鹽堿蘆葦濕地土壤活性有機碳組分垂直分布及相關性分析

劉 騫， 湯 潔

(1.吉林大學新能源與環(huán)境學院，長春 130012；2.長春大學園林學院，長春 130022)

土壤有機碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)和全球碳循環(huán)過程中的重要碳庫，其總貯量為1 300～2 000 PgC[碳(C)總貯量，1 Pg=1015g]，約是大氣碳庫的2倍，植被碳庫的2～3倍[1-3]。土壤碳庫在全球氣候變化過程中具有重要意義，已經(jīng)成為全球碳循環(huán)研究的核心問題[4]。土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)并非單一的化合物，而是包含各種活性組分。相關研究表明，易氧化有機碳(ROOC)、水溶性有機碳(WSOC)、微生物量碳(MBC)是土壤中活性有機碳，對外界環(huán)境變化的響應更敏感，能夠在碳庫循環(huán)早期指示土壤質(zhì)量，是土壤碳庫演變的重要指標[5-6]。

濕地是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是碳循環(huán)和轉(zhuǎn)化的重要場所，濕地土壤碳庫的源、匯轉(zhuǎn)化與氣候變化有著密切聯(lián)系[7]，在控制全球氣候變化、維持濕地生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用[8-9]。中國濕地面積約3.3×107hm2(1 hm2=0.01 km2)，約占世界濕地面積的10%，近年來，全球氣候變化下典型濕地土壤有機碳的研究逐漸被關注[10]。崔東等[11]發(fā)現(xiàn)，伊犁河谷不同類型濕地土壤活性有機碳組分均隨土壤剖面加深而遞減，土壤養(yǎng)分對土壤活性有機碳含量的影響明顯。王純等[12]發(fā)現(xiàn)，鹽度對濱海濕地SOC含量及其活性組分及碳匯功能變化具有重要意義。吳江琪等[13]研究發(fā)現(xiàn)，積水狀況對尕海濕地土壤活性有機碳含量有顯著影響。趙光影等[14]發(fā)現(xiàn)，土地利用變化會對小興安嶺森林沼澤土壤活性碳組分產(chǎn)生影響，土壤有機碳含量隨土層深度增加而降低，天然沼澤的SOC含量最高。Trettin等[15]發(fā)現(xiàn)通過減少降水和增溫會加速泥炭濕地中土壤有機質(zhì)的分解速率。肖燁等[16]研究發(fā)現(xiàn)，三江平原4種典型濕地土壤易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳含量均隨土層深度的增加而減少。

松嫩平原是中國濕地重要分布區(qū)之一，查干湖濕地位于松嫩平原中部、吉林省西部前郭爾羅斯蒙古族自治縣域內(nèi)，是典型干旱、半干旱地區(qū)的鹽堿濕地。中國濕地土壤有機碳的研究主要分布于濕潤、半濕潤濕地[17-20]，而對干旱區(qū)鹽堿濕地有機碳及活性組分研究較少。以查干湖蘆葦濕地土壤為研究對象，分析了該研究區(qū)域內(nèi)有機碳含量總體水平，探討了其土壤活性組分的垂直分布規(guī)律及影響因素，以期為查干湖鹽堿濕地碳的源匯研究及客觀評價其在區(qū)域氣候變化中的作用，研究結(jié)果可為該區(qū)域土地管理及資源保護提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

松嫩平原蘇打鹽堿土是世界3大鹽堿土集中分布區(qū)之一，松嫩平原也是中國內(nèi)陸鹽堿濕地集中分布的地區(qū),西部鹽堿濕地面積約為578 000 hm2。近年來, 由于氣候不斷變暖和人類活動的加劇使?jié)竦佧}化加重,平原2/3以上的沼澤濕地發(fā)生次生鹽堿化。查干湖自然保護區(qū)位于松嫩平原中部、吉林省西部前郭爾羅斯蒙古族自治縣域內(nèi)，其地理位置為東經(jīng)123°30′51″～124°59′59″，北緯44°45′12″45°22′22″，保護區(qū)區(qū)域面積為50 684 hm2，另外設外圍保護帶 14 666 hm2。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，春季干燥多風、夏季濕熱雨量集中、秋季涼爽晝夜溫差較大、冬季漫長而寒冷少雪。年平均降水量為415.4 mm，年平均蒸發(fā)量為964 mm，年平均氣溫為4.5 ℃，年平均風速為3.9 m/s左右，最大凍土深度為204 cm，全年無霜期160 d左右[21]。

1.2 供試土壤與樣品采集

根據(jù) Landsat MSS/TM[美國陸地探測衛(wèi)星系統(tǒng)，多光譜掃描儀(multi spectral scaner)/專題成像儀(thematic mapper)]遙感解譯數(shù)據(jù)，以土壤類型圖和土地利用類型圖為基礎，選取吉林松原查干湖天然鹽堿濕地為研究對象，該區(qū)域主要植被以蘆葦為主。在研究區(qū)豐水期進行采樣，選取地上植被為蘆葦?shù)臐竦赝寥赖貕K設置9個采樣區(qū)，每個區(qū)域設置4個采樣點，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm分層采集土壤樣品。各樣地不同取樣點的土樣等量混合后裝袋編號，采集樣品分為2份，1份在室溫下自然風干后，剔除可見的動、植物殘體和石塊等雜質(zhì)，過2 mm和0.25 mm篩，密封備用，另外1份在4 ℃下低溫保存，用于土壤微生物數(shù)量分析。供試土壤剖面基本化學性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤剖面基本化學性質(zhì)

注：字母上標表示同一指標在不同土層之間的差異(P<0.05)。

1.3 測試指標及方法

土壤pH、含水率、容重、孔隙度采用常規(guī)分析、計算方法。

土壤有機碳(SOC)：采用H2SO4-K2CrO7外加熱法測定。

易氧化有機碳(ROOC)：采用333 mmol/L的KMnO4氧化-分光光度計法測定。

水溶性有機碳(WSOC)：具體方法為稱取風干土樣10 g于塑料離心管中，按土水比1∶5加入50 mL蒸餾水，振蕩30 min，然后在離心機上以4 500 r/min離心20 min，所有的懸液過0.45 μm微孔濾膜，得到水溶性有機碳。

土壤微生物量碳(MBC)：采用鮮土氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提-水浴法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS24. 0和Office Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和制圖。采用一元線性回歸模型及 Pearson 相關系數(shù)分析各組分間的關系，顯著性水平設為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳剖面分布特征

土壤有機碳含量及分布受到氣候、土壤性質(zhì)等方面的影響。由圖1可知，鹽堿濕地土壤有機碳含量隨土層加深呈遞減趨勢。從土壤有機碳垂直分布上，各土壤剖面有機碳呈現(xiàn)0～10 cm(17.90～18.20 g/kg)顯著高于10～20 cm(8.89～9.22 g/kg)、20～30 cm(6.50～6.81 g/kg)、30～40 cm(6.21～6.51 g/kg)、40～50 cm(4.40～4.71 g/kg)(P<0.05)，而20～30 cm與30～40 cm土層間無顯著差異。

2.2 土壤易氧化有機碳剖面分布特征

易氧化有機碳(ROOC)是土壤有機碳動態(tài)變化的敏感指標，可以反映土壤有機質(zhì)的早期變化[22]。由圖2可知，土壤剖面對ROOC含量的影響具體表現(xiàn)為隨土層加深ROOC含量逐漸減少。0～10 cm土層的土壤ROOC含量可達15.77 g/kg，較比深層土壤ROOC含量高出約4倍。表層土壤ROOC含量顯著高于深層土壤，在20～50 cm土壤剖面，土壤易氧化有機碳含量無顯著差異。

圖1 鹽堿蘆葦濕地土壤有機碳垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution characteristics of soil organic carbon in saline-alkali reed wetland

圖2 鹽堿蘆葦濕地土壤易氧化有機碳垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil oxygen carbon in saline-alkali reed wetland

2.3 土壤水溶性有機碳剖面分布特征

雖然水溶性有機碳(WSOC)在總有機碳中所占比例較小，但是它卻是指示土壤肥力的有效指標。由圖3可知，查干湖鹽堿蘆葦濕地土壤WSOC含量變化趨勢同樣表現(xiàn)為伴隨土層加深逐漸減少，表層0～10 cm土壤顯著高于其余各土層，10～30 cm土層間土壤WSOC含量變化幅度較小。

圖3 鹽堿蘆葦濕地土壤水溶性有機碳垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of soil water-soluble organic carbon in saline-alkali

2.4 土壤微生物量碳剖面分布特征

土壤微生物量碳(MBC)也是土壤中的活性有機碳，其指標含量對于評價土壤生物學方面很有優(yōu)勢。從圖4可知，查干湖鹽堿濕地土壤MBC含量隨土層加深變化明顯，差異顯著(P<0.05)。具體呈現(xiàn)0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm>40～50 cm，其中20～40 cm土層間土壤MBC含量變化幅度較小，無顯著性差異(P>0.05)。

圖4 鹽堿蘆葦濕地土壤微生物量碳垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of soil microbial biomass carbon in saline-alkali reed reed wetland wetland

2.5 土壤有機碳與各組分之間相關性分析

分析土壤活性碳組分占有機碳含量變化，由表2可知，ROOC占SOC比例相比較大，呈現(xiàn)伴隨土層增加先增加后減少的變化趨勢，在20～40 cm土層占比高于10～20 cm和40～50 cm。WSOC占SOC比例最少，呈現(xiàn)伴隨土層增加逐漸增多的變化趨勢，但在20～50 cm土層間無顯著性差異。MBC占SOC比例伴隨土層呈現(xiàn)先增后減的趨勢，20～40 cm土層占比含量最高。進一步分析查干湖鹽堿濕地有機碳及其活性組分間相關性，結(jié)果顯示土壤有機碳與其活性組分均呈線性相關。如圖5～圖7所示，土壤SOC與ROOC、WSOC、MBC在垂直分布上變化趨勢較一致，均呈現(xiàn)伴隨土層加深而逐漸減少的趨勢。其中，土壤SOC與ROOC、WSOC在垂直分布上擬合系數(shù)較高，分別為0.928 9、0.925 7。土壤微生物量碳與有機碳擬合系數(shù)為0.737 2，也表現(xiàn)為顯著正相關。

表2 土壤有機碳不同組分所占比例

注：字母上標表示同一指標在不同土層之間的差異(P<0.05)。

圖5 土壤有機碳與易氧化有機碳之間相關性Fig.5 Correlation between soil organic carbon and components

圖6 土壤有機碳與水溶性有機碳之間相關性Fig.6 Correlation between soil organic carbon and water-soluble organic carbon

圖7 土壤有機碳與微生物量碳之間相關性Fig.7 Correlation between soil organic carbon and microbial biomass carbon

2.6 土壤有機碳與各組分影響因子分析

通過對查干湖鹽堿蘆葦濕地進行調(diào)查分析，由表3可知，土壤pH、含水率、容重、孔隙度、有機碳及活性組分均呈規(guī)律性垂直分布。除含水率其余各項指標均呈現(xiàn)極顯著負相關(P<0.01)，說明土壤理化性質(zhì)及碳含量均受到土層影響。分析理化性質(zhì)對土壤有機碳與其活性組分的影響，含水率影響最小，并未呈現(xiàn)顯著關系。pH對土壤有機碳及組分影響最大，呈極顯著相關。土壤容重對土壤活性組分(ROOC、WSOC、MBC)影響極顯著，其中與MBC含量相關系數(shù)最大為0.867。分析孔隙度對土壤有機碳及活性組分的影響，均呈極顯著相關(P<0.01)，其中對有機碳影響最大，其相關系數(shù)為0.911。通過分析還可知，土壤pH、含水率、容重、孔隙度對鹽堿濕地土壤有機碳及組分含量變化影響明顯，但是對各活性組分占有機碳比例影響較弱，僅表現(xiàn)為水溶性有機碳、微生物量碳占有機碳比例受到孔隙度及pH的影響。

3 討論

3.1 鹽堿蘆葦濕地土壤有機碳及活性組分剖面分布特征及相關性

松嫩平原鹽堿濕地的形成受到地質(zhì)地貌、氣候、生物、土壤、人為等因素相互作用的影響。其中蘆葦、蘆葦-香蒲為查干湖濕地主要群落植被，這與人為干擾有關[23]。本研究中，查干湖鹽堿蘆葦濕地有機碳含量隨土層加深而逐漸減少，變化幅度為18.20～4.71 g/kg，這說明蘆葦濕地土壤有機碳在垂直分布上有明顯的碳儲層和沉積層，表層含量較高為碳儲層，深層含量逐漸減少為沉積層，這與前人對于濕地有機碳的研究結(jié)果一致[24-25]。土壤易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳屬于土壤中活性有機碳部分，其指標變化趨勢可以說明土壤肥力、固碳能力及碳庫的變化潛力[26]。研究結(jié)果分析得到，查干湖蘆葦濕地土壤ROOC、WSOC、MBC與土壤有機碳變化趨勢基本一致，這表明在動態(tài)變化上關系密切。其中，ROOC占SOC含量最高，ROOC周轉(zhuǎn)時間較短,與土壤養(yǎng)分的供應和植被生長關系密切,是植物營養(yǎng)素的主要來源，并且可以指示土壤有機質(zhì)早期變化[27]。本研究中，土壤表層土壤ROOC含量較高，說明其表層土壤有機質(zhì)含量較高且周轉(zhuǎn)及累積較快，ROOC占SOC比例為10～20 cm最大，說明這一土層土壤養(yǎng)分的循環(huán)速率較高，這與植被落葉等長年累積有關[28]。本研究中，表層土壤水溶性有機碳高于深層土層，原因主要是土壤通透性對于水溶性有機碳的釋放有一定的影響。另外，土壤微生物可直接利用這一部分碳源，因此微生物的消耗也會影響水溶性有機碳垂直分布[29]。土壤微生物量碳的含量與土壤中微生物數(shù)量呈正相關[30]，本研究中表層土MBC含量較高，說明在表層土壤的環(huán)境更適宜微生物繁殖。

表3 鹽堿濕地土壤構成各項指標相關分析

注：**在0.01 級別(雙尾)，相關性顯著；*在 0.05 級別(雙尾)，相關性顯著。

3.2 鹽堿蘆葦濕地土壤有機碳及活性組分影響因素及其穩(wěn)定性

土壤有機碳并非單一的化合物，而是各種活性組分以及腐殖質(zhì)等構成的。這些組分在土壤中的存留時間和降解程度各不相同，其性質(zhì)也有很大的差異，它們在土壤碳庫循環(huán)過程中對碳庫的穩(wěn)定性起到重要的作用[31-32]。本研究中，土壤有機碳與易氧化態(tài)碳(ROOC)、水溶性有機碳(WSOC)、微生物量碳(MBC)在垂直分布上呈顯著正相關，說明這些活性碳組分的動態(tài)變化可以指示土壤碳庫的穩(wěn)定性。研究區(qū)土壤表現(xiàn)為表層土壤有機碳活性組分高于深層，且規(guī)律明顯，說明植物殘茬、根系分泌物等作為碳源輸入到土壤中并被利用，而深層土壤受到水分、土壤結(jié)構等影響，含量逐漸減少。

土壤含水率、pH、孔隙度、容重這些因子均會影響土壤有機碳含量及其組分在土壤中的穩(wěn)定性。在本研究中土壤含水率對有機碳及活性組分呈負相關，且未達到顯著水平，說明含水率并非是鹽堿濕地的主要影響因子，但pH、孔隙度、容重與有機碳及活性組分顯著性相關，這表明這些因素均對土壤碳庫分布影響明顯。土壤理化性質(zhì)的改變可以影響土壤微生物及酶活性，從而影響土壤碳庫的時空分布，因此再下一步研究中將探討生物活性對于鹽堿濕地土壤碳庫的影響，以明確維持鹽堿濕地土壤碳平衡的作用[33-34]。

4 結(jié)論

(1)查干湖鹽堿濕地土壤有機碳及活性組分垂直分布規(guī)律明顯，呈現(xiàn)伴隨土層加深而逐漸減少的趨勢。且在土壤的各個剖面層土壤有機碳含量與易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳含量間呈顯著相關。

(2)研究中各土壤活性有機碳占土壤有機碳比例不一，呈現(xiàn)ROOC明顯高于WSOC和MBC。

(3)查干湖鹽堿濕地土壤有機碳及活性組分垂直分布受土壤pH、容重、孔隙度影響明顯，呈顯著相關，土壤含水量相對影響較小。