凍融作用對小興安嶺典型濕地土壤活性有機碳的影響

趙光影,郭冬楠,江 姍,邵宗仁

黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室,哈爾濱師范大學, 哈爾濱 150025

凍融作用對小興安嶺典型濕地土壤活性有機碳的影響

趙光影*,郭冬楠,江 姍,邵宗仁

黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室,哈爾濱師范大學, 哈爾濱 150025

以小興安嶺天然興安落葉松沼澤濕地以及2003年、1992年、1985年開始進行排水的興安落葉松人工林濕地為對象,研究凍融作用對不同類型濕地土壤活性有機碳的影響。結(jié)果表明：4種濕地土壤有機碳(SOC)含量差異顯著(P<0.05),但隨著凍融次數(shù)的增加,土壤SOC含量基本不變。經(jīng)歷1,2,4,9次凍融循環(huán)后,-5—5 ℃凍融處理下,其含量比凍融前僅分別變化1.64%,9.68%,2.32%,2.17%,-25—5 ℃凍融處理下,分別變化2.55%,6.45%,3.00%,2.36%,表明短期的凍融交替對土壤SOC總量變化的影響不大。凍融前后,4種濕地土壤輕組有機碳(LFOC)占SOC的比重變化不明顯(P>0.05),但隨著凍融次數(shù)的增加,土壤LFOC含量先減少后增加,且9次凍融后略高于對照。1次凍融后,土壤DOC含量達到最大值,-5—5 ℃凍融處理下,分別為323.45,278.21,235.68,180.53 mg/kg,-25—5 ℃凍融處理下,分別為314.75,256.93,238.25,204.44 mg/kg。此外,土壤微生物量碳(MBC)占SOC比重在凍融前后變化也不明顯(P>0.05),但總體上排水造林時間越長,土壤MBC占SOC比重變化越明顯。

凍融循環(huán)；小興安嶺濕地；排水造林；有機碳

Abstract： We investigated the effect of freezing and thawing on soil active organic carbon by collecting soil from naturalLarixgmelinii-sedge wetlands in the Xiaoxing′an Mountains andLarixgmeliniiwetlands after drainage afforestation in 2003, 1992, and 1985. The results indicated that there were significant differences in four kinds of soil organic carbon (SOC) content (P< 0.05), but with increased freezing and thawing times, the SOC content was basically unchanged. After 1, 2, 4, and 9 freeze-thaw cycles, the SOC content change was 1.64%, 9.68%, 2.32%, and 2.17%, respectively, under a -5—5℃ freeze-thaw treatment. But the chang was 2.55%, 6.45%, 3.00%, and 2.36%, respectively under a -25—5℃ freeze-thaw treatment, which indicated that the effect of the freeze-thaw action on SOC in soil was not obvious in the short term. Before and after freezing and thawing, the change in LFOC/SOC in four kinds of wetland soil was not obvious (P> 0.05), but with the increase in the number of freezing and thawing cycles, LFOC content declined at first and then increased, and the content was slightly higher than that in the control group after nine freeze-thaw cycles. DOC peaked after one freeze-thaw cycle, and the DOC content was 323.45, 278.21, 235.68, and 180.53 mg/kg, respectively, under a -5—5℃ freeze-thaw treatment. They were 314.75, 256.93, 238.25, and 204.44 mg/kg, respectively, under a -25—5℃ freeze-thaw treatment. In addition, the MBC/SOC change in the soil was not observed significantly before and after freezing and thawing (P> 0.05), but overall, the increase in drainage afforestation time increased the differences in MBC/SOC.

KeyWords: freeze-thaw cycle; Xiaoxing′an Mountain wetlands；drainage afforestation; soil organic carbon

土壤活性有機碳是周轉(zhuǎn)迅速、易被微生物降解的那部分有機碳[1],是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的成員,也是土壤有機質(zhì)的活性部分,對土壤環(huán)境因子的變化極為敏感,土壤的微小變動均會引起其含量的變化,具有移動快、穩(wěn)定性差、易氧化、易礦化的特點。雖然它只占土壤有機碳總量的較小部分,但由于它可以在土壤全碳變化之前反映土壤微小變化,又直接參與土壤生物化學轉(zhuǎn)化過程[2]。在全球變暖的大背景下,凍融作用通過影響土壤的物理、化學性質(zhì)及生物學性狀進而對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程產(chǎn)生深刻影響[3],使得土壤碳庫中碳素加速流失和分解[4],因而探討凍融結(jié)構(gòu)及凍融頻次的變化對土壤活性有機碳的影響,對進一步研究土壤碳庫平衡和土壤化學、生物化學肥力保持具有重要意義。

目前,國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些研究,大多集中在土壤活性有機碳的分布[5]、組分特征[6]以及不同土地利用方式的影響[7]等方面,但對于普遍存在于中、高緯度及高海拔地區(qū)的凍融作用[8]對其的影響研究較少,尤其是針對排水造林后的濕地研究更是罕有。排水造林作為濕地受到的重要人工干擾類型之一,很多國家都通過此途徑對濕地進行改造,但天然原有濕地景觀遭到破壞后,濕地土壤養(yǎng)分、通透性、呼吸速率、凋落物數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生明顯變化[9],從而導致排水造林后土壤活性有機碳受到顯著影響。其中,我國東北林區(qū)形成的濕地落葉松人工林面積就高達數(shù)十萬平方公頃。因此,本文選擇具有代表性的小興安嶺天然的落葉松苔草沼澤濕地、不同年代排水造林時間的人工落葉松沼澤濕地為研究對象,著重探討了凍融次數(shù)和凍融溫度對小興安嶺森林沼澤濕地土壤活性有機碳影響的變化趨勢,為進一步科學評估森林沼澤濕地的固碳潛力和調(diào)控機理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于小興安嶺中段,黑龍江省東北部伊春市友好林業(yè)局永青林場,處于47°45′56″—48°33′25″N,128°7′34″—128°59′53″E,平均海拔在260—500 m之間,屬于北溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫為0.4℃,積溫達1900—2000℃,年平均降水量為630 mm,多集中在夏季6—8月份,無霜期約100 d,春季大風干旱,夏季溫濕多雨,秋季多風干燥,冬季寒冷漫長。小興安嶺地帶性土壤為暗棕壤、沼澤土、草甸土和泥炭土。主要沼澤類型在本區(qū)都有分布,主要為森林沼澤、灌叢沼澤、苔草沼澤等。20世紀70年代開始,為獲得更多木材產(chǎn)量,小興安嶺林區(qū)對部分天然沼澤濕地進行人工造林,形成了具有年代差異的落葉松排水沼澤。落葉松排水沼澤排水前為苔草沼澤或灌叢沼澤,挖溝翻扣表層土壤至兩側(cè)形成壟臺,種植落葉松形成。

1.2 樣品的采集和處理

在研究區(qū)域內(nèi)選擇4塊樣地,分別是天然興安落葉松沼澤濕地以及2003年、1992年、1985年開始進行排水的興安落葉松人工林作為樣地,標記為XATC、PS03、PS92、PS85。采集的新鮮土樣帶回室內(nèi),除去動植物殘體、石塊等雜物。將樣品在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d后,分為2組,分別在-5—5 ℃和-25—5 ℃兩個梯度下進行凍融循環(huán)處理,即將樣品在- 5/- 25 ℃下凍結(jié)24 h,然后在5 ℃下融化24 h,此為1次凍融循環(huán)[10]。兩組樣品分別經(jīng)歷0,1,2,4,9次凍融循環(huán)后取出,進行室內(nèi)模擬實驗,分析土壤樣品中SOC、LFOC、DOC、MBC含量。每個采樣點每個處理設(shè)置3個重復,供試土壤理化性質(zhì)見表1。

2.3 樣品分析方法

有機碳：經(jīng)凍融處理后,風干磨細,稱取0.1 g干土,加入2 mol/L鹽酸浸沒,應(yīng)用Multi N/C 2100 TOC儀(德國耶拿)高溫燃燒法測定土壤SOC含量。溶解性有機碳:稱取10g新鮮土壤放入盛有50 mL 蒸餾水的三角瓶中,常溫下振蕩浸提30 min, 用高速離心機離心,上清液過0.45 μm 濾膜,采用MultiN/C 2100 TOC 儀(德國耶拿)測定。輕組有機碳：取風干過2 mm 篩土壤 5—10 g放入離心管中,加入1.7 g/cm3的 NaI 溶液,手動震蕩 3 min,超聲波震蕩10 min,后用玻璃棒攪勻,在4200 r/min下離心 10 min。以虹吸法將懸浮物導入燒杯,再重復加重液,超聲波振蕩,離心,重復3次,所得樣品用150ml 0.01 mol/L CaCl2溶液洗滌,再用200 mL蒸餾水反復沖洗,得到輕組有機碳。然后在 60℃ 下烘干24 h稱重。取烘干好的輕組與重組分別過100目,并用 Multi N/C 2100 TOC 儀(德國耶拿)高溫燃燒法分別測定其有機碳含量,即為輕組有機碳。微生物量碳、氮：采用改進的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定。取5 g土壤樣品用三氯甲烷熏蒸24 h,用0.5 mol/L的K2SO4浸提熏蒸和未熏蒸的樣品約30 min,應(yīng)用MultiN/C 2100 TOC 儀(德國耶拿)測定浸提液總有機碳濃度。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

興安落葉松苔草濕地(XATC)Larix gmelinii-sedge wetland;2003年排水造林濕地(PS03) Drainage afforestation wetland in 2003;1992年排水造林濕地(PS92) Drainage afforestation wetland in 1992;1985年排水造林濕地(PS85) Drainage afforestation wetland in 1985

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機碳含量的變化特征

未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地、2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05)。凍融前,4種類型濕地土壤有機碳含量分別為149.07,85.39,48.78,36.94g/kg,表現(xiàn)為未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地土壤SOC含量明顯高于排水造林后人工濕地,且排水時間越長,其含量越少。但方差分析表明,不同凍融溫度和凍融次數(shù)下森林沼澤濕地土壤SOC含量差異均不顯著(P>0.05)。隨著凍融次數(shù)的增加,土壤SOC含量基本不變。經(jīng)歷1,2,4,9次凍融循環(huán)后,-5—5 ℃凍融處理下,其含量比凍融前僅變化為1.64%,9.68%,2.32%,2.17%,-25—5 ℃凍融處理下,分別為2.55%,6.45%,3.00%,2.36%,表明短期的凍融交替對土壤SOC總量變化的影響不大(圖1)。

圖1 -5—5℃和-25—5℃處理下不同凍融次數(shù)的土壤有機碳含量變化Fig.1 Changes of SOC content under different freezing and thawing times in -5—5℃ and -25—5℃

3.2 土壤輕組有機碳含量的變化特征

土壤輕組有機碳是一種物理未絡(luò)合有機碳,凍融前后,未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地、2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地土壤LFOC占SOC的比重變化不明顯(P>0.05),但總體上土壤LFOC表現(xiàn)為XATC>>PS03>PS92>PS85,表現(xiàn)為未排水濕地LFOC含量明顯高于排水造林后人工濕地(圖2)。經(jīng)歷1,2,4,9次凍融循環(huán)后,-5—5℃凍融處理下,4種濕地土壤LFOC占SOC的比重平均為23.93%,24.16%,25.98%,24.72%,-25—5 ℃凍融處理下,分別為26.42%,25.77%,23.12%,24.47%。總體上,隨著凍融次數(shù)的增加,土壤LFOC含量先減少后增加,且9次凍融后略高于凍融前,-5—5 ℃凍融處理下,其含量分別增加3.81%,1.71%,7.25%,1.70%,-25—5 ℃凍融處理下,分別增加4.78%,2.68%,7.19%,10.87%。但經(jīng)方差分析顯示,凍融次數(shù)對土壤LFOC含量影響不顯著(P>0.05),凍融溫度對土壤LFOC含量影響也不顯著。

圖2 -5—5℃和-25—5℃處理下不同凍融次數(shù)的土壤輕組有機碳含量變化Fig.2 Changes of LFOC content under different freezing and thawing times in -5—5℃ and -25—5℃

3.3 土壤溶解性有機碳含量的變化特征

圖3 -5—5℃和-25—5℃處理下不同凍融次數(shù)的土壤輕組有機碳含量變化Fig.3 Changes of DOC content under different freezing and thawing times in -5—5℃ and -25—5℃

凍融循環(huán)作用對土壤DOC含量影響顯著(P<0.05)。隨著凍融次數(shù)的增加,土壤DOC含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。無論是-5—5 ℃還是-25—5 ℃凍融處理,未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地、2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地4種土壤類型的DOC含量均差異顯著(P<0.05),其中排水濕地DOC含量明顯低于未排水造林天然濕地,且1次凍融循環(huán)后出現(xiàn)最大值(圖3)。-5—5 ℃凍融處理下,其含量比凍融前分別增加33.49%,28.13%,34.94%,28.49%,而-25—5 ℃凍融處理下分別增加51.17%,29.53%,24.61%,25.03%。但2次凍融循環(huán)后,土壤DOC含量開始下降,并隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸減少。9次凍融循環(huán)后,-5—5 ℃凍融處理的土壤DOC含量比凍融前僅提高10.46%,6.40%,6.92%,4.70%,而-25—5 ℃凍融處理僅提高5.55%,5.34%,10.25%,7.46%,表明凍融作用對土壤DOC含量的短期效應(yīng)明顯,而多次凍融處理后土壤DOC含量增加并不明顯,其中,-25—5 ℃比-5—5 ℃凍融處理的土壤DOC含量變化幅度略大一些。

3.4 土壤微生物量碳含量的變化特征

凍融作用對不同年代排水造林沼澤濕地土壤微生物碳含量變化的影響較大(P<0.05)。經(jīng)歷1,2,4,9次凍融循環(huán)后,-5—5 ℃凍融處理下,2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地土壤MBC平均含量比未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地分別低17.22%,20.39%,42.08%,而-25—5 ℃凍融處理下,分別低26.45%,24.64%,38.22%。隨著凍融次數(shù)的增加,其含量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,且1次或2次凍融循環(huán)后出現(xiàn)最大值。凍融前,4種人工濕地土壤MBC占SOC比重分別為5.42‰,7.83‰,12.30‰,11.72‰,9次凍融后,-5—5 ℃凍融處理下,其比重分別為4.51‰,6.48‰,9.57‰,11.39‰,-25—5 ℃凍融處理下,分別為4.19‰,5.38‰,8.95‰,12.65‰(圖4)。凍融前后,土壤MBC占SOC比重變化不明顯,但總體上排水造林時間越長,土壤MBC占SOC比重變化越明顯,方差分析顯示,凍融溫度對土壤MBC占SOC比重影響并不顯著(P>0.05)。

圖4 -5—5℃和-25—5℃處理下不同凍融次數(shù)的土壤微生物量碳比重變化Fig.4 Changes of MBC/SOC content under different freezing and thawing times in -5—5℃ and -25—5℃

4 討論

4.1 凍融作用對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳是反映土壤質(zhì)量高低的重要因子,直接影響土壤的物理、化學和生物學性質(zhì)以及生產(chǎn)力的形成[11],且其含量變化與可用氮、水分等有關(guān)[12]。隨著凍融次數(shù)的增加和凍結(jié)溫度的變化,未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地、2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地土壤有機碳變化不顯著(P>0.05),可能是由于供試土壤有機碳含量已經(jīng)處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài),土壤有機碳中穩(wěn)定態(tài)有機碳所占比重較大,短期的溫度變化不會引起土壤有機碳較大的變化。劉淑霞等[13]以黑土為研究對象也得出了相同的結(jié)論。但凍融前,4種類型濕地土壤有機碳含量表現(xiàn)XATC>PS03>PS92>PS85,主要是挖溝排水過程不僅會造成大量的有機質(zhì)向溝渠遷移,使得不同溝渠沉積物中有機質(zhì)的含量和分布產(chǎn)生明顯的差異,而且長期排水將使得帶入溝渠中的有機質(zhì)埋藏于沉積物底層,造成有機碳的永久性喪失[14],從而導致排水時間越長,其含量越少。

4.2 凍融作用對土壤輕組有機碳含量的影響

凍融前后,未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地、2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地土壤LFOC占SOC的比重變化不明顯(P>0.05),但總體上土壤LFOC表現(xiàn)為XATC>PS03>PS92>PS85,可能是因為相比排水造林后的人工濕地,天然興安落葉松濕地含有更多的未分解和半分解的根和凋落物,加上已腐解再合成的腐殖質(zhì),通過密度分組法得到的輕組比例也較高,從而LFOC含量相比排水造林后濕地更高[15]?？傮w上,隨著凍融次數(shù)的增加,4種濕地土壤LFOC含量先減少后增加,可能是由于多次凍融和冷濕環(huán)境降低了土壤有機物的分解能力,導致植物殘體的增加,加上細膩的土壤質(zhì)地,使得不穩(wěn)定有機碳庫的大量存在[16],從而導致大量的物理未絡(luò)合有機物的積累。因此,9次凍融后,土壤LFOC含量略高于對照。

4.3 凍融作用對土壤溶解性有機碳含量的影響

溶解性有機碳是礦質(zhì)土壤的活性有機質(zhì),土壤中水溶性有機質(zhì)的含量很少,但作為環(huán)境污染物移動的載體因子,對土壤的C、N、P、S等養(yǎng)分和重金屬元素的遷移、轉(zhuǎn)化起著重要的作用[17]。無論是-5—5 ℃還是-25—5 ℃凍融處理,未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地、2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地4種土壤類型的DOC含量均差異顯著(P<0.05),且1次凍融循環(huán)后出現(xiàn)最大值。凍融過程可改變土壤團聚體的大小和穩(wěn)定性,凍融初期,土壤孔隙中冰晶的膨脹打破顆粒之間的聯(lián)結(jié),破壞土壤團聚體,呈將大團聚體破碎成小團聚體的趨勢,這時一些小分子的有機質(zhì)被釋放出來[18]。此外,凍融影響土壤的理化性質(zhì),土壤理化性質(zhì)不僅影響有機質(zhì)的分解速率,而且對分解產(chǎn)生的DOC有吸附作用。但多次凍融過后,隨著凍融次數(shù)的增加,土壤中原有的DOC又在不斷的被活著的微生物利用分解,因此多次凍融后土壤DOC含量開始不斷減少。

4.4 凍融作用對土壤微生物量碳含量的影響

凍融過程改變了土壤水分狀況和分布,直接影響土壤的物理性質(zhì)和微生物活性,導致土壤的生物地球化學過程速率發(fā)生變化[10],而且地上部分凋落物輸入的碳也是影響土壤微生物群落組成的較為顯著的因素之一[19]。1次凍融后,由于凍融作用下,死亡微生物的細胞可以作為其他微生物的基質(zhì),增加了土壤微生物活性,同時凍融交替和氯仿熏蒸的過程會殺死濕地土壤中的微生物,這些死亡的微生物在分解菌的作用下分解,釋放出小分子的氨基酸和糖類物質(zhì),提高了濕地土壤中有機質(zhì)含量,同時也促進了濕地土壤的微生物量[20]。9次凍融后,土壤微生物逐漸適應(yīng)了這種變化,所以微生物量碳表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢。凍融前后,土壤MBC占SOC比重變化不明顯(P>0.05),但總體上排水造林時間越長,土壤MBC占SOC比重變化越明顯,可能是由于長時間的濕地排水開墾后土壤養(yǎng)分、通透性、溫度、氧化還原環(huán)境等理化性狀發(fā)生改變,土壤MBC占SOC比例對環(huán)境的響應(yīng)就更為敏感,而且由于微生物的影響更為直接,因此土壤MBC的變化趨勢和幅度更為明顯。

5 結(jié)論

未排水造林的天然興安落葉松苔草濕地、2003年、1992年、1985年排水造林后的人工興安落葉松濕地土壤SOC含量差異顯著(P<0.05),但隨著凍融次數(shù)的增加,土壤SOC含量基本不變,短期的凍融交替對土壤SOC總量變化的影響不大。凍融前后,4種濕地土壤LFOC占SOC的比重變化不明顯(P>0.05),但隨著凍融次數(shù)的增加,土壤LFOC含量先減少后增加,1次凍融后達到最大值,但9次凍融后略高于對照。此外,土壤MBC占SOC比重在凍融前后變化也不明顯(P>0.05),但總體上排水造林時間越長,土壤MBC占SOC比重變化越明顯。

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EffectsoffreezingandthawingonsoilactiveorganiccarbonintheXiaoxing′anMountainwetlands

ZHAO Guangying*, GUO Dongnan, JIANG Shan, SHAO Zongren

KeyLaboratoryofremotesensingmonitoringofgeographicenvironment,CollegeofHeilongjiangProvince,HarbinNormalUniversity,Harbin150025,China

國家自然基金項目(41301082,4157012165)；黑龍江省博士后資助項目(LRB13- 200)

2016- 05- 17; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoguangying2004@126.com

10.5846/stxb201605170953

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