不同土地利用方式下干旱区湿地土壤活性有机碳组分特征

龚月月，朱新萍，李典鹏，郑梦竹，杜 婕，孙 涛

（新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

活性有机碳是土壤有机碳的重要组分[1]，可用可溶性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)、轻组有机碳(light fraction organic carbon, LFC)、易氧化有机碳(readily organic carbon, ROC)、土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和潜在可矿化碳 (potentially mineralizable carbon, PMC)表示[2]，其中DOC、ROC具有较高的活性和动态性，可以敏感地反映土壤碳的变化，对调控土壤碳氮循环、提高土壤肥力具有十分重要的意义[3]。

土地利用方式变化是影响陆地生态系统碳循环的最重要因素之一[4]，不同土地利用方式下土壤中活性有机碳组分差异显著[5]。将湿地转变为耕地或用于其他目的而被排干开垦是常见的土地利用方式转变之一[6]。有研究表明，天然沼泽变为排水湿地、农田、弃耕地后，土壤有机碳含量下降，土壤活性碳组分含量湿地高于农田[4]；长江中下游的湖泊湿地围垦前后有机碳降低幅度达到30%[7]；三江平原湿地开垦为耕地后，土壤有机碳含量也迅速下降[8]；然而，也有研究表明，三江平原部分土壤区域出现水田与旱田土壤有机质含量高于湿地土壤的现象[9]；在盐城滨海湿地研究中得出围垦初期的农田土壤有机碳含量增加[6,10]。干旱区湿地多分布于西北内陆荒漠地带，是我国重要的湿地类型[11]，土壤环境对人类活动的扰动非常敏感[4]，在以往围湖造田、开垦拓荒和放牧等人为活动下，湿地土壤有机碳水平必然发生变化，其组分特征可能不同于沿海湿地及三江平原等其他湿地区域，干旱区的湿地土壤有机碳各组分积累特征与土地利用方式之间存在何种响应关系？有机碳和活性有机碳有何变化？目前在这方面的研究还不充分[12]。柴窝堡湖湿地位于干旱区，是乌鲁木齐市重要的水源地和生态屏障，由于人为开发和自然因素的影响，人工垦殖现象明显，湿地退化严重，从而引发了一系列的生态环境问题[13]。本研究对柴窝堡湖湿地不同利用方式下的土壤进行调查采样、分析其土壤活性有机碳组分的分布特征，揭示因土地利用方式不同引起的湿地土壤有机碳组分的变化特征及响应关系，旨为干旱区湿地开发利用过程中生态系统碳收支平衡以及湿地保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

柴窝堡湖是由中天山喀拉乌成山北坡、博格达山流入柴窝堡盆地的地表径流、潜水和柴窝堡盆地内的湖泊、沼泽等组成的闭合型水系，水系无干流，主体为柴窝堡湖，是一个天然的半封闭微咸水湖，位于乌鲁木齐市东南郊44 km处(87°54' E，43°30' N)。该湖是乌鲁木齐市面积最大的地表水体，南北宽5.9 km，东西长6.09 km，呈浅碟形，面积29.98 km2，平均水深3.50 m，最深处6 m；湖面海拔1 093. 80 m，容积1.30亿m3，湖水平均温度6.15 ℃，最高水温20 ℃，冰封期110 d。由于自然和人为原因，部分湖区盐渍化现象严重[14]，柴窝铺湖湿地可分为两种类型：湖泊湿地和盐碱湿地。根据新疆环境监测总站卫星遥感监测结果表明，柴窝堡湖水面2009年以前，湖泊面积呈相对稳定的趋势，年际间变幅很小，湖泊面积基本维持在29 km2以上；2009-2014年，湖泊面积有明显的缩小趋势，2014年9月仅为0.24 km2，几乎干涸；2014年起政府对柴窝铺湖湿地开展“退耕还湖”行动，目前处于恢复治理中[15]。

1.2 调查与采样

2017年7月，结合前期调查结果，在柴窝铺湖区域按照不同土地利用方式分布情况选取5个采样点(表1)，每个点取3个混合样。

1.3 土壤有机碳测定方法

土壤总有机碳(SOC)采用重铬酸钾外加热法测定[16]。土壤易氧化活性有机碳(ROC, mg·kg-1)采用Conteh[17]等的方法测定。土壤可溶性有机碳(DOC)采用比色法测定，主要参考占新华和周立祥[18]的研究，结合所采样品实际土壤有机碳含量，对方法中标准曲线及试剂用量等略作改进。土壤有机碳密度采用估算的方法[19-21]。土壤密度采用比重瓶比重法测定[16]。

表 1 柴窝堡湖各采样点基本情况Table 1 Sampling points in Chaiwopu Lake

1.4 数据处理

数据采用SPSS 19.0和Origin 8.5软件进行处理，用One-Way ANOVA分析5种不同利用方式湿地土壤有机碳的差异显著性，用Pearson相关性系数表示土壤活性有机碳各组分、土壤基本理化性质的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

土地利用方式不同会对土壤理化性质有所影响(表2)。除W3表现为土壤pH随土壤深度的增加逐渐降低之外，在其它土地利用方式下土壤pH随土壤深度的增加逐渐增高。W1、W3样地，0 - 10 cm土层与20 - 40 cm土层的土壤pH均存在显著差异(P ＜ 0.05)；F1样地，0 - 10 cm 土层与 10 - 20 cm、20 - 40 cm层的土壤pH差异显著(P ＜ 0.05)；W2、F2样地，0 - 40 cm各层之间的土壤pH差异均不显著 (P ＞ 0.05)。

电导率大小除W3外，其他利用方式均随土壤深度的增加呈现降低的趋势，各土地利用方式下表现为 W2＜ W1＜ W3＜ F1＜ F2(表 2)，且 5 种土地利用方式下0 - 10 cm、10 - 20 cm、20 - 40 cm各土层间存在一定差异。土壤密度大小随土壤深度表现为逐渐增高的趋势，具体表现为F1＜ F2＜ W2＜W1＜ W3，F2土壤密度在0 - 40 cm层不存在显著差异 (表 2)。

农田土壤有机碳密度高于湿地(表2)。湿地土壤有机碳密度在1.554～4.604 kg·m-2，算术平均值为2.632 kg·m-2；湿地周边农田土壤有机碳密度在4.269～4.651 kg·m-2，算术平均值为 4.447 kg·m-2。

表 2 基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical characters of soil samples

2.2 不同土地利用方式下土壤活性有机碳特征

不同土地利用方式下0 - 40 cm土壤总有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳含量均存在差异(表3)。土壤总有机碳含量表现为 F1＞ F2＞ W2＞ W1＞ W3，土壤易氧化有机碳含量表现为 F1＞ F2＞ W2＞ W3＞W1，可溶性有机碳含量表现为 F1＞ W3＞ W1＞ F2＞W2。在不同土地利用方式下，总有机碳和易氧化有机碳在F1与F2，W1与W3间差异不显著(P ＞ 0.05)，但F1和F2均显著高于W1和W3(P ＜ 0.05)。可以得出，农田(F)土壤总有机碳和易氧化有机碳含量显著高于湿地 (W)，并且 F1＞ F2(P ＞ 0.05)。可溶性有机碳在W1与W3，W2与F2间差异不显著(P ＞ 0.05)，F1与 W2、F2间差异显著 (P ＜ 0.05)。

2.3 不同土地利用方式下土壤活性有机碳垂直分布特征

W1、W2土壤总有机碳含量、易氧化有机碳含量及可溶性有机碳含量随着土层深度加深呈显著阶梯式降低 (P ＜ 0.05) (图 1、2、3)，F1、F2垂直变化差异不显著(P ＞ 0.05)；W3土壤0 - 10 cm深度总有机碳含量、易氧化有机碳含量显著高于10 - 40 cm土层，而可溶性有机碳含量随着土层深度加深而显著升高。

表 3 不同土地利用方式下0 - 40 cm土壤有机碳及活性有机碳含量Table 3 Content of total soil organic carbon and active organic carbon under different wetland use types

图 1 不同土层深度总有机碳含量Figure 1 Effect of soil depth on total organic carbon content不同小写字母表示所有处理间差异显著 (P ＜ 0.05)， 图2、图3同。Differernt lowercase letters indicate significant difference between treatments at the 0.05 level； similarly for Figure 2 and Figure 3.

图 2 不同土层深度易氧化有机碳含量Figure 2 Effect of soil depth on total readily oxidizable carbon content

2.4 土壤有机碳与土壤理化性质的相关性分析

图 3 不同土层深度可溶性有机碳含量Figure 3 Effect of soil depth on total dissolved organic carbon content

通过对土壤总有机碳含量、易氧化有机碳含量、可溶性有机碳含量和土壤理化性质相关性分析得出(表4)，pH与土壤总有机碳含量、易氧化有机碳含量、可溶性有机碳含量存在极显著负相关关系(P ＜ 0.01)；电导率与土壤总有机碳含量、易氧化有机碳含量存在极显著正相关关系(P ＜ 0.01)；土壤密度、容重和有机碳密度与土壤有机碳关系不密切，电导率与pH极显著负相关(P ＜ 0.01)。

易氧化有机碳及溶解性有机碳在一定程度上表征着土壤中活性较高部分的有机碳含量。土壤总有机碳含量分别与易氧化有机碳、可溶性有机碳含量极显著(P ＜ 0.01)和显著(P ＜ 0.05)相关，易氧化有机碳和可溶性有机碳之间也极显著正相关(P ＜ 0.01)。

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对土壤总有机碳的影响

不同土地利用方式改变了湿地土壤有机碳含量，本研究得出，F1、F2土壤总有机碳含量明显高于W1、W2、W3，且垂直变化趋势为随深度增加而降低，说明不论是由湿地垦殖为农田还是自然农田，其土壤总有机碳含量都明显高于湿地，以上原因可能是0 - 40 cm土层为耕作层，土壤受到垦殖、施用化肥等人为因素干扰，有机肥中含有的有机碳随有机肥的施用以外源有机碳的形式进入土壤，对提高土壤有机碳含量有显著作用[22]。

表 4 土壤各种形态有机碳以及各理化性质之间的相关关系Table 4 Correlations between soil organic carbon fractions and other soil parameters

有机碳含量在农田0 - 40 cm土壤中变化不明显，主要因为0 - 40 cm为作物耕层土壤，进入土壤的有机物在机械翻耕等作用下分布较为均匀，导致该层有机碳含量变化不明显，这与前人研究结果一致[22-24]，但农田土壤表面缺少植物覆盖，微生物数量减少，也有可能造成土壤表层有机碳含量低于下层的现象[25]，本研究也表现出表层土壤有机碳略比下层低 (P ＞ 0.05)。

3.2 不同土地利用方式对土壤易氧化有机碳的影响

不同土地利用方式下，土壤环境差异较大，土壤有机碳的分解转化程度亦不同，因此土壤的易氧化碳也存在较大差异[26]。土壤耕层的易氧化碳在剖面的分布规律会受到土壤植被环境、根系分布、生物活动、人工扰动等因子的影响[26-27]。农田受人为耕作的影响，表层土壤中易氧化的活性碳组分暴露，可能会降低土壤易氧化有机碳的稳定性，加速其被氧化的进程[27]，表现出表层易氧化有机碳会低于深层次土壤，但本研究得出不论湿地还是农田土壤易氧化碳含量均随着土层深度的增加而逐渐减少，这也可能与总有机碳有关，胡玉福等[28]研究表明，SOC含量是影响ROC含量的重要因素，土壤有机碳含量高，土壤易氧化有机碳含量也高，在本研究中土壤易氧化碳含量变化趋势与土壤总有机碳含量相似，ROC和SOC相关性达到极显著水平，相关系数为0.96 (P ＜ 0.01)。

3.3 不同土地利用方式对土壤可溶性有机碳的影响

可溶性有机碳主要来自于地表枯落物，因而其含量应与总有机碳含量表现出相同规律[29]，即可溶性有机碳随土层深度的加深而递减，但本研究中盐碱湿地的结果与之相反，且可溶性有机碳含量明显低于其它土地利用方式，可能由于该区域盐碱湿地在水位下降过程中出现严重的盐渍化现象，盐渍化使得地表土壤植被生产力降低、凋落物返还减少等[10]因素造成，加之DOC是土壤中活性较高的部分，具有一定的溶解性和移动性，易发生溶解和向下淋溶[23,28]，从而导致盐碱湿地可溶性有机碳随土层深度的加深而增加。从可溶性有机碳含量的研究结果中可知，农田明显高于其他土地利用方式，这可能是因为0 - 40 cm为耕层，受人为施加有机肥的影响，农田中活性有机碳含量高于未施加有机肥的土壤[30-31]。

3.4 不同土地利用方式下土壤理化性质与土壤有机碳的关系

有研究表明，土壤pH会影响有机碳的累积并呈极显著负相关关系(P ＜ 0.01)[32-33]，与本研究结果一致。通常情况下，土壤pH可能是通过影响土壤微生物的生物多样性或活性来影响有机碳含量[33]，然而施用某些氮肥如硫酸铵也可能使土壤pH降低，酸性增强，土壤微生物数量减少，活性降低，有机质分解速度减慢，有利于土壤有机质积累[9]。土壤电导率可以表征土壤盐度，一些研究表明，土壤有机碳含量随着土壤盐度的增加而增加[34]，随着土壤含盐量的增加，微生物活性受到抑制，从而引起微生物数量降低，周转速率较慢，便于碳积累[35]，该研究中电导率与土壤有机碳含量和易氧化有机碳含量极显著正相关(P ＜ 0.01)。

柴窝堡湖湿地农田土壤有机碳密度略低于新疆农田土壤有机碳密度平均值(5.74 kg·m-2)[36]，高于我国农田土壤有机碳密度平均值(4.20 kg·m-2)[18]，湿地土壤有机碳密度高于我国湿地土壤有机碳密度平均值(2.24 kg·m-2)[21]。土壤有机碳密度由土壤容重、土壤有机质、土壤深度决定[37]，而该区域的土壤有机质含量较高可能会造成有机碳密度的升高。由于本研究中土壤有机碳密度是通过估算而来的，精度上与实测值可能会有偏差。

4 结论

柴窝堡湿地在5种土地利用方式下，自然农田和湿地垦殖为农田中总有机碳、活性有机碳含量均高于湿地农田过渡带、湖泊湿地及盐碱湿地。盐碱湿地0 - 40 cm土层DOC含量随着土壤深度加深而逐渐升高，与其它土地利用方式下DOC的变化趋势则相反；农田土壤ROC含量随着深度的增加而递减。土壤pH分别与土壤有机碳及活和活性有机碳组分极显著负相关，电导率与土壤总有机碳含量、易氧化有机碳含量存在极显著正相关。柴窝堡湿地土壤有机碳密度均高于全国平均值。土地利用方式影响了干旱区湿地土壤中有机碳的积累，自然农田和湿地转化后的农田土壤活性有机碳均高于湿地土壤，说明柴窝堡湿地受人为活动影响后，并没有显著导致土壤有机碳损失。本研究为干旱区湿地开发利用中碳收支平衡的科学评价提供了数据参考，为干旱区湿地土壤土壤有机碳库管理提供参考依据。