研究中，供试土壤水溶液中DOC 和DON 的周期性转变很强，根圈和非根圈土壤水溶液中DOC 和DON 的均值含量由小到大表现为夏季<春季<秋季=冬季，秋冬季的均值含量是夏季的150%～200%[30]。但是，DOSSKEY 等[31]在探究沙土中可溶性有机质的运动规律时，发现季节变化和降雨量对DOC 和DON 的浓度并没有影响。

1.3.2 温度关于温度对DOC 和DON 的吸附影响，目前的研究尚存在争议[32]。JARDINE[33]研究发现，当土壤温度降低时，DOC 和DON 的吸附量仅略微降低；并得出以下结论：DOC 和DON 的吸附是一个熵变全过程，伴随一个占主导的物理吸附体制，吸附的DOC 和DON 有25%是根据阳离子互换吸附的。但另有研究发现，随温度升高，试验样品中DOC 的含量呈指数值增加。随温度上升，生物活性增加，土壤中DOC 和DON 含量增加。且表层土壤中DOC 和DON 的转移受温度影响比较大，温度的区域差别及其DOC 和DON 成分的差异直接影响DOC 和DON 转移[34]。

1.3.3 湿度水分是推动DOC 沿着土壤剖面向下流动的驱动因素，在湿培养条件下DOC 含量在剖面分布上存在差异；在湿样品中，伴随着含水率增加，DOC 和DON 含量也在增加。水培条件可增加疏水性酸含量，温暖条件可增加吸水性酸含量[34]。自然风干后，棕壤和褐土样品的DOC 和DON 测定值分别比鲜土样品低60.2%和17.3%[35]。但是BOLAN[36]研究显示，自然风干和烘干处理都能增加DOC 和DON 的浓度值。也有研究表明，降水量和温度对土壤有机碳的积累具有正交互作用，土壤有机碳是降水量、温度及其他影响因子综合作用的结果[22]。1.3.4 pH 值 JARDINE[33]研究认为，pH 值为4.5时，DOC 和DON 的吸附量较大，升高或降低pH 值均会降低DOC 和DON 的吸附量。经过稀硝酸处理后，土柱pH 值降低，但DOC 和DON 含量增加，这可能是因为金属材料有机化学络离子通过质子作用释放出来，造成土壤水溶液中土壤有机质含量增加，进而增加了DOC 和DON 的含量。而岩溶区土壤DOC 和DON 含量与土壤pH 值成反比，受富钙镁偏碱的岩溶生态环境制约，土壤溶解性有机碳氮会发生中和或螯合反应而被固定[37]。

1.3.5 耕作和种植制度耕作和种植制度对土壤DOC 和DON 含量也有显著影响。GHIDEY[38]研究认为，栽种农作物的次序可以通过采用处理农作物根茎和植物残余物的方式来控制DOC 和DON的含量；FRANZLUEBBERS 等[39]研究认为，在农作物轮作中，适度休耕可以影响DOC 的含量；CLAIRE[40]研究发现，在特定种植条件下，土壤活性有机碳和氮含量会随着种植年限的增加而提高。

1.3.6 施肥一般来说，施用化肥减少了DOC 和DON 含量，而施用有机肥增加了DOC 和DON 含量[41]。ROCHETTE 等[42]研究发现，使用有机肥料后，DOC 和DON 含量仅在短期内有一定增加，随后降低。赵亚南[43]对紫色土的研究表明，单施化肥会降低土壤有机质含量，而不同化肥与有机肥料配施会提高土壤中的轻组有机质含量，土壤中轻组有机质含量较高的施肥方法是粪肥和化肥进行1.0∶1.5 配施。而SIEMENS 等[44]研究认为，简单施用有机肥料并不能降低或消除养分的流失，有必要深入研究有机肥中不同养分，尤其是DOC 和DON 的释放特性与淋溶损失的关系。

可见，土壤DOC 和DON 含量的多少可以直观反映土壤中潜在活性养分含量和周转速率，DOC 和DON 含量受到了复杂的生物和非生物过程的影响，但针对单一因子的影响研究较多，加强多个因子的交互作用和综合因子的关联影响，加强综合评价如引入结构方程模型（SEM）是未来研究的一个方向。

2 土壤可溶性有机碳、有机氮的迁移转化

土壤DOC 和DON 一部分存在于土壤溶液中，另一部分被土壤胶体所吸附，成分复杂，由许多单个化合物组成。土壤DOC 和DON 中周转快速的组分在碳氮循环中发挥了巨大作用，有关DOC 和DON 化学组成和性质方面的迁移转化，越来越引起研究者的关注。

2.1 可溶性有机碳的迁移转化

土壤DOC 作为最主要的土壤降解资源，引起人们广泛关注。DOC 主要来源于外源输入和生物活动的贡献[45-48]。不同来源的DOC 通过生物降解和化学降解而进行迁移和转化。现阶段DOC 的化学降解大多为光降解研究，光降解大多是水中DOC的科学研究。对土壤而言，生物降解更为重要。生物降解主要是DOC 的微降解，涉及2 个持续或更替的功能：第一，细菌对DOC 的同化作用；第二，微生物获取能量和营养元素，进一步将DOC 降解为CO2等无机化合物。BOYER 等[49]、NELSON 等[50]、孙颖等[51]研究表明，土壤中DOC 被微生物降解的比例为10%～44%，与李廷强等[52]的分析结果一致。BOYER 等[49]研究发现，有机土壤中DOC 的含量和微生物活性均高于一般土壤，但被利用的DOC 含量较低，田地土壤中DOC 的降解水平普遍高于山林土壤。伴随着土壤微生物活性提升，DOC 生物降解和矿化也会提升，DOC 含量会减少，DOC 构成也会产生相应的改变[53]。另一项研究发现，DOC 还能被直接利用或本身溶解产生营养成分因素来提高土壤肥效。不同来源的DOC 都可明显提升土壤肥效[54]。通过提升土壤中DOC 的总量和活力，提升土壤营养物质的实效性，从而推动DOC 的微生物降解[55]。到现在为止，大部分分析认为，10%～40%的DOC 可被生物降解，但不同研究得到不一样的结果，因而对DOC 降解的认知尚需进一步加强。

土壤中DOM 作为有机化学配位，带有羧基、甲基、羰基、叔丁基等活力基团，能与铝、镉、铅、锌、铜等重金属元素产生无机物络离子，影响土壤中金属离子的转移、实效性和毒副作用。因此，探究土壤可溶性有机碳与金属离子的相互作用在农学和环境科学中具有重要意义。目前，关于DOC 与重金属超标吸附关联的分析主要聚集在Cu 和Cd 上。石含之等[56]研究认为，DOM 可以显著增加Cu 的迁移能力。SEBASTIEN 等[57]的分析结果显示，DOC含量提升了300%～400%，土壤可溶性Cu 含量提升了400%～500%。周丹丹等[58]研究发现，DOM能显著抑制Cd 在土壤中的吸附行为，提升DOM 可显著降低Cd 吸附量和吸附速度，较大吸附量的最大减少力度可达94%。

土壤可溶性有机质移动是调整Al 转移的主要途径，因为它可以与Al 结合。水溶有机化合物与水溶液铝的络合作用也减少了铝的毒副作用。罗斯等[59]强调活性融解铝（活性邻苯二酚紫法）与总铝（高纯石墨炉法）息息相关，2 种形状的铝与土壤中DOC 含量成正比，因而DOC 很有可能操纵着酸碱性土壤中铝的挪动。

2.2 可溶性有机氮的迁移转化

DON 在土壤有机质酸化和无机氮固定全过程中具有中间氮库的功效。外源性土壤有机质进到土壤后，在微生物作用下产生氨解，最先产生大分子DON，随后慢慢溶解成为小分子DON。小分子DON 进一步酸化转换为NH4+-N 或NO3--N，然后经过植物吸收或土壤淋溶[60]。土壤硝态氮和土壤DOC 可通过非生物作用转化为DON。

因为DON 在土壤中有着较强的流通性，一个环境中减少的DON 很有可能会对周边环境造成影响，例如影响周边水质[61]。DON 在土壤中的吸附特点会立即影响到其在土壤中的高效性和热敏性[62]。CHEN 等[63]强调，不论是水，0.5 mol/L、1 mol/L 或是2 mol/L K2SO4，获取的DON 与全氮的比率都高于获取的DOC 与全碳的比率，这表明DON 比DOC 更易于在土壤中淋溶。SCHERER 等[64]通过对比DON 和DOC 在土壤中的降解性，得出DOC比DON 更容易降解的结论。

在农田系统中，不科学的浇灌和施氮会加重土壤营养元素淋失[65]。王红霞等[66]研究了有机肥料萃取液倒入土柱后淋溶氮的含量和构成，发现化肥氮占总氮淋失量的66%～76%，根本原因是仅有25%～35%的DON 被土壤截流，其他都被淋溶[67]。这可能与土壤对低C∶N 亲水性分子的弱吸附有关[68]。与浇灌相比，喷灌能明显降低DON 的淋失[69]。浇灌方法和浇灌量也显著影响土壤截面中可溶性氮的划分和淋失。冀瑞锋[70]研究了废水浇灌田地土壤中氮的转移特点，发现废水中的DON可使水份入渗抵达1.1 m 的土层。QUAN 等[71-72]持续3 a 观察了不同有机肥料施用量下保护区菜园土壤截面中的营养物累积状况，发现使用有机肥料明显提升了保护区菜园土壤截面中DON 的累积，0～60 cm 土壤截面中DON 含量与可溶性总氮的均值比率为13%～31%。

综上可知，土壤理化性质、环境条件和农田管理均在很大程度上影响着DOC 和DON 的迁移转化，但其中，土壤理化性质作为反映土壤本质特性的指标，对土壤吸附能力的影响尤为显著，在以后研究可加强活性Fe、Al 氧化物等无机胶结物和矿质元素作用的分析。

3 土壤可溶性有机碳、有机氮的淋失

溶解性有机质是陆地生态系统最具活跃性、极具流通性的成分之一。溶解有机物的淋溶或径流损失均会对周边环境造成不良影响，其中土壤类型、肥料类型和时节（季节）都是影响土壤DOC 和DON 的重要因素。

VAN 等[73]研究表明，不同土壤类型的DOC 浓度不一样，有机质含量高的土壤DOC 含量较高。LONG 等[74]强调，使用有机肥会造成土壤DOC 的周期性提升。赵海晓等[75]研究表明，土壤盐碱性和土壤种类会影响土壤DOC 流动。BOHARA 等[76]的分析结果显示，使用粪肥和外源生物碳会提高沙质土中DOC 的淋失量。LI 等[77]强调，秸秆覆盖会降低DOC 的径流损失。SORRENTI 等[78]研究了3 种有机物料（红木衍化碳、沤肥以及混合物质）对渗滤液中DON 含量的影响，结果显示，沤肥明显提升了可溶性有机氮和可溶性总氮的含量和累积淋失量，单施碳不影响DON 和可溶性总氮的淋失量。LIU 等[79]研究结果表明，添加新鲜生物碳可导致DOC 从土壤中释放量增加，在一定的老化时间后，这种影响可能会大大减弱。LONG[74]研究表明，有机肥施用量对土壤DOC 的影响差异不明显。CHANG 等[80]研究结果显示，在冬季，添加中氮和高氮明显减少了有机层DOC 的流通。SONG 等[81]研究了我国南方苏州太湖粮种轮种系统中的土壤DON，结果显示，作物轮种系统比自然生态资源系统有更多的DON 外流，水稻种植期处于高降雨量和高浇灌率，DON 的淋失量（1.1～2.3 kg/hm2）显著高于小麦生长期（0.01～1.30 kg/hm2）。

陈星等[82]对湖北省潮土中DON 的研究发现，随着水稻生长发育期的推进，土壤溶液中DON 的浓度由高向低转变。VINTHER 等[83]在德兰半岛研究发现，翻压紫花苜蓿后，砂土壤和粗沙质土中DON的淋失量分别为3～4、10～31 kg/hm2，裸地的淋失量高于植物群落遮盖区。赵冬等[84]分析了施肥后淹水层DON 变化趋势，结果显示，施肥后第1 天DON 浓度最高，接着快速降低，7 d 之后DON 含量降至最低，表明施肥一周内DON 外流损失增多。SIEMENS 等[45]研究了法国4 种田地土壤中DON的淋失，发现农作物栽植土壤中的DON 含量为2.0 mg/L，占总溶解态氮流通量的6%～21%，每年经DON 淋失的损失量为6～10 kg/hm2；休闲地为1.6 mg/L，占总溶解氮流通量的10%～21%，每年经DON 淋失的损失量为4～5 kg/hm2。另有研究发现，DOC 在土壤剖面中下降速度较DON 快，主要可能与土壤更容易吸附高C∶N 的有机疏水分子有关[85]。

此外，土壤的理化性质还包含土壤黏粒构成、土壤有机质分子结构等，其也是影响DOC 和DON淋失的主要因素，这是今后在微观视角上应重点加强研究的内容。

4 土壤可溶性有机碳、有机氮淋失的防控措施

4.1 降雨灌溉措施

水分是碳氮元素在土体中运移的载体，DOC和DON 的损失方式主要包含地表径流、地底漏水和相关温室气体排放。降水和浇灌对DOC 和DON淋溶损失有直接影响[86]，因南北方气候差异，北方雨养农田的DOC 和DON 的淋溶强度主要与降雨强度呈显著正相关[87]。在南方，有效提升灌水水平，肥水投入与农作物生理需要同歩，是避免DOC 和DON 外流的合理对策[88]。水稻田操纵浇灌排水管道时，最先要依据降水的时长和抗压强度来判定排水管道时长。针对强降雨，应尽可能延迟排水日期，提升水稻田深层，降低雨珠导致的振荡，尤其要留意施肥后的降雨[89]。一些研究也表明，土壤硝态氮的累积与浇灌量成反比[90]。此外，适度操纵排水管道水渠在雨后的淹水停留时长，充分运用水渠的湿地拦截作用，也有利于降低DOC 和DON 的排出。

4.2 施肥与肥料类型措施

在一定的土壤类型下，肥料的施用会出现显著的养分相互影响，不但影响土壤层养分的高效性和农作物的消化吸收高效率，还会继续间接性调整土壤层和水里微量元素的转移转换[91]。土壤可溶性有机碳、有机氮的淋失受土壤类型和气候条件要素影响也很大，不一样的肥料种类或肥料配比可以调整DOC 和DON 的损失[92-93]。容重低、土壤有机质含量高的土壤大孔隙度占比高，土壤溶液中DOC和DON 的流通性高。过多使用肥料也是造成DOC 和DON 径流量和渗漏流失的主要因素[88]。因此，施肥浇灌量、肥料类型和施肥方法是影响DOC 和DON 外流的主要因素。关于施肥浇灌量，一般要考虑降水量、海拔、土壤类型、温度等自然因素，考虑分次施肥、深施肥、穴施肥，尽量避免地表径流损害。在栽植地区，要采用合理的施肥方式，同时兼具农牧业经济收益和生态效益。此外，有机无机肥料配施等也可以降低DOC 和DON 损失、提高土壤养分和水稻产量，更符合我国生态农业的发展要求[94-95]。现阶段市面上多见的肥料都属于速溶性肥料，施用后溶解快，浓度高，但易淋溶，影响农作物对养分的吸收。复合肥料就是指释放速度慢、释放时间长，能达到农作物全部生长期生长发育所需的肥料，可以实现养分和农作物同歩的实际效果，进而提高肥料利用率，减少其环境风险[96]。单一肥料对土壤养分维持效果比较有限，有机、化学、无机肥料混施变成绿色农业中一种新的施肥对策。研究指出，有机、无机混施和使用粪肥沤肥可比单施无机肥料处理提高水稻产量4.3%，有机、无机肥料配施可明显提升水稻生长发育中后期的养分吸收率[97]。

4.3 土地利用方式与植被类型措施

不同土地利用类型和不同植被类型也是导致DOC 和DON 淋溶差异的重要因素。研究结果显示，不同土地利用方式下，土壤DOC 和DON 含量大小为森林>草地>农田。麦类和薯类较豆类植物更易于产生养分淋失。贾国梅等[98]研究表明，松柏树地土壤可溶性氮的淋溶量远远高于菜园和柑橘地。土壤DOC 和DON 含量随植被类型、外界环境、人为干扰等因素的变化而变化，因此关于土地利用方式与植被类型对DOC 和DON 淋失的防控措施应结合各地实际因地制宜采取防控。

另外，由于DOC 和DON 在土壤中的移动性较强，故从生态系统流失的DOC 和DON 可能会对周边环境产生影响，造成生态系统缺氮并对周边水体质量产生影响。DOC 和DON 在不同生态系统中的淋溶径流损失研究已成为目前研究生态系统氮循环及去向的另一个重要内容。