簡(jiǎn) 興，翟曉鈺，王 喻，蔡陽陽

(1.安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 233030； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233030； 3.安徽科技學(xué)院 生命與健康科學(xué)學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫。雖然濕地只占地球陸地面積的5%～8%[1]，但其土壤中固存的碳卻占到全球土壤總碳庫的20%～30%[2]。濕地土壤碳對(duì)環(huán)境變化具有較高的敏感性，人類活動(dòng)的干擾是造成濕地土壤碳儲(chǔ)量降低的重要原因[3]。鑒于濕地生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的重要作用，人類活動(dòng)造成的土地利用變化如何影響濕地土壤碳的固存，現(xiàn)已成為全球氣候變化研究的熱點(diǎn)之一。作為土壤有機(jī)質(zhì)中移動(dòng)性最強(qiáng)的組分，土壤可溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)和生態(tài)系統(tǒng)間碳及相關(guān)養(yǎng)分的循環(huán)、分布有著重要的影響。已有的研究顯示，DOM既可成為大氣中CO2的源[4-5]，一定條件下也可以成為CO2的匯[6]。因此，有必要了解土地利用方式的改變對(duì)土壤DOM會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響。

土壤中DOM的量對(duì)土壤理化性質(zhì)具有重要作用[7]。可溶性有機(jī)碳(DOC)是DOM的主要組成成分，其含量通常被用來表征DOM的量。DOC是土壤碳較為活躍的組分之一，對(duì)碳、氮、磷元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程具有重要的影響，還是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳和養(yǎng)分向水生生態(tài)系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕问?。因此，了解土地利用改變后土壤DOC含量的變化，對(duì)于理解人類活動(dòng)對(duì)土壤固碳的影響和土壤養(yǎng)分的損失機(jī)制具有重要意義。

目前，關(guān)于濕地土壤DOC含量的研究主要集中在植物群落、環(huán)境因素、人為干擾等方面，研究區(qū)域主要集中在濱海、三江平原、西北干旱區(qū)，關(guān)于土地利用方式改變對(duì)濕地土壤DOC含量影響的研究還相對(duì)較少?；春恿饔蚴俏覈?guó)中東部重要的濕地分布區(qū)，同時(shí)也是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的區(qū)域，濕地受到的人為干擾在形式和強(qiáng)度上多樣且劇烈。目前，涉及淮河流域濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃笸寥繢OC變化的研究在檢索范圍內(nèi)尚未見報(bào)道。為此，本研究以淮河中游天然濕地和由濕地轉(zhuǎn)變而成的幾種典型土地利用類型為對(duì)象，采用空間替代時(shí)間的方法，研究土地利用方式改變對(duì)濕地土壤總有機(jī)碳(TOC)和DOC的影響，以期為揭示土地利用變化對(duì)濕地土壤碳庫的影響提供數(shù)據(jù)積累，同時(shí)也可為當(dāng)?shù)氐臐竦刭Y源保護(hù)與開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河是我國(guó)中東部地區(qū)的重要河流，其干流在安徽境內(nèi)全長(zhǎng)約420 km，流域面積6.69萬km2，占淮河流域面積的24.8%，占安徽省總面積的47.8%。淮河流域水系復(fù)雜，水體眾多，濕地類型豐富，特別是在淮河兩岸分布著數(shù)量眾多的天然與人工濕地，是安徽省，乃至華東地區(qū)重要的濕地分布區(qū)之一。選擇該區(qū)域較為典型的三汊河濕地作為研究區(qū)。三汊河濕地系國(guó)家濕地公園，地處蚌埠市淮上區(qū)曹老集鎮(zhèn)與梅橋鎮(zhèn)交界處(117°18′E，33°02′N)，南距淮河11 km，濕地南北長(zhǎng)7.0 km，東西寬0.2～2.0 km，面積約5.3 km2。濕地主要部分為老淝河故道，現(xiàn)與北淝河、清溝河和青二截水溝相通，屬河跡洼地型湖泊濕地。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年日照時(shí)長(zhǎng)2 168 h，年均降水量為900～1 000 mm，土壤類型為潮土。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)定

在研究區(qū)內(nèi)按典型性、代表性原則，確定5種土地利用類型：(1)天然蘆葦濕地(WL)，主要覆被植物為蘆葦(Phragmitesaustralis)，地塊未受到明顯的人為干擾；(2)3 a前由濕地轉(zhuǎn)變而成的新開墾耕地(CL1)，主要種植大豆(Glycinemax)、花生(Arachishypogaea)，地塊上筑圩排水，翻耕土壤，采用常規(guī)田間管理措施，施用少量化肥；(3)30 a前由濕地轉(zhuǎn)變而成的耕地(CL2)，主要種植小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)，種植制度為冬小麥、夏玉米兩熟制，管理措施包括灌溉、施肥、病蟲害防治、中耕除草；(4)30 a前由濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀? a前再由耕地轉(zhuǎn)變而成的果園(OL)，主要種植李(Prunussalicina)、桃(Amygdaluspersica)，管理措施包括土壤翻耕，除草，有機(jī)肥環(huán)施；(5)20 a前由濕地轉(zhuǎn)變而成的林地(FL)，主要栽植大葉楊(Populuslasiocarpa)，地塊內(nèi)無明顯人為干擾痕跡，林內(nèi)草本和灌木較少。各土地利用類型的土壤基本理化性質(zhì)見表1。

在每種土地利用類型的代表性地段內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3塊10 m×10 m的樣地，在每塊樣地內(nèi)采用5點(diǎn)取樣法，用直徑5 cm的不銹鋼土鉆分別采集0～10、10～20、20～30、30～50 cm深度的土壤樣品，每塊樣地同層土樣混合為一個(gè)樣本。樣品裝入自封袋，放入裝有冰塊的冷藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室，部分鮮土立即用于測(cè)定DOC含量，其余土樣自然風(fēng)干后用于測(cè)定TOC含量。

DOC的提取、測(cè)定：稱取10 g鮮土，裝入盛有50 mL去離子水的100 mL塑料離心管中，室溫下于往復(fù)式振蕩機(jī)上200 r·min-1振蕩浸提30 min，之后4 000 r·min-1離心10 min，過0.45 μm玻璃纖維濾膜。用總有機(jī)碳分析儀(島津TOC-LCPH)測(cè)定濾液中的碳含量。

TOC采用外加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 16.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析。對(duì)有顯著差異的處理，采用新復(fù)極差檢測(cè)(SSR)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤的TOC含量

WL 0～30 cm土層的TOC含量無顯著差異(圖1-A)，平均值為14.90 g·kg-1，顯著(P<0.05)高于30～50 cm土層的6.97 g·kg-1。CL2、OL、FL的TOC含量在0～10 cm土層最高，隨土層加深逐漸降低，10～20 cm土層的TOC含量較0～10 cm土層分別降低了61.7%、45.8%和39.0%，但20～30 cm與30～50 cm土層的TOC含量無顯著差異，表明上述3種土地利用類型的TOC含量在20 cm以下土層趨于穩(wěn)定。CL1的TOC含量在0～30 cm土層無顯著差異，平均值為5.57 g·kg-1，但在30～50 cm土層顯著(P<0.05)升高，達(dá)到13.51 g·kg-1。另外，CL1在0～10 cm土層的TOC含量顯著(P<0.05)低于其他土地利用類型。

對(duì)各土地利用類型相同土層的TOC含量進(jìn)行橫向比較(圖2-A)，圖中以WL為起點(diǎn)，向左為FL，表示濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?；向右為CL1、CL2和OL，表示土地利用方式依次轉(zhuǎn)變?yōu)樾麻_墾耕地、開墾30 a后的耕地，以及由耕地再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@。結(jié)果顯示，WL與CL2的0～10 cm土層TOC含量分別為16.99 g·kg-1和19.22 g·kg-1，無顯著差異，但顯著(P<0.05)高于OL的12.31 g·kg-1和FL的12.64 g·kg-1，CL1的0～10 cm土層TOC含量在幾種土地利用類型中最低，僅6.31 g·kg-1。在10～20 cm和20～30 cm土層中，WL的TOC含量分別為14.80 g·kg-1和12.93 g·kg-1，顯著(P<0.05)高于同一土層的其他土地利用類型。除WL外，其他土地利用類型的TOC含量在10～20 cm土層無顯著差異。20～30 cm土層中，F(xiàn)L的TOC含量顯著(P<0.05)高于CL2和OL。30～50 cm土層中，CL1的TOC含量顯著(P<0.05)高于其他土地利用類型，WL與FL的TOC含量無顯著差異，二者均顯著(P<0.05)高于CL2與OL。

表1 各土地利用類型的土壤基本性質(zhì)

Table1Basic soil properties of different land use types

土地利用類型Land usetype全氮Totalnitrogen/(g·kg-1)銨態(tài)氮Ammoniumnitrogen/(mg·kg-1)全磷Totalphosphorus/(g·kg-1)有效磷Availablephosphorus/(mg·kg-1)速效鉀Availablepotassium/(mg·kg-1)pH土壤容重Soil bulkdensity/(g·cm-3)土壤含水量Soilmoisturecontent/%WL3.5918.110.5514.95195.616.800.66112.91CL11.227.910.4919.94162.727.831.0512.32CL21.6210.630.6418.01142.347.550.9728.06OL1.438.930.5820.2090.307.671.205.03FL1.047.550.285.67119.268.061.2112.47

圖1 不同土地利用類型土壤TOC、DOC含量及DOC分配比例的垂直分布Fig.1 Vertical distribution of TOC， DOC content and DOC/TOC in soils of different land use types

圖2 濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃骉OC、DOC含量及DOC分配比例的變化Fig.2 Changes of TOC， DOC content and DOC/TOC after wetland conversion to other land use types

2.2 不同土地利用類型的DOC含量與DOC分配比例

各土地利用類型的DOC含量見圖1-B。WL、CL1與FL的DOC含量在土壤垂直剖面上差異不顯著。CL2的0～10 cm土層DOC含量為84.78 mg·kg-1，顯著(P<0.05)高于下層土壤，10 cm以下各土層的DOC含量差異不顯著。OL的0～10 cm與10～20 cm土層DOC含量無顯著差異，但顯著(P<0.05)高于下層土壤，20～30 cm和30～50 cm土層的DOC含量差異不顯著。

對(duì)不同土地利用類型同層土壤的DOC含量進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2-B。WL各土層的DOC含量均顯著(P<0.05)高于其他土地利用類型同層土壤。CL2的0～10 cm土層DOC含量顯著(P<0.05)高于OL、FL和CL1，OL與FL差異不顯著，但均顯著(P<0.05)高于CL1。10～20 cm土層，CL2、OL與FL的DOC含量無顯著差異，但均顯著(P<0.05)高于CL1。20～30 cm和30～50 cm土層中，CL2與FL的DOC含量無顯著差異，但均顯著(P<0.05)高于OL和CL1。CL1的DOC含量顯著(P<0.05)低于同土層的其他土地利用類型。

有研究表明，土壤TOC是影響DOC含量的一個(gè)決定因素[9]，二者之間存在顯著的相關(guān)性[10]。本研究也顯示(圖3)，TOC與DOC之間存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)。為消除TOC總量差異對(duì)研究結(jié)果的影響，有學(xué)者提出，利用有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳的比值(TOC/DOC)，即DOC分配比例，來反映有機(jī)碳組分的相對(duì)數(shù)量更為合適[11]。

本研究顯示，在垂直方向上，除CL1外，其他土地利用類型的DOC分配比例均表現(xiàn)為隨土層深度增加逐步升高的趨勢(shì)(圖1-C)。DOC分配比例橫向比較(圖2-C)顯示，0～10 cm和10～20 cm土層的DOC分配比例在各土地利用類型相同土層間差異不顯著。20～30 cm土層中，除CL1外，其余土地利用類型的DOC分配比例差異不顯著，CL1的DOC分配比例顯著(P<0.05)低于其他土地利用類型。30～50 cm土層中，CL2的DOC分配比例顯著(P<0.05)高于其他土地利用類型，WL、OL、FL的DOC分配比例無顯著差異，CL1的DOC分配比例最低。從以上結(jié)果可以看出，0～20 cm的上層土壤DOC分配比例與土地利用方式無密切聯(lián)系。隨著土層深度增加，DOC分配比例在各土地利用類型中出現(xiàn)了分異。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗冢?0 cm以下的2個(gè)土層的DOC分配比例急劇下降，平均值從1.47%降至0.20%；耕作30 a的耕地20 cm以下2個(gè)土層的DOC分配比例升至1.43%和2.49%，其中，20～30 cm土層的DOC分配比例與同層次的濕地相當(dāng)，30～50 cm土層，耕作30 a的耕地DOC分配比例顯著(P<0.05)高于濕地。耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@3 a后，0～30 cm的3個(gè)土層DOC分配比例未出現(xiàn)顯著差異，但30～50 cm土層果園卻顯著(P<0.05)低于耕地。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾?，各土層DOC分配比例未表現(xiàn)出顯著差異。

圖3 TOC與DOC的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between TOC and DOC

3 結(jié)論與討論

3.1 土地利用變化對(duì)濕地土壤有機(jī)碳的影響

本研究顯示，研究區(qū)濕地土壤剖面上，TOC的分布在0～30 cm土層呈聚集狀態(tài)，30 cm以下土層TOC含量顯著降低。這與前人的相關(guān)研究結(jié)論一致[12-13]。研究區(qū)濕地受人為干擾較少，植物凋落物得以大部分歸還土壤，使得土壤有機(jī)碳得到累積，含量較高。除此之外，植物根系代謝產(chǎn)物和根系殘?bào)w也是TOC的重要來源[14-16]。研究區(qū)濕地主要植物為蘆葦。已有研究表明，蘆葦根系的生物量在0～30 cm土層最大[17]。因此，地上蘆葦殘?bào)w和地下蘆葦根系殘?bào)w及其分泌物是導(dǎo)致濕地土壤TOC在0～30 cm土層積聚的重要原因。

圍墾是濕地受到人為干擾的主要形式之一。本研究顯示，濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾? a，TOC顯著降低，其中，0～30 cm的3層土壤分別降低了62.84%、66.58%和57.87%，平均降幅為62.43%。這與前人得出的墾殖措施會(huì)在短期內(nèi)迅速降低土壤TOC含量的結(jié)論一致[18]。TOC含量的下降與圍墾打破濕地土壤原有的碳循環(huán)平衡過程有密切關(guān)系。一方面，植被被鏟除，使得碳輸入土壤的途徑被切斷。另一方面，濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r(shí)，首先通過人工壘壩筑圩的方式切斷水的供給，造成土壤水分和質(zhì)地的變化，之后耕作措施使得土壤水熱條件改變，增強(qiáng)了土壤呼吸，從而導(dǎo)致碳的輸出增加[19]。因此，圍墾后土壤碳輸入減少、輸出增加，不利于碳的固存。但也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著開墾年限延長(zhǎng)，耕地會(huì)因?yàn)槿藶橛袡C(jī)肥源的輸入，TOC呈逐步升高的趨勢(shì)[20]。Iost等[21]的研究表明，圍墾形成的耕地在經(jīng)過20 a的耕作之后，TOC會(huì)開始出現(xiàn)明顯的積累。蔡家艷等[22]的研究表明，圍墾形成的耕地TOC的積累甚至?xí)^某些未開墾的湖灘地。本研究中，濕地土壤經(jīng)過30 a的開墾后，土壤0～10 cm表層TOC恢復(fù)到與濕地相同的水平，可能就是這個(gè)原因。至于由濕地新開墾而成的耕地，其30～50 cm土層TOC含量陡增，顯著高于30 cm以上土層，同時(shí)也顯著高于同層的濕地土壤，可能是因?yàn)閲鷫ㄔ斐稍瓉頋竦厮謫适Ш螅寥喇a(chǎn)生板結(jié)，采取的翻耕等措施擾亂了原有土層結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的結(jié)果。在土壤樣品采集時(shí)也發(fā)現(xiàn)，新生耕地下層土壤與濕地上層土壤具有較為相似的表觀特征。

由于果樹帶來的經(jīng)濟(jì)效益要高于農(nóng)作物，因此，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@近年來在一些地方比較普遍。本研究發(fā)現(xiàn)，濕地圍墾形成的耕地在經(jīng)過接近30 a的開墾再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后3 a，TOC降低主要發(fā)生在0～10 cm的土層，TOC下降35.98%。由于農(nóng)田與果園耕作措施存在差異，因此耕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后TOC常會(huì)呈下降趨勢(shì)[23]。本研究中耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@的時(shí)間尚短，隨著時(shí)間的推移，果園土壤TOC含量是否會(huì)在下層土壤降低，還需進(jìn)一步研究。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾螅?～30 cm土層的TOC含量下降顯著，但30 cm以下土層TOC含量與濕地相當(dāng)。0～50 cm土層中，土壤TOC平均含量林地僅次于濕地。這與關(guān)于濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃?，林地較其他土地利用類型有更強(qiáng)的碳截存能力的研究結(jié)論一致[24]。林地相對(duì)于其他土地利用類型土壤TOC含量較高的原因可能與樹木枝葉凋落物和根系代謝物、凋落物返還土壤有一定關(guān)系。

3.2 土地利用變化對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳含量的影響

本研究顯示，濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗冢珼OC含量下降幅度較大，各土層降幅達(dá)79.14%～88.15%。土壤DOC的主要來源是植物凋落物[25]。在水的浸泡下，地表凋落物層中有大量的DOC被淋溶釋放[26]；因此，豐富的植物殘?bào)w和充足的水分條件是濕地較其他土地利用類型擁有較高的DOC含量的主要原因。本研究顯示，濕地各土層土壤DOC含量均顯著高于其他土地利用類型的同層土壤。這與前人關(guān)于持續(xù)的水分飽和條件下土壤具有較高可溶性有機(jī)碳含量的結(jié)論一致[27]。當(dāng)濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋秃?，上述?個(gè)條件喪失，從而造成土壤DOC含量急劇下降。相比較而言，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@初期，各土層DOC的降幅為11.31%～48.19%，要小于濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗?。這可能是因?yàn)橄鄬?duì)于濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后，地表凋落物和土壤水分的變化幅度不大。

一般情況下，DOC含量隨著土層深度增加會(huì)逐漸降低[28]。但孔范龍等[29]認(rèn)為，DOC含量隨著土層深度增加而不斷減小，主要原因是隨著土壤深度增加，土壤總有機(jī)碳逐漸降低。鑒于DOC與TOC之間這種極顯著的相關(guān)性，研究中常用DOC分配比例表征DOC的實(shí)際變化情況。本研究結(jié)果顯示，DOC分配比例在除新生耕地外的幾種土地利用類型中均表現(xiàn)為隨土層增加逐漸遞增的趨勢(shì)，與楊繼松等[30]在三江平原小葉章濕地中的研究結(jié)論一致。這可能與下層土壤對(duì)DOC有較強(qiáng)的吸附能力有關(guān)[31]。本研究顯示，5種土地利用類型0～20 cm土層的DOC分配比例無顯著差異，說明土地利用方式的改變未引起土壤上層DOC分配比例的變化，這與Sun等[32]的研究結(jié)論一致。另外，一些學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型之間DOC分配比例無顯著差異[33-34]。但至于是何因素導(dǎo)致這一現(xiàn)象，還有待進(jìn)一步研究。

3.3 結(jié)論

(1)濕地開墾為耕地初期，TOC含量在0～30 cm土層顯著下降，經(jīng)過30 a的墾殖，TOC在0～10 cm土壤表層得到積累。TOC的損失與積累2個(gè)過程在時(shí)間和空間上存在不對(duì)等性，碳損失發(fā)生在短時(shí)間內(nèi)，且主要發(fā)生在0～30 cm土層，而碳的積累所需時(shí)間較長(zhǎng)，且主要發(fā)生在0～10 cm的表層。由濕地轉(zhuǎn)變而來的耕地再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@的初期，土壤有機(jī)碳含量下降主要發(fā)生在0～10 cm土層。濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾?0 a，0～50 cm土層中，林地土壤有機(jī)碳含量?jī)H次于濕地。

(2)濕地、由濕地轉(zhuǎn)變而成的新生耕地、林地DOC含量在土壤剖面上未表現(xiàn)出隨土層增加而變化的趨勢(shì)。DOC分配比例在除新生耕地外的4種土地利用類型中均表現(xiàn)為隨土層增加而逐漸升高，說明DOC分配比例較DOC含量對(duì)土層深度的變化更敏感，更適于表征DOC在土壤剖面方向上的變化。

(3)0～20 cm土壤DOC分配比例與土地利用方式無關(guān)。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)楦爻跗冢?0 cm以下土層DOC分配比例下降，耕作30 a后顯著升高。耕地再轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@的3 a后，DOC分配比例在30～50 cm土層顯著降低。濕地在轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾?，各土層DOC分配比例未表現(xiàn)出顯著差異。