盐碱芦苇湿地土壤活性有机碳组分垂直分布及相关性分析

刘 骞， 汤 洁

(1.吉林大学新能源与环境学院，长春 130012；2.长春大学园林学院，长春 130022)

土壤有机碳是陆地生态系统和全球碳循环过程中的重要碳库，其总贮量为1 300～2 000 PgC[碳(C)总贮量，1 Pg=1015g]，约是大气碳库的2倍，植被碳库的2～3倍[1-3]。土壤碳库在全球气候变化过程中具有重要意义，已经成为全球碳循环研究的核心问题[4]。土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)并非单一的化合物，而是包含各种活性组分。相关研究表明，易氧化有机碳(ROOC)、水溶性有机碳(WSOC)、微生物量碳(MBC)是土壤中活性有机碳，对外界环境变化的响应更敏感，能够在碳库循环早期指示土壤质量，是土壤碳库演变的重要指标[5-6]。

湿地是地球生态环境的重要组成部分，也是碳循环和转化的重要场所，湿地土壤碳库的源、汇转化与气候变化有着密切联系[7]，在控制全球气候变化、维持湿地生态平衡等方面发挥着重要作用[8-9]。中国湿地面积约3.3×107hm2(1 hm2=0.01 km2)，约占世界湿地面积的10%，近年来，全球气候变化下典型湿地土壤有机碳的研究逐渐被关注[10]。崔东等[11]发现，伊犁河谷不同类型湿地土壤活性有机碳组分均随土壤剖面加深而递减，土壤养分对土壤活性有机碳含量的影响明显。王纯等[12]发现，盐度对滨海湿地SOC含量及其活性组分及碳汇功能变化具有重要意义。吴江琪等[13]研究发现，积水状况对尕海湿地土壤活性有机碳含量有显著影响。赵光影等[14]发现，土地利用变化会对小兴安岭森林沼泽土壤活性碳组分产生影响，土壤有机碳含量随土层深度增加而降低，天然沼泽的SOC含量最高。Trettin等[15]发现通过减少降水和增温会加速泥炭湿地中土壤有机质的分解速率。肖烨等[16]研究发现，三江平原4种典型湿地土壤易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳含量均随土层深度的增加而减少。

松嫩平原是中国湿地重要分布区之一，查干湖湿地位于松嫩平原中部、吉林省西部前郭尔罗斯蒙古族自治县域内，是典型干旱、半干旱地区的盐碱湿地。中国湿地土壤有机碳的研究主要分布于湿润、半湿润湿地[17-20]，而对干旱区盐碱湿地有机碳及活性组分研究较少。以查干湖芦苇湿地土壤为研究对象，分析了该研究区域内有机碳含量总体水平，探讨了其土壤活性组分的垂直分布规律及影响因素，以期为查干湖盐碱湿地碳的源汇研究及客观评价其在区域气候变化中的作用，研究结果可为该区域土地管理及资源保护提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

松嫩平原苏打盐碱土是世界3大盐碱土集中分布区之一，松嫩平原也是中国内陆盐碱湿地集中分布的地区,西部盐碱湿地面积约为578 000 hm2。近年来, 由于气候不断变暖和人类活动的加剧使湿地盐化加重,平原2/3以上的沼泽湿地发生次生盐碱化。查干湖自然保护区位于松嫩平原中部、吉林省西部前郭尔罗斯蒙古族自治县域内，其地理位置为东经123°30′51″～124°59′59″，北纬44°45′12″45°22′22″，保护区区域面积为50 684 hm2，另外设外围保护带 14 666 hm2。该区域属于温带大陆性季风气候，春季干燥多风、夏季湿热雨量集中、秋季凉爽昼夜温差较大、冬季漫长而寒冷少雪。年平均降水量为415.4 mm，年平均蒸发量为964 mm，年平均气温为4.5 ℃，年平均风速为3.9 m/s左右，最大冻土深度为204 cm，全年无霜期160 d左右[21]。

1.2 供试土壤与样品采集

根据 Landsat MSS/TM[美国陆地探测卫星系统，多光谱扫描仪(multi spectral scaner)/专题成像仪(thematic mapper)]遥感解译数据，以土壤类型图和土地利用类型图为基础，选取吉林松原查干湖天然盐碱湿地为研究对象，该区域主要植被以芦苇为主。在研究区丰水期进行采样，选取地上植被为芦苇的湿地土壤地块设置9个采样区，每个区域设置4个采样点，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm分层采集土壤样品。各样地不同取样点的土样等量混合后装袋编号，采集样品分为2份，1份在室温下自然风干后，剔除可见的动、植物残体和石块等杂质，过2 mm和0.25 mm筛，密封备用，另外1份在4 ℃下低温保存，用于土壤微生物数量分析。供试土壤剖面基本化学性质如表1所示。

表1 土壤剖面基本化学性质

注：字母上标表示同一指标在不同土层之间的差异(P<0.05)。

1.3 测试指标及方法

土壤pH、含水率、容重、孔隙度采用常规分析、计算方法。

土壤有机碳(SOC)：采用H2SO4-K2CrO7外加热法测定。

易氧化有机碳(ROOC)：采用333 mmol/L的KMnO4氧化-分光光度计法测定。

水溶性有机碳(WSOC)：具体方法为称取风干土样10 g于塑料离心管中，按土水比1∶5加入50 mL蒸馏水，振荡30 min，然后在离心机上以4 500 r/min离心20 min，所有的悬液过0.45 μm微孔滤膜，得到水溶性有机碳。

土壤微生物量碳(MBC)：采用鲜土氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提-水浴法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS24. 0和Office Excel 2003软件进行数据统计、分析和制图。采用一元线性回归模型及 Pearson 相关系数分析各组分间的关系，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳剖面分布特征

土壤有机碳含量及分布受到气候、土壤性质等方面的影响。由图1可知，盐碱湿地土壤有机碳含量随土层加深呈递减趋势。从土壤有机碳垂直分布上，各土壤剖面有机碳呈现0～10 cm(17.90～18.20 g/kg)显著高于10～20 cm(8.89～9.22 g/kg)、20～30 cm(6.50～6.81 g/kg)、30～40 cm(6.21～6.51 g/kg)、40～50 cm(4.40～4.71 g/kg)(P<0.05)，而20～30 cm与30～40 cm土层间无显著差异。

2.2 土壤易氧化有机碳剖面分布特征

易氧化有机碳(ROOC)是土壤有机碳动态变化的敏感指标，可以反映土壤有机质的早期变化[22]。由图2可知，土壤剖面对ROOC含量的影响具体表现为随土层加深ROOC含量逐渐减少。0～10 cm土层的土壤ROOC含量可达15.77 g/kg，较比深层土壤ROOC含量高出约4倍。表层土壤ROOC含量显著高于深层土壤，在20～50 cm土壤剖面，土壤易氧化有机碳含量无显著差异。

图1 盐碱芦苇湿地土壤有机碳垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution characteristics of soil organic carbon in saline-alkali reed wetland

图2 盐碱芦苇湿地土壤易氧化有机碳垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil oxygen carbon in saline-alkali reed wetland

2.3 土壤水溶性有机碳剖面分布特征

虽然水溶性有机碳(WSOC)在总有机碳中所占比例较小，但是它却是指示土壤肥力的有效指标。由图3可知，查干湖盐碱芦苇湿地土壤WSOC含量变化趋势同样表现为伴随土层加深逐渐减少，表层0～10 cm土壤显著高于其余各土层，10～30 cm土层间土壤WSOC含量变化幅度较小。

图3 盐碱芦苇湿地土壤水溶性有机碳垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of soil water-soluble organic carbon in saline-alkali

2.4 土壤微生物量碳剖面分布特征

土壤微生物量碳(MBC)也是土壤中的活性有机碳，其指标含量对于评价土壤生物学方面很有优势。从图4可知，查干湖盐碱湿地土壤MBC含量随土层加深变化明显，差异显著(P<0.05)。具体呈现0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm>40～50 cm，其中20～40 cm土层间土壤MBC含量变化幅度较小，无显著性差异(P>0.05)。

图4 盐碱芦苇湿地土壤微生物量碳垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of soil microbial biomass carbon in saline-alkali reed reed wetland wetland

2.5 土壤有机碳与各组分之间相关性分析

分析土壤活性碳组分占有机碳含量变化，由表2可知，ROOC占SOC比例相比较大，呈现伴随土层增加先增加后减少的变化趋势，在20～40 cm土层占比高于10～20 cm和40～50 cm。WSOC占SOC比例最少，呈现伴随土层增加逐渐增多的变化趋势，但在20～50 cm土层间无显著性差异。MBC占SOC比例伴随土层呈现先增后减的趋势，20～40 cm土层占比含量最高。进一步分析查干湖盐碱湿地有机碳及其活性组分间相关性，结果显示土壤有机碳与其活性组分均呈线性相关。如图5～图7所示，土壤SOC与ROOC、WSOC、MBC在垂直分布上变化趋势较一致，均呈现伴随土层加深而逐渐减少的趋势。其中，土壤SOC与ROOC、WSOC在垂直分布上拟合系数较高，分别为0.928 9、0.925 7。土壤微生物量碳与有机碳拟合系数为0.737 2，也表现为显著正相关。

表2 土壤有机碳不同组分所占比例

注：字母上标表示同一指标在不同土层之间的差异(P<0.05)。

图5 土壤有机碳与易氧化有机碳之间相关性Fig.5 Correlation between soil organic carbon and components

图6 土壤有机碳与水溶性有机碳之间相关性Fig.6 Correlation between soil organic carbon and water-soluble organic carbon

图7 土壤有机碳与微生物量碳之间相关性Fig.7 Correlation between soil organic carbon and microbial biomass carbon

2.6 土壤有机碳与各组分影响因子分析

通过对查干湖盐碱芦苇湿地进行调查分析，由表3可知，土壤pH、含水率、容重、孔隙度、有机碳及活性组分均呈规律性垂直分布。除含水率其余各项指标均呈现极显著负相关(P<0.01)，说明土壤理化性质及碳含量均受到土层影响。分析理化性质对土壤有机碳与其活性组分的影响，含水率影响最小，并未呈现显著关系。pH对土壤有机碳及组分影响最大，呈极显著相关。土壤容重对土壤活性组分(ROOC、WSOC、MBC)影响极显著，其中与MBC含量相关系数最大为0.867。分析孔隙度对土壤有机碳及活性组分的影响，均呈极显著相关(P<0.01)，其中对有机碳影响最大，其相关系数为0.911。通过分析还可知，土壤pH、含水率、容重、孔隙度对盐碱湿地土壤有机碳及组分含量变化影响明显，但是对各活性组分占有机碳比例影响较弱，仅表现为水溶性有机碳、微生物量碳占有机碳比例受到孔隙度及pH的影响。

3 讨论

3.1 盐碱芦苇湿地土壤有机碳及活性组分剖面分布特征及相关性

松嫩平原盐碱湿地的形成受到地质地貌、气候、生物、土壤、人为等因素相互作用的影响。其中芦苇、芦苇-香蒲为查干湖湿地主要群落植被，这与人为干扰有关[23]。本研究中，查干湖盐碱芦苇湿地有机碳含量随土层加深而逐渐减少，变化幅度为18.20～4.71 g/kg，这说明芦苇湿地土壤有机碳在垂直分布上有明显的碳储层和沉积层，表层含量较高为碳储层，深层含量逐渐减少为沉积层，这与前人对于湿地有机碳的研究结果一致[24-25]。土壤易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳属于土壤中活性有机碳部分，其指标变化趋势可以说明土壤肥力、固碳能力及碳库的变化潜力[26]。研究结果分析得到，查干湖芦苇湿地土壤ROOC、WSOC、MBC与土壤有机碳变化趋势基本一致，这表明在动态变化上关系密切。其中，ROOC占SOC含量最高，ROOC周转时间较短,与土壤养分的供应和植被生长关系密切,是植物营养素的主要来源，并且可以指示土壤有机质早期变化[27]。本研究中，土壤表层土壤ROOC含量较高，说明其表层土壤有机质含量较高且周转及累积较快，ROOC占SOC比例为10～20 cm最大，说明这一土层土壤养分的循环速率较高，这与植被落叶等长年累积有关[28]。本研究中，表层土壤水溶性有机碳高于深层土层，原因主要是土壤通透性对于水溶性有机碳的释放有一定的影响。另外，土壤微生物可直接利用这一部分碳源，因此微生物的消耗也会影响水溶性有机碳垂直分布[29]。土壤微生物量碳的含量与土壤中微生物数量呈正相关[30]，本研究中表层土MBC含量较高，说明在表层土壤的环境更适宜微生物繁殖。

表3 盐碱湿地土壤构成各项指标相关分析

注：**在0.01 级别(双尾)，相关性显著；*在 0.05 级别(双尾)，相关性显著。

3.2 盐碱芦苇湿地土壤有机碳及活性组分影响因素及其稳定性

土壤有机碳并非单一的化合物，而是各种活性组分以及腐殖质等构成的。这些组分在土壤中的存留时间和降解程度各不相同，其性质也有很大的差异，它们在土壤碳库循环过程中对碳库的稳定性起到重要的作用[31-32]。本研究中，土壤有机碳与易氧化态碳(ROOC)、水溶性有机碳(WSOC)、微生物量碳(MBC)在垂直分布上呈显著正相关，说明这些活性碳组分的动态变化可以指示土壤碳库的稳定性。研究区土壤表现为表层土壤有机碳活性组分高于深层，且规律明显，说明植物残茬、根系分泌物等作为碳源输入到土壤中并被利用，而深层土壤受到水分、土壤结构等影响，含量逐渐减少。

土壤含水率、pH、孔隙度、容重这些因子均会影响土壤有机碳含量及其组分在土壤中的稳定性。在本研究中土壤含水率对有机碳及活性组分呈负相关，且未达到显著水平，说明含水率并非是盐碱湿地的主要影响因子，但pH、孔隙度、容重与有机碳及活性组分显著性相关，这表明这些因素均对土壤碳库分布影响明显。土壤理化性质的改变可以影响土壤微生物及酶活性，从而影响土壤碳库的时空分布，因此再下一步研究中将探讨生物活性对于盐碱湿地土壤碳库的影响，以明确维持盐碱湿地土壤碳平衡的作用[33-34]。

4 结论

(1)查干湖盐碱湿地土壤有机碳及活性组分垂直分布规律明显，呈现伴随土层加深而逐渐减少的趋势。且在土壤的各个剖面层土壤有机碳含量与易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳含量间呈显著相关。

(2)研究中各土壤活性有机碳占土壤有机碳比例不一，呈现ROOC明显高于WSOC和MBC。

(3)查干湖盐碱湿地土壤有机碳及活性组分垂直分布受土壤pH、容重、孔隙度影响明显，呈显著相关，土壤含水量相对影响较小。