遼河保護(hù)區(qū)不同土地利用方式下土壤的有機碳含量特征

程志輝，李法云，榮湘民，范志平，李霞，張營

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，遼寧 撫順 113001；3.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

遼河保護(hù)區(qū)不同土地利用方式下土壤的有機碳含量特征

程志輝1,3，李法云2,1*，榮湘民1，范志平2，李霞1,3，張營1,3

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，遼寧 撫順 113001；3.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

基于野外調(diào)查采樣和室內(nèi)分析，研究遼河保護(hù)區(qū)3種土壤類型(草甸土、潮土和沼澤土)、4種土地利用方式(旱田、水田、林地和草地)下土壤總有機碳、溶解性有機碳和微生物生物量碳的含量特征。結(jié)果表明，遼河保護(hù)區(qū)不同土地利用方式下土壤的總有機碳、溶解性有機碳和微生物生物量碳含量差異顯著(P＜0.05)，旱田和水田土壤的總有機碳和微生物生物量碳含量均顯著高于林地和草地的，草地土壤溶解性有機碳含量顯著高于旱田、水田和林地的。草甸土不同土地利用方式下土壤的總有機碳含量、溶解性有機碳含量和微生物生物量碳含量均隨剖面深度(0～60 cm)的增加呈逐漸降低的趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤總有機碳含量與微生物生物量碳含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，二者與土壤溶解性有機碳含量的相關(guān)性無統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)果表明土地利用方式的改變將影響到遼河流域土壤有機碳的存在形態(tài)和含量。

遼河保護(hù)區(qū)；土地利用方式；土壤總有機碳；土壤溶解性有機碳；土壤微生物生物量碳

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土壤總有機碳(total organic carbon，TOC)是指通過微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動植物殘體和微生物體中所含有的碳，是全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分[1–2]。土壤有機碳的積累和分解直接影響到全球生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[3]。土壤溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)和微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)作為土壤總有機碳中的活性組分，具有不穩(wěn)定、易氧化分解、易礦化等特點，對土壤中有機物、無機物的分解轉(zhuǎn)化、吸附及遷移淋溶等都有明顯作用，其含量和動態(tài)變化與土壤環(huán)境條件密切相關(guān)，是土壤碳庫大小和變化的指示器[4]，是徑流水體中碳的主要來源之一[5]。

土地利用通過干擾和調(diào)整土壤物質(zhì)的循環(huán)過程，改變原有土壤的生物化學(xué)循環(huán)強度、總量和路徑以及土壤生物的代謝活動，從而影響整個土壤碳庫，是驅(qū)動陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要原因[6]。農(nóng)田轉(zhuǎn)化為林地、草地后一般會使土壤有機碳儲量增加[7–9]，但農(nóng)田撂荒4～5年后土壤的有機碳含量和密度非但不會高于耕作農(nóng)田的，反倒會明顯降低[10]。此外，土地利用變化會引起生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流動過程發(fā)生變化，影響非點源污染物的發(fā)生、遷移和轉(zhuǎn)化[11]，進(jìn)而影響流域水質(zhì)[12–14]，并且不同研究區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的組成和空間分布特征不同，土地利用與水質(zhì)的關(guān)系也不同[15–16]。由此可見，由于各地區(qū)氣候、土壤等自然條件和人類干擾活動不同，土地利用方式及變化對土壤有機碳庫及流域水質(zhì)的影響存在較明顯的區(qū)域性差異。

為了在流域?qū)用娓玫貐f(xié)調(diào)生態(tài)保護(hù)、污染防治、水資源利用和土地利用之間的關(guān)系，遼寧省于2010年5月率先成立了遼河保護(hù)區(qū)管理局，現(xiàn)正逐步開展退耕還林還草、土地自然封育等工作，由此引起的土地利用方式的明顯改變必然會對區(qū)域的土壤碳庫及河流水質(zhì)產(chǎn)生影響。筆者分析遼河保護(hù)區(qū)不同土地利用方式下土壤總有機碳、溶解性有機碳和微生物碳的含量特征，以期為遼河保護(hù)區(qū)土地利用規(guī)劃和水污染防治提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河保護(hù)區(qū)位于遼河流域(117°00′～125°30′E，40°30′～45°10′N)中下游，該區(qū)域跨越遼寧省鐵嶺、沈陽、鞍山和盤錦4市，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，溫度變化較大，四季寒暖，干濕分明，多年平均氣溫自下游平原向上游山區(qū)逐漸降低，氣溫年際變化亦較大，降水量自西北向東南遞增，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配差異也較明顯，地勢自北向南，由東西向中間傾斜，流向自北向南。保護(hù)區(qū)內(nèi)河流水體總長為529 km，保護(hù)區(qū)總面積為1 801.55 km2，其中濕地占48.8%，旱田占35.8%，林地占5.5%，草地占4.2%，水田3.8%，裸地和堤岸等其他占1.9%。區(qū)域內(nèi)主要分布有草甸土(占49.8%)、潮土和沼澤土(分別占10.78%和10.38%)，此外還有棕壤、風(fēng)沙土、水稻土等分布。

1.2 方法

1.2.1 樣地選定及土壤樣品采集

根據(jù)遼河保護(hù)區(qū)土壤類型和土地利用方式的空間分布特征布設(shè)采樣點，樣點所屬土壤類型包括草甸土、潮土和沼澤土3種；土地利用方式包括旱田、水田、草地和林地4種。旱田的種植作物為玉米，水田的種植作物為水稻，草地為撂荒的自然草地，林地為樹齡10年左右的人工林(優(yōu)勢樹種為楊樹)。

采用GPS定位采樣，在每個采樣點采用梅花形布點法采集0～20 cm 的表層土壤，混合形成該樣點的土壤樣本共 53個，其中包括旱田樣本15個，水田樣本9個，林地樣本15個，草地樣本14個。對遼河保護(hù)區(qū)分布最廣泛的土壤類型——草甸土的4種不同土地利用方式下的樣點挖取土壤剖面，按照0～20、＞20～40、＞40～60 cm分層分別采集土樣，重復(fù)3次。采集后的土壤樣品立刻帶回實驗室，充分混合后分成2份，一份過2 mm篩，保存于4 ℃冰箱中，用于對土壤溶解性有機碳和微生物碳等指標(biāo)進(jìn)行測定；另一份風(fēng)干、去雜、過篩后用于分析土壤總有機碳等指標(biāo)。

1.2.2 土壤樣品分析

土壤溶解性有機碳含量采用K2SO4浸提–TOC–VCSH/TN分析儀[17]測定；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化–分光光度法[18]測定；土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸–培養(yǎng)法[19]測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤pH值采用玻璃電極法測定；土壤含水量采用烘干法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理采用Pearson進(jìn)行變量間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤的總有機碳含量

由圖1可見，0～20 cm表層土壤樣品的總有機碳含量為5.59～21.79 g/kg。在不同土地利用方式下，土壤總有機碳含量不同，水田土壤總有機碳含量最高，其次為旱田和林地的，草地土壤的總有機碳含量最低。草甸土水田土壤總有機碳含量為21.79 g/kg，旱田土壤的總有機碳含量為20.31 g/kg，二者差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但顯著高于林地和草地的；土壤類型為潮土?xí)r，水田土壤總有機碳含量為17.39 g/kg，顯著高于旱田的，林地和草地土壤的總有機碳含量較低(二者的差異無統(tǒng)計學(xué)意義)，且二者的顯著低于旱田的；沼澤土旱田、林地和草地的土壤總有機碳含量間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，三者均顯著低于水田的(11.08 g/kg)。不同土壤類型土壤總有機碳含量間的差異達(dá)顯著水平。草甸土土壤總有機碳含量最高，其次為潮土的，沼澤土的最低。

圖1 不同土地利用方式下土壤的總有機碳含量Fig.1 Concentrations of TOC under different land-use types

由圖2可見，不同土地利用方式下，草甸土土壤剖面的土壤總有機碳含量均沿土層向下呈含量遞減的趨勢，0～20 cm土壤的總有機碳含量(7.74～19.7 g/kg)最高，其次為＞20～40 cm土壤的(4.33～9.19 g/kg)，＞40～60 cm土壤的總有機碳含量(1.50～2.07 g/kg)最低。不同土地利用方式下，不同土層土壤總有機碳含量間的差異均達(dá)顯著水平。

圖2 不同土地利用方式下草甸土土壤剖面各層次中的總有機碳含量Fig.2 Concentrations of TOC at different depth of soil profiles under different land-use types in meadow soil

2.2 不同土地利用方式下土壤的溶解性有機碳含量

由圖3可見，0～20 cm表層土壤樣品的土壤溶解性有機碳含量為37.65～156.42 mg/kg。不同土地利用方式土壤溶解性有機碳含量間的差異達(dá)顯著水平。草甸土草地的土壤溶解性有機碳含量為96.55 mg/kg，分別比旱田、水田、林地高36.47%、71.34%、72.41%。潮土草地的土壤溶解性有機碳含量為145.5 mg/kg，分別比旱田、林地、水田的高76.90%、198.46%、242.35%。潮土草地的土壤溶解性有機碳含量為138.8 mg/kg，分別比旱田、林地、水田高95.08%、129.99%、194.69%。不同土壤類型土壤溶解性有機碳含量的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，旱田和草地土壤的溶解性有機碳含量表現(xiàn)為潮土、沼澤土、草甸土依次減??；水田土壤的溶解性有機碳含量表現(xiàn)為草甸土、沼澤土、潮土依次減??；林地土壤的溶解性有機碳含量表現(xiàn)為沼澤土、草甸土、潮土依次減小。

圖3 不同土地利用方式土壤的溶解性有機碳含量Fig.3 Concentrations of DOC under different land-use types

由圖4可見，不同土地利用方式下，草甸土土壤各剖面溶解性有機碳含量的垂直變化與土壤總有機碳含量的變化一致，均呈現(xiàn)為沿土層向下含量減少的趨勢，0～20 cm土壤的溶解性有機碳含量(53.0～96.55 mg/kg)最高，其次為＞20～40 cm土壤的(39.25～52.90 mg/kg)，＞40～60 cm土壤的溶解性有機碳含量(25.18～49.00 mg/kg)最低。不同土地利用方式下土壤的溶解性有機碳含量差異均達(dá)到顯著水平。

圖4 不同土地利用方式草甸土土壤剖面各層次中的溶解性有機碳含量Fig.4 Concentrations of DOC at different depth of soil profiles under different land–use types in meadow soil

2.3 不同土地利用方式下土壤的微生物生物量碳含量

由圖5可見，0～20 cm表層土壤樣品中土壤微生物的生物量碳含量為0.03～1.97 g/kg。在不同土地利用方式下，土壤微生物生物量碳含量不同，其變化趨勢基本與土壤總有機碳含量的變化趨一致。草甸土水田和旱田的土壤微生物生物量碳含量分別為1.43、1.40 g/kg，二者間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但顯著高于林地和草地的；林地的土壤微生物生物量碳含量顯著高于草地的。潮土和沼澤土不同土地利用方式土壤微生物生物量碳含量的變化基本一致，水田土壤微生物生物量碳含量分別為1.75 、1.05 g/kg，顯著高于旱田和林地的，而草地的顯著低于旱地的和林地的，但旱地的與林地的無統(tǒng)計學(xué)差異。不同土壤類型土壤微生物生物量碳含量間的差異達(dá)顯著水平，旱田、林地和草地的土壤微生物生物量碳含量表現(xiàn)為草甸土、潮土、沼澤土依次減?。凰锍蓖镣寥赖奈⑸锷锪刻己孔罡?，草甸土的其次，沼澤土的最低。

圖5 不同土地利用方式下土壤的微生物生物量碳含量Fig.5 Concentrations of MBC under different land-use types

由圖6可見，草甸土土壤剖面不同土地利用方式下土壤微生物生物量碳含量呈沿土層向下含量減少的趨勢，0～20 cm土壤的微生物生物量碳含量(0.44～1.53 g/kg)最高，其次為＞20～40 cm土壤的(0.30～0.51 g/kg)，＞40～60 cm土壤的微生物生物量碳含量(0.13～0.33 g/kg)最低。不同土地利用方式下不同土層的土壤微生物生物量碳含量間的差異均達(dá)顯著水平。

2.4 土壤有機碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

0～20 cm土壤樣品中土壤容重的均值為1.43 g/cm3，最大值為1.84 g/cm3，最小值為1.12 g/cm3；土壤pH值的均值為7.41，最大值為8.38，最小值為6.22；土壤含水量的均值為14.8%，最大值為26.8%，最小值為1.5%。

由表1可見，土壤總有機碳含量與土壤微生物生物量碳含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤總有機碳含量與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤pH的相關(guān)關(guān)系無統(tǒng)計學(xué)意義；土壤溶解性有機碳含量與土壤pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤微生物生物量碳含量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 土壤有機碳含量與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients between soil organic carbon content and soil properties

3 結(jié)論與討論

研究表明不同土地利用方式下土壤的總有機碳含量和微生物生物量碳含量表現(xiàn)為水田、旱田的高于林地和草地的，這說明在遼河保護(hù)區(qū)，通過農(nóng)田撂荒和土地退耕還林還草的方式在短期內(nèi)并不利于提高土壤有機碳的蓄積能力。這與史利江等[10]的研究結(jié)論一致。地表上作物的枯枝落葉和根系經(jīng)微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動植物殘體和微生物體是土壤有機碳的主要來源。農(nóng)田中化肥的施用可以顯著提高農(nóng)作物生物產(chǎn)量，增加土壤中作物殘渣和根等有機質(zhì)的輸入，從而增加水田和旱田的土壤有機碳含量[20–22]。水田較長時間處于淹水狀態(tài)會抑制有機質(zhì)的分解，使土壤有機碳含量保持較高；旱田耕作可改善土壤微生物的活動條件，從而加速土壤有機碳的分解。林地和草地的土壤有機碳含量主要來源于枯枝落葉。本研究中選擇的是10年左右的人工林地和撂荒草地，其郁閉度較低，凋落物較少，故其土壤總有機碳含量和微生物生物量碳含量偏低。草地的土壤溶解性有機碳含量最高，其次為旱田和林地的，水田的最低。溶解性有機碳是土壤有機碳損失的潛在途經(jīng)，通過徑流和下滲進(jìn)入到江河湖泊以及地下水中，翻耕使農(nóng)田土壤疏松，通透性增加，溶解性有機碳更容易通過土壤水流入到地下水中，使得土壤溶解性有機碳含量明顯降低[23]。

由作物殘渣及根系分解形成的有機碳首先進(jìn)入土壤表層，再經(jīng)表層往下進(jìn)入更深的土壤中。草甸土土壤剖面的總有機碳、溶解性有機碳和微生物生物量碳含量均表現(xiàn)出沿土層向下明顯減少的規(guī)律。這與Emadi等[24]的研究成果一致。林地土壤總有機碳和微生物生物量碳含量在20～40 cm均明顯高于旱田、水田和草地，說明作物粗壯發(fā)達(dá)的根系對深層土壤有機碳的影響更為明顯[25]。

不同類型土壤的黏粒組分、化學(xué)性質(zhì)和微生物組成等影響土壤的有機碳含量[26]。徐華勤等[27]發(fā)現(xiàn)相同土地利用方式下廣東省紅壤、赤紅壤和磚紅壤的土壤微生物生物量碳含量差異顯著，本研究中同樣發(fā)現(xiàn)相同土地利用方式下，遼河保護(hù)區(qū)草甸土、潮土和沼澤土的土壤總有機碳、溶解性有機碳和微生物生物量碳含量均存在明顯差異。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤微生物生物量碳含量與土壤總有機碳含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤溶解性有機碳含量與總有機碳含量、微生物生物量碳含量之間未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。這與王明慧等[28]的研究結(jié)論不一致?？梢姡寥廊芙庑杂袡C碳雖然是土壤有機碳中的一部分，但在遼河保護(hù)區(qū)，土壤溶解性有機碳含量并不能直接替代土壤總有機碳含量和土壤微生物生物量碳含量作為估算土壤有機碳含量以及評價土壤質(zhì)量的指標(biāo)。土壤容重與土壤有機碳含量、微生物生物量碳含量之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與前人的研究結(jié)果基本一致[29–30]。土壤含水量與土壤總有機碳含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明土壤含水量的增加加速了作物殘渣及根系分解轉(zhuǎn)化為土壤有機碳的程度。

遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤總有機碳、溶解性有機碳和微生物生物量碳含量受土壤類型和土地利用方式等因素的影響較明顯。遼河保護(hù)區(qū)沿遼河流向跨度較大(全長538 km)，上、下游區(qū)域性差異較明顯，關(guān)于該區(qū)域土壤有機碳含量的空間分布特征等還有待研究。

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責(zé)任編輯：王賽群

英文編輯：王 庫

Characteristics of soil carbon pools under different land use patterns in reserve of Liaohe River

Cheng Zhihui1,3, Li Fayun2,1*, Rong Xiangmin1, Fan Zhiping2, Li Xia1,3, Zhang Ying1,3
(1.Collage of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Institute of Eco-environmental Sciences, Liaoning Shihua University, Fushun, Liaoning 113001, China; 3.School of Environmental Science, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

Field investigations and lab experiments were carried out to study characteristics of soil total organic carbon (TOC), dissolved organic carbon (DOC) and microbial biomass carbon (MBC) in reserve of Liaohe River. Three soil types (including meadow soil, moisture soil and boggy soil) and four land use patterns (including cropland, paddy land, forestland and grassland) were included in this study. Significant differences in TOC, DOC and MBC concentrations were observed among different land use patterns (P＜0.05). The average concentrations of TOC and MBC were much higher in the cropland and paddy land than those in forestland and grassland. However, the DOC was the highest in the grassland among all land uses. In the meadow soil, the average concentrations of TOC, DOC and MBC presented a gradual reduction trend with depth increase. According to Pearson correlation analysis, the concentrations of TOC showed a significant positive relationship with that of MBC (P＜0.01), while there were no significant correlation among TOC, MBC and DOC. The results showed that land use change could significantly affect the quantity and quality of soil carbon pools in this research zone.

reserve of Liaohe River; land use pattern; soil total organic carbon; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon

S153.6

A

1007-1032(2016)06-0670-06

2016–03–28

2016–04–11

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07505–001)；中國科學(xué)院大氣物理研究所開放實驗室課題(LAPC–KF–2011–03)；格平綠色助學(xué)行動遼寧環(huán)境科研“123工程”基金項目(CEPF2011–123–1–4)；遼寧大學(xué)青年科研基金項目(2012LDQN13)；遼寧省博士科研啟動基金(20141051)；遼寧大學(xué)“211”工程第3期重點學(xué)科資助項目(HJ211005)

程志輝(1980—)，女，遼寧北票人，博士研究生，主要從事非點源污染研究，yuanfang696@sina.com；*通信作者，李法云，教授，主要從事污染環(huán)境修復(fù)研究，lifayun15 @hotmail.com