天津農田土壤碳氮含量及其同位素組成的空間分布

彭瀟賢，薛冬梅，王義東，楊夢凡，王中良

（1.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津300387；2.天津師范大學 地理與環境科學學院，天津300387；3.天津城建大學 環境與市政工程學院，天津300384）

土壤碳氮作為全球碳氮循環的重要組成部分，在生態系統中扮演了重要角色，其中土壤有機碳是評價土壤肥力的重要指標之一，會影響土地生產力及可持續利用性[1]；氮素是植物生長所需的一種元素，總氮含量可以反映土壤潛在的供氮能力[2].由于受到強烈的人為干擾，農田生態系統中土壤碳氮含量的消長除了受到自然因素（氣候、植被、土壤質地及其理化性質、微生物群落及其活動狀況等）的影響，還與人為因素（土地利用方式和農田管理措施，如施肥、秸稈還田和輪作類型等）密切相關[2-3]，因此研究農田土壤的碳氮循環過程對提高土壤質量及農業的可持續發展具有重要意義.

作為天然的示蹤物，穩定碳、氮同位素具有安全、無污染和易控制等優點，二者的穩定同位素組成δ13C（δ13C（‰）=[（R樣品/R標準）-1]×1 000，R=13C/12C）和δ15N（δ15N（‰）=[（R樣品/R標準）-1]×1 000，R=15N/14N）已被廣泛用于判斷和研究有機碳氮的來源、分解及周轉過程[4-5]，成為研究碳氮生物地球化學循環和土壤生態系統的主要手段和最科學有效的方法之一[6-7].目前，國外有機碳氮同位素的研究對象多為濕地土壤[8-9]，而國內的研究區域大多集中于黃土高原、荒漠草原和喀斯特地區等[10-12]，對農田土壤碳氮同位素的研究報道相對較少.天津作為我國華北地區重要的糧食生產基地之一，地理區位、自然成因和氣候條件特殊，具有地下水埋深淺及礦化度高的特點，鹽分隨著地下水的徑流和滲透聚積等發生淋溶和移動，加速了土壤的鹽漬化現象[13]，影響了該區的農業生產.本研究以天津農田土壤為研究對象，在空間尺度上對土壤中有機碳和總氮含量及其穩定同位素組成（δ13C和δ15N）特征和分布規律進行分析，探討了土壤質地和土壤鹽堿化特征對土壤碳氮分布的影響，以期為研究該區農田土壤質量及碳氮循環的影響提供科學的理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天津的地理位置為38°33′N～40°14′N，116°42′E～118°03′E，處于華北平原東北部，海河流域下游，東臨渤海，北靠燕山.年平均氣溫12～13℃，年蒸發量（1 640 mm）大于年降水量（522～663 mm）[14].地勢西北高，東南低，土壤質地也由西北向東南逐漸變細.此外，由北至南主要分布著棕壤和褐土（薊州區）、潮土（寶坻區、武清區、寧河區和靜海區等）以及濱海鹽土（塘沽區、漢沽區和大港區）[15].

1.2 樣品采集

天津農田的土壤類型主要為棕壤、褐土、潮土和濱海鹽土[16]，且相對集中在平原地區，其中78.4%面積的農田土壤分布于薊州區、寶坻區、武清區、寧河區和靜海，6.5%的農田土壤分布在塘沽區、漢沽區和大港區[17].作為污水灌溉的主要地區之一，天津于“十一五”期間完成了全市的污水處理廠升級改造工作，用于農業灌溉的水質因此發生變化，進而對農田土壤的可持續利用產生影響.根據天津市農田分布特征，于2013年（“十一五”之后）5月（春季）和11月（秋季）由北至南分別在薊州區、寶坻區、武清區、寧河區、靜海區和大港區選取了8個代表性采樣點，采集農田土壤樣品時要注意避免在路邊和溝邊等地，同時采樣點要設定在距離公路100 m以外的位置（因薊州區北部靠近山區，樣點適當加密），研究區及8個采樣點的位置如圖1所示.圖1中每個采樣點隨機選取3個土壤剖面，利用荷蘭制土鉆（Eijkelkamp）采集0～20 cm和20～40 cm共2層土壤樣本，隨后將3個剖面中同一層的土壤混合為一個樣品，置于自封袋帶回，于室內陰涼處自然風干，剔除草根等雜物，采用四分法研磨過篩（100目），充分混勻后，密封保存，備用.

圖1 研究區及土壤采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of the studied area and soil sampling points

1.3 測定方法

采用便攜式分析儀（OrionStarA329）測定土壤鹽度和pH值；采用離子色譜儀（ICS-2100）測定SO42-和Cl-的質量分數；利用酸堿滴定法測定土壤提取液中HCO3-的質量分數；采用電感耦合等離子體發射光譜測定陽離子K+、Ca2+、Na+和Mg2+的質量分數；利用激光粒度分析儀（MS3000，英國）測定土壤粒徑；采用pH、鈉吸附比（sodium adsorption ratio，SAR）、代換性鈉比（exchangeable sodium ratio，ESR）和堿化度（exchangeable sodium percentage，ESP）表征土壤的堿化特征[18]；采用有機元素分析儀（Vario MACROcube）測定土壤中總有機碳（SOC）和總氮（TN）的含量（質量分數）及其同位素組成.

1.4 數據分析

利用SPSS17.0進行相關分析，使用Origin2017軟件制圖.

2 結果與討論

2.1 土壤基本理化性質

2.1.1 土壤含鹽量及堿化特征

天津北部、中部和南部的土壤鹽度范圍分別為0.2‰～0.6‰、0.4‰～1.0‰和0.5‰～1.2‰，對照鹽土重量比的劃分標準[19]，北部和中部農田土屬于非鹽漬化土壤，南部農田土屬于輕度鹽漬化土壤.北部土壤的堿化參數為6.9

2.1.2 主要離子組成的變化特征

天津不同空間農田土壤的主要離子組成如圖2所示.

圖2 農田土壤主要離子組成的三角圖Fig.2 Triangular diagrams of major ion compositions in agricultural soil

由圖2可以看出，土壤中陽離子的分布呈現自北向南以Ca2+和Mg2+占相對優勢向K+和Na+主導的類型演變，陰離子組成以HCO3-和SO42-為主導，空間變化不明顯；亞表層和表層的離子分布特征無明顯差異.這種由北至南的區域性差異可能與成土母質和地下水離子的組成以及環境條件的差異有關[17].

2.1.3 土壤粒徑特征

根據溫德華粒度分級標準[21]，天津北部表層土壤中砂粒、粉粒和粘粒的質量分數分別為38.8%～68.9%、27.0%～51.5%和4.1%～11.0%；亞表層土壤中砂粒、粉粒和粘粒的質量分數分別為39.3%～61.3%、33.6%～48.5%和5.2%～12.2%.中部表層土壤中砂粒、粉粒和粘粒的質量分數分別為17.4%～51.3%、41.7%～58.7%和6.8%～26.5%；亞表層土壤中砂粒、粉粒和粘粒的質量分數分別為4.9%～57.2%、37.9%～66.2%和5.0%～33.1%.南部表層土壤中砂粒、粉粒和粘粒的質量分數分別為5.8%～8.1%、65.7%～71.0%和23.7%～26.2%；亞表層土壤中砂粒、粉粒和粘粒的質量分數分別為5.9%～6.5%、70.0%～71.5%和22.0%～24.1%.天津不同區域土壤顆粒的粒徑分布具有明顯的空間分異特征，具體表現為土壤顆粒由北至南逐漸變細，由富含砂粒向富含粉粒演變；與表層相比，亞表層土壤顆粒趨于變細，砂粒所占比重相對下降，但北、中、南部土壤各粒徑的變化幅度有所差異.粒徑分布的空間差異與成土母質、土壤類型和地形等自然因素密切相關，同時也受到耕作等人類活動的影響[22].

2.2 農田土壤碳氮含量

不同空間農田土壤碳氮含量分布如圖3所示.

圖3 農田土壤碳氮含量散點圖Fig.3 Scatter plot of carbon and nitrogen content of agricultural soil

自北向南的土壤樣點中，表層及亞表層的有機碳與總氮含量呈極顯著線性正相關（y=9.008 4x+1.907 4，R2=0.933 9，P＜0.01）.在土壤有機碳庫中儲存著大部分氮素，因此土壤有機碳與總氮含量密切相關[23].表層有機碳的質量分數為4.1‰～14.7‰，總氮的質量分數為0.3‰～1.4‰；亞表層有機碳的質量分數為4.1～8.9‰，總氮的質量分數為0.2‰～0.9‰.與亞表層相比，表層土壤碳氮的質量分數相對較高.土壤有機碳的來源主要包括作物根系、動植物殘體和土壤微生物的分泌排泄物質[24].對于農田生態系統，施肥也是影響有機碳質量分數的重要因素，一方面有機肥的施用會直接增加外源碳的輸入，另一方面施肥可以提高作物產量和農業生產力，通過影響作物殘茬歸還改變有機碳的的質量分數[25].與亞表層相比，表層土壤具有較多的農田凋零物，作物根系較為密集，生物量相對較高，因此表層土壤有機碳的質量分數相對更高.與其他陸地生態系統相比，農田生態系統受到的人為擾動更加明顯，施肥和秸稈還田等農田土壤管理措施通過改變地上/地下植物殘留物輸入、分解者的群落等級和結構影響農田土壤有機物的質量分數，且隨著時間的推移，農田土壤有機碳通過不斷地轉移和固定影響著土壤的周轉過程.期間伴隨著土壤的團聚化、腐殖化和礦化等，進一步影響著土壤結構（土壤團聚體）以及土壤碳的平衡[26].不同南北位置的土壤鹽堿化程度不同，其對應的土壤質地、理化性質及適耕農作物種類均有差異，施肥、灌溉和耕種帶來的影響也有所不同.因此，不同區域農田土壤有機碳的質量分數，特別是表層土壤有機碳的質量分數是眾多因素綜合作用的結果.

2.3 農田土壤有機碳與δ13C值組成變化

圖4為不同空間農田土壤有機碳與碳的穩定同位素組成δ13C的分布情況.

圖4 農田土壤有機碳與δ13C散點圖Fig.4 Scatter plot of organic carbon andδ13C in agricultural soil

由圖4可知，表層土壤和亞表層土壤中有機碳的δ13C分別為-23.8‰～-20.3‰和-23.3‰～-18.4‰.與亞表層相比，表層土壤有機碳對應的δ13C相對較低，這一現象可能是因為在有機碳的分解過程中，富含12C的較輕組分被優先分解，造成殘留物中13C富集，導致δ13C有所上升[27].研究表明，土壤有機碳含量的對數值與其δ13C值具有顯著相關關系[28]，利用最小二乘法（ordinary least squ-ares，OLS）對二者進行回歸計算，定義回歸方程的斜率為β值.β值可以用來指示有機碳的分解速率，β值越小，土壤有機碳的分解速率越高；β值越大，土壤有機碳的分解速率越低[29].表1為北、中、南部表層和亞表層土壤有機碳含量的對數值及其δ13C的回歸計算值.

表1 北部、中部和南部農田土壤的β值Tab.1 βvalue of agricultural soil in north，central and south

由表1可知，北部亞表層土壤有機碳含量的對數值與δ13C值呈現出顯著負相關關系（P<0.05），其余各層土壤有機碳的對數值與δ13C值的相關程度雖沒有表現出顯著性.但北部和中部表層以及南部亞表層土壤有機碳的對數值與δ13C值均呈負相關，而中部亞表層和南部表層與δ13C值表現為正相關.β值的差異表明各地各層有機碳的分解速率不同，造成這種差異的原因可能是成土母質及土地利用方式的不同[30].

由于光合作用的類型和途徑不同，陸生植物主要分為C3型和C4型植物，C3型植物的δ13C為-34.0‰～-22.0‰，均值為-27.0‰；C4型植物的δ13C為-19.0‰～-9.0‰，均值為-13.0‰[31-32]，2種植物類型的δ13C存在明顯差異.土壤有機質主要由植物的凋落物以及根、莖、葉等有機殘體逐漸分解、轉化和積累而來，因此土壤有機碳的δ13C與作為該有機碳來源的植被的δ13C具有相似的變化范圍[33]，土壤表層有機碳的δ13C值可能較植物的δ13C略高0.5‰～1.5‰[34-35].由于不同區域的植被類型和土壤條件存在差異，對植物殘體的分解程度以及同位素分餾效應具有不同影響.因此，北、中、南部的表層土壤中，δ13C分別為-23.7‰～-18.4‰、-23.7‰～-21.3‰和-23.8‰～-20.2‰，呈現出一定的區域差異.

2.4 農田土壤總氮與δ15N值組成變化分析

圖5為不同空間農田土壤總氮與δ15N的分布情況.

圖5 農田土壤總氮與δ15N散點圖Fig.5 Scatter plot of total N andδ15N in agricultural soil

由圖5可知，表層土壤和亞表層土壤中總氮的δ15N分別為1.3‰～6.0‰和1.5‰～5.9‰，2層土壤剖面的δ15N接近.亞表層土壤總氮與其δ15N間呈極顯著正相關（y=0.096 2x+0.159 5，P<0.01）.2層土壤剖面不同區域的δ15N也表現出不同的分布差異，與中部和南部表層相比，北部表層土壤的δ15N波動較大；與北部和南部亞表層相比，中部亞表層土壤的δ15N波動較大.

農田土壤的氮循環包含眾多的生物化學過程，其中生物固氮、大氣氮沉降和氮肥的施用可劃分為氮的輸入環節，分解、礦化和硝化作用歸為氮的轉化，反硝化、氨的揮發、氮的淋洗損失和徑流損失則為氮的輸出過程，在這些生物化學過程中均有可能發生氮的同位素分餾[36].在氮輸入的主要途徑中，生物固氮產生的氮同位素分餾很小，多數人認為其分餾系數一般為0[37]，因此可以近似忽略.大氣氮沉降分為氮干沉降和氮濕沉降，主要以大氣硝態氮、大氣銨態氮和大氣有機氮3種形式存在.在農田生態系統中，氮沉降以銨態氮為主，其沉降量是硝態氮的2倍[38-39].大氣氮沉降對農田土壤的影響取決于沉降形式、降雨量和農作物對氮的需求量、人為活動及土壤理化性質等.有機肥和無機肥的施用及其配比不同，所產生的氮同位素分餾效應也不同，施用有機肥會增加土壤δ15N，而施用無機肥則會降低土壤δ15N；且有機肥施用比例越大，土壤δ15N越大[36].在轉化和輸出環節中，礦化、硝化和反硝化作用均會產生較大的氮同位素分餾效應，一般情況下，14N優先參與反應，造成剩余反應物中15N富集，而產物中14N富集[40].因此，在氮素循環的一系列生物化學反應過程中分餾特征均有所不同，且不同環境下δ15N的本底值存在差異.同時在土壤剖面中，隨著深度的變化，其相應的微環境條件如溶解氧、pH值、微生物種類和活性等均可能發生改變，這些環境條件對土壤腐殖化和腐殖質礦化等都會產生綜合作用，從而影響氮在土壤剖面中的分布和遷移轉化.

2.5 土壤碳氮及其δ13C和δ15N與環境因素的響應關系

天津北部、中部和南部0～40 cm土壤碳氮及其δ13C和δ15N與環境因素的相關性分析如表2所示.

表2 北部、中部和南部農田土壤碳氮及其δ13C和δ15N與環境因素的相關性分析Tab.2 Correlation analysis of agricultural soil carbon and nitrogen and its 13C and 15N with environmental factors in north，central and south

由表2可以看出，北部土壤的有機碳和總氮均與鹽度呈顯著正相關（P＜0.05），鹽度不僅會改變植物在生長季的土壤環境，還會影響土壤中微生物的種群及數量，進而改變植物對有機碳氮的合成和需求[41].中部及南部的總氮與pH值呈顯著負相關（P＜0.05），南部土壤的有機碳也與pH值呈極顯著負相關（P＜0.01）.土壤pH值的高低會影響微生物的種類和活性及有機物的分解過程[3]，pH值為5～8尤其是中性偏堿有利于有機物腐解[27]，pH值過高（>8.5）會抑制大多數微生物的活動及繁殖[42].中部土壤pH均值為8.6，最大值為9.1；南部土壤pH值均值為8.9，最大值為9.8.因此，中部及南部的高pH值會降低微生物活性，導致土壤有機碳氮周轉減弱，不利于有機質的積累.

與δ15N相比，δ13C與環境因素間的相關性更高，北部和中部的δ13C均與土壤質地表現出顯著相關，其中北部的δ13C與黏粒呈極顯著正相關（P＜0.01），與砂粒呈顯著負相關（P＜0.05）；中部的δ13C與黏粒和粉粒呈顯著負相關（P＜0.05），與砂粒呈極顯著正相關（P＜0.01）.通常認為土壤富含粗粒的部分較黏粒δ13C總體偏低[43]，北部土壤δ13C和土壤質地的相關性與這一結論一致，但中部土壤表現出相反的相關性，這可能與該區域具體的農田管理措施有關.

3 結論

通過在天津主要農田地區采集表層和亞表層土壤，分析天津農田土壤的土壤性質、鹽堿化特征以及有機碳氮和穩定碳氮同位素組成的空間分布，得到以下結論：

（1）天津農田土壤在鹽堿化程度、主要陰陽離子分布特征以及土壤粒徑組成方面均呈現明顯的空間差異及變化規律，主要表現為土壤鹽漬化和堿化程度自北向南逐漸增加，亞表層堿化度普遍高于表層；陽離子空間分布差異明顯，陰離子組成變化不明顯，表層和亞表層的離子組成無明顯差異；土壤粒徑自北向南逐漸變細，亞表層比表層粒徑更細.

（2）北部、中部和南部的表層及亞表層土壤中的有機碳及總氮含量均具有極顯著相關性.與其他陸地生態系統相比，強烈的人為活動及農田管理措施（有機和無機肥料的施用、秸稈還田、灌溉和耕作等）不僅會直接影響農田生態系統中有機碳和總氮的輸入量，還會通過改變土壤理化性質（土壤團聚體、孔隙度和含水量等）、地上作物和地下根系的生長以及微生物群落結構和活性等方面影響土壤碳氮循環及其穩定同位素組成.