淡水湿地围垦后土壤有机碳组分变化

林 凡,方宇嫒,石小磊,郑聚锋,王红新

（1.南京农业大学 农业资源与生态环境研究所,江苏 南京210095；2.池州学院 资源环境与可持续发展研究中心,安徽 池州247000；3.安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241000）

淡水湿地围垦后土壤有机碳组分变化

林 凡1,方宇嫒2,石小磊3,郑聚锋1,王红新2

（1.南京农业大学 农业资源与生态环境研究所,江苏 南京210095；2.池州学院 资源环境与可持续发展研究中心,安徽 池州247000；3.安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241000）

对安徽沿江淡水湿地（龙感湖、大官湖、泊湖、青通河、升金湖）和周边农田的土壤剖面中土壤活性炭（DOC1）、缓效性碳(DOC2)、稳定性碳的含量进行分析测定，结果表明，皖江流域湿地表层土壤DOC1、DOC2和稳定性碳含量介于0.96-8.49g·kg-1、0.62-6.14 g·kg-1、2.86-15.56 g·kg-1；开垦为农田后，土壤中各有机碳含量显著降低,稳定性碳占总有机碳的百分比出现了下降趋势。

淡水湿地;农田;土壤有机碳

陆地土壤有机碳库占全球陆地总碳库的2/3～3/4，超过全球陆地植被和全球大气的碳库总量。土壤中的有机碳在一定条件下能转化成CO2进入大气环境，同时能以转变成水溶态进入水体环境，因此土壤碳库以及碳固定已成为全球气候变化研究中的热点之一[1]。溶解性有机碳 (dissolved organic carbon，简称DOC)是有机碳库中最活跃的部分[2]，土壤中的生物、物理、化学条件及土地利用方式均影响DOC的生成和转移[1，3-5]。土壤有机碳可划分为土壤活性碳含量（DOC1）、缓效性碳含量（DOC2）和稳定性碳，其中活性有机碳DOC1易被土壤微生物分解矿化，分解速度快；缓效性有机碳DOC2因理化性质相对稳定，分解速度较慢[6-9]。

胡诚等（2007）研究表明可溶性碳、总有机碳与土壤基础呼吸之间呈极显著正相关[10]。高会议等研究了冬小麦不同生育期土壤呼吸与碳组分之间的关系，结果表明在整个测定期间，同一生育期不同处理间DOC含量(除抽穗期外)与土壤呼吸之间存在显著的相关关系[11]。廖艳等研究表明农业耕作促使土壤有机碳中活性组分快速矿化利用，土壤呼吸强度增加，从而降低土壤活性碳比例[12]。

已有的研究表明，湿地土壤单位面积土壤碳储量比其他土壤类型高。目前关于土壤有机碳的研究主要集中在其与全球气候变化的关系，农业管理措施与土壤有机碳的变化上[13-15]。但淡水湿地围垦后土壤有机碳的稳定性研究有待进一步加强。

本文以皖江湿地作为研究对象，测定湿地土壤及农田土壤中土壤活性碳含量（DOC1）、缓效性碳含量（DOC2）和稳定性有机碳在土壤剖面中的含量及比例变化；分析土壤中DOC1、DOC2和稳定性碳在湿地开垦前后的变化。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域位于安徽省长江段，属亚热带湿润的季风气候区，常绿阔叶与落叶阔叶林带，地带性土壤类型为红壤与黄壤。沿长江的淡水湿地区域内的龙感湖、大官湖、泊湖、青通河、升金湖湿地土壤及湿地开垦为农田后的土壤作为研究对象，研究区域地理位置为29°51′20″-30°46′51″N，116°17′56″-117°44′49″E。

1.2 材料与方法

升金湖样品为2010年10月所采，龙感湖、大官湖、泊湖、青通河的样品为2006年10月中旬所采。选择有代表性的样地，每个样地土壤剖面深100cm，其中0-20cm每隔5cm采一个样，20cm以下每隔10cm采一个样，且0-15cm采3个重复样。利用四分法取部分样品，风干后剔除植物根系、螺丝壳和砾石等，再过60目筛，处理后样品入自封袋保存。采用酸水解法对样品进行处理[16]。土壤有机碳的回收率较高，平均达到97.46%。（回收率=（DOC1+DOC2+稳定性有机碳含量）*100/总有机碳含量）见表1。

表1 各湖区土壤有机碳回收率

采用元素分析仪（Vario MaxCN,Elementar,德国）对DOC1和DOC2进行测定，稳定性碳利用重铬酸钾容量法—外加热法[17]进行测定。采用SPSS 11.5软件对实验数据进行处理。

2 结果与讨论

2.1 开垦前后土壤表层SOC含量比较

试验结果见表2。由表2可知，湿地土壤样品0-15cm表层土壤中DOC1、DOC2和稳定性碳的含量范围分别为 0.96～8.49 g·kg-1、0.62～6.14 g·kg-1、2.86～15.56 g·kg-1， 其对应的平均值分别为4.81±2.46 g·kg-1、3.25±1.58 g·kg-1、10.14±3.45 g·kg-1。 农田土壤样品相应的各项有机碳平均含量比湿地样品要低27%～94%，含量范围也略小于湿地土壤样品。其中，青通河流域湿地土壤和农田土壤中以上几项土壤碳的含量均最高。

表2湿地及农田0-15cm土壤DOC1、DOC2及稳定性有机碳的含量(g·kg-1)

结果同时表明，湿地土壤和农田土壤的稳定性碳含量的变异系数均较小，分别为34%、39%，而土壤活性碳含量、缓效性碳含量的变异系数范围处在47%～73%之间。围垦利用方式对土壤各组分有机碳含量也存在一定的影响，表现为围垦为旱地土壤有机碳均低于水稻土有机碳的平均含量。黄伟生等人的研究了洞庭湖区耕地利用方式对土壤活性有机碳的影响，结果表明土壤有机碳含量顺序为水旱轮作地＞水稻田＞旱地，与本研究结论类似[5]，在洞庭湖区三种不同利用类型的土地中，水旱轮作地土壤有机碳﹥水田土壤有机碳﹥旱地土壤有机碳。这种分布现象主要是不同土地利用方式导致植物残体的数量和性质的差异，不同利用下的耕作方式施肥管理等措施也会存在差异，导致了有机碳含量的变化[18-21]。

2.2 土壤剖面中DOC1、DOC2及稳定性碳的分布

图1列出了龙感湖地区DOC1、DOC2、稳定性碳和总有机碳在土壤剖面深度的分布情况。由图可知，湿地土壤和农田土壤中DOC1、DOC2的含量随土壤深度的增加变化不大，且DOC1的含量略高于DOC2。而稳定性碳的含量随土壤深度的增加出现较明显的减少，且其含量明显高于DOC1和DOC2。在整个剖面中TOC含量的变化趋势与土壤中稳定性碳的一致。

图1 龙感湖湿地及水稻土中不同有机碳在土壤剖面中的分布

龙感湖湿地土壤稳定性碳垂直分布表现出表层较高，中间稳定，低层锐减。由图1可见，0-5cm，稳定性碳为11.02±0.71 g·kg-1，往下其含量出现降低趋势，5～80cm的含量维持在5～8 g·kg-1范围内，底层土壤中稳定性碳含量仅2 g·kg-1左右。0～5cm土壤中DOC1含量为4.79±0.19 g·kg-1，随土壤深度增加，其含量也出现降低，底层土壤中仅为0.51±0.05 g·kg-1。DOC2的含量略低于DOC1，在整个土壤剖面中其最高含量为3.17±0.50g·kg-1，平均为1.5 g·kg-1左右。相对于湿地土壤，水稻土土壤中稳定性碳含量明显降低。其中0-10cm土壤中稳定性碳含量为7.15±0.18 g·kg-1，在20cm以下的土壤中稳定性碳其含量稳定在1.0-1.9 g·kg-1之间。

图2 大官湖地区DOC1、DOC2及稳定性碳在土壤剖面中的分布

从图2可见，大官湖湿地土壤0～5cm稳定性碳含量为15.56±0.64 g·kg-1，5～10cm土壤中含量降低至整个剖面的最低点，仅为2.86±0.08g·kg-1，10cm以下土壤中其含量又开始回升，其中30～100cm土壤中含量较稳定，维持在6 g·kg-1左右。DOC1出现最大值和最小值的剖面与稳定性碳和总碳一致，分别在0～5cm和5～10cm，DOC2的含量的极值出现在0～5cm的表层土壤，达到4.51±0.21 g·kg-1，而在其余层次均不足2g·kg-1。 相对湿地土壤而言，大官湖农田有机碳含量在整个剖面的变幅不大。DOC1、DOC2和稳定性部分的变化范围分别为 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。

图3 泊湖地区DOC1、DOC2及稳定性碳在土壤剖面中的分布

图3表明，泊湖湿地土壤稳定性碳含量在0～50cm范围内逐渐下降，表层0-5m稳定性碳含量的14.34±0.07 g·kg-1，而到40-50cm土壤稳定性碳含量只有5.31±0.08 g·kg-1，而50cm以下土壤中其含量基本保持不变。在整个土壤剖面中，活性碳含量略高于缓效性碳含量，且活性碳含量和缓效碳含量变化与稳定性碳基本一致。由于泊湖水稻土土壤开垦年限不长，其有机碳含量变化情况和湿地十分相似[22]。

图4 升金湖地区DOC1、DOC2及稳定性碳在土壤剖面中的分布

由图4可见，升金湖的湿地土壤和水稻田土壤中稳定性部分碳的百分含量平均值分别为63%和55%，明显高于活性碳含量和缓效碳含量，两种不同土壤中，活性碳含量和缓效碳的含量随土壤深度的加深并无明显变化，且两种有机碳的含量基本相同。

图5 青通河地区活性碳、缓效碳及稳定性碳在土壤剖面中的分布

由图5可知，相对于前面的试验结果，青通河地区土壤有机碳随土壤剖面的变化最为特殊。湿地土壤和水稻土整个剖面中，缓效碳含量高于活性碳含量，且稳定性碳的含量最高。与前几组结果相比，水稻土中活性碳含量的含量变化特殊，在某些层次超过稳定性碳的含量，这主要是由于地下埋藏植物残枝偶然因素造成的。在60cm以下的土壤中，仅有一个层次的稳定性碳含量高于活性碳含量。结果同时表明，总有机碳含量越高的层次，稳定性碳的含量越少[22]。

2.3 不同土壤有机碳占TOC的比例及其相关关系

分析土样中活性碳含量、缓效碳含量和稳定性碳含量占TOC的比例，结果表明，百分之八十的土壤剖面中稳定性碳的含量都在50%以上，青通河湿地土壤及水稻土中稳定性碳含量约为 45%。用SPSS软件在同一行做差异性分析，除个别样点外，稳定性碳的含量总是最高的，稳定性碳与活性碳含量、缓效碳含量有极显著差异。本研究区内的龙感湖、大官湖、升金湖和青通河等淡水湿地附近的农田围垦时间较长，大约在40-50年间，土壤中稳定性有机碳的含量明显低于湿地土壤，这表明湿地碳库比农田碳库更稳定。由于泊湖的开垦年限短，估计10-15年间，水稻土中稳定性碳含量反而比湿地土壤高。

表3 活性碳含量、缓效碳含量及稳定性碳与TOC的百分比

土壤样品各组分土壤有机碳与总有机碳的相关性分析表明，活性碳含量、缓效碳含量和稳定性有机碳与总有机碳均达到了极显著正相关。活性碳与总有机碳，稳定性有机碳与总有机碳的相关系数R2均超过了0.9，缓效碳与总有机碳的相关系数R2也超过了0.7，这与莫彬、姜培坤等的研究结果一致[22-24]。

图6 各组分土壤有机碳与总有机碳的相关性(p＜0.01)

3 结论与讨论

研究区淡水湿地土壤活性碳含量介于0.96-8.49g·kg-1，缓效碳含量介于0.62-6.14 g·kg-1，稳定性碳含量介于2.86-15.56 g·kg-1。开垦为农田后，土壤略小于湿地土壤，且垂直分布表现出上层递渐明显，到一定深度趋于稳定的变化，中各组分有机碳含量显著降低，相对于湿地土壤降低了27%～94%，含量范围也说明人类的耕作活动对土壤有机碳不同组分的含量均产生影响。同时，湿地围垦后，稳定性有机碳占总有机碳的百分比均出现了下降趋势，围垦时间短，下降不明显，如泊湖。升金湖周边湿地，在开垦为水稻田后，稳定性有机碳占总有机碳的百分比相对于开垦前湿地下降了7.24%。这主要是因为湿地围垦利用降低了土壤有机碳的稳定性，导致土壤碳库的损失。这与其他学者的研究结果基本一致[22，25-28]。

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[责任编辑：余义兵]

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

国家自然科学基金（41071337）；安徽省教育厅自然科学项目（ZD2008009-1，KJ2013B170）；池州学院研究中心项目（XKY201211）。

林凡(1982-),女,湖北省云梦人,南京农业资源与生态环境研究所，主要从事资源环境与土壤循环研究硕士,从事土地利用与环境研究。