太湖湖滨带土壤活性有机碳沿水分梯度的变化特征(1).pdf

太太湖湖滨带土壤活性有机碳沿水分梯度的变化特征 沈玉娟 1摇 赵琦齐1摇 冯育青1 2摇 王琳菲1摇 陆华兵3摇 余杏生3摇 阮宏华1 1南京林业大学 江苏省林业生态工程重点实验室 南京 210037 2 苏州市湿地保护与管理站 江苏苏州 215000 3 苏州市 吴中区林业局 江苏苏州 215128 摘摇 要摇 湖滨带等水陆交错区土壤碳循环是全球碳循环的一个重要的组成部分 但相关方 面的研究还相当缺乏 本研究选择位于苏州渔阳山保存较为良好的典型的太湖湖滨带作 为实验地 并根据距离水体的远近 将湖滨带从近水体到高岗地分别设置 3 个实验区 对湖 滨带湿地土壤水溶性有机碳 WSOC 轻组有机碳 LFOC 2 种活性有机碳进行研究 分析 土壤活性有机碳与土壤因子的关系 结果表明 土壤水分明显影响土壤表层活性有机碳的 含量 湖滨带土壤 WSOC LFOC 在表层 0 10 cm 沿土壤水分梯度的降低而减小 表现为 近水区 中水区 远水区 且下层土壤沿水分梯度的差异变小 表层土壤活性有机碳各组分 显著高于下层土壤 这与土壤有机碳和氮素变化趋势一致 WSOC LFOC 均与土壤总有机 碳 土壤全氮 土壤含水率呈显著或极显著正相关 沿水分梯度土壤有机碳 全氮和土壤湿 度是调控土壤活性有机碳沿水分梯度变化的主要因子 关键词摇 苏州太湖 湖滨带 土壤活性有机碳 水分梯度 中图分类号摇 S153摇 文献标识码摇 A摇 文章编号摇 1000 4890 2011 6 1119 06 Variation characteristics of soil active organic carbon along a soil moisture gradient in a ri鄄 parian zone of Taihu Lake SHEN Yu鄄juan1 ZHAO Qi鄄qi1 FENG Yu鄄qing2 WANG Lin鄄fei1 LU Hua鄄bing3 SHE Xing鄄sheng3 RUAN Hong鄄hua1 1Jiangsu Key Laboratory of Forestry and Ecological Engineering Nanjing Forestry University Nanjing 210037 China 2The Office of Wet鄄 land Conservation and Management Suzhou 215000 Jiangsu China 3Juzhou Forestry Station Suzhou 215128 Jiangsu China Chinese Journal of Ecology 2011 30 6 1119 1124 Abstract Soil carbon cycle in aquatic鄄terrestrial ecotone e g riparian zone is an important component of global carbon cycle but few researches are made on it Taking a typical riparian zone of Taihu Lake near Suzhou as the object three experimental sites along a soil moisture gra鄄 dient i e from the near of water body to the high mound were installed in this paper with the soil water soluble organic carbon WSOC and light fraction organic carbon LFOC con鄄 tents and their correlations with soil physical and chemical factors analyzed Soil moisture had ob鄄 vious effects on the surface soil 0 10 cm active organic carbon The surface soil WSOC and LFOC contents decreased along the soil moisture gradient but the variation degree of these con鄄 tents in deeper soil layers became smaller The WSOC and LFOC contents were significantly higher in surface soil than in subsurface soil which was in accordance with the variation trends of soil organic carbon and nitrogen In different soil layers at each site the WSOC and LFOC were all significantly positively correlated with soil total organic carbon total nitrogen and moisture suggesting that the latter three parameters could be the main factors controlling soil active soil or鄄 ganic carbon Key words Taihu Lake riparian zone active soil organic carbon moisture gradient 国家林业公益性科研专项 200804006 和 200904001鄄3 和国家自 然科学基金项目 30670313 资助 通讯作者 E鄄mail hruan1690 yahoo com 收稿日期 2010鄄12鄄01摇 摇 接受日期 2011鄄01鄄18 摇 摇 土壤有机碳 soil organic carbon SOC 是全球碳 库的重要组成部分 在全球碳循环中起重要作用 土壤有机碳含量的减少将直接导致土壤肥力降低 影响农业生态系统的生产力 另外 土壤有机碳含量 是大气中碳含量的 3 倍 刘子刚和张珅民 2002 土壤有机碳的分解将可能显著影响大气中的 CO2 浓度 引起土壤有机碳碳库的最初变化主要是易分 生态学杂志 Chinese Journal of Ecology摇 2011 30 6 1119 1124摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 解 矿化的部分 即活性有机碳部分 土壤活性有机 碳周转较快 易被生物直接利用 对外界环境的变化 最敏感 尽管其占全碳的比例很小 但它能够在土壤 全碳变化之前反映土壤的微小变化 Blair et al 1995 很多研究认为 活性有机碳库对温室气体 排放有更大的贡献 对气候变化的响应更为敏感 杨丽霞和潘剑君 2004 目前 有关中国森林或农田生态系统土壤活性 有机碳的研究相对较多 Bu et al 2010 Xu et al 2010 但涉及到湿地生态系统土壤活性有机碳的 研究相对缺乏 杨桂生等 2010 特别是湖滨带湿 地不同水分梯度土壤活性有机碳的变化特征的研究 鲜见报道 湖滨带具有丰富的碳 氮源 面积虽小 但能比其他类型土壤更长期和储存更多的碳 刘子 刚 2004 目前 由于气候变暖 湖滨带水温及土 壤温度升高 能量平衡受到影响 导致湖滨带地表水 水位及积水面积变化 进而影响了温室气体排放强 度及碳循环模式 本研究以苏州太湖国家旅游度假 区湖滨湿地为对象 测定了湖滨带土壤水溶性有机 碳和轻组有机碳这 2 种活性有机碳沿水分梯度的分 布和组成特征 分析其主要影响因素 为进一步阐明 湿地土壤碳循环特征以及该区湿地在全球气候变化 中的作用评估提供理论基础 1摇 研究地区与研究方法 1郾 1摇 研究区概况 研究实验区位于苏州市吴中区 太湖国家旅游 度假区渔阳山地段 属北亚热带湿润型季风气候 受 太湖水体调节作用影响 四季分明 温暖湿润 降水丰 沛 光照充足 年平均气温范围为14郾 9 益 16郾 2 益 年平均日照范围为2000 2200 h 常年年平均降水量 为1094 mm 无霜期年平均长达233 d 该区土壤可分 黄棕壤 红壤 水稻土 沼泽土和潮土等 1郾 2摇 实验设计与样地布置 试验共设置 3 条实验样带 样带从太湖沿岸以 垂直于湖岸线方向布置 每条样带宽20 m 长80 m 样带之间距离约100 m 并根据距离湖泊水体远近 从近水体到山坡高地 沿土壤水分含量从高到低的 梯度变化 设置 3 个实验区 即 1 近水区 J 为 水位变幅区之远水体地带 但该区域只是偶尔淹水 土壤水分一年中大部分时间处于饱和或接近饱和状 态 2 中水区 Z 陆向辐射区之近水体地带 该地 段一般不会淹水 土壤水分季节性饱和 3 远水区 Y 陆向辐射之远水体地带 土壤不受湖泊水位 的影响 处于上坡高地 每个实验区呈长方形 面积为20 m伊10 m 区内 设置 3 个重复的样方 5 m伊5 m 区与区之间间隔 约10 m 由于湖滨带特殊的地形地貌与水文条件 植被种类丰富 生物多样性高 各条样带异质性较 大 本文所选择的实验区的外貌特征见图 1 自然 概况见表 1 1郾 3摇 土壤样品的采集 除去土壤表层凋落物层后 在每个实验样方内 作土壤剖面 在剖面上按 0 10 10 25 25 40 cm 分层取样200 g左右 3 条样带共计 81 份土样 采样 时间为2009 年8 月 11 月 2010 年2 月 5 月 土样 图 1摇 实验区示意图 Fig 1摇 Experimental zones 0211摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 生态学杂志摇 第 30 卷摇 第 6 期摇 表 1摇 不同试验区自然概况 Table 1摇 Natural conditions of the three experimental zones 样地区域实验区 地形 水文 土壤质地植被概况 1 样带近水区 J 水位变幅区 坡地滩地 偶尔水淹 土壤水分永久饱和 砾石 土 粉砂质壤土 乔灌草混杂 无优势种 中水区 Z 水位变幅区 中破 土壤水分季节性饱和状态 壤土化香 Platycarya strobilacea 篌 竹 Phyl鄄 lostachys nidularia 为优势种 远水区 Y 陆相辐射区 上坡 不受湖泊水位影响 壤土优势种是湿地松 Pinus elliotii 化香 2 样带近水区 J 水位变幅区 坡底滩地 偶尔水淹 土壤水分永久饱和 砾石 土 粉砂质壤土 乌桕 Sapium sebiferum 朴树 Celtis sinesis 为优势种 中水区 Z 水位变幅区 中坡 土壤水分季节性饱和状态 壤土优势种为短柄抱 Quercusglandulifera 朴 树 乌桕 远水区 Y 陆相辐射区 上坡 不受湖泊水位影响 壤土优势种为盐肤木 Rhus chinensis 短柄抱 3 样带近水区 J 水位变幅区 坡底滩地 偶尔水淹 土壤水分永久饱和 粉砂 质黏壤土 无优势种 主要为草本和灌木 中水区 Z 水位变幅区 中坡 土壤水分季节性饱和 砾石土 粉砂质壤 土 优势种是乌桕 远水区 Y 陆相辐射区 上坡 不受湖泊水位影响 黏壤土优势种是短柄枹 有湿地松 茶树 Camellia sinensis 等 带回实验室充分混匀 去除砂石 植物根系 小动物 等杂质后分成 2 份 一份置于冰箱中保存 另一份放 室内自然风干 1郾 4摇 样品处理及分析 土壤总有机碳 TOC 全氮 TN 用 VARIO EL 元素分析仪测定 土壤全磷采用酸溶鄄钼锑钪比色法 测定 土壤 pH 以电位法测定 GB 7859 87 土与 水质量比为 1 颐 2郾 5 土壤湿度采用重量法测定 GB 7833鄄87 水溶性有机碳 WSOC 用去离子水提取 水 与土质量比为 2 颐 1 用0郾 45 滋m微孔滤膜抽滤 滤 液在岛津 TOC鄄VCPN总有机碳分析仪上测定 韩成卫 等 2007 轻组有机碳 LFOC 参照 Janzen 等 1992 的 分离方法 并进行了部分改进 称取过2 mm筛土壤 土样25郾 0 g于100 ml离心管中 加入50 ml NaI 溶液 密度1郾 7 g cm 3 振荡1 h 然后在3000 r min 1 条件下离心15 min 将浮在 NaI 表面的轻组倾倒于 装有0郾 45 滋m滤膜的滤斗中抽气过滤 重复上述过 程2 3 次 直至没有可见的 LFOC 最后用去离子水 冲洗 LFOC 至重液被淋洗干净 滤纸上的 LFOC 洗 到预先称重的器皿中 在60 益下烘干72 h 称重 研 磨过 100 目筛 用 CN 元素分析仪测定 LFOC 的碳 含量 1郾 5摇 数据处理 所有统计分析使用 SPSS 17郾 0 统计软件进行 不同水分梯度 不同土壤层次的 WSOC LFOC 含量 的差异性运用 one鄄way ANOVA 方法分析 WSOC LFOC 与 TOC 土壤 TN TP 土壤湿度 碳氮比 pH 线形关系采用多元线性回归分析 2摇 结果与分析 2郾 1摇 土壤活性有机碳沿水分梯度的变化特征 由图 2 可以看出 在表层土壤 0 10 cm 中 WSOC 的年平均含量沿水分梯度表现为近水区 J 中水区Z 远水区Y 近水区的土壤水溶性有机碳 图 2摇 WSOC LFOC 含量沿水分梯度的变化 Fig 2摇Concentrations of WSOC and LFOC along a soil moisture gradient 依 SE 1211沈玉娟等 太湖湖滨带土壤活性有机碳沿水分梯度的变化特征 含量为 609郾 75 mg kg 1 分别为中水区 1郾 25 和远 水区 1郾 45 倍 不同区域差异性显著 P 0郾 05 中 层土壤 10 25 cm 土壤水溶性有机碳含量也随着 水分梯度的增大而减少 与表层的变化规律基本一 致 P0郾 05 WSOC 最 大值出现在表层土壤 0 10 cm 以近水区为例 0 10 cm土层的 WSOC 含量分别为 10 25 cm 25 40 cm的 1郾 38 和 1郾 69 倍 同一水分梯度不同 土层厚度的 WSOC 存在显著差异 P中水区 远水区 在表层 0 10 cm 近水区 LFOC 含量为 5218郾 48 mg kg 1 分别为中水区和远 水区 1郾 09 1郾 53 倍 3 个实验区 LFOC 没有显著差异 P 0郾 05 本区域 LFOC 占 TOC 的比例在 0 10 和 10 25 cm 土 层 分 别 为 15郾 38 19郾 47 8郾 26 9郾 24 对不同水分梯度土壤 LFOC 的测 定看出 土壤 LFOC 主要集中在表层 其含量随着土 层深度增加而迅速降低 从近水到远水表层土壤 0 10 的土壤轻组有机碳含量分别是下层土壤 10 25 cm 的 3郾 19 2郾 39 3郾 29 倍 方差分析表 明 3 种水分梯度下的土壤轻组有机碳上下层之间 均差异显著 P中水区 远水区 近水区显著大于远水区 P0郾 05 土壤碳氮比的分布为中水区含 量最高 其次为远水区 近水区含量最低 不同区域 之间差异不显著 P 0郾 05 土壤 pH 值在不同水 分梯度之间均差异不显著 P 0郾 05 在不同水分梯度 除土壤 pH 值在土壤 3 层间 差异均不显著外 P 0郾 05 土壤含水率 土壤总有 机碳 全氮 全磷 土壤碳氮比均表现为表层显著大 于下层 P 0郾 05 2郾 3摇 太湖湖滨湿地土壤 WSOC LFOC 与土壤含水 率 TOC TN 和 pH 等的相关关系 从表 3 可以看出 不同水分梯度下土壤水溶性 有机碳与轻组有机碳分别与土壤含水率 TOC TN 呈显著 P 0郾 05 或极显著正相关关系 P 0郾 01 WSOC 与 TP 之间呈极显著正相关 P 0郾 01 不同 水分梯度土壤 WSOC 与 LFOC 之间也达显著的正相 关 P0郾 05 表 2摇 不同实验区土壤的部分理化性质 Table 2摇 Chemical and physical properties of soils at three sites 实验区土层厚度 cm 土壤含水率 TOC g kg 1 TN g kg 1 TP g kg 1 C NpH J0鄄1030郾 22依0郾 2133郾 93依4郾 452郾 67依0郾 241郾 85依0郾 3311郾 66依0郾 504郾 79依0郾 24 10鄄2519郾 01依0郾 1118郾 24依1郾 131郾 66依0郾 081郾 19依0郾 2210郾 89依0郾 224郾 91依0郾 09 25鄄4016郾 15依0郾 189郾 85依1郾 761郾 01依0郾 051郾 03依0郾 369郾 63依0郾 435郾 07依0郾 11 Z0鄄1024郾 34依0郾 1724郾 60依5郾 222郾 01依0郾 521郾 55依0郾 6712郾 24依0郾 964郾 77依0郾 18 10鄄2519郾 02依0郾 0612郾 06依5郾 331郾 12依0郾 291郾 26依0郾 5210郾 86依0郾 474郾 65依0郾 13 25鄄4018郾 33依0郾 218郾 74依1郾 400郾 86依0郾 111郾 06依0郾 3810郾 06依0郾 784郾 81依0郾 13 Y0鄄1015郾 47依0郾 3519郾 06依0郾 791郾 52依0郾 130郾 83依0郾 0312郾 60依0郾 644郾 72依0郾 31 10鄄2515郾 22依0郾 369郾 38依0郾 920郾 85依0郾 050郾 65依0郾 0111郾 07依0郾 644郾 68依0郾 32 25鄄4015郾 31依0郾 046郾 01依1郾 310郾 64依0郾 020郾 63依0郾 039郾 74依0郾 914郾 66依0郾 30 数值为平均值依标准差 表 3摇 WSOC LFOC 与土壤性质的相关系数 Table 3摇 Relationships between TOC LFOC and WSOC and soil ecological factors respectively at the riparian zone in Taihu lake 相关系数WSOCLFOC含水率TOCC NTN摇 pHTP TOC0郾 977 0郾 922 0郾 991 10郾 724 0郾 996 0郾 590郾 824 WSOC10郾 878 0郾 971 0郾 973 0郾 5850郾 987 0郾 2540郾 869 LFOC0郾 826 10郾 920 0郾 922 0郾 7380郾 888 0郾 2460郾 704 P 0郾 05 P 中水区 远水区 但 3 种水分梯度之间 LFOC 含量差 异均不显著 造成土壤轻组有机碳含量这一变化的 原因 可能不仅与水分的直接作用有关 同时也与水 分影响湖滨带植物的种类组成 数量以及根系分布 凋落物特性等间接影响到 LFOC 来源有关 土壤轻 质有机碳占有机碳的比例 更能体现土壤活性碳库 的状况 本区域不同水分梯度 LFOC 占 TOC 的比 例介于 8郾 26 19郾 47 这比张文菊等 2005 对 洞庭 湖 芦 苇 滩 地 研 究 的 结 果 稍 大 4郾 93 11郾 07 比武天云等 2003 的结果小 18 27 土壤中 LFOC 含量的大小与土地利用方式 耕作方式 种植作勿 采样时间有关 武天云等 2003 另外 不同重液密度提取出的 LFOC 差异也 较大 对不同水分梯度土壤 LFOC 的测定看出 土 壤 LFOC 主要集中在表层 其含量随着土层深度增 加而迅速降低 李月梅等 2005 研究发现 高寒草 甸和人工草地中轻组有机碳含量表现为 随着土层 深度的增加呈逐渐下降趋 格氏栲天然林和人工林 以及杉木人工林 0 10 cm土层 LFOC 占总碳的 22郾 9 30郾 2 在40 cm土层内随深度增加急剧下 降 杨玉盛等 2004 本实验结果与这些结论相一 致 下层轻组有机碳减少的主要原因是外源输入量 减少 同时微生物活性受活性有机碳限制 深度越 大 土壤有机碳驻留时间越长 有效性越低 另外 也可能是因为亚表层土壤 LFOC 经过较长时间的转 化 形成了与粘粒结合较紧密的腐殖质 申艳 2008 3郾 2摇 影响 WSOC LFOC 沿水分梯度变化的主要生 态因子 不同水分梯度下 WSOC LFOC 2 种活性有机碳 均与土壤总有机碳存在极显著正相关 P 0郾 01 与 许多研究结果一致 倪进治等 2000 张文菊等 2005 这证明了土壤总有机碳对土壤活性有机碳 含量起关键作用 土壤活性有机碳的高低反映了土 壤有机碳库的大小 由于土壤全氮含量很大程度上 决定于土壤总有机碳含量 因而与总有机碳具有很 好的相关性的水溶性有机碳和轻组有机碳 也与土 壤全氮含量相关 P 0郾 05 在距离湖岸线近 中 远 3 个实验区 土壤含水率和 WSOC LFOC 两种活 性有机碳呈显著 P 0郾 05 或极显著正相关 P 0郾 01 Arnold 等 1990 和 van Gestel 等 1992 研 究表明 在湿度高的环境下 真菌快速增长 这有利 于活性有机碳的增长 因此 近水区土壤水溶性有 机碳和轻组有机碳含量较高 而远水区土壤水分含 量不足也可能限制了土壤活性有机碳的量 土壤水 溶性有机碳与土壤全磷呈极显著正相关关系 P0郾 05 说明 pH 值 土壤碳氮比在空间范围 的微小波动不足以引起土壤活性有机碳的时空分布 变化 不同水分梯度 WSOC 与 LFOC 之间也呈显著 的线性正相关 P 0郾 05 土壤 WSOC 与 LFOC 作为 土壤活性有机碳 均来源于土壤有机质或加入土壤 的动植物残体 二者均是土壤有机物中较为活跃的 组分 本研究中 土壤水溶性有机碳 轻组有机碳均 与土壤总有机碳 土壤全氮 土壤含水率呈显著或极 显著相关 而与土壤碳氮比 pH 值相关不显著 表明 了土壤有机碳 全氮和土壤湿度可能是调控土壤活 性有机碳沿水分梯度分布的主要生态因子 综上所述 在湖滨带土壤水溶性有机碳 轻组有 机碳沿水分梯度具有明显的变化规律 即随着水分 梯度的降低而逐渐减小 土壤有机碳 全氮和土壤 湿度可能是调控土壤活性有机碳沿水分梯度变化的 主要因子 参考文献 陈同斌 陈志军 1998 土壤中溶解性有机质及其对污染物 吸附和解吸行为影响 植物营养与肥料学报 4 3 201 210 韩成卫 李忠佩 刘摇丽 等 2007 去除溶解性有机质对 红壤水稻土碳氮矿化的影响 中国农业科学 40 1 107 113 李月梅 王跃思 曹广民 等 2005 开垦对高寒草甸土壤 有机碳影响的初步研究 地理科学进展 24 6 59 66 李忠佩 张桃林 陈碧云 2004 可溶性有机碳的含量动态 及其与土壤有机碳矿化的关系 土壤学报 41 4 544 551 刘子刚 张珅民 2002 湿地生态系统碳储存功能及其价值 研究 环境保护 9 31 33 刘子刚 2004 湿地生态系统碳储存和温室气体排放研究 地理科学 24 5 634 639 倪进治 徐健民 谢正苗 2000 土壤轻组有机质 环境污 染治理技术与设备 1 2 58 64 申摇 艳 张晓平 梁爱珍 等 2008 坡耕地黑土不同密度 的土壤有机碳组分的空间分布特征 土壤通报 39 5 1023 1028 王连峰 潘根兴 石盛莉 等 2002 酸沉降影响下庐山森 林生态系统土壤溶液溶解有机碳分布 植物营养与肥 料学报 8 1 29 34 武天云 Jeff JS 李凤民 等 2003 耕作对黄土高原和北美 大草原三种典型农业土壤有机碳的影响 应用生态学 报 14 12 2213 2218 徐摇 佩 王玉宽 邓玉林 2007 岷江流域不同土地利用方 式下紫色土有机碳储量特征 应用与环境生物学报 13 2 205 208 杨桂生 宋长春 王摇丽 等 2010 水位梯对小叶章湿地 土壤微生物活性的影响 环境科学 31 2 444 449 杨丽霞 潘剑君 2004 土壤活性有机碳库测定方法研究进 展 土壤通报 35 4 502 506 杨玉盛 刘艳丽 陈光水 等 2004 格氏栲天然林与人工 林土壤非保护性有机碳含量及分配 生态学报 24 1 1 8 张摇 超 刘国彬 薛摇萐 等 2010 黄土丘陵区坡改梯田 土壤碳库组分演变特征 水土保持研究 17 1 20 24 张文菊 彭佩钦 童成立 等 2005 洞庭湖湿地有机碳垂 直分布与组成特征 环境科学 26 3 56 60 Arnold SS Fernandez IJ Rustad LE et al 1999 Microbial response of an acid forest soil to experimental soil warming Biology and Fertility of Soils 30 239 244 Barrios E Kwesiga F Buresh RJ et al 1997 Light fraction soil organic matter and available nitrogen following trees and maize Soil Science Society of America Journal 61 826 831 Blair GJ Lefroy RDB Lisle L 1995 Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systems Aus鄄 tralian Journal of Agricultural Research 46 1456 1466 Boone RD 1994 Light fraction soil organic matter Origin and contribution to net nitrogen mineralization Soil Biology Biochemistry 26 1459 1468 Bu XL Wang LM Ma WB et al 2010 Spectroscopic charac鄄 terization of hot鄄water extractable organic matter from soils under four different vegetation types along an elevation gra鄄 dient in the Wuyi Mountains Geoderma 159 139 146 Chow AT Tanji KK Gao SD et al 2006 Temperature water content and wet鄄dry cycle effects on DOC production and carbon mineralization in agricultural peat soils Soil Biology Biochem