以安徽省蚌埠市龙子湖湿地为研究区,选择由湿地退化形成的林地、公园绿地、耕地、水产养殖地、防护林带5种土地利用类型为研究对象,分析土壤中总有机碳(TOC)、全氮(TN)含量,颗粒有机碳(POC)、颗粒有机氮(PON)含量与分配比例,以及土壤碳氮比(C/N)和颗粒组分碳氮比(POC/TOC),研究不同人为干扰强度和干扰形式下土壤碳氮的分布特征.结果表明: 林地、水产养殖地、耕地土壤中TOC呈现出表聚性,公园绿地和防护林带各土层间TOC含量无显著差异;5种土地利用类型土壤POC、TN、PON呈现出表聚性;受人为干扰程度较强的公园绿地和防护林带POC分配比例较高,耕地和水产养殖地受到的人为干扰也较强烈,但其POC分配比例与受人为干扰较弱的林地相当,说明除干扰强度外,干扰的形式也可能是影响POC分配比例的重要因素;林地C/N随土层深度增加而逐渐降低,公园绿地、耕地和防护林带C/N随土层深度增加变化不显著,除林地和耕地外,其他土地利用类型土层深度对POC/TOC的影响不显著.
Five land use types of Longzihu wetland in Bengbu City, Anhui Province of China, including woodland, greenbelt, aquaculture land, cultivated land, shelter forest, were chosen as the research object. Through analyzing the content and allocation proportion of total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), particulate organic carbon (POC), particulate organic nitrogen (PON), as well as soil carbon nitrogen ratio (C/N) and soil particles component carbon nitrogen ratio (POC/TOC), soil carbon and nitrogen distribution characteristics were discussed under different human disturbance intensities and modes. Results showed that TOC showed surface accumulation in woodland, aquaculture land and cultivated land, while it did not show significant variation in each soil layer of greenbelt and shelter forest. POC, TN and PON showed surface accumulation in all land utilization types. Greenbelt and shelter forest, being disturbed strongly by human activities, had higher POC allocation proportions, while aquaculture land and cultivated land, heavily interfered by human activities, had relatively lower POC allocation proportions which were commensurate with that of woodland. Woodland received less interference by human activities, so in addition to disturbance intensity, disturbance mode might be another important factor affecting POC allocation proportion. C/N decreased with the increase of soil depth in woodland, but C/N of greenbelt, cultivated land and shelter forest had no obvious changes along the soil profile. Soil depth had no significant impact on POC/TOC in the land use types except woodland and cultivated land.
全 文 :城市湿地转变为不同土地利用类型后
土壤碳氮分布特征
简 兴1,2∗ 王 松3 王玉良3 张远兵1
( 1安徽科技学院建筑学院, 安徽蚌埠 233100; 2农业部生物有机肥创制重点实验室, 安徽蚌埠 233000; 3安徽科技学院生命与
科学学院, 安徽蚌埠 233100)
摘 要 以安徽省蚌埠市龙子湖湿地为研究区,选择由湿地退化形成的林地、公园绿地、耕
地、水产养殖地、防护林带 5种土地利用类型为研究对象,分析土壤中总有机碳(TOC)、全氮
(TN)含量,颗粒有机碳(POC)、颗粒有机氮(PON)含量与分配比例,以及土壤碳氮比(C / N)
和颗粒组分碳氮比(POC / TOC),研究不同人为干扰强度和干扰形式下土壤碳氮的分布特征.
结果表明: 林地、水产养殖地、耕地土壤中 TOC呈现出表聚性,公园绿地和防护林带各土层间
TOC含量无显著差异;5种土地利用类型土壤 POC、TN、PON 呈现出表聚性;受人为干扰程度
较强的公园绿地和防护林带 POC 分配比例较高,耕地和水产养殖地受到的人为干扰也较强
烈,但其 POC分配比例与受人为干扰较弱的林地相当,说明除干扰强度外,干扰的形式也可
能是影响 POC分配比例的重要因素;林地 C / N 随土层深度增加而逐渐降低,公园绿地、耕地
和防护林带 C / N随土层深度增加变化不显著,除林地和耕地外,其他土地利用类型土层深度
对 POC / TOC的影响不显著.
关键词 城市湿地; 土地利用类型; 土壤有机碳; 土壤全氮
Distribution characteristics of soil carbon and nitrogen in different land use types changed
from urban wetlands. JIAN Xing1,2∗, WANG Song3, WANG Yu⁃liang3, ZHANG Yuan⁃bing1
( 1School of Architecture, Anhui Science and Technology University, Bengbu 233100, Anhui, China;
2Ministry of Agriculture Key Laboratory of Bio⁃organic Fertilizer Creation, Bengbu 233000, Anhui,
China; 3School of Life Science, Anhui Science and Technology University, Bengbu 233100, Anhui,
China) .
Abstract: Five land use types of Longzihu wetland in Bengbu City, Anhui Province of China, in⁃
cluding woodland, greenbelt, aquaculture land, cultivated land, shelter forest, were chosen as the
research object. Through analyzing the content and allocation proportion of total organic carbon
(TOC), total nitrogen ( TN), particulate organic carbon ( POC), particulate organic nitrogen
(PON), as well as soil carbon nitrogen ratio (C / N) and soil particles component carbon nitrogen
ratio (POC / TOC), soil carbon and nitrogen distribution characteristics were discussed under dif⁃
ferent human disturbance intensities and modes. Results showed that TOC showed surface accumula⁃
tion in woodland, aquaculture land and cultivated land, while it did not show significant variation in
each soil layer of greenbelt and shelter forest. POC, TN and PON showed surface accumulation in
all land utilization types. Greenbelt and shelter forest, being disturbed strongly by human activities,
had higher POC allocation proportions, while aquaculture land and cultivated land, heavily inter⁃
fered by human activities, had relatively lower POC allocation proportions which were commensurate
with that of woodland. Woodland received less interference by human activities, so in addition to
disturbance intensity, disturbance mode might be another important factor affecting POC allocation
proportion. C / N decreased with the increase of soil depth in woodland, but C / N of greenbelt, culti⁃
vated land and shelter forest had no obvious changes along the soil profile. Soil depth had no signifi⁃
cant impact on POC / TOC in the land use types except woodland and cultivated land.
Key words: urban wetland; land use type; soil organic carbon; soil total nitrogen.
本文由安徽省科技攻关计划项目(1301031030)和国家自然科学基金项目(31250002)资助 This work was supported by the Anhui Province Scienti⁃
fic and Technological Brainstorm Project (1301031030) and the National Natural Science Foundation of China (31250002).
2015⁃10⁃08 Received, 2016⁃02⁃02 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: jx314@ 163.com
应 用 生 态 学 报 2016年 5月 第 27卷 第 5期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2016, 27(5): 1408-1416 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201605.003
虽然湿地只占地球陆地面积的 5% ~ 8%[1],但
是由于湿地土壤含水量高,形成缺氧的环境,大量的
有机物质被固存,因此湿地被认为是地球上重要的
“碳汇”.湿地土壤中包含的碳约占全球土壤碳库的
20%~30%[2] .湿地是受到人为干扰较严重的生态系
统,特别是城市湿地,由于城市化进程的加快,已经
成为消失得最快的土地成分之一[3] .人类活动干扰
通常导致湿地转变为其他的土地利用类型,土壤中
的碳释放到大气中,对区域乃至全球的气候产生影
响[4] .近年来,人为干扰对湿地土壤有机碳的影响成
为湿地研究的一个热点.干扰方式、干扰程度及区域
环境本底的差异,都可能是造成土壤碳含量变化的
因素.特别是土壤类型的不同,会成为掩盖不同土地
利用方式下土壤有机碳含量差异的真正原因[5] .城
市湿地范围较小,母质及土壤形成条件较一致,且受
到的干扰形式多样.因此,选择由城市湿地转变而成
的土地利用类型作为研究对象,可以避免环境背景
不同带来的研究结论偏差.即使是原有天然湿地已
经不复存在,基于相同环境背景下得出的研究结论
仍然有助于了解不同土地利用方式对于土壤碳的
影响.
陆地生态系统碳贮量和碳通量受到氮素循环的
密切调控[6] .氮是各种生态系统在植物光合作用形
成初级生产量过程中最受限制的营养元素之一[7],
任书杰等[8]认为,如果没有新的氮素来源,生态系
统中碳储量将受到限制.目前,关于碳储量和碳通量
的研究多注重碳的研究,碳氮之间的相互影响没有
得到足够重视.氮作为湿地生态系统重要的生态因
子,会直接或间接地影响土壤碳的输入输出过程[9] .
相关研究表明,湿地在受到干扰后,土壤碳氮含量及
比例会发生改变[10-12] .土壤碳氮演变趋势对地表植
被的生长有重要影响[13],其间接地影响到土壤碳氮
的积累.土壤碳氮含量关系的研究可以增进对碳氮
过程的深入理解,以减少目前碳循环研究过程中,氮
对碳循环的限制作用所产生的不确定性.目前,对于
人为干扰下湿地土壤碳氮的研究多位于远离城市的
区域[14-16] .相比之下,城市区域湿地受到的干扰在
方式和强度上更为多样和剧烈[17-19] .本研究对城市
湿地周边不同土地利用方式下土壤碳氮及颗粒组分
中的碳氮含量及其比例进行测定,以探讨人为干扰
下土壤有机碳氮的变化,通过深入认识土壤固碳、固
氮能力与土地利用之间的关系,可为合理制定城市
湿地保护和开发政策提供科学依据.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
研究区地处安徽省蚌埠市东部龙子湖景区
(32°53′—32°57′ N,117°22′—117°25′ E),位于淮河
南岸.历史上原为一片洼地,由淮河泛滥倒灌而成,
属于比较典型的城市内湖,其南北长 8000 m,东西
宽 450 ~ 1400 m,平均水深 2 m,湖面面积约 840
hm2,湖岸线达 30 km.气候属北亚热带湿润季风气
候与暖温带半湿润季风气候区的过渡带,年平均气
温 14.5~15.0 ℃,年均日照时数 1850 ~ 2200 h,年均
降水量 850~950 mm.该水域在城市经济社会生活中
具有景观、渔业和农业用水的功能,水生态环境状况
较为脆弱.研究区域土壤类型为由淮泛沉积物形成
的半水成土⁃潮土.随着城市建成区的外延,龙子湖
周边进行了大量的围湖造地活动,原生湿地已经不
复存在,取而代之的是不同的土地利用类型.
1 2 样品采集
调查采样时间为 2013 年 8 月,将最近 30 年来
由于人为干扰,湖面萎缩后形成的土地划分为林地、
防护林带、水产养殖地、公园绿地、耕地 5 种土地利
用类型.各土地利用类型受人为干扰情况见表 1.水
产养殖地主要是分布在湖泊边缘的鱼塘.为增加鱼
塘水深,通常挖掘湖底泥土,并加固鱼塘四周,形成
高于水面的塘基.选择具有典型性和代表性的 30 m
长、3~4 m宽塘基作为土壤采样区.其他 4 种土地利
用类型同样按照典型性和代表性的原则,在其分布
区域的中心地带选择一个面积为 100 m2的采样区.
在每种土地利用类型的采样区中随机布置 3 个
2 m×2 m样方.在每个样方 4 个顶点上用直径为 5
cm的土钻采集 0~10、10~20、20~30、30~50 和 50~
100 cm共 5个土层土样.同一样方的同层土样混合,
图 1 研究区样地分布
Fig.1 Distribution of sampling sites in study area.
1) 林地 Woodland; 2) 耕地 Cultivated land; 3) 水产养殖地 Aquacul⁃
ture land; 4) 公园绿地 Greenbelt; 5) 防护林带 Shelter forest.
90415期 简 兴等: 城市湿地转变为不同土地利用类型后土壤碳氮分布特征
表 1 研究样地的基本情况
Table 1 Basic status of study sites
采样地点
Sampling site
土地利用方式
Land use
type
主要植物
Major plant
species
干扰强度
Interference
intensity
干扰年限
Interference
years
干扰方式
Interference
mode
汤和墓景区
Tanghe tomb
scenic spot
林地
Woodland
黑松 Pinus thunbergii
中华绣线菊 Spiraea chinensis
胡枝子 Lespedeza bicolor
弱 Weak 25 人为干扰少,地表被枯枝
落叶覆盖,存在林下灌木,
但草本较少
龙子湖公园
Longzi Lake Park
公园绿地
Greenbelt
樟树 Cinnamomum camphora
榆树 Ulmus pumila
银杏 Ginkgo biloba
乌桕 Sapium sebiferum
黄杨 Buxus sinica
十大功劳 Mahonia fortunei
石楠 Photinia serrulata
黑麦草 Lolium perenne
麦冬 Ophiopogon japonicus
强 Strong 7 绿地内卫生情况较好,园
林种植管理措施包括定期
枯枝落叶清理、灌溉
邱桥村
Qiuqiao Village
水产养殖地
Aquaculture land
- 强 Strong 12 水产养殖地主要生产行为
有鱼塘开挖、清淤、晒塘等
张田家村
Zhangtianjia Village
耕地
Cultivated land
小麦 Triticum aestivum
玉米 Zea mays
强 Strong 30 种植制度为冬小麦、夏玉
米两熟制,管理措施包括
灌溉、施肥、病虫害防治、
中耕、除草
老牛汪堤防
Laoniuwang dyke
防护林带
Shelter forest
大叶杨 Populus lasiocarpa
柳树 Salix babylonica
黑麦草 Lolium perenne
红花醡浆草 Oxalis corymbosa
强 Strong 18 林下无灌木,草本覆盖率
较高,林内市民活动频繁,
林内卫生状况较差
总共采集土样 75 份.土样装入自封袋带回实验室,
自然风干后,除去石块、残根等杂物,碾碎后过 2 mm
土筛备用.
1 3 测定项目与方法
土壤颗粒组分的分离采用湿筛法[20] .土壤总有
机碳(total organic carbon,TOC)和颗粒组分中的有
机碳采用重铬酸钾氧化⁃外加热法测定,土壤全氮
(total nitrogen, TN)和颗粒组分中的氮用半微量凯
氏法测定[21] .颗粒组分样品中的碳氮含量,分别转
换为单位质量土壤样品的碳氮含量,即土壤颗粒有
机碳( particulate organic carbon, POC)含量和土壤
颗粒有机氮(particulate organic nitrogen, PON)含量.
POC含量除以 TOC 含量得到 POC 分配比例;PON
含量除以 TN 含量得到 PON 分配比例.C / N 采用物
质的量之比.
1 4 数据处理
采用 Excel 2003 和 R 软件对数据进行统计分
析.采用单因素方差分析(one⁃way ANOVA)和 Tukey
法进行方差分析和多重比较(α = 0.05),利用 Pear⁃
son法对变量进行相关分析.表中数据为平均值±标
准差.
2 结果与分析
2 1 不同土地利用类型土壤碳氮含量
2 1 1土壤碳含量特征 由表 2可以看出,5 种土地
利用类型 TOC含量为 2.33 ~ 21.28 g·kg-1 .其中,林
地和耕地 0 ~ 10 cm 土层 TOC 含量显著高于 10 cm
以下各土层,水产养殖地 0~10 cm土层 TOC含量显
著高于 10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 50 cm 土层.林地土壤
TOC含量随着土层深度增加而显著降低.水产养殖
地 TOC含量在 0~50 cm 土层中随着土层深度增加
呈下降趋势,但在 50 cm以下土层 TOC 含量骤然升
高,这可能与其开挖及经营管理过程中进行的清淤、
晒塘等生产行为所导致的土层混乱有关[22] .耕地土
壤表层 TOC含量最高,10 cm 以下各土层之间 TOC
含量无显著差异.可以看出,林地、水产养殖地和耕
地 TOC含量呈现表聚性.公园绿地和防护林带 TOC
的变化范围较小,分别为 4.59 ~ 7.07 和 3.40 ~ 7 51
g·kg-1,TOC 含量在各土层间均无显著差异,未出
现表聚现象.水产养殖地、公园绿地、防护林带表层
TOC含量无显著差异,但显著低于耕地和林地 2 种
土地利用类型.林地表层 TOC含量显著高于耕地.
5 种土地利用类型 POC 含量为 0. 01 ~ 4 09
g·kg-1,呈现明显表聚性.林地和耕地 POC 含量随
着土层深度的增加逐渐降低.水产养殖地各土层
POC含量变化虽无规律性,但表层土壤中 POC含量
仍然显著高于 20 ~ 50 cm 土层. POC 含量在公园绿
地和防护林带中均为表层土壤显著高于下层土壤.
各土地利用类型表层土壤 POC 含量存在差异,其
中,林地显著高于其他土地利用类型,防护林带、公
0141 应 用 生 态 学 报 27卷
表 2 各土地利用类型不同土层全土及颗粒组分的有机碳氮含量、分配比例及碳氮比
Table 2 Carbon and nitrogen content and its allocation proportion and C / N ratio of the whole soil and its particle fractions
of different land use types at different soil layers
土地利用类型
Land use
type
土层
Soil layer
(cm)
总有机碳
TOC
(g·kg-1)
全氮
TN
(g·kg-1)
颗粒有机碳
POC
(g·kg-1)
颗粒有机氮
PON
(mg·kg-1)
POC / TOC
(%)
PON / TN
(%)
C / N POC / PON
林地 0~10 21.28±0.11a 1.40±0.09a 4.09±0.09a 276.54±13.14a 19.2±0.3a 19.8±0.4a 17.8±1.1a 17.3±0.5a
Woodland 10~20 6.52±0.23b 0.75±0.08b 1.25±0.11b 87.99±3.41b 19.2±2.4ab 11.8±0.8b 10.2±0.7b 16.6±2.1a
20~30 4.40±0.10c 0.48±0.02c 0.46±0.06c 34.38±1.98c 10.6±1.1b 7.2±0.4c 10.7±0.8b 16.4±2.0a
30~50 3.59±0.25d 0.38±0.04c 0.45±0.02c 28.99±1.10c 12.4±1.3b 5.0±0.2d 11.0±0.3b 15.8±2.6a
50~100 2.52±0.24e 0.37±0.01c 0.13±0.01d 15.92±1.35c 5.2±0.2c 4.3±0.2d 7.9±0.6c 9.6±0.7b
公园绿地 0~10 6.87±0.57a 0.65±0.01a 3.15±0.05a 155.95±6.54a 46.0±4.5a 23.9±0.8a 12.3±1.1a 23.6±0.6a
Greenbelt 10~20 7.07±1.47a 0.43±0.07b 1.11±0.32b 78.09±6.10b 15.6±1.2b 18.3±1.5b 19.1±1.0a 16.5±3.4a
20~30 4.65±0.34a 0.42±0.01b 0.97±0.62b 61.99±9.91b 20.5±11.8b 14.7±2.3bc 12.8±1.0a 19.5±4.8a
30~50 4.59±0.25a 0.47±0.02b 0.98±0.29b 60.98±2.85b 21.6±7.5b 12.9±0.6bc 11.3±0.6a 18.7±4.7a
50~100 5.68±0.48a 0.50±0.01b 1.30±0.06b 55.58±6.90b 22.9±1.0b 11.2±1.6c 13.3±0.9a 27.5±4.6a
水产养殖地 0~10 7.48±0.55a 0.63±0.01a 1.62±0.19a 104.56±4.56a 21.8±4.2a 16.7±0.7a 13.9±1.0a 18.1±1.4a
Aquaculture 10~20 3.39±0.47bc 0.69±0.01a 0.26±0.16c 55.33±1.11b 7.4±3.9a 8.0±0.1b 5.7±0.8b 5.6±3.6b
land 20~30 2.83±0.87c 0.49±0.03b 0.40±0.15bc 44.97±6.71b 15.7±10.2a 9.2±0.7b 6.9±2.6b 10.2±2.5ab
30~50 2.33±0.69c 0.45±0.01b 0.13±0.08c 44.26±3.65b 6.4±5.5a 9.8±0.9b 6.0±1.7b 3.4±1.9b
50~100 5.83±0.70ab 0.60±0.05a 1.07±0.21ab 133.29±28.40a 18.7±5.9a 21.9±4.6a 11.3±2.3ab 9.5±0.8ab
耕地 0~10 12.22±0.14a 1.33±0.01a 2.75±0.14a 187.73±1.95a 22.5±0.9a 14.2±0.3a 10.8±0.2a 17.1±0.7a
Cultivated 10~20 5.31±2.22b 0.85±0.09b 1.20±0.02b 92.06±1.80b 24.8±9.9a 10.9±1.3b 7.5±3.8a 15.3±0.1a
land 20~30 4.72±0.53b 0.52±0.02c 0.53±0.17c 39.70±4.85c 11.1±2.5ab 7.7±0.6b 10.7±0.7a 15.4±3.3a
30~50 4.19±1.13b 0.45±0.04c 0.14±0.09cd 45.23±2.21c 3.1±1.2b 10.2±1.4b 11.2±3.9a 3.5±2.1b
50~100 5.73±0.71b 0.41±0.01c 0.01±0.01d 31.09±5.52c 0.2±0.1b 7.7±1.3b 16.5±2.2a 0.5±0.3b
防护林带 0~10 7.29±1.26a 0.56±0.01a 3.41±0.01a 254.79±1.10a 47.5±8.0a 45.5±0.7a 15.2±2.8a 15.6±0.2a
Shelter 10~20 3.40±1.00a 0.25±0.03b 1.06±0.16b 70.81±5.67b 31.9±4.7ab 28.8±1.6b 15.9±2.6a 17.4±1.2a
forest 20~30 7.51±2.72a 0.36±0.02b 1.18±0.01b 73.83±1.47b 16.8±6.1b 20.3±1.6b 23.8±7.3a 18.6±0.4a
30~50 4.89±1.64a 0.34±0.02b 1.17±0.58b 90.14±3.64b 23.3±4.2ab 26.7±2.9b 17.1±6.8a 15.0±6.9a
50~100 4.44±0.58a 0.39±0.01b 1.27±0.20b 74.67±2.19b 29.2±8.3ab 19.2±1.1b 13.3±1.4a 19.9±2.6a
TOC: Total organic carbon; TN: Total nitrogen; POC: Particulate organic carbon; PON: Particulate organic nitrogen. 同列不同字母表示差异显著
(P<0.05)Different letters in the same column meant significant difference at 0.05 level. 下同 The same below.
园绿地和耕地之间差异不显著,但均显著高于水产
养殖地.
2 1 2土壤氮含量特征 各土地利用类型 TN 含量
为 0.25~1.40 g·kg-1,呈现表聚性.林地和耕地在 20
cm以下各土层以及公园绿地和防护林带在 10 cm
以下各土层 TN含量均为显著差异.水产养殖地 TN
含量在 0~10 cm土层与 10~20 cm土层间无显著差
异,但显著高于 20~30、30~50 cm 土层,50 ~ 100 cm
土层 TN含量显著升高,但与 0 ~ 10、10 ~ 20 cm 土层
间无显著差异.表层土壤 TN含量在 5种土地利用类
型间存在显著差异,其中,林地、耕地的表层土壤 TN
含量无显著差异,但显著高于公园绿地、水产养殖地
和防护林带,后三者表层土壤 TN含量差异不显著.
5种土地利用类型 PON 含量为 15.92 ~ 276.54
mg·kg-1,其随土层深度变化的规律与 TN 一致,也
表现出土壤表层积聚性.土壤表层 PON 含量排序
为:林地、防护林带>耕地>公园绿地>水产养殖地,
林地和防护林带土壤表层 PON含量无显著差异.
2 2 不同土地利用类型 POC、PON分配比例特征
颗粒有机碳、氮的分配比例反映了土壤中非稳
定性有机碳、氮的相对数量[23],由于其排除了碳氮
总量差异的影响,因此常在研究中被采用[24] .5 种土
地利用类型 POC分配比例为 0.2% ~47.5%,PON分
配比例为 4.3%~45.5%.其中,林地 0~10 cm土层与
10~20 cm土层的 POC 分配比例无显著差异,随着
土层深度的增加,POC 分配比例逐渐降低;公园绿
地表层土壤 POC分配比例显著高于下层土壤;水产
养殖地各土层间 POC 分配比例无显著差异;耕地
0~30 cm内土层间 POC分配比例差异不显著,0~20
cm土层显著高于 30 cm 以下土层;防护林带 POC
分配比例只在土壤表层与 20~30 cm 土层间存在显
著差异.在各土地利用类型表层土壤间,公园绿地和
防护林带具有较高的 POC 分配比例,显著高于林
地、水产养殖地和耕地,而后三者的 POC 分配比例
无显著差异.除水产养殖地外,各土地利用类型土壤
表层 PON分配比例均显著高于表层以下土壤,但水
11415期 简 兴等: 城市湿地转变为不同土地利用类型后土壤碳氮分布特征
产养殖地 50 ~ 100 cm 土层 PON 分配比例陡增至
21 9%,与土壤表层无显著差异.5 种土地利用类型
表层土壤的 PON分配比例存在显著差异,其大小排
序为:防护林带 >公园绿地 >林地 >水产养殖地 >
耕地.
2 3 土壤碳氮生态化学计量学特征
由表 2、3可以看出,5种土地利用类型土壤C / N
为 5.7~23.8.林地 C / N随土层深度增加呈减小趋势.
水产养殖地表层土壤 C / N显著高于 10~50 cm各土
层,50~100 cm土层 C / N则突增至表层水平.公园绿
地、耕地、防护林带各土层间 C / N 差异不显著.各土
地利用类型间土壤平均 C / N存在差异,防护林带显
著高于水产养殖地.
各土地利用类型土壤颗粒组分 POC / PON 为
0 5~ 27. 5,林地在 50 ~ 100 cm 土层显著降低,耕
地则在 30 cm 以下显著降低.公园绿地和防护林
带各土层间 COC / NON 无显著差异.水产养殖地各
土层POC / PON无规律,但表层土壤 POC / PON较高.
5种土地利用类型间土壤平均 POC / PON存在差异,
公园绿地显著高于水产养殖地与耕地.
表 3 各土地利用类型全土及颗粒组分中碳氮比
Table 3 C / N ratio of whole soil and its particle fractions
in different land use types
土地利用类型
Land use type
土壤碳氮比
C / N
土壤颗粒组分碳氮比
POC / PON
林地 Woodland 11.5±3.7ab 15.1±3.1ab
公园绿地 Greenbelt 13.8±3.1ab 21.2±4.4a
水产养殖地 Aquaculture land 8.8±3.7b 9.3±5.6b
耕地 Cultivated land 11.3±3.3ab 10.3±7.7b
防护林带 Shelter forest 17.0±4.0a 17.3±2.0ab
2 4 土壤碳氮各指标之间的相关分析
由表 4可以看出,TOC、TN、POC、PON含量之间
存在显著的相关关系;POC 分配比例与 POC、PON
含量之间存在显著相关关系; PON 分配比例与
POC、PON和 POC 分配比例显著相关;土壤 C / N 与
TOC含量和 PON分配比例显著相关;土壤颗粒组分
中 POC / PON与 POC含量和 POC 分配比例显著相
关.这表明,土壤碳氮在全土以及颗粒组分之间存在
紧密的关联性,即便是通过构建比值关系,去除了碳
氮总量的影响,POC分配比例与 PON分配比例之间
也存在显著的相关性.颗粒组分中碳氮的分配比例
只与 POC、PON含量相关,而与 TOC、TN 含量无关.
土壤全土 C / N与 POC / PON之间相关关系不显著.
表 4 不同土地利用方式下土壤碳氮含量、分配比例及碳氮比之间的相关系数
Table 4 Correlation coefficients between soil carbon and nitrogen contents of the whole soil and its particle fractions, alloca⁃
tion proportion and C / N ratio in different land use types
总有机碳
TOC
全氮
TN
颗粒有机碳
POC
颗粒有机氮
PON
颗粒有机碳
分配比例
POC / TOC
颗粒有机氮
分配比例
PON / TN
土壤碳氮比
C / N
全氮 TN 0.816∗∗
颗粒有机碳 POC 0.793∗∗ 0.660∗∗
颗粒有机氮 PON 0.801∗∗ 0.704∗∗ 0.945∗∗
颗粒有机碳分配比例 POC / TOC 0.213 0.134 0.736∗∗ 0.623∗∗
颗粒有机氮分配比例 PON / TN 0.271 0.010 0.654∗∗ 0.689∗∗ 0.798∗∗
土壤碳氮比 C / N 0.437∗ -0.103 0.366 0.304 0.246 0.523∗∗
土壤颗粒组分碳氮比 POC / PON 0.213 0.067 0.448∗ 0.193 0.584∗∗ 0.215 0.297
∗P<0.05; ∗∗P<0.01.
3 讨 论
3 1 不同土地利用方式对 TOC、POC 含量及 POC
分配比例的影响
植被的存在对土壤碳的固存有重要作用[25] .林
地由于人为干扰少,凋落物得以保留,因此表层土壤
具有较高的 TOC 含量.水产养殖地缺乏植被覆盖,
接近荒地,土壤表层缺乏碳的输入,TOC 含量不高.
公园绿地、防护林带虽然植被覆盖度也较高,但由于
居民游憩的需要,地表植被凋落物被市政部门及时
清理,切断了碳进入土壤的途径,因此导致表层土壤
TOC含量也较低.这与对深圳市建成区绿地土壤碳
研究的结论一致[26] .耕地虽然也被人为移除了地表
植被残体,但是为保持土壤肥力,存在人为碳氮源的
输入,因此土壤表层碳含量较高.
POC在土壤中周转速度快,被认为是土壤有机
碳变化的早期指示指标[27] .本研究中,公园绿地与
防护林带各土层间 TOC含量无显著差异,但二者表
层 POC含量均显著高于 10 cm以下各土层,表明湿
地向公园绿地和防护林带 2 种土地利用方式转变
后,土壤 POC的响应主要发生在土壤表层.
0~10 cm土壤表层是 TOC 集中分布的区域,随
2141 应 用 生 态 学 报 27卷
着土层深度的增加,TOC 含量逐渐降低[28] .本研究
中,受干扰弱的林地 TOC含量随土层深度的增加呈
现明显的下降趋势,这与前人的研究结果一致[14,29] .
而受到干扰较强烈的其他土地利用类型的这种趋势
未表现出统计学上的显著性,这可能与土壤受到的
频繁干扰有关.在反复受到干扰的情况下,土壤上层
的 TOC不断矿化,含量较低,造成与下层土壤 TOC
含量无明显差异.
城市中生活垃圾的输入会引起土壤 POC 含量
增高[30],公园绿地和防护林带中人类活动较频繁,
与其他土地利用类型相比,有较多的生活垃圾及其
他有机质的输入,但这是否会造成二者土壤表层
POC分配比例较高,还有待进一步研究. POC 分配
比例反映了土壤中非保护性有机碳或非稳定性有机
碳的相对数量[31] .本研究中,各土地利用类型表层
土壤 POC分配比例均较高,说明土壤表层有机碳中
不稳定部分所占比例较大,过度的人为干扰容易造
成碳的释放.
3 2 不同土地利用方式对 TN、PON含量及 PON分
配比例的影响
土地利用方式的变化不仅会改变土壤的碳循
环,对土壤氮也有重要影响[32] .有研究表明,不同
土地利用方式下 TN 与 TOC 含量变化具有相似
性[33-34] .本研究中,5 种土地利用类型 TN 含量随土
层深度的变化规律与 TOC 基本一致.未表现出 TOC
表聚性的公园绿地和防护林带,其表层 TN 含量显
著高于下层,说明 TN含量的表聚性较 TOC 明显.目
前,对于 TN 是否存在表聚性有不同的看法.于洋
等[35]研究表明,在防护林土壤中 TN 未表现出与
TOC类似的表聚性;但也有研究表明,TN与 TOC 一
样存在明显的表聚性特征[36] .这些研究结论的差异
可能与氮素进入土体的方式多样有关.凋落物分解
进入土壤中的氮量并非是影响土壤氮含量的唯一因
素[37],有研究表明,生态系统中约 50%的净氮累积
是通过大气沉降方式实现的[38] .
PON是土壤有机氮中的非稳定性部分,易转化
为无机氮被植物利用,其对土壤全氮具有很高的贡
献率[39] .一般认为,PON含量越高,土壤供氮的潜能
就越大[40] .本研究中,PON 与 TN 存在显著的相关
性,PON也表现出显著的土壤表聚性.林地和防护林
带土壤表层 PON含量较高.PON分配比例可用来表
征土壤中氮素的稳定性[41] .本研究表明,各土地利
用类型 PON分配比例呈现出表聚性.说明表土层中
的氮易分解部分较多,比下层土壤具有更高的供肥
能力.不同土地利用类型表层土壤 PON 分配比例表
现出差异,受人为干扰较强的防护林带和公园绿地
表层因为人为清理,虽然缺少植物残体,但频繁的人
类活动带入一定数量的有机质.同样是有外界有机
质的输入,耕地表层土壤 PON 分配比例则较低.这
可能与颗粒有机质的输入差异有关.有研究表明,有
机质的输入及其矿化分解是造成 PON 含量及其分
配比例变化的主要原因[42] .
3 3 不同土地利用方式对 C / N 和 POC / TOC 的
影响
C / N可以影响土壤中微生物的活动,从而影响
有机碳的分解[43] .本研究中,人为干扰弱的林地C / N
随土层深度增加而逐渐降低.受人为干扰强烈的其
他土地利用类型的土层间 C / N 变化较小.有研究表
明,人为干扰大的土地利用类型 C / N高于人为干扰
弱的土地利用类型[44],而本研究结果与之不同,受
干扰弱的林地 C / N值处于中等水平,人为干扰强度
与 C / N值的大小没有必然联系.张彦军等[45]认为,
这是由于不同土地利用方式导致 TOC和 TN发生分
异的结果.
POC / TOC 可以反映土壤团聚体中有机碳氮的
活性以及土壤中碳氮平衡状况.POC / TOC 被认为在
25~30以下会出现净矿化,是微生物分解的最佳碳
氮比范围[46] .本研究中,各土地利用类型 POC / TOC
平均值为 9.3~21.2,说明 PON 较易矿化,利于养分
的释放.水产养殖地由于土层受人为扰动造成碳氮
含量的剧烈变化,从而导致各土层 POC / TOC 不规
则变动;公园绿地和防护林带 POC / TOC 随土层
深度的增加而变化幅度不明显;林地和耕地只在
较深的土层 POC / TOC 才降低,说明土层深度对
POC / TOC的大小影响不大,这与刘志祥等[47]的研究
结果一致.各土地利用类型间土壤碳氮比存在差异,
表明不同的土地利用方式会对土壤碳、氮化学计量
学特征产生不同的影响,而这可能是由于不同土地
利用方式对碳氮的差异化影响作用造成的[48] .
4 结 论
湿地转变为其他土地利用类型后,5 种土地利
用类型土壤 POC、TN、PON 表现出在土壤表层(0 ~
10 cm)集聚的特性.林地、水产养殖地、耕地土壤中
TOC也呈现出表聚性,而公园绿地和防护林带表层
土壤 TOC 含量未显著高于下层土壤,表明 POC 对
土地利用方式改变的响应较 TOC 灵敏.在排除 C、N
总量的影响后,受人为干扰程度较强的公园绿地和
31415期 简 兴等: 城市湿地转变为不同土地利用类型后土壤碳氮分布特征
防护林带 POC分配比例较高,耕地和水产养殖地受
到的人为干扰也较强烈,但 POC分配比例却与受人
为干扰较弱的林地相当,说明人类对土壤干扰的形
式可能也是影响 POC在土壤中组成的重要因素.受
干扰弱的林地 C / N随土层深度增加而逐渐降低,受
干扰强的其他土地利用类型 C / N 随土层深度增加
变化不显著;土层深度对 POC / TOC无显著影响.
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作者简介 简 兴,男,1975 年生,讲师,博士研究生. 主要
从事湿地土壤碳研究. E⁃mail: jx314@ 163.com
责任编辑 孙 菊
简兴, 王松, 王玉良, 等. 城市湿地转变为不同土地利用类型后土壤碳氮分布特征. 应用生态学报, 2016, 27(5): 1408-1416
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