杭州灣南岸圍墾區土壤有機碳空間分布特征及其影響因素

原一荃，王 繁

(杭州師范大學生命與環境科學學院生態系統保護與恢復杭州市重點實驗室,浙江杭州 310036)

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杭州灣南岸圍墾區土壤有機碳空間分布特征及其影響因素

原一荃，王 繁*

(杭州師范大學生命與環境科學學院生態系統保護與恢復杭州市重點實驗室,浙江杭州 310036)

摘 要：在杭州灣南岸慈溪圍墾區采集不同圍墾年代的土壤樣品,研究圍墾區土壤表層有機碳空間分布規律及其影響因素。結果表明:圍墾區不同年代土壤表層有機碳含量為0.41～10.45 g·kg-1,平均含量為4.515 g· kg-1;隨著圍墾時間延長,土壤表層有機碳含量表現出增加的趨勢;土壤中全氮含量及碳氮比與有機質含量呈現出顯著的相關性(P＜0.01)。圍墾年限和土地利用方式對土壤表層有機碳含量具有顯著影響,并且存在顯著的交互作用。

關鍵詞：圍墾年限;土地利用方式;土壤有機碳

DOI 10.16178/j.issn.0528-9017.20160246

濕地是陸地上最大的生物碳庫［1］,它的土壤有機碳儲備量占世界總有機碳儲備量的20%～25%［2］。濱海濕地時時處在動態變化之中［3］,它的外貌景觀及土壤性質也隨時發生變化。隨著經濟發展以及人口的不斷增加,糧食需求及土地開發強度均日益增大,濕地圍墾是解決糧食問題、緩解人口壓力的有效途徑。自200多年前西班牙近半數的沿海地區被圍墾開始,填海造陸已經成為歐洲沿海一項非常普遍的人類活動［4］。我國濕地總面積6.594萬km2,占國土面積的6.5%［5］,大約有51%的濕地被圍墾后作為農業用地［6］。在過去的65年里,浙江省有2 300 km2濱海潮灘被開發利用［7］。

近年來,碳循環以及圍墾區土壤性質的變化成為研究熱點,尤其是農業墾殖后土壤有機碳的變化受到了廣泛關注［8］。有研究認為,天然濕地由于圍墾后水分的減少、溫度的變化以及曝氣量增加,有機質礦化過程加劇,會導致濕地中的有機質減少［9］。但也有研究顯示,隨著圍墾年限的增加,土壤電導率、團聚體粒徑、pH均減小,但土壤有機質卻有增大的趨勢［8］。

杭州灣南岸屬于典型的淤漲型灘涂,受農業墾殖等人類活動影響劇烈。慈溪濕地位于杭州灣南岸,中心區域總面積43.5 km2,具有明顯的月相變化和季節變化,在浙江省土地資源的可持續利用和保護中具有獨特的地位和作用［10 -11］。本文以其不同時期圍墾的土壤為研究對象,探討土壤表層有機碳分布的影響因素,以及濱海圍墾區在不同圍墾年限與土地利用方式的共同作用下土壤表層有機碳庫的變化規律,以期為濱海濕地的合理開發利用提供依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于杭州灣南岸慈溪圍墾區,地理坐標30°7′27.37″—30°21′33.55″N,120°59′0.99″—121° 33′42.15″E。地處北亞熱帶南緣,屬季風型氣候,年平均氣溫16.0℃,雨量充足,年平均降水量1 272.8 mm,夏秋間多熱帶風暴。研究區土壤類型自海邊向內陸依次包括鹽土、潮土、水稻土3個土類,成土歷史短,粉砂含量高,呈中性至微堿性。

1.2土樣采集與測試分析

根據文獻資料,慈溪圍塘歷史可追溯至宋代［10］,之后隨著海涂的北移而不斷修筑,形成了以海塘為特征的明顯的圍墾分區。本研究在垂直于杭州灣南岸海岸線方向布設6條采樣帶,每條采樣帶布設7～9個表層采樣點,共采集表層土樣48個(圖1)。采樣點覆蓋了研究區近千年的主要圍墾區域。

采樣時先清除地表覆蓋物及枯枝落葉,然后采集表層20 cm厚的土壤。在采樣過程中,利用手持GPS準確記錄采樣點的坐標及土地利用情況,并通過田間詢問的方式獲取近年來采樣點周圍土地利用情況及施肥狀況。

采集后的樣品先進行風干處理,并在樣品風干后去除草根、石塊、農膜等,進行研磨過篩處理,過100目篩以滿足土壤理化性質的測定。pH及電導率用土液比1∶5浸提,電位法測定(NY/T 1377—2007);樣品總碳及總氮的測定采用元素分析儀(EURO EA)完成;總有機碳測定利用TOC 儀(Analytikmutli N/C3100)完成。

1.3數據處理

利用SPSS 16.0軟件對試驗結果進行統計分析。

2　結果與分析

2.1土壤特性空間分布

不同圍墾年代土壤pH值、電導率(EC)、總碳(TC)、總氮(TN)、有機碳(TOC)含量見圖2。不同圍墾年代土壤pH變化范圍在7.80～9.80,整體呈弱堿性。1500—1900年圍墾區土壤EC1:5保持在較低水平且相對穩定,但2000年以后圍墾區域的EC1:5明顯大于之前圍墾區:這可能是因為新圍灘涂因圍墾時間較短,且多為未利用荒地,地表土壤聚集了大量易溶性鹽類,隨圍墾年限的增加,土地脫鹽作用明顯。不同圍墾年代土壤總碳含量差異不顯著,為6.45～17.24 g·kg-1。但圍墾區土壤有機碳含量差異顯著,隨圍墾年限的增加逐漸增大; 2000年以前圍墾區較2000年以后新圍灘涂土壤有機碳含量顯著增加,圍墾區土壤有機碳含量峰值出現在1700年之前的圍墾區。圍墾區土壤全氮含量的變化趨勢與有機碳相似,1700年之前的圍墾區達到最大值(0.578±0.086) g·kg-1,之后出現明顯回落。

濱海圍墾區經歷了從灘涂、荒地、林地到農用地的變化,在不同土地利用方式下,研究區土壤理化性質存在明顯差異。菜地和林地的TOC,TN含量顯著高于荒地和灘涂(表1)。由此可見,灘涂圍墾開發改變了土壤理化性質,補充了土壤有機碳及氮素在礦化過程中的損失。

2.2濕地土壤有機碳與其他土壤特性的相關性分析

土壤組成成分復雜,為了明確影響土壤有機碳的主要因素,選取pH,EC1:5,C/N,總氮4個指標進行多元分析。對各指標做Pearson相關分析,得到相關系數矩陣。由表2可知,有機碳與EC1:5,C/N均呈現極顯著負相關(P＜0.01);與總氮呈極顯著正相關(P＜0.01)。

表2　土壤有機碳與其他土壤特性之間的相關關系

2.3濕地土壤有機碳多因素方差分析

多因素方差分析結果表明,圍墾年限和土地利用方式對土壤有機碳含量分布均有顯著影響,且圍墾年限與土地利用方式之間存在顯著的交互作用。這可能是由于隨圍墾年限的增加,枯枝落葉等凋落物的分解與積累以及人類對土壤的利用改善(人工施肥等)程度加劇,致使土壤有機物輸入大于輸出,進而引起土壤有機碳的持續增加。

3　討論

3.1圍墾年限對土壤有機碳含量的影響

慈溪灘涂經歷了上千年的圍墾,經過長期蓄淡養青、種植耐鹽作物等改良措施,該地區的土壤理化特性已經發生顯著變化［12］。圍墾后長期種植、培肥改良等措施加速了土壤熟化,有機質積累明顯,土壤有機碳含量明顯提高［4］。本文研究結果表明,隨著圍墾年限的增加,表層土壤中有機碳含量表現出明顯的增長趨勢,這與吳明等［13］在杭州灣南岸揭示的土壤表層有機碳在圍墾初期(圍墾5年和25年)表現為隨時間增長逐漸增加的趨勢一致。

本研究中圍墾年限的時間跨度較長,各圍墾年限之間的間隔也都較大,除2000年以后圍墾的20處采樣點外,其他圍墾年限都超過50年,并且研究區域覆蓋整個慈溪平原圍墾區(圖1),選擇代表性較強的采樣點,突出了圍墾年限對土壤表層有機碳的影響作用。圍墾初期(2000年以后圍墾)土壤有機碳含量與其他圍墾年限的差異具有統計學意義,但其他圍墾年限之間差異較小,無統計學意義(圖2)。2000年以后圍墾利用的土壤有機碳含量較少,但上升率遠大于其他圍墾區,說明圍墾后0～15年的土壤有機質礦化分解作用較強,有機物積累較少,這與圍墾后土壤含水量逐年減小有關［14］。一般來說,圍墾利用剛開始的十幾年內土壤有機質積累較少,這是因為這段時間內土壤C/N值較大,利于土壤微生物活動,木質素分解形成CO2速率加快［15］。1900年的圍墾區土壤有機碳含量明顯增高,這主要是由于圍墾利用后采取蓄淡養青、種植耐鹽作物等措施積累土壤有機質,加速土壤脫鹽,提高了土壤肥力［16］;長久以來留存在土壤中的根系以及未收取的農作物地上殘體,經過分解后會產生大量有機質［17］。再加上人為有機肥源的輸入造成土壤熟化程度越來越高,此時雖然土壤的礦化作用仍在繼續,但輸入遠大于輸出,土壤有機碳持續增加。隨圍墾年限的增加,施用氮肥的積累,表層土壤總氮含量增大,減緩了由于雨水下滲以及人工灌溉造成的土壤氮素損失。同時,土壤碳氮比有所上升,從而在一定程度上減緩了有機質礦化分解作用［18］。由多因素回歸分析結果可知,土壤有機碳不僅受圍墾年代的影響,也受土地利用方式與圍墾年限的共同作用。

圖2　不同圍墾年代表層土壤特性的空間分布特征

3.2土地利用方式對土壤有機碳的影響

與Shepherd等［19］和Tan等［20］認為圍墾后不同土地利用方式表層有機碳含量均有所下降不同的是,本研究區內土壤有機碳含量按照林地、菜地、荒地、灘涂的順序依次遞減。

研究區內表層土壤有機質含量最低的是未圍墾灘涂,主要土壤類型為潮灘鹽土及濱海鹽土,成土時間短,土壤有機質含量較低。土壤pH在8以上,堿性環境使土壤有機質降解速度較快［21］,且未見存在植物生長,有機碳積累速率顯著低于其他土地利用方式。

表層土壤有機碳的重要來源是地表枯落物［22］。相對于鮮少植被的未圍墾灘涂,大部分荒地覆蓋有蘆葦等植物,土壤固碳能力增強。圍墾后土壤含水率下降,再加上荒地因鮮少人工管理,荒灘植物殘體大部分歸還到土壤中,可以積累部分有機質。但由于土壤的礦化作用仍在繼續,且受人為干擾較少,缺少人工碳源的輸入,因此表層土壤有機質含量仍然較低。

對于土壤性質改變最大的因素是人為活動,其中尤以農業利用最為明顯［8］。圍墾土地用作菜地后,土壤有機質含量相對較高。這是由于菜地需要較為精細的人工管理,為保持土壤肥力,不斷施入有機肥,補充了土壤有機質的損失。同時,大量氮肥的施用,使土壤碳氮比減小,抑制了微生物的活性,降低了有機質的分解速率。

圍墾后,以苗木為主的林地土壤有機碳含量較高,證明土壤固碳能力進一步增強。在林地模式下,人為施肥增加了土壤表層有機質,因有機質的膠結作用形成較大團聚體,且人為的翻耕明顯減少,大團聚體較少被破壞,有利于形成有機碳的物理保護［23］。加之林地地表雜草以及枯枝落葉豐富,散落在表層,有助于土壤有機質的積累,因此造成表層有機碳含量的升高。

總體來看,圍墾及不同土地利用方式引起的土壤水熱條件的改變及地表植被覆蓋類型的變化都會影響濕地表層土壤有機碳的空間分布。實際上,濱海濕地微地貌格局復雜且有隨機的水文事件,同時還會受到人類活動的干擾［13］,多種因素共同塑造著土壤中有機質的空間分布,但每種因素的影響方式和干擾程度仍需進一步研究探討。

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(責任編輯：高 峻)

通信作者:王 繁(1976—),男,河南固始人,博士,副研究員,主要從事土壤碳循環方面的研究工作,E-mail:wangfan@hznu.edu.cn。

作者簡介:原一荃(1989—),女,山東威海人,碩士研究生,主要從事濱海濕地有機碳遙感監測等研究工作,E-mail:709012047 @qq.com。

基金項目:浙江省自然科學基金(LY15D010007)

收稿日期:2015-10-15

中圖分類號：S152

文獻標志碼：A

文章編號：0528-9017(2016)02-0284-04

文獻著錄格式:原一荃,王繁.杭州灣南岸圍墾區土壤有機碳空間分布特征及其影響因素［J］.浙江農業科學,2016,57 (2):284-287,296.