蔣俊，王曉學(xué)，屠乃美*，冼超凡，高婷，歐陽志云，鄭華

中國東部土壤生物化學(xué)性質(zhì)空間分異及質(zhì)量評價

蔣俊1，王曉學(xué)2，屠乃美1*，冼超凡2，高婷2，歐陽志云2，鄭華2

1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085

中國幅源遼闊，南北跨度大，在自然氣候環(huán)境的影響和人為因素的干擾下，不同地區(qū)土壤養(yǎng)分和土壤微生物種類、數(shù)量存在顯著的空間差異，進(jìn)而造成了土壤質(zhì)量的空間差異。為了解中國東部天然林土壤養(yǎng)分和微生物多樣性空間分布規(guī)律，本研究依據(jù)水熱梯度變化特征采集了16個自然保護(hù)區(qū)52個典型森林土壤樣方，測定了土壤養(yǎng)分和微生物指標(biāo)，包括pH值、有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、總碳、總氮、總磷、總鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮、土壤微生物宏基因組豐度和香農(nóng)多樣性指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，中國東部森林土壤養(yǎng)分含量較高，空間差異大，宏基因組香農(nóng)多樣性指數(shù)變異系數(shù)為0.03，屬弱變異，速效磷變異系數(shù)為1.17，屬強變異。土壤養(yǎng)分(除總氮、總鉀外)、土壤微生物宏基因組豐度和香農(nóng)多樣性指數(shù)與緯度呈顯著正相關(guān)。進(jìn)一步采用主成分分析方法，得出了基于土壤養(yǎng)分和土壤微生物指標(biāo)的土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)。結(jié)果表明，1）中國東部森林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)與緯度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。2）較高的土壤養(yǎng)分含量和微生物多樣性有利于提高土壤質(zhì)量，它們在數(shù)值上表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，彼此之間存在一定的互作關(guān)系。本研究揭示了中國東部地區(qū)典型森林土壤養(yǎng)分、微生物多樣性和土壤質(zhì)量空間分異規(guī)律，為了解中國東部森林土壤狀況以及土壤資源合理可持續(xù)利用與管理提供了科學(xué)依據(jù)。

天然林；土壤質(zhì)量；土壤微生物；空間特征；主成分分析

土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性是土壤的重要屬性之一（Burgess和Webster，1980）。氣候、母巖、海拔、降雨量、地形、植被、動物和微生物等方面的差異性，造成了不同地區(qū)土壤類型和結(jié)構(gòu)的差異，最終導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的差異。同時，由于土壤本身具有變異性，加上區(qū)域因素和人為因素的影響，即使同一類型土壤在不同時間和空間土壤養(yǎng)分也會存在差別。大部分土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)屬于中等變異強度，并且存在明顯的空間自相關(guān)結(jié)構(gòu)（胡克林等，2006；趙其國等，2002）。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動力，幾乎所有的土壤過程都與土壤微生物有直接或間接的關(guān)系（Lejon等，2005）。大量研究表明，森林土壤微生物及其生態(tài)功能變化是土壤質(zhì)量演變的關(guān)鍵過程（Zak等，2003；Priha等，2001）。研究土壤養(yǎng)分和微生物的空間特征，對了解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能具有重要的理論意義（Rossi等，1991）。

土壤質(zhì)量被定義為“特定類型土壤在自然或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)保持動植物生產(chǎn)力，保持或改善大氣和水的質(zhì)量以及支持人類健康和居住的能力”（Doran和Parkin，1994）?？梢娖鋵沙掷m(xù)發(fā)展和維持土壤運行能力的重要作用。另外，土壤質(zhì)量作為一種內(nèi)在指標(biāo)不能直接被人們認(rèn)識，只有從一系列土壤性質(zhì)的綜合評價才能被間接了解（張華等，2003）。當(dāng)前，采用的綜合評價方法有聚類分析、因子分析、主成份分析和模糊綜合評判等（呂曉男等，1999）。評價指標(biāo)體系包括物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)。但不同的土壤類型、不同的土地利用方式，對各指標(biāo)的要求不一（盧鐵光等，2003）。土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤質(zhì)量的最重要的化學(xué)參數(shù)之一，是中國土壤質(zhì)量評價中必須考慮的因子，它影響著土壤的結(jié)實度、脆弱性、營養(yǎng)保持能力、持水能力等土壤功能（Dumanskia和Pieri，2000；Carter，2002）。pH對土壤生物學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系具有較強影響力（劉占鋒等，2006）。生物學(xué)指標(biāo)一般選

表4 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)與土壤質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation Coefficients of Soil Quality Comprehensive Index and Soil Quality Indicators(n=52)

著緯度的增高而增加。王淑平（王淑平等，2002）等的研究顯示，在中國東北樣帶，森林土壤C、N、P在年降水量的驅(qū)動下，呈現(xiàn)東高西低的規(guī)律性變化。在中國南方地區(qū)雨水充足，降雨量大，增加了磷素和鉀素的淋溶喪失。另外，南方土壤類型中磷素和鉀素與粘土礦物之間化學(xué)作用使得磷素和鉀素更易與土壤中的金屬元素緊密結(jié)合。

土壤養(yǎng)分的變異性受海拔高度、植被類型、土壤類型等多種因素的影響。本研究中AP變異系數(shù)為1.17，屬強度變異，其他養(yǎng)分指標(biāo)均為中等程度變異。這可能是因為中國東部地區(qū)土壤普遍偏酸性，AP能與活性鋁、鐵、磷酸鈣形成磷酸鋁鐵沉淀。另外，在強酸性的土壤中由于有大量的三氧化二鐵存在，會形成膠膜包被在磷肥的表面形成閉蓄態(tài)磷。

3.1.2 土壤微生物空間分布特征

土壤養(yǎng)分是土壤微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤有機(jī)質(zhì)是土壤微生物的C源和N源（王長庭等，2010）。土壤養(yǎng)分的豐富度和成分決定了土壤微生物的種類、數(shù)量及比例的消長（Attiwill和Adams，1993）。何友軍（何友軍等，2006）等研究表明，土壤微生物量碳與TN、銨態(tài)氮、TK和AK呈極顯著的正相關(guān)。徐華勤（徐華勤等，2007）等研究發(fā)現(xiàn)：土壤微生物量碳、氮與SOC、TN、AHN顯著正相關(guān)。趙彬（趙彬等，2011）等的研究則表明，土壤微生物生物量與SOC和pH呈顯著正相關(guān)。鐘芳（鐘芳等，2010）的研究也有相似結(jié)果。因此，土壤養(yǎng)分含量是造成土壤微生物多樣性隨緯度升高而增加的主要因素。

3.1.3 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)特征

如何選擇土壤質(zhì)量指標(biāo)和如何科學(xué)合理地確定單項肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)是土壤質(zhì)量綜合評價中的關(guān)鍵問題。評價方法分為定性評價和定量評價，定量評價應(yīng)用較廣（黃勇和楊忠芳，2009）。本研究采用的是定量評價中的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法。結(jié)果表明，中國東部森林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)與緯度、土壤養(yǎng)分(除TK外)、微生物多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這是因為中國北方地區(qū)植物凋落物總量大、降雨少，土壤養(yǎng)分存儲豐富且流失較少。

另外，土壤養(yǎng)分和微生物之間的互作關(guān)系有助于提高土壤質(zhì)量。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分源和匯的一個巨大原動力，在植物凋落物的降解、養(yǎng)分循環(huán)與平衡、土壤理化性質(zhì)改善中起著重要的作用（孫波等，1997）。高質(zhì)量的土壤具有穩(wěn)定的微生物群落組成和結(jié)構(gòu)、高微生物多樣性及良好的微生物活性。

3.2 結(jié)論

本文通過對中國東部天然林土壤養(yǎng)分、微生物多樣性空間特征和土壤質(zhì)量進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：中國東部森林土壤養(yǎng)分含量較高，空間差異大；宏基因香農(nóng)多樣性指數(shù)為弱變異，速效磷為強變異。土壤養(yǎng)分(除TN、TK外)、土壤微生物多樣性和土壤質(zhì)量綜合指數(shù)與緯度呈顯著正相關(guān)。土壤養(yǎng)分和微生物多樣性對提高土壤質(zhì)量存在一定的互作關(guān)系。

本研究沒有檢測土壤的物理指標(biāo)，以至于不能全面系統(tǒng)的對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價。但就土壤質(zhì)量綜合指數(shù)與土壤質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)結(jié)果而言，土壤養(yǎng)分和微生物多樣性指標(biāo)基本能反映土壤質(zhì)量狀況。

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Spatial variation of the biochemical property of soil and quality evaluation for the soil in eastern China

JIANG Jun1，WANG Xiaoxue2，TU Naimei1*，XIAN Chaofan2，GAO Ting2，OUYANG Zhiyun2，ZHENG Hua2
1. College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

China covers a territorial scope at large scale with a long distance from north to south. There exist obvious spatial differences between soil nutrition, and the species and amount of soil microorganisms under the impacts of climatic and anthropogenic factors, which then cause to the spatial differences of soil quality. In order to explore the spatial distribution of soil nutrient and microbial diversity of the virgin forests in the eastern China, the soil samples were collected from 16 natural reserves including 52 typical forests, basing on the characteristics of the changes of water thermal gradient. Some indexes of soil nutrient and microorganism were measured which include pH, organic carbon, organic matter, total carbon, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus, available potassium, alkaline hydrolysis nitrogen, the Gene richness and Shannon's diversity index of soil microorganism. The research found out that the nutrient content of forest soil in Eastern China is higher with great spatial differences, and the Shannon's diversity index of the soil microorganism (0.03) varied weakly but the index of rapidly available phosphorus (1.17) varied strongly. The latitude has positive correlation with the soil nutrient content (except the total nitrogen and potassium), the gene richness and Shannon's diversity of soil microorganism. The Principal Component Analysis would be applied further to work out the integrated evaluation indexes of soil quality based on the index of the soil nutrient and microorganisms. The results showed: 1) The soil quality integrated indexes of the forests in the Eastern China have positive correlation with the latitude; 2) The higher soil nutrient content and the diversity of soil microorganism contribute to the improvement of soil quality, and the numerical values of them have positive correlations with each other, which means that there may exit interaction between them. The research reveals the spatial variation of soil nutrient, microbial diversity and soil quality of typical forests in Eastern China, which provides the scientific supports for the cognition of the forest soil conditions in Eastern China and the sustainable use and management of soil resources.

virgin forest; soil quality; soil microorganism; spatial distribution; the principal component analysis

S154.2

A

1674-5906（2014）04-0561-07

蔣俊，王曉學(xué)，屠乃美，冼超凡，高婷，歐陽志云，鄭華. 中國東部土壤生物化學(xué)性質(zhì)空間分異及質(zhì)量評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(4): 561-567.

JIANG Jun，WANG Xiaoxue，TU Naimei，XIAN Chaofan，GAO Ting，OUYANG Zhiyun，ZHENG Hua. Spatial variation of the biochemical property of soil and quality evaluation for the soil in eastern China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(4): 561-567.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2009CB421105)

蔣?。?987年生），男，碩士研究生，研究方向：土壤微生物生態(tài)。E-mail: 379354956@qq.com *通訊作者；E-mail: tnm505@163.com

2014-01-09