黃河三角洲濱海濕地土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程模擬研究?

羅先香， 張 賀， 賈紅麗， 鄭 浩， 樊玉清(中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

黃河三角洲濱海濕地土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程模擬研究?

羅先香， 張 賀， 賈紅麗， 鄭 浩， 樊玉清??
(中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

黃河三角洲；蘆葦濕地；有機(jī)碳礦化；多因素方差分析

濱海濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)渡帶，作為有機(jī)碳的儲(chǔ)存庫(kù)以及河流有機(jī)碳的重要來(lái)源，是聯(lián)系陸地和海洋全球碳循環(huán)的重要通道[1]，特別是具有較高的凈初級(jí)生產(chǎn)力和固碳能力的鹽沼濕地[2]在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色，同時(shí)，鹽沼濕地土壤有機(jī)碳含量的變化對(duì)全球碳循環(huán)影響顯著[3]。但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用方式改變和外來(lái)物種入侵等壓力下，世界范圍內(nèi)的濱海濕地正在消失和退化[4]。全球氣候變化以及人為干擾下濱海濕地土壤碳庫(kù)變化劇烈，濕地退化和圍墾導(dǎo)致土壤碳庫(kù)損失嚴(yán)重[5]，因此，加強(qiáng)濱海濕地的碳循環(huán)過(guò)程，特別是對(duì)濕地土壤碳儲(chǔ)存有重要影響的有機(jī)碳礦化過(guò)程的研究對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)及其動(dòng)態(tài)變化特征，對(duì)正確認(rèn)識(shí)濱海濕地在區(qū)域碳循環(huán)中的作用，開(kāi)展退化濕地的生態(tài)恢復(fù)重建技術(shù)有重要意義。土壤有機(jī)碳礦化是微生物利用和降解土壤有機(jī)質(zhì)的生物化學(xué)過(guò)程[6]，其礦化速率受溫度、濕度、有機(jī)碳含量及土壤理化性質(zhì)的影響[7]。有研究者已經(jīng)開(kāi)展了黃河三角洲濕地不同季節(jié)土壤CO2通量的野外原位觀測(cè)及影響因素研究，溫度是影響土壤呼吸CO2釋放通量的季節(jié)變化的主要因素[8-9]，相同季節(jié)影響濱海濕地土壤呼吸CO2釋放通量的主要因素有土壤有機(jī)碳含量、水分含量及鹽漬化程度[9-11]。野外原位測(cè)定能真實(shí)反映土壤碳通量的變化，但土壤呼吸通量受多種因素共同作用的影響，很難區(qū)分具體影響因素對(duì)碳礦化的影響機(jī)理。礦化過(guò)程模擬研究是在室內(nèi)條件下進(jìn)行的正交培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)控制某一變量，來(lái)探討對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的主控因子，填補(bǔ)了野外觀測(cè)的不足。本文以中國(guó)北方重要濱海濕地黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的自然濕地為例，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究了在不同水分、鹽漬化程度及有機(jī)碳含量條件下土壤有機(jī)碳的礦化過(guò)程及主控因素，以期為制定退化濱海濕地修復(fù)措施及提高濕地固碳能力提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

黃河三角洲濱海濕地地處渤海之濱，山東省東營(yíng)市境內(nèi)。室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)土壤樣品采自黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(37°49′N，118°59′E)，該自然保護(hù)區(qū)是近百年來(lái)黃河攜帶的大量泥沙形成的海相沉積平原，地勢(shì)平坦寬廣，土壤以潮土和鹽土為主，是中國(guó)最大的新生濕地生態(tài)系統(tǒng)。該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量?jī)H為蒸發(fā)量的三分之一，干旱化指數(shù)達(dá)3.56[12]，具有明顯干旱半干旱氣候特點(diǎn)。其成陸年代晚，潛水位高且礦化度大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，加上黃河淡水補(bǔ)給不足，海水入侵和潮汐作用等，導(dǎo)致黃河三角洲土壤鹽漬化日趨加劇，自然濕地萎縮和退化嚴(yán)重[12-14]。自然濕地土壤板結(jié)嚴(yán)重，有機(jī)碳、氮等營(yíng)養(yǎng)要素含量較低[15]。

2 材料和方法

2.1 土壤樣品的采集及測(cè)定

在黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)蘆葦濕地內(nèi)以梅花采樣法采集土壤樣品，在每個(gè)樣方采集表層(0～20 cm)土樣，混合后作為一個(gè)樣品。土壤樣品在12 h之內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后混勻去除植物根系及石塊碎屑。一份土壤樣品過(guò)2 mm篩儲(chǔ)存在4℃冰箱中供室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)使用，另一份樣品用于土壤基本理化參數(shù)的測(cè)定。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤田間持水量(WHC)，土壤粒度測(cè)定采用質(zhì)量-比重計(jì)法，土壤總有機(jī)碳(TOC)采用元素分析儀(flash 2000)進(jìn)行測(cè)定，土壤pH、電導(dǎo)率(EC1：5)、可溶性鹽(WS)、總氮(TN)、總磷(TP)采用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定[16]。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

2.2 室內(nèi)礦化模擬實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)探討了有機(jī)碳、含水率和鹽度3種關(guān)鍵要素對(duì)該區(qū)域土壤有機(jī)碳礦化的影響。通過(guò)添加蘆葦植物碎屑，模擬3種有機(jī)碳梯度(0.8、9.5和23 g·kg-1)，分別代表低、中、高有機(jī)碳含量的蘆葦濕地；通過(guò)添加從研究區(qū)土壤中提取的可溶鹽模擬中度鹽漬化、強(qiáng)度鹽漬化、低鹽土和高鹽土4種鹽漬化環(huán)境(3、6、10和14 g·kg-1)，培養(yǎng)過(guò)程中控制體系土壤含水率分別為土壤田間持水量的45%、75%、125%和250 %模擬濕地的干旱、無(wú)旱、半淹水和淹水環(huán)境。取相當(dāng)于30 g風(fēng)干樣品的土壤置于250 mL玻璃容器中，設(shè)置好梯度，在恒溫(25±0.5)℃條件下進(jìn)行為期70 d的土壤有機(jī)碳礦化模擬試驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，在1、2、3、4、5、6、8、10、12、15、18、23、35、50和70 d采用堿液吸收-鹽酸滴定的方法測(cè)定培養(yǎng)體系土壤CO2的釋放量。采用稱重法保持土壤水分含量。

培養(yǎng)過(guò)程中同時(shí)測(cè)定土壤溶解有機(jī)碳(DOC)和溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)。DOC采用K2SO4浸提TOC-VCPH分析儀測(cè)定，DIC采用無(wú)CO2蒸餾水浸提后TOC-VCPH分析儀測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 培養(yǎng)期間CO2的累計(jì)釋放量：

式中n為CO2釋放量測(cè)定次數(shù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析 采用Origin 8.0進(jìn)行繪圖，使用多因素方差分析研究不同梯度有機(jī)碳、含水率、鹽度及它們交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程影響差異。

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤累積礦化量和累積礦化率

圖1是不同處理?xiàng)l件下土壤累積礦化量隨時(shí)間的變化。土壤累積礦化量隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。培養(yǎng)前期(0～10 d)土壤累積礦化量約占整個(gè)培養(yǎng)周期總累積礦化量的50%左右(見(jiàn)圖1)。在4種鹽漬化條件下，土壤累積礦化量都表現(xiàn)為O3 >O2>O1，且不同有機(jī)碳含量處理之間土壤累積礦化量差異顯著(P<0.05)。當(dāng)土壤有機(jī)碳含量相同時(shí)，隨鹽漬化程度的增強(qiáng)，培養(yǎng)體系土壤累積礦化量呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明土壤鹽漬化程度越高越不利于土壤有機(jī)碳的礦化分解[17]。當(dāng)土壤有機(jī)碳含量和鹽漬化程度相同時(shí)，半淹水條件的M3處理組土壤礦化速率最大，干旱條件的M1處理的土壤礦化速率最小。土壤有機(jī)碳含量相同的處理，不同含水率和鹽度條件下土壤累積礦化量差異不顯著(P>0.05)。培養(yǎng)中期(11～35 d)土壤礦化速率明顯下降，前35天土壤累積礦化量約占整個(gè)培養(yǎng)周期(70 d)的85%(見(jiàn)圖1)，培養(yǎng)后期(36～70 d)，土壤礦化速率變化緩慢。在培養(yǎng)周期內(nèi)，中度鹽漬化處理組S1中土壤累計(jì)礦化量的變化范圍為11.91～ 805.71 mg·kg-1；強(qiáng)度鹽漬化處理組S2中土壤累積礦化量為7.15～721.87 mg·kg-1；低鹽土處理組S3中土壤累積礦化量為-4.37～687.99 mg·kg-1；高鹽土處理組S4中土壤累積礦化量為-2.88～673.46 mg·kg-1。4種鹽漬化處理組土壤累積礦化量的平均值分別為：374.81、312.28、292.87和267.42 mg·kg-1。不同鹽漬化條件下，土壤累積礦化量的最大值均出現(xiàn)在O3～M3處理組，最小值均出現(xiàn)在O1～M1處理組。

注：O1、O2和O3分別代表低、中和高有機(jī)碳含量處理；S1、S2、S3和S4分別代表中度鹽漬化、強(qiáng)度鹽漬化、低鹽土和高鹽土四種鹽漬化處理；M1、M2、M3和M4分別代表土壤干旱、無(wú)旱、半淹水和淹水處理。 O1, O2, and O3 represent low, medium and high organic carbon contents, respectively; S1, S2, S3 and S4 represent four kinds of salinization treatments: moderate salinization, intensive salinization, low salinity and high salinity; M1, M2, M3 and M4 represent soil drought, no drought, semi-flooded and flooded treatment, respectively.

O代表土壤有機(jī)碳含量；S代表鹽漬化等級(jí)；M代表含水率梯度。O：soil organic carbon content; S：salinity level; M： water content gradient.)

圖1 土壤有機(jī)碳累積礦化量

Fig.1 Acumulatived mineralization amount of soil organic carbon

土壤的累積礦化率(累積礦化量/總有機(jī)碳量×100%)用來(lái)表示土壤有機(jī)碳礦化分解作用消耗土壤中有機(jī)碳的比例[18]，能反映出微生物對(duì)有機(jī)碳的利用率[19]。圖2是不同處理情況下土壤累積礦化量(CO2-C)與累積礦化率(CO2-C/TOC)的對(duì)比，由圖可知，有機(jī)碳含量最高的O3處理組雖然累積礦化量最大，但與O1和O2處理組相比其累計(jì)礦化率并無(wú)顯著差異(P>0.05)，甚至小于一些有機(jī)碳含量最低的O1處理組。O1處理組中土壤處于半淹水M3、淹水M4和強(qiáng)度鹽漬化S2條件，其土壤累積礦化率遠(yuǎn)高于土壤有機(jī)碳含量高的各O3處理組。因此，濱海濕地土壤有機(jī)碳含量較低、鹽漬化程度較高的退化濕地土壤的CO2釋放問(wèn)題應(yīng)被關(guān)注。

(空心柱狀表示不同梯度土壤有機(jī)碳的累積礦化量，條紋柱狀表示不同梯度土壤的累積礦化率，O1、O2和O3分別代表低、中和高有機(jī)碳含量處理組。The hollow cylindrical represent different gradient the accumulation of soil organic carbon mineralization. The striped column represent different gradient cumulative mineralization rate of soil. O1, O2, O3 represent the low, medium, high organic carbon content in treatment group, respectivly.)

圖2 土壤有機(jī)碳累積礦化量及累積礦化率
Fig.2 Accumulation and amount of proportion of soil organic carbon cumulative mineralization

3.2 土壤有機(jī)碳礦化作用的多因素方差分析

多因素方差分析是利用數(shù)學(xué)模型的可分解性，從組內(nèi)(條件差異)和組間(隨機(jī)差異)的角度共同分析因素總變異，從而找到影響試驗(yàn)結(jié)果主要因素的一種數(shù)學(xué)分析方法[20]。本文應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中的多因素方差分析模塊，分析了土壤有機(jī)碳含量(O)、鹽漬化程度(S)、含水率(M)及其彼此之間的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響，分析結(jié)果如表3所示。在a=0.05檢驗(yàn)水平上，土壤有機(jī)碳(O)、鹽漬化程度(S)、含水率(M)的P值均小于0.05，表明這三種因素對(duì)土壤有機(jī)碳的礦化作用均有顯著影響。其中，有機(jī)碳是影響土壤有機(jī)碳礦化的最主要因素，其次為含水率，鹽漬化程度影響最小(OF>MF>SF)。含水率(M)與有機(jī)碳的交互作用、鹽漬化程度與有機(jī)碳的交互作用對(duì)土壤礦化作用的影響顯著(P<0.05)，而水分和鹽度的交互作用及三因素共同交互作用對(duì)土壤礦化作用的影響不顯著(P>0.10)。

土壤有機(jī)碳含量對(duì)礦化作用的影響遠(yuǎn)大于水分和鹽漬化程度的影響，因此，作者在相同有機(jī)碳梯度下分別討論了土壤含水率與鹽漬化程度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4和5。相同土壤有機(jī)碳含量條件下，干旱環(huán)境最不利于土壤有機(jī)碳的礦化，而半淹水環(huán)境(M3)的土壤累積礦化量最大，兩種水分條件下土壤累積礦化量差異顯著(見(jiàn)圖4)。半淹水環(huán)境有利于土壤中溶解有機(jī)碳的溶出，增加微生物的可利用碳源。同時(shí)，土壤復(fù)水作用在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)微生物產(chǎn)生“激發(fā)效應(yīng)”，加速土壤有機(jī)碳礦化作用。而且在鹽漬土壤中水分含量的增加在一定程度上能緩解鹽對(duì)微生物的抑制作用[22]。相同土壤有機(jī)碳含量條件下，土壤鹽漬化程度的差異對(duì)土壤累積礦化量的影響無(wú)顯著性差異(見(jiàn)圖5)，但土壤的累計(jì)礦化量和土壤溶液的電導(dǎo)率(EC1：5)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。這是因?yàn)樵邴}漬土壤中，鹽度對(duì)礦化作用的影響主要表現(xiàn)在土壤溶液中高鹽度產(chǎn)生的較低滲透勢(shì)對(duì)微生物數(shù)量和活性的抑制作用[23]，從而抑制了土壤有機(jī)碳的礦化作用。

箱形圖最下端和最上端的橫線分別表示累積礦化量的最小值和最大值，箱體的中間實(shí)線代表平均值。字母a1、b1、c1代表O1處理組，不同含水率(M)的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，字母完全不同表示有顯著差異；字母a2、b2、c2代表O2處理組，不同含水率(M)的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，字母完全不同表示有顯著差異；字母a3、b3、c3代表O3處理組，不同含水率(M)的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，字母完全不同表示有顯著差異。O1*、O2**和O3***表示土壤三種有機(jī)碳處理組之間的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，星號(hào)數(shù)不同表示有顯著差異。

箱形圖最下端和最上端的橫線分別表示累積礦化量的最小值和最大值，箱體的中間實(shí)線代表平均值。字母a1代表O1處理組，不同鹽漬化程度(S)的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，字母完全不同表示有顯著差異；字母a2代表O2處理組，不同鹽漬化程度(S)的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，字母完全不同表示有顯著差異；字母a3代表O3處理組，不同鹽漬化程度(S)的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，字母完全不同表示有顯著差異。O1*、O2**和O3***表示土壤三種有機(jī)碳處理組之間的土壤累積礦化量在0.05水平上的差異，星號(hào)數(shù)不同表示有顯著差異。

在室內(nèi)恒溫培養(yǎng)條件下，黃河三角洲濱海濕地土壤有機(jī)碳含量是影響土壤有機(jī)碳礦化的最主要因素，水分增加在一定程度上加速土壤有機(jī)碳的礦化，但完全淹水環(huán)境土壤有機(jī)碳的礦化作用受抑制，鹽漬化程度的提高會(huì)抑制土壤有機(jī)碳的礦化作用。因此，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，得到土壤有機(jī)碳、含水率和鹽漬化共同作用時(shí)，土壤累積礦化量(F)與三者之間的回歸方程：

F=26.56SOC-0.003 9M2+
1.41M-9.06S(P<0.001，R2=0.964)。

其中：F是土壤累積礦化量(mg·kg-1)；SOC為土壤有機(jī)碳含量(mg·kg-1)，M是土壤含水率(%WHC)，S是土壤鹽度。

4 結(jié)語(yǔ)

3種土壤有機(jī)碳、4種水分含量和4種鹽漬化程度處理的正交礦化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在培養(yǎng)的前10天和前35天土壤的累積礦化量分別占整個(gè)培養(yǎng)周期總累積礦化量的50%和85%，累積礦化量與時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

不同水分和鹽漬化處理組，土壤累積礦化量都表現(xiàn)為O3 >O2>O1，且不同有機(jī)碳含量處理之間土壤累積礦化量差異顯著(P<0.05)。半淹水環(huán)境條件下土壤礦化速率最大，干旱環(huán)境土壤礦化速率最小。土壤鹽漬化程度越高越不利于土壤有機(jī)碳的礦化分解，從低到高4種鹽漬化處理組土壤累積礦化量的平均值分別為：374.81、312.28、292.87和267.42 mg·kg-1。但強(qiáng)鹽漬化低有機(jī)碳的土壤在半淹水和淹水的環(huán)境下土壤的累積礦化率最高，因此，鹽漬化程度高有機(jī)碳含量低的退化濕地土壤碳的固持應(yīng)該引起足夠的重視。

多因素方差分析表明，在黃河三角洲濱海濕地土壤SOC是影響土壤有機(jī)碳礦化的最主要因素，其次為含水率，鹽漬化程度影響最小(OF> MF> SF)，含水率與有機(jī)碳的交互作用、鹽漬化程度與有機(jī)碳的交互作用對(duì)土壤礦化作用的影響顯著(P<0.05)。

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責(zé)任編輯 龐 旻

The Simulation Study of Soil Organic Carbon Mineralization in Yellow River Delta Wetlands, China

LUO Xian-Xiang， ZHANG He， JIA Hong-Li， ZHENG Hao， FAN Yu-Qing

(The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In this study, the reed wetlands in the Yellow River Delta selected as the study sites.The dynamic characteristics of soil organic carbon (SOC) mineralization were investigated through the laboratory simulation test, and the influencing factors (e.g., SOC content, soil moisture and salinity) for the SOC mineralization were also analyzed. The results showed that the cumulative SOC mineralization increased exponentially with the increasing incubation time, and the amount of mineralized SOC in the initial period (0～10 d) of incubation accounted for 50% of the total cumulative SOC mineralization. Afterwards, the SOC mineralization rate sharply declined in the middle incubation period (11～35 d). Till the 35 day, the cumulative SOC mineralization was about 85% of the total amount of SOC mineralization in the whole incubation. And the SOC mineralization rate presented a slow trend in the later period (36～70 d) of incubation. Multi-factor variance analyses indicated that the content of SOC was aprimary factorinfluencing SOC mineralization (F0.05=3711,P< 0.001), which was confirmed by the significant positive correlation between them (P< 0.05). Moreover, the soil moisture and salinity also obviously affected SOC mineralization (P< 0.001) and theF0.05value was 71.31 and 33.58, respectively.Above all, a soil C pool loss from SOC mineralization in the coastal wetlands should be paid more attention, especially in the degraded wetland soils with low organic carbon content and highly salt-affected degree.

Yellow River Delta; reed wetland; SOC mineralization; multi-factor variance analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41573089)；國(guó)家自然基金委-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406404)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (41573089 )；the National Natural Science Foundation of China-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers under contract (U1406404)

2016-12-10；

2017-01-15

羅先香(1972-)，女，博士，教授。E-mail:lxx81875@ouc.edu.cn

?? 通訊作者：E-mail:yuqing@ouc.edu.cn

X171

A

1672-5174(2017)06-001-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160406

羅先香，張賀，賈紅麗，等.黃河三角洲濱海濕地土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程模擬研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(6): 1-7.

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