不同生態恢復模式對巢湖湖濱濕地土壤活性碳庫及其管理指數的影響

滕臻，曹小青，孫孟瑤，李培璽，徐小牛

安徽農業大學林學與園林學院，安徽 合肥 230036

濕地生態系統土壤碳庫的周轉及碳源/匯過程對全球氣候變化起著極其重要的作用，而土壤碳庫中的活性碳組分對環境因子變化響應最為敏感（萬忠梅等，2011），能及時地反映人為原因所導致的土壤細微變化，是土壤碳循環的驅動力（王瑩等，2014）。近年來生態文明建設促進了環保意識的提升，濕地環境變化備受關注。有研究表明，濕地開墾為耕作農田可導致土壤可溶性有機碳含量顯著降低（Wang et al.，2010），農田棄耕還濕或棄耕后人工造林的土壤微生物量都有顯著的增長趨勢（黃靖宇等，2008）。嚴登華等（2010）對灤河流域土壤微生物量碳的研究表明，河灘地、林草地的含量明顯高于水稻田和旱田土壤。張曉東等（2017）在對新疆艾比湖地區的研究中發現，林地和草地土壤易氧化碳占總有機碳的比例顯著低于耕地和未利用地，說明林地和草地轉變成耕地后降低了土壤有機碳的穩定性。生態恢復過程中，生物和非生物因素共同影響了濕地環境中固、液和氣三相的比例，改變了土壤團聚結構及理化性質、植被組成和群落結構，影響了凋落物的數量和質量、土壤微生物量和活性以及營養物質的存在形式和可利用性（Kara et al.，2014），因而在不同程度上改變了土壤碳穩定性和活性有機碳組分的含量和分布特征。

巢湖是中國五大淡水湖泊之一，隨著城市的發展和環境污染的加劇，巢湖湖濱濕地成為受人類活動影響最劇烈的濕地區域之一，生態恢復的迫切性已經引起人們的關注。目前，有關該區域的研究主要集中于湖濱帶植被特征（丁豐，2009；郝貝貝等，2013）、濕地生態修復工程（鄭西強等，2015；余婷等，2016）、沉積物和重金屬污染（余秀娟等，2013；秦先燕等，2017）等，對于巢湖濕地土壤碳蓄積的研究相對缺乏，對選擇適宜指標以評價生態恢復對濕地環境和土壤質量提升作用依然模糊。為此，本研究以生態恢復為切入點，采集巢湖湖濱退耕濕地不同恢復模式的土壤樣品，測定并分析土壤有機碳及其活性組分的含量和分布變化，揭示土壤活性碳庫變化規律及其與總有機碳之間的關系，旨在為選擇適宜的評價指標和生態恢復模式、理解土壤活性碳庫組分變化趨勢及其指示作用提供依據，同時也為巢湖濕地管理和環境保護建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

巢湖湖區（30°25′28″－31°43′28″N，117°16′54″－117°51′46″E）位于合肥市南 15 km，為長江下游的左岸水系，西靠大別山山脈，東北鄰滁河流域，北貼江淮分水嶺，東南瀕臨長江，是中國第五大淡水湖（孟祥華，2010）。本研究范圍為巢湖派河至南淝河區間湖濱帶（圖1），年平均降雨量為1100 mm，年平均氣溫為15－16 ℃，氣候溫和，四季分明，熱量條件豐富，無霜期長，屬于亞熱帶季風氣候。土壤類型主要是水稻土、黃褐土，棕壤等。

圖1 巢湖西北岸湖濱帶研究區位置示意圖Fig. 1 Sketch map of study area in the northwest Chaohu lakeside wetland

1.2 樣地設置與樣品采集

依據巢湖湖濱退耕濕地生態恢復的不同模式設立樣地，分別為圍墾退耕的荒草灘地（對照，GL）、自然濕地恢復模式（蘆葦Phragmites australis灘地，RL）、人工林地恢復模式（森林濕地，PL）（圖1）。GL位于牛角大圩生態農業園范圍，地勢平坦，自棄耕后無人為經營管理和植被栽植，僅有荒草生長。RL臨近巢湖，濕生和陸生植物以禾本科（Poaceae）為主，蓼科（Polygonaceae）植物次之。PL位于合肥濱湖濕地森林公園范圍，自2003年退耕還濕后，除人工造林外沒有人為干擾，處于自然恢復狀態。森林濕地內溝壑縱橫，喬木以楊樹（Populus euramevicana）為主，灌木以烏桕（Sapium sebiferum）、香樟（Cinnamomum camphora）、桑樹（Morus alba）為主；林下植被有菊科（Asteraceae）、禾本科（Poaceae）、豆科（Leguminosae）等（表 1）。其中，楊樹人工林面積超過6000 hm2，以69楊（Populus deltoidescv.‘I-69'）和 214 楊（Populus euramevicanacv. ‘I-214'）為主，僅在造林初期為保證造林成功，進行了幼林除草撫育，此后沒有人為管理行為。

根據現場環境狀況，于2017年10月在巢湖西北岸湖濱帶、濱湖濕地森林公園以及牛角大圩生態農業園區域內選取植被面積較大、植物長勢較一致且無人為干擾的區域作為研究地，分別設置蘆葦灘地（RL）、森林濕地（PL）和荒草灘地（GL）3種模式，每種模式各設置3個重復樣地，且樣地間隔不小于100 m，共計9個樣地。考慮到植物殘體返回地表后，經土壤微生物分解釋放的養分主要集中在土壤表層，因此選取0－10 cm和10－20 cm土層進行土壤樣品采集。每個樣地按S形隨機選取5個采樣點，去除土壤表層覆蓋的未分解枯落物后，利用土壤鉆分別采集兩層土壤樣品共計 90份，裝入自封袋帶回實驗室用于土壤理化指標測定。

1.3 分析項目與測定方法

土壤含水率（SWC）于105 ℃下烘干至恒重后，計算烘干前后土壤質量差；土壤pH（H2O）用pH計測定。土壤總有機碳（SOC）和土壤全氮（TN）采用元素分析儀（EA3000元素分析儀，意大利）測定。溶解性有機碳（DOC）采用K2SO4浸提-Multi C/N 3100分析儀（Jena Analytik，Germany）測定。微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提-總有機碳分析儀法（Haynes et al.，1993）測定。熱水溶性有機碳（HWC）使用JENA公司的Multi C/N 3100測定（Sparling et al.，1998），樣品先于70 ℃條件下培養18 h，再通過0.45 μL濾膜進行抽濾，測定濾液中的碳。易氧化碳（EOC）采用KMnO4氧化法測定（Blair et al.，1995）；土壤EOC含量為333 mmol·L-1KMnO4氧化的碳，并根據 167 mmol·L-1和 33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳數量將EOC分成不同活性的組分（Loginow et al.，1987）：能被 33 mmol·L-1KMnO4氧化的為高活性有機碳（HLOC），能被 33－167 mmol·L-1KMnO4氧化的為中等活性有機碳（MLOC），能被 167－333 mmol·L-1KMnO4氧化的為低活性有機碳（LLOC）。活性有機碳（LOC）含量以EOC含量計算，非活性有機碳含量（NLOC）為SOC和LOC含量之差（徐明崗等，2000）。顆粒有機碳（POC）的測定（Franzluebbers et al.，1997）：預處理土樣加入六偏磷酸鈉溶液振蕩15 h，過0.053 mm鋼篩反復沖洗，收集所有留在篩中的物質，烘干后用元素分析儀測定。

表1 典型樣地基本情況Table 1 Characteristics of experimental stands

1.4 數據處理與統計分析

土壤碳庫管理指數計算方法如下（以GL為參考）（Blair et al.，1995；徐明崗等，2006）：

式中，CPI為碳庫指數；ω(SOC)為樣品全碳質量分數；ω(SOCGL)為參考土壤全碳質量分數；A為碳庫活度；ω(LOC)為活性碳質量分數；ω(NLOC)為非活性碳質量分數；AI為碳庫活度指數；AGL為參考土壤碳庫活度；CPMI碳庫管理指數。

運用SPSS 22.0進行數據統計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和 LSD（P=0.05或0.01）多重比較法檢驗不同生態恢復階段土壤中總有機碳及各活性有機碳組分含量之間的差異顯著性，并以各個土層的SOC、DOC、MBC、HWC、EOC和POC數據進行Pearson相關分析。

2 結果分析

2.1 不同生態恢復模式下土壤有機碳含量變化

3種濕地類型土壤SOC的含量變化范圍是2.24－19.80 g·kg-1，在垂直剖面上均表現為表層0－10 cm土壤SOC含量高于下層10－20 cm土壤（圖2a）。在表層土壤中，GL和PL的有機碳含量均高于RL，且PL土壤有機碳含量最高，分別為GL的5.5倍和RL的5.7倍。在下層土壤中，PL濕地類型土壤SOC含量顯著高于GL和RL（P＜0.05），分別為GL的4.1倍和RL的4.5倍。此外，各個土層之間SOC含量差異在GL模式中不顯著，但在RL和PL模式下表層土壤SOC含量均顯著高于下層。

2.2 不同生態恢復模式下土壤活性有機碳組分變化特征

3種生態恢復類型土壤 DOC含量為 13.59－25.16 mg·kg-1，在垂直剖面上各濕地類型土壤DOC含量在兩層土壤之間差異均不顯著（圖2b）。在0－10 cm和10－20 cm土層中，土壤DOC含量變化趨勢均表現為RL＞PL＞GL，其中RL類型土壤DOC含量均顯著高于GL（P＜0.05），但與PL之間差異不顯著。

3種生態恢復類型土壤 MBC含量變化范圍是28.75－202.81 mg·kg-1，在垂直剖面上均表現為表層土壤MBC含量高于下層，且在PL模式下差異達到顯著水平（P＜0.05）（圖2c）。各個土層中，PL類型的MBC含量均顯著高于其他兩個類型，表現為 PL＞RL＞GL。

3種生態恢復類型土壤HWC的含量變化范圍是12.39－150.48 mg·kg-1，在垂直剖面上均表現為表層土壤HWC含量高于下層（圖2d），且各土層中土壤HWC含量變化趨勢均為PL＞RL＞GL。在0－10 cm土層中，PL類型土壤HWC含量最高，顯著大于 RL和 GL（P＜0.05），RL類型土壤 HWC含量次之，且顯著大于GL。在10－20 cm土層，PL類型土壤HWC含量顯著大于GL，但PL與RL以及RL與GL之間均無顯著性差異。此外，PL類型在表層0－10 cm土壤中的HWC含量顯著高于下層，但在RL和GL類型中差異不顯著。

3種生態恢復類型土壤 POC含量變化范圍是0.96－14.37 g·kg-1，在垂直剖面上均表現為表層土壤POC含量高于下層（圖2e），但僅在RL類型中差異達到顯著水平（P＜0.05）。在各個土層中，PL類型的 POC含量均顯著高于其他兩個類型，表現為 PL＞GL＞RL。

3種生態恢復類型土壤EOC的含量變化范圍是1.21－12.70 g·kg-1，在垂直剖面上均表現為表層土壤 EOC含量顯著高于下層（P＜0.05）（圖 2f）。各個土層中，PL類型的EOC含量均顯著高于其他兩個類型。在0－10 cm土層，土壤EOC含量變化趨勢為PL＞RL＞GL；在10－20 cm土層，土壤EOC含量變化趨勢為PL＞GL＞RL。

圖2 不同生態恢復模式下不同土層土壤有機碳及活性有機碳組分含量變化Fig. 2 Changes of concentrations of soil SOC and active organic carbon components in soil depths under different ecological restoration patterns

在不同的生態恢復模式下，土壤 EOC不同組分的含量也表現出一定的差異（表 2）。分析不同類型樣地的 EOC組分含量的分配關系可知：在 0－10 cm土層，GL和RL類型的活性組分以HLOC占優勢，平均質量分數分別為 1.49 g·kg-1、1.35 g·kg-1，表現為 HLOC＞MLOC＞LLOC；而 PL 類型以LLOC占優勢，平均質量分數為7.15 g·kg-1，表現為LLOC＞HLOC＞MLOC；在10－20 cm土層，3種類型活性組分均以HLOC占優勢，平均質量分數為是 0.73－1.95 g·kg-1，表現為 HLOC＞MLOC＞LLOC。在不同土層之間，表層土壤中GL和RL類型的HLOC含量均顯著高于下層，RL類型的MLOC含量顯著高于下層，以及PL類型的LLOC含量顯著高于下層（P＜0.05）。

表2 不同生態恢復模式土壤易氧化碳各組分含量及比例Table 2 Content and proportion of various fractions of EOC in different restoration patterns

GL：荒草灘地；RL：蘆葦灘地；PL：森林濕地。表中數據為平均值±標準誤（n=3）。大寫字母表示同一模式不同土層之間的差異顯著性；小寫字母表示同一土層不同模式之間的差異顯著性（P＜0.05）。下同

GL: weed shoaly land; RL: reed shoaly land; PL: forested wetland. Values are Means±SE (n=3). Capital letters indicate the significance among different soil depths of the same pattern; lowercase letters indicate the significance among different patterns in the same soil depth (P＜0.05). The same below

2.3 不同濕地類型土壤養分與活性有機碳之間的關系

由表3可知，在0－10 cm土層，土壤MBC、HWC和 EOC含量兩兩之間具有極顯著正相關性（P＜0.01），且均與土壤 SOC、TN、GLOC 以及 LLOC含量之間呈顯著或極顯著正相關性（P＜0.05或P＜0.01）；土壤DOC僅與TP呈極顯著正相關性；土壤EOC與MLOC呈顯著正相關性。在10－20 cm土層，土壤 DOC與其他活性碳組分及土壤養分因子的差異均未達到顯著水平；土壤MBC、HWC和EOC與土壤SOC、TN及GLOC呈顯著或極顯著正相關性；此外土壤HWC含量與MBC、EOC、LLOC含量均呈顯著正相關性；土壤EOC含量與MBC、MLOC之間呈極顯著正相關性。綜合分析表明，土壤MBC、HWC、EOC含量兩兩之間具有極顯著的正相關關系，土壤DOC含量與TP之間具有極顯著正相關性，土壤MBC、HWC、EOC和土壤SOC、TN、GLOC、MLOC、LLOC之間均具有顯著或極顯著的正相關關系。

2.4 不同生態恢復模式土壤碳庫活度和碳庫管理指數的變化

本研究結果表明，兩種生態恢復模式均提高了土壤碳庫管理指數（表4）。在0－10 cm土層，RL類型土壤CPMI比參照（GL類型）提高了10.6%，但差異不顯著；PL類型 CPMI比參照提高了490.39%，且與 GL和 RL類型相比均差異顯著（P＜0.05）。在10－20 cm土層，RL類型土壤CPMI比參照提高了6.73%，但差異不顯著；PL類型CPMI比參照提高了110.16%，且與GL和RL類型相比均差異顯著。兩個土層綜合來看，RL類型 CPMI在土層之間差異不顯著；PL類型的CPMI在土層之間差異顯著，表現為表層土壤CPMI顯著高于下層。

表3 土壤活性有機碳各組分與土壤養分的相關分析Table 3 Correlation analysis between soil active organic carbon components and soil nutrients

表4 不同生態恢復模式不同土層土壤活性有機碳含量及碳庫管理指數Table 4 Content of soil labile organic carbon and CPMI in different soil depths in different restoration patterns

3 討論

3.1 不同生態恢復模式下土壤有機碳庫變化

本研究中，蘆葦灘地各土層土壤有機碳含量均顯著低于森林濕地，且表層土壤有機碳含量均顯著高于下層土壤（圖2a），這主要是由于兩種生態恢復模式的植被組成差異。植被通常被認為是土壤具有較高碳密度的重要原因（周玉燕等，2011）。森林濕地中喬木層為人工栽植的楊樹，林下灌木和草本地被自然生長，林地層次結構豐富，地上部和地下部凋落物量高，從而提高了土壤有機物的輸入；另一方面楊樹林地外圍與道路有水渠相隔，受到的人為干擾較小，控制了人為因素導致的土壤有機質加速分解的過程，進而減少了土壤有機碳的損失。簡興等（2016）研究城市濕地周邊不同土地利用方式下土壤有機碳變化時也發現土壤有機碳呈顯著的土層表聚性，濕地轉變為林地后具有更強的碳截存能力。而劉剛等（2011）研究洪湖濕地生態系統土壤有機碳及養分含量特征發現林地濕地類型中土壤有機碳含量較少，與本研究結果相反。造成這種差異的原因可能與取樣點選擇有關，洪湖濕地林地取樣點臨近道路、湖濱，樣地受到的人為干擾較多，生物循環旺盛，多種因素加速了林地凋落物的分解和有機物的代謝過程，因而不利于土壤有機碳的積累。

3.2 不同生態恢復模式土壤活性有機碳組分含量的差異

土壤 DOC含量的影響因素主要包括凋落物的數量和組成、分解者群落等生物因素，還有土壤pH、環境溫度、土壤水分及土地利用方式等非生物因素（Kalbitz et al.，2000），而土壤中的DOC輸入與輸出之間的平衡是決定其含量的關鍵（王純等，2017）。本研究中，蘆葦灘地和森林濕地均處于季節性水淹地帶，干濕交替的環境促進了土壤 DOC的釋放，增加了微生物可利用的碳源，造成其DOC含量在各個土層均高于荒草灘地。這與李忠佩等（2004）的研究結果一致，其認為淹水可提高土壤有機碳的溶出，導致團聚體的分散進而增加 DOC含量。郭岳等（2017）在三江平原的研究中發現小葉樟（Deyeuxia angustifolia）濕地的土壤DOC含量高于人工森林濕地，這與本研究中森林濕地土壤DOC含量低于蘆葦灘地的結果相似，可能原因一方面是水文條件的差異，森林濕地內溝壑縱橫而蘆葦灘地地勢平緩且與湖區相接，導致水淹時長和頻率不同；另一方面森林濕地生物群落豐富，土壤MBC含量高表明其微生物活性較高，使得 DOC通過微生物礦化成CO2釋放到大氣中的比例較大，可能導致森林濕地土壤 DOC的輸出量大于蘆葦灘地，從而影響林地土壤DOC含量。

本研究結果表明，在不同土層中森林濕地的土壤MBC和EOC含量均顯著高于荒草灘地和蘆葦灘地，且表層土壤MBC和EOC含量均顯著高于下層（圖2c、圖2f）。MBC含量是衡量土壤生物肥力的重要指標，而地上植被類型是影響土壤微生物活動的重要因子（孫波等，1999），森林濕地植被生長茂盛，地上凋落物和地下根系及其分泌物較多，能為土壤微生物提供大量碳源物質，促進了微生物的繁殖和底物代謝能力，提高了碳循環和周轉的速率，從而促進土壤質量和肥力的提升。此外，本研究中土壤EOC各組分含量在表層0－10 cm土壤中表現出明顯的差異性，荒草灘地和蘆葦灘地的EOC主要以 HLOC形式存在，且蘆葦灘地中的 MLOC含量占比高于荒草灘地；森林濕地 EOC則主要以LLOC形式存在，表明土壤EOC在不同的生態恢復模式中受到氧化的穩定性不同，表現為森林濕地＞蘆葦灘地＞荒草灘地。這個結果與鐘春棋等（2010）對閩江口濕地土壤活性有機碳的研究部分一致，即蘆葦灘地的 EOC穩定性高于荒草灘地，但鐘春棋的研究中蘆葦沼澤地以LLOC為主。閩江口蘆葦沼澤濕地屬于濱海潮土類和濱海鹽土類土壤，本底土壤有機質含量和穩定性均較高，因而 EOC以相對較高穩定性的LLOC形式存在。本研究中，森林濕地表層0－10 cm土壤中HWC和POC含量顯著高于荒草灘地和蘆葦灘地（圖 2d、e），由于 HWC和POC含量均與生物輸入特別是根系輸入有關（邰繼承等，2011），人工恢復模式下的森林濕地植被群落結構相比其他模式復雜，受到的風雨侵蝕以及地表蒸發較少，改變了土壤環境氣熱條件；同時大量的植物根系分泌物及凋落物為土壤微生物提供了可利用底物，減少了有機質的流失，從而改善了土壤結構并提升了土壤質量。

土壤活性碳組分與土壤養分的相關分析表明：在活性有機碳組分中，除了 DOC含量外，其他組分含量（MBC、HWC、EOC、POC）兩兩之間的相關性均達到了極顯著水平，且各組分與 SOC含量之間的相關性也達到了極顯著水平（P＜0.01），這說明土壤活性碳組分含量與土壤總有機碳含量密切相關。此外，MBC、HWC、EOC、POC含量均與土壤全氮含量呈極顯著相關，與曾從盛等（2011）的研究結果一致，這可能與土壤氮的轉化以及土壤微生物的利用有關，含氮量高的有機質容易被土壤微生物分解和利用，有機質遷移和轉化的速率較快，從而影響土壤有機碳的含量。本研究中土壤易氧化碳各組分含量與土壤MBC、HWC、EOC和 POC含量均呈顯著或極顯著的正相關關系（表2），說明不同的生態恢復模式下土壤易氧化碳各組分含量與土壤活性有機碳組分之間相互依賴，反映土壤易氧化有機碳的氧化穩定性差異，從而更敏感地反映土壤活性有機碳庫的變化。

3.3 不同生態恢復模式土壤活性有機碳及碳庫管理指數對土壤質量的表征作用

Lefroy et al.（1993）提出的土壤碳庫管理指數可以作為評價土壤有機碳質量的指標，反映有機碳被微生物和植物利用的難易程度，其值越大表示越容易被利用，同時碳庫活度和質量也越高（韓新輝等，2012）。本研究顯示，自然恢復和人工恢復的濕地類型CPMI指數均有所提高，其中森林濕地的CPMI指數顯著高于荒草灘地和蘆葦灘地，且森林濕地表層土壤的CPMI顯著高于下層土壤，表明人工林地恢復模式能夠顯著改善土壤有機碳質量，提高土壤碳固持能力，從而增加濕地土壤有機碳匯的功能。

4 結論

巢湖湖濱濕地生態恢復過程中各模式土壤有機碳含量與土壤微生物量碳、熱水溶性有機碳、易氧化碳、顆粒性有機碳呈極顯著的正相關關系，說明活性組分在很大程度上依賴于土壤有機碳含量；這些指標能夠從不同角度反映生態恢復對土壤活性碳庫的影響，對濕地土壤碳匯功能也具有一定的指示作用。土壤易氧化碳不同組分含量的差異性說明不同生態恢復模式下土壤有機碳的氧化穩定性不同，人工林地恢復模式的穩定性高，蘆葦灘地和荒草灘地的穩定性較低，容易流失。人工林地恢復模式下表層土壤中的CPMI顯著高于下層土壤，并且兩層土壤中的CPMI和土壤有機碳含量均顯著高于對照樣地和自然濕地恢復模式，說明人工林地恢復模式能夠顯著提高土壤碳庫管理指數，提升土壤固碳潛力。