土地利用變化對三江平原沼澤濕地土壤碳含量的影響

土地利用變化對三江平原沼澤濕地土壤碳含量的影響

碳是土壤中的一個重要因素。碳含量的變化直接影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。濕地土壤有機(jī)碳是氣候變化的一種敏感指示物,能用來指示對氣候變化的響應(yīng);濕地對碳具有較強(qiáng)的截留和過濾作用,在控制陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)上起著重要作用。濕地是地球上主要的碳匯,儲藏在不同類型濕地中的碳約占地球陸地碳總量的15%。三江平原是我國最大的淡水沼澤濕地分布區(qū),但也是受人類活動影響最劇烈的區(qū)域之一。自新中國成立以來,三江平原沼澤濕地景觀格局發(fā)生了巨大的變化,1949年沼澤濕地是三江平原的主要景觀類型,耕地和濕地面積分別為78.6×104hm2和534.5×104hm2,分別占本區(qū)土地總面積的7.2%和49.08%;經(jīng)過4次大的開荒后,濕地面積銳減到2000年沼澤濕地面積僅剩83.5×104hm2,占總面積的7.7%,而耕地面積達(dá)524.0×104hm2,占總面積的48.32%,耕地代替沼澤濕地成為三江平原最主要的景觀類型。本文以三江平原典型濕地為研究對象,探討不同土地利用方式對三江平原沼澤濕地土壤碳的影響,為保護(hù)濕地和合理利用已墾濕地提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1陰山山地u2004年843年三江平原位于黑龍江省東部,是由松花江、黑龍江和烏蘇里江沖積而成的低平原,是我國最大的淡水沼澤濕地分布區(qū),地理坐標(biāo)為43°49′55″-48°27′40″N,129°11′20″-135°05′26″E,總面積10.89萬km2。本區(qū)為溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫1.9℃,年降水量500~650mm,無霜期120~140d。區(qū)內(nèi)植被種類組成屬于長白植物區(qū)系,以沼澤化草甸和沼澤植被為主。土壤成土母質(zhì)多為粘土或亞粘土,在土壤形成過程中廣泛發(fā)育了草甸白漿土、草甸土、沼澤土、棕壤和黑土。1.2濕地土壤的發(fā)生層供試土壤采自三江平原不同類型濕地和不同開墾年限的農(nóng)田。小葉章草甸和毛果苔草沼澤是三江平原最具典型性和代表性的兩類沼澤。小葉章草甸地勢較高,季節(jié)性積水,發(fā)育的是草甸沼澤土;毛果苔草沼澤地勢較低,常年積水,發(fā)育的是腐殖質(zhì)沼澤土。濕地土壤采集按照土壤的發(fā)生層次進(jìn)行,本區(qū)大部分沼澤土壤的剖面一般具有4個不同的發(fā)生層:表層為未充分分解的草根層或分解較好的泥炭層(草根層一般與其下面的土壤發(fā)生層之間具有明顯的界面,而泥炭層則不明顯或逐漸過渡),表層之下一般是較薄的(因不同土壤而異)黑色腐殖質(zhì)層,腐殖質(zhì)層以下逐漸變?yōu)榛野咨蚧宜{(lán)色的潛育層,在腐殖質(zhì)層和潛育層之間一般都有一過渡層。農(nóng)田只采集土壤表層,約為0-30cm,墾殖年限為1~45a。1.3土壤理化性質(zhì)的測定土壤樣品自然風(fēng)干后,揀去石塊、殘根等雜物,用球磨機(jī)磨碎過100目篩,裝袋備用。土壤TC采用燃燒法,用MultiN/C3000分析儀直接測定;SOC的測定需要預(yù)先在土壤樣品中加酸處理,然后用MultiN/C3000分析儀測定,SIC(土壤無機(jī)碳)通過差減法獲得,即SIC=TC-SOC;土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)用MultiN/C3000分析儀測定;土壤pH值采用電位法測定。2結(jié)果和討論2.1濕地土壤理化性質(zhì)與有機(jī)碳的關(guān)系碳是一種重要的生命物質(zhì),是一切生物體中最基本的成分,有機(jī)體干重的45%以上都是由碳構(gòu)成的。表1列出了不同類型濕地土壤中碳的含量。土壤中碳含量受氣候、地形、水文條件以及植被等因素的制約,其含量變化取決于碳的輸入量和輸出量的相對大小。對于天然濕地土壤而言,陸地動物的生物量所占比例非常小,碳的主要來源為植物殘體的輸入,植物死亡后一次性全部歸還到土壤中,主要輸出途徑為含碳溫室氣體(CO2和CH4)的排放。天然濕地土壤中的有機(jī)碳包括分解和未分解或部分腐殖化的植物殘體,有機(jī)碳的輸出主要是有機(jī)質(zhì)的礦化分解,受各種生物和非生物條件的控制。進(jìn)入土壤的動植物殘體的轉(zhuǎn)化包括礦化過程和腐殖化過程兩個方面,礦化過程使動植物殘體徹底分解,最終以CO2和CH4的形式釋放到大氣中,造成土壤中碳素的損失;腐殖化過程則使簡單的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成更復(fù)雜、穩(wěn)定的特殊高分子化合物,使有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分保存起來。在同樣的氣候類型下,土壤中有機(jī)殘體的分解主要受土壤水分環(huán)境的控制,地表無積水時,土壤通透性好、氧氣充足、微生物活性高,因而有機(jī)殘體分解速率較高,礦化分解過程比較徹底,釋放的碳素較多;而地表有積水時,土壤通透性差、氧氣缺乏、微生物活性低,因而有機(jī)殘體分解緩慢,礦化分解過程不徹底,中間產(chǎn)物停留時間長,積累多,有利于腐殖質(zhì)的形成。積水越深,積水時間越長,就越有利于有機(jī)碳的積累而不利于土壤碳的釋放。濕地土壤有機(jī)碳是土壤碳的主體,有機(jī)碳占全碳的百分比為69.3%~89.3%,平均值為78.2%,土壤有機(jī)碳的分布決定了全碳的分布。DOC只占土壤有機(jī)碳的很少一部分,約為3.6%,但它卻是土壤活性有機(jī)碳,容易被微生物直接利用,在提供土壤養(yǎng)分方面起著重要作用。目前關(guān)于DOC來源的研究報道比較少,而且不同研究者的觀點(diǎn)也不盡相同。一般認(rèn)為,土壤DOC主要來源于枯枝落葉和根系分泌物以及土壤有機(jī)質(zhì)的水解,除此之外,微生物的代謝產(chǎn)物也是DOC的一個重要來源。本研究中DOC和SOC呈極顯著正相關(guān)(R2=0.936,n=91,p=0.01),這與Tipping等的研究一致。因?yàn)镈OC是天然有機(jī)物中分子量較小且親水性較強(qiáng)的組分,所以土壤中DOC含量的差異首先取決于土壤中總有機(jī)質(zhì)特別是腐殖質(zhì)含量的高低,具有隨有機(jī)質(zhì)含量增高而增高的趨勢。濕地植物生長茂盛,草根層深厚,土壤保持水分的能力強(qiáng),不易發(fā)生侵蝕損失。總的來說,三江平原濕地土壤在冷濕環(huán)境下有機(jī)殘體分解緩慢,碳的積累大于分解,土壤中含碳量較高。綜上所述,濕地土壤中TC,SOC,SIC及DOC的含量主要受地表積水環(huán)境的控制,隨地表積水的增多而增加,表現(xiàn)為毛果苔草沼澤高于小葉章草甸。2.2濕地復(fù)墾前后土壤碳含量的變化土地利用變化能夠直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程,并且許多研究表明開墾對自然生態(tài)系統(tǒng)表層土壤的影響比深層土壤的影響要大得多。王艷芬等研究發(fā)現(xiàn)開墾造成內(nèi)蒙古草原土壤有機(jī)碳含量降低,損失主要發(fā)生在35cm以上,草地開墾為農(nóng)田后土壤中的碳素?fù)p失為30%~50%;森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)田,土壤碳損失25%~40%,耕作層(0-20cm)的損失量最大,可達(dá)40%;IPCC認(rèn)為對礦質(zhì)土壤而言,30cm表層一般具有最高的碳濃度,而且對土地利用和管理的變化有最大的響應(yīng)。因此本次研究農(nóng)田只采集了耕層土壤(0-30cm)。小葉章草甸地勢較高,積水很少,春季積水往往消失,發(fā)育土壤為草甸沼澤土,表層有10-20cm的草根盤結(jié)層,其下為20-40cm的腐殖質(zhì)層,有機(jī)質(zhì)含量高,營養(yǎng)元素豐富,是最有開墾前途的一類,因此三江平原大部分耕地都是由地勢較高的小葉章草甸開墾出來的。所以把小葉章草甸和耕地土壤中的碳含量進(jìn)行比較,所得出的結(jié)果應(yīng)具有可比性。在對比研究濕地開墾前后土壤碳含量的變化時,把濕地上層土壤和耕地土壤的耕作層進(jìn)行比較。通過表2可以看出,濕地開墾后土壤碳素大幅度降低,濕地土壤開墾后TC,SOC,SIC和DOC分別下降了73%,70%,88%和70%,土壤肥力衰退,土壤質(zhì)量下降。土壤有機(jī)碳含量隨墾殖年限的增加而遞減,并與墾殖年限呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖1),Y(TC)=91.50e-x/0.78+35.89(R2=0.95,n=9,p<0.01),Y(SOC)=70.92e-x/1.34+31.88(R2=0.93,n=9,p<0.01)。在開墾的前5~7a有機(jī)碳含量下降速率最快,年平均下降速率為15.81%,在10a后下降速率趨于平緩,表明濕地開墾后,土壤經(jīng)過長期而穩(wěn)定的耕作,土壤有機(jī)碳含量將達(dá)到一個相對的平衡,而不會無限制的降低。一般說來,土壤碳的大部分損失發(fā)生在頭幾年內(nèi),在有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中。土壤有機(jī)碳的緩慢減少可以持續(xù)好幾十年,溫帶的情況尤其如此。在所有供試的土壤樣品中,有機(jī)碳的年平均下降速率為1.77%。墾殖導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量降低,究其原因主要有以下幾個方面:一是沼澤濕地開墾過程中損失了大量的碳;二是沼澤濕地開墾為農(nóng)田后土壤有機(jī)質(zhì)輸入量減少,這是由于農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力降低以及秸稈不還田所致;三是沼澤濕地開墾后,土壤溫度升高,通透性增強(qiáng),土壤有機(jī)碳分解速率增大;四是濕地開墾后,風(fēng)蝕、水蝕及土壤沙化現(xiàn)象日益嚴(yán)重,土壤有機(jī)質(zhì)的侵蝕作用增強(qiáng)。SIC和DOC含量并沒有隨墾殖年限表現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化,可能是因?yàn)樵诟魍寥乐蠸IC和DOC的輸入輸出途徑以及轉(zhuǎn)化過程比較復(fù)雜等原因所致。農(nóng)田土壤中SIC主要是墾殖濕地土壤遺留下來的以及少量的由有機(jī)碳礦化形成的,其輸出途徑為植物根系的吸收和侵蝕損失。根系分泌物是農(nóng)田土壤DOC的主要來源,可被微生物直接利用,是土壤微生物呼吸的重要底物,DOC的另一主要損失途徑就是受風(fēng)、水等的侵蝕。2.3濕地退化后的土壤條件及呼吸速率受人為活動(比如挖渠排水、放火燒荒等)和氣候變化(氣溫升高、降水減少)的雙重影響,沼澤濕地發(fā)生退化演替,本區(qū)大多數(shù)沼澤存在著向草甸和灌叢方向發(fā)展的總趨勢。1986-1996年的10a期間,約有3.17×104hm2的沼澤退化為草地,僅次于沼澤濕地向耕地的轉(zhuǎn)化。并且有研究指出,人為對沼澤濕地的開墾是三江平原沼澤退化的主要驅(qū)動力。本研究在三江平原選擇了兩塊退化濕地,均是受人為活動的影響而發(fā)生退化的。一塊現(xiàn)已發(fā)展為灌叢-雜類草草甸,主要是由于人工排水造成的,按其周圍的環(huán)境而言,應(yīng)為毛果苔草沼澤;另一塊現(xiàn)為小葉章-雜類草草甸,其原來的濕地類型為小葉章草甸,是由挖渠排水和放火燒荒造成的。濕地退化后,由常年積水或季節(jié)性積水濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠e水濕地,土壤水分減少,透氣性增強(qiáng),土壤有機(jī)物質(zhì)的分解速率加快,在三江平原進(jìn)行的土壤呼吸試驗(yàn)表明,在植物生長季內(nèi)(4-10月)小葉章-雜類草草甸、小葉章草甸和毛果苔草沼澤土壤呼吸速率分別為493.5,312.2,124.7mg/(m2·h),濕地退化后,土壤中碳的釋放速率增強(qiáng)。而且在排水過程中土壤中的DOC以及部分可溶性的無機(jī)碳也被流水帶走,因此濕地退化后土壤碳含量降低,小葉章草甸退化為小葉章-雜類草草甸后土壤TC,SOC,SIC及DOC分別減少了71%,72%,67%和76%,毛果苔草沼澤退化為灌叢-雜類草草甸后土壤TC,SOC,SIC及DOC分別減少了69%,65%,83%和60%。2.4土壤碳的匯集為了探討“退耕還濕”對土壤碳的影響,本研究在三江平原沼澤生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)選取了一塊恢復(fù)濕地,其于1988年開墾,1998年退耕,在當(dāng)?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境條件下逐漸發(fā)展為小葉章草甸。根據(jù)農(nóng)田土壤TC和SOC隨開墾年限的變化趨勢,Y(TC)=91.50e-x/0.78+35.89,Y(SOC)=70.92e-x/1.34+31.88(x為開墾年限),可以估算濕地開墾10a后土壤TC,SOC分別為38.4,35.9g/kg,而棄耕5a后的恢復(fù)濕地土壤中TC,SOC分別為42.0,39.6g/kg,棄耕5a后TC,SOC每年的增加速率分別為0.72,0.74g/kg。碳在土壤中的匯集速率與恢復(fù)植被的生產(chǎn)力、土壤物理、生物學(xué)狀況以及土壤有機(jī)碳輸入及物理干擾歷史有關(guān),溫度、濕度是影響土壤碳匯集的兩個重要因子,三江平原氣候冷濕,其低溫條件限制了土壤碳的快速匯集。按照TC和SOC每年0.72,0.74g/kg的增加速率,恢復(fù)濕地大約需要125a的時間才能達(dá)到小葉章草甸土壤中碳含量的水平,這表明原生濕地一旦遭到破壞,恢復(fù)起來是非常困難的。2.5土壤中碳碳的不同形態(tài)以及ph值的關(guān)系(1)農(nóng)田土壤各微量元素的關(guān)性分析濕地土壤(包括天然濕地、退化濕地和恢復(fù)濕地)各碳素形態(tài)之間均呈極顯著正相關(guān)(α為0.01水平),其中TC和SOC之間的相關(guān)性最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999(n=19),而農(nóng)田土壤各碳素形態(tài)之間只有TC和SOC呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.995(n=19),其他的各碳素形態(tài)之間均為負(fù)相關(guān),但均未達(dá)到顯著水平。濕地土壤和農(nóng)田土壤的這種差異,可能是因?yàn)闈竦卦趬ㄖ碁檗r(nóng)田后,在人為管理和操作下土壤中各形態(tài)碳的輸入和輸出途徑及其轉(zhuǎn)化過程均受到了很大程度的干擾,自然土壤的碳循環(huán)模式遭到破壞所致。(2)農(nóng)田土壤ph值與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系土壤pH是影響土壤理化性質(zhì)的一個重要化學(xué)指標(biāo),它直接影響著土壤中各種元素的存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化。本區(qū)土壤多為酸性,沼澤濕地墾殖為農(nóng)田后pH值升高。在同一剖面中,濕地土壤自上而下,pH值略有增大。TC,SOC,SIC,DOC與土壤pH值均呈極顯著負(fù)相關(guān)(α為0.01水平),相關(guān)系數(shù)分別為-0.656,-0.661,-0.622,-0.708(n=19)。農(nóng)田土壤中只有TC和SOC與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.585和-0.584(n=19)。土壤pH值是微生物代謝過程中的重要影響因素,其對微生物的影響主要是影響有機(jī)