黄河故道土壤有机碳及易氧化有机碳含量分析

简兴　陈鸿　肖昕迪

摘 要：该研究对安徽省砀山县黄河故道区域的林地、耕地、果园、湿地及滩涂5种土地利用类型0～20cm、20～40cm和40～60cm3个土层的SOC和ROC含量进行了测定。结果显示，各土地利用类型土壤SOC在0～20 cm的土壤表层出现积聚，耕地（7.42g/kg）>林地（4.79g/kg）>果园（2.93g/kg）、湿地（2.96g/kg）及滩涂（3.07g/kg），果园、湿地和滩涂表层土壤SOC含量差异不显著；SOC含量与ROC含量之间存在极显著的相关关系；与SOC相比，ROC含量对土地利用变化的响应更敏感；除耕地表层外，ROC分配比例趋向稳定。

关键词：黄河故道；土地利用变化；土壤有机碳；土壤易氧化有机碳

中图分类号 S156.8 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）14-0062-03

Abstract：Soil organic carbon（SOC） and soil readily oxidizable organic carbon （ROC） of three soil layer of five land utilization types， including woodland， cultivated land， orchard land， wetland and mudflat，were measured. The results show that， topsoil （0～20cm）SOC contents of various land use types display aggregate， cultivated land（7.42g/kg）>woodland（4.79g/kg）>orchard land（2.93g/kg）， wetland（2.96g/kg） and mudflat（3.07g/kg），and the latter three land use types have no significant difference. SOC and ROC show extremely significant correlation. ROC is more active response to changes of land use types than SOC. ROC/SOC trends to be stable except topsoil of cultivated land.

Key words：The ancient course of Yellow River；Land use change；Soil oganic carbon；Soil readily oxidizable organic carbon

黄河明清故道系指公元1194—1855年间，黄河向南侵入淮河所形成的一段主河道所流经的地域，位于黄河、淮河、苏北灌溉总渠之间，流经豫、鲁、皖、苏四省22个县（市），全长730km，南北平均宽32.5km，土地总面积约2.4万km2，形成了淮河与黄河流域之间一个自然景观独特的地理单元[1]。该区域土壤成土母质为黄泛冲积物，土壤类型以潮土为主，土种主要为飞沙土。该土种砂性重，结构松散，缺乏毛细孔结构，沙粒阳离子交换量较低，其保水保肥性较差[2，3]，肥力较低。研究表明，砀山县飞沙土中有机质的含量仅为0.4%左右[4]，属于极低的水平。土地利用方式的改变对陆地生态系统碳循环有重要的影响[5]，是造成土壤有机碳（soil organic carbon， SOC）含量水平降低的重要因素。对于SOC含量较低区域土地利用改变导致的土壤碳含量变化研究主要集中在中国西部沙化地区。对于黄河故道区域土地利用方式变化对土壤碳影响的研究还未见报道。土壤易氧化有机碳（soil readily oxidizable organic carbon，ROC）是土壤活性有机碳重要的组分之一，由于其循环速率快，稳定性差，易受到外界因素的影响从而造成碳的释放。在土壤受到人为活动干扰的早期阶段，土壤碳库的变化被认为主要发生在ROC库中，因此常被用作土壤碳库短期变化的表征因素[6]。本研究通过测定安徽省砀山县黄河故道区域不同土地利用方式下土壤ROC含量，以期了解在有机质含量较低的飞沙土中土地利用变化所造成的土壤中有机碳含量的变化情况。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况 黄河故道在安徽省砀山境内长46.6km，区域面积约699.7km2，占砀山县总面积的59%。本研究区域选择位于砀山县西北部官庄坝镇的砀山黄河故道省级自然保护区内。保护区总面积约21.80km2，其中核心区5.86km2，是黄河故道区域内保持得较为完好的湿地之一，2017年初入选安徽省第一批重要湿地名录。该区域年降雨量773mm，年均气温14℃。

1.2 研究方法 在研究区域内选择较为典型的林地、耕地、果园、湿地、滩涂为采样区。采样区内具体情况见表1。样品采集时间为2016年7月底。在每个采样区内随机布设3个10m×10m样方，每个样方内按“5点取样法”，用直径为5cm的不锈钢土钻分别采集0～20cm、20～40cm、40～60cm深度的土壤，同层土壤混合为一个样本，共采集45个土样。土样用自封袋带回实验室自然风干，在此过程中剔除样品中的石子和动植物残体，碾碎后过2mm孔径土壤筛备测。SOC的测定采用外加热重铬酸钾容量法，ROC的測定采用333mmol·L-1高锰酸钾氧化-比色法[7]。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型SOC含量 不同土地利用类型SOC含量在3个土层深度上的表现见图1。土壤0～20cm表层SOC含量范围在2.93～7.42g/kg，其中林地、耕地、果园以及湿地表层土壤SOC含量均显著高于20cm以下土层（P<0.05），而20～40cm和40～60cm2个土层SOC含量无显著差异，说明这四种土地利用类型SOC含量在土壤表层出现积聚。滩涂3个土层之间SOC含量为0.39～0.81g/kg，未表现出统计学上的差异。对0～20cm表层土壤SOC含量的统计比较显示，耕地显著高于其它土地利用类型（P<0.05），林地表层SOC含量次之，而果园、湿地与滩涂表层土壤SOC含量之间无显著差异。由于耕地存在高强度的田间管理措施，外来有机质的输入明显，特别是秸秆还田和施肥管理，导致土壤SOC含量显著高于其它土地利用类型。林地受到的人为干扰相对较少，表层SOC的主要的来源为地表凋落物的分解。而果园由于存在清园工作，要及时清理枯枝落叶，切断了土壤SOC的主要输入源，土壤SOC的来源主要为肥料的施用。湿地与滩涂受到水分的影响较为显著，湿地上芦苇生长茂盛，滩涂植被稀少，而二者表层土壤SOC含量无差异，均处于较低的水平。说明砀山黄河故道湿地在储存碳能力上较弱。这与前人在黄河故道上游湿地（河南段）研究获得的结果一致[8]。出现这一现象的原因，可能与飞沙土的特性有关。飞沙土由于沙性重，结构松散，阳离子交换性差，因此保水保肥能力弱，极易产生水土流失。因此，该区域湿地土壤SOC含量处于较低水平。20cm以下土壤SOC含量在各土地利用类型之间无显著差异，表明砀山黄河故道区域不同的土地利用类型20cm以下土层SOC含量较一致，土地利用方式的改变对SOC的影响主要出现在0～20土层中。

2.2 不同土地利用类型土壤ROC含量 不同土地利用类型土壤ROC含量如图2所示，其范围为0.325～3.918 g/kg。除滩涂三层土壤ROC含量无显著差异外，其它土地利用类型表现为0～20cm土壤ROC显著高于20cm以下土壤。这与上述SOC随土层深度变化情况相似。但也存在细微差异，表现为林地与湿地两种土地利用类型中，20～40cm土层与40～60cm之间，ROC含量出现了显著差异（P<0.05）。这表明湿地在轉为林地后ROC较SOC更能反映出碳含量上的微小差异。

对各土地利用类型的3个土层SOC和ROC的平均含量值进行回归，建立二者之间的线性回归方程，见图3。结果显示SOC与ROC之间存在极显著的线性关系（P<0.01）。表明土壤中ROC含量在很大程度上还是依赖于总有机碳的含量。

为了消除总有机碳含量的差异对ROC含量产生的影响，对ROC与SOC进行比值处理，获得ROC分配比例，其范围为25.38%～53.67%，见图4。统计结果显示，各土地利用类型随土壤深度改变，ROC/SOC值未出显著差异。各土地利用类型在不同土层的横向比较显示，只在0～20cm表层耕地ROC分配比例（53.67%）高于其它土地利用类型。其他土地利用类型间ROC分配比例间均无显著差异。说明砀山黄河故道区域各土地利用方式对ROC分配比例的影响不显著。

3 结论

土地利用方式的改变是造成土壤有机碳含量变化的主要因素。黄河故道区域土壤以飞沙土为主。这一区域湿地景观是主要的环境背景，在受到人为干扰后，湿地转变为不同的土地利用类型后，土壤有机碳发生了变化。本研究显示：（1）该地区湿地转变为林地、耕地、果园和滩涂后，除滩涂外，各土地利用类型土壤SOC在0～20cm的土壤表层出现积聚，其中耕地与林地表层土壤SOC含量提高最为明显，如果考虑到耕地有施肥带来有机质输入的影响，林地在提高土壤有机碳含量的作用较有效；（2）土壤总有机碳SOC含量与易氧化有机碳ROC含量之间存在显著的相关性，说明ROC含量主要还是依赖于SOC含量的高低；（3）林地、耕地20～40cm、40～60cm土层ROC含量与SOC相比出现了显著差异，说明土地利用类型土壤碳变化的分辨上，ROC较SOC具有更高的灵敏度；（4）除耕地表层土壤外，ROC分配比例在各土层间无显著差异，同一土层各土地利用类型间也无显著差异，说明飞沙土为主的砀山黄河故道区域不同土地利用方式和不同的土层ROC分配比例趋于稳定，其值为（32.64±4.97）%。

参考文献

[1]黄以柱. 黄河故道区域土地资源开发利用研究[J].自然杂志， 1995（4）：211-215.

[2]Walpola， B C，Arunakumara， K.Decomposition of Gliricidia leaves：the effect of particle size of leaves and soil texture on carbon mineralization[J]，Tropical Agricultural Research & Extension.2010，13（1）：19-23.

[3]Ismail S M， Ozawa K. Improvement of crop yield， soil moisture distribution and water use efficiency in sandy soils by clay application[J].Applied Clay Science，2007，37（1-2）：81-89.

[4]付金沐，史志刚，孙林华，等.安徽砀山县域土壤有机质现状调查分析[J].安徽农业科学，2009，37（28）：3745-3746，3777.

[5]马晓哲，王铮.土地利用变化对区域碳源汇的影响研究进展[J]. 生态学报，2015，35（17）：5898-5907.

[6]沈宏，曹志洪，胡正义.土壤活性有机碳的表征及其生态效应[J].生态学杂志，1999，18（3）：32-38.

[7]Blair G J，Lefroy R，Lisle L.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation，and the development of a carbon management index for agricultural systems[J].Australian Journal of Agricultural Research，1995，46（7）：1459-1466.

[8]朱新玉，胡云川，芦杰.豫东黄河故道湿地土壤生物学性状及土壤质量评价[J].水土保持研究，2014，21（2）：27-32.

（责编：张宏民）