退耕還湖后菜子湖濕地土壤剖面有機(jī)碳分布變化

劉文靜，汪永進(jìn)，崔 宏，彭 江，司紅君，張平究

（1.安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽自然災(zāi)害過(guò)程與防控研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241003；2.云龍湖水庫(kù)管理處,江蘇 徐州221000）

退耕還湖后菜子湖濕地土壤剖面有機(jī)碳分布變化

劉文靜1，汪永進(jìn)2，崔 宏1，彭 江1，司紅君1，張平究1

（1.安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽自然災(zāi)害過(guò)程與防控研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241003；2.云龍湖水庫(kù)管理處,江蘇 徐州221000）

退耕還湖是我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)濕地生態(tài)恢復(fù)的重要舉措，土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)濕地生態(tài)功能恢復(fù)的重要組成部分。本文選取菜子湖區(qū)不同退耕年限（2、5、8、10、20a）和退耕后不同植被群落（苔草、蘆葦和酸模）濕地土壤為研究對(duì)象，揭示退耕還湖后退耕年限和植被類型對(duì)濕地土壤有機(jī)碳恢復(fù)的影響。結(jié)果表明：隨退耕年限的增加，濕地土壤有機(jī)碳含量逐漸增加，但土壤有機(jī)碳密度隨退耕年限增加呈“升高―降低―升高”的趨勢(shì)，總體比油菜地高出61.5%～82.3%；不同植被類型下土壤剖面（0～55 cm）有機(jī)碳含量表現(xiàn)為：蘆葦（8.90g/kg）＞苔草（8.84g/kg）＞酸模（5.84g/kg），蘆葦土壤剖面有機(jī)碳含量隨土層深度增加而變化幅度小于苔草和酸模；不同植被類型下土壤剖面（0～55 cm）有機(jī)碳密度呈現(xiàn)出蘆葦（7.92 kg/m2）＞苔草（7.42 kg/m2）＞酸模（5.01 kg/m2）。結(jié)果分析表明退耕還湖后菜子湖濕地植被恢復(fù)和理化性質(zhì)變化促進(jìn)土壤有機(jī)碳含量及其密度變化，而苔草、蘆葦和酸模土壤剖面土壤有機(jī)碳恢復(fù)不一致，蘆葦對(duì)土壤剖面有機(jī)碳密度提升能力最強(qiáng)。

退耕年限；植被類型；有機(jī)碳含量；有機(jī)碳密度；菜子湖濕地

濕地是介于陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡地帶[1]，因其具有地表周期性或長(zhǎng)期積水導(dǎo)致的厭氧條件和極高動(dòng)植物生物量的性質(zhì)[2]，是地球上重要的碳匯之一。濕地土壤還原性較強(qiáng)導(dǎo)致土壤中好氧微生物活動(dòng)弱，大量動(dòng)植物殘?bào)w分解緩慢，以有機(jī)質(zhì)或泥炭的方式儲(chǔ)存積累，使得濕地土壤成為天然的碳匯，濕地90%以上的碳儲(chǔ)量存在土壤中。Dixon和Schlesinger認(rèn)為濕地碳儲(chǔ)量占全球陸地生物圈碳總量的7%[3]，而呂憲國(guó)等認(rèn)為濕地碳儲(chǔ)量占全球陸地碳庫(kù)總儲(chǔ)量的15%[4]。濕地土壤有機(jī)碳不僅影響土壤理化性質(zhì)、土壤肥力和生物生長(zhǎng)[5]，而且響應(yīng)著全球氣候變化。

植被類型和人類耕作活動(dòng)可對(duì)土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度產(chǎn)生影響。不同植物通過(guò)影響土壤有機(jī)碳的輸入數(shù)量和質(zhì)量而影響土壤有機(jī)碳分布[6]，而人類活動(dòng)不僅直接影響土壤有機(jī)碳的含量和分布，還可通過(guò)影響與有機(jī)碳形成和轉(zhuǎn)化有關(guān)的因子間接影響土壤有機(jī)碳積累和分解[7]。本文分析討論菜子湖區(qū)退耕還湖后不同退耕年限和不同植被類型濕地土壤剖面有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度差異及其產(chǎn)生原因，為退化濕地生態(tài)恢復(fù)及其有效管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

菜子湖位于安徽省安慶市，是長(zhǎng)江中下游淡水湖泊群的重要組成部分之一，位于117°01′～117°09′E，30°43′～30°58′N，總面積17300 hm2。湖區(qū)地貌以丘陵和沖積平原為主，年平均氣溫16.6℃，年平均降水量1325.5 mm。4～10月為豐水期，水深3 m以上，11月～翌年3月為枯水期，湖底大多出露為灘涂。湖區(qū)主要土壤類型為紅壤、潮土和水稻土。20世紀(jì)50年代菜子湖區(qū)開始大規(guī)模圍墾，導(dǎo)致濕地大面積消失，到80年代中期開始逐步退耕還湖，1998年特大洪水后，退耕還湖進(jìn)程加快。許多退耕還湖區(qū)因地制宜的地選擇了恢復(fù)為自然濕地或進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，旨在尋求濕地生態(tài)調(diào)蓄功能與經(jīng)濟(jì)收益間的平衡。

1.2 土樣采集與處理

不同退耕年限濕地采樣區(qū)基本信息見文獻(xiàn)[8]。

2011年4月，不同植被類型濕地采樣區(qū)位于菜子湖區(qū)幸福圩，該圩建于1958年，于1986年破圩，后進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖。選取退耕還湖后苔草、蘆葦和酸模3種植被群落濕地。每種類型植被下濕地采3個(gè)土壤剖面，根據(jù)采樣點(diǎn)土壤剖面顏色、緊實(shí)度和根系多少的變化確定土壤采樣層次，分0～6 cm、6～13 cm、13～25 cm、25～40 cm和40～55 cm共5個(gè)深度層次，采集45個(gè)土樣，采樣區(qū)基本信息見表1。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，挑去根、蟲體、石礫后研細(xì)，分別過(guò)2和0.149 mm徑篩，裝袋備用。

表1 研究區(qū)3種不同植被群落下濕地土壤基本狀況

1.3 分析方法

相關(guān)指標(biāo)測(cè)定方法[9]如下：土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法；pH值測(cè)定采用電位計(jì)法〔V(水)∶m(土)=2.5∶1〕；有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤粒徑分析參照MURRAY[10]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

各土層土壤有機(jī)碳含量 （SOC）:SOC=SOM÷1.724，剖面土壤有機(jī)碳含量（Cs）:

土壤有機(jī)碳密度（DOC）：DOC=SOC*B*H，剖面土壤有機(jī)碳密度（Cd）：

式中，SOC為有機(jī)碳含量 （g/kg）；DOC為有機(jī)碳密度（kg/m2）；B為土壤容重（g/cm3）；H為土層深度（cm）；i=1,2,3…，為土壤剖面不同層次。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退耕年限下濕地土壤剖面有機(jī)碳含量與有機(jī)碳密度變化

不同退耕年限下濕地研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量變化如圖1。退耕濕地土壤剖面有機(jī)碳含量在9.71～15.01g/kg，低于長(zhǎng)江中下游水稻土耕層有機(jī)碳平均含量（15.37g/kg）[11]，退耕還湖后濕地土壤有機(jī)碳含量主要取決于有機(jī)物的輸入、輸出量。退耕后研究區(qū)濕地土壤有機(jī)碳含量隨著退耕年限的增加而不斷升高,這是由于退耕后濕地土壤人類擾動(dòng)減弱，隨著植被的恢復(fù)，大量植物殘?bào)w歸還土壤使得有機(jī)質(zhì)含量增加，促進(jìn)土壤有機(jī)碳含量升高。同時(shí)退耕后自然水文條件建立，濕地淹水形成的還原環(huán)境使得土壤微生物活性降低，有機(jī)質(zhì)的礦化分解較慢，從而促使有機(jī)碳的積累。退耕后土壤粘粒含量隨著退耕年限延長(zhǎng)不斷升高[12]，土壤粘土膠體可通過(guò)吸附作用使得植被殘?bào)w或分解物免受或難被微生物的分解，進(jìn)而有利于土壤有機(jī)碳的積累。楊艷芳等研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)退耕后濕地土壤pH與有機(jī)質(zhì)存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]。研究區(qū)濕地土壤呈酸性，且退耕后土壤pH隨退耕年限的增加不斷下降，pH下降導(dǎo)致細(xì)菌等土壤微生物活性減弱，有機(jī)碳分解減慢、周轉(zhuǎn)下降，有利于土壤有機(jī)碳的積累。土壤氮素含量大體上決定有機(jī)碳的含量，土壤碳的保持在很大程度上決定于土壤氮素的水平[13]。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮、有效氮呈極顯著正相關(guān)[8]，退耕后濕地土壤氮含量迅速提高也促進(jìn)了土壤有機(jī)碳積累。

土壤有機(jī)碳密度是單位體積土壤中有機(jī)碳含量，其大小決定于土壤有機(jī)碳含量和土壤容重的大小。研究區(qū)不同退耕年限濕地土壤有機(jī)碳密度變化如圖2。不同退耕年限濕地研究區(qū)土壤有機(jī)碳密度在1.56～2.85 kg/m2，與許信旺等[14]研究的安徽省水稻土耕層有機(jī)碳密度為2.77±0.67 kg/m2的結(jié)果相近。退耕5a后濕地土壤有機(jī)碳密度從油菜地的1.57 kg/m2增加到2.67 kg/m2，這可能與退耕后濕地土壤有機(jī)碳含量和土壤容重同時(shí)升高有關(guān)，退耕后人類耕作活動(dòng)消除，淹水后土壤細(xì)小顆粒填充空隙，加上此時(shí)植被還未大量恢復(fù)，有機(jī)質(zhì)含量還未大量增加，導(dǎo)致土壤容重上升，土壤容重和有機(jī)碳含量的增加使得土壤有機(jī)碳密度大大增加。而退耕10a后濕地土壤有機(jī)碳密度又下降到2.56 kg/m2，這是由于退耕后土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成，致使土壤容重下降且土壤容重的下降幅度大于有機(jī)碳的積累幅度。退耕20a后，隨著植被的大量恢復(fù)，進(jìn)入土壤的枯落物以及根系殘留物和分泌物大大增加，濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量有了大幅增加，有機(jī)碳密度增加到2.86 kg/m2。總體上，退耕后濕地土壤有機(jī)碳密度比仍耕作的油菜地高61.50%～82.27%，表明退耕還湖在很大程度上提高了土壤有機(jī)碳密度，濕地土壤固碳能力增強(qiáng)，碳儲(chǔ)量增加，改善了濕地土壤質(zhì)量的同時(shí)也減緩了CO2向大氣的排放。

圖1 不同退耕年限下濕地土壤剖面有機(jī)碳含量的變化

圖2 不同退耕年限下濕地土壤剖面有機(jī)碳密度的變化

2.2 不同植被群落下濕地土壤剖面有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度分布

不同植被類型濕地研究區(qū)土壤剖面（0～55 cm）有機(jī)碳含量表現(xiàn)為蘆葦 （8.90 g/kg）＞苔草 （8.84 g/kg）＞酸模（5.84 g/kg）。 由于植被群落不同，植被生物量差異造成地表枯落物和根系分泌物的質(zhì)量差異，影響著有機(jī)質(zhì)的分解和積累進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量差異。如圖3所示，研究區(qū)內(nèi)0～6cm表層土壤有機(jī)碳含量最高，其中酸模 （81.17 g/kg）＞苔草（57.15 g/kg）＞蘆葦（33.65 g/kg）。 酸模干物質(zhì)中含有較高的多種維生素及氨基酸，有利于微生物對(duì)枯落物的分解與轉(zhuǎn)化，促進(jìn)有機(jī)碳的積累。苔草和蘆葦干物質(zhì)中所含粗纖維較高，枯落物分解速率較慢，土壤有機(jī)碳積累較慢。不同植被群落下土壤剖面有機(jī)碳含量分布均隨土層深度增加而遞減，酸模和苔草土壤有機(jī)碳含量隨土層加深而遞減的幅度較大，而蘆葦隨土層加深而遞減的幅度較小。Jobbagy G研究表明植物根系的分布直接影響有機(jī)碳的垂直分布[15]，研究區(qū)酸模和苔草的根系主要分布在0～6cm土層，而蘆葦根較粗壯，并且向下延伸較深，根系分泌物及殘留物使蘆葦較深層次土壤有機(jī)碳含量較高。

三種植被群落下土壤剖面（0～55 cm）有機(jī)碳密度與剖面有機(jī)碳含量分布一致，也表現(xiàn)為蘆葦（7.92 kg/m2）＞苔草（7.42 kg/m2）＞酸模（5.01 kg/m2）（圖4）。0～6cm表層土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)為苔草（2.88 kg/m2）＞酸模（2.09 kg/m2）＞蘆葦（0.83 kg/m2），這是由于苔草和酸模表層土壤有機(jī)碳含量極顯著高于蘆葦，且蘆葦根系多且發(fā)達(dá)，土壤孔隙度大，土壤容重較小，導(dǎo)致蘆葦表層土壤碳密度最小。酸模表層土壤有機(jī)碳含量雖然最高，但因其根系發(fā)達(dá)且長(zhǎng)勢(shì)好，覆蓋度高，表層土壤容重小，所以表層土壤有機(jī)碳密度小于苔草。苔草和酸模在0～6cm土層土壤有機(jī)碳密度大于下四層土壤有機(jī)碳密度，分別占整個(gè)土層深度的36.39%和41.83%，而蘆葦0～6cm土層土壤有機(jī)碳密度小于下四層土壤有機(jī)碳密度，但只占整個(gè)土層深度的11.16%。6～55cm土層中苔草土壤有機(jī)碳密度隨深度增加而逐漸升高，在40～55cm土層有所下降；酸模土壤有機(jī)碳密度無(wú)明顯變化；蘆葦土壤有機(jī)碳密度分布無(wú)明顯規(guī)律，但總體高于酸模和苔草，這些差異性表明不同植被根系分布對(duì)土壤有機(jī)碳密度剖面分布影響顯著。

圖3 不同植被群落下濕地剖面土壤有機(jī)碳含量的分布

圖4 不同植被群落下濕地土壤剖面有機(jī)碳密度的分布

3 結(jié)論

（1）退耕后，濕地土壤有機(jī)碳含量隨退耕年限增加而增加，有機(jī)碳密度比仍耕油菜地高61.50%～82.27%，表明退耕還湖后，菜子湖濕地土壤固碳能力增強(qiáng)，碳儲(chǔ)量增加，改善了土壤質(zhì)量，促進(jìn)濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。

（2）濕地植被類型影響土壤有機(jī)碳的剖面分布，苔草和酸模濕地表層土壤有機(jī)碳含量和密度高于蘆葦，但蘆葦濕地土壤剖面有機(jī)碳含量和密度均比苔草和酸模大，表明蘆葦土壤固碳能力較強(qiáng)，應(yīng)重視蘆葦在退耕還湖濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中的作用。

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[責(zé)任編輯：余義兵]

Changes of Distribution of Organic Carbon in Soil Profiles of Wetlands Recovered from Farmlands to Lakes in Caizi Lake

Liu Wenjing1，Wang Yongjin2，Cui Hong1，Peng Jiang1，Si Hongjun1，Zhang Pingjiu1
(1.College of Territorial Resource and Tourism,Anhui key Laboratory of Natural Disasters Process and Prevention,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241003;2.Yunlonghu Reservior Management Office,XuZhou,Jiangsu,221000)

Recovery from farmlands to lakes is an important measure to recover wetlands in the middle and lower reaches of Yangtze River.Soil organic carbon is an important ecological index in assessing the degree of degraded wetland recovery.It is estimated in wetlands with different restoration ages (2,5,8,10,20a)and different vegetation types(Phragmites australis,Carex maximowiczii and Rumex acetosa Linn)in Caizi Lake.The results show that soil organic carbon contents in wetlands increase with restoration ages while density of soil organic carbon is higher than this in rape field,with “increasing-decreasing-increasing”tendency,generally 61.5%～82.3%higher compared with rape fields.Soil organic carbon contents and density of soil organic carbon in 0～55 cm soil profiles show Phragmites australis(8.90g/kg)＞Carex maximowiczii(8.84g/kg)＞Rumex acetosa Linn (5.84g/kg)and Phragmites australis (7.92 kg/m2)＞Carex maximowiczii(7.42 kg/m2)＞Rumex acetosa Linn (5.01 kg/m2)respectively.With wetland restoration ages,vegetations and physochemical properties recovery induce increase of density soil organic carbon,and Phragmites australis present the strongest ability to increase density of soil organic carbon in Caizi Lake.

Restoration Age;Vegetation Type;Organic Carbon Content;Density of Organic Carbon;Caizi Lake

S153

A

1674-1104(2014)03-0010-04

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.003

2013-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41001369;41301249;41071337）;安徽省自然科學(xué)基金（1308085MD22）。

劉文靜（1989-），女，江蘇淮安人，安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院碩士研究生，主要從事濕地土壤環(huán)境方面研究。