不同年限棄耕水田土壤養(yǎng)分及碳儲(chǔ)量變化的研究

王天嬌 楊萌 朱衛(wèi)紅

摘 要：通過采集不同年限棄耕水田與2個(gè)天然濕地的土壤，對(duì)不同年限棄耕水田土壤理化性質(zhì)以及不同土層深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：（1）隨著棄耕年限增大，垂直剖面的土壤容重和孔隙度的變異系數(shù)變大；（2）除了速效氮，其他土壤養(yǎng)分含量大致隨土層深度的增加而減?。唬?）土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量是先增大后減小，全磷含量是先增大后減小再增大；（4）20～40cm土層深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占0～40cm深度的50%以上，10～15a棄耕水田20～40cm占比最大，達(dá)其60%以上。

關(guān)鍵詞：棄耕水田；土壤養(yǎng)分；有機(jī)碳儲(chǔ)量

中圖分類號(hào) S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）15-0091-05

Abstract：In this study，we collected the soil from abandoned paddy fields and two wetlands，to analyze physical and chemical properties of soil，and the change of soil organic carbon storage in different soil depths.The results showed that：（1）With the increase of abandoned years，the coefficient of variation of soil bulk density and porosity in the vertical section became larger.（2）In addition to available nitrogen，other soil nutrient content decreases with increasing soil depth.（3）The contents of soil organic matter，total nitrogen and available nitrogen increased first and then decreased，and the total phosphorus content first increased then decreased and then increased.（4）The depth of soil organic carbon in 20-40cm accounted for more than 50% of the depth of 0-40cm，and the proportion of 20-40cm accounted for the largest in 10-15a abandoned paddy field，accounting for more than 60%.

Key words：Abandoned paddy fields；Soil nutrient；Carbon stock

水田是農(nóng)業(yè)景觀的主要組成部分，其被評(píng)估為水生植物、稻田雜草、水鳥及青蛙的濕地棲息地。然而，近幾十年來，隨著農(nóng)業(yè)活動(dòng)的集約化和邊緣化，水田的生物多樣性正在下降[1-2]。根據(jù)氣候變化和土壤退化情況，這些棄耕水田經(jīng)歷了植物再生的過程，有不同程度的恢復(fù)。棄耕水田是在人為干擾情況下的一類退化的濕地生態(tài)系統(tǒng)，也是濕地演替理論的重要組成部分。溫帶地區(qū)的研究表明，在大多數(shù)情況下，棄耕地的恢復(fù)趨勢(shì)一般遵循典型的次生演替階段規(guī)律：在最初的演替階段，植被多以一年生植物為主，然后是闊葉樹和草，灌木和樹木[3]。植物組成隨時(shí)間的變化取決于土壤肥力的變化，地上和地下動(dòng)物活動(dòng)以及互惠共存的植物物種及其相關(guān)的土壤特征。在棄耕水田上，植被的結(jié)構(gòu)取決于棄耕地的年限；植被覆蓋度取決于與地點(diǎn)相關(guān)的因素[4]。土壤有機(jī)質(zhì)的損失，土壤養(yǎng)分和土壤含水率的下降反過來對(duì)植物生長產(chǎn)生負(fù)面反饋?zhàn)饔?，結(jié)果是再生植被將被延遲甚至被阻止[5-6]。

退化濕地的生態(tài)恢復(fù)與重建是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，更是人類生存的需要。由于濕地退化嚴(yán)重影響了區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[7]。我國對(duì)退耕還濕開始于20世紀(jì)70年代，國內(nèi)外對(duì)濕地的研究主要集中于濕地植物種子庫和植被演替動(dòng)態(tài)、濕地生態(tài)系統(tǒng)健康與景觀格局變化、濕地演化模式和過程、退化濕地的恢復(fù)與重建等方面[8-11]。但對(duì)棄耕地的植被和土壤的研究是近年才開展起來的，現(xiàn)有對(duì)高寒農(nóng)區(qū)棄耕地地還林還草的研究，但罕有對(duì)棄耕水田中植物群落和土壤特征變化的研究。

本研究以圖們江下游敬信濕地農(nóng)區(qū)1～3a、5～7a、10～15a和20～30a的棄耕水田地及2個(gè)天然濕地為研究對(duì)象，通過采集不同年限棄耕水田與毗鄰的2個(gè)天然濕地的土壤，對(duì)不同棄耕水田土壤理化性質(zhì)的進(jìn)行分析；以及不同土層深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化，探究棄耕還濕的土壤特征和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化，以期為圖們江下游的濕地生態(tài)恢復(fù)措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 圖們江下游地區(qū)濕地位于吉林省東部延邊朝鮮族自治州琿春市敬信鎮(zhèn)，地處中國、朝鮮和俄羅斯3國交界處。本研究區(qū)域主要是敬信濕地農(nóng)區(qū)的不同年限棄耕水田地。地理范圍為42°32′43″N～42°42′13″N，130°25′1″E～130°37′37″E。本區(qū)屬長白山地的東部中低山區(qū)，三面環(huán)山，整個(gè)地勢(shì)由北向西南逐漸傾斜，形成東北、東南、西北部高，中部、南部低的簸箕狀盆地，海拔5～15m，是吉林省的最低處；由于距日本海較近，受海洋影響較大，氣候?qū)僦袦貛ЫＱ笮约撅L(fēng)氣候，與同緯度地區(qū)相比冬暖夏涼，年均氣溫5.6℃，1月最冷，8月最熱，春秋季風(fēng)大，降水充沛，年降水量600～800mm，極端最高氣溫為36.6℃，極端最低氣溫為-32.5℃，干燥度為0.8，屬濕潤區(qū)。

圖們江下游地區(qū)濕地江河縱橫、湖泡棋布，該鎮(zhèn)該鎮(zhèn)濕地類型多樣，分布著湖泊濕地、河流濕地和沼澤濕地等，具有較高的生產(chǎn)力和豐富的生物多樣性，圈河為其主要支流，為吉林省近海的重要濕地。區(qū)內(nèi)野生動(dòng)物3目62科190種，列入國家重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物名錄的Ⅰ、Ⅱ級(jí)鳥類有丹頂鶴（Crus japonen-sis）、大天鵝（Cygnus cygnus）、白額雁 （Anser albi-frons）、鴛鴦（Aix galericulata）、虎頭海雕（Haliaeetus pelagicus）、白尾海雕（Haliaeetus albicilla）等18 種，還是水貂（Mustela vison）和海豹（Phoca vtulina）在吉林省的唯一分布區(qū)，有高等植物51科305種，其中包括蓮（Nelumbo）和玫瑰（Rosa rugosa）等稀有植物。

1.2 研究方法 本研究于2017年7月開始進(jìn)行植物優(yōu)勢(shì)種調(diào)查以及土壤樣品的采集，選取圖們江下游敬信鎮(zhèn)2個(gè)類型濕地，分別為棄耕水田（RW）和天然濕地（NW）。每個(gè)樣地隨機(jī)建立3個(gè)平行樣點(diǎn)（40m×40m），共計(jì)12個(gè)樣點(diǎn)。其中，3個(gè)棄耕水田（RW1、RW2和WR3）都建立在曾經(jīng)開墾的水田上，棄耕年限分別為1～3年、5～7年、10～15年和20～30年；2個(gè)自然濕地為未受到人為干擾的沼澤濕地。每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置1m×1m的小樣方，依據(jù)對(duì)角線原則采集5份土樣并將混合，剔除大石礫，可見根系等雜物，最后取出1kg裝入聚乙烯樣品袋中，貼好標(biāo)簽。采集不同深度（上層0～10cm，中層10～20cm，下層20～40cm）的土壤樣品。記錄樣方周圍環(huán)境和植被覆蓋等情況，地理坐標(biāo)用精度為10m的手持GPS確定。表1為樣地植物群落物種種類。土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法分別為：土壤容重采用環(huán)刀法；土壤pH采用電位法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法；全氮采用半微量開氏法（K2SO4-CuSO4-Se蒸餾法）；全磷采用鉬銻抗比色法（HClO4-H2SO4法）；速效氮采用堿解擴(kuò)散法。土壤有機(jī)碳含量用土壤有機(jī)質(zhì)含量乘以換算系數(shù)（0.58）得到，土壤剖面有機(jī)碳密度和單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式如下：

[Ci=Di×Wi；]

[Ti=i=1n（Ci×di）×0.1]

式中，Ci為土壤有機(jī)碳密度，kg/m3；Di為土壤容重；g/cm3；Wi為第i層土壤有機(jī)碳含量，g/kg；Ti為單位面積第i層土壤深度范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，t/hm2；di為第i層土壤厚度，cm；n為層數(shù)，本研究中n=3。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重變化趨勢(shì) 土壤容重和孔隙度是土壤孔性的重要指標(biāo)，影響土壤養(yǎng)分的有效化和植物生長（李永強(qiáng)，2012）。棄耕年限不同，棄耕水田不同土層土壤容重和孔隙度變化幅度明顯（表2）。棄耕地平均容重為1.07g/cm3；而天然濕地平均容重為1.02g/cm3，主要是天然濕地具有豐富的腐殖質(zhì)。20～40cm土層容重和孔隙度的變異系數(shù)最大，是0～10cm土層的3倍多。隨著棄耕年限增大，垂直剖面的土壤容重和孔隙度的變異系數(shù)變大。5～7a棄耕水田土壤容重變異系數(shù)最大，分別是2個(gè)天然濕地的3.5和4.4倍，且僅有10～15a棄耕水田容重變異系數(shù)小于2個(gè)天然濕地。如圖1所示，棄耕時(shí)間短的樣地容重小于棄耕時(shí)間長的樣地，可能與降水和沉積作用有關(guān)。在5～7a棄耕水田土壤容重隨著土層深度增加而減小，而20～30a土壤容重變化趨勢(shì)恰好相反。1～3a和10～15a棄耕水田與天然濕地的變化趨勢(shì)基本一致。棄耕1～3a、5～7a、10～15a和2個(gè)天然濕地的容重最大的土層在0～20cm，而20～30a的最大容重在20～40cm。孔隙度與容重是相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)，二者變化規(guī)律相反。5～7a的棄耕水田0～10cm的土壤容重相對(duì)較大，孔隙度相對(duì)較小。20～30a棄耕水田孔隙度變異系數(shù)最大，為12.8%，分別比2個(gè)天然濕地大10.2%和11.1%。如圖2所示不同棄耕年限與天然濕地的土壤孔隙度的變化趨勢(shì)。

2.2 土壤養(yǎng)分含量變化趨勢(shì) 不同棄耕年限和天然濕地，除了速效氮，其他土壤養(yǎng)分含量大致隨土層深度的增加而減小，0～10cm土層深度的有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量基本最高；20～40cm土層深度的有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量基本最低。以土壤有機(jī)質(zhì)為例，1～3a、5～7a和20～30a土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度變化與2個(gè)天然濕地變化趨勢(shì)相近，而10～15a土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層增加先增大再減小，可能與降雨和沉積作用有關(guān)。土壤全氮是1～3a、5～7a和10～15a隨土層深度變化趨勢(shì)與2個(gè)天然濕地變化趨勢(shì)一致，而20～30a的土壤全氮含量隨土層增加先減小再增大。而速效氮含量在不同年限隨著土層深度增加，變化不一，1～3a和10～15a隨著土層深度增加而減??；5～7a隨著土層深度增加而變大；20～30a隨土層增加先增大后減小。

同一土層深度不同棄耕年限土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效氮含量有所不同。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量變化趨勢(shì)一致，為先增大后減?。蝗缀渴窍仍龃蠛鬁p小再增大。以0～10cm的土層深度為例，1～3a土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效氮含量最低；20～30a的土壤有機(jī)質(zhì)含量最大，為3.94g/kg，相比1～3a增加了103.9%，5～7a土壤有機(jī)質(zhì)含量與2個(gè)天然濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量接近。1～3a土壤全氮含量最低，為2.34g/kg，10～15a含量最高，為3.77g/kg，比1～3a增加了61.1%，且10～15a土壤全氮含量與2個(gè)天然濕地全氮含量相近。1～3a土壤全磷含量最低，為0.32g/kg；20～30a含量最高，為0.67g/kg，比1～3a增加了109.3%，且20～30a全磷含量與2個(gè)天然濕地含量接近。5～7a土壤速效氮含量最低，為16.49g/kg；10～15a含量最高，為25.86g/kg，比5～7a增加了56.8%，而2個(gè)天然濕地比棄耕水田的土壤速效氮含量都高。

2.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量 如圖6所示，不同棄耕年限的水田和2個(gè)天然濕地20～40cm土層深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量都占40cm深度內(nèi)有機(jī)碳儲(chǔ)量的50%以上，10～15a棄耕水田20～40cm占比最大，占其60%以上。由表3可知，除了1～3a棄耕水田，其他3個(gè)棄耕水田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均大于2個(gè)天然濕地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。20～30a棄耕水田0～40cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量最大，為21.85t/hm2，且變異系數(shù)也最大，為73.4%；而最小是在1～3a棄耕水田，為7.84t/hm2。隨著土層深度增加土壤碳儲(chǔ)量隨之增大，平均值分別為1.92t/hm2、3.42t/hm2、7.58t/hm2，且0～10cm土層深度有機(jī)碳儲(chǔ)量變異系數(shù)最大，為49.8%，最小為10～20cm土層，為36.3%。由此可見，棄耕年限不同，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量不同，也會(huì)影像到各土壤層碳儲(chǔ)量的分配。

3 結(jié)論與討論

植被群落生產(chǎn)力水平是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要表現(xiàn)形式，圖們江下游棄耕水田在不同恢復(fù)年限由不同植被群落組成。土壤養(yǎng)分相對(duì)于植物變化具有滯后性，土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ)，土壤理化性質(zhì)不單單取決于土壤的質(zhì)地，而且與植物有著密不可分的關(guān)系，土壤養(yǎng)分含量隨著回復(fù)年限進(jìn)行而呈現(xiàn)出不一樣的變化特征。棄耕水田恢復(fù)過程中首先改變了植物覆蓋類型，改變植物生產(chǎn)力，這必然會(huì)影響土壤有機(jī)碳攔存進(jìn)而改變土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。研究發(fā)現(xiàn)，不同棄耕年限水田，不同土層深度土壤容重和孔隙度變化幅度明顯，隨著棄耕年限增大，垂直剖面的土壤容重和孔隙度的變異系數(shù)變大；除了速效氮，其他土壤養(yǎng)分含量大致隨土層深度的增加而減小，0～10cm土層深度的有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量基本最高；20～40cm土層深度的有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量基本最低；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量變化趨勢(shì)一致，為先增大后減?。蝗缀渴窍仍龃蠛鬁p小再增大；不同棄耕年限的水田和2個(gè)天然濕地20～40cm土層深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量都占40cm深度內(nèi)有機(jī)碳儲(chǔ)量的50%以上，10～15a棄耕水田20～40cm占比最大，達(dá)60%以上。

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（責(zé)編：張宏民）