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

（河海大學環境學院，江蘇 南京，210098）

0 引言

隨著經濟的發展和資源的利用，土壤受到污染也日益加重[1]。土壤有機質作為土壤的重要組成一直是農學、林學和土壤學等學科的重要研究內容[2]，它不僅包含植物生長所必需的各種營養元素，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的循環與轉化[4]。在土壤TOC的組成中，有一部分TOC對外界環境變化響應十分敏感，可以用來表征土壤TOC的短期變化及質量特征，這部分碳就是活性有機碳，而活性有機碳的變化與周邊環境聯系密切[5-7]。

土壤活性有機碳在土壤中移動快、穩定性差、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、草原或農田生態系統[11-12]，而針對河岸帶生態系統的研究較少，尤其針對不同類型河岸帶土壤活性有機碳分布規律及其影響因素的研究更為少見[13]。河岸帶是水生態系統與陸地生態系統之間的生態交錯區[14]，是水陸生態系統之間物質、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循環[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 研究區域概況

苕溪流域位于浙江西北部，地跨杭州、湖州2市，流經安吉、長興、臨安、余杭、德清、湖州市區然后進入太湖。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，屬于亞熱帶季風氣候區。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、城鎮及工礦用地等[17]。研究區域和采樣點分布見圖1。

圖1 研究區域和采樣點分布

東苕溪介于東經 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 119°14′～120°29′以及北緯 30°23′～ 31°11′之間，發源于安吉縣永和鄉的獅子山，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）河岸帶設置采樣區，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的區域作為采樣點，每個小采樣區域內采集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

土壤基本理化性質的測定采用常規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篩的風干土樣10 g，按液、土質量比為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質量分數為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。然后置于油浴鍋內油浴加熱，最后用標準硫酸鹽溶液滴定。

1.3 數據處理

采樣圖的繪制使用CorelDRAW 12.0繪圖軟件；Pearson相關性分析和One-way ANOVA方差分析采用SPSS 17.0數據統計軟件，圖表制作采用O-rigin 8.0軟件。

2 結果與討論

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質量分數為90.3 mg/kg，在所有土層中最大，荒地河岸帶0～10 cm土層的DOC質量分數為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現，林地河岸帶各土層DOC質量分數的變幅最大，其范圍在46.8～90.3 mg/kg之間，荒地河岸帶各土層DOC質量分數變幅最小，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質量分數最大，為4.9 g/kg；草地河岸帶和耕地河岸帶0～10 cm土層POC質量分數其次，分別為3.1和2.5 g/kg；荒地河岸帶0～10 cm土層的POC質量分數最小，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最活躍且最易發生變化的部分，與土壤中C，N，P，S等養分元素關系密切[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質量分數為1 673 mg/kg，在研究區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碳質量分數次之，分別為1 065和938 mg/kg，荒地河岸帶0～10 cm土層MBC質量分數為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，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，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含量均呈現出先升高后降低的趨勢。這是由于河岸帶20～10 m的區域內植被密度較大，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區域內，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質量分數在距離河岸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處質量分數達到最高，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，研究區林地河岸帶土壤表層的POC質量分數在距離河岸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的方向上沒有表現出明顯的規律性。

研究區耕地、林地、草地河岸帶土壤表層的MBC含量在距離河岸20到1 m的方向上均呈現出先升高后降低的趨勢。其中，耕地河岸帶土壤表層的MBC質量分數在距離河岸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質量分數在距離河岸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質量分數在距離河岸 20，10，1 m 處分別為 817，1 050 ，970 mg/kg。此現象的原因是由于距離河岸帶20～10 m的區域內植被茂盛，土壤截留效果較好，使得MBC出現了累積，而10～1 m區域內植被變得稀疏，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，研究區除林地河岸帶80～100 cm土層出現減小的情況外，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較敏感。

土壤MBC占TOC比例是土壤碳庫質量的敏感指示因子，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出一致的變化規律，這與楊繼松等[25]對小葉章濕地土壤MBC分布特征的研究結果相同，反映了生物活性碳的復雜多變。

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系

土壤活性有機碳與土壤主要理化性質的相關系數見表2。

表2 土壤活性有機碳與土壤主要理化性質的相關系數

由表2可知，研究區各類型河岸帶DOC,POC和MBC與TOC,TN之間的相關性表現為極顯著水平，與TP之間表現為顯著相關。除了MBC與Fe的相關性不明顯，研究區DOC,POC均與Al表現出極顯著負相關,土壤DOC,POC與Mg存在顯著正相關。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性進行分析，結果表明：DOC，POC與土壤含水率表現出極顯著的正相關，而MBC與土壤含水率表現出顯著正相關性。表2還表明，MBC與土壤容重的相關關系不明顯，DOC，POC與土壤容重之間均表現出顯著負相關。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的明顯影響。

綜上所述，研究區各類型河岸帶DOC，POC，MBC與土壤TOC，TN表現出極顯著相關，這是因為土壤中的活性有機碳直接參與了土壤生物化學過程，某些活性有機碳與土壤有機碳處于動態平衡中，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]。研究區各類型河岸帶土壤DOC，POC，MBC與土壤TP之間表現出顯著正相關，這與趙銳鋒等[27]的研究相似，因為土壤C，P含量是衡量土壤質量的重要指標，直接影響河岸帶的初級生產力，兩者之間有密切的相互耦合關系。除了MBC，研究區DOC，POC與Al表現出極顯著負相關，與Mg表現出顯著正相關，且這3種活性有機碳與Fe均未表現出明顯的相關性，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、容重之間表現出來的相關性不一致，這與周莉等[29]的研究結果一致，說明土壤性質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 結論

在野外采樣和實驗室分析的基礎上，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境因子的相關關系。

（1）研究區各類型河岸帶 DOC，POC，MBC 含量均隨著土層深度的增加而不斷減?。辉谡麄€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的方向上均呈現出先增大后減小的現象。POC由于附著在土壤顆粒上，受地表徑流的影響較小，因而沒有表現出明顯的規律性?？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所占比例規律性不強。

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