土地利用方式改變對濕地土壤總有機碳與可溶性有機碳的影響

簡 興，翟曉鈺，王 喻，蔡陽陽

(1.安徽科技學院 建筑學院，安徽 蚌埠 233030； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物有機肥創(chuàng)制重點實驗室，安徽 蚌埠 233030； 3.安徽科技學院 生命與健康科學學院，安徽 蚌埠 233030)

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫。雖然濕地只占地球陸地面積的5%～8%[1]，但其土壤中固存的碳卻占到全球土壤總碳庫的20%～30%[2]。濕地土壤碳對環(huán)境變化具有較高的敏感性，人類活動的干擾是造成濕地土壤碳儲量降低的重要原因[3]。鑒于濕地生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的重要作用，人類活動造成的土地利用變化如何影響濕地土壤碳的固存，現(xiàn)已成為全球氣候變化研究的熱點之一。作為土壤有機質(zhì)中移動性最強的組分，土壤可溶性有機質(zhì)(DOM)對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)和生態(tài)系統(tǒng)間碳及相關(guān)養(yǎng)分的循環(huán)、分布有著重要的影響。已有的研究顯示，DOM既可成為大氣中CO2的源[4-5]，一定條件下也可以成為CO2的匯[6]。因此，有必要了解土地利用方式的改變對土壤DOM會產(chǎn)生怎樣的影響。

土壤中DOM的量對土壤理化性質(zhì)具有重要作用[7]?？扇苄杂袡C碳(DOC)是DOM的主要組成成分，其含量通常被用來表征DOM的量。DOC是土壤碳較為活躍的組分之一，對碳、氮、磷元素的生物地球化學循環(huán)過程具有重要的影響，還是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳和養(yǎng)分向水生生態(tài)系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕问健Ｒ虼?，了解土地利用改變后土壤DOC含量的變化，對于理解人類活動對土壤固碳的影響和土壤養(yǎng)分的損失機制具有重要意義。

目前，關(guān)于濕地土壤DOC含量的研究主要集中在植物群落、環(huán)境因素、人為干擾等方面，研究區(qū)域主要集中在濱海、三江平原、西北干旱區(qū)，關(guān)于土地利用方式改變對濕地土壤DOC含量影響的研究還相對較少。淮河流域是我國中東部重要的濕地分布區(qū)，同時也是我國社會經(jīng)濟發(fā)展較快的區(qū)域，濕地受到的人為干擾在形式和強度上多樣且劇烈。目前，涉及淮河流域濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃笸寥繢OC變化的研究在檢索范圍內(nèi)尚未見報道。為此，本研究以淮河中游天然濕地和由濕地轉(zhuǎn)變而成的幾種典型土地利用類型為對象，采用空間替代時間的方法，研究土地利用方式改變對濕地土壤總有機碳(TOC)和DOC的影響，以期為揭示土地利用變化對濕地土壤碳庫的影響提供數(shù)據(jù)積累，同時也可為當?shù)氐臐竦刭Y源保護與開發(fā)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河是我國中東部地區(qū)的重要河流，其干流在安徽境內(nèi)全長約420 km，流域面積6.69萬km2，占淮河流域面積的24.8%，占安徽省總面積的47.8%?；春恿饔蛩祻碗s，水體眾多，濕地類型豐富，特別是在淮河兩岸分布著數(shù)量眾多的天然與人工濕地，是安徽省，乃至華東地區(qū)重要的濕地分布區(qū)之一。選擇該區(qū)域較為典型的三汊河濕地作為研究區(qū)。三汊河濕地系國家濕地公園，地處蚌埠市淮上區(qū)曹老集鎮(zhèn)與梅橋鎮(zhèn)交界處(117°18′E，33°02′N)，南距淮河11 km，濕地南北長7.0 km，東西寬0.2～2.0 km，面積約5.3 km2。濕地主要部分為老淝河故道，現(xiàn)與北淝河、清溝河和青二截水溝相通，屬河跡洼地型湖泊濕地。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年日照時長2 168 h，年均降水量為900～1 000 mm，土壤類型為潮土。

1.2 土壤樣品采集與測定

在研究區(qū)內(nèi)按典型性、代表性原則，確定5種土地利用類型：(1)天然蘆葦濕地(WL)，主要覆被植物為蘆葦(Phragmitesaustralis)，地塊未受到明顯的人為干擾；(2)3 a前由濕地轉(zhuǎn)變而成的新開墾耕地(CL1)，主要種植大豆(Glycinemax)、花生(Arachishypogaea)，地塊上筑圩排水，翻耕土壤，采用常規(guī)田間管理措施，施用少量化肥；(3)30 a前由濕地轉(zhuǎn)變而成的耕地(CL2)，主要種植小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)，種植制度為冬小麥、夏玉米兩熟制，管理措施包括灌溉、施肥、病蟲害防治、中耕除草；(4)30 a前由濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀? a前再由耕地轉(zhuǎn)變而成的果園(OL)，主要種植李(Prunussalicina)、桃(Amygdaluspersica)，管理措施包括土壤翻耕，除草，有機肥環(huán)施；(5)20 a前由濕地轉(zhuǎn)變而成的林地(FL)，主要栽植大葉楊(Populuslasiocarpa)，地塊內(nèi)無明顯人為干擾痕跡，林內(nèi)草本和灌木較少。各土地利用類型的土壤基本理化性質(zhì)見表1。

在每種土地利用類型的代表性地段內(nèi)隨機布設(shè)3塊10 m×10 m的樣地，在每塊樣地內(nèi)采用5點取樣法，用直徑5 cm的不銹鋼土鉆分別采集0～10、10～20、20～30、30～50 cm深度的土壤樣品，每塊樣地同層土樣混合為一個樣本。樣品裝入自封袋，放入裝有冰塊的冷藏箱帶回實驗室，部分鮮土立即用于測定DOC含量，其余土樣自然風干后用于測定TOC含量。

DOC的提取、測定：稱取10 g鮮土，裝入盛有50 mL去離子水的100 mL塑料離心管中，室溫下于往復式振蕩機上200 r·min-1振蕩浸提30 min，之后4 000 r·min-1離心10 min，過0.45 μm玻璃纖維濾膜。用總有機碳分析儀(島津TOC-LCPH)測定濾液中的碳含量。

TOC采用外加熱重鉻酸鉀容量法測定[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 16.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析。對有顯著差異的處理，采用新復極差檢測(SSR)進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤的TOC含量

WL 0～30 cm土層的TOC含量無顯著差異(圖1-A)，平均值為14.90 g·kg-1，顯著(P<0.05)高于30～50 cm土層的6.97 g·kg-1。CL2、OL、FL的TOC含量在0～10 cm土層最高，隨土層加深逐漸降低，10～20 cm土層的TOC含量較0～10 cm土層分別降低了61.7%、45.8%和39.0%，但20～30 cm與30～50 cm土層的TOC含量無顯著差異，表明上述3種土地利用類型的TOC含量在20 cm以下土層趨于穩(wěn)定。CL1的TOC含量在0～30 cm土層無顯著差異，平均值為5.57 g·kg-1，但在30～50 cm土層顯著(P<0.05)升高，達到13.51 g·kg-1。另外，CL1在0～10 cm土層的TOC含量顯著(P<0.05)低于其他土地利用類型。

對各土地利用類型相同土層的TOC含量進行橫向比較(圖2-A)，圖中以WL為起點，向左為FL，表示濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?；向右為CL1、CL2和OL，表示土地利用方式依次轉(zhuǎn)變?yōu)樾麻_墾耕地、開墾30 a后的耕地，以及由耕地再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@。結(jié)果顯示，WL與CL2的0～10 cm土層TOC含量分別為16.99 g·kg-1和19.22 g·kg-1，無顯著差異，但顯著(P<0.05)高于OL的12.31 g·kg-1和FL的12.64 g·kg-1，CL1的0～10 cm土層TOC含量在幾種土地利用類型中最低，僅6.31 g·kg-1。在10～20 cm和20～30 cm土層中，WL的TOC含量分別為14.80 g·kg-1和12.93 g·kg-1，顯著(P<0.05)高于同一土層的其他土地利用類型。除WL外，其他土地利用類型的TOC含量在10～20 cm土層無顯著差異。20～30 cm土層中，F(xiàn)L的TOC含量顯著(P<0.05)高于CL2和OL。30～50 cm土層中，CL1的TOC含量顯著(P<0.05)高于其他土地利用類型，WL與FL的TOC含量無顯著差異，二者均顯著(P<0.05)高于CL2與OL。

表1 各土地利用類型的土壤基本性質(zhì)

Table1Basic soil properties of different land use types

土地利用類型Land usetype全氮Totalnitrogen/(g·kg-1)銨態(tài)氮Ammoniumnitrogen/(mg·kg-1)全磷Totalphosphorus/(g·kg-1)有效磷Availablephosphorus/(mg·kg-1)速效鉀Availablepotassium/(mg·kg-1)pH土壤容重Soil bulkdensity/(g·cm-3)土壤含水量Soilmoisturecontent/%WL3.5918.110.5514.95195.616.800.66112.91CL11.227.910.4919.94162.727.831.0512.32CL21.6210.630.6418.01142.347.550.9728.06OL1.438.930.5820.2090.307.671.205.03FL1.047.550.285.67119.268.061.2112.47

圖1 不同土地利用類型土壤TOC、DOC含量及DOC分配比例的垂直分布Fig.1 Vertical distribution of TOC， DOC content and DOC/TOC in soils of different land use types

圖2 濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃骉OC、DOC含量及DOC分配比例的變化Fig.2 Changes of TOC， DOC content and DOC/TOC after wetland conversion to other land use types

2.2 不同土地利用類型的DOC含量與DOC分配比例

各土地利用類型的DOC含量見圖1-B。WL、CL1與FL的DOC含量在土壤垂直剖面上差異不顯著。CL2的0～10 cm土層DOC含量為84.78 mg·kg-1，顯著(P<0.05)高于下層土壤，10 cm以下各土層的DOC含量差異不顯著。OL的0～10 cm與10～20 cm土層DOC含量無顯著差異，但顯著(P<0.05)高于下層土壤，20～30 cm和30～50 cm土層的DOC含量差異不顯著。

對不同土地利用類型同層土壤的DOC含量進行比較，結(jié)果見圖2-B。WL各土層的DOC含量均顯著(P<0.05)高于其他土地利用類型同層土壤。CL2的0～10 cm土層DOC含量顯著(P<0.05)高于OL、FL和CL1，OL與FL差異不顯著，但均顯著(P<0.05)高于CL1。10～20 cm土層，CL2、OL與FL的DOC含量無顯著差異，但均顯著(P<0.05)高于CL1。20～30 cm和30～50 cm土層中，CL2與FL的DOC含量無顯著差異，但均顯著(P<0.05)高于OL和CL1。CL1的DOC含量顯著(P<0.05)低于同土層的其他土地利用類型。

有研究表明，土壤TOC是影響DOC含量的一個決定因素[9]，二者之間存在顯著的相關(guān)性[10]。本研究也顯示(圖3)，TOC與DOC之間存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)。為消除TOC總量差異對研究結(jié)果的影響，有學者提出，利用有機碳組分與總有機碳的比值(TOC/DOC)，即DOC分配比例，來反映有機碳組分的相對數(shù)量更為合適[11]。

本研究顯示，在垂直方向上，除CL1外，其他土地利用類型的DOC分配比例均表現(xiàn)為隨土層深度增加逐步升高的趨勢(圖1-C)。DOC分配比例橫向比較(圖2-C)顯示，0～10 cm和10～20 cm土層的DOC分配比例在各土地利用類型相同土層間差異不顯著。20～30 cm土層中，除CL1外，其余土地利用類型的DOC分配比例差異不顯著，CL1的DOC分配比例顯著(P<0.05)低于其他土地利用類型。30～50 cm土層中，CL2的DOC分配比例顯著(P<0.05)高于其他土地利用類型，WL、OL、FL的DOC分配比例無顯著差異，CL1的DOC分配比例最低。從以上結(jié)果可以看出，0～20 cm的上層土壤DOC分配比例與土地利用方式無密切聯(lián)系。隨著土層深度增加，DOC分配比例在各土地利用類型中出現(xiàn)了分異。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗冢?0 cm以下的2個土層的DOC分配比例急劇下降，平均值從1.47%降至0.20%；耕作30 a的耕地20 cm以下2個土層的DOC分配比例升至1.43%和2.49%，其中，20～30 cm土層的DOC分配比例與同層次的濕地相當，30～50 cm土層，耕作30 a的耕地DOC分配比例顯著(P<0.05)高于濕地。耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@3 a后，0～30 cm的3個土層DOC分配比例未出現(xiàn)顯著差異，但30～50 cm土層果園卻顯著(P<0.05)低于耕地。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾螅魍翆覦OC分配比例未表現(xiàn)出顯著差異。

圖3 TOC與DOC的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between TOC and DOC

3 結(jié)論與討論

3.1 土地利用變化對濕地土壤有機碳的影響

本研究顯示，研究區(qū)濕地土壤剖面上，TOC的分布在0～30 cm土層呈聚集狀態(tài)，30 cm以下土層TOC含量顯著降低。這與前人的相關(guān)研究結(jié)論一致[12-13]。研究區(qū)濕地受人為干擾較少，植物凋落物得以大部分歸還土壤，使得土壤有機碳得到累積，含量較高。除此之外，植物根系代謝產(chǎn)物和根系殘體也是TOC的重要來源[14-16]。研究區(qū)濕地主要植物為蘆葦。已有研究表明，蘆葦根系的生物量在0～30 cm土層最大[17]。因此，地上蘆葦殘體和地下蘆葦根系殘體及其分泌物是導致濕地土壤TOC在0～30 cm土層積聚的重要原因。

圍墾是濕地受到人為干擾的主要形式之一。本研究顯示，濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾? a，TOC顯著降低，其中，0～30 cm的3層土壤分別降低了62.84%、66.58%和57.87%，平均降幅為62.43%。這與前人得出的墾殖措施會在短期內(nèi)迅速降低土壤TOC含量的結(jié)論一致[18]。TOC含量的下降與圍墾打破濕地土壤原有的碳循環(huán)平衡過程有密切關(guān)系。一方面，植被被鏟除，使得碳輸入土壤的途徑被切斷。另一方面，濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r，首先通過人工壘壩筑圩的方式切斷水的供給，造成土壤水分和質(zhì)地的變化，之后耕作措施使得土壤水熱條件改變，增強了土壤呼吸，從而導致碳的輸出增加[19]。因此，圍墾后土壤碳輸入減少、輸出增加，不利于碳的固存。但也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著開墾年限延長，耕地會因為人為有機肥源的輸入，TOC呈逐步升高的趨勢[20]。Iost等[21]的研究表明，圍墾形成的耕地在經(jīng)過20 a的耕作之后，TOC會開始出現(xiàn)明顯的積累。蔡家艷等[22]的研究表明，圍墾形成的耕地TOC的積累甚至會超過某些未開墾的湖灘地。本研究中，濕地土壤經(jīng)過30 a的開墾后，土壤0～10 cm表層TOC恢復到與濕地相同的水平，可能就是這個原因。至于由濕地新開墾而成的耕地，其30～50 cm土層TOC含量陡增，顯著高于30 cm以上土層，同時也顯著高于同層的濕地土壤，可能是因為圍墾造成原來濕地水分喪失后，土壤產(chǎn)生板結(jié)，采取的翻耕等措施擾亂了原有土層結(jié)構(gòu)所導致的結(jié)果。在土壤樣品采集時也發(fā)現(xiàn)，新生耕地下層土壤與濕地上層土壤具有較為相似的表觀特征。

由于果樹帶來的經(jīng)濟效益要高于農(nóng)作物，因此，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@近年來在一些地方比較普遍。本研究發(fā)現(xiàn)，濕地圍墾形成的耕地在經(jīng)過接近30 a的開墾再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后3 a，TOC降低主要發(fā)生在0～10 cm的土層，TOC下降35.98%。由于農(nóng)田與果園耕作措施存在差異，因此耕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后TOC常會呈下降趨勢[23]。本研究中耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@的時間尚短，隨著時間的推移，果園土壤TOC含量是否會在下層土壤降低，還需進一步研究。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾螅?～30 cm土層的TOC含量下降顯著，但30 cm以下土層TOC含量與濕地相當。0～50 cm土層中，土壤TOC平均含量林地僅次于濕地。這與關(guān)于濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃?，林地較其他土地利用類型有更強的碳截存能力的研究結(jié)論一致[24]。林地相對于其他土地利用類型土壤TOC含量較高的原因可能與樹木枝葉凋落物和根系代謝物、凋落物返還土壤有一定關(guān)系。

3.2 土地利用變化對土壤可溶性有機碳含量的影響

本研究顯示，濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗?，DOC含量下降幅度較大，各土層降幅達79.14%～88.15%。土壤DOC的主要來源是植物凋落物[25]。在水的浸泡下，地表凋落物層中有大量的DOC被淋溶釋放[26]；因此，豐富的植物殘體和充足的水分條件是濕地較其他土地利用類型擁有較高的DOC含量的主要原因。本研究顯示，濕地各土層土壤DOC含量均顯著高于其他土地利用類型的同層土壤。這與前人關(guān)于持續(xù)的水分飽和條件下土壤具有較高可溶性有機碳含量的結(jié)論一致[27]。當濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃?，上述?個條件喪失，從而造成土壤DOC含量急劇下降。相比較而言，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@初期，各土層DOC的降幅為11.31%～48.19%，要小于濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗?。這可能是因為相對于濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后，地表凋落物和土壤水分的變化幅度不大。

一般情況下，DOC含量隨著土層深度增加會逐漸降低[28]。但孔范龍等[29]認為，DOC含量隨著土層深度增加而不斷減小，主要原因是隨著土壤深度增加，土壤總有機碳逐漸降低。鑒于DOC與TOC之間這種極顯著的相關(guān)性，研究中常用DOC分配比例表征DOC的實際變化情況。本研究結(jié)果顯示，DOC分配比例在除新生耕地外的幾種土地利用類型中均表現(xiàn)為隨土層增加逐漸遞增的趨勢，與楊繼松等[30]在三江平原小葉章濕地中的研究結(jié)論一致。這可能與下層土壤對DOC有較強的吸附能力有關(guān)[31]。本研究顯示，5種土地利用類型0～20 cm土層的DOC分配比例無顯著差異，說明土地利用方式的改變未引起土壤上層DOC分配比例的變化，這與Sun等[32]的研究結(jié)論一致。另外，一些學者的研究也發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型之間DOC分配比例無顯著差異[33-34]。但至于是何因素導致這一現(xiàn)象，還有待進一步研究。

3.3 結(jié)論

(1)濕地開墾為耕地初期，TOC含量在0～30 cm土層顯著下降，經(jīng)過30 a的墾殖，TOC在0～10 cm土壤表層得到積累。TOC的損失與積累2個過程在時間和空間上存在不對等性，碳損失發(fā)生在短時間內(nèi)，且主要發(fā)生在0～30 cm土層，而碳的積累所需時間較長，且主要發(fā)生在0～10 cm的表層。由濕地轉(zhuǎn)變而來的耕地再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@的初期，土壤有機碳含量下降主要發(fā)生在0～10 cm土層。濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾?0 a，0～50 cm土層中，林地土壤有機碳含量僅次于濕地。

(2)濕地、由濕地轉(zhuǎn)變而成的新生耕地、林地DOC含量在土壤剖面上未表現(xiàn)出隨土層增加而變化的趨勢。DOC分配比例在除新生耕地外的4種土地利用類型中均表現(xiàn)為隨土層增加而逐漸升高，說明DOC分配比例較DOC含量對土層深度的變化更敏感，更適于表征DOC在土壤剖面方向上的變化。

(3)0～20 cm土壤DOC分配比例與土地利用方式無關(guān)。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗冢?0 cm以下土層DOC分配比例下降，耕作30 a后顯著升高。耕地再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@的3 a后，DOC分配比例在30～50 cm土層顯著降低。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾?，各土層DOC分配比例未表現(xiàn)出顯著差異。