孔范龍，郗 敏，李 悅，徐麗華，馮小敏

（青島大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山東 青島266071）

可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon，DOC），亦稱土壤活性有機(jī)碳，一般是指能溶于水或酸堿溶液且能通過0.45um微孔濾膜的有機(jī)碳，是土壤有機(jī)碳中最活躍的組成部分［1］。自然濕地，尤其是位于中緯度地區(qū)的濕地，儲存了大量的碳［2］，是重要的DOC庫和河流DOC的主要來源［3－5］。在全球碳循環(huán)的背景下，濕地構(gòu)成了陸地和海洋之間碳循環(huán)的重要一環(huán)［6］。據(jù)估計，自陸地向海洋輸入的DOC中約有20%來自濕地［7］。對加拿大北部濕地的研究發(fā)現(xiàn)，通過溪流從泥炭地中遷移輸出的DOC約5～40gm2／a［8］。濕地土壤中 DOC的數(shù)量和類型對其受納水體的性質(zhì)和功能具有重要影響。例如，DOC增高將導(dǎo)致地表水體酸度增加、顏色增加等，也會對淡水養(yǎng)殖業(yè)、飲用水質(zhì)量、河口和沿海生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)帶來廣泛的影響［9－12］。因此，研究對外界環(huán)境變化響應(yīng)較為敏感的濕地土壤DOC儲量、分布及動態(tài)變化具有重要意義。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對濕地土壤DOC的研究不斷增多，張金波等［13－14］研究了小葉章濕地地表水溶性有機(jī)碳季節(jié)動態(tài)變化及影響因素，土地利用方式對土壤溶解性有機(jī)碳的影響；黃靖宇等［15］研究了濕地墾殖對土壤溶解性有機(jī)碳的影響；楊繼松等［16］通過室內(nèi)試驗研究了草甸濕地土壤溶解性有機(jī)碳淋溶動態(tài)及其影響因素；宋長春等［5］則通過采集和分析自然濕地、退化濕地、排水溝渠及河流中DOC濃度，研究了三江平原自然濕地退化對溶解性碳的動態(tài)影響；部分學(xué)者還研究了排水和CO2濃度升高對濕地溶解性有機(jī)碳的影響［17－18］，但對于濕地土壤DOC累積現(xiàn)狀進(jìn)行的研究仍較少。本研究通過對三江平原典型環(huán)型濕地土壤DOC分布和儲量進(jìn)行研究，為進(jìn)一步探討濕地土壤DOC在碳循環(huán)研究中的作用及濕地污染控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在三江平原有代表性的別拉洪河與濃江河河間地帶（133°31′E，47°35′N），海拔55～65m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫1.9℃，1月平均氣溫－21℃，7月平均氣溫22℃，年平均降雨量550～600mm，無霜期約125d。區(qū)內(nèi)分布有大面積的天然沼澤濕地。由于微地貌的變化，天然沼澤濕地由中心到邊緣，地勢由低到高，水位面高度逐漸增大，從而也引起土壤和植物的變化，形成三江平原典型的環(huán)型濕地［19］。這里的濕地植被類型主要毛果苔草（Carex lasiocapa）和小葉章（Doyeuxia augustifolia）。

1.2 樣品采集與分析

沿典型環(huán)型濕地邊緣到中心，植被類型依次為島狀林（主要為蒙古櫟、山楊等），小葉章（以小葉章為主，伴生有千屈菜）和毛果苔草（以毛果苔草為主，伴生有甜矛和漂伐）；土壤類型依次為棕壤型草甸白漿土、潛育白漿土和腐殖質(zhì)沼澤土。每個群落隨機(jī)設(shè)定3個樣點(diǎn)，分0—10，10—20，20—40，40—60cm 4層采樣，分層均勻混合后代表該群落的土壤剖面。采樣時間為2006年6月20日。用手選法挑去活體根系，混勻。分取部分樣品風(fēng)干，過100目篩，保存待測。

土壤DOC含量測定：稱取10g風(fēng)干土放入盛有40ml蒸餾水的三角瓶中，常溫下振蕩浸提30min，高速離心10min，上清液用0.45μm濾膜過濾，用TOCVCPH儀測定浸提液中的有機(jī)碳濃度，得到DOC濃度。最后，通過水土比將DOC濃度（mg／L）值換算成土壤 DOC含量（mg／kg）［20］。有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤容重用環(huán)刀法測定［21］。

1.3 土壤DOC儲量計算

土壤DOC貯量采用土壤容重和DOC含量等推算，公式如下：

式中：DOCD——土壤 DOC 貯量 （t／hm2）；DOCi，Bi，Hi——第i層土壤的DOC含量（mg／kg），土壤容重（g／cm3）和土層厚度（cm）［22］。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤DOC含量分布特征

表層土壤DOC含量較高，向剖面下層含量呈下降趨勢。土壤表層DOC含量顯著高于其他土層含量的原因主要與植被凋落物和根系分布特征有關(guān)［22］。由于濕地每年大量凋落物歸還地表形成一定數(shù)量的枯枝落葉層，枯枝落葉的腐殖質(zhì)化及淋溶過程增加了土壤DOC，因而形成土壤表層較高的DOC含量。毛苔草沼澤濕地土壤剖面DOC含量明顯高于小葉章草甸；小葉章草甸明顯高于島狀林（圖1）。毛苔草沼澤土壤DOC含量最高值（約1.065g／kg）出現(xiàn)在0—10cm，隨著土壤深度增加，DOC含量迅速下降，從0—10到10—20cm層降幅達(dá)74%；小葉章草甸土壤DOC含量最高值（0.388g／kg）出現(xiàn)在0—10cm，從0—10到10—20cm層降幅達(dá)42.3%；島狀林土壤DOC含量最高值（0.238g／kg）也出現(xiàn)在0—10cm，從0—10到10—20cm層降幅達(dá)41.4%，且10—20和20—40cm間差距不大。

圖1 土壤DOC剖面含量分布

2.2 土壤剖面DOC儲量狀況

從環(huán)型沼澤濕地中心向邊緣，0—10cm毛果苔草沼澤濕地、小葉章草甸和島狀林DOC儲量分別為0.017，0.018和0.011 6t／hm2；10—20cm 分別為0.004 9，0.012和0.009 2t／hm2；60cm 深度內(nèi)土壤DOC儲量分別為0.058 8，0.111 3和0.084 4t／hm2。小葉章草甸土壤剖面DOC儲量最大，說明其土壤有機(jī)碳庫中的不穩(wěn)定性碳庫的比例最高［23］；島狀林土壤剖面DOC儲量較高，而毛果苔草沼澤濕地土壤剖面DOC儲量最低，說明其土壤有機(jī)碳庫中的活性碳庫最低，有機(jī)碳庫最穩(wěn)定（圖2）。

圖2 土壤DOC儲量剖面分布特征

2.3 影響因素分析

將各土層DOC含量與土壤總有機(jī)碳（TOC）含量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DOC與TOC含量間存在著高度正相關(guān)關(guān)系，經(jīng)線性擬合得到y(tǒng)（DOC含量）＝64.79x（TOC含量）＋67.51（R2＝0.902），表明環(huán)型濕地土壤DOC隨TOC含量的降低由表層向下呈顯著減少趨勢，并在母質(zhì)層達(dá)到最小值。由此可見，土壤表層植被和總有機(jī)碳是土壤DOC垂直分布的一個重要來源，這與以往自然生態(tài)系統(tǒng)土壤DOC來源研究基本一致［24］。

植物殘體雖然是土壤DOC的一個重要來源，但有研究同時表明剖面土壤中DOC的主要輸入途徑有淋溶輸入和有機(jī)質(zhì)深度分解［25］。與小葉章草甸、島狀林相比，毛果苔草沼澤濕地土壤DOC含量明顯高且集中于表層，主要原因與其所處的水文地貌條件密切相關(guān)。毛果苔草沼澤濕地處于環(huán)型濕地地勢最低洼的地方，常年積水且排水不暢［26］。淹水可提高土壤有機(jī)碳的溶出，使土壤團(tuán)聚體分散，進(jìn)而增加土壤DOC含量［27］。排水不暢則使表層土壤DOC向下淋溶遷移的能力降低，因此毛果苔草沼澤濕地土壤DOC含量明顯最高且集中于表層。島狀林處于環(huán)型濕地地勢最高的地方，常年無積水且排水良好，土壤DOC含量最低且向土壤下層淋溶遷移的趨勢明顯。小葉章草甸處于以上兩種群落之間，偶發(fā)積水且排水良好，土壤DOC含量和垂直分布情況也處于兩者之間。

環(huán)型濕地土壤剖面DOC積累現(xiàn)狀為小葉章草甸土壤剖面DOC儲量最高，島狀林其次，毛果苔草沼澤濕地最小，這與土壤DOC含量分布特征不一致。主要原因在于濕地土壤剖面DOC累積除了與土壤DOC含量有關(guān)，還與土壤容重密切相關(guān)。毛果苔草沼澤濕地為常年積水群落，土壤DOC含量最高，但是與小葉章草甸和島狀林相比，其容重低，不利于土壤DOC的累積；小葉章草甸處于無積水和常年積水群落之間，最有利于土壤DOC的累積；島狀林土壤DOC含量最低，但是容重卻最高，土壤DOC累積狀況位于兩者之間。由此可見，毛果苔草沼澤濕地土壤有機(jī)碳庫中的不穩(wěn)定碳庫比例最低，有機(jī)碳庫最穩(wěn)定，島狀林其次，小葉章草甸最不穩(wěn)定。因此，只有繼續(xù)維持沼澤濕地的積水才能維持沼澤濕地的穩(wěn)定碳庫功能，否則沼澤濕地一旦排水或者開墾，原先的穩(wěn)定碳庫就會變成不穩(wěn)定碳庫，儲存的有機(jī)碳就會趨于釋放，最終影響全球氣候變化。

3 結(jié)論

（1）環(huán)型濕地土壤DOC含量隨著土層深度增加而不斷減小，主要原因為隨著土壤深度增加，土壤總有機(jī)碳逐漸降低，可供土壤微生物利用的有機(jī)質(zhì)減少。

（2）從環(huán)型沼澤濕地邊緣向中心，土壤剖面DOC含量變化明顯。毛果苔草沼澤濕地土壤剖面的DOC含量顯著高于小葉章草甸，且明顯地集中于土壤表層；小葉章草甸土壤DOC顯著高于島狀林，且差異顯著。

（3）從環(huán)型沼澤濕地邊緣向中心，60cm深度內(nèi)土壤DOC儲量分別為0.084 4，0.111 3和0.058 8t／hm2。小葉章草甸土壤剖面DOC儲量最大，島狀林其次，毛果苔草沼澤濕地最小。

［1］ Kalbitz K，Soliuger S，Park J H，et a1.Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils：a review［J］.Soil Science，2000，165（4）：277-304.

［2］ Briggs J，Large D，Snape C，et al.Influence of climate and hydrology on carbon in an early Miocene peatland［J］.Earth and Planetary Science Letters，2007，253（3／4）：445-454.

［3］ Xi Min，Lu Xianguo，Li Yue，et al.Distribution characteristics of dissolved organic carbon in annular wetland soil-water solutions through soil profiles in the Sanjiang Plain，Northeast China［J］.Journal of Environmental Sciences，2007，19（9）：1074-1078.

［4］ McGlynn B L.Role of discrete landscape units in controlling catchment dissolved organic carbon dynamics［J］.Water Resources Research，2003，39（4）：1-8.

［5］ Song C C，Wang L L，Guo Y D，et al.Impacts of natural wetland degradation on dissolved carbon dynamics in the Sanjiang Plain，Northeastern China［J］.Journal of Hydrology，2011，398（1／2）：26-32.

［6］ Zsolnay A.Dissolved organic matter：artifacts，definitions and functions［J］.Geoderma，2003，113（3）：187-209.

［7］ Lugo A E，Brown S，Brinson M M.Concepts in wet-land ecology［C］∥Lugo A E，Brown S，Brinson M M.Ecosystems of the World 15.Amsterdam：Elsevier，1989：53-85.

［8］ Shurpali N J，Verma S B，Kim J，et al.Carbon dioxide exchange in a peatland ecosystem ［J］.Geophys.Res.，1995，100（D7）：319-326.

［9］ 楊繼松.三江平原小葉章濕地系統(tǒng)有機(jī)碳動態(tài)研究［D］.吉林長春：中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，2006.

［10］ 張娜，張新昱，高魯鵬.長期監(jiān)測水體可溶性有機(jī)碳變化趨勢與影響因子研究進(jìn)展［J］.水土保持研究，2009，16（3）：286-290.

［11］ Worrall F，Armstrong A，Holden J.Short-term impact of peat drain-blocking on water colour，dissolved organic carbon concentration，and water table depth［J］.Journal of Hydrology，2007，337（3／4）：315-325.

［12］ Wilson L，Wilson J，Holden J，et al.Ditch blocking，water chemistry and organic carbon flux：Evidence that blanket bog restoration reduces erosion and fluvial carbon loss［J］.Science of the Total Environment，2011，409（11）：2010-2018.

［13］ 張金波，宋長春，楊文燕.土地利用方式對土壤水溶性有機(jī)碳的影響［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2004，25（3）：343-347.

［14］ 張金波，宋長春，楊文燕.小葉章濕地表土水溶性有機(jī)

碳季節(jié)動態(tài)變化及影響因素分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005，25（10）：1397-1402.

［15］ 黃靖宇，宋長春，宋艷宇，等.濕地墾殖對土壤微生物量及土壤溶解有機(jī)碳、氮的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（5）：1380-1387.

［16］ 楊繼松，劉景雙，于君寶，等.草甸濕地土壤溶解性有機(jī)碳淋溶動態(tài)及其影響因素［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17（1）：113-117.

［17］ 趙光影，劉景雙，王洋，等.CO2濃度升高對三江平原濕地活性有機(jī)碳及土壤微生物的影響［J］.地理與地理信息科學(xué)，2011，27（2）：96-100.

［18］ 郗敏，呂憲國，孔范龍.三江平原濕地溝渠侵?jǐn)_帶土壤DOC分布特征［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，27（2）：292-295.

［19］ 殷書柏，楊青，呂憲國.三江平原典型環(huán)型濕地土壤有機(jī)碳剖面分布及碳貯量［J］.土壤通報，2006，37（4）：659-661.

［20］ 李忠佩，張?zhí)伊郑惐淘?可溶性有機(jī)碳的含量動態(tài)及其與土壤有機(jī)碳礦化的關(guān)系［J］.土壤學(xué)報，2004，41（4）：544-552.

［21］ 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

［22］ 汪偉，楊玉盛，陳光水，等.羅浮栲天然林土壤可溶性有機(jī)碳的剖面分布及季節(jié)變化［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（6）：924-928.

［23］ 王琴，范曾麗，孫輝，等.低溫季節(jié)西南亞高山森林土壤可溶性有機(jī)碳動態(tài)［J］.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，30（1）：18-23.

［24］ Andrew J B，Robert L W.生態(tài)水文學(xué)：陸生環(huán)境和水生環(huán)境植物與水分關(guān)系［M］.趙文智，王根緒，譯.北京：海洋出版社，2002.

［25］ McDowell W H，Likens G E.Origin，composition，and flux of dissolved organic carbon in the Hubbard Brook Valley ［J］.Ecological Monographs，1988，58（3）：177-195.

［26］ 田學(xué)智，劉吉平.孤立濕地研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)報，2012，31（20）：6261-6269.

［27］ 韓琳，張玉龍，金爍，等.灌溉模式對保護(hù)地土壤可溶性有機(jī)碳與微生物量碳的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（8）：1625-163.