三江湿地周边不同利用方式土壤理化性质及水稳性团聚体化学计量特征变化

谷思玉，蔡越桐，张会慧，郭兴军，张泽慧，吴 帅

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

生态化学计量学（Ecological stoichiometry）是综合生物学、化学和物理学等学科基本原理，研究生物系统能量平衡和多重化学元素（主要是C、N、P）平衡的学科[1]。C、N、P作为植物基本化学元素，在植物生长和生理代谢中发挥作用[2]。C是反映土壤质量重要指标，N和P对生物生长、发育和行为起重要作用。

生态化学计量研究大部分集中在生态系统类型[3-4]、演替阶段对植物化学计量特征影响[5-6]、物种间和物种内不同器官之间计量特征关联[7-8]等。针对土壤团聚体生态化学计量特征研究较少。土壤团聚体是土壤结构重要物质基础和肥力重要载体，其组成和稳定性直接影响土壤理化性质[9]，不同粒级团聚体在养分保持、供应及转化能力等方面发挥不同作用[10]。夏建强等研究表明土壤中C、N和P以不同形态存在于不同土壤组分中[11]。不同组分中C、N和P稳定性不同，在土壤肥力演变中变化趋势不同。因此，了解土壤团聚体C、N、P生态化学计量特征，对掌握土壤全效养分供应和保持能力具有重要指示作用。

湿地是陆地生态系统重要组成部分和碳储库。虽然湿地面积占陆地面积6%，但却储存全球近1/3土壤碳[12]。近年来由于气候变暖及人为干扰活动（排水造林、放牧和开垦农田等），湿地成为受人类活动威胁最严重生态系统之一[13]。不同土地利用方式是人类干预土壤肥力最重要、最直接活动，通过改变土地利用方式，土壤营养循环强度、总量及路径、土壤供应作物营养水平、土壤肥力状况发生变化[14]。本文在黑龙江省三江平原湿地保护区内选择典型湿地及湿地不同利用类型（水田、旱田及人工林地）为研究对象，研究不同利用类型对湿地土壤水稳定性团聚体及团聚体中碳氮磷含量、储量及化学计量特征影响，分析人为干扰湿地后土壤团聚体稳定性及其养分循环变化，为湿地保护提供理论论据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样品采集

试验地为黑龙江省三江湿地-洪河保护区（47°45′39″N，133°37′04″E），地属温带湿润半湿润季风气候，海拔55～65 m，年平均降雨量550～600 mm，主要集中在夏秋季，年平均气温1.9℃，无霜期约125 d[15]，湿地采样区位于洪河湿地保护区核心区域，优势植物有小叶樟（Deyeuxia angusti⁃folia）和漂筏苔草（Carexpseudocuraica），伴有狭叶甜茅（Glyceriaspiculosa）、毛果苔草（Carexlasiocarpa）、块根老鹳草（Geranium transversale(Kar.&Kir.)Vved.ex Pavlov）、芦苇（Phragmites communis Trin.）、毛水苏（Stachys baicalensis Fisch.ex Benth.）和小白花地榆（Sanguisorba tenuifolia var.alba）等。分别在典型沼泽化湿地和草甸化湿地各设2个100 m×100 m样方，样区随机设置，间隔100 m以上，样方内按“S型”各取5个点混合，采样深度0～20 cm，沼泽化湿地排除水平下0～20 cm取样。为保证土壤团聚体在采集和运输中不被破坏，采样时尽量保证土壤原状，取样后放入保鲜盒中带回实验室。湿地不同利用类型样地均在湿地核心区域边缘，其中水田和旱田开垦年限在50年以上，旱田主要作物为玉米和大豆，人工林种植树种为白桦，树龄在30年以上，每个不同利用类型随机设置4个采样区，采样区和采样点设置及采样方法与湿地相同。

1.2 测定方法

土壤基础理化性质测定：土壤含水量用烘箱法测定；土壤全氮用凯氏定氮法；土壤全磷用H2SO4-HClO3消煮，钼锑抗比色法；土壤速效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法；土壤速效钾用1 mol·L-1NH4AC浸提，火焰光度法[16]。

土壤水稳性团聚体及团聚体化学计量特征值测定：按Six等[17]和Puget等[18]湿筛法并加以改进，具体方法如下：称取200 g风干土放入孔径2 mm筛子中，缓慢加蒸馏水湿润后，浸入盛有一定量蒸馏水水盆中，以50次·min-1上下振荡5 min，留存筛子上即＞2 mm团聚体，用蒸馏水转移到小烧杯中；将盆中土壤溶液全部倒入孔径1 mm筛子中，获得1～2 mm团聚体，然后依次按此方法获得0.251 mm和0.053～0.25 mm团聚体，＜0.053 mm团聚体转移到3 L大烧杯中，自然沉降24 h后用注射器小心取上清，将不同粒级团聚体分别50℃烘干、称重。每个处理土壤5次重复。

烘干后不同粒级团聚体研磨过0.25 mm筛，用于总有机碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量测定，土壤SOC测定采用K2Cr2O7-H2SO4——外加热法，TN测定采用半微量凯氏法，TP测定采用HClO4-H2SO4消煮——钼锑抗比色法，并分别计算不同处理土壤水稳性团聚体中TC/TN、TC/TP和TN/TP[19]。

1.3 数据分析

以Excel 2007和DPS 9.50软件对试验数据统计分析，数据为5次重复平均值±标准差（SE），单因素方差（One～way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同数据组间差异。

2 结果与分析

2.1 三江湿地不同利用方式土壤基本理化性质

由表1可知，不同利用方式下土壤含水率显著降低，土壤容重则显著增加，但3种利用方式间土壤容重差异不显著。湿地土壤pH表现为酸性，其中水田土壤pH较湿地稍有降低，而旱田和人工林土壤则明显增加。不同利用方式显著改变湿地土壤养分含量，3种利用方式土壤全氮、全磷、碱解氮和速效钾含量均显著降低，其中水田土壤全氮、全磷和碱解氮含量降低幅度显著低于旱田和人工林，而旱田和人工林2种利用方式下土壤全氮、全磷和碱解氮含量均无显著差异，速效钾变化趋势则表现为湿地＞旱田＞水田＞人工林。水田利用方式下土壤速效磷含量较湿地显著增加，但旱田和人工林2种利用方式下土壤速效磷含量则均显著降低。由图1可知，湿地不同利用方式土壤水稳性团聚体组成发生显著变化，表现为粉-粘团聚体（＜0.053 mm）比例最大，微团聚体（0.053～0.250 mm）次之，大团聚体（＞0.25 mm）最小。与湿地土壤相比，水田土壤1～2 mm团聚体相对大幅度降低，其中0.053～0.25 mm和＜0.053 mm团聚体较湿地显著增加，比例也显著高于旱田和人工林，分别增加143.89%和112.63%；旱田土壤＜0.053 mm团聚体较湿地土壤增加85.43%，＞2 mm和1～2 mm团聚体相对湿地降低，其他粒级团聚体比例变化较小；人工林土壤各粒级团聚体比例与湿地相比变化不明显。不同利用方式对湿地土壤平均重量直径MWD影响不同，其中水田和旱田土壤MWD有所降低，水田土壤MWD较湿地土壤降低74.94%，人工林土壤MWD则较湿地稍有增加。

2.2 三江湿地不同利用方式土壤水稳性团聚体有机碳分布

结果见图2。

表1 三江湿地不同利用方式下土壤基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties in soil under different land uses in wetland of Sanjiang plain

图1 三江湿地不同利用方式下土壤团聚体组成Fig.1 Composition of soil aggregates under different land uses in wetland of Sanjiang plain

图2 三江湿地不同利用方式下土壤团聚体中有机碳影响Fig.2 Effects of organic carbon in soil aggregates under different land uses in wetland of Sanjiang plain

由图2可知，3种利用方式有机碳含量相对于湿地均有显著变化，表现为湿地＞水田＞旱田＞人工林，但不同利用方式有机碳含量＜0.053 mm粒径下土壤有机碳含量相差不大。其中水田土壤、人工林土壤与湿地变化趋势一致，即随粒级减小有机碳含量明显降低，除水田土壤＞2 mm团聚体以外。三江湿地不同利用方式有机碳贮量变化趋势与有机碳含量变化趋势相反，即随粒径递减有机碳贮量逐渐升高，在大团聚体（＞0.25 mm）下湿地土壤有机碳贮量显著大于其他方式，其中水田土壤有机碳贮量最低，微团聚体（＜0.25 mm）下水田有机碳贮量最高且显著大于湿地。

2.3 三江湿地不同利用方式土壤水稳性团聚体全磷和全氮分布

根据三江湿地不同利用方式土壤水稳性团聚体全磷与全氮含量变化（见图3～4）。

图4 三江湿地不同利用方式土壤水稳性团聚体全氮影响Fig.4 Effects of total nitrogen in soil aggregates under different land uses in wetland of Sanjiang plain

由图3～4可知，全磷和全氮含量变化趋势与有机碳相同，为湿地＞水田＞旱田＞人工林，在＜0.053 mm粒级下变化趋势与有机碳相同，且相差值不大。旱田土壤、人工林土壤大团聚体（＞0.25 mm）中全磷和全氮含量为人工林高于旱田，微团聚体（＜0.25 mm）表现为旱田高于人工林，但随粒级变小旱田与人工林全磷、全氮含量值均相差不大。三江湿地不同利用方式全磷贮量和全氮贮量变化与有机碳贮量变化一致，在大团聚体（＞0.25 mm）下湿地土壤全磷、全氮贮量显著大于其他方式，其中水田土壤全磷、全氮贮量最低，微团聚体（＜0.25 mm）下水田全磷、全氮贮量最高且显著大于湿地。

2.4 三江湿地不同利用方式土壤水稳性团聚体化学计量特征

土壤水稳性团聚体有机碳、全氮、全磷化学计量特征见图5。

图5 土壤水稳性团聚体有机碳、全氮、全磷化学计量特征Fig.5 Stoichiometric characteristics of organic carbon,total nitrogen,total phosphorus in soil water-stable aggregates

由图5可知，湿地土壤C/N随粒级减小大体呈下降趋势，水田和旱田土壤C/N变化呈上升趋势，人工林C/N为17.45～20.90，各粒级间差异不显著。水田各粒级中C/N大于湿地土壤且两者差异不显著，旱田、人工林土壤在各粒级C/N显著低于湿地土壤，且在微团聚体（＜0.25 mm）中两者差异不显著。

湿地土壤、人工林土壤C/P变化趋势相同，随粒级减小呈下降趋势；水田土壤、旱田土壤C/P呈上升趋势。在各粒级中水田C/P大于湿地土壤，两者差异不显著，旱田与人工林土壤各粒级C/P显著小于湿地土壤，微团聚体（＜0.053 mm）除外。

由图5可知，不同利用方式土壤水稳性团聚体N/P无明显变化。湿地土壤大团聚体（＞0.25 mm）N/P大于其他利用方式，差异不显著；在0.25～1 mm团聚体N/P湿地土壤显著大于其他3种土壤；湿地土壤N/P在微团聚体（＜0.25 mm）上小于其他利用方式，尤其在＜0.053 mm团聚体上表现明显，湿地土壤显著小于其他利用方式。

3 讨 论

3.1 三江湿地不同利用方式对土壤团聚体组成影响

本研究中所有利用方式土壤水稳性团聚体比例均表现为粉-粘团聚体（＜0.053 mm）比例最大，微团聚体（0.053～0.250 mm）次之，大团聚体（＞0.25 mm）最小。窦森等研究团聚体发现湿筛法处理会破坏其内物理黏结作用，导致土壤中＜0.053 mm粉粒和黏粒经过胶结作用进入团聚体，获得细小土壤颗粒[20]。平均重量直径作为土壤团聚体稳定性重要指标，与团聚体稳定性呈正相关关系[21-22]。MWD值越大，稳定性越好，粒级＞0.25 mm水稳性大团聚体含量越高。水田土壤MWD有所降低，0.053～0.25 mm和＜0.053 mm团聚体较湿地显著增加，因为水田长期处于积水条件下，经过湿筛大团聚体中非稳定性团聚体破碎成小团聚体土壤团聚体。

3.2 三江湿地不同利用方式对土壤团聚体有机碳影响

不同围垦方式有机碳含量在大团聚体上明显大于小团聚体。Jastrow等利用13C示踪法证实大团聚体比微团聚体含更多有机碳[23]。湿地开垦为水田、旱田和人工林后，3种利用方式团聚体有机碳较湿地显著变化，表现为湿地＞水田＞旱田＞人工林，且差距多表现在大团聚体中。由于大团聚体由微团聚体和有机质胶结而成[24]，故土壤大团聚体富含新鲜有机质且比微团聚体具有更快周转时间[25]。湿地土壤团聚体有机碳含量高是因长期淹水，稳定水能条件可固定更多有机碳[26]，厌氧环境微生物活动弱，有机碳矿化量少，积累有机碳含量多[27]。宫超等研究发现湿地垦殖为水田后土壤基础呼吸显著下降，仅为开垦前46.24%，有机质周转强度较低，水田土壤团聚体有机碳含量仅次于湿地土壤；旱田土壤团聚体有机碳含量较低，旱田通常也经历较多干-湿交替现象，加速有机质矿化过程；不受人为干扰人工林土壤有机质氧化度较低，由于不受机械扰动，林地枯枝落叶与土壤结合程度较低，呼吸作用减缓，有机碳含量最低[28]。

3.3 三江湿地不同利用方式对土壤团聚体全氮和全磷及其贮量影响

土壤氮素含量决定有机碳含量，土壤碳保持在很大程度上决定于土壤氮素水平[29]，土壤水稳性团聚体全氮含量变化与有机碳变化一致。闫金龙研究表明，有机质有较强吸附能力，全磷含量变化趋势与有机碳含量变化一致[30]。土壤各粒级团聚体有机碳贮量是不同粒级团聚体有机碳含量与一定质量土壤中相应粒级团聚体质量乘积，反映土壤碳库在不同粒级团聚体中真实贮量[31]。微团聚体有机碳储量大于大团聚体，由于微团聚体比例较大，碳损失较小。微团聚体下水田有机碳贮量大于湿地，主要因水田生态系统特殊水热条件限制分解活动，有机碳大量积累[32]。

3.3 三江湿地不同利用方式土壤水稳性团聚体化学计量特征影响

土壤团聚体C/N、C/P反映有机质腐殖化程度及其对土壤养分贡献能力，水田在各粒径下C/N和C/P比值高于湿地，说明水田由于水热条件影响限制分解活动，有机碳大量积累，C/N、C/P越高表明有机质腐殖化程度越低，全氮、全磷含量增加缓慢[33]。土壤N/P可作为植物群落养分限制指示性指标，湿地土壤在大团聚体（＞0.25 mm）N/P值高于其他利用方式，相对较低土壤N/P说明氮素对植物群落制约作用[34]。湿地土壤和人工林土壤大团聚体（＞0.25 mm）C/N、C/P高于微团聚体（＜0.25 mm），由于土壤团聚体有机质是土壤微生物生存来源[35]，较大粒径土壤团聚体有机质含量高于微团聚体，C/N高于微团聚体[36]。水田和旱田土壤C/N、C/P随粒径降低呈上升趋势，由于水田和旱田粒径随减小氮素损失量相对较高，土壤C/N升高，湿地垦殖为后土壤质量下降[37]。

4 结 论

a.随土壤粒径减小，3种利用方式有机碳、全磷、全氮含量及C/N、C/P降低，且表现为大团聚体大于微团聚体，N/P变化不显著。

b.相同土壤粒径下，旱田和人工林土壤与湿地土壤相比，有机碳、全磷、全氮含量及C/P、N/P较低。

c.旱田和人工林土壤退化严重，1～2 mm粒径下碳氮损失量较大，化学计量不平衡。

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