天津农田土壤碳氮含量及其同位素组成的空间分布

彭潇贤，薛冬梅，王义东，杨梦凡，王中良

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学 地理与环境科学学院，天津300387；3.天津城建大学 环境与市政工程学院，天津300384）

土壤碳氮作为全球碳氮循环的重要组成部分，在生态系统中扮演了重要角色，其中土壤有机碳是评价土壤肥力的重要指标之一，会影响土地生产力及可持续利用性[1]；氮素是植物生长所需的一种元素，总氮含量可以反映土壤潜在的供氮能力[2].由于受到强烈的人为干扰，农田生态系统中土壤碳氮含量的消长除了受到自然因素（气候、植被、土壤质地及其理化性质、微生物群落及其活动状况等）的影响，还与人为因素（土地利用方式和农田管理措施，如施肥、秸秆还田和轮作类型等）密切相关[2-3]，因此研究农田土壤的碳氮循环过程对提高土壤质量及农业的可持续发展具有重要意义.

作为天然的示踪物，稳定碳、氮同位素具有安全、无污染和易控制等优点，二者的稳定同位素组成δ13C（δ13C（‰）=[（R样品/R标准）-1]×1 000，R=13C/12C）和δ15N（δ15N（‰）=[（R样品/R标准）-1]×1 000，R=15N/14N）已被广泛用于判断和研究有机碳氮的来源、分解及周转过程[4-5]，成为研究碳氮生物地球化学循环和土壤生态系统的主要手段和最科学有效的方法之一[6-7].目前，国外有机碳氮同位素的研究对象多为湿地土壤[8-9]，而国内的研究区域大多集中于黄土高原、荒漠草原和喀斯特地区等[10-12]，对农田土壤碳氮同位素的研究报道相对较少.天津作为我国华北地区重要的粮食生产基地之一，地理区位、自然成因和气候条件特殊，具有地下水埋深浅及矿化度高的特点，盐分随着地下水的径流和渗透聚积等发生淋溶和移动，加速了土壤的盐渍化现象[13]，影响了该区的农业生产.本研究以天津农田土壤为研究对象，在空间尺度上对土壤中有机碳和总氮含量及其稳定同位素组成（δ13C和δ15N）特征和分布规律进行分析，探讨了土壤质地和土壤盐碱化特征对土壤碳氮分布的影响，以期为研究该区农田土壤质量及碳氮循环的影响提供科学的理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天津的地理位置为38°33′N～40°14′N，116°42′E～118°03′E，处于华北平原东北部，海河流域下游，东临渤海，北靠燕山.年平均气温12～13℃，年蒸发量（1 640 mm）大于年降水量（522～663 mm）[14].地势西北高，东南低，土壤质地也由西北向东南逐渐变细.此外，由北至南主要分布着棕壤和褐土（蓟州区）、潮土（宝坻区、武清区、宁河区和静海区等）以及滨海盐土（塘沽区、汉沽区和大港区）[15].

1.2 样品采集

天津农田的土壤类型主要为棕壤、褐土、潮土和滨海盐土[16]，且相对集中在平原地区，其中78.4%面积的农田土壤分布于蓟州区、宝坻区、武清区、宁河区和静海，6.5%的农田土壤分布在塘沽区、汉沽区和大港区[17].作为污水灌溉的主要地区之一，天津于“十一五”期间完成了全市的污水处理厂升级改造工作，用于农业灌溉的水质因此发生变化，进而对农田土壤的可持续利用产生影响.根据天津市农田分布特征，于2013年（“十一五”之后）5月（春季）和11月（秋季）由北至南分别在蓟州区、宝坻区、武清区、宁河区、静海区和大港区选取了8个代表性采样点，采集农田土壤样品时要注意避免在路边和沟边等地，同时采样点要设定在距离公路100 m以外的位置（因蓟州区北部靠近山区，样点适当加密），研究区及8个采样点的位置如图1所示.图1中每个采样点随机选取3个土壤剖面，利用荷兰制土钻（Eijkelkamp）采集0～20 cm和20～40 cm共2层土壤样本，随后将3个剖面中同一层的土壤混合为一个样品，置于自封袋带回，于室内阴凉处自然风干，剔除草根等杂物，采用四分法研磨过筛（100目），充分混匀后，密封保存，备用.

图1 研究区及土壤采样点分布示意图Fig.1 Distribution diagram of the studied area and soil sampling points

1.3 测定方法

采用便携式分析仪（OrionStarA329）测定土壤盐度和pH值；采用离子色谱仪（ICS-2100）测定SO42-和Cl-的质量分数；利用酸碱滴定法测定土壤提取液中HCO3-的质量分数；采用电感耦合等离子体发射光谱测定阳离子K+、Ca2+、Na+和Mg2+的质量分数；利用激光粒度分析仪（MS3000，英国）测定土壤粒径；采用pH、钠吸附比（sodium adsorption ratio，SAR）、代换性钠比（exchangeable sodium ratio，ESR）和碱化度（exchangeable sodium percentage，ESP）表征土壤的碱化特征[18]；采用有机元素分析仪（Vario MACROcube）测定土壤中总有机碳（SOC）和总氮（TN）的含量（质量分数）及其同位素组成.

1.4 数据分析

利用SPSS17.0进行相关分析，使用Origin2017软件制图.

2 结果与讨论

2.1 土壤基本理化性质

2.1.1 土壤含盐量及碱化特征

天津北部、中部和南部的土壤盐度范围分别为0.2‰～0.6‰、0.4‰～1.0‰和0.5‰～1.2‰，对照盐土重量比的划分标准[19]，北部和中部农田土属于非盐渍化土壤，南部农田土属于轻度盐渍化土壤.北部土壤的碱化参数为6.9

2.1.2 主要离子组成的变化特征

天津不同空间农田土壤的主要离子组成如图2所示.

图2 农田土壤主要离子组成的三角图Fig.2 Triangular diagrams of major ion compositions in agricultural soil

由图2可以看出，土壤中阳离子的分布呈现自北向南以Ca2+和Mg2+占相对优势向K+和Na+主导的类型演变，阴离子组成以HCO3-和SO42-为主导，空间变化不明显；亚表层和表层的离子分布特征无明显差异.这种由北至南的区域性差异可能与成土母质和地下水离子的组成以及环境条件的差异有关[17].

2.1.3 土壤粒径特征

根据温德华粒度分级标准[21]，天津北部表层土壤中砂粒、粉粒和粘粒的质量分数分别为38.8%～68.9%、27.0%～51.5%和4.1%～11.0%；亚表层土壤中砂粒、粉粒和粘粒的质量分数分别为39.3%～61.3%、33.6%～48.5%和5.2%～12.2%.中部表层土壤中砂粒、粉粒和粘粒的质量分数分别为17.4%～51.3%、41.7%～58.7%和6.8%～26.5%；亚表层土壤中砂粒、粉粒和粘粒的质量分数分别为4.9%～57.2%、37.9%～66.2%和5.0%～33.1%.南部表层土壤中砂粒、粉粒和粘粒的质量分数分别为5.8%～8.1%、65.7%～71.0%和23.7%～26.2%；亚表层土壤中砂粒、粉粒和粘粒的质量分数分别为5.9%～6.5%、70.0%～71.5%和22.0%～24.1%.天津不同区域土壤颗粒的粒径分布具有明显的空间分异特征，具体表现为土壤颗粒由北至南逐渐变细，由富含砂粒向富含粉粒演变；与表层相比，亚表层土壤颗粒趋于变细，砂粒所占比重相对下降，但北、中、南部土壤各粒径的变化幅度有所差异.粒径分布的空间差异与成土母质、土壤类型和地形等自然因素密切相关，同时也受到耕作等人类活动的影响[22].

2.2 农田土壤碳氮含量

不同空间农田土壤碳氮含量分布如图3所示.

图3 农田土壤碳氮含量散点图Fig.3 Scatter plot of carbon and nitrogen content of agricultural soil

自北向南的土壤样点中，表层及亚表层的有机碳与总氮含量呈极显著线性正相关（y=9.008 4x+1.907 4，R2=0.933 9，P＜0.01）.在土壤有机碳库中储存着大部分氮素，因此土壤有机碳与总氮含量密切相关[23].表层有机碳的质量分数为4.1‰～14.7‰，总氮的质量分数为0.3‰～1.4‰；亚表层有机碳的质量分数为4.1～8.9‰，总氮的质量分数为0.2‰～0.9‰.与亚表层相比，表层土壤碳氮的质量分数相对较高.土壤有机碳的来源主要包括作物根系、动植物残体和土壤微生物的分泌排泄物质[24].对于农田生态系统，施肥也是影响有机碳质量分数的重要因素，一方面有机肥的施用会直接增加外源碳的输入，另一方面施肥可以提高作物产量和农业生产力，通过影响作物残茬归还改变有机碳的的质量分数[25].与亚表层相比，表层土壤具有较多的农田凋零物，作物根系较为密集，生物量相对较高，因此表层土壤有机碳的质量分数相对更高.与其他陆地生态系统相比，农田生态系统受到的人为扰动更加明显，施肥和秸秆还田等农田土壤管理措施通过改变地上/地下植物残留物输入、分解者的群落等级和结构影响农田土壤有机物的质量分数，且随着时间的推移，农田土壤有机碳通过不断地转移和固定影响着土壤的周转过程.期间伴随着土壤的团聚化、腐殖化和矿化等，进一步影响着土壤结构（土壤团聚体）以及土壤碳的平衡[26].不同南北位置的土壤盐碱化程度不同，其对应的土壤质地、理化性质及适耕农作物种类均有差异，施肥、灌溉和耕种带来的影响也有所不同.因此，不同区域农田土壤有机碳的质量分数，特别是表层土壤有机碳的质量分数是众多因素综合作用的结果.

2.3 农田土壤有机碳与δ13C值组成变化

图4为不同空间农田土壤有机碳与碳的稳定同位素组成δ13C的分布情况.

图4 农田土壤有机碳与δ13C散点图Fig.4 Scatter plot of organic carbon andδ13C in agricultural soil

由图4可知，表层土壤和亚表层土壤中有机碳的δ13C分别为-23.8‰～-20.3‰和-23.3‰～-18.4‰.与亚表层相比，表层土壤有机碳对应的δ13C相对较低，这一现象可能是因为在有机碳的分解过程中，富含12C的较轻组分被优先分解，造成残留物中13C富集，导致δ13C有所上升[27].研究表明，土壤有机碳含量的对数值与其δ13C值具有显著相关关系[28]，利用最小二乘法（ordinary least squ-ares，OLS）对二者进行回归计算，定义回归方程的斜率为β值.β值可以用来指示有机碳的分解速率，β值越小，土壤有机碳的分解速率越高；β值越大，土壤有机碳的分解速率越低[29].表1为北、中、南部表层和亚表层土壤有机碳含量的对数值及其δ13C的回归计算值.

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

由表1可知，北部亚表层土壤有机碳含量的对数值与δ13C值呈现出显著负相关关系（P<0.05），其余各层土壤有机碳的对数值与δ13C值的相关程度虽没有表现出显著性.但北部和中部表层以及南部亚表层土壤有机碳的对数值与δ13C值均呈负相关，而中部亚表层和南部表层与δ13C值表现为正相关.β值的差异表明各地各层有机碳的分解速率不同，造成这种差异的原因可能是成土母质及土地利用方式的不同[30].

由于光合作用的类型和途径不同，陆生植物主要分为C3型和C4型植物，C3型植物的δ13C为-34.0‰～-22.0‰，均值为-27.0‰；C4型植物的δ13C为-19.0‰～-9.0‰，均值为-13.0‰[31-32]，2种植物类型的δ13C存在明显差异.土壤有机质主要由植物的凋落物以及根、茎、叶等有机残体逐渐分解、转化和积累而来，因此土壤有机碳的δ13C与作为该有机碳来源的植被的δ13C具有相似的变化范围[33]，土壤表层有机碳的δ13C值可能较植物的δ13C略高0.5‰～1.5‰[34-35].由于不同区域的植被类型和土壤条件存在差异，对植物残体的分解程度以及同位素分馏效应具有不同影响.因此，北、中、南部的表层土壤中，δ13C分别为-23.7‰～-18.4‰、-23.7‰～-21.3‰和-23.8‰～-20.2‰，呈现出一定的区域差异.

2.4 农田土壤总氮与δ15N值组成变化分析

图5为不同空间农田土壤总氮与δ15N的分布情况.

图5 农田土壤总氮与δ15N散点图Fig.5 Scatter plot of total N andδ15N in agricultural soil

由图5可知，表层土壤和亚表层土壤中总氮的δ15N分别为1.3‰～6.0‰和1.5‰～5.9‰，2层土壤剖面的δ15N接近.亚表层土壤总氮与其δ15N间呈极显著正相关（y=0.096 2x+0.159 5，P<0.01）.2层土壤剖面不同区域的δ15N也表现出不同的分布差异，与中部和南部表层相比，北部表层土壤的δ15N波动较大；与北部和南部亚表层相比，中部亚表层土壤的δ15N波动较大.

农田土壤的氮循环包含众多的生物化学过程，其中生物固氮、大气氮沉降和氮肥的施用可划分为氮的输入环节，分解、矿化和硝化作用归为氮的转化，反硝化、氨的挥发、氮的淋洗损失和径流损失则为氮的输出过程，在这些生物化学过程中均有可能发生氮的同位素分馏[36].在氮输入的主要途径中，生物固氮产生的氮同位素分馏很小，多数人认为其分馏系数一般为0[37]，因此可以近似忽略.大气氮沉降分为氮干沉降和氮湿沉降，主要以大气硝态氮、大气铵态氮和大气有机氮3种形式存在.在农田生态系统中，氮沉降以铵态氮为主，其沉降量是硝态氮的2倍[38-39].大气氮沉降对农田土壤的影响取决于沉降形式、降雨量和农作物对氮的需求量、人为活动及土壤理化性质等.有机肥和无机肥的施用及其配比不同，所产生的氮同位素分馏效应也不同，施用有机肥会增加土壤δ15N，而施用无机肥则会降低土壤δ15N；且有机肥施用比例越大，土壤δ15N越大[36].在转化和输出环节中，矿化、硝化和反硝化作用均会产生较大的氮同位素分馏效应，一般情况下，14N优先参与反应，造成剩余反应物中15N富集，而产物中14N富集[40].因此，在氮素循环的一系列生物化学反应过程中分馏特征均有所不同，且不同环境下δ15N的本底值存在差异.同时在土壤剖面中，随着深度的变化，其相应的微环境条件如溶解氧、pH值、微生物种类和活性等均可能发生改变，这些环境条件对土壤腐殖化和腐殖质矿化等都会产生综合作用，从而影响氮在土壤剖面中的分布和迁移转化.

2.5 土壤碳氮及其δ13C和δ15N与环境因素的响应关系

天津北部、中部和南部0～40 cm土壤碳氮及其δ13C和δ15N与环境因素的相关性分析如表2所示.

表2 北部、中部和南部农田土壤碳氮及其δ13C和δ15N与环境因素的相关性分析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，北部土壤的有机碳和总氮均与盐度呈显著正相关（P＜0.05），盐度不仅会改变植物在生长季的土壤环境，还会影响土壤中微生物的种群及数量，进而改变植物对有机碳氮的合成和需求[41].中部及南部的总氮与pH值呈显著负相关（P＜0.05），南部土壤的有机碳也与pH值呈极显著负相关（P＜0.01）.土壤pH值的高低会影响微生物的种类和活性及有机物的分解过程[3]，pH值为5～8尤其是中性偏碱有利于有机物腐解[27]，pH值过高（>8.5）会抑制大多数微生物的活动及繁殖[42].中部土壤pH均值为8.6，最大值为9.1；南部土壤pH值均值为8.9，最大值为9.8.因此，中部及南部的高pH值会降低微生物活性，导致土壤有机碳氮周转减弱，不利于有机质的积累.

与δ15N相比，δ13C与环境因素间的相关性更高，北部和中部的δ13C均与土壤质地表现出显著相关，其中北部的δ13C与黏粒呈极显著正相关（P＜0.01），与砂粒呈显著负相关（P＜0.05）；中部的δ13C与黏粒和粉粒呈显著负相关（P＜0.05），与砂粒呈极显著正相关（P＜0.01）.通常认为土壤富含粗粒的部分较黏粒δ13C总体偏低[43]，北部土壤δ13C和土壤质地的相关性与这一结论一致，但中部土壤表现出相反的相关性，这可能与该区域具体的农田管理措施有关.

3 结论

通过在天津主要农田地区采集表层和亚表层土壤，分析天津农田土壤的土壤性质、盐碱化特征以及有机碳氮和稳定碳氮同位素组成的空间分布，得到以下结论：

（1）天津农田土壤在盐碱化程度、主要阴阳离子分布特征以及土壤粒径组成方面均呈现明显的空间差异及变化规律，主要表现为土壤盐渍化和碱化程度自北向南逐渐增加，亚表层碱化度普遍高于表层；阳离子空间分布差异明显，阴离子组成变化不明显，表层和亚表层的离子组成无明显差异；土壤粒径自北向南逐渐变细，亚表层比表层粒径更细.

（2）北部、中部和南部的表层及亚表层土壤中的有机碳及总氮含量均具有极显著相关性.与其他陆地生态系统相比，强烈的人为活动及农田管理措施（有机和无机肥料的施用、秸秆还田、灌溉和耕作等）不仅会直接影响农田生态系统中有机碳和总氮的输入量，还会通过改变土壤理化性质（土壤团聚体、孔隙度和含水量等）、地上作物和地下根系的生长以及微生物群落结构和活性等方面影响土壤碳氮循环及其稳定同位素组成.