李亞林，練金山，任鳳玲，孫楠，徐明崗

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

隨著全球氣溫和大氣溫室氣體濃度的升高，學(xué)者對(duì)土壤碳庫(kù)和全球碳循環(huán)的研究日益增多[1]。土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon,SOC）儲(chǔ)量約為大氣中的3倍，并以CO2、HCO-3和土壤溶解性有機(jī)碳（Dissolved organic carbon，DOC）的形式進(jìn)入相鄰圈層[2]。DOC 是指能夠溶解于水或鹽溶液的一系列結(jié)構(gòu)、大小不同的有機(jī)化合物[3]。土壤中適當(dāng)?shù)腄OC 含量在維持生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)庫(kù)的穩(wěn)定性和降低環(huán)境污染方面均具有重要作用。一方面，DOC 是土壤碳庫(kù)最為活躍的組分之一[4]，其主要來(lái)源于腐殖化的有機(jī)質(zhì)、植物凋落物、根系分泌物以及土壤微生物[5]，參與土壤C、N、P 等養(yǎng)分元素的生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程；另一方面，DOC 具有較高的移動(dòng)性，溶解后可隨水體遷移，導(dǎo)致環(huán)境污染[6]；此外，DOC 是微生物可直接吸收利用的有機(jī)碳源，通過(guò)影響微生物代謝對(duì)CO2、CH4等溫室氣體的排放產(chǎn)生一定影響[7]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)DOC 的來(lái)源、結(jié)構(gòu)組成、影響因素以及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[8-10]，在研究過(guò)程中不同的學(xué)者采用不同的研究方法測(cè)定DOC 含量。李忠佩等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在紅壤水稻土中，以去離子水作為浸提劑測(cè)定的DOC含量更接近田間實(shí)際情況，但去離子水浸提會(huì)導(dǎo)致土壤黏粒分散從而很難獲得可供分析的清澈溶液[12]。HANEY 等[13]利用去離子水和0.5 mol·L-1K2SO4試劑作為浸提劑測(cè)定DOC 含量，結(jié)果表明室溫條件下，在低pH 土壤中用去離子水測(cè)定的DOC 含量比用0.5 mol·L-1K2SO4試劑提高290%，在高pH 土壤中則減少17%。也有研究發(fā)現(xiàn)用低濃度的鹽溶液測(cè)定的DOC含量比用去離子水高[1]，但DOC 含量的高低與浸提溫度、水土質(zhì)量比等密切相關(guān)[14]。通常情況下，DOC 含量會(huì)隨著溫度的升高顯著增加[15-17]，CHRIST等[18]對(duì)土壤淋洗發(fā)現(xiàn)DOC 含量隨溫度升高呈指數(shù)性增加，但也有一些學(xué)者認(rèn)為溫度對(duì)DOC含量沒(méi)有顯著影響[19]。

綜上所述，DOC 的測(cè)定容易受浸提劑類(lèi)型、浸提溫度、水土質(zhì)量比和土壤前處理方式等因素的影響[20-21]，因而測(cè)定含量差異較大，導(dǎo)致很多研究結(jié)果之間無(wú)法進(jìn)行橫向比較。目前，對(duì)DOC 含量的測(cè)定尚無(wú)統(tǒng)一的方法，因此，本研究通過(guò)搜集現(xiàn)有關(guān)于浸提方法對(duì)DOC 含量影響的研究結(jié)果，采用整合分析（Meta-analysis）的方法，系統(tǒng)評(píng)價(jià)不同浸提方法對(duì)DOC 測(cè)定含量的影響及其差異，以期為DOC 測(cè)定方法的選擇提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)搜集

本研究所用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)知網(wǎng)的中文文獻(xiàn)以及Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫(kù)的英文文獻(xiàn)，通過(guò)輸入檢索詞“土壤溶解性有機(jī)碳/Dissolved organic carbon”“浸提條件/Extraction conditions”“水土質(zhì)量比/Waterto-soil ratio”和“浸提溫度/Extraction temperatures”，篩選了2000—2020年發(fā)表的關(guān)于浸提方法對(duì)DOC測(cè)定含量和浸提率影響的相關(guān)研究文獻(xiàn)。以25 ℃和2∶1水土質(zhì)量比作為對(duì)照組，其余溫度和水土質(zhì)量比條件下（處理組）DOC 含量與對(duì)照組DOC 含量的差值為DOC 增加量（ΔCDOC，mg·kg-1）。DOC 測(cè)定含量（mg·kg-1）為不同浸提條件下提取的土壤中DOC 含量的測(cè)定值；DOC 浸提率（DOC 與SOC 含量之比，%）為土壤中DOC 測(cè)定含量（mg·kg-1）占土壤有機(jī)碳含量（SOC，g·kg-1）的百分?jǐn)?shù)，其計(jì)算公式：

為了避免搜集文獻(xiàn)帶來(lái)的偏差，本研究采用以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行文獻(xiàn)篩選：①同一獨(dú)立試驗(yàn)必須包含明確的處理組和對(duì)照組（表1）；②至少有SOC、DOC 和浸提率等指標(biāo)中的兩個(gè)；③每個(gè)處理重復(fù)次數(shù)≥3；④所有試驗(yàn)均采用表層土壤（0～20 cm）。此外，對(duì)于每個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)還收集了試驗(yàn)時(shí)間、氣候類(lèi)型、地理位置（經(jīng)度和緯度）、土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)等相關(guān)信息。經(jīng)篩選，共獲得31 篇符合標(biāo)準(zhǔn)的研究文獻(xiàn)，包含547 組DOC 測(cè)定含量數(shù)據(jù)和390 組DOC 浸提率數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)提取過(guò)程中，根據(jù)文獻(xiàn)中直接給出的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤（SE），轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）：

表1 土壤溶解性有機(jī)碳測(cè)定含量綜合分析涉及的因素Table 1 Factors involved in the Meta-analysis of soil dissolved organic carbon（DOC）concentrations

式中：n是重復(fù)次數(shù)。若該文獻(xiàn)中無(wú)SD 或SE，則根據(jù)本研究所收集的文獻(xiàn)中給出的SDs（SDx1、SDx2、…、SDxi、…、SDxk）或SEs（SEx1、SEx2、…、SExi、…、SExk）和相對(duì)應(yīng)的重復(fù)次數(shù)（Nx1、Nx2、…、Nxi、…、Nxk）計(jì)算得出SD[22]，具體公式為：

1.2 研究方法

整合分析是利用同類(lèi)研究的多個(gè)相互獨(dú)立的研究結(jié)果進(jìn)行定量分析，從而獲得相對(duì)綜合性結(jié)論的研究方法。由于整合分析增大了分析樣本量，同時(shí)也提升了統(tǒng)計(jì)的檢驗(yàn)效能，因此，其結(jié)論較單一研究結(jié)論更具參考價(jià)值。本研究使用Metawin 2.0 進(jìn)行整合分析，采用效應(yīng)比值的自然對(duì)數(shù)（lnRR）來(lái)量化不同浸提方法對(duì)DOC測(cè)定含量和浸提率的效應(yīng)[23]：

式中：RR為響應(yīng)比；為處理組DOC測(cè)定含量或浸提率的平均值；為對(duì)照組DOC 測(cè)定含量或浸提率的平均值。平均值的變異系數(shù)V、權(quán)重系數(shù)wij、權(quán)重響應(yīng)比RR++、RR++的標(biāo)準(zhǔn)誤（S）以及95%CI可通過(guò)以下公式計(jì)算[24]。

式中：SDt和SDc分別代表處理組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差，nt和nc分別代表處理組和對(duì)照組的樣本數(shù)。通過(guò)分析得到每一組數(shù)據(jù)的效應(yīng)比值，利用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算權(quán)重加權(quán)平均數(shù)后得出其95%置信區(qū)間（95%CI）。若置信區(qū)間包含0，說(shuō)明不同浸提方法對(duì)DOC 測(cè)定含量或浸提率無(wú)顯著影響；若置信區(qū)間全部大于0，說(shuō)明不同浸提方法對(duì)DOC 測(cè)定含量或浸提率具有顯著正效應(yīng)，即顯著增加DOC 測(cè)定含量或浸提率（P<0.05）；若置信區(qū)間全部小于0，說(shuō)明不同浸提方法對(duì)DOC測(cè)定含量或浸提率具有顯著負(fù)效應(yīng)，即顯著降低了DOC測(cè)定含量或浸提率（P<0.05）[25]。

由于納入整合分析的文獻(xiàn)在研究條件、地點(diǎn)、時(shí)間、對(duì)象和研究者等方面不盡相同，不同研究異質(zhì)性的存在使各研究中變量關(guān)系效應(yīng)的估計(jì)也不同。因此，在合并技術(shù)資料的響應(yīng)比得出加權(quán)平均數(shù)之前，需要對(duì)各試驗(yàn)處理及各試驗(yàn)結(jié)果間進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)。如果各研究之間的差異很大，即存在明顯的異質(zhì)性，直接計(jì)算合并得出效應(yīng)量會(huì)造成結(jié)果的不可靠和不穩(wěn)定。異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果（表2）表明，各試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果間存在明顯異質(zhì)性，因此選用隨機(jī)效應(yīng)模型（P<0.001）。

表2 不同處理間的異質(zhì)性（Qt）自由度和顯著性檢驗(yàn)Table 2 Heterogeneity（Qt）and probability among observations in different treatments

1.3 數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步分析某一特征因素對(duì)DOC 測(cè)定含量或浸提率的影響，將數(shù)據(jù)劃分為不同的亞組，如浸提劑種類(lèi)、浸提溫度、水土質(zhì)量比等。此外，采用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯著性檢驗(yàn)（P<0.05），用Origin 2021制圖，各因素對(duì)DOC測(cè)定含量的影響程度的重要度采用R語(yǔ)言中的軟件包Random Forest進(jìn)行計(jì)算[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸提方法對(duì)DOC測(cè)定含量的影響

整合分析結(jié)果（圖1）顯示，浸提劑種類(lèi)和浸提條件對(duì)DOC 測(cè)定含量的影響程度存在顯著差異。相比于去離子水，對(duì)不同的浸提劑種類(lèi)比較發(fā)現(xiàn)，CaCl2浸提下土壤樣品中的DOC 測(cè)定含量的提升幅度顯著低于K2SO4、KCl浸提。與去離子水相比，K2SO4和KCl試劑對(duì)DOC 測(cè)定含量均有顯著提升，分別提高了118.8% 和124.1%（P<0.05）。但DOC測(cè)定含量在K2SO4和KCl 浸提之間無(wú)顯著差異。然而，CaCl2浸提劑顯著降低了DOC 測(cè)定含量（降幅57.9%，P<0.05）。DOC 測(cè)定含量均隨著浸提時(shí)間、浸提溫度、土壤研磨粒徑和水土質(zhì)量比的增加而顯著增加，相比于對(duì)照組，處理組DOC 測(cè)定含量的升幅分別為27.4%、72.5%、11.2%和79.7%。

圖1 不同浸提方法對(duì)DOC測(cè)定含量的影響Figure 1 Effects of extractant methods on measured soil dissolved organic carbon（DOC）concentrations

2.2 不同浸提方法對(duì)DOC浸提率的影響

不同浸提劑種類(lèi)、浸提條件對(duì)DOC 浸提能力影響顯著不同（圖2）。與去離子水相比，K2SO4和KCl均顯著增加DOC 浸提率，升幅分別為17.2%和65.3%，但CaCl2顯著降低了DOC 浸提率，降幅為45.2%。不同浸提條件下，DOC 浸提率隨浸提時(shí)間、浸提溫度和水土質(zhì)量比的增加而升高，但升幅略有差異（圖2），與對(duì)照組相比，處理組DOC 浸提率的升幅分別為27.3%、65.2%和72.3%。不同土壤研磨粒徑間DOC浸提率差異較大。相比≤2 mm 土壤粒徑，2 mm 以上土壤粒徑下DOC 浸提率顯著提高，升幅為13.2%。總體而言，浸提條件不同，DOC浸提率具有顯著差異。

圖2 不同浸提方法對(duì)DOC浸提率的影響Figure 2 Effects of extractant methods on measured soil dissolved organic carbon（DOC）extraction rate

2.3 浸提溫度和水土質(zhì)量比與DOC增加量的關(guān)系

圖3結(jié)果表明，浸提溫度對(duì)DOC增加量有顯著的影響（P<0.01）。在30～80 ℃范圍內(nèi)，DOC 增加量隨溫度的升高呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且DOC 增加量曲線和零點(diǎn)有兩個(gè)交界點(diǎn)（分別為48 ℃和63 ℃），表明DOC 測(cè)定含量在48 ℃左右時(shí)達(dá)到最大值，之后隨溫度增加逐漸減小，并在63 ℃左右時(shí)達(dá)到最小值，隨后繼續(xù)增大。不同水土質(zhì)量比與DOC 增加量的擬合曲線（圖4）表明，隨著水土質(zhì)量比的增大，溶解進(jìn)入到土壤溶液中的DOC 增加量呈直線增加，且達(dá)到極顯著水平（P<0.01），這表明水土質(zhì)量比對(duì)DOC 測(cè)定含量有重要的影響。

圖3 浸提溫度與DOC增加量（ΔCDOC）關(guān)系Figure 3 Relationship between DOC increment（ΔCDOC）and extraction temperature

圖4 水土質(zhì)量比與DOC增加量（ΔCDOC）關(guān)系Figure 4 Relationship between DOC increment（ΔCDOC）and water-to-soil ratio

2.4 不同浸提劑下土壤性質(zhì)對(duì)DOC 測(cè)定含量影響的重要度

由于DOC 在養(yǎng)分供應(yīng)、物質(zhì)循環(huán)等方面具有重要作用，因此，不同浸提劑下土壤性質(zhì)對(duì)DOC 測(cè)定含量的影響程度能夠反映出浸提劑是否適宜。整體來(lái)看，相比于其他因素，土壤pH 是影響DOC 測(cè)定含量的主要因素，其相對(duì)重要度為14.75%，其次是SOC 和全氮（TN）含量，重要度分別是11.85%和11.43%（圖5a）。與去離子水相比，不同浸提劑（K2SO4、KCl 和CaCl2）下DOC 測(cè)定含量影響幅度的主控因素存在差異。對(duì)于浸提劑K2SO4，土壤pH、黏粒含量和SOC 含量是影響DOC 測(cè)定含量的主要因素，其相對(duì)重要度分別為14.62%、14.21%和13.76%（圖5b）；對(duì)于浸提劑KCl，TN 含量是影響DOC 測(cè)定含量的主要因素，其次是土壤容重（BD）和SOC 含量（圖5c）；對(duì)于浸提劑CaCl2，土壤質(zhì)地對(duì)DOC測(cè)定含量的影響較大，其中粉粒、黏粒和砂粒含量的重要度分別為19.99%、17.14%和12.45%，SOC含量的重要度也達(dá)到了9.44%（圖5d）。

3 討論

3.1 浸提劑種類(lèi)對(duì)DOC測(cè)定含量和浸提率的影響

本研究表明，浸提劑種類(lèi)顯著影響DOC 測(cè)定含量和浸提率。與去離子水相比，鉀鹽（K2SO4和KCl）對(duì)DOC 測(cè)定含量的提升幅度顯著高于鈣鹽（CaCl2），這可能與部分礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)被釋放有關(guān)[27]。RENNERT 等[28]的研究表明去離子水可以溶解出更多具有芳香性和高分子量的疏水化合物，而鹽類(lèi)可以提取出更多吸附在帶電土壤基質(zhì)表面的親水化合物。一方面，浸提劑中的一價(jià)陽(yáng)離子（K+）與多價(jià)陽(yáng)離子（Ca2+和Mg2+）交換，從而使吸附在黏土礦物表面或被有機(jī)物-多價(jià)陽(yáng)離子復(fù)合物固定的有機(jī)化合物溶解，進(jìn)而導(dǎo)致更多固定的有機(jī)團(tuán)聚體分解為DOC[29]；另一方面，CaCl2對(duì)土壤中高縮合的有機(jī)碳素的提取能力較弱[30]。而且，CaCl2本身是一種溫和試劑，溶液中的Ca2+可以同時(shí)被黏土顆粒表面的負(fù)電荷和有機(jī)化合物的羧基基團(tuán)吸附，或者被來(lái)自不同有機(jī)化合物的兩個(gè)負(fù)電荷吸附，從而導(dǎo)致CaCl2試劑浸提條件下DOC測(cè)定含量的增幅明顯低于其他試劑（K2SO4和KCl）浸提[31]。與去離子水相比，KCl 試劑對(duì)DOC 測(cè)定含量的提升幅度略高于K2SO4試劑，差異不顯著（P>0.05），但KCl試劑對(duì)DOC浸提率的提升幅度顯著高于K2SO4試劑（P<0.05，圖1 和圖2）。這與楊小燕等[32]在黑土上的研究結(jié)果不一致，該研究發(fā)現(xiàn)K2SO4試劑對(duì)DOC 測(cè)定含量的影響顯著高于KCl 試劑。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是不同土壤間的理化性質(zhì)具有明顯差異。最近的研究表明土壤對(duì)DOC 的吸附能力取決于SOC含量和鐵氧化物含量，二者呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系[33]。本研究還發(fā)現(xiàn)在不同浸提劑條件下，土壤理化性質(zhì)（pH、SOC 和TN 含量）均顯著影響DOC 測(cè)定含量，其重要度為17.31%～38.03%（圖5）。

圖5 影響DOC測(cè)定含量的主要因素Figure 5 The main factors affecting the DOC concentrations

3.2 浸提溫度和水土質(zhì)量比對(duì)DOC 測(cè)定含量和浸提率的影響

與室溫（25 ℃）浸提相比，增加浸提溫度使DOC測(cè)定含量和浸提率顯著提高。在30～80 ℃范圍內(nèi)，DOC 測(cè)定含量在48 ℃左右達(dá)到最大值，之后隨溫度增加逐漸減小，并在63 ℃左右達(dá)到最小值，隨后繼續(xù)增大（圖3）。溫度的升高加速了分子熱運(yùn)動(dòng)，提高了溶解性有機(jī)物在滯膜層中的分子擴(kuò)散速度[22，29]，進(jìn)而增加了DOC 的釋放速率。當(dāng)溫度達(dá)到一定限度（50 ℃左右）后，溫度升高會(huì)導(dǎo)致溶解性有機(jī)物發(fā)生絮凝作用，使其分子量增加、分子擴(kuò)散系數(shù)降低，因而DOC 釋放速率也降低[21]。當(dāng)溫度繼續(xù)升高（≥60 ℃）時(shí)，高溫導(dǎo)致有機(jī)結(jié)構(gòu)破壞、溶酶細(xì)胞水解，同時(shí)電離有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)膠體，使得DOC 測(cè)定含量大幅提高[34]。

水土質(zhì)量比對(duì)DOC 測(cè)定含量和浸提率有重要的影響，與對(duì)照（≤2∶1 水土比）相比，處理組（>2∶1 水土比）的DOC 測(cè)定含量和浸提率顯著提升，增幅分別為79.7%和72.3%（圖1和圖2）；另外DOC測(cè)定含量隨水土質(zhì)量比的提高而增加（圖4）。這可能是因?yàn)槿芤褐械碾x子濃度隨水土質(zhì)量比的增大而降低，使土壤孔隙中更多易解吸的DOC 向水體中釋放；而且水土質(zhì)量比的提高會(huì)增強(qiáng)土壤顆粒的分散性，改變土壤與DOC 交換位點(diǎn)的有效性，導(dǎo)致與土壤結(jié)合能量低的DOC 釋放。此外，水土質(zhì)量比的提高會(huì)打破DOC 在土壤固液兩相界面的吸附-解吸平衡，促進(jìn)親水性DOC釋放，進(jìn)而提升溶液中DOC的測(cè)定含量[21，35]。

4 結(jié)論

本研究采用Meta分析方法探究了DOC 測(cè)定含量和浸提率對(duì)不同浸提條件的響應(yīng)，結(jié)論如下：

（1）與去離子水作浸提劑相比，KCl 和K2SO4浸提劑顯著提高了DOC 測(cè)定含量和浸提率，而CaCl2浸提劑顯著降低了DOC測(cè)定含量和浸提率。

（2）DOC 測(cè)定含量隨著浸提時(shí)間、浸提溫度、土壤研磨粒徑和水土質(zhì)量比的增加而提高，且其提升幅度顯著不同。

（3）土壤pH、SOC含量是影響DOC測(cè)定含量的主要因素，但不同浸提劑下各主控因素有所不同。

綜上所述，浸提劑種類(lèi)、浸提時(shí)間、浸提溫度、水土質(zhì)量比以及土壤性質(zhì)均對(duì)DOC 測(cè)定含量和浸提率有顯著影響，在測(cè)定DOC含量時(shí)適宜采用KCl作為浸提劑，在室溫條件（25～30 ℃）下浸提1 h。