辽河保护区不同土地利用方式下土壤的有机碳含量特征

程志辉，李法云，荣湘民，范志平，李霞，张营

(1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.辽宁石油化工大学生态环境研究院，辽宁 抚顺 113001；3.辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036)

辽河保护区不同土地利用方式下土壤的有机碳含量特征

程志辉1,3，李法云2,1*，荣湘民1，范志平2，李霞1,3，张营1,3

(1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.辽宁石油化工大学生态环境研究院，辽宁 抚顺 113001；3.辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036)

基于野外调查采样和室内分析，研究辽河保护区3种土壤类型(草甸土、潮土和沼泽土)、4种土地利用方式(旱田、水田、林地和草地)下土壤总有机碳、溶解性有机碳和微生物生物量碳的含量特征。结果表明，辽河保护区不同土地利用方式下土壤的总有机碳、溶解性有机碳和微生物生物量碳含量差异显著(P＜0.05)，旱田和水田土壤的总有机碳和微生物生物量碳含量均显著高于林地和草地的，草地土壤溶解性有机碳含量显著高于旱田、水田和林地的。草甸土不同土地利用方式下土壤的总有机碳含量、溶解性有机碳含量和微生物生物量碳含量均随剖面深度(0～60 cm)的增加呈逐渐降低的趋势。相关性分析结果表明，土壤总有机碳含量与微生物生物量碳含量呈极显著正相关(P＜0.01)，二者与土壤溶解性有机碳含量的相关性无统计学意义。结果表明土地利用方式的改变将影响到辽河流域土壤有机碳的存在形态和含量。

辽河保护区；土地利用方式；土壤总有机碳；土壤溶解性有机碳；土壤微生物生物量碳

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土壤总有机碳(total organic carbon，TOC)是指通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体中所含有的碳，是全球生态系统碳循环的重要组成部分[1–2]。土壤有机碳的积累和分解直接影响到全球生态系统碳平衡[3]。土壤溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)和微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)作为土壤总有机碳中的活性组分，具有不稳定、易氧化分解、易矿化等特点，对土壤中有机物、无机物的分解转化、吸附及迁移淋溶等都有明显作用，其含量和动态变化与土壤环境条件密切相关，是土壤碳库大小和变化的指示器[4]，是径流水体中碳的主要来源之一[5]。

土地利用通过干扰和调整土壤物质的循环过程，改变原有土壤的生物化学循环强度、总量和路径以及土壤生物的代谢活动，从而影响整个土壤碳库，是驱动陆地生态系统碳循环的重要原因[6]。农田转化为林地、草地后一般会使土壤有机碳储量增加[7–9]，但农田撂荒4～5年后土壤的有机碳含量和密度非但不会高于耕作农田的，反倒会明显降低[10]。此外，土地利用变化会引起生态系统物质流动过程发生变化，影响非点源污染物的发生、迁移和转化[11]，进而影响流域水质[12–14]，并且不同研究区内土地利用结构的组成和空间分布特征不同，土地利用与水质的关系也不同[15–16]。由此可见，由于各地区气候、土壤等自然条件和人类干扰活动不同，土地利用方式及变化对土壤有机碳库及流域水质的影响存在较明显的区域性差异。

为了在流域层面更好地协调生态保护、污染防治、水资源利用和土地利用之间的关系，辽宁省于2010年5月率先成立了辽河保护区管理局，现正逐步开展退耕还林还草、土地自然封育等工作，由此引起的土地利用方式的明显改变必然会对区域的土壤碳库及河流水质产生影响。笔者分析辽河保护区不同土地利用方式下土壤总有机碳、溶解性有机碳和微生物碳的含量特征，以期为辽河保护区土地利用规划和水污染防治提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

辽河保护区位于辽河流域(117°00′～125°30′E，40°30′～45°10′N)中下游，该区域跨越辽宁省铁岭、沈阳、鞍山和盘锦4市，属暖温带半湿润大陆性季风气候，温度变化较大，四季寒暖，干湿分明，多年平均气温自下游平原向上游山区逐渐降低，气温年际变化亦较大，降水量自西北向东南递增，降水量年际变化较大，年内分配差异也较明显，地势自北向南，由东西向中间倾斜，流向自北向南。保护区内河流水体总长为529 km，保护区总面积为1 801.55 km2，其中湿地占48.8%，旱田占35.8%，林地占5.5%，草地占4.2%，水田3.8%，裸地和堤岸等其他占1.9%。区域内主要分布有草甸土(占49.8%)、潮土和沼泽土(分别占10.78%和10.38%)，此外还有棕壤、风沙土、水稻土等分布。

1.2 方法

1.2.1 样地选定及土壤样品采集

根据辽河保护区土壤类型和土地利用方式的空间分布特征布设采样点，样点所属土壤类型包括草甸土、潮土和沼泽土3种；土地利用方式包括旱田、水田、草地和林地4种。旱田的种植作物为玉米，水田的种植作物为水稻，草地为撂荒的自然草地，林地为树龄10年左右的人工林(优势树种为杨树)。

采用GPS定位采样，在每个采样点采用梅花形布点法采集0～20 cm 的表层土壤，混合形成该样点的土壤样本共 53个，其中包括旱田样本15个，水田样本9个，林地样本15个，草地样本14个。对辽河保护区分布最广泛的土壤类型——草甸土的4种不同土地利用方式下的样点挖取土壤剖面，按照0～20、＞20～40、＞40～60 cm分层分别采集土样，重复3次。采集后的土壤样品立刻带回实验室，充分混合后分成2份，一份过2 mm筛，保存于4 ℃冰箱中，用于对土壤溶解性有机碳和微生物碳等指标进行测定；另一份风干、去杂、过筛后用于分析土壤总有机碳等指标。

1.2.2 土壤样品分析

土壤溶解性有机碳含量采用K2SO4浸提–TOC–VCSH/TN分析仪[17]测定；土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化–分光光度法[18]测定；土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸–培养法[19]测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤pH值采用玻璃电极法测定；土壤含水量采用烘干法测定。

1.3 数据处理

采用Excel和SPSS软件对实验数据进行处理采用Pearson进行变量间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤的总有机碳含量

由图1可见，0～20 cm表层土壤样品的总有机碳含量为5.59～21.79 g/kg。在不同土地利用方式下，土壤总有机碳含量不同，水田土壤总有机碳含量最高，其次为旱田和林地的，草地土壤的总有机碳含量最低。草甸土水田土壤总有机碳含量为21.79 g/kg，旱田土壤的总有机碳含量为20.31 g/kg，二者差异无统计学意义，但显著高于林地和草地的；土壤类型为潮土时，水田土壤总有机碳含量为17.39 g/kg，显著高于旱田的，林地和草地土壤的总有机碳含量较低(二者的差异无统计学意义)，且二者的显著低于旱田的；沼泽土旱田、林地和草地的土壤总有机碳含量间的差异无统计学意义，三者均显著低于水田的(11.08 g/kg)。不同土壤类型土壤总有机碳含量间的差异达显著水平。草甸土土壤总有机碳含量最高，其次为潮土的，沼泽土的最低。

图1 不同土地利用方式下土壤的总有机碳含量Fig.1 Concentrations of TOC under different land-use types

由图2可见，不同土地利用方式下，草甸土土壤剖面的土壤总有机碳含量均沿土层向下呈含量递减的趋势，0～20 cm土壤的总有机碳含量(7.74～19.7 g/kg)最高，其次为＞20～40 cm土壤的(4.33～9.19 g/kg)，＞40～60 cm土壤的总有机碳含量(1.50～2.07 g/kg)最低。不同土地利用方式下，不同土层土壤总有机碳含量间的差异均达显著水平。

图2 不同土地利用方式下草甸土土壤剖面各层次中的总有机碳含量Fig.2 Concentrations of TOC at different depth of soil profiles under different land-use types in meadow soil

2.2 不同土地利用方式下土壤的溶解性有机碳含量

由图3可见，0～20 cm表层土壤样品的土壤溶解性有机碳含量为37.65～156.42 mg/kg。不同土地利用方式土壤溶解性有机碳含量间的差异达显著水平。草甸土草地的土壤溶解性有机碳含量为96.55 mg/kg，分别比旱田、水田、林地高36.47%、71.34%、72.41%。潮土草地的土壤溶解性有机碳含量为145.5 mg/kg，分别比旱田、林地、水田的高76.90%、198.46%、242.35%。潮土草地的土壤溶解性有机碳含量为138.8 mg/kg，分别比旱田、林地、水田高95.08%、129.99%、194.69%。不同土壤类型土壤溶解性有机碳含量的差异无统计学意义，旱田和草地土壤的溶解性有机碳含量表现为潮土、沼泽土、草甸土依次减小；水田土壤的溶解性有机碳含量表现为草甸土、沼泽土、潮土依次减小；林地土壤的溶解性有机碳含量表现为沼泽土、草甸土、潮土依次减小。

图3 不同土地利用方式土壤的溶解性有机碳含量Fig.3 Concentrations of DOC under different land-use types

由图4可见，不同土地利用方式下，草甸土土壤各剖面溶解性有机碳含量的垂直变化与土壤总有机碳含量的变化一致，均呈现为沿土层向下含量减少的趋势，0～20 cm土壤的溶解性有机碳含量(53.0～96.55 mg/kg)最高，其次为＞20～40 cm土壤的(39.25～52.90 mg/kg)，＞40～60 cm土壤的溶解性有机碳含量(25.18～49.00 mg/kg)最低。不同土地利用方式下土壤的溶解性有机碳含量差异均达到显著水平。

图4 不同土地利用方式草甸土土壤剖面各层次中的溶解性有机碳含量Fig.4 Concentrations of DOC at different depth of soil profiles under different land–use types in meadow soil

2.3 不同土地利用方式下土壤的微生物生物量碳含量

由图5可见，0～20 cm表层土壤样品中土壤微生物的生物量碳含量为0.03～1.97 g/kg。在不同土地利用方式下，土壤微生物生物量碳含量不同，其变化趋势基本与土壤总有机碳含量的变化趋一致。草甸土水田和旱田的土壤微生物生物量碳含量分别为1.43、1.40 g/kg，二者间的差异无统计学意义，但显著高于林地和草地的；林地的土壤微生物生物量碳含量显著高于草地的。潮土和沼泽土不同土地利用方式土壤微生物生物量碳含量的变化基本一致，水田土壤微生物生物量碳含量分别为1.75 、1.05 g/kg，显著高于旱田和林地的，而草地的显著低于旱地的和林地的，但旱地的与林地的无统计学差异。不同土壤类型土壤微生物生物量碳含量间的差异达显著水平，旱田、林地和草地的土壤微生物生物量碳含量表现为草甸土、潮土、沼泽土依次减小；水田潮土土壤的微生物生物量碳含量最高，草甸土的其次，沼泽土的最低。

图5 不同土地利用方式下土壤的微生物生物量碳含量Fig.5 Concentrations of MBC under different land-use types

由图6可见，草甸土土壤剖面不同土地利用方式下土壤微生物生物量碳含量呈沿土层向下含量减少的趋势，0～20 cm土壤的微生物生物量碳含量(0.44～1.53 g/kg)最高，其次为＞20～40 cm土壤的(0.30～0.51 g/kg)，＞40～60 cm土壤的微生物生物量碳含量(0.13～0.33 g/kg)最低。不同土地利用方式下不同土层的土壤微生物生物量碳含量间的差异均达显著水平。

2.4 土壤有机碳与土壤理化性质的相关关系

0～20 cm土壤样品中土壤容重的均值为1.43 g/cm3，最大值为1.84 g/cm3，最小值为1.12 g/cm3；土壤pH值的均值为7.41，最大值为8.38，最小值为6.22；土壤含水量的均值为14.8%，最大值为26.8%，最小值为1.5%。

由表1可见，土壤总有机碳含量与土壤微生物生物量碳含量之间存在极显著正相关关系；土壤总有机碳含量与土壤含水量呈极显著正相关关系，与土壤容重呈极显著负相关关系，与土壤pH的相关关系无统计学意义；土壤溶解性有机碳含量与土壤pH呈显著正相关关系；土壤微生物生物量碳含量与土壤容重呈显著负相关关系。

表1 土壤有机碳含量与土壤理化指标的相关系数Table 1 Correlation coefficients between soil organic carbon content and soil properties

3 结论与讨论

研究表明不同土地利用方式下土壤的总有机碳含量和微生物生物量碳含量表现为水田、旱田的高于林地和草地的，这说明在辽河保护区，通过农田撂荒和土地退耕还林还草的方式在短期内并不利于提高土壤有机碳的蓄积能力。这与史利江等[10]的研究结论一致。地表上作物的枯枝落叶和根系经微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体是土壤有机碳的主要来源。农田中化肥的施用可以显著提高农作物生物产量，增加土壤中作物残渣和根等有机质的输入，从而增加水田和旱田的土壤有机碳含量[20–22]。水田较长时间处于淹水状态会抑制有机质的分解，使土壤有机碳含量保持较高；旱田耕作可改善土壤微生物的活动条件，从而加速土壤有机碳的分解。林地和草地的土壤有机碳含量主要来源于枯枝落叶。本研究中选择的是10年左右的人工林地和撂荒草地，其郁闭度较低，凋落物较少，故其土壤总有机碳含量和微生物生物量碳含量偏低。草地的土壤溶解性有机碳含量最高，其次为旱田和林地的，水田的最低。溶解性有机碳是土壤有机碳损失的潜在途经，通过径流和下渗进入到江河湖泊以及地下水中，翻耕使农田土壤疏松，通透性增加，溶解性有机碳更容易通过土壤水流入到地下水中，使得土壤溶解性有机碳含量明显降低[23]。

由作物残渣及根系分解形成的有机碳首先进入土壤表层，再经表层往下进入更深的土壤中。草甸土土壤剖面的总有机碳、溶解性有机碳和微生物生物量碳含量均表现出沿土层向下明显减少的规律。这与Emadi等[24]的研究成果一致。林地土壤总有机碳和微生物生物量碳含量在20～40 cm均明显高于旱田、水田和草地，说明作物粗壮发达的根系对深层土壤有机碳的影响更为明显[25]。

不同类型土壤的黏粒组分、化学性质和微生物组成等影响土壤的有机碳含量[26]。徐华勤等[27]发现相同土地利用方式下广东省红壤、赤红壤和砖红壤的土壤微生物生物量碳含量差异显著，本研究中同样发现相同土地利用方式下，辽河保护区草甸土、潮土和沼泽土的土壤总有机碳、溶解性有机碳和微生物生物量碳含量均存在明显差异。

相关性分析结果表明，土壤微生物生物量碳含量与土壤总有机碳含量存在极显著正相关关系。土壤溶解性有机碳含量与总有机碳含量、微生物生物量碳含量之间未表现出明显的相关关系。这与王明慧等[28]的研究结论不一致。可见，土壤溶解性有机碳虽然是土壤有机碳中的一部分，但在辽河保护区，土壤溶解性有机碳含量并不能直接替代土壤总有机碳含量和土壤微生物生物量碳含量作为估算土壤有机碳含量以及评价土壤质量的指标。土壤容重与土壤有机碳含量、微生物生物量碳含量之间存在显著负相关关系。这与前人的研究结果基本一致[29–30]。土壤含水量与土壤总有机碳含量之间存在极显著正相关关系，说明土壤含水量的增加加速了作物残渣及根系分解转化为土壤有机碳的程度。

辽河保护区内土壤总有机碳、溶解性有机碳和微生物生物量碳含量受土壤类型和土地利用方式等因素的影响较明显。辽河保护区沿辽河流向跨度较大(全长538 km)，上、下游区域性差异较明显，关于该区域土壤有机碳含量的空间分布特征等还有待研究。

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责任编辑：王赛群

英文编辑：王 库

Characteristics of soil carbon pools under different land use patterns in reserve of Liaohe River

Cheng Zhihui1,3, Li Fayun2,1*, Rong Xiangmin1, Fan Zhiping2, Li Xia1,3, Zhang Ying1,3
(1.Collage of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Institute of Eco-environmental Sciences, Liaoning Shihua University, Fushun, Liaoning 113001, China; 3.School of Environmental Science, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

Field investigations and lab experiments were carried out to study characteristics of soil total organic carbon (TOC), dissolved organic carbon (DOC) and microbial biomass carbon (MBC) in reserve of Liaohe River. Three soil types (including meadow soil, moisture soil and boggy soil) and four land use patterns (including cropland, paddy land, forestland and grassland) were included in this study. Significant differences in TOC, DOC and MBC concentrations were observed among different land use patterns (P＜0.05). The average concentrations of TOC and MBC were much higher in the cropland and paddy land than those in forestland and grassland. However, the DOC was the highest in the grassland among all land uses. In the meadow soil, the average concentrations of TOC, DOC and MBC presented a gradual reduction trend with depth increase. According to Pearson correlation analysis, the concentrations of TOC showed a significant positive relationship with that of MBC (P＜0.01), while there were no significant correlation among TOC, MBC and DOC. The results showed that land use change could significantly affect the quantity and quality of soil carbon pools in this research zone.

reserve of Liaohe River; land use pattern; soil total organic carbon; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon

S153.6

A

1007-1032(2016)06-0670-06

2016–03–28

2016–04–11

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07505–001)；中国科学院大气物理研究所开放实验室课题(LAPC–KF–2011–03)；格平绿色助学行动辽宁环境科研“123工程”基金项目(CEPF2011–123–1–4)；辽宁大学青年科研基金项目(2012LDQN13)；辽宁省博士科研启动基金(20141051)；辽宁大学“211”工程第3期重点学科资助项目(HJ211005)

程志辉(1980—)，女，辽宁北票人，博士研究生，主要从事非点源污染研究，yuanfang696@sina.com；*通信作者，李法云，教授，主要从事污染环境修复研究，lifayun15 @hotmail.com