三江平原不同土地利用方式下土壤可溶性有機(jī)碳的分布特征

郭岳 張仲勝 宋曉林

(1 吉林省濕地保護(hù)管理辦公室，吉林 長(zhǎng)春，130022；2 中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012)

三江平原不同土地利用方式下土壤可溶性有機(jī)碳的分布特征

郭岳1張仲勝2*宋曉林2

(1 吉林省濕地保護(hù)管理辦公室，吉林 長(zhǎng)春，130022；2 中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012)

通過測(cè)定三江平原不同土地利用方式下典型樣帶土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）含量，研究了土壤DOC分布特征及影響因素，以揭示墾殖過程對(duì)土壤DOC的影響。結(jié)果表明：在不同的土地利用方式下，小葉章濕地土壤中DOC含量最高（768.54 mg/kg），林地次之（島狀林為676.65 mg/kg；人工楊樹林為575.91 mg/kg），農(nóng)田土壤最低（玉米地為318.7 mg/kg；水稻田為523.94 mg/kg）。除水稻田外，其余4種土地利用方式下土壤DOC由表層至底層均呈現(xiàn)出先增加而后急劇減少的趨勢(shì)，在水稻田中，DOC含量隨著剖面深度增加而明顯升高；土壤DOC含量與土壤有機(jī)質(zhì)（SOM)含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.588，p<0.001），與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.228，p=0.038）。濕地墾殖后，土壤中DOC占SOM的比例下降，表明濕地墾殖減緩了土壤碳周轉(zhuǎn)速率。

三江平原；土地利用方式；DOC；小葉章濕地；分布特征

土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）是土壤碳庫中極為重要的碳組分，為微生物生長(zhǎng)和生物分解過程提供重要的能量來源，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效性和流動(dòng)性、污染物的毒性及其遷移特性都有直接或間接影響（Bolan et al, 2011）。土壤可溶性碳（DOC）是指主要吸附在土壤或沉積物顆粒上或溶解在孔隙水中的總的水溶性有機(jī)碳庫（Tao et al, 2000），主要來源于植物凋落物、微生物分泌物、土壤腐殖質(zhì)以及植物根系分泌物（Engelhaupt et al,2001）。DOC在土壤中移動(dòng)較快，不穩(wěn)定，易于氧化和分解（Cook et al, 1992），是土壤有機(jī)碳中最易被植物和微生物利用的部分。DOC雖然僅占總有機(jī)碳中很小的一部分，但是DOC的產(chǎn)生、遷移與轉(zhuǎn)化對(duì)土壤碳庫和其他元素具有重要的影響（Sachse et al,2005; 郗敏等,2009; 張金波等,2005c）。

濕地生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫是地球表層最重要的碳庫之一，碳儲(chǔ)量巨大。土壤碳庫中DOC含量的波動(dòng)對(duì)于區(qū)域乃至全球碳循環(huán)過程具有深刻影響。土壤中DOC含量的影響因素主要包括凋落物的數(shù)量、組成、分解者群落等生物因素影響，非生物因素包括土壤的pH值、環(huán)境溫度、土壤水分及土地利用方式等（Kalbitz et al,2000)。三江平原是我國(guó)最大的淡水沼澤集中分區(qū)之一（呂憲國(guó),2008)，同時(shí)也是我國(guó)農(nóng)業(yè)開發(fā)最為活躍的地區(qū)。近50年來三江平原總共經(jīng)歷了3次大規(guī)模的墾殖過程，大量的濕地被開發(fā)為水田或旱田。土地利用方式的改變必然影響濕地土壤中有機(jī)質(zhì)及DOC的產(chǎn)生和遷移過程（毛艷玲等,2008; 張金波等,2005a)。目前已有的關(guān)于三江平原土壤DOC的研究主要集中在溝渠化對(duì)土壤DOC含量的影響方面（郗敏等,2008)，對(duì)于一些特定的景觀類型如島狀林、小葉章濕地土壤中DOC的分布特征也有一定研究（張金波等,2005b)，但對(duì)不同土地利用方式下土壤DOC含量特征研究并不充分，缺乏對(duì)比分析。本文選擇三江平原不同土地利用方式下的典型樣地，通過測(cè)定不同剖面深度中土壤DOC含量，研究了土地利用方式改變對(duì)土壤DOC含量及分布特征的影響，以期加深對(duì)土壤碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)。個(gè)剖面，將每一層土壤中混合均勻后密封于聚乙烯塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，室溫下自然風(fēng)干，碾磨過80目尼龍篩后，密封于聚乙烯封口袋中保存待測(cè)。

稱取10.0 g風(fēng)干土樣，放入盛有50 mL蒸餾水的三角瓶中，常溫下震蕩浸提30 min，高速離心10 min，上清液用0.45μm濾膜過濾，用TOC-VCPH（日本島津）測(cè)定浸提液中有機(jī)碳濃度，得到DOC濃度，通過水土比將DOC濃度換算成土壤DOC含量。測(cè)定過程中設(shè)置空白及平行，每個(gè)樣品測(cè)定3個(gè)重復(fù)。土壤pH值采用pHB-3（土水比為5:1）pH計(jì)測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定。所有測(cè)試工作由中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所分析測(cè)試部完成。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 13.0和Origin 7.5軟件包。

2 結(jié)果與討論

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為中國(guó)科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗(yàn)站 (47°34′30.5″N,133°29′45.2″E），海拔 55 m，屬于溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量600 mm。主要的優(yōu)勢(shì)種為小葉章Deyeuxia angustifolia、毛苔草Carex lasiocarpa和烏拉苔草Carex meyeriana。

1.2 樣品采集及分析

2015年8月選擇在典型玉米地、水稻田、小葉章濕地、人工楊樹林和島狀林中采集土壤樣品。土壤剖面深度為80 cm，采樣時(shí)按照0～2 cm、2～4 cm、4～6 cm、6～10 cm、10～15 cm、15～25 cm、15～40 cm、40～65 cm和65～80 cm分層采樣。在每一個(gè)調(diào)查樣地中選取3

2.1 不同土地利用方式下土壤DOC含量

三江平原土壤中DOC含量范圍為118.4～1 701.5 mg/kg，平均為589.2 mg/kg，變異系數(shù)為7.55%。同其它研究相比，三江平原土壤中DOC含量處于較高水平。如廣西喀斯特地貌區(qū)灌叢草地中DOC含量為150.6～221.1 mg/kg，平均為187.9 mg/kg，草叢坡地為134.6～234.5 mg/kg，平均為173.3 mg/kg（劉濤澤等,2009）；陜西黃土區(qū)土壤枯枝落葉層DOC含量為211.02 mg/kg，土層DOC含量為56.9 mg/kg（汪文霞等,2006)；福建羅浮栲天然林地土壤DOC含量為55.69 mg/kg（汪偉等,2008)，杉木林土壤DOC含量范圍為94.0～125.7 mg/kg(王清奎等,2007)，均遠(yuǎn)低于三江平原土壤中DOC含量。

三江平原不同土地利用方式下，土壤中DOC含量存在較大差異，表現(xiàn)出小葉章濕地＞島狀林＞人工楊樹林＞水稻田＞玉米地的規(guī)律（表1）。三江平原經(jīng)歷的自然濕地—旱田—水田過程中，土壤中DOC含量首先減少，而后上升。自然濕地土壤中DOC含量最高，林地次之，農(nóng)田土壤最低，這與前人的研究相一致。土地開墾是導(dǎo)致土壤DOC含量降低的主要原因，如小葉章草甸土壤開墾1年后，土壤DOC含量降低至原來的45%，且水田與旱田稍有差異。如開墾耕作35年的旱田，土壤DOC含量為112.55 mg/kg，耕作14年的水田DOC含量為131.74 mg/kg，均遠(yuǎn)低于自然小葉章草甸（張金波等,2005b)。伴隨著降雨與土壤水分運(yùn)動(dòng)，DOC含量將通過淋失的途徑遷移出體系之外（楊玉盛等,2003)。三江平原濕地邊界溝渠底泥中土壤DOC含量為191.64 mg/kg，旱田溝渠邊界底泥DOC含量為436.85 mg/kg，說明通過水流攜帶，由旱田遷出的DOC含量遠(yuǎn)高于由濕地中遷出的DOC含量，這可能主要與DOC的來源及在土壤中的賦存狀態(tài)有關(guān)（郗敏等,2008)。腐殖質(zhì)的淋溶及微生物分解(Mcdowell et al,1988)、枯枝落葉及有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程（Kalbitz et al,2000;Neff et al,2001)、植物根系分泌物（Prokushkin et al,2007)、微生物的新陳代謝都是DOC的主要來源（Michalzik et al,2001)。自然濕地及林地中植物凋落物的輸入量要遠(yuǎn)高于農(nóng)田，這為DOC的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。此外，土壤中DOC的主要成分是疏水性酸和親水性酸，主要依靠其與土壤顆粒、礦物及有機(jī)質(zhì)官能團(tuán)間的吸附作用賦存在土壤顆粒表面，其中FA（富里酸）和HA（胡敏酸）是土壤吸附過程中最活躍的物質(zhì)（Nebbioso et al,2013;楊玉盛等,2003)。自然濕地中有機(jī)質(zhì)含量高，組成復(fù)雜，含有大量的有機(jī)官能團(tuán)（Shafiquzzaman et al,2014)，對(duì)DOC的吸附能力較強(qiáng)，因此導(dǎo)致自然濕地中隨著地表水流遷出濕地中的DOC含量較少。此外，濕地墾殖過程中造成土壤碳庫的減少也是導(dǎo)致土壤中DOC含量急劇減少的主要原因。研究表明，三江平原不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為：沼澤濕地1.58×104t/km2、退耕還濕地為1.23×104t/km2、林地為 1.01×104t/km2、水田為 0.85×104t/km2、旱田為0.85×104t/km2(王麗麗 等,2009)。

表1 不同土地利用方式下土壤DOC含量Table 1 DOC contents under dif f erent land use

圖1 不同土地利用方式下土壤DOC剖面分布規(guī)律Fig. 1 Vertical distribution of DOC under dif f erent land use

2.2 不同土地利用類型中土壤DOC剖面分布規(guī)律

不同土地利用方式下土壤中DOC的剖面分布規(guī)律差異較大（圖1）。玉米地土壤剖面中，土壤DOC含量由表層至底層差異不大，波動(dòng)較小，最高值出現(xiàn)在15 cm左右。而小葉章濕地土壤剖面中，土壤DOC含量波動(dòng)較大，在表層4 cm深度DOC含量急劇升高，達(dá)到最大值，而后逐漸降低，在80 cm深度處，土壤DOC含量與玉米地中DOC含量接近。水稻田中，DOC含量在垂直方向上的規(guī)律表現(xiàn)出與玉米地及小葉章濕地截然不同的規(guī)律。除了在6～10 cm深度范圍內(nèi)土壤DOC含量有所減少之外，總體上由表層至底層，土壤DOC含量不斷增加，在40 cm深度處，土壤DOC含量達(dá)到最高值。

島狀林與人工楊樹林土壤剖面中DOC的分布規(guī)律較為一致。在0～10 cm深度范圍內(nèi)，土壤DOC含量不斷增加，在10 cm深度處達(dá)到最高值。而后在10～25 cm范圍內(nèi)急劇降低，在25～80 cm深度范圍內(nèi)DOC含量維持穩(wěn)定，波動(dòng)很小。

三江平原土壤DOC剖面分布規(guī)律與其它研究中得出的結(jié)果相一致（郗敏等,2009），隨著土壤剖面深度的增加，土壤中DOC含量逐漸降低（水稻田除外）。由于水稻田土壤樣品只采集到了40 cm深度，因此本文的結(jié)果只能反映出40 cm（即耕作層）中土壤DOC含量的變化規(guī)律。與玉米地、小葉章濕地、楊樹林及島狀林不同，水稻田典型的特征是一年內(nèi)地表長(zhǎng)期有積水。淹水條件能夠促進(jìn)土壤可溶性有機(jī)碳的釋放（萬忠梅等,2009)，且由于地表積

水的存在，水稻田中淋溶作用強(qiáng)烈，在垂直方向上DOC的交換更為強(qiáng)烈。由于在三江平原土壤剖面中存在很厚的白漿土層，質(zhì)地粘重，透水性差，因此大量的DOC在白漿土層上方堆積，造成在水稻田土壤剖面中出現(xiàn)一個(gè)DOC的高值層。而其它土地利用類型中并不存在地表積水，表層產(chǎn)生的大量的DOC基本上為土壤有機(jī)質(zhì)及土壤顆粒吸附，在垂直方向上淋溶作用較水稻田要弱得多，因此大量的DOC保留在地表約0～25 cm的土層中。方差分析表明，地表0～25 cm厚度土層中DOC含量要顯著高于底層土壤（F=16.187，p＜0.001）。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)及pH值對(duì)DOC含量的影響

圖2 土壤SOM含量與DOC含量關(guān)系Fig. 2 Relationships between SOM and DOC

土壤中DOC含量受到多方面因素的影響，如凋落物的輸入、微生物的活性、土壤水分含量、地貌條件等（Bolan et al,2011)。相關(guān)分析表明，三江平原土壤DOC含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.588，p＜0.0001)(圖2)。隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤中DOC含量也不斷升高。土壤有機(jī)質(zhì)為DOC的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解及有機(jī)質(zhì)的礦化過程中，均伴隨有DOC的釋放（Greenwood et al,2006）。有機(jī)質(zhì)的增加，為微生物活動(dòng)提供了能量來源，增加了微生物的活性，微生物對(duì)枯落物分解能力及速度增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤DOC增加，二者之間形成正反饋關(guān)系。此外，由于土壤有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力，大量的DOC將通過土壤的吸附作用或者通過絡(luò)合螯合反應(yīng)等為土壤有機(jī)質(zhì)所固定，這也導(dǎo)致土壤DOC含量的升高。

圖3 土壤pH值與DOC含量間關(guān)系Fig. 3 Relationships between soil pH and DOC

DOC是土壤有機(jī)碳組分中具有較高活性的部分，是土壤微生物的有效碳源，容易被分解利用變成CO2(Clair et al,2002)。通常土壤DOC含量與微生物碳含量占總有機(jī)碳的比例，反映了土壤中C周轉(zhuǎn)速度的快慢。土地利用方式的改變，通常會(huì)導(dǎo)致土壤碳源匯功能的轉(zhuǎn)換，因此其中C的周轉(zhuǎn)過程也必定受到影響。三江平原不同土地利用方式土壤中DOC與土壤有機(jī)質(zhì)的比例（RD/S）差異很大，表現(xiàn)出小葉章濕地（4.64%）＞水稻田（2.25%）＞玉米地（1.23%）的趨勢(shì)(圖3)，島狀林中土壤RD/S（2.34%）也高于人工楊樹林（1.15%）。說明濕地墾殖后，RD/S下降，土壤中C的周轉(zhuǎn)速度變慢。

相關(guān)分析表明，土壤DOC含量與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.228，P=0.038)(圖3)。目前關(guān)于土壤pH值變化對(duì)DOC產(chǎn)生及遷移過程的影響并不清楚。室內(nèi)模擬試驗(yàn)通常得出不同的結(jié)果，如David等（1990）發(fā)現(xiàn)酸性土壤B層中DOC吸附能力隨著pH值降低而減少，而Kaiser等（1996）認(rèn)為大部分天然土壤pH值（一般介于3.5～6）對(duì)DOC的吸附能力影響不顯著，因?yàn)橹挥挟?dāng)pH值大于6.0或者小于4.5～3.5時(shí)，倍半氧化物吸附能力才明顯減弱。室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因是由于土壤礦物在不同pH值條件下具有不同的最大吸附能力。土壤pH值對(duì)DOC的影響主要包括影響土壤礦物的吸附能力、微生物的活性及影響DOC的淋失3個(gè)方面。土壤pH值能夠顯著影響土壤微生物的活性，導(dǎo)致土壤微生物量碳的增加或減少。研究表明，在pH值4.0～7.0的范圍內(nèi)，隨著土壤pH值的升高，土壤微生物生物量氮逐漸增大，說明pH值的升高，增加了土壤中微生物的活性。微生物活性的增加，加快了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，將導(dǎo)致土壤DOC的增加。但土壤pH值的升高，同樣會(huì)影響到土壤中DOC的可溶性從而導(dǎo)致DOC淋失的增加。Andersson等（2001）研究發(fā)現(xiàn)，相比于溫度，pH值對(duì)土壤DOC的淋失影響更為明顯，在室內(nèi)模擬試驗(yàn)的時(shí)間內(nèi)（1～36 d），pH值一直是影響土壤DOC溶解性的主要因素。pH值的升高，增加了土壤中DOC的淋失量。本研究中，土壤中DOC的含量隨著pH值的升高而顯著降低，說明在野外情況下，由于pH值增加，刺激了微生物的活性，當(dāng)pH值在5.5左右時(shí)，土壤中的DOC達(dá)到最高值，說明pH值在4.5～5.5的范圍內(nèi)，微生物活性的提高導(dǎo)致DOC的增加量占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，而在5.5～7.0的范圍內(nèi)，隨著pH值的升高，土壤中DOC含量逐漸降低，說明此時(shí)隨著pH值的增加，DOC的淋失作用增強(qiáng)，并成為控制土壤中DOC的主要因素之一。在野外條件下，pH值可能是主要通過影響DOC的溶解性及土壤礦物的吸附能力，從而影響DOC的含量及遷移過程。

3 結(jié)論

（1）三江平原在不同的土地利用方式下，土壤中DOC平均含量由高到低依次為小葉章濕地≈島狀林＞楊樹林＞水稻田＞玉米地。總體上農(nóng)田中DOC含量要低于濕地中，說明農(nóng)業(yè)墾殖活動(dòng)將導(dǎo)致土壤中DOC含量降低。玉米地、小葉章濕地、島狀林及楊水林中，土壤DOC含量主要集中在表層0～15 cm深度范圍內(nèi)土壤，總體上由表層至底層，土壤中DOC含量逐漸降低。水稻田中DOC含量則主要集中在土壤底層。

（2）濕地開發(fā)為農(nóng)田后，土壤有機(jī)質(zhì)含量減少，土壤碳周轉(zhuǎn)變慢。三江平原土壤中DOC含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（r=0.588，p＜0.001），與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)。

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Soil Dissolved Organic Carbon Contents and Distribution in Sanjiang Plain
under Dif f erent Land Use Conditions

GUO Yue1ZHANG Zhong-Sheng2*SONG Xiao-Lin2
(1 The Office of Wetland Conservation and Management of Jilin province, Changchun, 130022 Jilin ;2 Institute of Northeast Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, Jilin)

Soil dissolved organic carbon (DOC) contents in Sanjiang Plain under dif f erent land use were investigated to study its distribution characteristics and the potential af f ecting factors. Results indicated that the highest DOC contents were found in Deyeuxia angustifolia marsh (768.54 mg/kg), and followed by the Island forest (676.65 mg/kg), the poplar forest(575.91 mg/kg), the paddy f i eld (523.94 mg/kg), and the corn f i eld (318.7 mg/kg). DOC contents were initially increasing and then rapidly decreasing with depths in all but sites the paddy field, where the DOC was continuously increasing.Correlation analysis showed that DOC contents were signif i cantly positive related to soil organic matter contents (SOM)(r=0.588, p<0.001), and negatively related to pH (r=-0.228，p=0.038). After reclamation, ratios of DOC to SOM in the paddy or corn f i led were much lower than that in the Deyeuxia angustifolia marsh, and it meant that wetland reclamation slow down the carbon cycle rate in soils.

Sanjiang Plain; Land use; DOC; Deyeuxia angustifolia marsh; Distribution

10.3969/j.issn.1673-3290.2017.04.10

2017-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“東北沼澤濕地土壤碳庫分子結(jié)構(gòu)特征及其穩(wěn)定性對(duì)氣候變化響應(yīng)機(jī)制”資助

郭岳，吉林省濕地保護(hù)管理辦公室從事濕地管理工作。E-mail:guoyue008@126.com

*通訊作者：張仲勝。E-mail: zzslysn@iga.ac.cn