三江平原沼澤濕地墾殖對土壤微生物學性質影響研究

宮超，宋長春，譚穩穩，張加雙

1. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，中國科學院濕地生態與環境重點實驗室，吉林 長春 130102；2. 中國科學院大學，北京 100049

三江平原沼澤濕地墾殖對土壤微生物學性質影響研究

宮超1, 2，宋長春1，譚穩穩1，張加雙1

1. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，中國科學院濕地生態與環境重點實驗室，吉林 長春 130102；2. 中國科學院大學，北京 100049

摘要：沼澤濕地墾殖對全球碳循環有重要影響，可以對全球氣候系統產生反饋調節作用。土壤微生物學指標是反映不同土地利用方式最敏感的指示因子，可以在早期反映土壤有機碳的變化情況。以我國三江平原典型沼澤濕地、濕地墾殖為水田（15 a）和旱田（25 a）3種土地利用方式為研究對象，開展了沼澤濕地墾殖對土壤微生物學性質變化影響研究。結果表明，沼澤濕地墾殖為水田和旱田后土壤有機碳、全氮含量顯著降低（P=0.001），其中有機碳平均降低了31.50%、51.38%，全氮降低了49.81%、63.88%，旱田減少量顯著高于水田，墾殖后全氮損失量高于有機碳引起土壤質量的下降。濕地開墾后土壤微生物量碳和土壤基礎呼吸顯著降低（P<0.001），土壤有機質和養分可利用性下降，微生物活性降低，但開墾后二者在0～10和10～20 cm土層間的差異變弱；微生物熵總體表現為降低趨勢，旱田和沼澤濕地0～10 cm土層差異不顯著（P=0.728），10～20 cm土層差異顯著（P=0.005），反映出農田土壤活性有機碳分配比例的降低；濕地墾殖后，水田土壤呼吸商（qCO2）升高，而旱田qCO2值顯著降低（P=0.003），說明微生物在不同土地利用方式下對底物基質碳源利用策略發生改變；經回歸分析發現，qCO2和土壤有機碳、全氮含量呈顯著正相關，表明微生物對基質碳利用率隨土壤質量的改善而降低。

關鍵詞：沼澤濕地；土壤有機碳；微生物量碳；土壤呼吸商；三江平原；墾殖

引用格式：宮超，宋長春，譚穩穩，張加雙. 三江平原沼澤濕地墾殖對土壤微生物學性質影響研究[J]. 生態環境學報, 2015, 24(6): 972-977.

GONG Chao, SONG Changchun, TAN Wenwen, ZHANG Jiashuang. Effects of Marshland Reclamation on Soil Microbial Properties in the Sanjiang Plain, Northeast China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(6): 972-977.

濕地生態系統僅占全球陸地表面積的4%～6%，卻儲存了高達全球土壤碳庫1/3的有機碳，其微弱變化都會影響大氣中溫室氣體濃度，在全球碳循環中發揮不可替代的作用（Roehm，2005；Gorham，1991）。濕地由于低溫、厭氧（常年或季節性積水）及相對養分匱乏的條件造成土壤有機碳的大量積累，極易對外界環境改變產生反饋效應，加速或減緩全球變暖進程，濕地土壤碳庫穩定性及其影響因子研究越來越受到重視（Aerts等，2006；Moore等，2007）。土地利用方式、人為管理措施以及環境因子的變化將對土壤在全球碳循環中源/匯功能產生重要影響，全球環境變化是自然因素和人為活動共同作用的結果，而由于人類活動導致的陸地生態系統土地利用方式改變比任何其他的全球變化內容都要強烈和深遠（Sanneke和Peter，2013）。沼澤濕地的開墾過程，使濕地植被受到嚴重破壞，土壤環境受到劇烈擾動，導致大量碳排放到大氣中，將加速全球變暖趨勢，生態系統服務功能顯著下降（宋長春等，2004；王麗麗等，2009）。土壤有機碳在微生物作用下，其穩定性與養分循環過程及其可利用性密切相關，已有研究表明微生物學性質對外部環境條件變化尤其敏感，是有機碳變化的重要指示因子。其中，微生物量碳可以快速有效的反映土壤有機質和養分可利用性的變化，微生物熵（微生物量碳/總有機碳）反映了土壤有機質向微生物量碳的轉化情況，是評價土壤有機碳動態和質量的有效指標（Lagomarsino等，2009），土壤呼吸商（qCO2）可以用來評價土壤微生物利用有機碳的效率及土壤受干擾程度（Wardle和Ghani，1995）。以上各指標是土壤質量變化的敏感性指標，可以在早期預測土壤有機碳的變化趨勢，在評價土地利用方式對土壤碳周轉及其穩定性影響因素研究中有重要應用（周焱等，2009；張金波等，2006）。目前，土地利用方式改變引起的土壤碳收支動態變化、有機碳周轉的微生物學作用機制仍需加以研究，在合理有效利用土地資源同時，適當通過人為措施來增加土壤固碳潛力，以減緩全球變暖效應。濕地生態系統在調節大氣中溫室氣體濃度、涵養水源等方面起著不可替代的作用，但長期以來，尤其在我國東北地區，濕地墾殖現象嚴重，造成濕地生態系統功能的明顯降低，包括土壤碳蓄積及養分的維持，對全球碳循環過程產生不可忽視的影響（Miras等，2014）。

三江平原是我國面積最大、沼澤濕地分布最集中的地區，也是近半個多世紀以來沼澤濕地被大面積開墾為農田的區域（Zhang等，2007；宋開山等，2008）。濕地墾殖后植物種類組成和土壤微生物群落組成及結構，土壤溫濕度和理化性質上的差異，將對土壤微生物學性質產生很大影響，影響土壤碳庫穩定性及其周轉（Luo等，2013；宋長春等，2005a）。以往的研究中，已大量開展沼澤濕地墾殖對溫室氣體排放、土壤水熱條件變化與碳、氮動態變化的影響研究等（宋長春等，2005b；張金波等，2006；郝慶菊等，2007，2005），但有關濕地墾殖后對土壤微生物學性質的影響還未見報道，這對土壤碳庫穩定性影響機理研究產生一定的不確定性。本研究通過對三江平原沼澤濕地墾殖前后土壤微生物學性質變化的對比研究，明確沼澤濕地墾殖對土壤微生物學性質的影響及其原因，探討該地區濕地開墾對土壤碳周轉的微生物學作用機制，為全球氣候變暖背景下土壤碳庫穩定性及固碳潛力變化預測研究提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站（47°35′N，133°31′E，56 m a.s.l.），該區屬于溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫2.5 ℃，1月平均氣溫-21 ℃，7月平均氣溫22 ℃左右，無霜期125 d左右，年降水量550～600 mm，多集中于7、8月；主要濕地類型為常年積水型毛苔草（Carex lasiocapa）沼澤和季節性積水小葉章（Calamagrostis angustifolia）沼澤化草甸；植被類型以草本植物為主，主要有毛苔草、漂筏苔草（Carex pseudocuraica）、烏拉苔草（Crex meyeriana）、小葉章等；土壤類型為草甸沼澤土、腐殖質沼澤土、泥炭沼澤土、潛育白漿土和草甸白漿土。

表1　不同土地利用方式土壤的部分理化性質Table 1 Soil chemical and physical properties of different land use types

1.2土壤樣品采集與處理

在研究區域內選擇沼澤濕地、沼澤濕地墾殖為水田和旱田3種土地利用方式的樣地各一塊，沼澤濕地優勢物種為小葉章，土壤類型為草甸沼澤土；水田種植水稻（Oryza sativa），旱田種植大豆（Glycine max），采樣時距離濕地開墾后15、25年。土壤樣品采集于2013年9月下旬，按照“S”型在每塊樣地選擇7個采樣點，每兩個樣點間距不低于5 m，采樣深度為0～10和10～20 cm兩層，去除枯枝落葉層后用內徑5 cm的土鉆隨機采取3個土柱，混合后得到一個樣點的樣品。所有樣點取得的土樣采好后帶回實驗室，將同層土樣完全混合后分成兩部分，一部分過2 mm篩后放入冰箱中4 ℃保存，以測定土壤基礎呼吸、微生物量碳；另一部分自然風干后過0.25 mm篩，測定土壤有機碳、全氮、全磷含量和pH值。

1.3土壤樣品分析方法

土壤基礎呼吸測定：取20 g（干土重）鮮土平鋪于500 mL培養瓶中，調節其含水量為60%田間持水量，在20 ℃下培養48 h，產生的CO2量作為土壤基礎呼吸。CO2產生量在12 h內用HP4890氣象色譜測定。土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，計算公式為：MBC=EC(熏蒸土壤-未熏蒸土壤)/0.38，微生物商=MBC/土壤總有機碳，土壤呼吸熵（qCO2）為土壤基礎呼吸與MBC的比值。土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，全氮采用凱氏定氮儀法，全磷采用鉬銻抗比色法，pH值采用無CO2水浸提（1∶2.5）電位計法（魯如坤，2000）。本研究中的土壤基本理化性質如表1所示。

1.4數據處理

本實驗中所有數據采用SPSS16.0數據統計分析軟件進行分析處理，采用單因素方差分析法（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較沼澤濕地墾殖對土壤微生物學性質變化的影響，文中圖通過Origin 8.5獲得。

2　結果與分析

2.1濕地墾殖對土壤有機碳和全氮含量的影響

沼澤濕地墾殖后土壤有機碳和全氮含量均表現出明顯降低的特點，墾殖前后土壤碳、氮含量分別位于37.61～95.64、1.76～6.26 g·kg-1之間，0～10 cm土層高于下層10～20 cm，具體表現為旱田<水田<濕地（表1）。濕地開墾為水田、旱田后有機碳含量平均降低了31.50%、51.38%，氮含量則降低了49.81%、63.88%，旱田土壤碳、氮損失量高于水田，且氮素相對損失量高于碳損失量。其中，0～10 cm土層有機碳含量分別降低了39.40%、57.72%，10～20 cm土層則減少了19.86%、42.07%，相應的土壤氮含量在0～10 cm土層降低了53.99%、67.41%，10～20 cm降低了43.90%、58.69%（表1）。0～10 cm土層碳、氮減少量均高于平均值，而下層10～20 cm土層減少量要低于平均值，0～10 cm土層受外界環境條件變化擾動較大。濕地開墾為農田后，由于氮素的損失量相對高于碳，使得土壤C/N比值顯著升高（P<0.001），而水田和旱田間差異不顯著（P=0.528，表1）。墾殖后C/N比值的升高，表明濕地墾殖為農田后土壤質量的下降。

2.2濕地墾殖對土壤微生物量碳（MBC）和微生物熵影響

微生物量碳僅占土壤有機碳很小一部分，與土壤碳、氮循環密切相關，也是有機碳動態變化的敏感性指標，本研究中墾殖前后MBC和微生物熵變化如圖1中a、b所示，表現出相似的變化特點。由圖1a可知，MBC在開墾后顯著降低（P<0.001），而水田和旱田間無顯著差異（P=0.269）；水田和旱田0～10 cm土層MBC開墾后分別減少了63.25%和61.14%，10～20 cm土層則減少了68.98%和56.12%，都以水田減少最多；濕地和水田0～10 cm土層MBC均大于10～20 cm土層（P<0.001，P=0.038），而旱田差異不顯著（P=0.498）。微生物熵是MBC占土壤總有機碳的比例，反映了輸入的土壤有機質向MBC的轉化情況，是土地利用方式改變引起土壤總有機碳變化的前期敏感指標。濕地開墾前后不同土層間微生物熵變化情況如圖1b所示，也表現出降低的趨勢。沼澤濕地和旱田0～10 cm土層微生物熵（2.75%和2.62%）差異不顯著（P=0.728），但是顯著高于水田（1.66%，P<0.001）；10～20 cm土層中沼澤濕地土微生物熵最大（3.35%），分別是水田和旱田的2.32和1.42倍，三者間差異顯著（P=0.005），開墾后水田土壤微生物熵顯著降低，活性有機碳分配顯著減少。

圖1　墾殖對土壤微生物學性質變化影響Fig. 1 Effects of reclamation on soil microbial properties (mean ± SE, n=3)

2.3濕地墾殖對土壤基礎呼吸和呼吸商（qCO2）影響

土壤基礎呼吸是微生物活性的重要指標，反映了土壤碳代謝活動強弱，是有機質周轉強度的重要表征。濕地開墾后土壤基礎呼吸顯著降低，由開墾前的2.28 mg·kg-1·h-1降為開墾后的0.81和0.44 mg·kg-1·h-1（以CO2-C計），具體表現為旱田<水田<濕地（圖1c）。沼澤濕地0～10和10～20 cm土層基礎呼吸差異顯著（P<0.001），而水田、旱田間差異不顯著（P=0.304，0.941）。qCO2是用來評價土壤微生物利用有機碳效率的重要指標，qCO2值越高，表明微生物對底物碳源利用率越低，利于土壤碳排放；反之，則說明有機質在周轉過程中，多數用于構建微生物體。本研究中，0～10和10～20 cm土層qCO2值分別位于0.42～0.89、0.44～1.08 mg·g-1·h-1之間，最大值均出現在水田中，表明水田土壤微生物對碳源利用率較低（圖1d）。旱田qCO2值顯著低于濕地和水田（P=0.003），微生物對底物碳源的利用率相對較高；濕地和水田0～10 cm土層qCO2值差異不顯著（P=0.732），而水田10～20 cm土層qCO2值顯著高于濕地和旱田（P=0.010）。

2.4土壤呼吸商（qCO2）和土壤有機碳、全氮的關系

若不考慮土地利用方式和不同層次的差異，對qCO2和土壤有機碳、全氮進行回歸分析表明（圖2），它們之間存在顯著的正相關關系，r2分別為0.565 和0.575，由此可以知道，土壤呼吸商不僅受有機碳含量的影響還與土壤氮含量有關，也就是說土壤養分狀況也是影響有機碳周轉的重要因素。

3　討論

3.1濕地墾殖對土壤碳、氮的影響

沼澤濕地開墾是影響大氣中溫室氣體濃度變化的重要原因之一，尤其是北方自然生態系統地表積累了大量的有機質，對環境條件改變表現出較高的敏感性（Moore等，2007）。本研究中，濕地開墾為水田（15 a）和旱田（25 a）后，碳、氮含量明顯降低，與王麗麗等（2009）的研究結果一致，這與土壤水熱條件、植被覆蓋物差異以及人為因素的影響（如土地翻耕、農作物收割等）有關（Post等，2001；陳廣生和田漢勤，2007）。宋長春等（2005b）研究表明，沼澤濕地墾殖后，土壤溫度有升高趨勢，開墾初期微生物呼吸通量變大，加速了有機碳的損失；楊利瓊等（2013）的研究結果也表明，開墾降低了濕地的碳吸收能力，導致更多的碳參與到生態系統碳循環過程釋放于大氣中。土壤耕翻過程，尤其是深耕，有機碳含量較高的表土與碳含量較低的下層土發生層次改變的同時，嚴重減少了土壤團聚體的物理保護作用，導致土壤有機質穩定性降低，更容易被微生物分解損失掉（Poeplau等，2011）。表層0～10 cm減少量均要高于10～20 cm土層，是由于開墾后上層土水熱條件適宜，且作物殘體、植物根系等多集中于土表，微生物活性較強引起土壤有機質周轉加快，造成土壤碳及養分的大量損失（Chapman等，2012）；旱田碳、氮減少量多于水田，水熱因素差異是重要影響原因之外，旱田通常也會經歷較多的干-濕交替現象，加速了有機質礦化過程。另外，開墾時間越長，土壤碳、氮損失量也越多，最終趨于穩定，濕地復墾則有利于碳氮的積累（張金波和宋長春，2004）。Post和Kwon（2000）研究結果表明，自然植被轉為農田后表層20 cm有機碳在耕作30～50年后損失量高達50%，本研究結果也在該范圍內，說明自然生態系統開墾后土壤生態服務功能降低是一共性特點。

圖2　qCO2與有機碳、全氮的關系Fig. 2 Relationship between qCO2and soil organic C, total N

3.2濕地墾殖對土壤MBC和微生物熵的影響

土壤MBC和微生物熵是土地利用方式變化最敏感的指示因子，是評估人為因素對土壤生物地球化學循環過程影響的重要途徑。濕地開墾為農田后MBC含量顯著降低，由開墾前的2399.82 mg·kg-1降到開墾后的818.55 mg·kg-1（水田）和981.98 mg·kg-1（旱田），MBC減少量要比有機碳變化更為敏感，這與霍莉莉（2013）的研究結果一致。嚴登華等（2010）對灤河流域不同土地利用方式下土壤MBC進行比較研究，發現河灘地土壤MBC含量顯著高于農田。濕地植被生物量豐富，土壤有機質來源充足，而在轉化為農田后，由于耕作措施、植物殘體的移除導致可利用基質的減少是土壤MBC降低的重要原因。張金波等（2006）研究表明，沼澤濕地開墾為旱田1～3年，土壤微生物量碳迅速下降，之后變化趨于平緩，15～20年之后下降到最低點300 mg·kg-1左右，黃靖宇等（2008）研究結果也表明沼澤濕地墾殖后土壤活性碳組分的顯著降低。濕地開墾后，土壤微生物量碳與總有機碳降低趨勢的差異，使墾殖前后土壤微生物熵發生明顯改變，與MBC變化特點基本一致。本研究中沼澤濕地土壤微生物熵最高，并且下層土高于上層土，主要是因為下層土有機碳含量顯著低于上層土。墾殖后微生物熵顯著降低，是由于開墾后土壤微生物量碳顯著降低引起。有研究表明，濕地開墾后土壤有機碳穩定性降低，大量碳被排放到大氣中的同時，活性有機碳可利用性下降，使微生物量碳在總有機碳中的分配比例降低，從而引起土壤微生物熵的降低（張金波等，2006）。濕地墾殖后不同土壤碳庫中碳分配的差異將顯著影響土壤-大氣間的碳交換過程，對全球氣候系統產生反饋調節作用。

3.3濕地墾殖對土壤基礎呼吸和qCO2的影響

沼澤濕地墾殖為水田和旱田后土壤基礎呼吸顯著下降，僅占開墾前的46.24%和24.51%，與以往研究結果相同。土壤基礎呼吸強度與植被凈初級生產力表現出正相關關系，濕地植物生物量豐富，而墾殖后大量生物量碳被移除生態系統，是基礎呼吸減弱的重要原因（周焱等，2009；Raich和Schlesinger，1992）。同時，沼澤濕地墾殖后土壤質量的下降和微生物易利用碳源的缺乏，以及土壤微生物活性及多樣性降低，也將引起土壤基礎呼吸的下降（Wang和Wang，2011）。qCO2是反映土壤質量變化及微生物對底物碳利用效率的重要指標，微生物生理脅迫、物理擾動、養分可利用性改變等都會引起墾殖前后qCO2的變化（Daniel和Kate，2014；Dilly和Munch，1996）。由圖2可知，qCO2與有機碳、全氮含量正相關，說明在碳源、養分（N）供應充足情況下，微生物對底物能源物質利用率降低，這與張偉東等（2009）的研究結果一致。濕地墾殖后土壤微生物群落結構組成改變，相對于K-策略微生物來說，R-策略微生物將更多的能量用于繁殖個體，對底物碳源利用率較低（Courtney等，2015）。旱田土壤基礎呼吸顯著降低導致其土壤呼吸商值最小，加之有機碳含量最低，導致微生物對底物基質碳源利用率發生變化，反映出微生物在不同環境條件下的適應機制有所差異。同時，濕地墾殖前后土壤pH值的差異也會影響微生物群落結構及其組成，影響微生物對底物碳源的利用效率，進而作用于土壤有機碳的周轉過程。已有研究表明，濕地生態系統固碳量要顯著高于農田生態系統，但Wiesmeier等（2014）對德國東南部土壤固碳潛力進行了估算，得出該地區農田土壤碳飽和情況僅為50%左右，意味著農田土壤還可以儲存大量額外的有機碳；Poeplau和Don（2015）也認為，農田土壤是重要的、巨大的潛在全球碳匯，在地-氣碳循環過程中發揮重要作用。三江平原地處我國中高緯度地區，陸地碳匯作用不容忽視，隨著大面積的開墾，農田面積大面積增加，采用合理的管理措施維持/提高產量的同時增加農田土壤固碳量，將對減緩全球變暖效應發揮不可忽視的作用。

4　結論

三江平原沼澤濕地墾殖可以顯著影響土壤生態過程，對土壤碳、氮和微生物學性質變化產生明顯影響。濕地墾殖后，土壤碳、氮含量顯著降低，但碳/氮比值升高，土壤質量下降；水田和旱田0～10 cm土層碳、氮減少量顯著高于10～20 cm土層，上層土更易受到外界環境條件變化的擾動。土壤活性有機碳是微生物活動的重要能量來源，濕地墾殖后活性有機碳分配減少，微生物活性下降，是土壤基礎呼吸和微生物熵降低的重要原因；墾殖前后土壤呼吸商的變化表明土壤環境條件改變引起微生物對底物碳利用效率的差異，微生物在不同土地利用方式下對基質碳利用策略/途徑發生了改變，影響土壤有機碳的周轉。明確沼澤濕地墾殖對土壤微生物學性質變化的影響，對于準確理解土壤有機質周轉的微生物學驅動機制，土壤有機碳庫穩定性及其影響因子研究具有重要意義。

參考文獻：

AERTS R, LOGTESTIJN R S P, KARLSSON P S. 2006. Nitrogen supply differentially affects litter decomposition rates and nitrogen dynamics of sub-arctic bog species [J]. Oecologia, 146(4): 652-658.

CHAPMAN S K, PALANIVEL R U, LANGLEY J A. 2012. Soil carbon stability response to land-use and groundcover management in southern Appalachian agroecosystems [J]. Soil Science Society of America Journal, 76(6): 2221-2229.

COURTNEY A C, Alexandre B M, Evelyn S K, et al. 2015. Microbial community structure mediates response of soil C decomposition to litter addition and warming [J]. Soil Biology and Biochemistry, 80: 175-188.

DANIEL G, KATE M S. 2014. Long-term effects of mineral fertilizers on soil microorganisms-A review [J]. Soil Biology and Biochemistry, 75: 54-63.

DILLY O, MUNCH J C. 1996. Microbial biomass content, basal respiration and enzyme activities during the course of decomposition of leaf litter in a Black Alder (Alnus glutinosa (L.) Gaertn) forest [J]. Soil Biology and Biochemistry, 28(8): 1073-1081.

GORHAM E. 1991. Northern peatlands: Role in the carbon cycle and probable response to climatic warming [J]. Ecological Application, 52: 185-192.

LAGOMARSINO A, MOSCATELLI M C, TIZIO A D, et al. 2009. Soil biochemical indicators as tools to assess the short-term impact of agricultural management on changes in organic C in a Mediterranean environment [J]. Ecological Indicators, 9(3): 518-527.

LUO G J, KIESE R, WOLF B, et al. 2013. Effects of soil temperature and moisture on methane uptake and nitrous oxide emissions across three different ecosystem types [J]. Biogeosciences, 10(3): 3205-3219.

MIRAS P Z, PALOMO I, BAGGETHUN E G, et al. 2014. Effects of land-use change on wetland ecosystem services: A case study in the Donana marshes (SW Spain) [J]. Landscape and Urban Planning, 122: 160-174.

MOORE T R, BUBIER J L, BLEDZKI L. 2007. Litter decomposition in temperate peatland ecosystems: the effect of substrate and site [J]. Ecosystems, 10(6): 949-963.

POEPLAU C, DON A, VESTERDAL L, et al. 2011. Temporal dynamics of soil organic carbon after land-use change in the temperature zonecarbon response function as a model approach [J]. Glob Change Biology, 17(7): 2415-2427.

POEPLAU C, DON A. 2015. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation of cover crops—A meta-analysis [J]. Agriculture, Ecosystem and Environment, 200(2): 33-41.

POST W M, KWON K C. 2000. Soil carbon sequestration and land-use change: processes and potential [J]. Global Change Biology, 6(3): 317-327.

POST W M, IZAURRALDE R C, MANN L K, et al. 2001. Monitoring and verifying changes of organic carbon in soil [J]. Climatic Change, 51(1): 73-99.

RAICH J W, SCHLESINGER W H. 1992. The global carbon-dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate [J]. Tellus B, 44(2): 81-99.

ROEHM C L. 2005. Respiration in wetland ecosystems, In: Giorgio PA, Williams PJI (Eds.), Respiration in Aquatic Ecosystems [M]. Oxford University Press, New York, pp: 83-102.

SANNEKE V A, PETER H V. 2013. Land cover change or land-use intensification: simulating land system change with a global-scale land change model [J]. Global Change Biology, 19(12): 3648-3667.

WANG Q K, WANG S L. 2011. Response of labile soil organic matter to changes in forest vegetation in subtropical regions [J]. Applied Soil Ecology, 47(3): 210-216.

WARDLE D A, GHANI A. 1995. A critique of the microbial metabolic quotient (qCO2) as a bioindicator of disturbance and ecosystem development [J]. Soil Biology and Biochemistry, 27(12): 1601-1610.

WIESMEIER M, HüBNER R, SP?RLEIN P, et al. 2014. Carbon sequestration potential of soils in southeast Germany derived from stable organic carbon saturation [J]. Global Change Biology, 20(2): 653-665.

ZHANG J B, SONG C C, YANG W Y. 2007. Tillage effects on soil carbon fractions in the Sanjiang Plain, Northeast China [J]. Soil and Tillage Research, 93(1): 102-108.

陳廣生, 田漢勤. 2007. 土地利用/覆蓋變化對陸地生態系統碳循環的影響[J]. 植物生態學報, 31(2): 189-204.

霍莉莉. 2013. 沼澤濕地墾殖前后土壤有機碳垂直分布及其穩定性特征研究[D]. 中國科學院東北地理與農業生態研究所.

黃靖宇, 宋長春, 宋艷宇, 等. 2008. 濕地墾殖對土壤微生物量及土壤溶解有機碳、氮的影響[J]. 環境科學, 29(5): 1380-1387.

郝慶菊. 2005. 三江平原沼澤土地利用變化對溫室氣體排放影響的研究[D]. 中國科學院東北地理與農業生態研究所.

郝慶菊, 王躍思, 宋長春, 等. 2007. 墾殖對沼澤濕地CH4和N2O排放的影響[J]. 生態學報, 27(8): 3417-3426.

魯如坤. 2000. 土壤農業化學分析法[M]. 北京: 中國農業科技出版社.

宋長春, 王毅勇, 閆百興, 等. 2004. 沼澤濕地開墾后土壤水熱條件變化與碳、氮動態[J]. 環境科學, 25(3): 168-172.

宋長春, 王毅勇, 王躍思, 等. 2005a. 沼澤墾殖前后土壤呼吸與CH4通量變化[J]. 土壤通報, 36(1): 45-49.

宋長春, 王毅勇, 閻百興, 等. 2005b. 沼澤濕地墾殖前后土壤溫度變化及其對土壤熱狀況的影響[J]. 應用生態學報, 16(1): 88-92.

宋開山, 劉殿偉, 王宗明, 等. 2008. 1954年以來三江平原土地利用變化及驅動力[J]. 地理學報, 63(1): 93-104.

王麗麗, 宋長春, 葛瑞娟, 等. 2009. 三江平原濕地不同土地利用方式下土壤有機碳儲量研究[J]. 中國環境科學, 29(6): 656-660.

嚴登華, 王剛, 金鑫, 等. 2010. 灤河流域不同土地利用類型土壤微生物量C、TN、TP垂直分異規律及其影響因子研究[J]. 生態環境學報, 19(8): 1844-1849.

楊利瓊, 韓廣軒, 于君寶, 等. 2013. 開墾對黃河三角洲濕地凈生態系統CO2交換的影響[J]. 植物生態學報, 37(6): 503-516.

張金波, 宋長春. 2004. 三江平原不同土地利用方式對土壤理化性質的影響[J]. 土壤通報, 35(3): 371-373.

張金波, 宋長春, 楊文燕. 2006. 沼澤濕地墾殖對土壤碳動態的影響[J].地理科學, 26(3): 340-344.

張偉東, 汪思龍, 顏紹馗, 等. 2009. 杉木根系和凋落物對土壤微生物學性質的影響[J]. 應用生態學報, 20(10): 2345-2350.

周焱, 徐憲根, 王豐, 等. 2009. 武夷山不同海拔梯度土壤微生物生物量、微生物呼吸及其商值(qMB, qCO2) [J]. 生態學雜志, 28(2): 265-269.

Effects of Marshland Reclamation on Soil Microbial Properties in the Sanjiang Plain, Northeast China

GONG Chao1, 2, SONG Changchun1*, TAN Wenwen1, ZHANG Jiashuang1
1. Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Abstract:Reclamation of marshland to farmland has great effects on global carbon cycling and inducing feedbacks to global climate change. Soil microbial properties are the most sensitive and indicative factors of land use changes that can reflect the dynamics of soil organic carbon (SOC) in the early stage. This study took the typical marsh wetland, wetland reclamation to paddy field (15 a) and soybean field (25 a) as the objectives to research the effects of reclamation on the soil microbial properties in the Sanjiang Plain, Northeast China. The results showed that the contents of SOC and total nitrogen (TN) were significantly decreased after marshland reclamation (P<0.001). The average SOC content was reduced by 31.50%, 51.38% and 49.81%, 63.88% of TN, respectively. The reduction of soybean field was higher than that of paddy field and the high TN reduction relative to SOC induced the decrease of soil quality. The soil microbial biomass carbon (MBC) and basal soil respiration (BR) were also significantly decreased (P<0.001), the availability of SOC and nutrients decreased and caused the decline of the microbial activity. Meanwhile, the differences of MBC and BR between 0～10 cm and 10～20 cm soil layers weakened and the heterogeneity decreased after reclamation. The microbial quotient showed a decreasing trend and the difference in 0～10 cm soil layer of soybean field and wetland was not significant (P=0.728), while that of 10～20 cm was significantly different (P=0.005), reflecting the decrease of soil labile organic allocation after reclamation. The soil metabolic quotient (qCO2) of paddy field increased and that of soybean field significantly decreased (P=0.003) indicating the varied microbial carbon use efficiency of different land use types. The qCO2had significantly positive correlations with SOC and TN by regression analysis, suggesting that the substrate use efficiency of soil microbes decreased with the improvement of soil nutrients condition. This study manifests that the soil biogeochemical cycling will be greatly influenced by the changed microbial properties.

Key words:marshland; SOC; microbial biomass carbon; soil metabolic quotient; Sanjiang Plain; reclamation

收稿日期：2015-04-02

作者簡介：宮超（1984年生），男，博士研究生，研究方向為生態系統碳氮循環與全球變化。E-mail: gongchao105@163.com

基金項目：國家自然科學青年基金項目（41401106）；中國科學院戰略性先導科技專項（XDA05050508）

中圖分類號：X142; S154.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）06-0972-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.010