不同類型河岸帶土壤活性有機碳空間分布及影響因素

章 琪，袁旭音，韓 磊，于輝輝，周 睿，唐豆豆

（河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210098）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和資源的利用，土壤受到污染也日益加重[1]。土壤有機質(zhì)作為土壤的重要組成一直是農(nóng)學(xué)、林學(xué)和土壤學(xué)等學(xué)科的重要研究內(nèi)容[2]，它不僅包含植物生長所必需的各種營養(yǎng)元素，而且能夠為微生物的生命活動提供氮源和碳源[3]。相關(guān)研究表明，土壤有機碳（TOC)含量與土壤全氮（TN）、土壤總磷（TP）之間的相關(guān)性通常達到顯著或極顯著水平，因此土壤TOC的變化影響N,P的循環(huán)與轉(zhuǎn)化[4]。在土壤TOC的組成中，有一部分TOC對外界環(huán)境變化響應(yīng)十分敏感，可以用來表征土壤TOC的短期變化及質(zhì)量特征，這部分碳就是活性有機碳，而活性有機碳的變化與周邊環(huán)境聯(lián)系密切[5-7]。

土壤活性有機碳在土壤中移動快、穩(wěn)定性差、易分解和礦化，并具有較高的植物和微生物活性[8-10]。目前針對土壤活性有機碳含量及其分布特征的研究主要集中在森林、草原或農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[11-12]，而針對河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，尤其針對不同類型河岸帶土壤活性有機碳分布規(guī)律及其影響因素的研究更為少見[13]。河岸帶是水生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)交錯區(qū)[14]，是水陸生態(tài)系統(tǒng)之間物質(zhì)、能量和信息交換的過渡帶，能夠過濾、吸附、截留地表和地下水體的N，P，活性有機碳的分布和變化將影響這些元素的生物地球化學(xué)循環(huán)[15-16]。

以位于太湖西部的苕溪流域為研究對象，選定4種不同類型（耕地、林地、草地、荒地）河岸帶，研究不同類型河岸帶土壤中活性有機碳分布、變化及影響因素。本研究的主要目的是：①明確流域不同類型河岸帶土壤中活性有機碳的空間分布特征；②分析土壤活性有機碳含量變化的主要影響因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

苕溪流域位于浙江西北部，地跨杭州、湖州2市，流經(jīng)安吉、長興、臨安、余杭、德清、湖州市區(qū)然后進入太湖。該流域又包括了次一級的東苕溪和西苕溪流域，是太湖重要的補給水系，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。苕溪流域土壤類型較為多樣，有黃壤、紅壤、石灰土和水稻土等，且苕溪流域土地利用的類型也較為多樣，主要為林地和耕地，其他還有草地、荒地、城鎮(zhèn)及工礦用地等[17]。研究區(qū)域和采樣點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域和采樣點分布

東苕溪介于東經(jīng) 119°28′～ 120°08′和北緯 30°05′～30°57′之間，源頭在東天目山北部平頂山南麓，其干流河長165 km，流域覆蓋面積2 267 km2。流域內(nèi)降雨主要集中在5～9月，多年平均降水量為1 460 mm。 西苕溪流域介于東經(jīng) 119°14′～120°29′以及北緯 30°23′～ 31°11′之間，發(fā)源于安吉縣永和鄉(xiāng)的獅子山，其干流長145 km，流域覆蓋面積約2 200 km2。西苕溪降雨主要集中在5～9月，多年平均降雨量為1 465 mm，豐水期和枯水期河流年徑流量分別為30.6×109m3和6.6×109m3。

1.2 土壤樣品采集與分析測試

1.2.1 樣品采集方法

基于苕溪流域河岸帶的環(huán)境地理情況，選取4種典型類型（耕地、林地、草地、荒地）河岸帶設(shè)置采樣區(qū)，每一個類型均選取2塊樣地。在垂直于岸邊、遠離河流的方向上于1，10和20m處分別選定1 m×1 m的區(qū)域作為采樣點，每個小采樣區(qū)域內(nèi)采集0～10，20～30，50～70和 80～100 cm 深度范圍處的土壤樣品，每個深度范圍內(nèi)采集3份土樣。采集后的土壤樣品帶回實驗室，一部分鮮土用于土壤MBC的測定，另一部分土樣自然風(fēng)干，剔除其中的石塊、植物殘根等雜物，研磨，過篩，用于土壤其他指標的測定。

1.2.2 測定方法

土壤基本理化性質(zhì)的測定采用常規(guī)的的分析方法進行測定[18]。TOC使用島津TOC-V系列有機碳分析儀進行測定，TN采用開氏消煮法進行測定。土壤pH值按照土、水質(zhì)量比為1∶2.5的比例浸提，然后用電位法測定；土壤含水率采用重量法測定，容重采用環(huán)刀法測定。土壤金屬元素用XRF分析儀測定。

土壤溶解性有機碳（DOC）采取過2 mm篩的風(fēng)干土樣10 g，按液、土質(zhì)量比為4∶1添加0.5 mol/L的K2SO4溶液，進行震蕩過濾，濾液直接用TOC有機碳分析儀測定。顆粒有機碳（POC）采取過2 mm篩的土樣20 g，加入100 mL質(zhì)量分數(shù)為5%的六偏磷酸鈉溶液，震蕩18 h，將土壤懸液過篩，所剩殘留物在65℃下烘48 h，然后稱重，計算其占整個土壤樣品的比例。微生物生物量碳（MBC）采用取過2 mm篩的10 g新鮮土樣置于放有氯仿的真空干燥箱中熏蒸24 h，然后將熏蒸處理過的土壤樣品和未進行熏蒸處理的對照樣品轉(zhuǎn)移到100 mL塑料瓶中，加入50 mL硫酸鉀溶液，震蕩30 min后過濾。吸取浸提液5.0 mL放入消煮管中，加入2.00 mL重鉻酸鉀溶液，5 mL濃硫酸，充分混勻。然后置于油浴鍋內(nèi)油浴加熱，最后用標準硫酸鹽溶液滴定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采樣圖的繪制使用CorelDRAW 12.0繪圖軟件；Pearson相關(guān)性分析和One-way ANOVA方差分析采用SPSS 17.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，圖表制作采用O-rigin 8.0軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型河岸帶土壤活性有機碳含量的變化特征

2.1.1 不同深度土壤活性有機碳含量變化

DOC具有較好的溶解性，在土壤中遷移變化較快，且易礦化分解，是TOC損失的重要途徑之一[19]。苕溪河岸帶土壤活性有機碳縱向含量分布見圖2。

圖2 苕溪河岸帶土壤活性有機碳縱向含量分布

由圖2可知，各類型河岸帶的DOC含量隨著土層深度的增加而逐漸減小。林地河岸帶0～10 cm土層的DOC質(zhì)量分數(shù)為90.3 mg/kg，在所有土層中最大，荒地河岸帶0～10 cm土層的DOC質(zhì)量分數(shù)為69.3 mg/kg，在所有河岸帶0～10 cm土層中最小。各類型河岸帶0～30 cm土層的DOC含量占整個剖面的55.7%～62.6%，說明DOC的表聚性較強。通過不同河岸帶之間的比較發(fā)現(xiàn)，林地河岸帶各土層DOC質(zhì)量分數(shù)的變幅最大，其范圍在46.8～90.3 mg/kg之間，荒地河岸帶各土層DOC質(zhì)量分數(shù)變幅最小，其范圍在51.5～69.3 mg/kg之間。有研究表明，DOC的含量雖受地表徑流、土壤養(yǎng)分、pH值、粘土礦物、土壤微生物及真菌活動等多重因素的影響，但其主要還是受TOC的影響[20]。而在本研究中，研究區(qū)林地河岸帶植被密度最大，較多的植物凋落物和植物根系分泌物為土壤輸入了大量的碳源，使得其有機碳含量升高，土壤DOC含量便隨之升高。

POC被認為是土壤活性有機碳的組分和量度指標，其來源于新鮮植物殘體的輸入，因此土壤中地上植被凋落物和地下枯死細根歸還量是POC含量的決定因素[21]。本研究中，研究區(qū)各類型河岸帶的POC含量隨著土層深度增加而逐漸減小，同一河岸帶不同土層間的POC含量差異顯著。林地河岸帶0～10 cm土層POC質(zhì)量分數(shù)最大，為4.9 g/kg；草地河岸帶和耕地河岸帶0～10 cm土層POC質(zhì)量分數(shù)其次，分別為3.1和2.5 g/kg；荒地河岸帶0～10 cm土層的POC質(zhì)量分數(shù)最小，為2.0 g/kg。各類型河岸帶0～30 cm土層的POC含量占整個剖面的67.4%～81.1%，說明POC具有較強的表聚性。不同類型河岸帶間POC含量差異顯著，這是由于本研究中林地、草地河岸帶的植被數(shù)量相對較多，植被凋落物和根系較多，使得其POC含量較高；荒地河岸帶由于其土地荒廢，植被數(shù)量極其稀少，土壤POC含量顯著低于其他河岸帶。

MBC是TOC最活躍且最易發(fā)生變化的部分，與土壤中C，N，P，S等養(yǎng)分元素關(guān)系密切[22]。本研究表明，各類型河岸帶的土壤MBC含量隨著土層深度的增加逐漸減小，耕地河岸帶0～10 cm土層MBC質(zhì)量分數(shù)為1 673 mg/kg，在研究區(qū)所有土層中含量最大，這是由于耕地表層的土壤常年受到人類耕作的影響，擾動性較大，土壤通透性較好，使得微生物活躍程度最大，MBC含量最高。林地河岸帶、草地河岸帶0～10 cm土層MBC碳質(zhì)量分數(shù)次之，分別為1 065和938 mg/kg，荒地河岸帶0～10 cm土層MBC質(zhì)量分數(shù)為681 mg/kg，在所有河岸帶0～10 cm土層中最小。各類型河岸帶0～30土層的MBC占整個土壤剖面的60.1%～79.0%，說明土壤表層是微生物活動最活躍的場所。本研究中由于林地河岸帶處于非淹水區(qū)，土壤通透性好，植被生長相對茂盛，較多的凋落物能為土壤微生物提供大量的碳源物質(zhì)，促進了微生物的生長繁殖，因而能顯著增加土壤MBC含量；草地河岸帶植被生長水平次之，因而其微生物生物量碳相對較少；耕地河岸帶由于土壤表層通透性較好，顯著增加了其整個土壤剖面上的MBC的含量；荒地河岸帶由于植物稀少，土壤肥力較低，因而其土壤MBC含量顯著小于其他類型河岸帶。

2.1.2 土壤活性有機碳的水平分布變化規(guī)律

苕溪河岸帶土壤活性有機碳水平含量分布見圖3。

圖3 苕溪河岸帶土壤活性有機碳水平含量分布

由圖3（a）可以看出，在距離河岸20到1 m的方向上，耕地、林地、草地河岸帶土壤表層的DOC含量均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。這是由于河岸帶20～10 m的區(qū)域內(nèi)植被密度較大，其中林地中不僅有樹木，還有雜草等植物，植被密度最大，對地表徑流的攔截效果最明顯，DOC的累積就最大；而在10～1 m區(qū)域內(nèi)，植被生長逐漸稀疏，河岸帶對地表徑流的攔截效果減弱，DOC含量隨之減小?；牡睾影稁寥辣韺拥腄OC質(zhì)量分數(shù)在距離河岸20到1 m的方向上逐漸升高，由距離河岸20m處的65.4mg/kg升高到距離河岸10 m處的72.1 mg/kg，最后在距離河岸1 m處質(zhì)量分數(shù)達到最高，為74.7 mg/kg。這是由于荒地河岸帶地表裸露，土壤對地表徑流的截流效果不明顯，溶解在水體中的DOC在越靠近河流的地方含量越高。

圖3（b）的曲線變化表明，研究區(qū)林地河岸帶土壤表層的POC質(zhì)量分數(shù)在距離河岸20到1 m的方向上逐漸降低，其在距離河岸20，10，1 m處分別為5.2，4.8，4.2 g/kg。由于顆粒有機碳主要附著在土壤顆粒上，穩(wěn)定性相對較高，地表徑流對其影響相對較小，因而越接近河流，顆粒有機碳含量越低。耕地、草地、荒地河岸帶土壤表層的POC含量在距離河岸20到1 m的方向上沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

研究區(qū)耕地、林地、草地河岸帶土壤表層的MBC含量在距離河岸20到1 m的方向上均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。其中，耕地河岸帶土壤表層的MBC質(zhì)量分數(shù)在距離河岸20，10，1m處分別為1579，1 683，1 594 mg/kg；林地河岸帶土壤表層的MBC質(zhì)量分數(shù)在距離河岸20，10，1 m 處分別為 923，1 205，1 073 mg/kg；草地河岸帶土壤表層的MBC質(zhì)量分數(shù)在距離河岸 20，10，1 m 處分別為 817，1 050 ，970 mg/kg。此現(xiàn)象的原因是由于距離河岸帶20～10 m的區(qū)域內(nèi)植被茂盛，土壤截留效果較好，使得MBC出現(xiàn)了累積，而10～1 m區(qū)域內(nèi)植被變得稀疏，土壤截留效果減弱，使得土壤MBC含量減少。研究區(qū)荒地河岸帶土壤表層的MBC含量在距離河岸20到1m的方向上逐漸減小。

2.2 不同類型河岸帶土壤活性有機碳的分配特征

活性有機碳占TOC的比例能較好的反映出土壤活性有機碳庫的狀況，TOC中活性有機碳的占比越高，說明土壤的活性越大，穩(wěn)定性越差。河岸帶土壤活性有機碳的分配比見表1。

表1 河岸帶土壤活性有機碳的分配比例 %

由表1可知，研究區(qū)除林地河岸帶80～100 cm土層出現(xiàn)減小的情況外，其他類型河岸帶土壤DOC占TOC比例從上到下表現(xiàn)為上升趨勢，這是由于土層深度越大，其受地表徑流的影響越小，DOC的損失量也就越小。4種類型河岸帶土壤DOC含量占TOC的比例范圍為0.42%～4.23%，以80～100 cm土層所占比例最大，0～10 cm土層所占比例最小。

4種類型河岸帶土壤POC含量占TOC的比例變化范圍較大，為10.8%～55.1%。除了草地河岸帶土壤0～100cm土層POC的比例隨著土層深度的增加逐漸增大，其他河岸帶土壤POC含量占比在整個土壤剖面規(guī)律性不強。這與高雪松等[23]的研究相同，主要是由于POC對土地利用方式的變化響應(yīng)較敏感。

土壤MBC占TOC比例是土壤碳庫質(zhì)量的敏感指示因子，可以推斷碳素的有效性[24]。4種類型河岸帶土壤MBC含量占TOC的比例范圍為6.74%～19.7%，隨著土層深度的增加，其分配比例在垂直剖面上均未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，這與楊繼松等[25]對小葉章濕地土壤MBC分布特征的研究結(jié)果相同，反映了生物活性碳的復(fù)雜多變。

2.3 不同類型河岸帶土壤活性有機碳與主要理化因子的聯(lián)系

土壤活性有機碳與土壤主要理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 土壤活性有機碳與土壤主要理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

由表2可知，研究區(qū)各類型河岸帶DOC,POC和MBC與TOC,TN之間的相關(guān)性表現(xiàn)為極顯著水平，與TP之間表現(xiàn)為顯著相關(guān)。除了MBC與Fe的相關(guān)性不明顯，研究區(qū)DOC,POC均與Al表現(xiàn)出極顯著負相關(guān),土壤DOC,POC與Mg存在顯著正相關(guān)。本研究還表明，DOC,POC和MBC與土壤pH值之間存在顯著的負相關(guān)性，說明對于苕溪流域而言，土壤pH值的差異對土壤活性有機碳造成了顯著影響。對DOC，POC，MBC與土壤含水率之間的相關(guān)性進行分析，結(jié)果表明：DOC，POC與土壤含水率表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)，而MBC與土壤含水率表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性。表2還表明，MBC與土壤容重的相關(guān)關(guān)系不明顯，DOC，POC與土壤容重之間均表現(xiàn)出顯著負相關(guān)。這些特征表明，土壤活性有機碳的分布和變化受到了土壤性質(zhì)的明顯影響。

綜上所述，研究區(qū)各類型河岸帶DOC，POC，MBC與土壤TOC，TN表現(xiàn)出極顯著相關(guān)，這是因為土壤中的活性有機碳直接參與了土壤生物化學(xué)過程，某些活性有機碳與土壤有機碳處于動態(tài)平衡中，而土壤氮素的增加可以提高土壤TOC的含量從而間接影響活性有機碳的含量[26]。研究區(qū)各類型河岸帶土壤DOC，POC，MBC與土壤TP之間表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，這與趙銳鋒等[27]的研究相似，因為土壤C，P含量是衡量土壤質(zhì)量的重要指標，直接影響河岸帶的初級生產(chǎn)力，兩者之間有密切的相互耦合關(guān)系。除了MBC，研究區(qū)DOC，POC與Al表現(xiàn)出極顯著負相關(guān)，與Mg表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，且這3種活性有機碳與Fe均未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，這與SCOTT等[28]的研究基本一致，說明土壤中Al元素的累計會使活性有機碳含量減少，Mg元素有益于活性有機碳在土壤中固存，而Fe元素對其影響較小。本研究中的3種活性有機碳與土壤pH值、含水率、容重之間表現(xiàn)出來的相關(guān)性不一致，這與周莉等[29]的研究結(jié)果一致，說明土壤性質(zhì)對土壤有機碳庫的影響在苕溪流域的濱岸帶是明顯的，而且是多重因素的共同作用。

3 結(jié)論

在野外采樣和實驗室分析的基礎(chǔ)上，分析了苕溪流域4種典型河岸帶土壤活性有機碳的空間分布特征及其與主要環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。

（1）研究區(qū)各類型河岸帶 DOC，POC，MBC 含量均隨著土層深度的增加而不斷減??；在整個土壤剖面（0 ～ 100 cm）上，不同河岸帶的 DOC，POC，MBC含量差異明顯。除了荒地河岸帶，研究區(qū)其它3種河岸帶DOC，MBC含量在距離河流20到1 m的方向上均呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。POC由于附著在土壤顆粒上，受地表徑流的影響較小，因而沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性?？傮w上活性有機碳在垂向上變化比較明顯，而在垂直河岸的水平方向變化不明顯。

（2）河岸帶 DOC，POC，MBC 占 TOC 的比例分別為0.42%～4.23%，10.8%～55.1%和6.74%～19.7%。土壤DOC所占比例整體上隨著土層的加深逐漸增大，而POC，MBC所占比例規(guī)律性不強。

（3）4 種類型河岸帶 DOC，POC，MBC 均與TOC、土壤TN，TP表現(xiàn)出極顯著或顯著正相關(guān)，而與土壤化學(xué)組分（Al，Mg，F(xiàn)e）的相關(guān)性較弱。