退耕还湖后菜子湖湿地土壤剖面有机碳分布变化

刘文静，汪永进，崔 宏，彭 江，司红君，张平究

（1.安徽师范大学 国土资源与旅游学院,安徽自然灾害过程与防控研究省级重点实验室，安徽 芜湖241003；2.云龙湖水库管理处,江苏 徐州221000）

退耕还湖后菜子湖湿地土壤剖面有机碳分布变化

刘文静1，汪永进2，崔 宏1，彭 江1，司红君1，张平究1

（1.安徽师范大学 国土资源与旅游学院,安徽自然灾害过程与防控研究省级重点实验室，安徽 芜湖241003；2.云龙湖水库管理处,江苏 徐州221000）

退耕还湖是我国长江中下游地区湿地生态恢复的重要举措，土壤有机碳是评价湿地生态功能恢复的重要组成部分。本文选取菜子湖区不同退耕年限（2、5、8、10、20a）和退耕后不同植被群落（苔草、芦苇和酸模）湿地土壤为研究对象，揭示退耕还湖后退耕年限和植被类型对湿地土壤有机碳恢复的影响。结果表明：随退耕年限的增加，湿地土壤有机碳含量逐渐增加，但土壤有机碳密度随退耕年限增加呈“升高―降低―升高”的趋势，总体比油菜地高出61.5%～82.3%；不同植被类型下土壤剖面（0～55 cm）有机碳含量表现为：芦苇（8.90g/kg）＞苔草（8.84g/kg）＞酸模（5.84g/kg），芦苇土壤剖面有机碳含量随土层深度增加而变化幅度小于苔草和酸模；不同植被类型下土壤剖面（0～55 cm）有机碳密度呈现出芦苇（7.92 kg/m2）＞苔草（7.42 kg/m2）＞酸模（5.01 kg/m2）。结果分析表明退耕还湖后菜子湖湿地植被恢复和理化性质变化促进土壤有机碳含量及其密度变化，而苔草、芦苇和酸模土壤剖面土壤有机碳恢复不一致，芦苇对土壤剖面有机碳密度提升能力最强。

退耕年限；植被类型；有机碳含量；有机碳密度；菜子湖湿地

湿地是介于陆地和水生生态系统之间的过渡地带[1]，因其具有地表周期性或长期积水导致的厌氧条件和极高动植物生物量的性质[2]，是地球上重要的碳汇之一。湿地土壤还原性较强导致土壤中好氧微生物活动弱，大量动植物残体分解缓慢，以有机质或泥炭的方式储存积累，使得湿地土壤成为天然的碳汇，湿地90%以上的碳储量存在土壤中。Dixon和Schlesinger认为湿地碳储量占全球陆地生物圈碳总量的7%[3]，而吕宪国等认为湿地碳储量占全球陆地碳库总储量的15%[4]。湿地土壤有机碳不仅影响土壤理化性质、土壤肥力和生物生长[5]，而且响应着全球气候变化。

植被类型和人类耕作活动可对土壤有机碳含量和有机碳密度产生影响。不同植物通过影响土壤有机碳的输入数量和质量而影响土壤有机碳分布[6]，而人类活动不仅直接影响土壤有机碳的含量和分布，还可通过影响与有机碳形成和转化有关的因子间接影响土壤有机碳积累和分解[7]。本文分析讨论菜子湖区退耕还湖后不同退耕年限和不同植被类型湿地土壤剖面有机碳含量和有机碳密度差异及其产生原因，为退化湿地生态恢复及其有效管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

菜子湖位于安徽省安庆市，是长江中下游淡水湖泊群的重要组成部分之一，位于117°01′～117°09′E，30°43′～30°58′N，总面积17300 hm2。湖区地貌以丘陵和冲积平原为主，年平均气温16.6℃，年平均降水量1325.5 mm。4～10月为丰水期，水深3 m以上，11月～翌年3月为枯水期，湖底大多出露为滩涂。湖区主要土壤类型为红壤、潮土和水稻土。20世纪50年代菜子湖区开始大规模围垦，导致湿地大面积消失，到80年代中期开始逐步退耕还湖，1998年特大洪水后，退耕还湖进程加快。许多退耕还湖区因地制宜的地选择了恢复为自然湿地或进行水产养殖，旨在寻求湿地生态调蓄功能与经济收益间的平衡。

1.2 土样采集与处理

不同退耕年限湿地采样区基本信息见文献[8]。

2011年4月，不同植被类型湿地采样区位于菜子湖区幸福圩，该圩建于1958年，于1986年破圩，后进行水产养殖。选取退耕还湖后苔草、芦苇和酸模3种植被群落湿地。每种类型植被下湿地采3个土壤剖面，根据采样点土壤剖面颜色、紧实度和根系多少的变化确定土壤采样层次，分0～6 cm、6～13 cm、13～25 cm、25～40 cm和40～55 cm共5个深度层次，采集45个土样，采样区基本信息见表1。土壤样品经自然风干后，挑去根、虫体、石砾后研细，分别过2和0.149 mm径筛，装袋备用。

表1 研究区3种不同植被群落下湿地土壤基本状况

1.3 分析方法

相关指标测定方法[9]如下：土壤容重测定采用环刀法；pH值测定采用电位计法〔V(水)∶m(土)=2.5∶1〕；有机质含量测定采用重铬酸钾-外加热法；土壤粒径分析参照MURRAY[10]的方法。

1.4 数据处理分析

各土层土壤有机碳含量 （SOC）:SOC=SOM÷1.724，剖面土壤有机碳含量（Cs）:

土壤有机碳密度（DOC）：DOC=SOC*B*H，剖面土壤有机碳密度（Cd）：

式中，SOC为有机碳含量 （g/kg）；DOC为有机碳密度（kg/m2）；B为土壤容重（g/cm3）；H为土层深度（cm）；i=1,2,3…，为土壤剖面不同层次。

2 结果与分析

2.1 不同退耕年限下湿地土壤剖面有机碳含量与有机碳密度变化

不同退耕年限下湿地研究区土壤有机碳含量变化如图1。退耕湿地土壤剖面有机碳含量在9.71～15.01g/kg，低于长江中下游水稻土耕层有机碳平均含量（15.37g/kg）[11]，退耕还湖后湿地土壤有机碳含量主要取决于有机物的输入、输出量。退耕后研究区湿地土壤有机碳含量随着退耕年限的增加而不断升高,这是由于退耕后湿地土壤人类扰动减弱，随着植被的恢复，大量植物残体归还土壤使得有机质含量增加，促进土壤有机碳含量升高。同时退耕后自然水文条件建立，湿地淹水形成的还原环境使得土壤微生物活性降低，有机质的矿化分解较慢，从而促使有机碳的积累。退耕后土壤粘粒含量随着退耕年限延长不断升高[12]，土壤粘土胶体可通过吸附作用使得植被残体或分解物免受或难被微生物的分解，进而有利于土壤有机碳的积累。杨艳芳等研究发现研究区退耕后湿地土壤pH与有机质存在显著负相关关系[8]。研究区湿地土壤呈酸性，且退耕后土壤pH随退耕年限的增加不断下降，pH下降导致细菌等土壤微生物活性减弱，有机碳分解减慢、周转下降，有利于土壤有机碳的积累。土壤氮素含量大体上决定有机碳的含量，土壤碳的保持在很大程度上决定于土壤氮素的水平[13]。研究区土壤有机质与土壤全氮、有效氮呈极显著正相关[8]，退耕后湿地土壤氮含量迅速提高也促进了土壤有机碳积累。

土壤有机碳密度是单位体积土壤中有机碳含量，其大小决定于土壤有机碳含量和土壤容重的大小。研究区不同退耕年限湿地土壤有机碳密度变化如图2。不同退耕年限湿地研究区土壤有机碳密度在1.56～2.85 kg/m2，与许信旺等[14]研究的安徽省水稻土耕层有机碳密度为2.77±0.67 kg/m2的结果相近。退耕5a后湿地土壤有机碳密度从油菜地的1.57 kg/m2增加到2.67 kg/m2，这可能与退耕后湿地土壤有机碳含量和土壤容重同时升高有关，退耕后人类耕作活动消除，淹水后土壤细小颗粒填充空隙，加上此时植被还未大量恢复，有机质含量还未大量增加，导致土壤容重上升，土壤容重和有机碳含量的增加使得土壤有机碳密度大大增加。而退耕10a后湿地土壤有机碳密度又下降到2.56 kg/m2，这是由于退耕后土壤有机质含量的提高促进了土壤团聚体的形成，致使土壤容重下降且土壤容重的下降幅度大于有机碳的积累幅度。退耕20a后，随着植被的大量恢复，进入土壤的枯落物以及根系残留物和分泌物大大增加，湿地土壤有机质含量有了大幅增加，有机碳密度增加到2.86 kg/m2。总体上，退耕后湿地土壤有机碳密度比仍耕作的油菜地高61.50%～82.27%，表明退耕还湖在很大程度上提高了土壤有机碳密度，湿地土壤固碳能力增强，碳储量增加，改善了湿地土壤质量的同时也减缓了CO2向大气的排放。

图1 不同退耕年限下湿地土壤剖面有机碳含量的变化

图2 不同退耕年限下湿地土壤剖面有机碳密度的变化

2.2 不同植被群落下湿地土壤剖面有机碳含量和有机碳密度分布

不同植被类型湿地研究区土壤剖面（0～55 cm）有机碳含量表现为芦苇 （8.90 g/kg）＞苔草 （8.84 g/kg）＞酸模（5.84 g/kg）。 由于植被群落不同，植被生物量差异造成地表枯落物和根系分泌物的质量差异，影响着有机质的分解和积累进而导致土壤有机碳含量差异。如图3所示，研究区内0～6cm表层土壤有机碳含量最高，其中酸模 （81.17 g/kg）＞苔草（57.15 g/kg）＞芦苇（33.65 g/kg）。 酸模干物质中含有较高的多种维生素及氨基酸，有利于微生物对枯落物的分解与转化，促进有机碳的积累。苔草和芦苇干物质中所含粗纤维较高，枯落物分解速率较慢，土壤有机碳积累较慢。不同植被群落下土壤剖面有机碳含量分布均随土层深度增加而递减，酸模和苔草土壤有机碳含量随土层加深而递减的幅度较大，而芦苇随土层加深而递减的幅度较小。Jobbagy G研究表明植物根系的分布直接影响有机碳的垂直分布[15]，研究区酸模和苔草的根系主要分布在0～6cm土层，而芦苇根较粗壮，并且向下延伸较深，根系分泌物及残留物使芦苇较深层次土壤有机碳含量较高。

三种植被群落下土壤剖面（0～55 cm）有机碳密度与剖面有机碳含量分布一致，也表现为芦苇（7.92 kg/m2）＞苔草（7.42 kg/m2）＞酸模（5.01 kg/m2）（图4）。0～6cm表层土壤有机碳密度表现为苔草（2.88 kg/m2）＞酸模（2.09 kg/m2）＞芦苇（0.83 kg/m2），这是由于苔草和酸模表层土壤有机碳含量极显著高于芦苇，且芦苇根系多且发达，土壤孔隙度大，土壤容重较小，导致芦苇表层土壤碳密度最小。酸模表层土壤有机碳含量虽然最高，但因其根系发达且长势好，覆盖度高，表层土壤容重小，所以表层土壤有机碳密度小于苔草。苔草和酸模在0～6cm土层土壤有机碳密度大于下四层土壤有机碳密度，分别占整个土层深度的36.39%和41.83%，而芦苇0～6cm土层土壤有机碳密度小于下四层土壤有机碳密度，但只占整个土层深度的11.16%。6～55cm土层中苔草土壤有机碳密度随深度增加而逐渐升高，在40～55cm土层有所下降；酸模土壤有机碳密度无明显变化；芦苇土壤有机碳密度分布无明显规律，但总体高于酸模和苔草，这些差异性表明不同植被根系分布对土壤有机碳密度剖面分布影响显著。

图3 不同植被群落下湿地剖面土壤有机碳含量的分布

图4 不同植被群落下湿地土壤剖面有机碳密度的分布

3 结论

（1）退耕后，湿地土壤有机碳含量随退耕年限增加而增加，有机碳密度比仍耕油菜地高61.50%～82.27%，表明退耕还湖后，菜子湖湿地土壤固碳能力增强，碳储量增加，改善了土壤质量，促进湿地生态系统恢复。

（2）湿地植被类型影响土壤有机碳的剖面分布，苔草和酸模湿地表层土壤有机碳含量和密度高于芦苇，但芦苇湿地土壤剖面有机碳含量和密度均比苔草和酸模大，表明芦苇土壤固碳能力较强，应重视芦苇在退耕还湖湿地生态系统恢复过程中的作用。

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[责任编辑：余义兵]

Changes of Distribution of Organic Carbon in Soil Profiles of Wetlands Recovered from Farmlands to Lakes in Caizi Lake

Liu Wenjing1，Wang Yongjin2，Cui Hong1，Peng Jiang1，Si Hongjun1，Zhang Pingjiu1
(1.College of Territorial Resource and Tourism,Anhui key Laboratory of Natural Disasters Process and Prevention,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241003;2.Yunlonghu Reservior Management Office,XuZhou,Jiangsu,221000)

Recovery from farmlands to lakes is an important measure to recover wetlands in the middle and lower reaches of Yangtze River.Soil organic carbon is an important ecological index in assessing the degree of degraded wetland recovery.It is estimated in wetlands with different restoration ages (2,5,8,10,20a)and different vegetation types(Phragmites australis,Carex maximowiczii and Rumex acetosa Linn)in Caizi Lake.The results show that soil organic carbon contents in wetlands increase with restoration ages while density of soil organic carbon is higher than this in rape field,with “increasing-decreasing-increasing”tendency,generally 61.5%～82.3%higher compared with rape fields.Soil organic carbon contents and density of soil organic carbon in 0～55 cm soil profiles show Phragmites australis(8.90g/kg)＞Carex maximowiczii(8.84g/kg)＞Rumex acetosa Linn (5.84g/kg)and Phragmites australis (7.92 kg/m2)＞Carex maximowiczii(7.42 kg/m2)＞Rumex acetosa Linn (5.01 kg/m2)respectively.With wetland restoration ages,vegetations and physochemical properties recovery induce increase of density soil organic carbon,and Phragmites australis present the strongest ability to increase density of soil organic carbon in Caizi Lake.

Restoration Age;Vegetation Type;Organic Carbon Content;Density of Organic Carbon;Caizi Lake

S153

A

1674-1104(2014)03-0010-04

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.003

2013-12-18

国家自然科学基金项目（41001369;41301249;41071337）;安徽省自然科学基金（1308085MD22）。

刘文静（1989-），女，江苏淮安人，安徽师范大学国土资源与旅游学院硕士研究生，主要从事湿地土壤环境方面研究。