江蘇濱海濕地土壤可溶性有機(jī)碳的分布和季節(jié)動(dòng)態(tài)

何冬梅，王琳飛，祝亞云，江 浩

(1.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇 南京 211153; 2.東營市生態(tài)環(huán)境局廣饒縣分局，山東 東營 257300)

濕地土壤碳庫是地球上最大的陸地碳庫之一，隨著全球氣候變化問題研究的深入，濕地土壤碳循環(huán)也逐漸成為全球所關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。土壤可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon，DOC)是土壤碳庫中最活躍的組分之一，雖然在土壤有機(jī)碳中所占比例很小，但是它可以對(duì)土壤碳庫的微小變化做出靈敏的反映，其含量能夠快速反映濕地土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)[2]。而且，DOC能夠直接參與到土壤的生物化學(xué)過程，對(duì)提高土壤生產(chǎn)力和維持土壤碳平衡都有具有重要意義[3]。濱海濕地是處于海洋生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)交錯(cuò)的生態(tài)過渡帶，是海洋與陸地生態(tài)系統(tǒng)相互輸送營養(yǎng)物質(zhì)的重要載體[4]。濱海濕地由于其較高的初級(jí)生產(chǎn)力和特殊的生態(tài)環(huán)境，土壤固碳的速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他濕地[5]，在全球碳循環(huán)中具有重要的“碳匯”功能。目前，我國有報(bào)道對(duì)林下土壤可溶性有機(jī)碳的吸附行為進(jìn)行過研究[6],而對(duì)濱海濕地土壤有機(jī)碳的研究主要集中在閩江口、杭州灣、膠州灣、江蘇沿海灘涂等濕地，研究重點(diǎn)集中在濱海濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布格局及其影響因素[5，7-9]，而對(duì)江蘇濱海濕地可溶性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的研究還比較缺乏。對(duì)江蘇濱海濕地土壤DOC的分布及動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究有助于及時(shí)了解濱海濕地土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)，為科學(xué)評(píng)價(jià)江蘇濱海濕地土壤碳庫在全球碳平衡中的作用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇大豐國家級(jí)麋鹿自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)(東經(jīng)120°44′，北緯33°05′)，地處北亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶，氣候特征具有明顯的過渡性和季風(fēng)性。年平均降水量為1 047.5 mm，年平均氣溫為 14.1 ℃，四季分明。大豐國家級(jí)麋鹿自然保護(hù)區(qū)為典型的淤泥質(zhì)灘涂濕地，植被類型相對(duì)簡單，由海向陸依次為：光灘、大米草群落、堿蓬群落、蘆葦群落和刺槐群落。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置及土樣的采集 在研究區(qū)內(nèi)選取一條垂直于海岸線的樣帶，樣帶上植被群落由海向陸分布為光灘、大米草群落、堿蓬群落、蘆葦群落和刺槐群落。在每個(gè)植被群落分別設(shè)置3個(gè)5 m×5 m的樣方，除去土壤表層凋落物后，挖掘土壤剖面，并按0—10，10—25,25—40 cm進(jìn)行分層采樣，每個(gè)土壤樣品約1 kg。采樣時(shí)間為2017年3月1日、6月1日、9月1日和12月1日，采集的土壤樣品用自封袋裝好標(biāo)記后，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除肉眼可見的根系、動(dòng)、植物殘?bào)w和石礫等，并將土壤樣品分成2份。1份鮮土于4 ℃下冷藏，用于測(cè)定土壤可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳以及土壤含水量；另1份土樣經(jīng)風(fēng)干處理后，磨細(xì)過篩，用于土壤理化性質(zhì)分析。

1.2.2 土壤可溶性有機(jī)碳測(cè)定 土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)測(cè)定：按水土比2∶1，用去離子水振蕩浸提土壤30 min后離心，上層懸濁液用0.45μm的醋酸纖維膜抽氣過濾，濾液中的有機(jī)碳含量用島津TOC-VCPH儀測(cè)定[10]。

1.2.3 土壤性質(zhì)測(cè)定 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定主要采用中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LY/T 1210-1275)：森林土壤分析方法[11]。其中，土壤總有機(jī)碳(SOC)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；總氮(TN)測(cè)定采用元素分析儀(ElementarVarioEL，德國)；土壤pH測(cè)定采用玻璃電極法(1∶2.5土水質(zhì)量比)；含水率測(cè)定采用烘干法(105 ℃)；容重測(cè)定采用環(huán)刀法。土壤微生物生物量碳(MBC)測(cè)定采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法[10]。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析方法 利用單因素方差分析方法對(duì)不同植被群落土壤可溶性有機(jī)碳的分布和季節(jié)間差異性進(jìn)行分析；運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析土壤DOC與土壤性質(zhì)的相關(guān)性。數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS20.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 可溶性有機(jī)碳分布特征

濱海濕地土壤DOC在水平方向上的分布表現(xiàn)為，在0—40 cm土層DOC在不同植被群落的平均含量范圍為24.34—30.51 mg/kg，DOC含量在不同植被群落的分布未出現(xiàn)顯著的差異性(見圖1)。0—10 cm層，各植被群落DOC平均含量為25.66—32.51 mg/kg；10—25 cm層，DOC平均含量為25.98—32.08 mg/kg；25—40 cm層，各植被群落DOC平均含量為24.34—30.07 mg/kg。從圖1可見，在3個(gè)土層，大米草群落的土壤DOC平均含量均高于其他幾種植被群落，但是植被群落間的差異未表現(xiàn)出顯著性。不同植被群落，土壤DOC含量沿土壤垂直剖面不同深度的分布情況見圖2。在不同植被群落，土壤DOC含量在土壤垂直剖面的分布趨勢(shì)并未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。除堿蓬群落外，其他幾種植被群落0—10 cm土層DOC含量較高，但是在不同植被群落土壤DOC含量在沿土壤剖面的3個(gè)研究土層間未表現(xiàn)出顯著的差異性。

圖1 土壤可溶性有機(jī)碳含量水平分布特征

圖2 土壤可溶性有機(jī)碳含量垂直分布特征

2.2 土壤可溶性有機(jī)碳季節(jié)動(dòng)態(tài)

從圖3中可見，不同植被群落的土壤DOC含量在時(shí)間上的動(dòng)態(tài)均表現(xiàn)出隨季節(jié)先上升再下降的變化趨勢(shì)，由春季開始逐漸增加，在秋季達(dá)到峰值后再隨時(shí)間而降低。0—10 cm土層，刺槐群落、堿蓬群落和大米草群落的土壤DOC含量在秋季均顯著高于其他季節(jié)(P<0.05),蘆葦群落和光灘土壤DOC含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為秋季>夏季>春季>冬季，且季節(jié)間差異顯著(P<0.05)(見圖3-A)；10—25 cm土層，各植被群落土壤DOC含量的季節(jié)變化趨勢(shì)與上層土壤相似，但是不同植被群落在季節(jié)間的差異略有不同。即刺槐群落、堿蓬群落和蘆葦群落土壤DOC含量均表現(xiàn)出秋季顯著較高，而其他3個(gè)季節(jié)的差異性不顯著；大米草群落土壤DOC含量的季節(jié)變化表現(xiàn)為秋季>冬季>夏季>春季，除夏季與冬季間差異不顯著外，其他季節(jié)間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)；光灘土壤DOC含量表現(xiàn)為秋季>夏季>春季>冬季，除春、夏季間差異較小外，其他季節(jié)間差異顯著(見圖3-B)。25—40 cm土層，4種植被群落土壤DOC含量的季節(jié)差異性一致，均表現(xiàn)出秋季顯著高于其他季節(jié)，而其他季節(jié)間差異不顯著(P>0.05)；光灘土壤DOC含量在季節(jié)間的差異顯著(除春季和夏季間不顯著)，表現(xiàn)為秋季>春季>夏季>冬季(見圖3-C)。

注：不同小寫字母表示同群落不同季節(jié)的土壤DOC結(jié)果之間存在顯著性差異(P<0.05)。圖3 不同植被群落土壤可溶性有機(jī)碳含量季節(jié)動(dòng)態(tài)

2.3 土壤可溶性有機(jī)碳與土壤性質(zhì)的關(guān)系

土壤性質(zhì)是影響土壤可溶性有機(jī)碳含量的重要因素，本研究區(qū)土壤基本性質(zhì)已在前期工作中測(cè)定，見王磊等[5]研究結(jié)果。本研究利用Pearson相關(guān)系數(shù)法,分析了土壤DOC與土壤基本理化性質(zhì)和土壤MBC含量之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，土壤DOC與土壤總有機(jī)碳和總氮之間呈極顯著(P<0.01)的正相關(guān)，但與C/N無顯著相關(guān)性；土壤pH與DOC之間呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)；土壤DOC與MBC之間存在極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.519(P<0.01)；本研究中土壤容重、含水率與土壤DOC的相關(guān)性不大(P>0.05)。

3 討論

3.1 土壤可溶性有機(jī)碳分布特征

在水平方向上，土壤DOC的含量范圍為24.34—30.51 mg/kg，該結(jié)果與康健等[12]對(duì)江蘇濱海鹽堿土壤DOC含量的研究結(jié)果一致。郗敏等[4]對(duì)膠州灣濱海濕地的光灘、堿蓬、蘆葦和米草群落的土壤DOC進(jìn)行了研究，得出土壤DOC在0—40 cm層的含量范圍為23.90—101.81 mg/kg，高于本研究的結(jié)果，這種差異可能是由于環(huán)境因素的差異引起的。本研究中，土壤DOC的含量在不同植被群落間的分布未表現(xiàn)出顯著的差異性，但在3個(gè)研究土層均表現(xiàn)出大米草群落土壤DOC大于其他植被群落，這與杭子清等[13]和張文敏等[8]的研究結(jié)果一致。由于大米草根系發(fā)達(dá)，繁殖力強(qiáng)，以及自身凋落物豐富，大量的碳源進(jìn)入到土壤中，從而使DOC含量也增加[4,14]；另一方面，大米草DOC中的富啡酸和酚類物質(zhì)較多，可以抑制土壤微生物的活動(dòng)，從而使微生物對(duì)DOC的利用減少，土壤中累積的DOC增加[14]。不同植被群落土壤DOC在土壤垂直剖面上的分布，表現(xiàn)為0—10 cm土層，DOC含量較高，這與郗敏等[4]和張文敏等[8]分別對(duì)膠州灣和杭州灣植被群落土壤DOC含量的分布進(jìn)行研究得出的結(jié)果相符。植被凋落物分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)首先進(jìn)入表層土壤,植物的根系在表層土壤分布較多，使得大量根系分泌物存在于表層土壤中,潮汐作用使藻類和水體懸浮物等堆積在土壤表面,以及濕地土壤上層條件適宜微生物活動(dòng)等，這些都是導(dǎo)致表層土壤DOC含量較高的因素[13,15]。

3.2 土壤可溶性有機(jī)碳季節(jié)動(dòng)態(tài)

本研究中不同植被群落的土壤DOC含量隨著季節(jié)的推移表現(xiàn)出了相似的季節(jié)變化規(guī)律，總體表現(xiàn)為隨著季節(jié)變化土壤DOC含量逐漸增加，到秋季達(dá)到最大值，然后從秋季過渡到冬季過程中土壤DOC含量逐漸降低。相關(guān)研究表明，降水、氣溫、微生物活性以及凋落物的數(shù)量和質(zhì)量等因素都會(huì)導(dǎo)致土壤DOC含量隨季節(jié)變化表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律[16-19]。劉帥等[20]和陶曉等[2]認(rèn)為，隨著季節(jié)氣溫的升高，土壤微生物活性增強(qiáng)，有利于土壤有機(jī)質(zhì)礦化，從而促進(jìn)土壤中DOC的釋放，使土壤DOC含量增加。郝江勃等[21]在研究亞熱帶常綠闊葉林土壤活性有機(jī)碳的季節(jié)動(dòng)態(tài)時(shí)得出，夏季和秋季土壤可溶性有機(jī)碳含量較高[1]，春季和冬季含量較低的結(jié)論，這與本研究結(jié)果相符。由于夏、秋季溫度相對(duì)較高，且雨量充足，植被生長旺盛，有較多的凋落物和根系分泌物進(jìn)入到土壤中，進(jìn)入到土壤中的大量碳源為微生物活動(dòng)提供了豐富的底物，加之適宜的水熱條件有利于微生物新陳代謝活動(dòng)，使微生物能夠快速分解土壤中的有機(jī)質(zhì)，釋放出更多的可溶性有機(jī)碳[22-23],而冬季DOC含量下降則是由于從秋季過渡到冬季的過程中，隨著氣溫的下降，植物生長處于停滯期，地表凋落物和根系分泌物逐漸減少，使土壤中有機(jī)質(zhì)來源大幅下降，加之微生物活性和新陳代謝能力大大降低，使土壤中可溶性有機(jī)碳含量達(dá)到最低水平[21]。

3.3 可溶性有機(jī)碳與土壤性質(zhì)的關(guān)系

本研究對(duì)不同植被群落的土壤DOC含量與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示,土壤DOC含量與土壤有機(jī)碳和總氮之間存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與陶曉等[2]和陳佳俐等[16]的研究結(jié)果一致。土壤DOC與土壤有機(jī)碳之間的相關(guān)性表明，土壤中的DOC主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)分解及植物根系分泌物等，土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤DOC含量的主要因子之一[2,24]。土壤DOC與全氮含量呈正相關(guān)，這是由于土壤有機(jī)質(zhì)的氮含量越高,越容易被微生物分解和轉(zhuǎn)化，從而釋放出更多的土壤DOC[25]。陶曉等[2]的研究結(jié)果表明，土壤DOC與MBC均為土壤活性有機(jī)碳組分，2者的主要碳源相同，因此土壤DOC與MBC含量成正比例關(guān)系，這與本研究的結(jié)果一致。土壤DOC與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系與袁強(qiáng)等[25]的研究結(jié)果一致，這是由于土壤 pH 下降導(dǎo)致土壤微生物的生命活動(dòng)減弱，從而使土壤DOC的含量也有所降低。

4 結(jié)論

江蘇濱海濕地土壤DOC含量，從水平方向上看，在3個(gè)研究土層，大米草群落土壤DOC含量均大于其他植被群落,但是植被群落間的差異并不顯著。在土壤剖面的垂直分布上看，除堿蓬群落外，其余植被群落DOC含量最大值均出現(xiàn)在表層土壤中，但土壤DOC含量在沿土壤剖面的3個(gè)研究土層間的差異未表現(xiàn)出顯著性。不同植被群落土壤DOC含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)均表現(xiàn)為隨季節(jié)推移先增加再減少的趨勢(shì)，從春季開始逐漸增加，在秋季達(dá)到峰值，然后進(jìn)入冬季后逐漸降低，表明土壤DOC含量受季節(jié)因素影響較大；土壤性質(zhì)與濱海濕地土壤DOC含量的分布和動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)。其中，土壤DOC與土壤總有機(jī)碳、總氮以及MBC之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，但與C/N無顯著相關(guān)性；本研究中，土壤DOC含量與pH之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，而土壤容重、含水率與土壤DOC的相關(guān)性不顯著。