三江平原典型环型湿地土壤DOC剖面分布及储量

孔范龙，郗 敏，李 悦，徐丽华，冯小敏

（青岛大学 化学化工与环境学院，山东 青岛266071）

可溶性有机碳（dissolved organic carbon，DOC），亦称土壤活性有机碳，一般是指能溶于水或酸碱溶液且能通过0.45um微孔滤膜的有机碳，是土壤有机碳中最活跃的组成部分［1］。自然湿地，尤其是位于中纬度地区的湿地，储存了大量的碳［2］，是重要的DOC库和河流DOC的主要来源［3－5］。在全球碳循环的背景下，湿地构成了陆地和海洋之间碳循环的重要一环［6］。据估计，自陆地向海洋输入的DOC中约有20%来自湿地［7］。对加拿大北部湿地的研究发现，通过溪流从泥炭地中迁移输出的DOC约5～40gm2／a［8］。湿地土壤中 DOC的数量和类型对其受纳水体的性质和功能具有重要影响。例如，DOC增高将导致地表水体酸度增加、颜色增加等，也会对淡水养殖业、饮用水质量、河口和沿海生态系统碳循环带来广泛的影响［9－12］。因此，研究对外界环境变化响应较为敏感的湿地土壤DOC储量、分布及动态变化具有重要意义。

近年来，国内学者对湿地土壤DOC的研究不断增多，张金波等［13－14］研究了小叶章湿地地表水溶性有机碳季节动态变化及影响因素，土地利用方式对土壤溶解性有机碳的影响；黄靖宇等［15］研究了湿地垦殖对土壤溶解性有机碳的影响；杨继松等［16］通过室内试验研究了草甸湿地土壤溶解性有机碳淋溶动态及其影响因素；宋长春等［5］则通过采集和分析自然湿地、退化湿地、排水沟渠及河流中DOC浓度，研究了三江平原自然湿地退化对溶解性碳的动态影响；部分学者还研究了排水和CO2浓度升高对湿地溶解性有机碳的影响［17－18］，但对于湿地土壤DOC累积现状进行的研究仍较少。本研究通过对三江平原典型环型湿地土壤DOC分布和储量进行研究，为进一步探讨湿地土壤DOC在碳循环研究中的作用及湿地污染控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选在三江平原有代表性的别拉洪河与浓江河河间地带（133°31′E，47°35′N），海拔55～65m，属温带大陆性季风气候，年平均气温1.9℃，1月平均气温－21℃，7月平均气温22℃，年平均降雨量550～600mm，无霜期约125d。区内分布有大面积的天然沼泽湿地。由于微地貌的变化，天然沼泽湿地由中心到边缘，地势由低到高，水位面高度逐渐增大，从而也引起土壤和植物的变化，形成三江平原典型的环型湿地［19］。这里的湿地植被类型主要毛果苔草（Carex lasiocapa）和小叶章（Doyeuxia augustifolia）。

1.2 样品采集与分析

沿典型环型湿地边缘到中心，植被类型依次为岛状林（主要为蒙古栎、山杨等），小叶章（以小叶章为主，伴生有千屈菜）和毛果苔草（以毛果苔草为主，伴生有甜矛和漂伐）；土壤类型依次为棕壤型草甸白浆土、潜育白浆土和腐殖质沼泽土。每个群落随机设定3个样点，分0—10，10—20，20—40，40—60cm 4层采样，分层均匀混合后代表该群落的土壤剖面。采样时间为2006年6月20日。用手选法挑去活体根系，混匀。分取部分样品风干，过100目筛，保存待测。

土壤DOC含量测定：称取10g风干土放入盛有40ml蒸馏水的三角瓶中，常温下振荡浸提30min，高速离心10min，上清液用0.45μm滤膜过滤，用TOCVCPH仪测定浸提液中的有机碳浓度，得到DOC浓度。最后，通过水土比将DOC浓度（mg／L）值换算成土壤 DOC含量（mg／kg）［20］。有机碳含量用重铬酸钾外加热法测定，土壤容重用环刀法测定［21］。

1.3 土壤DOC储量计算

土壤DOC贮量采用土壤容重和DOC含量等推算，公式如下：

式中：DOCD——土壤 DOC 贮量 （t／hm2）；DOCi，Bi，Hi——第i层土壤的DOC含量（mg／kg），土壤容重（g／cm3）和土层厚度（cm）［22］。

2 结果与讨论

2.1 土壤DOC含量分布特征

表层土壤DOC含量较高，向剖面下层含量呈下降趋势。土壤表层DOC含量显著高于其他土层含量的原因主要与植被凋落物和根系分布特征有关［22］。由于湿地每年大量凋落物归还地表形成一定数量的枯枝落叶层，枯枝落叶的腐殖质化及淋溶过程增加了土壤DOC，因而形成土壤表层较高的DOC含量。毛苔草沼泽湿地土壤剖面DOC含量明显高于小叶章草甸；小叶章草甸明显高于岛状林（图1）。毛苔草沼泽土壤DOC含量最高值（约1.065g／kg）出现在0—10cm，随着土壤深度增加，DOC含量迅速下降，从0—10到10—20cm层降幅达74%；小叶章草甸土壤DOC含量最高值（0.388g／kg）出现在0—10cm，从0—10到10—20cm层降幅达42.3%；岛状林土壤DOC含量最高值（0.238g／kg）也出现在0—10cm，从0—10到10—20cm层降幅达41.4%，且10—20和20—40cm间差距不大。

图1 土壤DOC剖面含量分布

2.2 土壤剖面DOC储量状况

从环型沼泽湿地中心向边缘，0—10cm毛果苔草沼泽湿地、小叶章草甸和岛状林DOC储量分别为0.017，0.018和0.011 6t／hm2；10—20cm 分别为0.004 9，0.012和0.009 2t／hm2；60cm 深度内土壤DOC储量分别为0.058 8，0.111 3和0.084 4t／hm2。小叶章草甸土壤剖面DOC储量最大，说明其土壤有机碳库中的不稳定性碳库的比例最高［23］；岛状林土壤剖面DOC储量较高，而毛果苔草沼泽湿地土壤剖面DOC储量最低，说明其土壤有机碳库中的活性碳库最低，有机碳库最稳定（图2）。

图2 土壤DOC储量剖面分布特征

2.3 影响因素分析

将各土层DOC含量与土壤总有机碳（TOC）含量进行相关分析，结果发现DOC与TOC含量间存在着高度正相关关系，经线性拟合得到y（DOC含量）＝64.79x（TOC含量）＋67.51（R2＝0.902），表明环型湿地土壤DOC随TOC含量的降低由表层向下呈显著减少趋势，并在母质层达到最小值。由此可见，土壤表层植被和总有机碳是土壤DOC垂直分布的一个重要来源，这与以往自然生态系统土壤DOC来源研究基本一致［24］。

植物残体虽然是土壤DOC的一个重要来源，但有研究同时表明剖面土壤中DOC的主要输入途径有淋溶输入和有机质深度分解［25］。与小叶章草甸、岛状林相比，毛果苔草沼泽湿地土壤DOC含量明显高且集中于表层，主要原因与其所处的水文地貌条件密切相关。毛果苔草沼泽湿地处于环型湿地地势最低洼的地方，常年积水且排水不畅［26］。淹水可提高土壤有机碳的溶出，使土壤团聚体分散，进而增加土壤DOC含量［27］。排水不畅则使表层土壤DOC向下淋溶迁移的能力降低，因此毛果苔草沼泽湿地土壤DOC含量明显最高且集中于表层。岛状林处于环型湿地地势最高的地方，常年无积水且排水良好，土壤DOC含量最低且向土壤下层淋溶迁移的趋势明显。小叶章草甸处于以上两种群落之间，偶发积水且排水良好，土壤DOC含量和垂直分布情况也处于两者之间。

环型湿地土壤剖面DOC积累现状为小叶章草甸土壤剖面DOC储量最高，岛状林其次，毛果苔草沼泽湿地最小，这与土壤DOC含量分布特征不一致。主要原因在于湿地土壤剖面DOC累积除了与土壤DOC含量有关，还与土壤容重密切相关。毛果苔草沼泽湿地为常年积水群落，土壤DOC含量最高，但是与小叶章草甸和岛状林相比，其容重低，不利于土壤DOC的累积；小叶章草甸处于无积水和常年积水群落之间，最有利于土壤DOC的累积；岛状林土壤DOC含量最低，但是容重却最高，土壤DOC累积状况位于两者之间。由此可见，毛果苔草沼泽湿地土壤有机碳库中的不稳定碳库比例最低，有机碳库最稳定，岛状林其次，小叶章草甸最不稳定。因此，只有继续维持沼泽湿地的积水才能维持沼泽湿地的稳定碳库功能，否则沼泽湿地一旦排水或者开垦，原先的稳定碳库就会变成不稳定碳库，储存的有机碳就会趋于释放，最终影响全球气候变化。

3 结论

（1）环型湿地土壤DOC含量随着土层深度增加而不断减小，主要原因为随着土壤深度增加，土壤总有机碳逐渐降低，可供土壤微生物利用的有机质减少。

（2）从环型沼泽湿地边缘向中心，土壤剖面DOC含量变化明显。毛果苔草沼泽湿地土壤剖面的DOC含量显著高于小叶章草甸，且明显地集中于土壤表层；小叶章草甸土壤DOC显著高于岛状林，且差异显著。

（3）从环型沼泽湿地边缘向中心，60cm深度内土壤DOC储量分别为0.084 4，0.111 3和0.058 8t／hm2。小叶章草甸土壤剖面DOC储量最大，岛状林其次，毛果苔草沼泽湿地最小。

［1］ Kalbitz K，Soliuger S，Park J H，et a1.Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils：a review［J］.Soil Science，2000，165（4）：277-304.

［2］ Briggs J，Large D，Snape C，et al.Influence of climate and hydrology on carbon in an early Miocene peatland［J］.Earth and Planetary Science Letters，2007，253（3／4）：445-454.

［3］ Xi Min，Lu Xianguo，Li Yue，et al.Distribution characteristics of dissolved organic carbon in annular wetland soil-water solutions through soil profiles in the Sanjiang Plain，Northeast China［J］.Journal of Environmental Sciences，2007，19（9）：1074-1078.

［4］ McGlynn B L.Role of discrete landscape units in controlling catchment dissolved organic carbon dynamics［J］.Water Resources Research，2003，39（4）：1-8.

［5］ Song C C，Wang L L，Guo Y D，et al.Impacts of natural wetland degradation on dissolved carbon dynamics in the Sanjiang Plain，Northeastern China［J］.Journal of Hydrology，2011，398（1／2）：26-32.

［6］ Zsolnay A.Dissolved organic matter：artifacts，definitions and functions［J］.Geoderma，2003，113（3）：187-209.

［7］ Lugo A E，Brown S，Brinson M M.Concepts in wet-land ecology［C］∥Lugo A E，Brown S，Brinson M M.Ecosystems of the World 15.Amsterdam：Elsevier，1989：53-85.

［8］ Shurpali N J，Verma S B，Kim J，et al.Carbon dioxide exchange in a peatland ecosystem ［J］.Geophys.Res.，1995，100（D7）：319-326.

［9］ 杨继松.三江平原小叶章湿地系统有机碳动态研究［D］.吉林长春：中国科学院东北地理与农业生态研究所，2006.

［10］ 张娜，张新昱，高鲁鹏.长期监测水体可溶性有机碳变化趋势与影响因子研究进展［J］.水土保持研究，2009，16（3）：286-290.

［11］ Worrall F，Armstrong A，Holden J.Short-term impact of peat drain-blocking on water colour，dissolved organic carbon concentration，and water table depth［J］.Journal of Hydrology，2007，337（3／4）：315-325.

［12］ Wilson L，Wilson J，Holden J，et al.Ditch blocking，water chemistry and organic carbon flux：Evidence that blanket bog restoration reduces erosion and fluvial carbon loss［J］.Science of the Total Environment，2011，409（11）：2010-2018.

［13］ 张金波，宋长春，杨文燕.土地利用方式对土壤水溶性有机碳的影响［J］.中国环境科学，2004，25（3）：343-347.

［14］ 张金波，宋长春，杨文燕.小叶章湿地表土水溶性有机

碳季节动态变化及影响因素分析［J］.环境科学学报，2005，25（10）：1397-1402.

［15］ 黄靖宇，宋长春，宋艳宇，等.湿地垦殖对土壤微生物量及土壤溶解有机碳、氮的影响［J］.环境科学，2008，29（5）：1380-1387.

［16］ 杨继松，刘景双，于君宝，等.草甸湿地土壤溶解性有机碳淋溶动态及其影响因素［J］.应用生态学报，2006，17（1）：113-117.

［17］ 赵光影，刘景双，王洋，等.CO2浓度升高对三江平原湿地活性有机碳及土壤微生物的影响［J］.地理与地理信息科学，2011，27（2）：96-100.

［18］ 郗敏，吕宪国，孔范龙.三江平原湿地沟渠侵扰带土壤DOC分布特征［J］.辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2008，27（2）：292-295.

［19］ 殷书柏，杨青，吕宪国.三江平原典型环型湿地土壤有机碳剖面分布及碳贮量［J］.土壤通报，2006，37（4）：659-661.

［20］ 李忠佩，张桃林，陈碧云.可溶性有机碳的含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系［J］.土壤学报，2004，41（4）：544-552.

［21］ 鲁如坤.土壤农业化学分析法［M］.北京：中国农业科技出版社，2000.

［22］ 汪伟，杨玉盛，陈光水，等.罗浮栲天然林土壤可溶性有机碳的剖面分布及季节变化［J］.生态学杂志，2008，27（6）：924-928.

［23］ 王琴，范曾丽，孙辉，等.低温季节西南亚高山森林土壤可溶性有机碳动态［J］.四川农业大学学报，2012，30（1）：18-23.

［24］ Andrew J B，Robert L W.生态水文学：陆生环境和水生环境植物与水分关系［M］.赵文智，王根绪，译.北京：海洋出版社，2002.

［25］ McDowell W H，Likens G E.Origin，composition，and flux of dissolved organic carbon in the Hubbard Brook Valley ［J］.Ecological Monographs，1988，58（3）：177-195.

［26］ 田学智，刘吉平.孤立湿地研究进展［J］.生态学报，2012，31（20）：6261-6269.

［27］ 韩琳，张玉龙，金烁，等.灌溉模式对保护地土壤可溶性有机碳与微生物量碳的影响［J］.中国农业科学，2010，43（8）：1625-163.