典型巖溶流域不同土地利用類型土壤腐植酸與鈣的關系

吳麗芳，倪大偉，王妍，2*，劉云根，2，王艷霞

（1.西南林業大學生態與環境學院，昆明 650224；2.云南省山地農村生態環境演變與污染治理重點實驗室，昆明 650224；3.深圳衡偉環境技術有限公司，廣東深圳 518000）

腐殖質是土壤有機質的主要組分[1]，其組成和性質受生物氣候條件的影響顯著，不同土地利用類型土壤腐植酸的組成和性質存在差異，同一地區的土壤腐植酸的組成和性質也隨土壤發育程度的不同而存在差異，可以反映土壤的形成條件和演化過程，是判別土壤類型的有效診斷指標[2-4]。根據腐殖質溶解性特點，土壤腐殖質可分為水溶性有機質（Water-soluble organic matter，WSOM）、胡敏酸（Humic acid，HA）、富里酸（Fluvic acid，FA）和胡敏素（Humin，HM）4 個組分，其中腐植酸（WSOM+HA+FA）的組成最為復雜，能夠影響和控制水體中營養鹽、重金屬和持久性有機污染物的遷移和轉化，進而影響其毒性和生物可給性，同時HA 和FA 是土壤腐殖質的最重要成分，在改善土壤團粒、保持和提高土壤肥力等方面具有重要作用[5-8]。目前，國內外對森林、草甸、農田、濕地等不同土地利用類型土壤的腐植酸研究已有大量報道[3，9-12]，主要集中在施肥條件、不同植被群落變化等對土壤腐殖質的含量及其特性等方面的影響，而針對巖溶地區土壤腐植酸的研究卻鮮有報道。

普者黑流域位于滇東南巖溶區，地處云貴高原向桂西平原的斜坡地帶，其生態系統脆弱，災變承受能力低，環境容量小，因而成為典型的生態脆弱區[13]。巖溶區碳酸鹽巖成土背景的特殊性，導致土壤富鈣[14]。鈣作為碳酸鹽巖液相與固相交換的重要介質之一，是決定沉積、巖石溶解、土壤理化指標及水化學特征等的重要元素，驅動并制約著巖溶環境的元素遷移。因此研究巖溶土壤有機碳與鈣的關系，直接影響到喀斯特土壤生態系統的平衡，對于探討巖溶地區的土壤有機碳穩定機理具有重要的科學意義[15-16]。徐建民等[17]的研究表明土壤松結態腐殖質的量與交換性鈣呈極顯著負相關，穩結態腐殖質則與交換性鈣呈極顯著正相關。陳家瑞等[18]的研究表明土壤鈣及其各形態均與土壤有機碳總量、胡敏酸、胡敏素呈正相關關系，與富啡酸呈負相關關系。近年來，倪大偉等[19-20]和詹乃才等[21-22]對普者黑巖溶流域不同土地利用類型土壤做了大量工作，主要集中在土壤、植物的鈣與磷分布特征等方面，鮮有關于土壤腐植酸含量分布與結構特征的相關探索。為此，本研究以普者黑典型巖溶流域不同土地利用類型為對象，研究流域內5種土地利用類型不同深度土壤中腐植酸與鈣的關系，以期闡明普者黑巖溶流域內有機碳庫的分布規律以及土壤腐植酸與鈣的相關關系，并為從物質結構的角度了解流域內土壤碳的循環提供基礎數據，為普者黑流域生態系統的穩定和石漠化治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于云南省文山州丘北縣境內的普者黑濕地公園開發區附近（104°06′E、24°08′N，見圖1），該區域屬亞熱帶季風氣候，全年溫和濕潤，平均氣溫16.4 ℃，年平均降雨量1 206.8 mm，年平均日照時數1 800 h，年相對濕度77%，無霜期259 d，平均風速2.0 m·s-1。

普者黑巖溶流域位于滇東南巖溶區（103°55′～104°13′E，24°05′～24°12′N），地處云貴高原向桂西平原的斜坡地帶，屬于普者黑巖溶盆地，盆地內廣泛分布著古生代石炭系、二疊系和中生三疊系灰巖，盆地東部邊緣有部分碎屑巖分布，為中低山剝蝕地貌，地形坡度一般為20°～25°。普者黑流域水域面積為13.00 km2，流域內土壤以石灰土為主，石灰土受巖溶山地母巖的影響，土壤結構較好，肥力較高。普者黑流域因其國內罕見的水文地質條件在西南部地貌中極具代表性，是非常典型的生態脆弱區。

1.2 樣品采集與處理

圖1 采樣地理位置示意圖Figure 1 The diagram of sampling site

采樣選用典型樣地取樣法，依據《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2007），并結合研究區內各土地利用類型的特點，將巖溶小流域劃分為裸地（表層有巖石、石礫，基本無植被覆蓋的土地，且坡度大于40°）、林地（大量人工林和天然林覆蓋的水土涵養區）、旱地（屬于林地下面的沖積地塊，土壤肥沃，無灌溉設施，主要靠天然降水種植旱生農作物的耕地）、水田（用于種植水稻等水生農作物的耕地）及濕地（位于水田下游的巖溶湖濱帶）。不同土地利用類型不同深度土壤有機碳（SOC）與鈣含量分布規律如表1[19]所示。

根據采樣現場的調查結果，分別選取5 種土地利用類型中典型且有代表性的樣地，在每種土地利用類型樣地內隨機設置3 個20 m×20 m 的樣方，每個樣方內按S 型布點法選取3 個采樣點，采樣時先將土體表面枯枝落葉和腐殖質去除，挖取土壤剖面，采集表層（0～10 cm）、亞表層（10～20 cm）土壤樣品，在采樣現場按土層將各樣方內采集的3 個土樣混合均勻制成一個土樣，立即裝入密封袋。將采集好的土樣帶回室內，待土樣自然風干后，磨細過20目（0.83 mm）和100目（0.15 mm）篩備用。

1.3 測定方法

土壤腐植酸提取參照Song等[23]改進的提取方法，具體步驟：取1 g 土壤干樣，加入50 mL H2O 振蕩離心過濾，此上清液為WSOM；對殘渣加入50 mL NaOHNa4P2O7（pH=13）混合溶液，振蕩離心過濾，此上清液為酸堿提取態有機質（HE）；取20 mL HE（pH 為1.0～1.5）溶液，靜置8 h 后，離心過濾，上清液為松結合態有機質FA，沉淀為緊結合態有機質HA。WSOM、HE、FA 含量均采用TOC 分析儀（Apollo 9000 Combustion TOC Analyzer）測定，HA含量=HE含量-FA含量。

表1 5種土地利用類型土壤有機碳與鈣的分布（mg·kg-1）Table 1 The soil organic carbon and total calcium and calcium fractions under five land-use types（mg·kg-1）

全鈣含量采用鹽酸-硝酸-高氯酸消解制備待測液，各形態鈣含量采用BCR 連續提取法制備待測液，用電感耦合等離子體光譜儀測定；有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-比色法測定。

1.4 腐植酸的表征

利用傅里葉變換紅外光譜儀（安捷倫640-IR型），采用KBr混合壓片法，在4 000.0～500.0 cm-1掃描范圍內對5 種土地利用類型土壤腐植酸進行紅外光譜分析。

1.5 數據處理

實驗數據采用Excel 2007、SPSS 21.0、Canoco 5.0進行統計分析和顯著性檢驗，并采用Origin 2018進行繪圖。其中，土壤腐植酸各組分的顯著性差異采用單因素方差法（One-way ANOVA）進行分析，并通過LSD 法進行顯著性多重比較，差異顯著性水平為α=0.05。土壤腐植酸與鈣的關系在Canoco 5.0軟件中進行分析，將5 種土地利用類型土壤有機碳及腐植酸各組分作為物種因子，將土壤全鈣及各形態鈣作為環境因子，進行冗余分析。

2 結果與討論

2.1 不同土地利用類型土壤腐植酸含量分布特征

WSOM 是有機質中較為活躍的組分，是微生物生長的速效基質，其含量高低直接影響土壤微生物的活性和數量[24]，研究區內5 種土地利用類型表層與亞表層土壤中WSOM含量的變化規律見圖2A，整體來看，5種土地利用類型土壤中WSOM 含量均為表層＞亞表層，且差異顯著（P＜0.05），裸地、林地、旱地、水田、濕地土壤中WSOM 含量（表層與亞表層平均值）分別為141.67、246.16、460.99、445.27、314.88 mg·kg-1，從裸地到濕地，WSOM 空間變幅較大（P＜0.05），旱地土壤中的WSOM 含量最高，為裸地的3.25 倍。土壤WSOM是水環境中微生物可直接利用的有機碳源，在沉積物中移動較快，易礦化分解，并且可以在水-沉積物界面通過濃度差進行擴散[25]，裸地由于其特殊的地理位置，土壤中WSOM 因常年的雨水沖刷作用被帶到了下游，此外，濕地土壤中的WSOM 含量顯著低于水田和旱地，水田下游的湖濱濕地生長著大量的濕地植物，張博等[25]研究表明，水生植物的生長有利于WSOM的轉化。

圖2 5種土地利用類型土壤腐植酸各組分含量隨土層深度的變化Figure 2 Changes in soil humic acid content with soil depth under five land-use types

FA 是含有氨基、羧基、羥基和甲氧基等多種官能團的非均勻有機混合物，具有較強的絡合、吸附和氧化還原能力[26]。5種土地利用類型表層與亞表層土壤中FA 含量的變化規律見圖2B，其中裸地、林地、旱地土壤中FA含量均表現為表層＞亞表層，且差異顯著（P＜0.05），水田和濕地表層與亞表層土壤中FA含量無差異。裸地、林地、旱地、水田、濕地表層與亞表層土壤中FA 平均含量分別為1 714.76、4 599.66、6 823.44、3 031.91、3 805.52 mg·kg-1，從裸地到濕地，FA 含量空間變幅較大（P＜0.05），與5 種土地利用類型土壤中WSOM 不同的是，林地土壤中FA 含量顯著大于水田和濕地，這與HA、FA 的形成過程有關，輸入土壤中的有機質首先形成分子量較大的HA，然后在微生物作用下分解成FA[27]，另結合圖2C可以發現，林地土壤中HA 含量反而小于水田和濕地，因此可以推測林地作為水土涵養區，土壤微生物的活性和數量較水田和濕地高。

HA 是土壤腐植酸的重要成分，其含量及組成特性能夠反映土壤腐殖質的類型及性質[28]，5 種土地利用類型表層與亞表層土壤中HA 含量的變化規律見圖2C，其中裸地、林地、旱地、水田土壤中HA 含量均表現為表層＞亞表層，而濕地土壤中HA含量表現為表層＜亞表層，這是由于濕地亞表層水體相較于表層擾動較小，導致排水不暢或澇漬，有利于HA 的累積[29]。裸地、林地、旱地、水田、濕地表層與亞表層土壤中HA 平均含量分別為：538.69、4 290.94、6 005.54、5 231.54、5 886.62 mg·kg-1，與WSOM、FA 不同的是，旱地、水田、濕地土壤中HA 含量差異較小；與WSOM、FA 分布相同的是，旱地土壤中HA、FA、WSOM 含量均大于其他4 種土地利用類型（P＜0.05），這可能與旱地作為典型的沖積地塊，大量有機質匯聚在此有關。

腐植酸是土壤腐殖質中可提取的部分，由WSOM、HA 和FA 組成。腐植酸中存在多種官能團，能夠影響和控制水體中營養鹽、重金屬和持久性有機污染物的遷移轉化，進而影響其毒性和生物可給性[30-31]。不同土地利用類型下，因土壤有機物的數量和成分各異，土壤有機碳的儲量和分布狀況也存在顯著差異[32]。由圖2可見，5種土地利用類型土壤中腐植酸含量（WSOM、HA、FA 三者含量之和）的大小依次為旱地（13 289.97 mg·kg-1）＞濕地（10 007.02 mg·kg-1）＞林地（9 136.76 mg·kg-1）＞水田（8 708.72 mg·kg-1）＞裸地（3 395.13 mg·kg-1）。5種土地利用類型土壤WSOM、HA、FA 含量的空間變幅均較大（P＜0.05），且表層＞亞表層（P＜0.05），這主要是因為土壤表層存在大量有機物質來源，此外，5 種土地利用類型中，林地土壤WSOM、HA、FA 含量從表層到亞表層的降幅較大，是因為林地的環境特點所致，土壤腐殖質通常聚積在林地土壤表層，下層腐殖質含量急劇減少[33]。5 種土地利用類型土壤腐植酸占有機碳的比例差異較大（表2），總體上高于賈重建等[34]研究的廣東省3 種不同發育的土壤腐植酸占有機碳的比例，這可能是因為腐殖質的形成過程受巖溶區土壤的微堿性反應和Ca2+的影響；另外，土壤腐殖質分解速率慢一方面是因為微生物難以利用，另一重要原因是腐殖質與金屬離子或土壤膠體緊密結合形成復合體，對腐殖質產生了物理性保護[35-36]。本研究水田土壤腐植酸占有機碳的比例最小（表2），可能是因為水田土壤腐植酸的物理結構以及合成腐植酸的土壤微生物受長期耕種及人為活動的影響，腐植酸被分解成為CO2而釋放出來。

表2 5種土地利用類型土壤腐植酸各組分占有機碳的比例（%）Table 2 The ratios of soil humic acids to soil organic carbon under five land-use types（%）

2.2 不同土地利用類型土壤PQ 值以及HA/FA 比值的分布規律

圖3 5種土地利用類型土壤PQ值和HA/FA值的分布Figure 3 The PQ value and ratios of HA/FA in soils of five land-use types

PQ為HA占WSOM+HA+FA 含量的比例[37]，PQ值可以作為反映有機質腐殖化程度的指標，腐殖化程度高，有機碳和營養鹽會暫時退出物質和能量循環，反之，腐殖質等有機類物質被微生物降解發生礦化作用，說明有機碳和營養元素再次進入循環中[38]。由圖3A可見，5種土地利用類型土壤PQ值的空間變幅較大，表現出一定的差異性（P＜0.05），表層和亞表層PQ平均值大小依次為水田（60.07%）＞濕地（58.80%）＞林地（46.86%）＞旱地（45.20%）＞裸地（36.43%）。因此，土壤的腐殖化程度增加會降低其對碳循環的貢獻[25]。本研究中，濕地與水田的PQ 值基本相等，平均值約為59.44%，顯著大于烏梁素海（21.47%）和洞庭湖（29.76%）[39]，說明普者黑巖溶湖濱濕地對碳循環的貢獻較小，這可能與其屬于喀斯特地貌有關。林地與旱地PQ 值次之，裸地最小，為36.43%，是因為裸地受水蝕和風蝕的影響最大，導致其土壤腐殖化程度相對較低[7]。

土壤HA/FA 可以在一定程度上反映土壤有機質的穩定性[7]。在土壤腐殖質的組成中，HA 的腐殖化程度高于FA，因為HA的芳構化程度和縮合程度均高于FA，且HA 的分子量較大，因此，土壤HA/FA 越大，土壤腐殖質的聚合程度越高，質量也越好[40-41]。由圖3B可見，5種土地利用類型土壤HA/FA值變化規律與PQ值基本一致，變幅較大且表現出一定的差異性（P＜0.05），表層與亞表層HA/FA 平均值大小依為水田（1.73）＞濕地（1.55）＞林地（0.93）＞旱地（0.88）＞裸地（0.69），其中，水田和濕地土壤的HA/FA 值均大于1，說明這兩種土地利用類型土壤腐植酸品質較好，為HA型土壤；野外調查研究顯示，水田是當地農民的主要耕地類型，較好的腐植酸品質在一定程度上保證了農民的生活水平，而裸地土壤HA/FA 值為0.69，屬FA型土壤，與其他4種類型相比，水田腐植酸品質相對較差，主要是因為裸地相對干燥，植被較少，使土壤FA向HA的縮合形成受到了一定限制[7]。

2.3 不同土地利用類型土壤腐植酸的結構特征

腐植酸是一種天然有機大分子化合物，含有多種活性官能團且有很高的芳香性，目前，隨著光譜分析技術的發展，紅外光譜圖可提供含氧官能團的性質、反應特性及結構狀況等大量信息[42]。5種土地利用類型土壤腐植酸的紅外譜圖以及光譜特征吸收峰見圖4和表3[43-46]。由圖4和表3可見，5種土地利用類型土壤腐植酸均在3 413 cm-1左右有一個寬的吸收峰，是含氫鍵作用的O—H 伸縮振動吸收或是N—H 振動吸收，說明腐植酸中含大量的羥基官能團；在2 360 cm-1左右均有一個吸收峰，是CO2反對稱伸縮P支；在1 644 cm-1左右均出現一個弱吸收峰，是包括芳環的骨架振動C=C 吸收、H 鍵締和C=O 吸收以及酰胺鍵（C—N）等相互疊加吸收峰，說明此次提取的腐植酸中含有較少的芳香族不飽和物質；在1 426 cm-1左右均有一個弱吸收峰，是醇類或羧酸類的O—H 彎曲振動及酚類的C—O伸縮振動峰；在1 130 cm-1左右均有一個強吸收峰，是脂肪族OH 和C—OH 伸縮振動；在917 cm-1左右均有一個強吸收峰，是—C—C脂類骨架振動。通過對比5 種土地利用類型土壤腐植酸的紅外譜圖（圖4）發現，它們具有相同的吸收帶，其腐植酸具有類似的結構組成和官能團信息，除含有一定量的芳香結構外，還含有大量的羥基、氨基、酚羥基、醇羥基以及脂肪鏈結構。此外，5 種土地利用類型土壤腐植酸吸收峰的強弱具有一定差異，總體而言，水田土壤腐植酸幾處特征吸收峰都明顯強于其他4 種土地利用類型，這可能與水田本身的特點有關，水田位于巖溶湖濱濕地的上游且緊鄰濕地，這里常年種植大量水稻，稻田耕作年限越長越有利于土壤有機碳的積累和土壤腐殖化程度的加深[47]；另有研究[48]表明，稻田腐植酸的輸入源中水生生物的貢獻最大，導致水田土壤腐植酸中含有最多的脂肪碳。

圖4 5種土地利用類型土壤腐植酸紅外光譜圖Figure 4 The infrared spectrum of soil humic acids under five land-use types

表3 腐植酸紅外光譜圖特征吸收峰的歸屬Table 3 The distribution of characteristic absorption peaks of humic acids′ infrared spectra

2.4 不同土地利用類型土壤腐植酸與鈣的關系

巖溶土壤的有機質對鈣元素具有很強的吸附和絡合作用[49]。胡樂寧等[16]研究我國西南喀斯特石灰土中鈣的形態與含量對土壤有機碳的影響，結果表明，西南喀斯特地區土壤有機碳的穩定性因土壤類型不同而存在差異。本研究對5 種土地利用類型土壤中SOC、WSOM、FA、HA含量與鈣含量進行冗余分析，結果（圖5）顯示，SOC、WSOM、HA 均與全鈣、各形態鈣含量呈正相關，表明土壤全鈣及各形態鈣的含量在很大程度上影響腐植酸的種類及含量。裸地與土壤SOC、WSOM、FA、HA呈負相關關系，林地、旱地、水田、濕地均與土壤SOC、WSOM、FA、HA 呈不同程度的正相關關系，表明腐植酸含量受土地利用類型的影響。5 種土地利用類型土壤腐植酸各組分與土壤全鈣及各形態鈣含量間的冗余分析表明，HA 與土壤全鈣及各形態鈣含量之間的相關性顯著大于FA，這與陳家瑞等[18]對石灰土發育過程中土壤腐殖質組成及其與土壤鈣賦存形態關系的研究結果一致。HA與土壤全鈣及各形態鈣含量之間的相關性顯著大于FA，這與HA、FA的分子組成及特性有關，HA分子量大，可以與鈣結合成難溶于水的鹽類，且HA不活躍，與鈣離子穩定結合后，可以抑制鈣的流失和遷移，而FA分子量小，分散性較強，不與鈣發生絡合作用，對鈣無顯著截留作用，這也表明HA 與FA 含量的高低會直接影響喀斯特地區土壤鈣的淋溶流失。此外，在鈣的4種形態中，殘渣態鈣與腐植酸之間關系最為密切，這可能與其活性有關，有研究表明殘渣態鈣含量取決于礦物的天然組成，這部分鈣在自然條件下很難被利用[50]，在4 種鈣形態中含量最低、活性最小。

圖5 5種土地利用類型土壤腐植酸各組分與土壤全鈣及各形態鈣含量的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis of soil humic acid components and soil total calcium and calcium content in various forms under five land-use types

3 結論

（1）普者黑流域5 種土地利用類型土壤中WSOM、HA、FA含量為表層＞亞表層（P＜0.05），腐植酸含量的大小依次為旱地＞濕地＞林地＞水田＞裸地。

（2）整體而言，5 種土地利用類型土壤腐殖化程度較高，腐植酸品質較好。HA 在腐植酸中的比例以及HA/FA值大小均為水田＞濕地＞林地＞旱地＞裸地。

（3）5 種土地利用類型腐植酸具有類似的結構組成和官能團信息，含有一定量的芳香結構以及大量的羥基、氨基、酚羥基、醇羥基以及脂肪鏈結構。總體而言，水田土壤腐植酸特征吸收峰明顯強于其他4 種土地利用類型。

（4）冗余分析結果顯示，SOC、WSOM、HA 均與全鈣、各形態鈣含量呈顯著正相關，表明土壤全鈣及各形態鈣的含量在很大程度上影響腐植酸的種類及含量。