三峽庫區(qū)消落帶土壤有機碳氧化穩(wěn)定性特征

賈國梅,何 立,劉 瀟,但飛君,陳芳清

(1.三峽大學 生物與制藥學院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 三峽地區(qū)生態(tài)保護與治理國際聯(lián)合研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.Department of Chemistry,Stony Brook University,New York 11794,United States)

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三峽庫區(qū)消落帶土壤有機碳氧化穩(wěn)定性特征

賈國梅1,2,何 立1,劉 瀟3,但飛君1,陳芳清1,2

(1.三峽大學 生物與制藥學院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 三峽地區(qū)生態(tài)保護與治理國際聯(lián)合研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.Department of Chemistry,Stony Brook University,New York 11794,United States)

土壤有機碳氧化的難易對土壤質(zhì)量和碳沉降具有顯著的影響。選取三峽庫區(qū)消落帶的3個海拔梯度的土壤，以從未淹沒的樣地作為對照，研究消落帶濕地不同海拔梯度土壤有機碳氧化難易各組分(F1：高氧化活性有機碳組分；F2：中氧化活性有機碳組分；F3：低氧化活性有機碳組分；F4：難氧化有機碳組分)的特征。結(jié)果表明：土壤F1組分含量和其所占有機碳的比例在所有樣地的各組分中最高。土壤易氧化有機碳總量及其F2，F(xiàn)3和F4組分都是消落帶區(qū)域小于從未淹沒的對照樣地，但是高氧化有機碳組分F1在海拔155～165 m的消落帶區(qū)域與從未淹沒的對照樣地之間并無顯著的差異。在消落帶區(qū)域，155～165 m區(qū)域土壤易氧化有機碳及其F1組分顯著大于144～155 m及其165～175 m區(qū)域的，而F2，F(xiàn)3和F4組分之間都無顯著性差異。相關(guān)性分析表明，土壤易氧化有機碳及其氧化有機碳組分與土壤總有機碳之間都具有顯著的正相關(guān)性，而氧化有機碳F3和F4組分只與土壤全氮之間具有顯著的正相關(guān)性。消落帶土壤易氧化碳活性系數(shù)的大小順序為是155～165 m>145～165 m>165～175 m，這意味著消落帶土壤有機碳不穩(wěn)定性高低的順序為155～165 m>145～165 m>165～175 m。

三峽庫區(qū)消落帶; 土壤有機碳; 氧化難易組分; 活性系數(shù)

濕地土壤或沉積物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫，約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的10%。因而，濕地土壤有機碳的穩(wěn)定性與全球碳循環(huán)的關(guān)系非常密切[1]。氧化穩(wěn)定性是土壤有機質(zhì)的一個重要性質(zhì)，與有機質(zhì)抵抗氧化的能力有關(guān)。Biederbeck等[2]通過動力學研究指出，土壤有機質(zhì)的短暫波動主要發(fā)生在易氧化分解部分，因而，土壤有機碳氧化穩(wěn)定性關(guān)系到有機碳分解的難易、在土壤中存留時間長短和養(yǎng)分的釋放等諸多方面[3]。土壤易氧化有機碳(readily oxidizable carbon，ROC)具有移動快、不穩(wěn)定、易氧化、分解與礦化等顯著特征，直接參與土壤生物化學轉(zhuǎn)化過程的活性組分以及微生物活動能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力，對土壤碳及質(zhì)量變化具有更高的靈敏性[4]。Chan等[5]根據(jù)土壤有機碳氧化的難易程度，把有機碳可劃分為4個組分，即F1組分：高氧化活性有機碳;F2組分：中氧化活性有機碳;F3組分:低氧化活性有機碳;F4組分：難氧化有機碳，即穩(wěn)定有機碳。Barreto等[6]進一步認為F1和F2之和為更容易氧化的碳，即活性有機碳，而F3和F4之和為更難氧化的碳，即惰性有機碳。吳家梅等[7]研究報道，高氧化活性有機碳F1組分是甲烷排放的主要底物，這進一步說明土壤有機碳氧化程度的難易在全球碳平衡中起著非常重要作用。

三峽大壩的攔蓄和泄洪形成的消落帶濕地由于其水位不斷的消漲而成為流域景觀內(nèi)生物地球化學過程最為活躍的區(qū)域，是全球碳循環(huán)研究的熱點[8]。賈國梅等[9]研究報道三峽庫區(qū)消落帶土壤有機碳和易氧化有機碳之間具有顯著的正相關(guān)性，這說明易氧化有機碳能夠敏感指示土壤有機碳的變化，然而很少有研究報道消落帶土壤有機碳氧化穩(wěn)定性的特征。因而，本研究以三峽庫區(qū)消落帶土壤為研究對象，研究不同海拔梯度土壤有機碳氧化穩(wěn)定性的特征，同時探明人為調(diào)控的消落帶濕地土壤中哪些有機碳組分氧化潛力最強，對土壤質(zhì)量或者溫室氣體排放影響更大，以期為人為調(diào)控的消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的進一步研究提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇緊鄰三峽大壩的秭歸縣的童莊河消落帶(110°43′38″E，30°56′51″N)和香溪河消落帶(110°45′10″E，31°01′31″N)。該地區(qū)氣候?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L氣候，氣候溫暖濕潤，四季分明，雨熱同季，熱量充沛。年平均氣溫為17.9℃，年平均降水量為1 006.8 mm，年日照時間1 631.5 h，無霜期年平均為260 d左右。土壤類型為紫色土。

1.2土樣采集

首先調(diào)查童莊河和香溪河兩個消落帶土壤質(zhì)地情況，選擇兩個消落帶質(zhì)地都為紫色土的區(qū)域作為樣地。然后在每個消落帶劃分不同高程段：從未淹沒區(qū)(NI)(175～185 m)、淹沒持續(xù)時間較短區(qū)(SI)(165～175 m)、年淹沒和排干持續(xù)時間近似相等區(qū)(MI)(155～165 m)和淹沒持續(xù)較長區(qū)(LI)(145～155 m)4個區(qū)域，以從未淹沒區(qū)域作為對照(表1)。在2012年7月(庫區(qū)水位是145 m左右)取樣，在每個消落帶的每個海拔梯度選擇2個10 m×10 m的樣方按照蛇形法在0—20 cm各采取5個點的土壤，然后每個消落帶每個海拔梯度的每個樣方的5個樣點的土壤分別混合為1個土樣。土樣室內(nèi)自然風干，用于土壤有機碳、全氮和易氧化碳及其組分的分析。

表1　不同海拔梯度樣地特征

1.3土樣分析

土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定。土壤總有機碳(TOC)和土壤易氧化碳(ROC)采用重鉻酸鉀氧化—稀釋熱法，總有機碳消煮的溫度是170～180℃，而易氧化碳的消煮溫度為130～140℃。易氧化有機碳(ROC)組分測定采用改進的Walkley-Black方法[10]，加入10 ml 0.167 mol/L的重鉻酸鉀后，分別加入5，10，20 ml濃硫酸，酸度分別為6，9，12 mol/L，然后用1 mol/L硫酸亞鐵標定，所測得的有機碳分別記為6，9，12 mol/L的有機碳[5]。12 mol/L的有機碳就是易氧化碳含量。其組分如下：F1組分為6 mol/L的有機碳，高氧化活性有機碳組分；F2組分為9 mol/L的有機碳減去6 mol/L有機碳，中氧化活性有機碳組分；F3組分為12 mol/L的有機碳減去9 mol/L有機碳，低氧化活性有機碳組分；F4組分為TOC減去12 mol/L的有機碳，穩(wěn)定有機碳組分。土壤易氧化有機碳活性指數(shù)分別按照下式[11-12]計算：

活性系數(shù)=F1/ROC×3+F2/ROC×2+F3/ROC×1

(1)

穩(wěn)定系數(shù)=(F3+F4)/(F1+F2)

(2)

1.4數(shù)據(jù)處理

每個指標的平均數(shù)為兩個消落帶的兩個樣方內(nèi)土壤室內(nèi)再進行3次重復的平均值。試驗數(shù)據(jù)的處理比較用Turkey′s-b單因素方差分析，相關(guān)性分析用Pearson′s test分析，在SPSS 11.5軟件上分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同海拔梯度土壤含水量、有機碳和全氮的特征

土壤含水量的變化范圍為14.90%～16.54%。MI區(qū)域最大，NI區(qū)域最小，但是方差分析的結(jié)果表明，4個樣地的含水量之間并無顯著的變化。土壤總有機碳(TOC)的變化范圍在3.76～8.04 g/kg，土壤全氮(TN)的變化范圍為0.60～1.13 g/kg(表2)。土壤總有機碳和全氮含量是從未淹沒的對照樣地顯著大于消落帶區(qū)域的樣地。在消落帶區(qū)域，總有機碳的變化趨勢為MI>SI>LI，而全氮含量卻在3個樣地之間無顯著性的差異，這說明三峽庫區(qū)水位消漲，確實降低了土壤總有機碳和全氮的含量，但是淹沒持續(xù)時間長短對總有機碳的影響顯著，而對全氮的影響并不顯著。

2.2不同海拔梯度土壤氧化有機碳及其組分的特征

土壤易氧化有機碳(ROC)總量的變化范圍為2.51～5.79 g/kg(表2)，也是從未淹沒的對照樣地顯著大于消落帶區(qū)域的樣地。在消落帶區(qū)域，MI樣地的易氧化有機碳顯著大于SI和LI，而SI和LI之間卻無顯著性的差異，這說明總有機碳大的對照樣地，其易氧化有機碳總量也大，而在消落帶區(qū)域，淹沒時間較長或者較短的區(qū)域其易氧化有機碳含量的降低比年淹沒和排干持續(xù)時間近似相等的區(qū)域的更顯著。土壤易氧化有機碳占總有機碳的比例的變化范圍為67.63%～81.03%，MI區(qū)域最大，LI區(qū)域最小，但是方差分析的結(jié)果表明4個樣地之間并無顯著的差異。這說明雖然水位消漲影響了土壤易氧化有機碳含量，但是ROC/TOC的比例在4個樣地之間并沒有發(fā)生顯著的變化。

表2　消落帶不同海拔梯度土壤總有機碳、全氮和易氧化碳總量

注：平均數(shù)(標準誤)后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發(fā)生變化，說明處理間具有顯著的差異。

在所研究的樣地中，土壤有機碳氧化穩(wěn)定性組分的大小順序都為F1>F4>F3>F2(表3)。在土壤有機碳氧化穩(wěn)定性組分中，F(xiàn)1組分的變化范圍為1.32～2.69 g/kg，大小順序為NI>MI>LI>SI，但是單因素方差分析的結(jié)果表明，F(xiàn)1在NI與MI之間，LI和SI之間都分別無顯著的差異。F2，F(xiàn)3和F4組分是消落帶區(qū)域的小于對照樣地。在消落帶區(qū)域，隨著淹沒持續(xù)時間長短F2，F(xiàn)3和F4組分并無顯著的變化，這說明淹沒持續(xù)時間長短僅僅對高氧化有機碳產(chǎn)生了影響，且MI區(qū)域維持了高氧化活性的有機碳含量，只有LI和SI區(qū)域的高氧化活性有機碳的含量顯著降低。

LI樣地中，F(xiàn)1和F4組分顯著的大于F2和F3組分(表3)，而F1和F4之間、F2和F3之間分別無顯著性的差異；在MI樣地中，F(xiàn)1顯著大于其他組分，而其他組分間也無顯著性的差異；SI樣地中，F(xiàn)1，F(xiàn)3和F4之間無顯著差異，F(xiàn)2和F3之間無顯著的差異，只有F1顯著大于F2；NI樣地中，F(xiàn)1，F(xiàn)3和F4之間無顯著差異，F(xiàn)2和F3之間也無顯著性的差異。這說明NI，SI和LI既能提高最易氧化有機碳含量，又能保持穩(wěn)定性有機碳含量，只有MI僅僅提高了F1組分的含量。

表3　消落帶不同海拔梯度土壤有機碳氧化穩(wěn)定性組分　g/kg

注：平均數(shù)(標準誤)后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發(fā)生變化，說明處理間具有顯著的差異。同一行的大寫字母相同說明4個組分間無顯著性差異，大寫字母不同說明4個組分間差異顯著。

2.3土壤易氧化有機碳各組分占有機碳總量的百分數(shù)

在4個有機碳氧化穩(wěn)定性組分中，組分F1/TOC的比例在每個樣地中都最高(圖1)，且隨不同海拔梯度具有顯著的差異，MI樣地的F1/TOC顯著大于其他樣地，而其他樣地之間無顯著性的差異；F2/TOC，F(xiàn)3/TOC和F4/TOC在不同樣地之間都無顯著性的差異，這說明消落帶水位的消漲只是對單位有機碳的高氧化活性的有機碳百分數(shù)具有顯著的影響。高氧化有機碳的組分F1比易氧化有機碳總量更能敏感指示土壤有機碳的微小的變化。Barreto等[6]認為惰性有機碳(F3+F4)具有較高的化學穩(wěn)定性，它的周轉(zhuǎn)周期高于易氧化有機碳，在土壤中存留時間較長，較為穩(wěn)定[13-16]?；钚杂袡C碳(F1+F2)占總有機碳的比例隨著海拔的升高其大小順序為MI>SI>LI>NI(圖1)，MI的活性有機碳(F1+F2)占總有機碳的比例高達64.46%，顯著高于其他樣地。惰性有機碳占總有機碳的百分數(shù)的大小順序是NI>LI>SI>MI(圖1)，但是單因素方差分析的結(jié)果表明，MI區(qū)域顯著低于其他樣地，而其他樣地之間并無顯著性的差異。這說明了消落帶MI區(qū)域活性有機碳的比例提高，而惰性有機碳的比例降低。

2.4有機碳的活性系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)的特征

有機碳的活性系數(shù)的變化范圍為2.09～2.42(圖1)，其大小順序為MI>LI>NI>SI，但是單因素方差分析的結(jié)果表明，LI和MI之間、LI，SI和NI之間分別都無顯著性的差異，只有MI顯著的高于SI和NI。這說明消落帶區(qū)域年淹沒和排干持續(xù)時間近似相等的區(qū)域顯著地提高了有機碳的活性，加速有機碳氧化，有提高碳礦化風險的潛力，其次是淹沒持續(xù)時間較長的區(qū)域，淹沒持續(xù)時間較短的區(qū)域易氧化碳活性最低。有機碳的穩(wěn)定系數(shù)的變化范圍為0.64～1.25，LI最大，MI最小(圖1)，但是方差分析的結(jié)果表明，4個樣地之間并無顯著性的差異，這說明易氧化有機碳的活性系數(shù)比有機碳穩(wěn)定系數(shù)更適合評價三峽庫區(qū)消落帶土壤質(zhì)量狀況。

2.5土壤有機碳氧化穩(wěn)定性各組分與土壤特性間的相關(guān)性

相關(guān)性分析的結(jié)果表明，F(xiàn)1與F2(p<0.05)、F4(p<0.01)、總有機碳(p<0.01)和總易氧化有機碳(p<0.01)之間都具有顯著的正相關(guān)性；F2與F3(p<0.05)、總有機碳(p<0.01)、總易氧化有機碳(p<0.01)之間具有顯著的正相關(guān)性(p<0.01)(表4)；F3與總有機碳、全氮和總易氧化有機碳之間都具有顯著的正相關(guān)性(p<0.01)；F4組分與總有機碳(p<0.01)、全氮(p<0.01)和總易氧化碳(p<0.05)之間具有顯著的正相關(guān)性；總有機碳和總易氧化有機碳之間也具有顯著的正相關(guān)性(p<0.01)，而全氮與F1，F(xiàn)2和總易氧化有機碳之間并無顯著的相關(guān)性。土壤含水量與易氧化有機碳及其組分之間都無顯著的相關(guān)性。

圖1　消落帶不同海拔梯度土壤有機碳的活性系數(shù)、有機碳氧化難易各組分占總有機碳的百分數(shù)

項目F1F2F3F4TOCTNROCF20.31*F30.270.35*F40.34**-0.010.23TOC0.77**0.47**0.63**0.72**TN-0.150.110.58**0.38**0.32*ROC0.83**0.64**0.70**0.30*0.88**0.18含水量-0.24-0.13-0.12-0.20-0.280.05-0.24

注：**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)，*表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)。

3　討論與結(jié)論

3.1討 論

土壤有機碳氧化難易的4個組分反映了土壤有機碳的組成和狀態(tài)，對于土壤有機碳的儲存和變化具有重要的意義[17]。易氧化有機碳與總有機碳的比值越大說明總有機碳活度越強，總有機碳被分解礦化的潛力越大[18]。F1組分和F2組分與土壤有效營養(yǎng)緊密相關(guān)，活性較高；而F3組分和F4組分主要起源于腐殖化的有機質(zhì)，是由一些分子量較大，化學穩(wěn)定性較高的化合物構(gòu)成[5]。本研究中，F(xiàn)1在4個組分中占有機碳總量的百分數(shù)最高，F(xiàn)2組分占的比例最低。這說明F1組分對土壤有機碳礦化的貢獻最大，F(xiàn)2組分的貢獻最小。隨著海拔的升高，有機碳氧化難易的各組分的變化趨勢并不一致。消落帶MI區(qū)域的F1含量顯著大于其他消落帶區(qū)域，且與對照樣地無顯著性差異，而且MI區(qū)域的F1/TOC、(F1+F2)/TOC百分比顯著大于其他樣地，(F3+F4)/TOC顯著小于其他樣地，這說明MI區(qū)域由于年淹沒和排干持續(xù)時間近似相等提高了單位土壤有機碳的容易氧化的部分，降低了單位土壤有機碳的惰性部分，提高了微生物所需要的有效養(yǎng)分，同時也有可能加大碳通過氧化而損失的風險性。這可能與其地上植物多樣性較高[19]提供更多活性有機殘體[5,20]和年干濕交替時間近似相等改善了土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)[21]。F2，F(xiàn)3和F4組分消落帶區(qū)域顯著小于對照樣地，但是在消落帶區(qū)域3個組分在3個樣地之間分別都無顯著性的差異，這進一步說明雖然有機碳氧化難易的4個組分能夠指示濕地和旱地的差異，但只有F1組分能夠更加敏感指示消落帶土壤質(zhì)量受淹沒持續(xù)時間長短的影響。Chan[5]和Barreto[6]等也表明不同的牧草地或者不同的農(nóng)林系統(tǒng)土壤有機碳氧化穩(wěn)定性的差異主要發(fā)生在F1組分上。因而，高氧化有機碳組分F1可以作為消落帶土壤質(zhì)量變化的敏感指標。

相關(guān)性分析的結(jié)果表明，易氧化有機碳及其氧化有機碳各組分與總有機碳之間具有顯著的正相關(guān)性，這說明易氧化有機碳總量及其氧化有機碳各組分的變化很大程度上依賴于總有機碳的變化[22]。這與易氧化有機碳的主導影響因素是土壤全碳的結(jié)論是一致的[23-24]。土壤全氮和F3及其F4與之間具有顯著的正相關(guān)性，但是與F1和F2之間都無顯著的相關(guān)性，這說明土壤惰性碳的變化與土壤全氮之間具有緊密的聯(lián)系，而土壤碳的活性部分與土壤全氮之間并無緊密聯(lián)系。涂利華等[25]報道土壤活性有機碳與土壤中氮素含量關(guān)系密切，氮素的增加可能通過減少土壤有機質(zhì)的數(shù)量而影響活性有機碳的含量，也可能通過改變土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定性和質(zhì)量，從而改變土壤活性有機碳與非活性有機碳之間的轉(zhuǎn)變。

3.2結(jié) 論

消落帶區(qū)域土壤有機碳主要以高氧化有機碳組分F1為主，F(xiàn)1在4個組分中占有機碳總量的百分數(shù)最高，這說明F1組分對土壤有機碳礦化的貢獻最大,在消落帶營養(yǎng)循環(huán)中起重要作用。消落帶區(qū)域，F(xiàn)1組分隨著海拔梯度發(fā)生相應變化，而F2，F(xiàn)3和F4并無顯著性的變化，這意味著高氧化有機碳組分F1能敏感指示消落帶淹沒持續(xù)時間長短對土壤質(zhì)量的影響，而F2，F(xiàn)3和F4組分并不能成為指示消落帶淹沒持續(xù)時間長短對土壤質(zhì)量影響的敏感指標。消落帶土壤易氧化有機碳的活性指數(shù)意味著155～165 m區(qū)域土壤質(zhì)量最好，但是同時碳被氧化分解的風險也最大，其次是145～155 m，土壤質(zhì)量最低的是165～175 m。所以在三峽庫區(qū)消落帶植被恢復優(yōu)先要考慮165～175 m的區(qū)域，加大植被恢復力度，改善土壤質(zhì)量。

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Characteristics of Soil Oxidizable Stable Organic Carbon in Riparian of Three Gorges Reservoir Area

JIA Guomei1,2,HE Li1,LIU Xiao3,DAN Feijun1,CHEN Fangqing1,2

(1.College of Biological and Pharmaceutical Sciences,Three Gorges Univiersity, Yichang,Hubei 443002,China; 2.Hubei International Scientific and Technological Cooperation Center of Ecological Conservation and Management in Three Gorges Area,Three Gorges Univiersity, Yichang,Hubei 443002,China; 3.Department of Chemistry,Stony Brook University,New York 11794,USA)

The different oxidizability of soil organic carbon influcences soil quality and carbon.The objective of this study was to determine the change in soil oxidizable organic carbon fractions (F1,F2,F3,F4)at different elevation gradients in riparian wetland of Three Gorges Reservoir Area.The results showed that oxidizable organic carbon fraction F1and F1/TOC (total organic carbon)were the highest among the sample sites.Although readily oxidizable carbon and F2,F3,and F4in riparian zone were lower than those in the control upland,F1had no significant difference between the sites of 155～165 m and the control upland.In riparian zone,readily oxidizable carbon and F1were higher in the sites of 155～165 m than those in the other sites,whereas there was no significant difference for F2,F3,and F4among sites.Soil readily oxidizable carbon and oxidizable organic carbon fractions showed the significantly positive relationship with soil total organic carbon,whereas F3and F4showed the significant positive relationship with total nitrogen.Liability index followed the order: 155～165 m>145～165 m>165～175 m,indicating that the lability of carbon followed the same order in riparian zone of Three Gorges Reservoir Area.

riparian of Three Gorges Reservoir Area; organic carbon; oxidizable fractions; liability index

2016-03-06

2016-03-21

國家自然科學基金應急管理項目“消落帶土壤甲烷氧化菌群落的生態(tài)位分異特征及其對水位消漲的響應機理”(51541903)

賈國梅(1965—),女,甘肅永登人,博士,教授,主要從事土壤生態(tài)學研究。E-mail:jjjgm@126.com

S153.6+21

A

1005-3409(2016)05-0014-06