城市湿地周边不同土地利用方式下土壤有机碳及其活性组分特征

(1. 安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233100；2. 农业部生物有机肥创制重点实验室，安徽 蚌埠 233100；3. 安徽科技学院 生命与科学学院，安徽 蚌埠 233100)



城市湿地周边不同土地利用方式下土壤有机碳及其活性组分特征

简 兴1，2，王 松3，王玉良3，汪建飞1，2

(1. 安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233100；2. 农业部生物有机肥创制重点实验室，安徽 蚌埠 233100；3. 安徽科技学院 生命与科学学院，安徽 蚌埠 233100)

以安徽省蚌埠市龙子湖湿地周边林地、防护林带、水产养殖地、公园绿地、耕地5种土地利用类型为研究对象，探讨不同土地利用方式对土壤有机碳和活性有机碳组分的影响。结果表明，湿地转变为其他土地利用类型后，土壤有机碳呈现显著的土层表聚性，林地较其他土地利用类型有更强的碳截存能力。同种土地利用方式下，土壤易氧化有机碳质量分配比例随土层深度变化产生的变幅范围较小，公园绿地、防护林带和水产养殖地土壤表层颗粒有机碳质量分配比例出现集聚，然而在10 cm以下土层其变化范围较小。土壤有机碳、土壤易氧化有机碳、土壤颗粒有机碳质量分数之间存在极显著(P<0.01)的相关关系，三者在公园绿地与水产养殖地土壤表层质量分数的差异显著性分析结果显示，颗粒有机碳对土地利用方式变化的响应要比土壤有机碳和土壤易氧化有机碳更为敏感。

湿地；土地利用方式；土壤有机碳；土壤活性有机碳

湿地是陆地生态系统的重要组成部分，同时也是碳的重要储库。虽然湿地面积只占陆地面积的6%，但却储存了全球接近1/3的土壤碳[1]，在全球碳循环中具有重要的作用[2]。湿地土壤由于长期处于被淹、缺氧的环境下，土壤有机碳(soil organic carbon， SOC)分解速度缓慢，使得土壤中能够积累较高密度的有机碳。土壤中的有机碳含量易受土地利用方式的影响。湿地转变为其他土地利用类型，会使得储存在湿地土壤中的碳释放到大气中，从而成为影响全球气候变化的一股重要力量[3-4]。湿地转换为其他土地利用类型后SOC的响应，已成为当前土壤、湿地环境、全球气候变化等学科共同聚焦的研究热点。

土壤活性有机碳(soil active organic carbon， SAOC)是指土壤中移动快、稳定性差、易氧化、易矿化，并对植物和土壤微生物活性较高的那部分不稳定的有机碳[5]。由于其对环境变化的响应较SOC敏感，所以备受关注。根据分离及测定方法的不同，土壤活性有机碳有多种表征形式：可溶性有机碳(dissolved organic carbon， DOC)、易氧化有机碳(easily oxidized carbon， EOC)、微生物量碳(soil microbial biomass carbon， SMBC)、轻组有机碳(light fraction organic carbon， LFOC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon， POC)等。当前，在湿地本底条件下，有关不同土地利用方式对土壤活性有机碳含量影响的研究相对较少[6]，并且多集中于面积较大的湿地周边。这些研究区域内人为干扰的形式较单一，另外还可能牵涉土壤类型的差异，这会掩盖不同土地利用类型对于土壤有机碳含量的影响[7]。选择具有相同土壤起源的研究区域，有利于更好地理解土壤有机碳如何对环境干扰进行响应。城市的发展形成了多样化的城市土地利用类型[8-9]，因此城市湿地周边通常会形成多种土地利用类型共存的格局。虽然城市湿地周边区域人类干扰活动频繁，原始状态的湿地大多已不存在。但由于研究区域相对较小，可认为各土地利用类型具有相同的环境起源。这样在研究SOC对环境变化的响应中，可以减弱甚至消除因土壤起源不同导致的SOC含量上的差异，有助于理解城市化对土壤碳循环的作用机制，还可为城市规划及管理部门制定科学的城市湿地保护政策提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省蚌埠市东部(117°22′—117°25′E，32°53′—32°57′N)龙子湖景区。该区域在淮河南岸，是城市内湖，属于比较典型的城市湿地。南北长8 km，东西宽450～1 400 m，平均水深2 m，湖面面积约840 hm2，湖岸线达30 km。研究区属北亚热带湿润季风气候与暖温带半湿润季风气候区的过渡带，年平均气温14.5～15 ℃，年均日照时数1 850～2 200 h，年均降水量850～950 mm。据明代天启年间袁文新所著的《凤阳新书》记载，龙子湖原来是一片洼地，由淮河泛滥倒灌而成。该水域在城市经济社会生活中具有景观、渔业和农业用水的功能，水生态环境状况较为脆弱。

1.2 采样方法

调查采样时间为2013年5月中旬。根据研究区域地形图及卫星影像，结合实地踏勘，把最近30年来由于人为干扰，湖面萎缩后形成的土地划分为林地、防护林带、水产养殖地、公园绿地、耕地5种土地利用类型。采样区内地形平缓，土壤类型均为由淮泛沉积物形成的半水成土——潮土。按照典型性、代表性原则[10]，在每种土地利用类型的分布区域内，随机选取3个(重复)2 m×2 m样方。在每个样方4个顶点及样方中心点上用直径5 cm的土钻采集0—10，10—20，20—30，30—50，以及50—100 cm共5个层次的土样。同一样方的土样进行同层混合。每个土地利用类型采集15个样本，总计75个样本。土样装入自封袋带回实验室自然风干，除去石块、动植物残体等杂物，碾碎过2 mm土筛备用。

1.3 样品测定

SOC的测定采用外加热重铬酸钾容量法[11]。EOC采用高锰酸钾氧化-比色法测定[12]。具体方法为：将含有15 mg碳的土壤样品装入100 mL塑料瓶内，加入25 mL浓度为333 mmol·L-1的高锰酸钾溶液，加盖后放置于25 r·min-1摇床振荡1 h，之后转入离心机，4 000 r·min-1离心5 min，取上清液用去离子水按1∶250稀释后，在565 nm分光光度计上利用比色法测定EOC质量分数。土壤颗粒组分的分离采用湿筛法[13]，具体为：取20.00 g风干土样置于100 mL浓度为0.1 mol·L-1的 Na4P2O7溶液中进行振荡分散处理，振荡频率为90 r·min-1，振荡16 h，之后取土壤悬液过53 μm筛，并用蒸馏水反复冲洗残留在筛子上的颗粒物，之后将其置于55 ℃烘箱内干燥72 h，此部分即为大于53 μm的土壤颗粒组分[14]。将土壤颗粒组分称重后磨细过0.149 mm筛，采用外加热重铬酸钾容量法测定其中的有机碳质量分数。

1.4 计算与分析方法

根据测定结果计算土壤中EOC质量分配比例、颗粒组分的质量分配比例、POC质量分数及质量分配比例。

REOC=CEOC/CSOC

(1)

A=MP/MS

(2)

CPOC=CPOMC×A

(3)

RPOC=CPOC/CSOC

(4)

(1)～(4)式中：REOC为EOC质量分配比例；CSOC为土壤中SOC质量分数；CEOC为土壤中EOC质量分数；A为土壤颗粒组分的质量分配比例；MP为土壤颗粒组分的质量；MS为用于分离土壤颗粒组分的土壤样品质量；CPOC为POC质量分数；CPOMC为土壤颗粒组分中SOC的质量分数；RPOC为POC质量分配比例。

数据使用Excel 2003软件进行整理，利用SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 SOC的质量分数与分布

5种土地利用类型的SOC质量分数介于2.00～20.24 g·kg-1之间，见图1。各土地利用类型的表层(0—10 cm)SOC质量分数从高到低分别为：林地20.24 g·kg-1，耕地12.09 g·kg-1，防护林带8.68 g·kg-1，水产养殖地5.84 g·kg-1，公园绿地5.34 g·kg-1。林地表层土壤中SOC质量分数显著高于其他土地利用类型。耕地表层SOC质量分数显著(P<0.05)高于防护林带，接近本地区平均水平[15-16]。公园绿地和水产养殖地表层SOC质量分数差异不显著(P>0.05)，但显著(P<0.05)低于其他土地利用类型。

公园绿地各土层SOC质量分数在3.19～5.34 g·kg-1之间，差异不显著(P>0.05)。林地、耕地、防护林带表层土壤SOC质量分数均显著(P<0.05)高于下层土壤。水产养殖地SOC质量分数在50 cm以下土层显著(P<0.05)升高，达到4.63 g·kg-1，接近表层水平。公园绿地各土层之间SOC质量分数无显著差异(P>0.05)。

图1 不同土地利用方式SOC质量分数Fig.1 Mass fraction of SOC under different land use types

2.2 EOC质量分数及其质量分配EOC是指土壤中能被333 mmol·L-1KMnO4氧化的有机碳[12]。由于其具有较高的环境敏感性，通常被用作指示土壤有机碳早期变化的一个重要指标。5种土地利用类型EOC的质量分数在0.93～10.91 g·kg-1之间，见图2。在各土地利用类型的表层土壤中，EOC质量分数从高到低分别为：林地10.91 g·kg-1，耕地6.69 g·kg-1，防护林带6.19 g·kg-1，水产养殖地2.92 g·kg-1，公园绿地2.45 g·kg-1。林地表层土壤EOC质量分数显著(P<0.05)高于其他土地利用类型；耕地与防护林带表层土壤EOC质量分数差异不显著(P>0.05)，但显著(P<0.05)高于水产养殖地和公园绿地。而后两者表层土壤的EOC质量分数差异不显著。

不同土地利用方式EOC质量分数随土层深度递增产生的变化与SOC质量分数变化一致。林地表层土壤EOC质量分数显著(P<0.05)高于下层土壤，且含量在10 cm以下土层呈降低趋势。公园绿地、耕地、防护林带的表层土壤EOC质量分数显著(P<0.05)高于下层土壤。水产养殖地50 cm之下土层EOC质量分数显著(P<0.05)高于10—50 cm的3个土层，达到2.55 g·kg-1，与表层土壤相当。

各土地利用方式在土层剖面上的EOC质量分配比例见图3。林地为45.71%～52.07%，公园绿地为36.65%～45.46%，水产养殖地为49.98%～53.63%，耕地为56.83%～61.46%，防护林带为56.57%～61.85%。各土地利用类型的EOC质量分配比例在剖面上呈现波动性，但变动的范围较小。各土地利用类型EOC质量分配比例的剖面平均值从高到低依次为：防护林带(58.82%)>耕地(58.75%)>水产养殖地(51.68%)>林地(47.91%)>公园绿地(40.64%)。除林地与水产养殖地表层土壤EOC质量分配比例无显著差异外，其他土地利用类型间均存在显著(P<0.05)差异，且以公园绿地最低。

图2 不同土地利用方式EOC质量分数Fig.2 Mass fraction of EOC under different land use types

图3 不同土地利用方式EOC质量分配比例Fig.3 Proportion of EOC quality distribution under different land use types

2.3 POC质量分数及其质量分配

5种土地利用类型的POC质量分数在0.09～4.09 g·kg-1之间，见图4。除水产养殖地外，表层土壤POC质量分数均显著(P<0.05)高于下层土壤。表层土壤POC质量分数从高到低依次为：林地(4.09 g·kg-1)>防护林带(3.41 g·kg-1)>公园绿地(3.15 g·kg-1)>耕地(2.75 g·kg-1)>水产养殖地(1.62 g·kg-1)。

林地与耕地POC质量分数在不同土层的变化较为相似，均以表层含量较高，并随土层加深，POC质量分数降低。林地在20 cm以下土层POC质量分数较稳定，而耕地POC质量则在30 cm以下土层中维持一个较低水平。防护林带与公园绿地POC质量分数变化相似，均在10 cm以下土层中较为稳定。水产养殖地表层土壤POC质量分数为几种土地利用类型中最低的，随着土层加深，POC质量分数迅速降低，但在50—100 cm土层中，又迅速攀升至1.15 g·kg-1，与表层土壤POC质量分数无显著差异(P>0.05)。

POC质量分配比例的变化见图5，其变动范围较大，在2.68%～58.94%之间。5种土地利用类型中，均以表层土壤的POC质量分配比例较高，从高到低依次为：公园绿地(58.94%)>防护林带(39.27%)>水产养殖地(27.76%)>耕地(22.72%)>林地(21.05%)。其中，耕地与林地表层土壤POC质量分配比例差异不显著(P>0.05)。耕地POC质量分配比例随土层加深逐渐降低，在50 cm以下土层降到2.68%。林地各土层POC质量分配比例变化不大，在16.64%～21.05%之间。公园绿地、防护林带、水产养殖地在10 cm以下土层的POC质量分配比例显著(P<0.05)低于表层。公园绿地、防护林带在表层以下各层土壤POC质量分配比例变化不显著(P>0.05)。水产养殖地在50 cm土层以下POC质量分配比例骤然上升，从6.13%升至24.30%，这与该土地利用类型POC质量分数的变化一致。

2.4 SOC，EOC，POC的相关关系

SOC，EOC，POC在质量分数之间存在极显著(P<0.01)的线性关系，见图6。其中，SOC质量分数与EOC质量分数之间的相关性最高，决定系数达到0.961 8。这说明土壤活性有机碳组分在很大程度上取决于土壤总有机碳的量；同时也表明，虽然分离及测定方法不一样，但POC和EOC均能够较好地表征土壤中活性较高部分的碳含量。EOC与SOC之间的斜率(0.57)大于土壤颗粒有机碳与有机碳之间的斜率(0.23)，表明土壤中EOC质量分数随SOC质量分数的增长速率要高于POC质量分数随SOC质量分数的增长速率。这与钟春棋等[17]对闽江口湿地土壤活性有机碳与有机碳关系的研究结论相同。

图4 不同土地利用方式POC质量分数Fig.4 Mass fraction of POC under different land use types

图5 不同土地利用方式POC质量分配比例Fig.5 Proportion of POC quality distribution under different land use types

图6 SOC，EOC，POC之间的相关关系Fig.6 Correlations between SOC， EOC and POC

3 讨论

3.1 SOC对湿地土地利用类型转变的响应

土壤中SOC的储量是有机碳输入输出动态平衡的结果[18]。在气候条件、植被覆盖状况、人为干扰程度等外界因素改变后，这种动态平衡会产生偏移，从而使土壤中有机碳含量发生改变。本研究中，各土地利用类型0—10 cm土层SOC质量分数均高于下层土壤，说明土壤表层是SOC集聚的区域。不同的土地利用类型土壤表层SOC质量分数存在差异，表明湿地在转变成其他土地利用类型后，碳的平衡发生了改变，这可能与不同土地利用类型的植被覆盖差异有关。植被通常被认为是土壤具有较高碳密度的重要原因[19-20]。林地所受到的人为干扰较少，乔灌草层植物凋落物全部归还土壤，土壤有机质又未受到较多会引起其加速分解的干扰，因此林地SOC质量分数高于研究区域中其他土地利用类型。防护林带为单一乔木树种，林型结构简单，加之受到较频繁的人类活动干扰，造成凋落物固存量不足，且分解转化程度缓慢，因此其表层土壤SOC质量分数低于林地。另外，林地与防护林带中的树种差异也可能会对土壤表层SOC质量分数产生影响[21]。耕地一般由于作物的收获移除、淋溶损失等原因，SOC质量分数较低；同时，田间管理措施也会影响耕地SOC的积累[22]。因此，耕地SOC质量分数低于同样是湿地起源的林地，这与前人的研究结论一致[23]。水产养殖地植被覆盖度较低，近似撂荒地。其他研究表明，缺少植被的土地，有机质含量远低于有植被覆盖的土地[24]。除此之外，裸露的土壤极易在雨水的冲刷下造成养分的流失。因此，缺少植被覆盖是造成水产养殖地表层土壤SOC质量分数较低的原因。水产养殖地50 cm以下土层SOC质量分数异常升高，这与挖塘、晒塘等生产管理措施有关。这些措施常会造成土层的错乱，使得原先处于湿地表层的土壤被埋于现有土层下方，使得原有湿地表层土壤SOC得以固留[25]。公园绿地SOC质量分数较低，且在土壤表层并未表现出明显的积累，这与公园绿地的管理措施有直接关系。由于景观营造的需要，植被凋落物会被及时清理，景观植物的人为更替也较为频繁[26-27]。这些干扰会直接影响土壤水热状况，导致土壤厌氧环境消失[28]，从而加速微生物对SOC的分解，造成SOC质量分数的降低。

3.2 SAOC组分对土地利用类型转变的响应

土壤中EOC循环速率快，稳定性弱，更易受到外界条件的干扰而导致碳的损失。土壤有机碳库早期的变化主要发生在EOC库中[29]，所以EOC常被认为比较适合作为土壤碳库短期变化的指示因子[30-32]。高强度的土地管理措施下，土壤结构改变，改善了土壤有机碳矿化条件[33]，使EOC更容易被微生物作用分解，从而减少了EOC的积累，这可能是造成本研究中公园绿地与水产养殖地EOC质量分数较低的主要原因。长期施用有机肥可以提高土壤中EOC的质量分数[34-35]，所以即便有高强度的耕作措施，本研究区域中耕地的EOC质量分数也处于相对较高的水平。

POC也被认为是反映土壤有机碳变化的敏感指标[36]。其在土壤中的周转速度较快，易受植物根系分布的影响。研究表明，大量存在的植物根系可以极大地改善土壤团聚体间和团聚体内部的孔隙结构，从而提高POC的质量分数[37-38]。公园绿地中植被覆盖度较高，特别是广布浅根系的草本；水产养殖地接近撂荒地，植被稀少；植被覆盖状况的差异是造成两种土地利用类型土壤表层POC质量分数差异的重要原因。

本研究发现，湿地转变为其他土地利用类型后，表层土壤中EOC质量分数的变化与SOC质量分数的变化一致，POC质量分数的变化则与SOC质量分数的变化存在一些差异，这在公园绿地与水产养殖地两种土地利用类型上体现得尤为明显：土壤表层SOC质量分数在公园绿地与水产养殖地两种土地利用类型之间差异不显著，EOC质量分数也未达到显著差异水平，但二者在POC质量分数上则呈现显著的差异。这表明POC对土地利用方式的变化比SOC和EOC更敏感，这与李鉴霖等[39]的研究结论一致。

由于SAOC与SOC高度相关，SAOC的量较大程度上依赖于SOC总贮量，因此，采用SAOC占SOC的比例这个相对量，更能反映SOC的变化[40]。

EOC质量分配比例高说明SOC稳定性低[41]。本研究中，防护林带与林地相比，土壤表层具有较高的EOC分配比例，表明其SOC的不稳定性高，不利于碳的积累。这与刘荣杰等[42]的研究结果一致。在高强度耕作措施的影响下，耕地土壤EOC的变化不再由自然条件控制[43]，可能更多地与耕作措施有关[44]。因此，外源有机物质输入增加了土壤中SOC的质量分数，可能是造成本研究中耕地具有较高的EOC质量分配比例的原因。而同样是受到高度人为干扰的公园绿地，EOC分配比例在各土地利用类型中最低。这是因为反复的耕作干扰会导致土壤团聚体破碎，造成不稳定的EOC不断矿化损失[44]。

POC质量分配比例在受人为干扰较严重的公园绿地、防护林带和水产养殖地土壤表层显示出了集聚的特点。POC处于土壤团聚体的包被中，受到保护。人为干扰使未受到保护的有机碳矿化，会降低SOC的质量分数，从而相对地提高了POC质量分配比例。耕地可能由于深耕，造成表层土壤以下大团聚体破碎，POC失去了团聚体的物理保护而暴露于空气中，加速了矿化分解[37]，因此，在土壤表层并未出现集聚现象。林地受到的人为干扰较弱，加之乔木树种的深根系特征，使得POC质量分配比例在各土层中含量变幅较小，并未出现表层集聚。

4 结论

(1)本研究中各土地利用方式下的SOC质量分数呈现显著的土层表聚性。林地表层土壤中SOC，EOC，POC含量均高于其他土地利用类型，说明原有湿地转变为其他土地利用类型后，林地较其他土地利用类型有更强的碳截存能力。

(2)各土地利用方式下，EOC的质量分配比例在土壤剖面上的变化幅度较小；POC的质量分配比例在受人为干扰较强的公园绿地、防护林带和水产养殖地土壤表层出现集聚，10 cm以下的土层变幅较小。人为干扰弱的林地POC质量分配比例在土壤剖面上的变化范围较小。

(3)公园绿地与水产养殖地两种土地利用类型的土壤表层SOC和EOC质量分数无显著差异，但在POC质量分数上则呈现显著的差异，表明POC对土地利用方式变化的响应比SOC和EOC更为敏感。

(4)SOC，EOC，POC之间存在极显著的正相关关系。其中，SOC与EOC的相关性高于与POC的相关性，说明土壤中活性有机碳组分的质量分数受土壤中总有机碳质量分数的制约，但不同有机碳组分与总有机碳之间关联性的强弱存在差异。

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(责任编辑 高 峻)

Soil organic carbon and its active components characteristics under different land utilization types at the periphery of city wetlands

JIAN Xing1，2， WANG Song3， WANG Yu-liang3， WANG Jian-fei1，2

(1.SchoolofArchitecture，AnhuiScienceandTechnologyUniversity，Bengbu233100，China; 2.KeyLaboratoryofBio-organicFertilizerCreation，MinistryofAgriculture，Bengbu233100，China; 3.SchoolofLifeScience，AnhuiScienceandTechnologyUniversity，Bengbu233100，China)

In order to reveal the action mechanism between land use types and soil organic carbon components， five land utilization types， including woodland， shelter forest， aquaculture land， park green land and cultivated land， were selected as the study objects. It was shown that soil organic carbon (SOC) aggregated in the surface layer. Compared to the other land use types， woodland exhibited higher carbon sequestration capacity. The quantity distribution proportion of soil easily oxidized carbon (EOC) exhibited limited variation within the same land use type. The quantity distribution proportion of particulate organic carbon (POC) in 0-10 cm soil layer showed aggregation in park green land， shelter forest， and aquaculture land， and the variation of POC below 10 cm soil layer in these three land use types was small. SOC， EOC and POC contents showed significant correlations among each other at 0.01 level. Compared with SOC and EOC， POC in 0-10 cm soil layer was more sensitive to changes of land use type in park green land and aquaculture land.

wetland; land use type; soil organic carbon; soil active organic carbon

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.01.20

2015-06-05

安徽省教育厅自然科学基金项目(KJ2013Z057)；国家自然科学基金项目(31250002)

简兴(1975—)，男，广西桂林人，讲师，硕士，主要研究方向为森林生态与湿地生态。E-mail: jx314@163.com

X24；S158.1

A

1004-1524(2016)01-0119-08

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016，28(1):119-126

简兴，王松，王玉良，等.城市湿地周边不同土地利用方式下土壤有机碳及其活性组分特征[J].浙江农业学报，2016，28(1)：119-126.