不同年限弃耕水田土壤养分及碳储量变化的研究

王天娇 杨萌 朱卫红

摘 要：通过采集不同年限弃耕水田与2个天然湿地的土壤，对不同年限弃耕水田土壤理化性质以及不同土层深度土壤有机碳储量的变化进行了分析研究。结果表明：（1）随着弃耕年限增大，垂直剖面的土壤容重和孔隙度的变异系数变大；（2）除了速效氮，其他土壤养分含量大致随土层深度的增加而减小；（3）土壤有机质、全氮和速效氮含量是先增大后减小，全磷含量是先增大后减小再增大；（4）20～40cm土层深度土壤有机碳储量占0～40cm深度的50%以上，10～15a弃耕水田20～40cm占比最大，达其60%以上。

关键词：弃耕水田；土壤养分；有机碳储量

中圖分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）15-0091-05

Abstract：In this study，we collected the soil from abandoned paddy fields and two wetlands，to analyze physical and chemical properties of soil，and the change of soil organic carbon storage in different soil depths.The results showed that：（1）With the increase of abandoned years，the coefficient of variation of soil bulk density and porosity in the vertical section became larger.（2）In addition to available nitrogen，other soil nutrient content decreases with increasing soil depth.（3）The contents of soil organic matter，total nitrogen and available nitrogen increased first and then decreased，and the total phosphorus content first increased then decreased and then increased.（4）The depth of soil organic carbon in 20-40cm accounted for more than 50% of the depth of 0-40cm，and the proportion of 20-40cm accounted for the largest in 10-15a abandoned paddy field，accounting for more than 60%.

Key words：Abandoned paddy fields；Soil nutrient；Carbon stock

水田是农业景观的主要组成部分，其被评估为水生植物、稻田杂草、水鸟及青蛙的湿地栖息地。然而，近几十年来，随着农业活动的集约化和边缘化，水田的生物多样性正在下降[1-2]。根据气候变化和土壤退化情况，这些弃耕水田经历了植物再生的过程，有不同程度的恢复。弃耕水田是在人为干扰情况下的一类退化的湿地生态系统，也是湿地演替理论的重要组成部分。温带地区的研究表明，在大多数情况下，弃耕地的恢复趋势一般遵循典型的次生演替阶段规律：在最初的演替阶段，植被多以一年生植物为主，然后是阔叶树和草，灌木和树木[3]。植物组成随时间的变化取决于土壤肥力的变化，地上和地下动物活动以及互惠共存的植物物种及其相关的土壤特征。在弃耕水田上，植被的结构取决于弃耕地的年限；植被覆盖度取决于与地点相关的因素[4]。土壤有机质的损失，土壤养分和土壤含水率的下降反过来对植物生长产生负面反馈作用，结果是再生植被将被延迟甚至被阻止[5-6]。

退化湿地的生态恢复与重建是经济可持续发展的需要，更是人类生存的需要。由于湿地退化严重影响了区域生态、经济和社会的可持续发展[7]。我国对退耕还湿开始于20世纪70年代，国内外对湿地的研究主要集中于湿地植物种子库和植被演替动态、湿地生态系统健康与景观格局变化、湿地演化模式和过程、退化湿地的恢复与重建等方面[8-11]。但对弃耕地的植被和土壤的研究是近年才开展起来的，现有对高寒农区弃耕地地还林还草的研究，但罕有对弃耕水田中植物群落和土壤特征变化的研究。

本研究以图们江下游敬信湿地农区1～3a、5～7a、10～15a和20～30a的弃耕水田地及2个天然湿地为研究对象，通过采集不同年限弃耕水田与毗邻的2个天然湿地的土壤，对不同弃耕水田土壤理化性质的进行分析；以及不同土层深度土壤有机碳储量的变化，探究弃耕还湿的土壤特征和土壤有机碳储量的变化，以期为图们江下游的湿地生态恢复措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 图们江下游地区湿地位于吉林省东部延边朝鲜族自治州珲春市敬信镇，地处中国、朝鲜和俄罗斯3国交界处。本研究区域主要是敬信湿地农区的不同年限弃耕水田地。地理范围为42°32′43″N～42°42′13″N，130°25′1″E～130°37′37″E。本区属长白山地的东部中低山区，三面环山，整个地势由北向西南逐渐倾斜，形成东北、东南、西北部高，中部、南部低的簸箕状盆地，海拔5～15m，是吉林省的最低处；由于距日本海较近，受海洋影响较大，气候属中温带近海洋性季风气候，与同纬度地区相比冬暖夏凉，年均气温5.6℃，1月最冷，8月最热，春秋季风大，降水充沛，年降水量600～800mm，极端最高气温为36.6℃，极端最低气温为-32.5℃，干燥度为0.8，属湿润区。

图们江下游地区湿地江河纵横、湖泡棋布，该镇该镇湿地类型多样，分布着湖泊湿地、河流湿地和沼泽湿地等，具有较高的生产力和丰富的生物多样性，圈河为其主要支流，为吉林省近海的重要湿地。区内野生动物3目62科190种，列入国家重点保护野生动物名录的Ⅰ、Ⅱ级鸟类有丹顶鹤（Crus japonen-sis）、大天鹅（Cygnus cygnus）、白额雁 （Anser albi-frons）、鸳鸯（Aix galericulata）、虎头海雕（Haliaeetus pelagicus）、白尾海雕（Haliaeetus albicilla）等18 种，还是水貂（Mustela vison）和海豹（Phoca vtulina）在吉林省的唯一分布区，有高等植物51科305种，其中包括莲（Nelumbo）和玫瑰（Rosa rugosa）等稀有植物。

1.2 研究方法 本研究于2017年7月开始进行植物优势种调查以及土壤样品的采集，选取图们江下游敬信镇2个类型湿地，分别为弃耕水田（RW）和天然湿地（NW）。每个样地随机建立3个平行样点（40m×40m），共计12个样点。其中，3个弃耕水田（RW1、RW2和WR3）都建立在曾经开垦的水田上，弃耕年限分别为1～3年、5～7年、10～15年和20～30年；2个自然湿地为未受到人为干扰的沼泽湿地。每个样点设置1m×1m的小样方，依据对角线原则采集5份土样并将混合，剔除大石砾，可见根系等雜物，最后取出1kg装入聚乙烯样品袋中，贴好标签。采集不同深度（上层0～10cm，中层10～20cm，下层20～40cm）的土壤样品。记录样方周围环境和植被覆盖等情况，地理坐标用精度为10m的手持GPS确定。表1为样地植物群落物种种类。土壤理化性质测定方法分别为：土壤容重采用环刀法；土壤pH采用电位法；土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法；全氮采用半微量开氏法（K2SO4-CuSO4-Se蒸馏法）；全磷采用钼锑抗比色法（HClO4-H2SO4法）；速效氮采用碱解扩散法。土壤有机碳含量用土壤有机质含量乘以换算系数（0.58）得到，土壤剖面有机碳密度和单位面积土壤有机碳储量的计算公式如下：

[Ci=Di×Wi；]

[Ti=i=1n（Ci×di）×0.1]

式中，Ci为土壤有机碳密度，kg/m3；Di为土壤容重；g/cm3；Wi为第i层土壤有机碳含量，g/kg；Ti为单位面积第i层土壤深度范围内土壤有机碳储量，t/hm2；di为第i层土壤厚度，cm；n为层数，本研究中n=3。

2 结果与分析

2.1 土壤容重变化趋势 土壤容重和孔隙度是土壤孔性的重要指标，影响土壤养分的有效化和植物生长（李永强，2012）。弃耕年限不同，弃耕水田不同土层土壤容重和孔隙度变化幅度明显（表2）。弃耕地平均容重为1.07g/cm3；而天然湿地平均容重为1.02g/cm3，主要是天然湿地具有丰富的腐殖质。20～40cm土层容重和孔隙度的变异系数最大，是0～10cm土层的3倍多。随着弃耕年限增大，垂直剖面的土壤容重和孔隙度的变异系数变大。5～7a弃耕水田土壤容重变异系数最大，分别是2个天然湿地的3.5和4.4倍，且仅有10～15a弃耕水田容重变异系数小于2个天然湿地。如图1所示，弃耕时间短的样地容重小于弃耕时间长的样地，可能与降水和沉积作用有关。在5～7a弃耕水田土壤容重随着土层深度增加而减小，而20～30a土壤容重变化趋势恰好相反。1～3a和10～15a弃耕水田与天然湿地的变化趋势基本一致。弃耕1～3a、5～7a、10～15a和2个天然湿地的容重最大的土层在0～20cm，而20～30a的最大容重在20～40cm。孔隙度与容重是相关联的指标，二者变化规律相反。5～7a的弃耕水田0～10cm的土壤容重相对较大，孔隙度相对较小。20～30a弃耕水田孔隙度变异系数最大，为12.8%，分别比2个天然湿地大10.2%和11.1%。如图2所示不同弃耕年限与天然湿地的土壤孔隙度的变化趋势。

2.2 土壤养分含量变化趋势 不同弃耕年限和天然湿地，除了速效氮，其他土壤养分含量大致随土层深度的增加而减小，0～10cm土层深度的有机质、全氮和全磷含量基本最高；20～40cm土层深度的有机质、全氮和全磷含量基本最低。以土壤有机质为例，1～3a、5～7a和20～30a土壤有机质含量随土层深度变化与2个天然湿地变化趋势相近，而10～15a土壤有机质含量随土层增加先增大再减小，可能与降雨和沉积作用有关。土壤全氮是1～3a、5～7a和10～15a随土层深度变化趋势与2个天然湿地变化趋势一致，而20～30a的土壤全氮含量随土层增加先减小再增大。而速效氮含量在不同年限随着土层深度增加，变化不一，1～3a和10～15a随着土层深度增加而减小；5～7a随着土层深度增加而变大；20～30a随土层增加先增大后减小。

同一土层深度不同弃耕年限土壤有机质、全氮、全磷和速效氮含量有所不同。土壤有机质、全氮和速效氮含量变化趋势一致，为先增大后减小；全磷含量是先增大后减小再增大。以0～10cm的土层深度为例，1～3a土壤有机质、全氮、全磷和速效氮含量最低；20～30a的土壤有机质含量最大，为3.94g/kg，相比1～3a增加了103.9%，5～7a土壤有机质含量与2个天然湿地土壤有机质含量接近。1～3a土壤全氮含量最低，为2.34g/kg，10～15a含量最高，为3.77g/kg，比1～3a增加了61.1%，且10～15a土壤全氮含量与2个天然湿地全氮含量相近。1～3a土壤全磷含量最低，为0.32g/kg；20～30a含量最高，为0.67g/kg，比1～3a增加了109.3%，且20～30a全磷含量与2个天然湿地含量接近。5～7a土壤速效氮含量最低，为16.49g/kg；10～15a含量最高，为25.86g/kg，比5～7a增加了56.8%，而2个天然湿地比弃耕水田的土壤速效氮含量都高。

2.3 土壤有机碳储量 如图6所示，不同弃耕年限的水田和2个天然湿地20～40cm土层深度土壤有机碳储量都占40cm深度内有机碳储量的50%以上，10～15a弃耕水田20～40cm占比最大，占其60%以上。由表3可知，除了1～3a弃耕水田，其他3个弃耕水田土壤有机碳储量均大于2个天然湿地的土壤有机碳储量。20～30a弃耕水田0～40cm土层有机碳储量最大，为21.85t/hm2，且变异系数也最大，为73.4%；而最小是在1～3a弃耕水田，为7.84t/hm2。随着土层深度增加土壤碳储量随之增大，平均值分别为1.92t/hm2、3.42t/hm2、7.58t/hm2，且0～10cm土层深度有机碳储量变异系数最大，为49.8%，最小为10～20cm土层，为36.3%。由此可见，弃耕年限不同，土壤有机碳储量不同，也会影像到各土壤层碳储量的分配。

3 结论与讨论

植被群落生产力水平是生态系统结构和功能的重要表现形式，图们江下游弃耕水田在不同恢复年限由不同植被群落组成。土壤养分相对于植物变化具有滞后性，土壤是植物赖以生存的基础，土壤理化性质不单单取决于土壤的质地，而且与植物有着密不可分的关系，土壤养分含量随着回复年限进行而呈现出不一样的变化特征。弃耕水田恢复过程中首先改变了植物覆盖类型，改变植物生产力，这必然会影响土壤有机碳拦存进而改变土壤有机碳储量。研究发现，不同弃耕年限水田，不同土层深度土壤容重和孔隙度变化幅度明显，随着弃耕年限增大，垂直剖面的土壤容重和孔隙度的变异系数变大；除了速效氮，其他土壤养分含量大致随土层深度的增加而减小，0～10cm土层深度的有机质、全氮和全磷含量基本最高；20～40cm土层深度的有机质、全氮和全磷含量基本最低；土壤有机质、全氮和速效氮含量变化趋势一致，为先增大后减小；全磷含量是先增大后减小再增大；不同弃耕年限的水田和2个天然湿地20～40cm土层深度土壤有机碳储量都占40cm深度内有机碳储量的50%以上，10～15a弃耕水田20～40cm占比最大，达60%以上。

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（責编：张宏民）