中國東部土壤生物化學性質空間分異及質量評價

蔣俊，王曉學，屠乃美*，冼超凡，高婷，歐陽志云，鄭華

中國東部土壤生物化學性質空間分異及質量評價

蔣俊1，王曉學2，屠乃美1*，冼超凡2，高婷2，歐陽志云2，鄭華2

1. 湖南農業大學農學院，長沙 410128；2. 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085

中國幅源遼闊，南北跨度大，在自然氣候環境的影響和人為因素的干擾下，不同地區土壤養分和土壤微生物種類、數量存在顯著的空間差異，進而造成了土壤質量的空間差異。為了解中國東部天然林土壤養分和微生物多樣性空間分布規律，本研究依據水熱梯度變化特征采集了16個自然保護區52個典型森林土壤樣方，測定了土壤養分和微生物指標，包括pH值、有機碳、有機質、總碳、總氮、總磷、總鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮、土壤微生物宏基因組豐度和香農多樣性指數。研究發現，中國東部森林土壤養分含量較高，空間差異大，宏基因組香農多樣性指數變異系數為0.03，屬弱變異，速效磷變異系數為1.17，屬強變異。土壤養分(除總氮、總鉀外)、土壤微生物宏基因組豐度和香農多樣性指數與緯度呈顯著正相關。進一步采用主成分分析方法，得出了基于土壤養分和土壤微生物指標的土壤質量綜合評價指數。結果表明，1）中國東部森林土壤質量綜合指數與緯度呈顯著正相關關系。2）較高的土壤養分含量和微生物多樣性有利于提高土壤質量，它們在數值上表現為正相關關系，彼此之間存在一定的互作關系。本研究揭示了中國東部地區典型森林土壤養分、微生物多樣性和土壤質量空間分異規律，為了解中國東部森林土壤狀況以及土壤資源合理可持續利用與管理提供了科學依據。

天然林；土壤質量；土壤微生物；空間特征；主成分分析

土壤養分空間異質性是土壤的重要屬性之一（Burgess和Webster，1980）。氣候、母巖、海拔、降雨量、地形、植被、動物和微生物等方面的差異性，造成了不同地區土壤類型和結構的差異，最終導致土壤養分的差異。同時，由于土壤本身具有變異性，加上區域因素和人為因素的影響，即使同一類型土壤在不同時間和空間土壤養分也會存在差別。大部分土壤養分的變異系數屬于中等變異強度，并且存在明顯的空間自相關結構（胡克林等，2006；趙其國等，2002）。土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，是土壤中物質轉化和養分循環的驅動力，幾乎所有的土壤過程都與土壤微生物有直接或間接的關系（Lejon等，2005）。大量研究表明，森林土壤微生物及其生態功能變化是土壤質量演變的關鍵過程（Zak等，2003；Priha等，2001）。研究土壤養分和微生物的空間特征，對了解土壤的形成過程、結構和功能具有重要的理論意義（Rossi等，1991）。

土壤質量被定義為“特定類型土壤在自然或農業生態系統邊界內保持動植物生產力，保持或改善大氣和水的質量以及支持人類健康和居住的能力”（Doran和Parkin，1994）。可見其對可持續發展和維持土壤運行能力的重要作用。另外，土壤質量作為一種內在指標不能直接被人們認識，只有從一系列土壤性質的綜合評價才能被間接了解（張華等，2003）。當前，采用的綜合評價方法有聚類分析、因子分析、主成份分析和模糊綜合評判等（呂曉男等，1999）。評價指標體系包括物理、化學和生物學指標。但不同的土壤類型、不同的土地利用方式，對各指標的要求不一（盧鐵光等，2003）。土壤有機質是反映土壤質量的最重要的化學參數之一，是中國土壤質量評價中必須考慮的因子，它影響著土壤的結實度、脆弱性、營養保持能力、持水能力等土壤功能（Dumanskia和Pieri，2000；Carter，2002）。pH對土壤生物學性質和化學性質間的關系具有較強影響力（劉占鋒等，2006）。生物學指標一般選

表4 土壤質量綜合指數與土壤質量指標相關關系Table 4 Correlation Coefficients of Soil Quality Comprehensive Index and Soil Quality Indicators(n=52)

著緯度的增高而增加。王淑平（王淑平等，2002）等的研究顯示，在中國東北樣帶，森林土壤C、N、P在年降水量的驅動下，呈現東高西低的規律性變化。在中國南方地區雨水充足，降雨量大，增加了磷素和鉀素的淋溶喪失。另外，南方土壤類型中磷素和鉀素與粘土礦物之間化學作用使得磷素和鉀素更易與土壤中的金屬元素緊密結合。

土壤養分的變異性受海拔高度、植被類型、土壤類型等多種因素的影響。本研究中AP變異系數為1.17，屬強度變異，其他養分指標均為中等程度變異。這可能是因為中國東部地區土壤普遍偏酸性，AP能與活性鋁、鐵、磷酸鈣形成磷酸鋁鐵沉淀。另外，在強酸性的土壤中由于有大量的三氧化二鐵存在，會形成膠膜包被在磷肥的表面形成閉蓄態磷。

3.1.2 土壤微生物空間分布特征

土壤養分是土壤微生物生存的物質基礎，土壤有機質是土壤微生物的C源和N源（王長庭等，2010）。土壤養分的豐富度和成分決定了土壤微生物的種類、數量及比例的消長（Attiwill和Adams，1993）。何友軍（何友軍等，2006）等研究表明，土壤微生物量碳與TN、銨態氮、TK和AK呈極顯著的正相關。徐華勤（徐華勤等，2007）等研究發現：土壤微生物量碳、氮與SOC、TN、AHN顯著正相關。趙彬（趙彬等，2011）等的研究則表明，土壤微生物生物量與SOC和pH呈顯著正相關。鐘芳（鐘芳等，2010）的研究也有相似結果。因此，土壤養分含量是造成土壤微生物多樣性隨緯度升高而增加的主要因素。

3.1.3 土壤質量綜合指數特征

如何選擇土壤質量指標和如何科學合理地確定單項肥力指標的權重系數是土壤質量綜合評價中的關鍵問題。評價方法分為定性評價和定量評價，定量評價應用較廣（黃勇和楊忠芳，2009）。本研究采用的是定量評價中的土壤質量綜合指數法。結果表明，中國東部森林土壤質量綜合指數與緯度、土壤養分(除TK外)、微生物多樣性指數呈顯著正相關關系。這是因為中國北方地區植物凋落物總量大、降雨少，土壤養分存儲豐富且流失較少。

另外，土壤養分和微生物之間的互作關系有助于提高土壤質量。土壤微生物作為土壤生態系統中養分源和匯的一個巨大原動力，在植物凋落物的降解、養分循環與平衡、土壤理化性質改善中起著重要的作用（孫波等，1997）。高質量的土壤具有穩定的微生物群落組成和結構、高微生物多樣性及良好的微生物活性。

3.2 結論

本文通過對中國東部天然林土壤養分、微生物多樣性空間特征和土壤質量進行研究，得出以下結論：中國東部森林土壤養分含量較高，空間差異大；宏基因香農多樣性指數為弱變異，速效磷為強變異。土壤養分(除TN、TK外)、土壤微生物多樣性和土壤質量綜合指數與緯度呈顯著正相關。土壤養分和微生物多樣性對提高土壤質量存在一定的互作關系。

本研究沒有檢測土壤的物理指標，以至于不能全面系統的對土壤質量進行評價。但就土壤質量綜合指數與土壤質量指標相關結果而言，土壤養分和微生物多樣性指標基本能反映土壤質量狀況。

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Spatial variation of the biochemical property of soil and quality evaluation for the soil in eastern China

JIANG Jun1，WANG Xiaoxue2，TU Naimei1*，XIAN Chaofan2，GAO Ting2，OUYANG Zhiyun2，ZHENG Hua2
1. College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

China covers a territorial scope at large scale with a long distance from north to south. There exist obvious spatial differences between soil nutrition, and the species and amount of soil microorganisms under the impacts of climatic and anthropogenic factors, which then cause to the spatial differences of soil quality. In order to explore the spatial distribution of soil nutrient and microbial diversity of the virgin forests in the eastern China, the soil samples were collected from 16 natural reserves including 52 typical forests, basing on the characteristics of the changes of water thermal gradient. Some indexes of soil nutrient and microorganism were measured which include pH, organic carbon, organic matter, total carbon, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus, available potassium, alkaline hydrolysis nitrogen, the Gene richness and Shannon's diversity index of soil microorganism. The research found out that the nutrient content of forest soil in Eastern China is higher with great spatial differences, and the Shannon's diversity index of the soil microorganism (0.03) varied weakly but the index of rapidly available phosphorus (1.17) varied strongly. The latitude has positive correlation with the soil nutrient content (except the total nitrogen and potassium), the gene richness and Shannon's diversity of soil microorganism. The Principal Component Analysis would be applied further to work out the integrated evaluation indexes of soil quality based on the index of the soil nutrient and microorganisms. The results showed: 1) The soil quality integrated indexes of the forests in the Eastern China have positive correlation with the latitude; 2) The higher soil nutrient content and the diversity of soil microorganism contribute to the improvement of soil quality, and the numerical values of them have positive correlations with each other, which means that there may exit interaction between them. The research reveals the spatial variation of soil nutrient, microbial diversity and soil quality of typical forests in Eastern China, which provides the scientific supports for the cognition of the forest soil conditions in Eastern China and the sustainable use and management of soil resources.

virgin forest; soil quality; soil microorganism; spatial distribution; the principal component analysis

S154.2

A

1674-5906（2014）04-0561-07

蔣俊，王曉學，屠乃美，冼超凡，高婷，歐陽志云，鄭華. 中國東部土壤生物化學性質空間分異及質量評價[J]. 生態環境學報, 2014, 23(4): 561-567.

JIANG Jun，WANG Xiaoxue，TU Naimei，XIAN Chaofan，GAO Ting，OUYANG Zhiyun，ZHENG Hua. Spatial variation of the biochemical property of soil and quality evaluation for the soil in eastern China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(4): 561-567.

國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2009CB421105)

蔣俊（1987年生），男，碩士研究生，研究方向：土壤微生物生態。E-mail: 379354956@qq.com *通訊作者；E-mail: tnm505@163.com

2014-01-09