江蘇沿海典型灘涂圍墾區(qū)土壤有機碳時空異質性①

李雪盈，濮勵杰*，許 艷,3，徐辰星，朱 明，徐彩瑤，解雪峰

(1 南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023；2 國土資源部海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室，南京 210023；3 蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州 215009)

全球氣候變化、全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及溫室氣體減排備受國際社會的關注。土壤碳庫是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分[1]，其碳儲量約為1.5×1018g[2]，約為大氣碳庫的3 倍[3-4]。如此龐大的碳儲量對全球大氣二氧化碳的濃度有著至關重要的影響，因此研究土壤碳庫的動態(tài)變化以及影響因素對于全球變化、農業(yè)生產、糧食安全以及人類福祉都有著重要的意義。

灘涂指沿海地區(qū)由河流攜帶泥沙沉積形成的陸海交錯帶[5]，是濱海自然濕地的重要組成部分[6]。江蘇沿海灘涂資源豐富，海岸線近千公里，蘇北沿海地區(qū)擁有占全國1/4 以上的灘涂面積[7]，開發(fā)歷史悠久，沿海灘涂圍墾已經成為江蘇耕地、建設用地補充的主要方式。灘涂圍墾過程中，人類活動對于沿海灘涂地區(qū)的能量交換、物質遷移會產生重大的影響。灘涂圍墾后，原有的土地利用方式發(fā)生了改變，產生了與之前光灘不同的多種土地覆被類型[8]，濕地生態(tài)系統(tǒng)逐漸向陸地人工生態(tài)系統(tǒng)演替，這一過程中，土壤的理化性質發(fā)生重大改變，生態(tài)系統(tǒng)結構、生態(tài)過程以及生態(tài)系統(tǒng)服務功能發(fā)生了根本的變化[9-10]。有研究表明，圍墾后不同的土地利用方式和利用年限會顯著改變土壤的粒徑分布特征，連年的耕作施肥會使得土壤總磷、有機質、氮素含量顯著增加[8,11-13]。灘涂圍墾過程中土壤植物覆被也發(fā)生了顯著的變化，比如在原有灘涂濕地上生長的互花米草、堿蓬等植物會減少，取而代之的是養(yǎng)殖塘以及農作物面積會大幅增加，土地利用/覆被的變化會使得土壤中的生物化學過程發(fā)生改變[14]。金雯暉等[15]在研究表層土壤有機碳與圍墾年限相關性時提出在圍墾過程中，濱海鹽土發(fā)揮了極大的固碳作用，土壤pH 朝著更適宜植物生長的方向變化，土壤鹽分逐漸降低。王琪琪等[13]提出在灘涂圍墾活動下，土壤的鹽分和含水量在圍墾初期急劇下降，肥力水平逐漸提高，土壤環(huán)境得到改善。此外，灘涂經過圍墾利用后，由于其植被、地形以及人類干預程度、土壤本身存在一定的空間異質性[16-18]，加上不同土地利用方式、管理方式以及植物殘體歸還量的差異使得土壤有機質輸入存在差異，加強了土壤有機碳的空間變異程度[19]。羅由林等[20]對四川省仁壽縣0 ～ 20 cm 表層土壤有機碳含量主控因素進行分析，結果也表明土地利用方式對于研究區(qū)土壤有機碳有顯著影響。目前對于江蘇沿海灘涂圍墾區(qū)土壤有機碳的研究主要著眼于不同圍墾年限、不同土地利用方式下的表層土壤，對于剖面土壤有機碳的時空特征及土地利用方式的影響的綜合研究較少[21-22]。本文選取如東縣4 個灘涂圍墾區(qū)作為研究區(qū)，探討了0 ～ 60 cm剖面土壤有機碳的時空分布特征及影響因素，進一步了解了圍墾后土壤有機碳庫的動態(tài)變化規(guī)律，以期能通過研究結果對沿海灘涂土地利用提出一些調控建議，促使灘涂資源的高效、合理利用。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

如東縣，是江蘇南通市下轄縣，位于江蘇省東南部、長江三角洲北翼，瀕臨黃海，地處120°42′ ～121°22′E，32°12′ ～ 32°36′ N，擁有廣闊的沿海灘涂(圖1)。屬于亞熱帶海洋性季風氣候，四季分明，氣候溫和，光照充足，全年平均氣溫15℃，且降水充沛，多年平均降雨量達到1 042 mm，但降雨年內分配不均。如東縣海岸線全長102.59 km，灘涂面積達6.93 萬hm2，灘涂圍墾歷史悠久，早在宋代就開始修建范公堤圍海造田。1949 年以來，經歷過20 多次大規(guī)模圍海造田活動，圍墾面積達3.47 萬hm2，目前依然有巨大的圍墾潛力[13]。本文研究區(qū)為如東縣東部灘涂圍墾區(qū)，土壤主要為濱海鹽土，墾區(qū)土地多用于養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)農業(yè)生產，并有少量土地用于林業(yè)以及工業(yè)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點示意圖Fig. 1 Location of study area and distribution of soil sampling sites

1.2 樣品采集與分析

選取不同年代的4 個圍墾區(qū)作為研究對象，采樣時間為2012 年9 月。結合當地土地利用實際情況同時兼顧土地利用方式，在圍墾區(qū)布設共計49 個采樣點，并在未圍墾的光灘布設6 個樣點，每個采樣點都用GPS 記錄坐標并備注土地利用方式(圖1)。在每個樣點采集0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 30、30 ～ 40、40 ～ 60 cm深度土壤樣品(其中養(yǎng)殖水面的樣品是在曬塘時采集魚塘底泥)，共計275 份，土樣帶回實驗室風干過2 mm篩備用。

采用高溫外熱重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量；采用PHS-3C 型pH 計測定土壤pH；采用激光粒度儀測定土壤粒度，并按照國際土壤分類制[23]對土壤粒度進行分級。本文用電導率EC1︰5表示總鹽含量，測量時土水質量比1∶5，加入煮沸冷卻的蒸餾水，振蕩機振蕩5 min 后離心，用梅特勒-托利多電導率儀測定上清液電導率。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0 對研究區(qū)土壤有機碳含量進行描述性統(tǒng)計分析，并做土壤各理化性質間的Pearson 相關性分析；應用GS+對有機碳數據進行半方差函數擬合，并在ArcGIS10.2 中進行Kriging 插值。

2 結果與討論

2.1 研究區(qū)土壤有機碳含量統(tǒng)計特征

本文采用域法識別異常值[20]，用樣本均值u 加減三倍標準差s，在區(qū)間[u-3s,u+3s]以外的數據均被判定為異常值，然后分別用正常的最大值和最小值來代替異常值。經檢驗，樣本有機碳數據中存在4 個異常值，數據處理結果如表1 所示。

表1 不同土層土壤有機碳含量描述性統(tǒng)計結果Table 1 Descriptive statistics of soil organic carbon contents in different soil layers

土壤有機碳的含量主要取決于有機物質的輸入和輸出，輸入源主要包括原來土壤中的有機物礦化和動植物殘體的分解以及在人為改造利用過程中的人工施肥，輸出主要包括消耗分解和侵蝕流失。分析結果顯示，研究區(qū)土壤有機碳含量處于0.25 ～ 7.10 g/kg，各土層平均含量為1.75 ～ 3.90 g/kg，隨著剖面深度的增加有機碳含量逐漸降低。其中，0 ～ 10 cm 土層有機碳平均含量最高(3.90 g/kg)，40 ～ 60 cm 土層有機碳平均含量最低(1.75 g/kg)，可能主要受到生物量以及有機質分解速率的影響[24]。整體來看，0 ～ 60 cm土壤有機碳平均含量為2.70 g/kg。根據全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準[25]可知，除去0 ～ 10 cm 土層土壤有機碳含量屬第5 級外，其余各層土壤有機碳含量都處在第6 級，0 ～ 60 cm 整體土壤有機碳含量處在第6 級，屬較為缺乏。而各層土壤有機碳含量均屬于中等變異水平[26]。

2.2 研究區(qū)土壤有機碳含量時間分布特征

從時間維度來看，經過長期的圍墾，人類活動施用大量有機肥以及耕作物、自然凋落物還田增加了表層有機碳的輸入，加上圍墾后的土壤經過長期耕作脫鹽后，土壤本身性質得到了極大的改善，熟化程度不斷提高，有利于土壤有機碳的積累，因而研究區(qū)各層土壤有機碳含量大體上均隨著圍墾年限的增加呈上升趨勢，但不同土層略有差異。對相同深度不同圍墾年限的土壤有機碳含量差異進行分析，結果顯示在0 ～ 10 cm 土層中，圍墾61 a 的墾區(qū)土壤有機碳含量略低于圍墾38 a 墾區(qū)；在10 ～20 cm 以及20 ～ 30 cm 土層中，未圍墾的光灘土壤有機碳含量高于圍墾5 a 的灘涂草地；對于0 ～ 60 cm 土層，圍墾5 a 的墾區(qū)土壤有機碳含量略低于未圍墾的光灘。在圍墾時間相同的情況下，隨著土壤深度的增加，未圍墾的光灘、圍墾38 a 以及圍墾61 a 的墾區(qū)土壤有機碳含量整體呈現下降趨勢。不同深度土層土壤有機碳含量受圍墾年限的影響不同，總的來看，除了30 ～ 40 cm 土層，其余各層不同圍墾年限土壤有機碳含量均有顯著差異(P＜0.05)，并且隨著土壤深度的增加，圍墾年限對于有機碳含量變化的影響減弱，這是由于耕作層以下土壤受人類活動的影響較小，施肥以及植物殘體還田對于土壤有機碳變化的貢獻較弱，更多的受到土壤顆粒組成的影響[27]，接近土壤本身的理化性質。

表2 不同年限圍墾區(qū)土壤有機碳含量差異(g/kg)Table 2 Differences in soil organic carbon contents between different reclamation zones

2.3 研究區(qū)土壤有機碳含量空間分布特征

對剔除異常值后的數據進行半方差分析，根據決定系數(R2)和殘差(RSS)等判斷各層土壤有機碳數據的最優(yōu)擬合模型，結果表明，20 ～ 30 cm 土層擬合效果最好，R2為0.634。0 ～ 10 cm 土層有機碳最優(yōu)半方差模型為指數模型，20 ～ 30 cm 土層為高斯模型，10 ～ 20、30 ～40、40 ～ 60 cm 土層為球面模型，0 ～60 cm 土層為球面模型。研究區(qū)各層土壤塊金值介于0.045 ～ 0.466。0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 30、40 ～ 60 cm

土層塊金效應值均低于25%，土壤有機碳具有強烈的空間自相關性；30 ～ 40、0 ～ 60 cm 土層塊金效應值介于25% ～ 75%，土壤有機碳含量呈現出中等強度的空間自相關[26](表3)。

利用在GS+軟件中擬合的半方差理論模型參數，在ArcGIS10.2 中采用Kriging 插值方法對研究區(qū)土壤有機碳含量進行空間插值分析，得到不同土層土壤有機碳含量空間分布，如圖2 所示。結果顯示，研究區(qū)各土層土壤有機碳含量基本呈現由灘涂向內陸逐漸增加的趨勢。在0 ～ 10 cm 土層，土壤有機碳含量高值出現在研究區(qū)的西北部，大部分位于61 a 圍墾區(qū)和38 a 圍墾區(qū)交界處，實地采樣發(fā)現這一區(qū)域主要為林地，一般林地的枯枝落葉歸還量大，容易積累大量的有機碳；還有一小部分高值區(qū)位于61 a 圍墾區(qū)北部中間位置，土壤有機碳含量達4.95 ～ 5.45 g/kg；自高值區(qū)向周圍擴展土壤有機碳含量逐漸降低，最低值出現在靠近海岸區(qū)域，其平均含量為2.95 ～ 3.45 g/kg；另外，還可以看出61 a 圍墾區(qū)東南部表層土壤有機碳含量明顯低于中部，有研究認為該區(qū)域地下水鹽度較高[11]，較難進行開發(fā)利用，有機質來源較少，土壤有機碳含量因此偏低。

表3 土壤有機碳含量變異函數模型及相關參數Table 3 Variogram theory models and corresponding parameters of soil organic carbon contents in different layers

在10 ～ 20 cm 土層，土壤有機碳含量呈帶狀分布，最高值分布在研究區(qū)西北部61 a 圍墾區(qū)和38 a圍墾區(qū)，土壤有機碳含量均值達4.10 ～ 4.61g/kg；低值區(qū)出現在靠近海岸的部分，土壤有機碳含量介于2.06 ～ 2.57 g/kg；該層有機碳含量整體水平低于0 ～10 cm 土層。

在20 ～ 30 cm 土層，土壤有機碳含量分布也呈現條帶狀同時伴有局部特征，高值區(qū)靠近內陸，位于61 a 圍墾區(qū)東部，這一區(qū)域由于圍墾時間較長并且靠近內陸，相對于濱海土壤更適于植物生長，有機物質的輸入增加，同時遠離海水的沖刷使得有機物質流失量減小，因而土壤有機碳含量較高；同時在38 a 圍墾區(qū)的西北部高值區(qū)呈現斑塊狀分布，其土壤有機碳含量均值為3.11 ～ 3.49 g/kg。

在30 ～ 40 cm 土層，土壤有機碳含量同時受到地表活動諸如土地利用、翻耕、施肥等以及植物根系生長、微生物活動、土壤本身物理性質等多重因素影響，影響因素變化復雜，土壤有機碳分布沒有規(guī)律，局部特征明顯。

在40 ～ 60 cm 土層，研究區(qū)西南部土壤有機碳含量最高，為2.20 ～ 2.45 g/kg，向東逐漸降低；同樣在30 a 圍墾區(qū)南偏西位置出現小范圍的高值；靠近海岸區(qū)域土壤有機碳含量均值為1.20 ～ 1.70 g/kg。這一深度土壤有機碳含量受地表人類活動的影響較表層土壤有所減弱，出現了同表層土壤有機碳不一樣的分布規(guī)律。

整體上，0 ～ 60 cm 土層土壤有機碳含量基本呈現帶狀分布，研究區(qū)西北角土壤有機碳含量介于2.86 ～ 3.22 g/kg，再向東南方向為高值區(qū)，土壤有機碳含量達3.22 ～ 3.58 g/kg；有機碳含量為2.50 ～2.86 g/kg 的區(qū)域在38 a 圍墾區(qū)以及30 a 圍墾區(qū)均有分布；靠近海岸區(qū)域為有機碳含量低值區(qū)，其平均值為1.78 ～ 2.14 g/kg。

圖2 研究區(qū)不同土層深度土壤有機碳含量空間分布Fig. 2 Spatial distribution of soil organic carbon contents in different layers in study area

2.4 研究區(qū)不同土地利用方式土壤有機碳含量差異

根據實地采樣時記錄的土地利用方式，對不同圍墾年限、不同土地利用方式下的0 ～ 60 cm 土壤有機碳含量進行分析，結果(表4)顯示，圍墾5 a 的灘涂草地土壤有機碳含量均值最低為1.92 g/kg，未圍墾的光灘土壤有機碳含量略高于灘涂草地，其均值為1.93 g/kg，二者沒有顯著差異，這是由于5 a 圍墾區(qū)區(qū)內種植了田菁、鹽蒿等耐鹽作物，這些植物殘體進入土壤成為表層土壤有機質的重要來源，但是由于圍墾初期土壤鹽堿度高難以利用，土壤有機碳輸入較少，同時微生物的呼吸作用也會消耗有機質，因而有機碳含量同未圍墾光灘并無顯著差異；同期圍墾的耕地其土壤有機碳含量顯著高于養(yǎng)殖水面，這是因為在圍墾年限相同的情況下魚塘底泥有機質輸入量比耕地低；61 a 圍墾區(qū)耕地土壤有機碳含量略低于38 a圍墾區(qū)耕地，灘涂土壤經過人類有序的墾殖利用后，其土壤有機碳含量顯著增加。

對不同圍墾年限不同土地利用方式下的各層土壤有機碳含量進行分析，結果顯示，0 ～ 10 cm 土層土壤有機碳含量差異最為明顯，未圍墾的光灘有機碳含量最低，相同圍墾時期耕地的土壤有機碳含量顯著高于養(yǎng)殖水面，61 a 圍墾區(qū)耕地土壤有機碳含量略低于38 a 圍墾區(qū)耕地；10 ～ 20、20 ～ 30、30 ～ 40、40 ～ 60 cm 土層土壤有機碳含量差異明顯小于0 ～ 10 cm 表層土壤，土地利用方式對深層土壤有機碳含量并無明顯影響；除30 ～ 40、40 ～ 60 cm 土層61 a 圍墾區(qū)耕地土壤有機碳含量略低于38 a 圍墾區(qū)耕地外，同一土地利用方式土壤有機碳含量隨著圍墾年限的增加呈現上升趨勢。

表4 不同墾區(qū)不同土地利用方式土壤有機碳含量差異(g/kg)Table 4 Differences in soil organic carbon contents under different land use types in different reclamation zones

2.5 研究區(qū)各層土壤有機碳含量影響因素

以往的研究多認為土壤有機碳對土壤的養(yǎng)分供應、理化性質有著直接的影響，是土壤理化性質變化的原動力。事實上隨著現代農業(yè)的發(fā)展，人類活動比如施肥、灌溉、施用農藥殺蟲劑等會對土壤的理化性質產生極大的影響進而影響到土壤有機碳固定的微觀環(huán)境，最終使得土壤有機碳的來源、固定或分解速率發(fā)生變化，土壤有機碳含量改變[28]。對研究區(qū)各層土壤有機碳、粒度、pH 及總鹽之間的相關關系進行分析，結果表明(表5)，0 ～ 10、10 ～ 20 以及20 ～30 cm 土層有機碳含量與粉粒含量存在顯著正相關關系(P＜0.05)，與砂粒含量、土壤pH 以及土壤總鹽呈顯著負相關(P＜0.05)；30 ～ 40 cm 土層土壤有機碳含量與土壤粒度以及pH 不存在顯著相關關系，與土壤總鹽呈顯著負相關(P＜0.05)；40 ～ 60 cm 土層土壤有機碳含量與粒度相關性顯著，與pH 呈現顯著負相關(P＜0.05)，與土壤總鹽無顯著相關關系。土壤pH主要從兩個方面影響土壤的有機碳含量：一方面土壤pH 會影響植物生長狀況，而植物殘體是土壤有機碳的重要來源，另一方面pH會影響土壤微生物活性[28]，而土壤微生物活動會分解土壤中的有機質，造成土壤有機質的流失。研究區(qū)土壤呈堿性[13](pH＞8)，有研究表明在pH＞8 時，土壤有機質隨著pH 的增加快速下降[29]，這是由于隨著土壤pH 的增加，植物的生長以及微生物的分解活動都受到抑制，土壤有機碳源大大減少，因而研究區(qū)0 ～ 30 cm 深度各層土壤有機碳含量均與pH 呈顯著負相關關系。土壤粒度對于土壤結構、養(yǎng)分有著重要的影響[30-31]。土壤中黏粒同有機質的結合能夠增強其抵抗微生物分解的能力，土壤中黏粒含量高時，有機物質的分解速率較慢，土壤中有機碳的含量也就相對較高[32]。已有研究表明，土壤顆粒組成的不同會造成養(yǎng)分差異[31]，小粒徑土壤顆粒對有機碳有保護作用[33]，而砂粒中的有機物質容易礦化分解，此外粉粒含量對土壤含水量有影響[34]，因此土壤的黏粒、粉粒細顆粒的含量同土壤有機碳含量呈正相關，而砂粒的含量則與有機碳含量呈負相關[33]，本研究區(qū)的研究結果也印證了這一規(guī)律。以往研究表明，有機碳含量同土壤鹽度一般呈負相關，這是由于土壤分形維數越高，土壤結構愈加緊實，土壤顆粒表面積增加，從而吸附的鹽離子含量增加，相應地對有機質的固定就會減少[30]，在本研究區(qū)，0 ～40 cm 深度各個土層土壤有機碳含量與總鹽均呈顯著負相關。經綜合分析，灘涂圍墾區(qū)的演化同時受到自然與人為因素的雙重影響[35]。

表5 土壤有機碳含量與其他屬性的相關性Table 5 Correlations between soil organic carbon contents and other soil properties

3 結論

自然因素及人為因素二者的權衡與協同對于土地資源的配置及沿海灘涂圍墾后的土地利用空間格局產生重要影響，進而影響灘涂土壤中有機碳的累

積。結果顯示，研究區(qū)土壤有機碳含量均值為1.75 ～3.90 g/kg，江蘇沿海典型灘涂圍墾區(qū)各層土壤有機碳含量在經過人類圍墾及開發(fā)利用之后都有了顯著的提升，一般來看，土壤有機碳含量呈現出隨著圍墾時間的增加、自海向陸呈現逐漸增加的趨勢，隨著土壤深度的增加呈下降趨勢。相比于養(yǎng)殖魚塘及草地，耕地土壤有機碳含量更高；研究區(qū)土壤有機碳含量隨著pH 以及總鹽的增加呈下降趨勢；土壤有機碳含量與土壤細顆粒(黏粒、粉粒)含量呈正相關。不同土層土壤有機碳含量的主控因素不同，表層土壤有機碳含量受人類土地利用活動的影響較大，這也加劇了土壤有機碳的空間異質性。