淡水濕地圍墾后土壤有機碳組分變化

林 凡,方宇嬡,石小磊,鄭聚鋒,王紅新

（1.南京農業大學 農業資源與生態環境研究所,江蘇 南京210095；2.池州學院 資源環境與可持續發展研究中心,安徽 池州247000；3.安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖 241000）

淡水濕地圍墾后土壤有機碳組分變化

林 凡1,方宇嬡2,石小磊3,鄭聚鋒1,王紅新2

（1.南京農業大學 農業資源與生態環境研究所,江蘇 南京210095；2.池州學院 資源環境與可持續發展研究中心,安徽 池州247000；3.安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖 241000）

對安徽沿江淡水濕地（龍感湖、大官湖、泊湖、青通河、升金湖）和周邊農田的土壤剖面中土壤活性炭（DOC1）、緩效性碳(DOC2)、穩定性碳的含量進行分析測定，結果表明，皖江流域濕地表層土壤DOC1、DOC2和穩定性碳含量介于0.96-8.49g·kg-1、0.62-6.14 g·kg-1、2.86-15.56 g·kg-1；開墾為農田后，土壤中各有機碳含量顯著降低,穩定性碳占總有機碳的百分比出現了下降趨勢。

淡水濕地;農田;土壤有機碳

陸地土壤有機碳庫占全球陸地總碳庫的2/3～3/4，超過全球陸地植被和全球大氣的碳庫總量。土壤中的有機碳在一定條件下能轉化成CO2進入大氣環境，同時能以轉變成水溶態進入水體環境，因此土壤碳庫以及碳固定已成為全球氣候變化研究中的熱點之一[1]。溶解性有機碳 (dissolved organic carbon，簡稱DOC)是有機碳庫中最活躍的部分[2]，土壤中的生物、物理、化學條件及土地利用方式均影響DOC的生成和轉移[1，3-5]。土壤有機碳可劃分為土壤活性碳含量（DOC1）、緩效性碳含量（DOC2）和穩定性碳，其中活性有機碳DOC1易被土壤微生物分解礦化，分解速度快；緩效性有機碳DOC2因理化性質相對穩定，分解速度較慢[6-9]。

胡誠等（2007）研究表明可溶性碳、總有機碳與土壤基礎呼吸之間呈極顯著正相關[10]。高會議等研究了冬小麥不同生育期土壤呼吸與碳組分之間的關系，結果表明在整個測定期間，同一生育期不同處理間DOC含量(除抽穗期外)與土壤呼吸之間存在顯著的相關關系[11]。廖艷等研究表明農業耕作促使土壤有機碳中活性組分快速礦化利用，土壤呼吸強度增加，從而降低土壤活性碳比例[12]。

已有的研究表明，濕地土壤單位面積土壤碳儲量比其他土壤類型高。目前關于土壤有機碳的研究主要集中在其與全球氣候變化的關系，農業管理措施與土壤有機碳的變化上[13-15]。但淡水濕地圍墾后土壤有機碳的穩定性研究有待進一步加強。

本文以皖江濕地作為研究對象，測定濕地土壤及農田土壤中土壤活性碳含量（DOC1）、緩效性碳含量（DOC2）和穩定性有機碳在土壤剖面中的含量及比例變化；分析土壤中DOC1、DOC2和穩定性碳在濕地開墾前后的變化。

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究區域位于安徽省長江段，屬亞熱帶濕潤的季風氣候區，常綠闊葉與落葉闊葉林帶，地帶性土壤類型為紅壤與黃壤。沿長江的淡水濕地區域內的龍感湖、大官湖、泊湖、青通河、升金湖濕地土壤及濕地開墾為農田后的土壤作為研究對象，研究區域地理位置為29°51′20″-30°46′51″N，116°17′56″-117°44′49″E。

1.2 材料與方法

升金湖樣品為2010年10月所采，龍感湖、大官湖、泊湖、青通河的樣品為2006年10月中旬所采。選擇有代表性的樣地，每個樣地土壤剖面深100cm，其中0-20cm每隔5cm采一個樣，20cm以下每隔10cm采一個樣，且0-15cm采3個重復樣。利用四分法取部分樣品，風干后剔除植物根系、螺絲殼和礫石等，再過60目篩，處理后樣品入自封袋保存。采用酸水解法對樣品進行處理[16]。土壤有機碳的回收率較高，平均達到97.46%。（回收率=（DOC1+DOC2+穩定性有機碳含量）*100/總有機碳含量）見表1。

表1 各湖區土壤有機碳回收率

采用元素分析儀（Vario MaxCN,Elementar,德國）對DOC1和DOC2進行測定，穩定性碳利用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[17]進行測定。采用SPSS 11.5軟件對實驗數據進行處理。

2 結果與討論

2.1 開墾前后土壤表層SOC含量比較

試驗結果見表2。由表2可知，濕地土壤樣品0-15cm表層土壤中DOC1、DOC2和穩定性碳的含量范圍分別為 0.96～8.49 g·kg-1、0.62～6.14 g·kg-1、2.86～15.56 g·kg-1， 其對應的平均值分別為4.81±2.46 g·kg-1、3.25±1.58 g·kg-1、10.14±3.45 g·kg-1。 農田土壤樣品相應的各項有機碳平均含量比濕地樣品要低27%～94%，含量范圍也略小于濕地土壤樣品。其中，青通河流域濕地土壤和農田土壤中以上幾項土壤碳的含量均最高。

表2濕地及農田0-15cm土壤DOC1、DOC2及穩定性有機碳的含量(g·kg-1)

結果同時表明，濕地土壤和農田土壤的穩定性碳含量的變異系數均較小，分別為34%、39%，而土壤活性碳含量、緩效性碳含量的變異系數范圍處在47%～73%之間。圍墾利用方式對土壤各組分有機碳含量也存在一定的影響，表現為圍墾為旱地土壤有機碳均低于水稻土有機碳的平均含量。黃偉生等人的研究了洞庭湖區耕地利用方式對土壤活性有機碳的影響，結果表明土壤有機碳含量順序為水旱輪作地＞水稻田＞旱地，與本研究結論類似[5]，在洞庭湖區三種不同利用類型的土地中，水旱輪作地土壤有機碳﹥水田土壤有機碳﹥旱地土壤有機碳。這種分布現象主要是不同土地利用方式導致植物殘體的數量和性質的差異，不同利用下的耕作方式施肥管理等措施也會存在差異，導致了有機碳含量的變化[18-21]。

2.2 土壤剖面中DOC1、DOC2及穩定性碳的分布

圖1列出了龍感湖地區DOC1、DOC2、穩定性碳和總有機碳在土壤剖面深度的分布情況。由圖可知，濕地土壤和農田土壤中DOC1、DOC2的含量隨土壤深度的增加變化不大，且DOC1的含量略高于DOC2。而穩定性碳的含量隨土壤深度的增加出現較明顯的減少，且其含量明顯高于DOC1和DOC2。在整個剖面中TOC含量的變化趨勢與土壤中穩定性碳的一致。

圖1 龍感湖濕地及水稻土中不同有機碳在土壤剖面中的分布

龍感湖濕地土壤穩定性碳垂直分布表現出表層較高，中間穩定，低層銳減。由圖1可見，0-5cm，穩定性碳為11.02±0.71 g·kg-1，往下其含量出現降低趨勢，5～80cm的含量維持在5～8 g·kg-1范圍內，底層土壤中穩定性碳含量僅2 g·kg-1左右。0～5cm土壤中DOC1含量為4.79±0.19 g·kg-1，隨土壤深度增加，其含量也出現降低，底層土壤中僅為0.51±0.05 g·kg-1。DOC2的含量略低于DOC1，在整個土壤剖面中其最高含量為3.17±0.50g·kg-1，平均為1.5 g·kg-1左右。相對于濕地土壤，水稻土土壤中穩定性碳含量明顯降低。其中0-10cm土壤中穩定性碳含量為7.15±0.18 g·kg-1，在20cm以下的土壤中穩定性碳其含量穩定在1.0-1.9 g·kg-1之間。

圖2 大官湖地區DOC1、DOC2及穩定性碳在土壤剖面中的分布

從圖2可見，大官湖濕地土壤0～5cm穩定性碳含量為15.56±0.64 g·kg-1，5～10cm土壤中含量降低至整個剖面的最低點，僅為2.86±0.08g·kg-1，10cm以下土壤中其含量又開始回升，其中30～100cm土壤中含量較穩定，維持在6 g·kg-1左右。DOC1出現最大值和最小值的剖面與穩定性碳和總碳一致，分別在0～5cm和5～10cm，DOC2的含量的極值出現在0～5cm的表層土壤，達到4.51±0.21 g·kg-1，而在其余層次均不足2g·kg-1。 相對濕地土壤而言，大官湖農田有機碳含量在整個剖面的變幅不大。DOC1、DOC2和穩定性部分的變化范圍分別為 1.02±0.15～2.14±0.15 g·kg-1、0.73±0.18～1.53±0.17 g·kg-1和2.52±0.05～4.49±0.25g·kg-1。

圖3 泊湖地區DOC1、DOC2及穩定性碳在土壤剖面中的分布

圖3表明，泊湖濕地土壤穩定性碳含量在0～50cm范圍內逐漸下降，表層0-5m穩定性碳含量的14.34±0.07 g·kg-1，而到40-50cm土壤穩定性碳含量只有5.31±0.08 g·kg-1，而50cm以下土壤中其含量基本保持不變。在整個土壤剖面中，活性碳含量略高于緩效性碳含量，且活性碳含量和緩效碳含量變化與穩定性碳基本一致。由于泊湖水稻土土壤開墾年限不長，其有機碳含量變化情況和濕地十分相似[22]。

圖4 升金湖地區DOC1、DOC2及穩定性碳在土壤剖面中的分布

由圖4可見，升金湖的濕地土壤和水稻田土壤中穩定性部分碳的百分含量平均值分別為63%和55%，明顯高于活性碳含量和緩效碳含量，兩種不同土壤中，活性碳含量和緩效碳的含量隨土壤深度的加深并無明顯變化，且兩種有機碳的含量基本相同。

圖5 青通河地區活性碳、緩效碳及穩定性碳在土壤剖面中的分布

由圖5可知，相對于前面的試驗結果，青通河地區土壤有機碳隨土壤剖面的變化最為特殊。濕地土壤和水稻土整個剖面中，緩效碳含量高于活性碳含量，且穩定性碳的含量最高。與前幾組結果相比，水稻土中活性碳含量的含量變化特殊，在某些層次超過穩定性碳的含量，這主要是由于地下埋藏植物殘枝偶然因素造成的。在60cm以下的土壤中，僅有一個層次的穩定性碳含量高于活性碳含量。結果同時表明，總有機碳含量越高的層次，穩定性碳的含量越少[22]。

2.3 不同土壤有機碳占TOC的比例及其相關關系

分析土樣中活性碳含量、緩效碳含量和穩定性碳含量占TOC的比例，結果表明，百分之八十的土壤剖面中穩定性碳的含量都在50%以上，青通河濕地土壤及水稻土中穩定性碳含量約為 45%。用SPSS軟件在同一行做差異性分析，除個別樣點外，穩定性碳的含量總是最高的，穩定性碳與活性碳含量、緩效碳含量有極顯著差異。本研究區內的龍感湖、大官湖、升金湖和青通河等淡水濕地附近的農田圍墾時間較長，大約在40-50年間，土壤中穩定性有機碳的含量明顯低于濕地土壤，這表明濕地碳庫比農田碳庫更穩定。由于泊湖的開墾年限短，估計10-15年間，水稻土中穩定性碳含量反而比濕地土壤高。

表3 活性碳含量、緩效碳含量及穩定性碳與TOC的百分比

土壤樣品各組分土壤有機碳與總有機碳的相關性分析表明，活性碳含量、緩效碳含量和穩定性有機碳與總有機碳均達到了極顯著正相關?；钚蕴寂c總有機碳，穩定性有機碳與總有機碳的相關系數R2均超過了0.9，緩效碳與總有機碳的相關系數R2也超過了0.7，這與莫彬、姜培坤等的研究結果一致[22-24]。

圖6 各組分土壤有機碳與總有機碳的相關性(p＜0.01)

3 結論與討論

研究區淡水濕地土壤活性碳含量介于0.96-8.49g·kg-1，緩效碳含量介于0.62-6.14 g·kg-1，穩定性碳含量介于2.86-15.56 g·kg-1。開墾為農田后，土壤略小于濕地土壤，且垂直分布表現出上層遞漸明顯，到一定深度趨于穩定的變化，中各組分有機碳含量顯著降低，相對于濕地土壤降低了27%～94%，含量范圍也說明人類的耕作活動對土壤有機碳不同組分的含量均產生影響。同時，濕地圍墾后，穩定性有機碳占總有機碳的百分比均出現了下降趨勢，圍墾時間短，下降不明顯，如泊湖。升金湖周邊濕地，在開墾為水稻田后，穩定性有機碳占總有機碳的百分比相對于開墾前濕地下降了7.24%。這主要是因為濕地圍墾利用降低了土壤有機碳的穩定性，導致土壤碳庫的損失。這與其他學者的研究結果基本一致[22，25-28]。

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[責任編輯：余義兵]

Change in Soil Organic Carbon in the freshwater wetlands and farmland

Lin Fan1,Fang Yuyuan2,Shi Xiaolei3,Zheng Jufeng1,Wang Hongxin2
（1.Institute of Resources,Ecosystem and Environment of Agriculture,Nanjing Agricultural University,Nanjing,Jiangsu 210095；2.Research Center of Resources and Sustainable Development Chizhou University,Chizhou,Ahui 247000；3.College of Territorial Resources and Tourism,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241000）

The soil organic carbon in the freshwater wetlands and farmland along the Changjiang River in Anhui Province are measured and analyzed,and the results show the content of DOC1,DOC2 and recalcitrant carbon are 0.62～8.49g·kg-1,2.86～15.56 g·kg-1and 2.86-15.56 g·kg-1in wetlands respectively.The content of DOC1,DOC2 and recalcitrant carbon are decreased significantly in the farmland.Also,the ratio of recalcitrant carbon to TOC drops in farmland compared to wetlands.

Fresh Water Wetlands;Farmland;Soil Organic Carbon

S153

A

1674-1104(2014)03-0006-05

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.002

2014-01-11

國家自然科學基金（41071337）；安徽省教育廳自然科學項目（ZD2008009-1，KJ2013B170）；池州學院研究中心項目（XKY201211）。

林凡(1982-),女,湖北省云夢人,南京農業資源與生態環境研究所，主要從事資源環境與土壤循環研究碩士,從事土地利用與環境研究。