不同利用方式对黑钙土腐殖质组分剖面分布特征的影响1)

李春丽 董军 王鸿斌 王丽群 赵兰坡

(吉林农业大学，长春，130118) (吉林省土地整治中心) (吉林农业大学)

土壤有机质(SOM)是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，包括土壤中各种动、植物残体、微生物体及其分解和合成的各种有机物质[1-2]。土壤腐殖质是有机质进入土壤后经微生物作用，形成的多分散和多功能有机化合物的混合物[3-4]，是土壤有机质存在的主要形态，对土壤有机质具有多方面的化学保护作用，能够提高对微生物降解的稳定性，延长在土壤中的循环周期，从而影响有机质的累积、迁移和转化过程[5]。土壤腐殖质按照其在酸、碱溶液中的溶解程度，可分为胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)。HA能促进土壤结构体的形成，其芳构化和缩合度较高；FA直接影响土壤微生物的活性和数量[6]，进而影响土壤中有机和无机物质的转化、迁移和降解，对土壤肥力有一定作用；HM与黏粒矿物结合紧密，化学性质较稳定，活性较低[7]。HA和FA是土壤腐殖质的最重要组分，在改善土壤团粒、保持和提高土壤肥力等方面起着重要作用[8-9]。

土地利用方式的变化和施肥策略常是影响腐殖质结构、性质和功能发生动态变化的关键因素[10-12]。近年来，关于草原、森林、农田等不同利用方式土壤腐殖质含量及组成特征的研究较多[13-15]。吴丽芳等[16]认为土壤腐殖质含量旱地最多，林地居中，裸地最少；HA、FA含量与腐殖质含量在旱地、林地和裸地中的分布趋势一致。Navarrete et al.[17]研究表明，原生林向其他土地利用方式(如次生林、耕地和草地等)转变导致FA的含量减少，而HA的含量增加。但目前在土地利用方式对腐殖质影响的研究上，主要关注于对腐殖质含量的影响，并且这些研究多取样于土壤表层，而不同利用方式对黑钙土剖面各层腐殖质组分和性质影响的研究较少。本文对黑钙土区天然草地、人工林地和耕地土壤0～100 cm剖面各土壤发生层中腐殖质组成特征进行研究，从化学组分角度阐明不同利用方式黑钙土剖面中腐殖质含量和组分的变化特征，为进一步理解黑钙土有机质分布规律及有机碳库的稳定机制提供数据支持。

1 研究区概况

研究区位于吉林省西部黑钙土区，分布于松辽平原西侧松嫩平原南部(43°53′～44°54′N，123°59′～124°59′E)，地面海拔150～200 m。属温带半干旱季风气候区，年平均气温4.6 ℃，全年1月最冷，7月最热。土壤有季节性冻层，结冻期土壤微生物活动受到抑制，为黑钙土积累腐殖质创造了条件。但由于区内雨量较少，年降水量370～470 mm，全年降水量的80%集中在7—9月，自然植被比较稀疏，土壤组成较粗，有机质分解较快，故土壤腐殖质积累较少，腐殖质层厚度多数只有30～50 cm。自然植被为草甸草原，一般植物株体比较矮小，具有耐旱、耐盐碱特性，主要有针茅(Stipagrandis(P. A. Smirn.))、兔毛蒿(Filifoliumsibiricum(L.) Kitam.)草原和碱草(Leymuschinese(Trin．) Tzvel)草原两类。目前，黑钙土区天然草原大部分被垦为耕地，或为防风固沙直接栽植人工林。

2 材料与方法

设立3种不同土地利用方式，分别为：(1)天然草地，建群种为羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel)，不进行耕作，不施任何肥料，只在秋季割干草、秋冬放牧；(2)人工林地，属小叶杨纯林(PopulussimoniiCarr.)，为1960年天然草地直接转换为人工林，或者在1980年左右作为“三北防护林”工程形成人工林地，不施肥，也不进行耕作，自然生长，林分密度约为860株·hm-2，株高平均约7.6 m；(3)耕地，在1960年由天然草地开垦而来，施用常规氮肥和磷肥，种植作物为玉米(ZeamaysL.)，一年一熟制，玉米秋季收获后根茬部分进行还田。

2017年10—11月，选取3个自然条件相近的采样点，分别为吉林省前郭县孤杨村和大父屯、吉林省农安县万顺村。3个采样点以孤杨村为中心，其余2个采样点距其直线距离约为40 km，3个采样点皆位于平原之上，地势平缓，相对高差5～15 m，土壤亚类皆为草甸黑钙土。由于采样点属于不同的所有者，我们将其作为单独的重复[18]。每个采样点选择代表性地块采集以上3个处理土壤剖面样品。土壤剖面分为腐殖质层、过渡层、石灰淀积层、过渡层和母质层5个土层。每个采样地块再在中心区域以15～30 m间隔挖3个土壤剖面，3个剖面的土壤样品随后分别在5个土层中混合。草地和林地采集样品时起始层为矿质土层(表层凋落物被清除)，土样在实验室自然风干，过2 mm筛后备用。各样点基本情况见表1。

表1 土壤采样点基本情况

指标测定：采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳质量分数。腐殖质的分组采用腐殖质组成修改法[13]，将土壤腐殖质分为胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)3个组分，采用TOC分析仪(岛津TOC-VCPH)测定腐殖酸(HE)和胡敏酸(HA)质量分数，富里酸(FA)和胡敏素(HM)质量分数通过差减计算得出。QP值为胡敏酸占可提取腐殖质的质量分数，QP=(w(HA)/w(HE))×100%。

数据处理：采用Excel 2007对数据进行分析处理。不同处理间数据的差异显著性采用LSD(最小显著性法)进行比较，所有统计分析采用SPSS17.0。

3 结果与分析

3.1 不同利用方式土壤胡敏酸剖面分布规律

草地、林地和耕地土壤剖面中胡敏酸(HA)的质量分数在0.32～0.81 g/kg，占土壤总有机碳的比例范围为4.45%～28.37%(表2)。土层由腐殖质层至母质层，HA的质量分数逐渐降低，HA占土壤总有机碳的比例却呈升高趋势。

3种利用方式土壤HA的质量分数随土层加深均下降，但下降趋势呈现不同特征。表2中，草地、林地和耕地土壤腐殖质层HA质量分数为各土层最高，林地为3种利用方式中最高。草地土壤HA质量分数，从腐殖质层至母质层变化分别为-19%、5%、-17%和-5%，呈减少趋势。林地土壤HA质量分数，从腐殖质层至母质层变化分别为-29%、-15%、-20%和-19%，呈减少趋势。耕地土壤HA质量分数，从腐殖质层至母质层变化分别为-14%、-16%、-9%和-13%，亦呈减少趋势。草地、林地和耕地土壤HA质量分数，从腐殖质层至母质层分别下降了33%、60%和43%。

表2 不同利用方式时土壤剖面中腐殖质组分质量分数

草地转换为林地和开垦为耕地后，土壤剖面中HA质量分数的差异在各土层都有发生。在腐殖质层,3种利用方式土壤HA质量分数存在显著差异(P<0.05)，草地土壤HA的质量分数低于林地，由大到小表现为林地、草地、耕地；在淀积层，草地土壤HA的质量分数显著高于其他2种利用方式，林地和耕地土壤HA的质量分数分别低于草地23%和18%；在母质层，土壤HA的质量分数由大到小表现为草地、耕地、林地；在两个过渡层，3种利用方式之间HA质量分数没有显著差异。在整个土壤剖面中，草地土壤的HA平均质量分数高于林地和耕地。草地转换为林地和开垦为耕地后，HA质量分数分别下降了14%、9%。

3.2 不同利用方式土壤富里酸剖面分布规律

草地、林地和耕地土壤剖面中各土层FA的质量分数在0.60～4.23 g/kg，占土壤总有机碳的比例范围为22.62%～53.53%(表3)。FA占土壤总有机碳的比例，从腐殖质层至淀积层，FA的比例呈现逐渐升高趋势；但从淀积层至母质层，FA的比例呈波动升高趋势(耕地除外)。

表3 不同利用方式时土壤腐殖质各组分占土壤总有机碳的比例

土层由腐殖质层至母质层，3种利用方式土壤FA的质量分数逐渐降低，但下降趋势亦呈现不同特征。草地、林地和耕地土壤腐殖质层FA质量分数为各土层最高，林地为3种利用方式中最高。草地土壤FA质量分数，从腐殖质层至母质层变化分别为-15%、-11%、-52%和-30%，呈减少趋势。林地土壤FA质量分数，从腐殖质层至母质层分布变化分别为-34%、-36%、-32%和-51%，呈减少趋势。耕地土壤FA质量分数，从腐殖质层至母质层分布变化分别为8%、-8%、-59%和-47%，呈先增后减特征。草地、林地和耕地土壤FA质量分数，从腐殖质层至母质层分别下降了75%、86%和78%。

草地转换为林地和开垦为耕地后，土壤剖面中FA质量分数的差异主要发生在腐殖质层和淀积层以下的土层。腐殖质层草地土壤FA的质量分数比林地低7%，比耕地高38%；第1个过渡层草地土壤FA的质量分数分别比林地和耕地高21%和9%，同时草地腐殖质层和第1个过渡层中FA占土壤总有机碳的比例明显高于其他2种利用方式(表3)。虽然草地腐殖质层土壤FA质量分数比林地低，草地第1个过渡层土壤FA质量分数与耕地没有显著差异，但草地腐殖质层和第1个过渡层土壤FA占土壤总有机碳的比例高于林地和耕地，这说明草地有利于腐殖质层和第1个过渡层土壤FA的形成。耕地剖面土壤FA质量分数普遍低于草地，且耕地在淀积层及以上各土层FA的百分比也较低，这反映了耕地不利于上层土壤(淀积层以上)中FA的形成。草地转换为林地和开垦为耕地后，FA质量分数分别下降了16%、17%。

3.3 不同利用方式土壤胡敏素剖面分布规律

草地、林地和耕地土壤剖面中HM的质量分数在0.30～13.94 g/kg，占土壤总有机碳的比例范围为22.56%～71.17%(表3)。随土壤剖面深度增加，草地、林地和耕地土壤HM的质量分数逐渐降低，从腐殖质层至母质层分别下降了95%、98%和96%，HM占土壤总有机碳的比例亦呈降低趋势。

3种利用方式土壤腐殖质层HM的质量分数为林地最高，草地次之，耕地最低，这与土壤总有机碳质量分数分布规律基本一致；在淀积层以下土层，草地土壤HM的质量分数显著高于林地和耕地，这反映了草地对HM的保护效应更强。草地转换为林地和开垦为耕地后，HM质量分数分别减少了4%、15%。耕地HM的质量分数总体上低于草地和林地，尽管HM的稳定程度高，但耕作仍会对其造成一定影响。耕地仅在第1个过渡层HM的质量分数高于草地和林地，可能与其主要在此层进行施肥及秸秆粉碎还田导致土壤总有机碳含量较高有关。

3.4 不同利用方式土壤w(HA)∶w(FA)比值剖面分布规律

土壤w(HA)∶w(FA)比值一定程度上反映了有机质的稳定性程度。由表4可见，土壤剖面从腐殖质层至母质层，不同利用方式土壤w(HA)∶w(FA)比值整体呈增加趋势。说明3种利用方式土壤随土层加深其有机质稳定程度增强，同时耕地土壤底层有机质的稳定程度最高。草地在整个土壤剖面中，HA和FA质量分数都高于林地和耕地，但是其FA质量分数积累的速度快于HA，使得w(HA)∶w(FA)比值总体上低于林地和耕地。天然草地转换为人工林地和开垦为耕地后，土壤有机质的稳定程度增强。

表4 不同利用方式时土壤w(HA)∶w(FA)及QP值

与HA和FA质量分数规律一致，不同利用方式土壤剖面中w(HA)∶w(FA)比值的差异主要发生在腐殖质层和淀积层，淀积层以下土层不同利用方式土壤w(HA)∶w(FA)比值无显著差异(P<0.05)。在腐殖质层，耕地土壤w(HA)∶w(FA)比值显著高于草地和林地(P<0.05)，可能与其进行耕作有关，FA易缩合形成HA，使得有机质稳定性较高。土壤剖面中林地w(HA)∶w(FA)比值总体最高，说明林地土壤有机质稳定性较高；而草地剖面土壤w(HA)∶w(FA)比值总体低于其它2种土地利用方式，反映了草地土壤有机质活性较高。

QP值的大小可以指示有机质腐殖化程度。由表4可见，草地土壤QP值总体较低，其腐殖化程度相对较低，腐殖质将会继续被微生物降解和矿化，草地土壤有机碳和营养元素将再次进入能量循环系统中。耕地土壤QP值总体最高，可能与其持续进行作物耕种有关。

4 讨论

HA和FA是土壤腐殖质的重要组成部分，HA和FA中存在苯酚、羧酸、羟基等各种官能团[19]，可影响养分元素在土壤中的迁移，从而影响植物生长、土壤养分和水分的保持。随着土壤有机质的不断分解，FA首先被土壤中的微生物利用。一般来说，FA含量高，反映土壤成熟度低，腐殖化程度低，有利于碳循环和碳平衡[20]。FA活性较大，在土壤中的迁移性也较大，草地转换为林地和开垦为耕地后有机质结构还不够稳定，FA容易受到气候变化和土地利用方式等的影响。由腐殖质层至母质层，3种利用方式土壤w(HA)∶w(FA)值增加，土壤稳定程度升高，但其值仍然小于1.0，并且小于同样位于研究区的黑土w(HA)∶w(FA)值，说明不同土壤类型腐殖质的组成具有不同特征，黑钙土在腐殖化过程中可能先形成FA，有利于增加其对全球碳循环的贡献。

草原植物通过根系将光合作用产生的大约30%左右的物质释放到土壤中，大量有机物在根际通过粘球菌属(Myxococcus)等进行同化作用[21]，土壤有机质的矿化作用加快，从而对根际过程产生积极影响，促进根际土壤养分的有效性和活性[22]。草地生态系统细根丰富，细根含有大量可溶性组分,能更有效地被土壤微生物分解利用[23],增强微生物聚合,容易形成分子量较小的FA,导致草地土壤FA质量分数显著高于林地和耕地。草地生态系统在调控土壤碳循环、腐殖物质的分配利用等方面具有重要意义。

林地土壤腐殖质各组分质量分数由腐殖质层至母质层急剧减少，与以往的研究结果一致[24-25]，这可能是由于枯枝落叶分解后的营养物质在土壤表层积聚，可被微生物分解利用的植物残体较丰富，而土壤深层有机物质来源减少。森林土壤有机质的分布主要是在地下1 m深度的土层中，随着土层加深，有机质的变化速率趋于稳定[26-27]。人工林地土壤腐殖质含量剖面分布特征虽然很接近森林土壤，但除腐殖质层腐殖质组分质量分数高于草地外，其余土层均明显低于草地。说明人工林地有机碳库功能尚未达到成熟森林水平，可能是因人工纯林生长导致土壤微生物活性和有机质性质发生变化，从而影响了腐殖质各组分的形成与转化[28]。未来应通过改善土壤腐殖质的形成环境，营造混交林，在林下种植其他灌木、草类植物，增加进入土壤的枯落物多样性和细根数量，改善深层土壤有机质质量，促进有机质分解转化，形成结构良好的土壤腐殖质。

自然土壤有利于腐殖质的形成，自然土壤的HA、FA质量分数均高于耕地和裸地[10]。天然草地转换为林地和开垦为耕地后，HA分别下降了14.43%和9.14%，FA分别下降了16.49%和16.79%。3种利用方式中，FA质量分数大于HA，可能与研究区黑钙土开垦年限较短，土壤腐殖化程度较低有关，新形成的HA芳化程度低,结构不稳定,容易转变为FA[29],导致HA质量分数较低；同时，该地区土壤水稳定性较差，矿物风化较强，不易形成团聚的有机胶体，但有利于土壤FA的积累[30]。

在整个土壤剖面中，3种利用方式土壤HA和FA质量分数均存在着一定差异，草地HA和FA质量分数总体上高于林地和耕地，而且FA的差异大于HA。研究区域年均气温较低，低温不利于FA缩合形成HA,芳化度不高，使得土壤腐殖化程度较低[31]。FA含有许多有机官能团，如羧基、羟基、羰基、醌基、甲氧基等，其中的弱酸性官能团可以通过分解产生大量负电荷[32]，从而提高土壤对酸碱变化的缓冲能力[33]。耕地在3种利用方式中，其FA质量分数最低。对于耕地土壤pH降低，土壤趋向酸化，可通过合理有机培肥，增加腐殖质及FA组分含量，从而对缓解土壤酸化具有一定的借鉴意义。

微生物在土壤腐殖质的形成中发挥着重要的作用。土地利用方式由草地转换为林地和开垦为耕地，改变了输入土壤中有机物的数量和质量，导致分解有机物的微生物种类和数量也发生了变化，从而引起土壤腐殖质的分解、转化过程和组成的不同。林地和耕地土壤中的细菌和放线菌数量比草地减少，真菌数量比草地增加[34]。因此，有必要进一步研究不同利用方式下微生物、植被和土壤之间的相互作用过程，进一步探讨不同利用方式下植被的物理、化学、生物学特征与有机物分解过程的内在关系。土壤颗粒在维持黑钙土腐殖质组分构成上具有重要作用[35]，但土壤颗粒对腐殖质不同组分的影响作用需要进一步探讨。

5 结论

3种利用方式黑钙土腐殖质组分剖面分布既有共性，又有不同点。共性是腐殖质组分质量分数总体上腐殖质层最高，由腐殖质层至母质层均呈减少趋势，均存在明显的2个过渡层，林地和耕地剖面保留了草地腐殖质剖面分布特征。不同的是：腐殖质层的腐殖质各组分质量分数存在显著差异，分布规律由大到小为林地、草地、耕地，其余土层的腐殖质各组分质量分数由大到小总体上呈草地、耕地、林地的趋势。

3种利用方式黑钙土0～100 cm剖面中各土层HA、FA和HM平均质量分数分别为0.56、2.26和3.99 g/kg，分别占土壤总有机碳的3.4%、38.4%和44.6%。腐殖质组分质量分数均随土层加深而降低，HA、FA占土壤总有机碳比例随土层加深逐渐增加，而HM占土壤总有机碳比例随土层加深逐渐减少。

草地转换为林地和开垦为耕地后，HA质量分数分别下降了14%、9%，FA质量分数分别下降了16%、17%，HM质量分数分别减少了4%、15%。耕地HM的质量分数总体上低于草地和林地，反映了耕作对稳定程度较高的腐殖质组分也会造成一定影响。草地转换为林地和开垦为耕地后，土壤QP值增加，土壤腐殖化程度提高。草地转换为林地和开垦为耕地后，土壤w(HA)∶w(FA)比值增加，林地和耕地土壤有机质稳定程度高于草地。草地土壤剖面HA和FA质量分数都高于林地和耕地，但w(HA)∶w(FA)比值总体上低于林地和耕地，反映了FA化学活性较高，易于矿化，开垦后下降较快。