不同土地利用方式下干旱區(qū)濕地土壤活性有機(jī)碳組分特征

龔月月，朱新萍，李典鵬，鄭夢(mèng)竹，杜 婕，孫 濤

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

活性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳的重要組分[1]，可用可溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)、輕組有機(jī)碳(light fraction organic carbon, LFC)、易氧化有機(jī)碳(readily organic carbon, ROC)、土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和潛在可礦化碳 (potentially mineralizable carbon, PMC)表示[2]，其中DOC、ROC具有較高的活性和動(dòng)態(tài)性，可以敏感地反映土壤碳的變化，對(duì)調(diào)控土壤碳氮循環(huán)、提高土壤肥力具有十分重要的意義[3]。

土地利用方式變化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的最重要因素之一[4]，不同土地利用方式下土壤中活性有機(jī)碳組分差異顯著[5]。將濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼗蛴糜谄渌康亩慌鸥砷_墾是常見的土地利用方式轉(zhuǎn)變之一[6]。有研究表明，天然沼澤變?yōu)榕潘疂竦?、農(nóng)田、棄耕地后，土壤有機(jī)碳含量下降，土壤活性碳組分含量濕地高于農(nóng)田[4]；長(zhǎng)江中下游的湖泊濕地圍墾前后有機(jī)碳降低幅度達(dá)到30%[7]；三江平原濕地開墾為耕地后，土壤有機(jī)碳含量也迅速下降[8]；然而，也有研究表明，三江平原部分土壤區(qū)域出現(xiàn)水田與旱田土壤有機(jī)質(zhì)含量高于濕地土壤的現(xiàn)象[9]；在鹽城濱海濕地研究中得出圍墾初期的農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量增加[6,10]。干旱區(qū)濕地多分布于西北內(nèi)陸荒漠地帶，是我國(guó)重要的濕地類型[11]，土壤環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)的擾動(dòng)非常敏感[4]，在以往圍湖造田、開墾拓荒和放牧等人為活動(dòng)下，濕地土壤有機(jī)碳水平必然發(fā)生變化，其組分特征可能不同于沿海濕地及三江平原等其他濕地區(qū)域，干旱區(qū)的濕地土壤有機(jī)碳各組分積累特征與土地利用方式之間存在何種響應(yīng)關(guān)系？有機(jī)碳和活性有機(jī)碳有何變化？目前在這方面的研究還不充分[12]。柴窩堡湖濕地位于干旱區(qū)，是烏魯木齊市重要的水源地和生態(tài)屏障，由于人為開發(fā)和自然因素的影響，人工墾殖現(xiàn)象明顯，濕地退化嚴(yán)重，從而引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[13]。本研究對(duì)柴窩堡湖濕地不同利用方式下的土壤進(jìn)行調(diào)查采樣、分析其土壤活性有機(jī)碳組分的分布特征，揭示因土地利用方式不同引起的濕地土壤有機(jī)碳組分的變化特征及響應(yīng)關(guān)系，旨為干旱區(qū)濕地開發(fā)利用過(guò)程中生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡以及濕地保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

柴窩堡湖是由中天山喀拉烏成山北坡、博格達(dá)山流入柴窩堡盆地的地表徑流、潛水和柴窩堡盆地內(nèi)的湖泊、沼澤等組成的閉合型水系，水系無(wú)干流，主體為柴窩堡湖，是一個(gè)天然的半封閉微咸水湖，位于烏魯木齊市東南郊44 km處(87°54' E，43°30' N)。該湖是烏魯木齊市面積最大的地表水體，南北寬5.9 km，東西長(zhǎng)6.09 km，呈淺碟形，面積29.98 km2，平均水深3.50 m，最深處6 m；湖面海拔1 093. 80 m，容積1.30億m3，湖水平均溫度6.15 ℃，最高水溫20 ℃，冰封期110 d。由于自然和人為原因，部分湖區(qū)鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重[14]，柴窩鋪湖濕地可分為兩種類型：湖泊濕地和鹽堿濕地。根據(jù)新疆環(huán)境監(jiān)測(cè)總站衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，柴窩堡湖水面2009年以前，湖泊面積呈相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)，年際間變幅很小，湖泊面積基本維持在29 km2以上；2009-2014年，湖泊面積有明顯的縮小趨勢(shì)，2014年9月僅為0.24 km2，幾乎干涸；2014年起政府對(duì)柴窩鋪湖濕地開展“退耕還湖”行動(dòng)，目前處于恢復(fù)治理中[15]。

1.2 調(diào)查與采樣

2017年7月，結(jié)合前期調(diào)查結(jié)果，在柴窩鋪湖區(qū)域按照不同土地利用方式分布情況選取5個(gè)采樣點(diǎn)(表1)，每個(gè)點(diǎn)取3個(gè)混合樣。

1.3 土壤有機(jī)碳測(cè)定方法

土壤總有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[16]。土壤易氧化活性有機(jī)碳(ROC, mg·kg-1)采用Conteh[17]等的方法測(cè)定。土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)采用比色法測(cè)定，主要參考占新華和周立祥[18]的研究，結(jié)合所采樣品實(shí)際土壤有機(jī)碳含量，對(duì)方法中標(biāo)準(zhǔn)曲線及試劑用量等略作改進(jìn)。土壤有機(jī)碳密度采用估算的方法[19-21]。土壤密度采用比重瓶比重法測(cè)定[16]。

表 1 柴窩堡湖各采樣點(diǎn)基本情況Table 1 Sampling points in Chaiwopu Lake

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0和Origin 8.5軟件進(jìn)行處理，用One-Way ANOVA分析5種不同利用方式濕地土壤有機(jī)碳的差異顯著性，用Pearson相關(guān)性系數(shù)表示土壤活性有機(jī)碳各組分、土壤基本理化性質(zhì)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

土地利用方式不同會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)有所影響(表2)。除W3表現(xiàn)為土壤pH隨土壤深度的增加逐漸降低之外，在其它土地利用方式下土壤pH隨土壤深度的增加逐漸增高。W1、W3樣地，0 - 10 cm土層與20 - 40 cm土層的土壤pH均存在顯著差異(P ＜ 0.05)；F1樣地，0 - 10 cm 土層與 10 - 20 cm、20 - 40 cm層的土壤pH差異顯著(P ＜ 0.05)；W2、F2樣地，0 - 40 cm各層之間的土壤pH差異均不顯著 (P ＞ 0.05)。

電導(dǎo)率大小除W3外，其他利用方式均隨土壤深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，各土地利用方式下表現(xiàn)為 W2＜ W1＜ W3＜ F1＜ F2(表 2)，且 5 種土地利用方式下0 - 10 cm、10 - 20 cm、20 - 40 cm各土層間存在一定差異。土壤密度大小隨土壤深度表現(xiàn)為逐漸增高的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為F1＜ F2＜ W2＜W1＜ W3，F(xiàn)2土壤密度在0 - 40 cm層不存在顯著差異 (表 2)。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度高于濕地(表2)。濕地土壤有機(jī)碳密度在1.554～4.604 kg·m-2，算術(shù)平均值為2.632 kg·m-2；濕地周邊農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度在4.269～4.651 kg·m-2，算術(shù)平均值為 4.447 kg·m-2。

表 2 基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical characters of soil samples

2.2 不同土地利用方式下土壤活性有機(jī)碳特征

不同土地利用方式下0 - 40 cm土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳含量均存在差異(表3)。土壤總有機(jī)碳含量表現(xiàn)為 F1＞ F2＞ W2＞ W1＞ W3，土壤易氧化有機(jī)碳含量表現(xiàn)為 F1＞ F2＞ W2＞ W3＞W(wǎng)1，可溶性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為 F1＞ W3＞ W1＞ F2＞W(wǎng)2。在不同土地利用方式下，總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳在F1與F2，W1與W3間差異不顯著(P ＞ 0.05)，但F1和F2均顯著高于W1和W3(P ＜ 0.05)。可以得出，農(nóng)田(F)土壤總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量顯著高于濕地 (W)，并且 F1＞ F2(P ＞ 0.05)?？扇苄杂袡C(jī)碳在W1與W3，W2與F2間差異不顯著(P ＞ 0.05)，F(xiàn)1與 W2、F2間差異顯著 (P ＜ 0.05)。

2.3 不同土地利用方式下土壤活性有機(jī)碳垂直分布特征

W1、W2土壤總有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量及可溶性有機(jī)碳含量隨著土層深度加深呈顯著階梯式降低 (P ＜ 0.05) (圖 1、2、3)，F(xiàn)1、F2垂直變化差異不顯著(P ＞ 0.05)；W3土壤0 - 10 cm深度總有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量顯著高于10 - 40 cm土層，而可溶性有機(jī)碳含量隨著土層深度加深而顯著升高。

表 3 不同土地利用方式下0 - 40 cm土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳含量Table 3 Content of total soil organic carbon and active organic carbon under different wetland use types

圖 1 不同土層深度總有機(jī)碳含量Figure 1 Effect of soil depth on total organic carbon content不同小寫字母表示所有處理間差異顯著 (P ＜ 0.05)， 圖2、圖3同。Differernt lowercase letters indicate significant difference between treatments at the 0.05 level； similarly for Figure 2 and Figure 3.

圖 2 不同土層深度易氧化有機(jī)碳含量Figure 2 Effect of soil depth on total readily oxidizable carbon content

2.4 土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

圖 3 不同土層深度可溶性有機(jī)碳含量Figure 3 Effect of soil depth on total dissolved organic carbon content

通過(guò)對(duì)土壤總有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量、可溶性有機(jī)碳含量和土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析得出(表4)，pH與土壤總有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量、可溶性有機(jī)碳含量存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)；電導(dǎo)率與土壤總有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)；土壤密度、容重和有機(jī)碳密度與土壤有機(jī)碳關(guān)系不密切，電導(dǎo)率與pH極顯著負(fù)相關(guān)(P ＜ 0.01)。

易氧化有機(jī)碳及溶解性有機(jī)碳在一定程度上表征著土壤中活性較高部分的有機(jī)碳含量。土壤總有機(jī)碳含量分別與易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳含量極顯著(P ＜ 0.01)和顯著(P ＜ 0.05)相關(guān)，易氧化有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳之間也極顯著正相關(guān)(P ＜ 0.01)。

3 討論

3.1 不同土地利用方式對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

不同土地利用方式改變了濕地土壤有機(jī)碳含量，本研究得出，F(xiàn)1、F2土壤總有機(jī)碳含量明顯高于W1、W2、W3，且垂直變化趨勢(shì)為隨深度增加而降低，說(shuō)明不論是由濕地墾殖為農(nóng)田還是自然農(nóng)田，其土壤總有機(jī)碳含量都明顯高于濕地，以上原因可能是0 - 40 cm土層為耕作層，土壤受到墾殖、施用化肥等人為因素干擾，有機(jī)肥中含有的有機(jī)碳隨有機(jī)肥的施用以外源有機(jī)碳的形式進(jìn)入土壤，對(duì)提高土壤有機(jī)碳含量有顯著作用[22]。

表 4 土壤各種形態(tài)有機(jī)碳以及各理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlations between soil organic carbon fractions and other soil parameters

有機(jī)碳含量在農(nóng)田0 - 40 cm土壤中變化不明顯，主要因?yàn)? - 40 cm為作物耕層土壤，進(jìn)入土壤的有機(jī)物在機(jī)械翻耕等作用下分布較為均勻，導(dǎo)致該層有機(jī)碳含量變化不明顯，這與前人研究結(jié)果一致[22-24]，但農(nóng)田土壤表面缺少植物覆蓋，微生物數(shù)量減少，也有可能造成土壤表層有機(jī)碳含量低于下層的現(xiàn)象[25]，本研究也表現(xiàn)出表層土壤有機(jī)碳略比下層低 (P ＞ 0.05)。

3.2 不同土地利用方式對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳的影響

不同土地利用方式下，土壤環(huán)境差異較大，土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化程度亦不同，因此土壤的易氧化碳也存在較大差異[26]。土壤耕層的易氧化碳在剖面的分布規(guī)律會(huì)受到土壤植被環(huán)境、根系分布、生物活動(dòng)、人工擾動(dòng)等因子的影響[26-27]。農(nóng)田受人為耕作的影響，表層土壤中易氧化的活性碳組分暴露，可能會(huì)降低土壤易氧化有機(jī)碳的穩(wěn)定性，加速其被氧化的進(jìn)程[27]，表現(xiàn)出表層易氧化有機(jī)碳會(huì)低于深層次土壤，但本研究得出不論濕地還是農(nóng)田土壤易氧化碳含量均隨著土層深度的增加而逐漸減少，這也可能與總有機(jī)碳有關(guān)，胡玉福等[28]研究表明，SOC含量是影響ROC含量的重要因素，土壤有機(jī)碳含量高，土壤易氧化有機(jī)碳含量也高，在本研究中土壤易氧化碳含量變化趨勢(shì)與土壤總有機(jī)碳含量相似，ROC和SOC相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0.96 (P ＜ 0.01)。

3.3 不同土地利用方式對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳的影響

可溶性有機(jī)碳主要來(lái)自于地表枯落物，因而其含量應(yīng)與總有機(jī)碳含量表現(xiàn)出相同規(guī)律[29]，即可溶性有機(jī)碳隨土層深度的加深而遞減，但本研究中鹽堿濕地的結(jié)果與之相反，且可溶性有機(jī)碳含量明顯低于其它土地利用方式，可能由于該區(qū)域鹽堿濕地在水位下降過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的鹽漬化現(xiàn)象，鹽漬化使得地表土壤植被生產(chǎn)力降低、凋落物返還減少等[10]因素造成，加之DOC是土壤中活性較高的部分，具有一定的溶解性和移動(dòng)性，易發(fā)生溶解和向下淋溶[23,28]，從而導(dǎo)致鹽堿濕地可溶性有機(jī)碳隨土層深度的加深而增加。從可溶性有機(jī)碳含量的研究結(jié)果中可知，農(nóng)田明顯高于其他土地利用方式，這可能是因?yàn)? - 40 cm為耕層，受人為施加有機(jī)肥的影響，農(nóng)田中活性有機(jī)碳含量高于未施加有機(jī)肥的土壤[30-31]。

3.4 不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳的關(guān)系

有研究表明，土壤pH會(huì)影響有機(jī)碳的累積并呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)[32-33]，與本研究結(jié)果一致。通常情況下，土壤pH可能是通過(guò)影響土壤微生物的生物多樣性或活性來(lái)影響有機(jī)碳含量[33]，然而施用某些氮肥如硫酸銨也可能使土壤pH降低，酸性增強(qiáng)，土壤微生物數(shù)量減少，活性降低，有機(jī)質(zhì)分解速度減慢，有利于土壤有機(jī)質(zhì)積累[9]。土壤電導(dǎo)率可以表征土壤鹽度，一些研究表明，土壤有機(jī)碳含量隨著土壤鹽度的增加而增加[34]，隨著土壤含鹽量的增加，微生物活性受到抑制，從而引起微生物數(shù)量降低，周轉(zhuǎn)速率較慢，便于碳積累[35]，該研究中電導(dǎo)率與土壤有機(jī)碳含量和易氧化有機(jī)碳含量極顯著正相關(guān)(P ＜ 0.01)。

柴窩堡湖濕地農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度略低于新疆農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度平均值(5.74 kg·m-2)[36]，高于我國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度平均值(4.20 kg·m-2)[18]，濕地土壤有機(jī)碳密度高于我國(guó)濕地土壤有機(jī)碳密度平均值(2.24 kg·m-2)[21]。土壤有機(jī)碳密度由土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤深度決定[37]，而該區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高可能會(huì)造成有機(jī)碳密度的升高。由于本研究中土壤有機(jī)碳密度是通過(guò)估算而來(lái)的，精度上與實(shí)測(cè)值可能會(huì)有偏差。

4 結(jié)論

柴窩堡濕地在5種土地利用方式下，自然農(nóng)田和濕地墾殖為農(nóng)田中總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量均高于濕地農(nóng)田過(guò)渡帶、湖泊濕地及鹽堿濕地。鹽堿濕地0 - 40 cm土層DOC含量隨著土壤深度加深而逐漸升高，與其它土地利用方式下DOC的變化趨勢(shì)則相反；農(nóng)田土壤ROC含量隨著深度的增加而遞減。土壤pH分別與土壤有機(jī)碳及活和活性有機(jī)碳組分極顯著負(fù)相關(guān)，電導(dǎo)率與土壤總有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量存在極顯著正相關(guān)。柴窩堡濕地土壤有機(jī)碳密度均高于全國(guó)平均值。土地利用方式影響了干旱區(qū)濕地土壤中有機(jī)碳的積累，自然農(nóng)田和濕地轉(zhuǎn)化后的農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳均高于濕地土壤，說(shuō)明柴窩堡濕地受人為活動(dòng)影響后，并沒有顯著導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失。本研究為干旱區(qū)濕地開發(fā)利用中碳收支平衡的科學(xué)評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)參考，為干旱區(qū)濕地土壤土壤有機(jī)碳庫(kù)管理提供參考依據(jù)。