杭州湾南岸围垦区土壤有机碳空间分布特征及其影响因素

原一荃，王 繁

(杭州师范大学生命与环境科学学院生态系统保护与恢复杭州市重点实验室,浙江杭州 310036)



杭州湾南岸围垦区土壤有机碳空间分布特征及其影响因素

原一荃，王 繁*

(杭州师范大学生命与环境科学学院生态系统保护与恢复杭州市重点实验室,浙江杭州 310036)

摘 要：在杭州湾南岸慈溪围垦区采集不同围垦年代的土壤样品,研究围垦区土壤表层有机碳空间分布规律及其影响因素。结果表明:围垦区不同年代土壤表层有机碳含量为0.41～10.45 g·kg-1,平均含量为4.515 g· kg-1;随着围垦时间延长,土壤表层有机碳含量表现出增加的趋势;土壤中全氮含量及碳氮比与有机质含量呈现出显著的相关性(P＜0.01)。围垦年限和土地利用方式对土壤表层有机碳含量具有显著影响,并且存在显著的交互作用。

关键词：围垦年限;土地利用方式;土壤有机碳

DOI 10.16178/j.issn.0528-9017.20160246

湿地是陆地上最大的生物碳库［1］,它的土壤有机碳储备量占世界总有机碳储备量的20%～25%［2］。滨海湿地时时处在动态变化之中［3］,它的外貌景观及土壤性质也随时发生变化。随着经济发展以及人口的不断增加,粮食需求及土地开发强度均日益增大,湿地围垦是解决粮食问题、缓解人口压力的有效途径。自200多年前西班牙近半数的沿海地区被围垦开始,填海造陆已经成为欧洲沿海一项非常普遍的人类活动［4］。我国湿地总面积6.594万km2,占国土面积的6.5%［5］,大约有51%的湿地被围垦后作为农业用地［6］。在过去的65年里,浙江省有2 300 km2滨海潮滩被开发利用［7］。

近年来,碳循环以及围垦区土壤性质的变化成为研究热点,尤其是农业垦殖后土壤有机碳的变化受到了广泛关注［8］。有研究认为,天然湿地由于围垦后水分的减少、温度的变化以及曝气量增加,有机质矿化过程加剧,会导致湿地中的有机质减少［9］。但也有研究显示,随着围垦年限的增加,土壤电导率、团聚体粒径、pH均减小,但土壤有机质却有增大的趋势［8］。

杭州湾南岸属于典型的淤涨型滩涂,受农业垦殖等人类活动影响剧烈。慈溪湿地位于杭州湾南岸,中心区域总面积43.5 km2,具有明显的月相变化和季节变化,在浙江省土地资源的可持续利用和保护中具有独特的地位和作用［10 -11］。本文以其不同时期围垦的土壤为研究对象,探讨土壤表层有机碳分布的影响因素,以及滨海围垦区在不同围垦年限与土地利用方式的共同作用下土壤表层有机碳库的变化规律,以期为滨海湿地的合理开发利用提供依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于杭州湾南岸慈溪围垦区,地理坐标30°7′27.37″—30°21′33.55″N,120°59′0.99″—121° 33′42.15″E。地处北亚热带南缘,属季风型气候,年平均气温16.0℃,雨量充足,年平均降水量1 272.8 mm,夏秋间多热带风暴。研究区土壤类型自海边向内陆依次包括盐土、潮土、水稻土3个土类,成土历史短,粉砂含量高,呈中性至微碱性。

1.2土样采集与测试分析

根据文献资料,慈溪围塘历史可追溯至宋代［10］,之后随着海涂的北移而不断修筑,形成了以海塘为特征的明显的围垦分区。本研究在垂直于杭州湾南岸海岸线方向布设6条采样带,每条采样带布设7～9个表层采样点,共采集表层土样48个(图1)。采样点覆盖了研究区近千年的主要围垦区域。

采样时先清除地表覆盖物及枯枝落叶,然后采集表层20 cm厚的土壤。在采样过程中,利用手持GPS准确记录采样点的坐标及土地利用情况,并通过田间询问的方式获取近年来采样点周围土地利用情况及施肥状况。

采集后的样品先进行风干处理,并在样品风干后去除草根、石块、农膜等,进行研磨过筛处理,过100目筛以满足土壤理化性质的测定。pH及电导率用土液比1∶5浸提,电位法测定(NY/T 1377—2007);样品总碳及总氮的测定采用元素分析仪(EURO EA)完成;总有机碳测定利用TOC 仪(Analytikmutli N/C3100)完成。

1.3数据处理

利用SPSS 16.0软件对试验结果进行统计分析。

2　结果与分析

2.1土壤特性空间分布

不同围垦年代土壤pH值、电导率(EC)、总碳(TC)、总氮(TN)、有机碳(TOC)含量见图2。不同围垦年代土壤pH变化范围在7.80～9.80,整体呈弱碱性。1500—1900年围垦区土壤EC1:5保持在较低水平且相对稳定,但2000年以后围垦区域的EC1:5明显大于之前围垦区:这可能是因为新围滩涂因围垦时间较短,且多为未利用荒地,地表土壤聚集了大量易溶性盐类,随围垦年限的增加,土地脱盐作用明显。不同围垦年代土壤总碳含量差异不显著,为6.45～17.24 g·kg-1。但围垦区土壤有机碳含量差异显著,随围垦年限的增加逐渐增大; 2000年以前围垦区较2000年以后新围滩涂土壤有机碳含量显著增加,围垦区土壤有机碳含量峰值出现在1700年之前的围垦区。围垦区土壤全氮含量的变化趋势与有机碳相似,1700年之前的围垦区达到最大值(0.578±0.086) g·kg-1,之后出现明显回落。

滨海围垦区经历了从滩涂、荒地、林地到农用地的变化,在不同土地利用方式下,研究区土壤理化性质存在明显差异。菜地和林地的TOC,TN含量显著高于荒地和滩涂(表1)。由此可见,滩涂围垦开发改变了土壤理化性质,补充了土壤有机碳及氮素在矿化过程中的损失。

2.2湿地土壤有机碳与其他土壤特性的相关性分析

土壤组成成分复杂,为了明确影响土壤有机碳的主要因素,选取pH,EC1:5,C/N,总氮4个指标进行多元分析。对各指标做Pearson相关分析,得到相关系数矩阵。由表2可知,有机碳与EC1:5,C/N均呈现极显著负相关(P＜0.01);与总氮呈极显著正相关(P＜0.01)。

表2　土壤有机碳与其他土壤特性之间的相关关系

2.3湿地土壤有机碳多因素方差分析

多因素方差分析结果表明,围垦年限和土地利用方式对土壤有机碳含量分布均有显著影响,且围垦年限与土地利用方式之间存在显著的交互作用。这可能是由于随围垦年限的增加,枯枝落叶等凋落物的分解与积累以及人类对土壤的利用改善(人工施肥等)程度加剧,致使土壤有机物输入大于输出,进而引起土壤有机碳的持续增加。

3　讨论

3.1围垦年限对土壤有机碳含量的影响

慈溪滩涂经历了上千年的围垦,经过长期蓄淡养青、种植耐盐作物等改良措施,该地区的土壤理化特性已经发生显著变化［12］。围垦后长期种植、培肥改良等措施加速了土壤熟化,有机质积累明显,土壤有机碳含量明显提高［4］。本文研究结果表明,随着围垦年限的增加,表层土壤中有机碳含量表现出明显的增长趋势,这与吴明等［13］在杭州湾南岸揭示的土壤表层有机碳在围垦初期(围垦5年和25年)表现为随时间增长逐渐增加的趋势一致。

本研究中围垦年限的时间跨度较长,各围垦年限之间的间隔也都较大,除2000年以后围垦的20处采样点外,其他围垦年限都超过50年,并且研究区域覆盖整个慈溪平原围垦区(图1),选择代表性较强的采样点,突出了围垦年限对土壤表层有机碳的影响作用。围垦初期(2000年以后围垦)土壤有机碳含量与其他围垦年限的差异具有统计学意义,但其他围垦年限之间差异较小,无统计学意义(图2)。2000年以后围垦利用的土壤有机碳含量较少,但上升率远大于其他围垦区,说明围垦后0～15年的土壤有机质矿化分解作用较强,有机物积累较少,这与围垦后土壤含水量逐年减小有关［14］。一般来说,围垦利用刚开始的十几年内土壤有机质积累较少,这是因为这段时间内土壤C/N值较大,利于土壤微生物活动,木质素分解形成CO2速率加快［15］。1900年的围垦区土壤有机碳含量明显增高,这主要是由于围垦利用后采取蓄淡养青、种植耐盐作物等措施积累土壤有机质,加速土壤脱盐,提高了土壤肥力［16］;长久以来留存在土壤中的根系以及未收取的农作物地上残体,经过分解后会产生大量有机质［17］。再加上人为有机肥源的输入造成土壤熟化程度越来越高,此时虽然土壤的矿化作用仍在继续,但输入远大于输出,土壤有机碳持续增加。随围垦年限的增加,施用氮肥的积累,表层土壤总氮含量增大,减缓了由于雨水下渗以及人工灌溉造成的土壤氮素损失。同时,土壤碳氮比有所上升,从而在一定程度上减缓了有机质矿化分解作用［18］。由多因素回归分析结果可知,土壤有机碳不仅受围垦年代的影响,也受土地利用方式与围垦年限的共同作用。

图2　不同围垦年代表层土壤特性的空间分布特征

3.2土地利用方式对土壤有机碳的影响

与Shepherd等［19］和Tan等［20］认为围垦后不同土地利用方式表层有机碳含量均有所下降不同的是,本研究区内土壤有机碳含量按照林地、菜地、荒地、滩涂的顺序依次递减。

研究区内表层土壤有机质含量最低的是未围垦滩涂,主要土壤类型为潮滩盐土及滨海盐土,成土时间短,土壤有机质含量较低。土壤pH在8以上,碱性环境使土壤有机质降解速度较快［21］,且未见存在植物生长,有机碳积累速率显著低于其他土地利用方式。

表层土壤有机碳的重要来源是地表枯落物［22］。相对于鲜少植被的未围垦滩涂,大部分荒地覆盖有芦苇等植物,土壤固碳能力增强。围垦后土壤含水率下降,再加上荒地因鲜少人工管理,荒滩植物残体大部分归还到土壤中,可以积累部分有机质。但由于土壤的矿化作用仍在继续,且受人为干扰较少,缺少人工碳源的输入,因此表层土壤有机质含量仍然较低。

对于土壤性质改变最大的因素是人为活动,其中尤以农业利用最为明显［8］。围垦土地用作菜地后,土壤有机质含量相对较高。这是由于菜地需要较为精细的人工管理,为保持土壤肥力,不断施入有机肥,补充了土壤有机质的损失。同时,大量氮肥的施用,使土壤碳氮比减小,抑制了微生物的活性,降低了有机质的分解速率。

围垦后,以苗木为主的林地土壤有机碳含量较高,证明土壤固碳能力进一步增强。在林地模式下,人为施肥增加了土壤表层有机质,因有机质的胶结作用形成较大团聚体,且人为的翻耕明显减少,大团聚体较少被破坏,有利于形成有机碳的物理保护［23］。加之林地地表杂草以及枯枝落叶丰富,散落在表层,有助于土壤有机质的积累,因此造成表层有机碳含量的升高。

总体来看,围垦及不同土地利用方式引起的土壤水热条件的改变及地表植被覆盖类型的变化都会影响湿地表层土壤有机碳的空间分布。实际上,滨海湿地微地貌格局复杂且有随机的水文事件,同时还会受到人类活动的干扰［13］,多种因素共同塑造着土壤中有机质的空间分布,但每种因素的影响方式和干扰程度仍需进一步研究探讨。

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(责任编辑：高 峻)

通信作者:王 繁(1976—),男,河南固始人,博士,副研究员,主要从事土壤碳循环方面的研究工作,E-mail:wangfan@hznu.edu.cn。

作者简介:原一荃(1989—),女,山东威海人,硕士研究生,主要从事滨海湿地有机碳遥感监测等研究工作,E-mail:709012047 @qq.com。

基金项目:浙江省自然科学基金(LY15D010007)

收稿日期:2015-10-15

中图分类号：S152

文献标志码：A

文章编号：0528-9017(2016)02-0284-04

文献著录格式:原一荃,王繁.杭州湾南岸围垦区土壤有机碳空间分布特征及其影响因素［J］.浙江农业科学,2016,57 (2):284-287,296.