三江平原不同土地利用方式下土壤可溶性有机碳的分布特征

郭岳 张仲胜 宋晓林

(1 吉林省湿地保护管理办公室，吉林 长春，130022；2 中国科学院湿地生态与环境重点实验室，东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130012)

三江平原不同土地利用方式下土壤可溶性有机碳的分布特征

郭岳1张仲胜2*宋晓林2

(1 吉林省湿地保护管理办公室，吉林 长春，130022；2 中国科学院湿地生态与环境重点实验室，东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130012)

通过测定三江平原不同土地利用方式下典型样带土壤可溶性有机碳（DOC）含量，研究了土壤DOC分布特征及影响因素，以揭示垦殖过程对土壤DOC的影响。结果表明：在不同的土地利用方式下，小叶章湿地土壤中DOC含量最高（768.54 mg/kg），林地次之（岛状林为676.65 mg/kg；人工杨树林为575.91 mg/kg），农田土壤最低（玉米地为318.7 mg/kg；水稻田为523.94 mg/kg）。除水稻田外，其余4种土地利用方式下土壤DOC由表层至底层均呈现出先增加而后急剧减少的趋势，在水稻田中，DOC含量随着剖面深度增加而明显升高；土壤DOC含量与土壤有机质（SOM)含量呈极显著正相关（r=0.588，p<0.001），与pH值呈显著负相关（r=-0.228，p=0.038）。湿地垦殖后，土壤中DOC占SOM的比例下降，表明湿地垦殖减缓了土壤碳周转速率。

三江平原；土地利用方式；DOC；小叶章湿地；分布特征

土壤可溶性有机碳（DOC）是土壤碳库中极为重要的碳组分，为微生物生长和生物分解过程提供重要的能量来源，对生态系统营养物质的有效性和流动性、污染物的毒性及其迁移特性都有直接或间接影响（Bolan et al, 2011）。土壤可溶性碳（DOC）是指主要吸附在土壤或沉积物颗粒上或溶解在孔隙水中的总的水溶性有机碳库（Tao et al, 2000），主要来源于植物凋落物、微生物分泌物、土壤腐殖质以及植物根系分泌物（Engelhaupt et al,2001）。DOC在土壤中移动较快，不稳定，易于氧化和分解（Cook et al, 1992），是土壤有机碳中最易被植物和微生物利用的部分。DOC虽然仅占总有机碳中很小的一部分，但是DOC的产生、迁移与转化对土壤碳库和其他元素具有重要的影响（Sachse et al,2005; 郗敏等,2009; 张金波等,2005c）。

湿地生态生态系统土壤碳库是地球表层最重要的碳库之一，碳储量巨大。土壤碳库中DOC含量的波动对于区域乃至全球碳循环过程具有深刻影响。土壤中DOC含量的影响因素主要包括凋落物的数量、组成、分解者群落等生物因素影响，非生物因素包括土壤的pH值、环境温度、土壤水分及土地利用方式等（Kalbitz et al,2000)。三江平原是我国最大的淡水沼泽集中分区之一（吕宪国,2008)，同时也是我国农业开发最为活跃的地区。近50年来三江平原总共经历了3次大规模的垦殖过程，大量的湿地被开发为水田或旱田。土地利用方式的改变必然影响湿地土壤中有机质及DOC的产生和迁移过程（毛艳玲等,2008; 张金波等,2005a)。目前已有的关于三江平原土壤DOC的研究主要集中在沟渠化对土壤DOC含量的影响方面（郗敏等,2008)，对于一些特定的景观类型如岛状林、小叶章湿地土壤中DOC的分布特征也有一定研究（张金波等,2005b)，但对不同土地利用方式下土壤DOC含量特征研究并不充分，缺乏对比分析。本文选择三江平原不同土地利用方式下的典型样地，通过测定不同剖面深度中土壤DOC含量，研究了土地利用方式改变对土壤DOC含量及分布特征的影响，以期加深对土壤碳循环的认识。个剖面，将每一层土壤中混合均匀后密封于聚乙烯塑料袋中带回实验室，室温下自然风干，碾磨过80目尼龙筛后，密封于聚乙烯封口袋中保存待测。

称取10.0 g风干土样，放入盛有50 mL蒸馏水的三角瓶中，常温下震荡浸提30 min，高速离心10 min，上清液用0.45μm滤膜过滤，用TOC-VCPH（日本岛津）测定浸提液中有机碳浓度，得到DOC浓度，通过水土比将DOC浓度换算成土壤DOC含量。测定过程中设置空白及平行，每个样品测定3个重复。土壤pH值采用pHB-3（土水比为5:1）pH计测定，土壤有机质（SOM）含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定。所有测试工作由中国科学院东北地理与农业生态研究所分析测试部完成。数据处理采用SPSS 13.0和Origin 7.5软件包。

2 结果与讨论

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站 (47°34′30.5″N,133°29′45.2″E），海拔 55 m，属于温带湿润大陆性季风气候，年均降水量600 mm。主要的优势种为小叶章Deyeuxia angustifolia、毛苔草Carex lasiocarpa和乌拉苔草Carex meyeriana。

1.2 样品采集及分析

2015年8月选择在典型玉米地、水稻田、小叶章湿地、人工杨树林和岛状林中采集土壤样品。土壤剖面深度为80 cm，采样时按照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分层采样。在每一个调查样地中选取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含量范围为118.4～1 701.5 mg/kg，平均为589.2 mg/kg，变异系数为7.55%。同其它研究相比，三江平原土壤中DOC含量处于较高水平。如广西喀斯特地貌区灌丛草地中DOC含量为150.6～221.1 mg/kg，平均为187.9 mg/kg，草丛坡地为134.6～234.5 mg/kg，平均为173.3 mg/kg（刘涛泽等,2009）；陕西黄土区土壤枯枝落叶层DOC含量为211.02 mg/kg，土层DOC含量为56.9 mg/kg（汪文霞等,2006)；福建罗浮栲天然林地土壤DOC含量为55.69 mg/kg（汪伟等,2008)，杉木林土壤DOC含量范围为94.0～125.7 mg/kg(王清奎等,2007)，均远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含量存在较大差异，表现出小叶章湿地＞岛状林＞人工杨树林＞水稻田＞玉米地的规律（表1）。三江平原经历的自然湿地—旱田—水田过程中，土壤中DOC含量首先减少，而后上升。自然湿地土壤中DOC含量最高，林地次之，农田土壤最低，这与前人的研究相一致。土地开垦是导致土壤DOC含量降低的主要原因，如小叶章草甸土壤开垦1年后，土壤DOC含量降低至原来的45%，且水田与旱田稍有差异。如开垦耕作35年的旱田，土壤DOC含量为112.55 mg/kg，耕作14年的水田DOC含量为131.74 mg/kg，均远低于自然小叶章草甸（张金波等,2005b)。伴随着降雨与土壤水分运动，DOC含量将通过淋失的途径迁移出体系之外（杨玉盛等,2003)。三江平原湿地边界沟渠底泥中土壤DOC含量为191.64 mg/kg，旱田沟渠边界底泥DOC含量为436.85 mg/kg，说明通过水流携带，由旱田迁出的DOC含量远高于由湿地中迁出的DOC含量，这可能主要与DOC的来源及在土壤中的赋存状态有关（郗敏等,2008)。腐殖质的淋溶及微生物分解(Mcdowell et al,1988)、枯枝落叶及有机质的腐殖化过程（Kalbitz et al,2000;Neff et al,2001)、植物根系分泌物（Prokushkin et al,2007)、微生物的新陈代谢都是DOC的主要来源（Michalzik et al,2001)。自然湿地及林地中植物凋落物的输入量要远高于农田，这为DOC的产生提供了基础。此外，土壤中DOC的主要成分是疏水性酸和亲水性酸，主要依靠其与土壤颗粒、矿物及有机质官能团间的吸附作用赋存在土壤颗粒表面，其中FA（富里酸）和HA（胡敏酸）是土壤吸附过程中最活跃的物质（Nebbioso et al,2013;杨玉盛等,2003)。自然湿地中有机质含量高，组成复杂，含有大量的有机官能团（Shafiquzzaman et al,2014)，对DOC的吸附能力较强，因此导致自然湿地中随着地表水流迁出湿地中的DOC含量较少。此外，湿地垦殖过程中造成土壤碳库的减少也是导致土壤中DOC含量急剧减少的主要原因。研究表明，三江平原不同土地利用方式下土壤有机碳储量为：沼泽湿地1.58×104t/km2、退耕还湿地为1.23×104t/km2、林地为 1.01×104t/km2、水田为 0.85×104t/km2、旱田为0.85×104t/km2(王丽丽 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

图1 不同土地利用方式下土壤DOC剖面分布规律Fig. 1 Vertical distribution of DOC under dif f erent land use

2.2 不同土地利用类型中土壤DOC剖面分布规律

不同土地利用方式下土壤中DOC的剖面分布规律差异较大（图1）。玉米地土壤剖面中，土壤DOC含量由表层至底层差异不大，波动较小，最高值出现在15 cm左右。而小叶章湿地土壤剖面中，土壤DOC含量波动较大，在表层4 cm深度DOC含量急剧升高，达到最大值，而后逐渐降低，在80 cm深度处，土壤DOC含量与玉米地中DOC含量接近。水稻田中，DOC含量在垂直方向上的规律表现出与玉米地及小叶章湿地截然不同的规律。除了在6～10 cm深度范围内土壤DOC含量有所减少之外，总体上由表层至底层，土壤DOC含量不断增加，在40 cm深度处，土壤DOC含量达到最高值。

岛状林与人工杨树林土壤剖面中DOC的分布规律较为一致。在0～10 cm深度范围内，土壤DOC含量不断增加，在10 cm深度处达到最高值。而后在10～25 cm范围内急剧降低，在25～80 cm深度范围内DOC含量维持稳定，波动很小。

三江平原土壤DOC剖面分布规律与其它研究中得出的结果相一致（郗敏等,2009），随着土壤剖面深度的增加，土壤中DOC含量逐渐降低（水稻田除外）。由于水稻田土壤样品只采集到了40 cm深度，因此本文的结果只能反映出40 cm（即耕作层）中土壤DOC含量的变化规律。与玉米地、小叶章湿地、杨树林及岛状林不同，水稻田典型的特征是一年内地表长期有积水。淹水条件能够促进土壤可溶性有机碳的释放（万忠梅等,2009)，且由于地表积

水的存在，水稻田中淋溶作用强烈，在垂直方向上DOC的交换更为强烈。由于在三江平原土壤剖面中存在很厚的白浆土层，质地粘重，透水性差，因此大量的DOC在白浆土层上方堆积，造成在水稻田土壤剖面中出现一个DOC的高值层。而其它土地利用类型中并不存在地表积水，表层产生的大量的DOC基本上为土壤有机质及土壤颗粒吸附，在垂直方向上淋溶作用较水稻田要弱得多，因此大量的DOC保留在地表约0～25 cm的土层中。方差分析表明，地表0～25 cm厚度土层中DOC含量要显著高于底层土壤（F=16.187，p＜0.001）。

2.3 土壤有机质及pH值对DOC含量的影响

图2 土壤SOM含量与DOC含量关系Fig. 2 Relationships between SOM and DOC

土壤中DOC含量受到多方面因素的影响，如凋落物的输入、微生物的活性、土壤水分含量、地貌条件等（Bolan et al,2011)。相关分析表明，三江平原土壤DOC含量与土壤有机质呈显著正相关关系(r=0.588，p＜0.0001)(图2)。随着土壤有机质含量的增加，土壤中DOC含量也不断升高。土壤有机质为DOC的产生提供了物质基础，微生物对有机质的分解及有机质的矿化过程中，均伴随有DOC的释放（Greenwood et al,2006）。有机质的增加，为微生物活动提供了能量来源，增加了微生物的活性，微生物对枯落物分解能力及速度增强，导致土壤DOC增加，二者之间形成正反馈关系。此外，由于土壤有机质具有较强的吸附能力，大量的DOC将通过土壤的吸附作用或者通过络合螯合反应等为土壤有机质所固定，这也导致土壤DOC含量的升高。

图3 土壤pH值与DOC含量间关系Fig. 3 Relationships between soil pH and DOC

DOC是土壤有机碳组分中具有较高活性的部分，是土壤微生物的有效碳源，容易被分解利用变成CO2(Clair et al,2002)。通常土壤DOC含量与微生物碳含量占总有机碳的比例，反映了土壤中C周转速度的快慢。土地利用方式的改变，通常会导致土壤碳源汇功能的转换，因此其中C的周转过程也必定受到影响。三江平原不同土地利用方式土壤中DOC与土壤有机质的比例（RD/S）差异很大，表现出小叶章湿地（4.64%）＞水稻田（2.25%）＞玉米地（1.23%）的趋势(图3)，岛状林中土壤RD/S（2.34%）也高于人工杨树林（1.15%）。说明湿地垦殖后，RD/S下降，土壤中C的周转速度变慢。

相关分析表明，土壤DOC含量与土壤pH值呈显著负相关关系(r=-0.228，P=0.038)(图3)。目前关于土壤pH值变化对DOC产生及迁移过程的影响并不清楚。室内模拟试验通常得出不同的结果，如David等（1990）发现酸性土壤B层中DOC吸附能力随着pH值降低而减少，而Kaiser等（1996）认为大部分天然土壤pH值（一般介于3.5～6）对DOC的吸附能力影响不显著，因为只有当pH值大于6.0或者小于4.5～3.5时，倍半氧化物吸附能力才明显减弱。室内模拟实验结果产生差异的主要原因是由于土壤矿物在不同pH值条件下具有不同的最大吸附能力。土壤pH值对DOC的影响主要包括影响土壤矿物的吸附能力、微生物的活性及影响DOC的淋失3个方面。土壤pH值能够显著影响土壤微生物的活性，导致土壤微生物量碳的增加或减少。研究表明，在pH值4.0～7.0的范围内，随着土壤pH值的升高，土壤微生物生物量氮逐渐增大，说明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，加快了土壤中有机质的分解，将导致土壤DOC的增加。但土壤pH值的升高，同样会影响到土壤中DOC的可溶性从而导致DOC淋失的增加。Andersson等（2001）研究发现，相比于温度，pH值对土壤DOC的淋失影响更为明显，在室内模拟试验的时间内（1～36 d），pH值一直是影响土壤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的含量随着pH值的升高而显著降低，说明在野外情况下，由于pH值增加，刺激了微生物的活性，当pH值在5.5左右时，土壤中的DOC达到最高值，说明pH值在4.5～5.5的范围内，微生物活性的提高导致DOC的增加量占主导优势，而在5.5～7.0的范围内，随着pH值的升高，土壤中DOC含量逐渐降低，说明此时随着pH值的增加，DOC的淋失作用增强，并成为控制土壤中DOC的主要因素之一。在野外条件下，pH值可能是主要通过影响DOC的溶解性及土壤矿物的吸附能力，从而影响DOC的含量及迁移过程。

3 结论

（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为小叶章湿地≈岛状林＞杨树林＞水稻田＞玉米地。总体上农田中DOC含量要低于湿地中，说明农业垦殖活动将导致土壤中DOC含量降低。玉米地、小叶章湿地、岛状林及杨水林中，土壤DOC含量主要集中在表层0～15 cm深度范围内土壤，总体上由表层至底层，土壤中DOC含量逐渐降低。水稻田中DOC含量则主要集中在土壤底层。

（2）湿地开发为农田后，土壤有机质含量减少，土壤碳周转变慢。三江平原土壤中DOC含量与土壤有机质含量呈显著正相关（r=0.588，p＜0.001），与土壤pH值呈显著负相关。

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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

国家自然科学基金项目“东北沼泽湿地土壤碳库分子结构特征及其稳定性对气候变化响应机制”资助

郭岳，吉林省湿地保护管理办公室从事湿地管理工作。E-mail:guoyue008@126.com

*通讯作者：张仲胜。E-mail: zzslysn@iga.ac.cn