天津北大港沼泽湿地土壤团聚体碳组分对长期开垦的响应

史 妍 ，朱源山 ，郭长城 ，尚云涛 ，陈 清 ，薛冬梅 ，李 军 ，王义东 ，王中良

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

湿地是陆地和水体间过渡的一种特别的生态类型[1]，仅占全球陆地面积的4%～6%，但储藏着全球约30%的碳[2]，是全球最大的碳库[3]，对全球生态系统具有重要意义. 碳是天然湿地土壤中的关键生源元素，直接影响着湿地生态系统. 土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是土壤肥力的重要指示，与作物生产力和全球气候有关[4-5]；土壤无机碳（soil inorganic carbon，SIC）是近地表环境的主要碳库之一，其形成与周转对碳循环具有重要影响[6].近年来，在气候变迁和人类活动的影响下，全球湿地面积迅速减少，湿地土壤碳储量也大大减少.

土壤团聚体是土壤有机碳稳定和保护的载体，土壤有机碳的固定效应与团聚体的保护机制密切相关[7].一般认为，大团聚体内有机碳含量高于微团聚体，有机碳含量具有随团聚体粒径增大而增加的趋势[8-9].有关福建红树林湿地和辽河三角洲湿地的研究发现土壤团聚体中粒径＞2.000 mm 的大团聚体占比最高，其SOC 含量也最高[10-11]，湿地开垦后团聚体有机碳含量显著降低[10-12]，中团聚体（0.250～2.000 mm）有机碳含量的变化对湿地开垦的响应更为敏感[10]，但也有研究表明土壤团聚体有机碳含量随团聚体粒级减小而增加，各粒级土壤团聚体有机碳含量、团聚体对有机碳的贡献率以及团聚体有机碳储量均随土层的加深而降低[13].与有机碳相比，土壤无机碳的研究多集中在干旱、半干旱以及高原地区的森林草地，农业措施改变土壤的水热条件和理化性质，进而影响无机碳的分布和含量. 青藏高原高寒草地生态系统[14]以及半湿润农田生态系统[15]研究表明灌溉促进了土壤无机碳的形成和积累，三江平原沼泽湿地[16]的研究表明长期开垦导致SIC 减少，随着土层深度的增加，土壤无机碳储量占全碳的比例增大[17].

目前，有关天津滨海盐渍化湿地长期开垦后团聚体中无机碳的研究并不多见，而由盐渍化湿地高碱性、高盐分和低土壤有机质等特点带来的特殊的土壤碳交换过程值得进一步研究[18].本研究以北大港湿地为研究对象，探究长期开垦后滨海湿地团聚体有机碳和无机碳的变化特征，进一步认识开垦对湿地土壤碳汇的影响，为滨海湿地的保护提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

北大港湿地位于天津市滨海新区的东南部，地理坐标为北纬 38°36′～38°50′，东经 117°11′～117°37′，面积34 887 hm2，是天津市面积最大的湿地自然保护区，对亚洲东部候鸟的迁徙具有重要意义.本区属暖温带半湿润大陆性气候，四季分明，冬夏长于春秋，春季少雨多风，夏季高温多雨，秋季温度宜人，冬季寒冷少雪.年平均气温12 ℃，无霜期211 d.降雨多集中在7～8 月份，年平均降水量566 mm 左右，蒸发量为降水量的3倍[19].保护区植被以沼泽芦苇（Phragmites communis）群落为主（约占60%），河流纵横交错，坑塘洋淀多，北大港湿地为海积、湖积平原，由海岸和退海岸成陆的低平淤泥组成，因此形成了以河砾黏土为主的盐碱地貌. 北大港湿地具有库泊、滩涂、沼泽、河流和浅海5个类型，拥有丰富的生态系统和生物资源.该区地下水较丰富，矿化度为弱矿化水和矿化水.土壤主要有潮土和盐土2 大类，以潮土分布居多.近年来，随着大港区及周边工农业的迅猛发展和天津城市化进程的不断加快，湿地利用与保护之间的矛盾日益突出[20]，该地区大量沼泽湿地被垦殖为农田，垦殖年限约60 a，前20 a 主要种植水稻（Oryza.sativa L.），后转为旱田，主要种植作物为玉米（Zea mays L.）、棉花（Gossypium hirsutum）和高粱（Sorghum bicolor）.

1.2 样品采集

2017 年11 月，在天津北大港湿地选取典型的芦苇湿地和地理位置相近的长期开垦后的旱作农田为试验地，两地相距约2 km，具有相同的土壤母质.在湿地和农田分别设置4 个重复小区，每个重复小区的土样由附近3 个随机土样混合而成，分别采集表层（0～15 cm）和亚表层（15～30 cm）土样，共采集了16 个土壤样本.样品采集完成后立刻装入自封袋中密封并编号带回实验室中.压碎、剔除土样中的植物残体、贝壳和石块等外来侵入物，将其置于通风阴凉处自然风干，风干过程中沿土壤自然破碎面将其掰成直径1 cm 左右的小块，随后将土样混合均匀，密封保存，备用.

1.3 样品分析与测试

采用湿筛法对风干后的土样进行团聚体分组：①用天平称取100 g 风干土样，平均分成4 组，分别浸没在蒸馏水中5 min，通过3 个不同孔径的筛网（2.000 mm，0.250 mm 和 0.053 mm）湿筛 6 min（振幅3 cm，频率50 次/min）（XY-100 型土壤团聚体分析仪，北京祥宇伟业仪器设备公司），分别得到＞2.000 mm、0.250～2.000 mm、0.053～0.250 mm 和＜0.053 mm 共 4 个团聚体粒径组分.②将各个筛网上各团聚体粒径组分的土样转移到铝盒中，置于60 ℃烘箱中烘干，然后称重并记录，便于之后各团聚体组分占比的计算.③烘干后的土壤样品研磨后过孔径0.149 mm（100 目）的土壤筛，装入自封袋中密封保存并做好标记.

测定样品有机碳（SOC）含量：①去除无机碳（SIC）.称取5 g 的土壤样品置于离心管中，向离心管中加入40 mL 稀盐酸（浓度为1 mol/L），使用玻璃棒搅拌混匀，静置3 h.②去除土样中过量的稀盐酸.将土壤混合液离心，在3 000 r/min 下离心5 min，随后倒掉上清液，加入40 mL 超纯水，搅拌均匀，然后再次离心，反复清洗3～4 次，洗至中性并用pH 试纸检验.③测定土样的SOC 含量.将处理后的土壤样品进行冷冻干燥，研磨通过孔径0.149 mm（100 目）的土壤筛，利用PerkinElmer 2400 Ⅱ型元素分析仪（德国Elementar 公司）测定SOC的含量.

1.4 数据分析

采用单因素方差分析法（one-way ANOVA）和独立样本 T 检验（independent-samples T Test）对数据进行差异性检验.使用SPSS 17.0 软件进行数据处理，利用Origin 2018 软件进行绘图.本研究图中不同大写字母均表示同一粒级湿地和农田间差异显著（P ＜0.05）；不同小写字母表示湿地或农田不同粒级间差异显著（P ＜0.05），均值由4 个重复处理的数据计算得到，误差指标采用标准差.

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体分布特征

经过长期开垦，土壤团聚体粒级分布发生显著变化，不同土层各粒级团聚体的含量如图1 所示.

图1 不同土层各粒级团聚体的比重Fig.1 Proportion of aggregate in different soil layers

湿地开垦为农田后，表层（0～15 cm）土壤的大团聚体比例显著下降（-81.7%），中团聚体没有显著变化，而微团聚体和矿质颗粒组分的比例显著增加，其中微团聚体增加比例高达180.5%，成为全土团聚体中占比最高的组分，达到37.7%.同时，湿地开垦后大团聚体占比由最高减少至最低，仅为7.2%（图1（a））.亚表层（15～30 cm）大团聚体比例未发生显著性变化，但中团聚体和微团聚体显著增加（+40.3%和+113.4%），矿质颗粒组分比例显著下降（-60.8%），同时亚表层土壤中各团聚体粒级占比存在显著性差异，微团聚体占比高达40.5%，大团聚体比例仅为6.7%（图1（b））.

2.2 土壤团聚体有机碳（SOC）含量及分布特征

图2 为长期开垦后土壤不同土层团聚体中有机碳（SOC）含量的变化情况.

图2 不同土层土壤团聚体中有机碳的含量Fig.2 Content of aggregate-associated soil organic carbon in different soil layers

由图2（a）可以看出，经过长期开垦，全土和团聚体各粒级中SOC 含量会发生显著变化.农田表层（0～15 cm）土壤中全土、大团聚体、中团聚体、微团聚体和矿质颗粒组分SOC 含量显著降低，分别为68.2%、38.9%、64.4%、62.3%和 35.0%（顺序下文同），而中团聚体组分、微团聚体组分和矿质颗粒组分中SOC 的含量无显著差异.由图2（b）可以看出，亚表层土壤（15～30 cm）中，除矿质颗粒组分无显著变化外，其他组分有机碳均表现出显著下降（-37.4%、-65.8%、-67.3%和-40.6%），其中，微团聚体组分的SOC 含量显著低于大团聚体.

湿地和农田中不同土层土壤各粒级团聚体所含有机碳在全土中所占比重如图3 所示.

图3 不同土层土壤中各粒级团聚体所含有机碳在全土中所占比重Fig.3 Proportion of aggregate-associated organic carbon in bulk soil in different soil layers

由图3（a）可以看出，湿地开垦为农田后，表层土壤（0～15 cm）大团聚体组分有机碳占全土比重显著下降（-68.3%），而微团聚体组分和矿质颗粒组分有机碳占全土比重显著增加（+235.5%和+228.5%），且与大团聚体组分有机碳占全土比重存在显著性差异（P ＜0.05），中团聚体组分存在增加趋势但不显著. 由图3（b）可以看出，农田亚表层土壤（15～30 cm）微团聚体组分有机碳占全土比重显著增加（+116.6%），大团聚体组分、微团聚体组分及矿质颗粒组分有机碳占全土比重呈下降趋势（-42.5%、-18.1%和-23.8%），大团聚体组分有机碳占全土比重显著低于中团聚体组分和微团聚体组分，占比最低.

2.3 土壤团聚体无机碳（SIC）含量及分布特征

图4 为湿地长期开垦后不同土层土壤团聚体中无机碳含量的变化情况.

图4 土壤团聚体中无机碳的含量Fig.4 Content of aggregate-associated soil inorganic carbon

由图4（a）可以看出，湿地开垦为农田后，表层的无机碳含量除全土和中团聚体组分外都没有显著性差异（P ＜0.05），全土无机碳含量增加25.44%，主要由中团聚体组分贡献，其增加幅度为47.1%.开垦后，大团聚体组分与中团聚体组分和微团聚体组分存在显著性差异，成为含量最少的组分.然而由图4（b）可以看出，农田亚表层土壤中各组分无机碳含量均显著增加，全土、大团聚体、中团聚体、微团聚体和矿质颗粒组分依次增加 137.4%、105.1%、163.7%、122.6%和169.8%，各组分间没有出现显著性差异.

图5 为湿地长期开垦后不同土层土壤各粒级团聚体所含无机碳在全土中所占比重.由图5（a）可以看出，湿地开垦为农田后，表层土壤（0～15 cm）中，大团聚体组分无机碳占比显著下降（P ＜0.05），下降幅度高达84.27%，中团聚体、微团聚体和矿质颗粒组分无机碳占比分别升高12.35%、116.7%和8.4%，其中微团聚体组分无机碳占比显著升高（P ＜ 0.05）.由图 5（b）可以看出，农田亚表层土壤（15～30 cm）矿质颗粒组分无机碳占比显著下降（-57.1%），微团聚体组分则显著增加（+91.1%），大团聚体组分和中团聚体组分无机碳占比分别下降34.55%和增加44.71%.

图5 土壤各粒级团聚体所含无机碳在全土中所占比重Fig.5 Proportion of aggregate-associated soil inorganic carbon in bulk soil

2.4 土壤团聚体总碳（TC）含量及分布特征

图6 为湿地长期开垦后不同土层土壤团聚体中总碳的含量情况.由图6（a）可以看出，湿地开垦为农田后，表层土壤（0～15 cm）全土及大团聚体、中团聚体、微团聚体和矿质颗粒组分总碳含量均显著下降（-50.5%、-31.7%、-46.1%、-43.4%和-25.6%），总碳含量最高的为大团聚体组分.由图6（b）可以看出，农田亚表层土壤（15～30 cm）中大团聚体和中团聚体组分总碳含量显著降低（-32.9%和-33.1%）（P＜0.05），而矿质颗粒组分则显著增加（+65.18%）.

图6 土壤团聚体中总碳的含量Fig.6 Content of aggregate-associated soil total carbon

图7 为湿地长期开垦后不同土层土壤各粒级团 聚体所含总碳在全土中所占比重.

图7 土壤各粒级团聚体所含总碳含量在全土中所占比重Fig.7 Proportion of aggregate-associated total carbon in bulk soil

由图7（a）可以看出，湿地开垦为农田后，表层土壤（0～15 cm）中大团聚体组分总碳含量占全土比重显著下降75.9%，微团聚体组分和矿质颗粒组分比重显著上升221.2%和135.9%.由图7（b）可以看出，农田亚表层土壤（15～30 cm）中大团聚体和微团聚体组分总碳含量占比显著下降（-54.5%和-44.0%），微团聚体组分显著增加112.4%，其中，大团聚体和矿质颗粒组分与其他2 个组分占比存在显著性差异（P ＜0.05）.

3 讨论

3.1 湿地开垦对土壤团聚体分布的影响

综上所述，长期开垦对团聚体分布具有显著影响且不同土层情况不同. 湿地表层以大团聚体为主（约40%），基本呈现粒径越大占比越多的趋势，这与郑子成等[21]的研究相似，与马雪莹等[11]和 Mao 等[22]在辽河三角洲湿地的研究相反，但马雪莹等[11]有关芦苇湿地的结果却与本文相似，这可能是因为芦苇湿地含水量高且生物量大，土壤处于较长时间的厌氧环境中有利于促进团聚体的形成，而其他湿地可能因受潮汐作用而不利于大团聚体的形成[11]. 本研究中的北大港湿地也属于芦苇湿地，说明即使都是湿地，其团聚体的组分比例也会因为生长植物和外力条件等因素存在很大差异.而在湿地下层土壤中，矿质颗粒组分占比最多（48.3%），这与霍莉莉等[12]和 Mao 等[22]的结果相同.与湿地相比，农田表层土壤中大团聚体组分（＞2.000 mm）的占比显著降低（P ＜ 0.05），而微团聚体组分（0.053～0.250 mm）和矿质颗粒组分（＜0.053 mm）的含量显著升高，这与 Grandy 等[23]和 Mikha 等[24]的研究一致. 首先，这可能是因为湿地开垦后输入土壤的植物残体量降低，形成团聚体胶结物质的有机质减少，而有机物质的胶结对大团聚体的形成影响较大，不利于大团聚体的形成[21，25].其次，输入的有机质减少会导致提供给土壤动物及微生物的食物和能量减少，不利于增加其数量及活性，影响大团聚体的形成[25-26].再次，耕作活动破坏大团聚体.与之相反，除大团聚体（＞2.000 mm）外，其他小组分基本呈现无明显化或显著增加的趋势（P ＜ 0.05），跟据 Wright 等[27]和邓万刚等[28]的研究结果，这主要是因为粒级较大的团聚体容易受到人为耕作破坏形成较小的团聚体，从而导致中团聚体组分（0.250～2.000 mm）和微团聚体组分（0.053～0.250 mm）在湿地长期开垦后含量有所上升.众多研究结果表明，受土壤、农机具和人为活动影响最大的是粒级较大团聚体，且使其在一定程度上向较小的团聚体转化[29]，而长期退耕恢复增强了耕层土壤的团聚作用，有利于水稳性大团聚体（＞0.250 mm）的形成，使土壤结构得到改善[30].

3.2 湿地开垦对土壤团聚体有机碳的影响

本研究结果显示，与湿地相比，表层和亚表层的农田土壤各粒级组分中有机碳含量几乎都出现了不同程度的下降（图2），全土分别下降68.2%和37.4%，差异性显著（P ＜ 0.05），与三江平原沼泽湿地[16，31]、皖江自然湿地[32]和洞庭湖区[33]等诸多湿地开垦为农田后有机碳含量下降的研究结果一致.这主要是因为湿地开垦为农田后，植物残体的输入大大减少，农耕活动改变了土壤水、热的通气状况[34]，更多的有机碳暴露在空气中，同时微生物分解活跃使得有机碳浓度降低[35]，促进了有机碳的矿化，尤其是表层土壤受影响较大[31].相比于其他组分，中团聚体组分（0.250～2.000 mm）中有机碳含量下降得最多，表层土壤和亚表层土壤中分别下降了64.3%和67.3%，这与陈志杰等[10]的研究结果一致，说明土壤中团聚体对土地利用变化响应最敏感[7]，其次是微团聚体组分（0.053～0.250 mm），下降幅度分别高达62.26%和40.61%，这主要是由于未受到人为耕作影响的湿地土壤能够包裹较多的有机碳[27].湿地表层和亚表层土壤中，大团聚体（＞2.000 mm）和中团聚体的有机碳含量显著高于微团聚体和矿质颗粒组分（＜0.053 mm），一般认为，大团聚体内有机碳含量高于微团聚体，有机碳含量随团聚体粒径增大而增加[8-9]，保存于大团聚体中的碳具有较低的分解速率和更长的周转周期，因此大团聚体含量越高，土壤结构越稳定，保护碳的功能越好[36].也有观点认为土壤团聚体粒径越小，有机碳含量越高[37]，但大团聚体有机碳含量一般高于全土的有机碳含量，表明大团聚体对有机碳具有一定的富集作用[38-39].长期开垦后，大团聚体遭到农业活动的破坏，有机碳含量显著下降，各类退耕恢复研究表明植被恢复增加了大团聚体中有机碳的比例[40]，大团聚体中有机碳的恢复速度及其含量高于其他组分的[41]，作为有机碳的重要储存载体，大团聚体对恢复碳库和减缓温室效应具有重大意义.长期开垦后，各粒级组分有机碳的含量显著降低，湿地的固碳能力大幅降低，由此也可以看出，湿地开垦等土地利用变化能够直接影响陆地生态系统的碳循环过程.

3.3 湿地开垦对土壤团聚体无机碳的影响

农田土壤中SIC 主要是开垦湿地土壤的遗留，少量由有机碳矿化而成，其输出途径为植物根系的吸收和侵蚀损失[16]. 本研究显示，湿地经过数10 年的开垦后，土壤SIC 含量显著增加，尤其是在亚表层土壤（15～30 cm）中全土SIC 含量显著增加，增幅高达137.4%（P ＜0.05），此结果与牛子儒等[42]在新疆三工河流域的结果相似，却与江长胜等[16]在三江平原的研究不同.这主要由农田灌溉引起，本研究区域盐渍化程度较高，降水较少，农业用水主要来源于河水和地下水，含有较多的 Ca2+、Mg2+、Na+、SO42-和 HCO3-[43]，会向土壤提供更多的钙镁离子，有利于碳酸钙的形成，促进了SIC 含量的增加[44-45].表层土壤中，水通量大、土壤呼吸产生CO2的速率高以及pH 较低加速了土壤碳酸盐的溶解，使其跟随水分下渗到温度较低的亚表层土壤.在最大生物活性区下面，由于CO2更低和pH 更高，来自溶液的离子再结合形成土壤发生性碳酸盐[46]，这样的垂直迁移使得本文中亚表层农田土壤（15～30 cm）的SIC 含量高于表层土壤（0～15 cm）（图 4）.

长期开垦尽管使全土无机碳含量呈现显著增加的情况，但各粒径土壤组分中的SIC 变化不一.由图5可知，上层和亚表层土壤中大团聚体组分的无机碳含量占比均呈现下降的情况（-84.3%和-50.8%）且显著低于其他组分，这一方面是由于农业活动减少和有机碳输入少，大团聚体组分本身的质量占比已显著降低，且SOC 含量较多，导致SIC 含量不高.另一方面大团聚体组分稳定性不如微团聚体，水分一来不易在其中保存，二来灌溉后离子水化作用、土粒内空气压力、膨胀作用以及胶结物在水中的溶解性容易导致团聚体的破裂[18].

3.4 湿地开垦对土壤团聚体总碳的影响

长期开垦后，农田土壤TC 含量下降了29.83%，这与张金波等[47]和江长胜等[16]的研究结果相似，其中张金波等发现三江平原湿地开垦为农田后TC 含量下降81%，而江长胜等[16]指出小叶章草甸湿地开垦为农田后TC 下降73%.但本研究结果远低于他们的损失量，这是因为湿地开垦虽然大大减少了土壤有机碳的含量，但本研究区域属于盐渍化湿地，结合图4 和图5可知，河水和地下水的灌溉以及施肥等农业处理显著增加了无机碳的含量，从而减缓或抑制了TC 的减少，弥补了一部分碳库的流失.这表明在转变土地利用方式的过程中，尤其是将湿地开垦为农田的过程中，不同的土壤类型质地以及自然的灌溉条件对无机碳含量的影响存在极显著性差异（P ＜0.01）[18]，选用合适的灌溉处理可以增加无机碳含量，减少土壤碳库的损失.

农田表层土壤（0～15 cm）中TC 含量显著降低了50.5%，而亚表层土壤中（15～30 cm）TC 含量增加了16.30%，其中亚表层土壤中微团聚体组分和矿质颗粒组分含量增加，可见二者是减缓碳库流失的重要贡献者.两层土壤中微团聚体组分总碳占全土的比重显著增加，高达35.0%和37.7%，接近中团聚体组分，而微团聚体组分的总碳含量对湿地开垦表现得更为敏感.大团聚体组分的TC 占比显著下降至最低，这主要是因为有机碳含量降低以及大团聚体减少.总碳占比的变化情况受团聚体分布的影响显著，与团聚体占比的变化呈现一致性.

4 结论

本研究以天津北大港盐渍化湿地和对应开垦农田为研究对象，利用湿筛法得到4 种不同粒径土壤团聚体组分，并对其总碳、有机碳和无机碳的含量进行测定和分析，得到以下结论：

（1）长期开垦后土壤稳定性遭到破坏，各粒径组分占比发生改变，受耕作农具以及团聚体形成机制的影响，基本呈现大粒径团聚体占比减少、小粒径团聚体占比增加的趋势，其中开垦对表层大团聚体（＞2.000 mm）影响最大.

（2）长期开垦使得湿地全土以及各粒径团聚体组分有机碳含量显著下降，大大降低了固碳能力和土壤肥力，改变了有机碳在土壤中的分配，表层土壤有机碳从大团聚体（＞2.000 mm）和中团聚体（0.250～2.000 mm）转移到粒径更小的2 个组分中. 中团聚体（0.250～2.000 mm）和微团聚体（0.053～0.250 mm）的SOC含量对开垦更加敏感.

（3）开垦显著增加了土壤无机碳含量（+68%），这在一定程度上减缓了碳库的流失；无机碳的增加可能来源于农业灌溉和施肥，因此今后在滨海盐渍化湿地地区应进一步关注无机碳的动态变化.