2. 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室, 江西 南昌 330022
2. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Nanchang 330022, China
农田生态系统在陆地碳循环中占重要地位, 增加农田土壤有机碳的固定不仅有助于减缓气候变化, 而且对保障国家粮食安全具有重要意义[1]。水稻土是我国特有的人为土壤类型, 面积约占我国耕作土壤面积的1/4。通过实测、模型和土壤普查资料对我国稻田土壤有机碳密度与储量开展研究, 发现水稻土具有高的碳密度和显著的固碳能力[2-4], 并且在大气CO2浓度升高及全球变暖的双重影响下固碳能力仍能持续[5]。目前我国南方水稻土有机碳含量普遍随耕作年限的增加而增加[6-8]。开展稻田土壤总有机碳库动态监测, 分析水稻土有机碳组成及其影响因子, 对定量评价土壤有机碳质量和未来演变趋势具有重要意义[9-10]。
鄱阳湖区是江西省最重要的粮食生产基地, 其中围垦区由于地势平坦, 水肥条件优越, 是鄱阳湖区粮食生产的核心区域, 水稻播种面积超过总耕地面积的90%[11]。该研究通过测定鄱阳湖围垦区不同年代稻田土壤有机碳含量及组分, 探讨稻田土壤有机碳组分特征及变化规律, 为评估耕作历史对稻田土壤生物地球化学循环过程的影响提供基础数据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况鄱阳湖位于江西省北部, 长江中下游南岸, 地处北纬28°11'~29°51', 东经115°31'~117°06', 是我国重要的生态保护区, 也是长江中下游湖泊围垦的典型区域。鄱阳湖区包括湖滨的12个县市(南昌市、九江市、南昌县、鄱阳县、星子县、新建县、进贤县、余干县、都昌县、湖口县、德安县、永修县), 面积达2.097万km2, 占江西省总面积的12.56%。该地区气候属于典型的亚热带季风气候区, 夏季高温多雨, 冬季低温少雨; 多年平均温度为17.6 ℃, 多年平均降水量为1 450~1 550 mm, 降水集中在4—6月[12]。"围湖造田"是鄱阳湖区耕地的重要来源, 湖区围垦以1960年代为最盛, 其次是1950和1970年代, 1980—1990年代围垦较少[13]。
1.2 样品采集与分析于2013年7月早稻收割后, 选择鄱阳湖围垦区6个不同耕作年限的稻田采集土壤样品。由于无法获取精确的围垦时间, 选择的围垦稻田的耕作历史间隔约为10 a, 分别为鄱阳县三庙前乡1949年以前围垦稻田(SMQ-BL)、鄱阳县饶丰农场1950年代围垦稻田(RF-50s)、余干县康山垦殖场1960年代围垦稻田(KS-60s)、鄱阳县莲北圩1970年代围垦稻田(LB-70s)、鄱阳县珠湖村1980年代围垦稻田(ZH-80s)、星子县苏家垱乡青山头村1990年代围垦稻田(JT-90s)。以上稻田在围垦前均为鄱阳湖洲滩湿地, 植被以灰化苔草群落为主, 土壤理化性状本底值较一致。
每个围垦稻田样地在耕作管理水平相对一致的地块随机设置4个间隔200 m左右的采样小区。在每个小区以S型多点混合采样方法, 按表层(0~10 cm)和底层(＞10~30 cm)进行土壤取样。采集的土样用灭菌塑料袋密封后迅速带回实验室, 剔除可见的动、植物残留, 用四分法取出适量土壤样品:一部分鲜土放入4 ℃冰箱中冷藏, 用于测定土壤微生物生物量碳(MBC)含量; 其余土样风干、磨碎、过2 mm孔径筛装袋保存, 用于测定土壤总有机碳(SOC)含量、重组有机碳(HFOC)含量、轻组有机碳(LFOC)含量、全氮含量和土壤机械组成等。SOC含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定[14]。HFOC和LFOC含量采用密度分组法测定[15], 称取10 g样品于100 mL离心管中, 加入40 mL NaI溶液(1.7 g·mL-1), 振荡30 min后, 以3 000 r·min-1(离心半径为160 mm)离心15 min, 用0.45 μm微孔滤膜过滤得到LFOC, 再向离心管中加入约20 mL NaI溶液(1.7 g·mL-1), 重复上述步骤2~3次, 将所得LFOC混合。向提取LFOC后的离心管中加入0.01 mol·L-1 CaCl2, 充分搅拌后离心15 min, 重复3~4次至其不与I-反应, 不断地清洗过滤使重液中无轻组有机物为止, 再用蒸馏水清洗1~2次后放置烘箱(调至70 ℃)烘干得到HFOC, 称重并采用重铬酸钾氧化外加热法测定HFOC含量。由于得到的LFOC含量较小, 无法直接测定, 因此由SOC含量减去HFOC含量计算得到LFOC含量。MBC含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法, 由TOC-VCPH自动分析仪(日本岛津)测定[16]。土壤全氮含量采用EA3000元素分析仪(意大利欧维特)进行测定, 土壤粒度采用Mastersizer 2000激光粒度仪(英国马尔文)测定, 土壤容重采用环刀法测定, 土壤含水量采用烘干法测定。各采样点土壤理化性状见表 1。
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表 1 土壤采样点基本信息 Table 1 Characteristics of soil sampling sites |
采用双因素方差分析方法分析耕作年限、土层及其交互作用对HFOC、LFOC和MBC含量的影响; 采用一元线性回归模型及Pearson相关系数分析SOC含量与各组分之间的关系, 显著性水平设为α=0.05。采用SPSS 19.0和Excel 2003软件进行数据统计、分析和制图。
2 结果与分析 2.1 土壤HFOC鄱阳湖不同耕作年限稻田表层和底层土壤HFOC含量分别为11.96~24.01和5.89~13.28 mg·g-1, 平均值分别为17.51和9.39 mg·g-1。表层土壤HFOC含量明显高于底层, 且SMQ-BL样点HFOC含量最高。Pearson相关分析表明, 土壤HFOC含量与SOC含量之间呈显著正相关关系(P＜0.01), SOC含量能解释HFOC含量约68%的变异(图 1)。不同土层HFOC占SOC比例分别为84.07%~90.93%和86.63%~92.67%。尽管表层土壤HFOC含量高于底层, 但HFOC占SOC比例平均值却低于底层(表 2)。经双因素方差分析表明, 耕作年限、土层均显著影响土壤HFOC含量, 且两者的交互作用对土壤HFOC的影响同样显著(表 3)。
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图 1 不同围垦年限稻田土壤重组有机碳分布特征及其与总有机碳的关系 Figure 1 Soil heavy fraction organic carbon in Poyang Lake reclaimed paddy fields and its relationship with soil organic carbon SMQ-BL、RF-50s、KS-60s、LB-70s、ZH-80s和JT-90s分别为1949年以前，1950、1960、1970、1980和1990年代围垦稻田。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示不同样地间重组有机碳含量差异显著(P＜0.05)。 |
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表 2 土壤有机碳不同组分所占比例 Table 2 Percentage of different fractions of soil organic carbon |
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表 3 土层和耕作年限对土壤有机碳各组分的双因素方差分析 Table 3 Variance analysis of two factors on effects of soil layer and tillage years on soil organic carbon fractions |
鄱阳湖不同工作年限稻田表层和底层土壤LFOC含量分别为1.51~4.14和0.47~1.72 mg·g-1。表层土壤LFOC含量也高于底层, 并且随着围垦年限增加呈显著上升趋势; 而底层土壤LFOC含量变化不明显(图 2)。
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图 2 不同耕作年限稻田土壤轻组有机碳分布特征 Figure 2 Soil light fraction organic carbon in Poyang Lake reclaimed paddy fields SMQ-BL、RF-50s、KS-60s、LB-70s、ZH-80s和JT-90s分别为1949年以前，1950、1960、1970、1980和1990年代围垦稻田。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示不同样地间轻组有机碳含量差异显著(P＜0.05)。 |
不同土层LFOC占SOC比例分别为9.07%~15.93%和7.33%~13.37%, 与HFOC相反, 表层土壤LFOC占SOC比例平均值高于底层土壤(表 2)。双因素方差分析表明耕作年限、土层以及两者的交互作用均对土壤LFOC含量产生显著影响(表 3)。经相关分析, 土壤SOC含量(x)与土壤LFOC含量(y)亦呈显著正相关(y=0.11x+0.22, P＜0.01, n=36), 但SOC含量仅能解释11%的LFOC含量变异。
2.3 土壤MBC不同耕作年限稻田表层土壤MBC含量为12.43~850.52 mg·kg-1, 底层土壤MBC含量为13.44~348.54 mg·kg-1。不同土层MBC占SOC比例均低于2.5%, RF-50s样地MBC占SOC比例最高(表 2)。耕作年限与土层均显著影响土壤MBC含量, 两者的交互作用对MBC含量的影响则未达显著水平(表 3)。MBC含量随耕作年限的增加而增加, 且表层土壤MBC含量高于底层土壤。与HFOC和LFOC相似, MBC与SOC含量之间亦呈显著正相关关系, 可通过一元线性方程进行拟合, SOC含量能解释29%的MBC含量变异(图 3)。
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图 3 不同耕作年限稻田土壤微生物生物量碳分布特征及其与总有机碳的关系 Figure 3 Soil microbial biomass carbon in Poyang Lake reclaimed paddy fields and its relationship with soil organic carbon SMQ-BL、RF-50s、KS-60s、LB-70s、ZH-80s和JT-90s分别为1949年以前，1950、1960、1970、1980和1990年代围垦稻田。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示不同样地间微生物生物量碳含量差异显著(P＜0.05)。 |
过去几个世纪, 全球大面积的湿地由于园艺、能源或农业生产等目的而被排干或开垦[17], 鄱阳湖区的"围湖造田"就是典型例子。蔡家艳等[18]发现鄱阳湖区湿地围垦稻田SOC含量在经历初期下降后随围垦年限的增加而逐步上升, 并超过天然湿地SOC水平。笔者研究结果表明, 鄱阳湖区湿地围垦稻田土壤SOC中LFOC所占比例为7.33%~15.93%, 平均值为11.20%;而HFOC所占比例则为84.07%~92.67%, 平均值为88.80%。与其他地区农田相比较, 鄱阳湖区围垦稻田LFOC占SOC比例明显低于东北三江湿地开垦农田[19], 但接近于湖南宁乡稻田土壤LFOC含量(3.01~9.27 g·kg-1)及其占SOC比例(11.84%~23.31%)[20]。
LFOC作为土壤的活性碳库, 由未被彻底分解的动植物残体及其碎片、少量活的微生物体及其分泌物等组成, 极易被微生物分解和利用, 该部分有机碳对农业管理措施等因素的响应更敏感, 更能反映土壤质量的变化[21]。HFOC则是LFOC被彻底分解后残留的或重新聚合而成的有机碳, 结构上表现出稳定复杂的特性, 这部分有机碳分解缓慢, 很难被微生物再吸收利用, 是土壤的稳定碳库。笔者研究结果表明鄱阳湖区围垦稻田土壤碳库以稳定性有机碳为主, 这有利于土壤肥力的长期保持。
研究区天然湿地LFOC和HFOC占SOC比例分别为7.1%和92.9%[22], 围垦后LFOC占SOC比例增加近0.6倍, 这主要是因为鄱阳湖具有"丰水一片、枯水一线"的高动态水文特征, 湖滨湿地干湿交替剧烈, 丰水期时地表径流反复冲刷植物枯落物及残体, 造成天然湿地LFOC流失; 而湿地围垦为稻田后, 地表水文情势较稳定, 有利于LFOC富集。此外, 鄱阳湖区围垦稻田土壤HFOC所占比例比天然湿地有所下降, 表明人类活动在一定程度上降低了土壤碳库的稳定性。
虽然MBC占SOC比例很低, 却是影响生态系统中碳和其他养分流的关键因素, 反映了土壤微生物的活性和数量, 说明了土壤质量的变化[23]。宫超等[24]发现三江平原沼泽湿地垦殖后MBC含量显著下降, 靳振江等[25]发现江汉平原河流湿地改为稻田后MBC含量平均值提高至303.5 mg·kg-1, 比河流湿地增加1.8倍, 其提高幅度远远大于SOC含量增加幅度。与上述研究结果相比, 笔者研究中鄱阳湖围垦稻田0~30 cm土层土壤MBC含量为12.43~850.52 mg·kg-1, 占SOC比例平均值为1.29%, 与区域内未开垦天然湿地相比没有明显变化[22]。这一结果与桂林会仙起源于喀斯特溶洞湿地的稻田以及洞庭湖湖滩草洲围垦的稻田[26-27]一致。不同湿地类型起源稻田的土壤MBC含量与各湿地类型微生物群落特征, 以及湿地开垦为稻田后的耕种时间、施肥与管理方式等密切相关, 这些会影响湿地开垦后土壤微生物群落的演替过程以及新微生物群落的结构与物种组成等。笔者研究发现表层土壤MBC、LFOC、HFOC和SOC含量均高于底层, 这与稻田植物根系主要分布于表层以及研究区稻茬归田为表层土壤提供丰富的碳源有关[28]。
双因素方差分析表明, 耕作年限对MBC和LFOC含量有显著影响, 对HFOC含量有极显著影响(表 3)。随着耕作年限的增加, 表层土壤LFOC占SOC比例呈增加趋势, 至耕作60 a左右(RF-50s样地)达到最高值; HFOC所占比例则呈下降趋势, 至耕作60 a左右达到相对稳定。底层土壤LFOC和HFOC占SOC比例随耕作年限均增加的变化趋势与表层相反, 其中, LFOC占SOC比例随耕作年限的增加呈下降趋势, 在耕作50 a左右(RF-60s样地)下降至8.81%, 其后保持相对稳定; HFOC占SOC比例随耕作年限的增加呈上升趋势, 在耕作50 a左右达到91.19%, 随后保持稳定, 但仍低于天然湿地HFOC占SOC比例(94.7%)[22]。
笔者研究发现鄱阳湖围垦稻田随着耕作年限的增加，土壤LFOC和HFOC含量变化趋势与东北三江湿地围垦农田[19]不一致, 但与杭州湾滩涂湿地围垦后的农田土壤LFOC含量变化趋势一致[29]。一方面, 这与不同地区天然湿地碳库及其组分的本底值有关, 另一方面, 还与开垦后农田利用方式有关。在湿地碳库本底较低区域, 垦殖为稻田并经过长期耕作后, 土壤SOC含量往往高于耕作前的天然湿地[18, 25]。这主要是因为亚热带稻田土壤秸秆还田及有机-无机肥配施能够显著增加土壤中脂肪族、芳香族、碳水化合物和有机硅化合物含量, 从而有效提高有机质含量, 并进一步增加土壤有机碳库稳定性[30]。然而, 笔者研究还表明, 尽管经过长期的合理耕作, 湿地开垦为稻田可有效增加SOC及不同组分含量, 但碳库稳定性仍然低于天然湿地。
4 结论鄱阳湖围垦区稻田土壤HFOC、LFOC和MBC含量均与SOC含量呈显著正相关关系。耕作年限改变了土壤碳库组分构成, 表层土壤3种有机碳组分含量随耕作年限的增加均呈显著增加趋势, 且LFOC占SOC比例亦呈增加趋势, HFOC占SOC比例则呈下降趋势。鄱阳湖区围垦稻田HFOC占SOC比例小于垦殖前的天然湿地, 表明经过长期的耕作, 虽然土壤SOC含量增加, 但碳库稳定性有所下降。
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