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草海底泥中有机质的变化及几种相关因素
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作者:许凯( 单位:贵州师范大学,邮编:550001)
摘 要:湿地有着“地球之肾”的美称,生态系统中土壤碳库的周转对全球气候变化起着极其重要的作用。有机质形成是由于植物的残体分解。影响有机质周转的因素有水深、酚类物质、易氧化碳分配比等。通过对威宁草海底泥相关土壤物质的分析,水深与有机质呈正相关关系;酚类物质与有机质呈正相关关系;易氧化碳分配比随水深增加而增加。
关键词:有机质;酚类物质;易氧化有机碳。
1 前 言
湿地土壤中有较丰富的碳储量且碳密度较高,是地球上重要的有机碳库。在特殊的水文条件下,湿地土壤形成独特的发育过程,有机质是湿地生态系统重要的生态因子,且显著影响着湿地生态系统的生产力[1]。土壤有机质的周转对温度的影响,是气候变暖与全球碳循环关系中的主要问题 [2]。土壤有机质也是土壤肥沃程度的重要指标[3]。因此,了解湿地土壤有机质的周转迫在眉睫。不同淹水条件下对湿地土壤总有机质的含量和活性有机质含量有显著影响[4]。土壤植物残体会释放酚类物质,在泥炭湿地中含氧量较低能够抑制酚氧化酶的活性从而促进酚类物质积累,进而使得土壤有机质积累下来[5]。
贵州威宁草海国家级自然保护区, 位于贵州省西部威宁县县城西南面,保护区面积120平方公里, 其中水域面积46.5平方公里。是一个完整、典型的高原湿地生态系统。为了研究草海有机质的稳定性,设计了本次实验来揭示:(1)、水深对酚类物质的影响;(2)、酚类物质对有机质的影响;(3)、易氧化有机碳与有机质的关系。
2 材料与方法
2.1采样
在威宁草海湿地保护区,由水位相对较浅的入水口到湖中心设计8个采样点,其中每个采样点设计了3个分样点,每个分样点将从0-10cm、10-20cm、20-30cm进行垂直分层采样。
2.2分析方法
土壤有机质的测定采用高温外热重铬酸钾氧化-油浴法。主要操作步骤如下:称取过0.149mm土壤0.1-0.2g左右,准确到0.1mg,放入150ml三角瓶中,然后加入5.00ml重铬酸钾溶液([c(1/6K2Cr2O7)=0.8000mol/L]),5ml硫酸摇匀。放在提前预热到170℃的油浴锅中消煮,使三角瓶中溶液微沸,开始计时消煮5min后取出,待冷却后用蒸馏水洗涤,总体积在60-80ml左右。加入4-6滴邻菲罗啉指示剂,用硫酸亚铁([c(Fe2SO4)=0.2mol/L])滴定剩余的重铬酸钾,溶液颜色由橙黄→绿→棕红为止。如果标定空白时所用硫酸亚铁体积是滴定样品所用硫酸亚铁的体积的3倍时,则应减少土样称样量并重测[6]。
土壤酚类物质的测定采用Folin-Ciocalteau方法(福林法)。福林试剂作指示剂,主要步骤如下:称取0.3-1.0g土样于50ml离心管中,加入1mol/L NaOH 10ml振荡30min,在3500r/min离心机中离心5-10min,取1ml上清液于10ml玻璃比色管中,加入2% Na2CO3溶液2.5ml和1mol/L Folin-Ciocalteau试剂0.5ml,定容摇匀,静置1h后于750nm处测定吸光值。用单宁酸作为标准溶液并绘制标准曲线,以相同的方法测定吸光度。
易氧化有机质测定方法如下:准确称取过0.25mm筛风干土壤适量质量于100ml离心管中,用移液管准确加入25ml 333mmol/L KMnO4,25℃40rpm条件下恒温振荡1h,3000 rpm 离心5min,取上清液按1:250比例稀释,于565nm测定吸光值。同时做空白,利用吸光值之差,计算MnO4—浓度变化。
2.3统计分析
使用了Excel 2007对数据进行统计分析
表1实验数据
采样编号 彩土坐标 酚类mg·g-1 SOCg·kg-1 EOCmg·g-1 水深/cm
S1-1 26°51′00.21" N,104°16′45.03" E 0.6535 14.9189 2.7191 22.3
S1-2 26°51′00.21" N,104°16′45.03" E 0.6543 25.5605 4.492 22.3
S1-3 26°51′00.21" N,104°16′45.03" E 0.6456 20.6643 4.3623 22.3
S2-1 26°50′32.36" N,104°16′45.03" E 0.6567 16.4954 3.9774 29.7
S2-2 26°50′32.36" N,104°16′45.03" E 0.784 15.8483 3.218 29.7
S2-3 26°50′32.36" N,104°16′45.03" E 0.7932 17.9553 6.7076 29.7
S3-1 26°51′00.21" N,104°16′25.05" E 0.5986 15.2848 3.4237 51.3
S3-2 26°51′00.21" N,104°16′25.05" E 0.4839 12.4657 3.363 51.3
S3-3 26°51′00.21" N,104°16′25.05" E 0.653 11.9279 3.1026 51.3
S4-1 26°50′33.81" N,104°16′23.92" E 0.5733 15.7199 6.5374 67
S4-2 26°50′33.81" N,104°16′23.92" E 0.6477 19.2285 5.3458 67
S4-3 26°50′33.81" N,104°16′23.92" E 0.8836 24.3602 5.8619 67
S5-1 26°50′52.90" N,104°15′58.58" E 3.9609 126.0669 36.9471 85
S5-2 26°50′52.90" N,104°15′58.58" E 3.9065 125.3504 43.7833 85
S5-3 26°50′52.90" N,104°15′58.58" E 3.3946 98.5004 33.3604 85
S6-1 26°50′30.49" N,104°15′58.38" E 6.3347 134.3599 57.8886 115
S6-2 26°50′30.49" N,104°15′58.38" E 5.1307 133.8348 39.9689 115
S6-3 26°50′30.49" N,104°15′58.38" E 4.4158 95.994 45.9472 115
S7-1 26°51′16.97" N,104°15′18.65" E 7.1325 177.151 66.4367 176.2
S7-2 26°51′16.97" N,104°15′18.65" E 6.4129 161.4118 56.2968 176.2
S7-3 26°51′16.97" N,104°15′18.65" E 6.2749 211.8521 58.8244 176.2
S8-1 26°50′29.89" N,104°15′18.65" E 8.1566 177.151 100.6482 118
S8-2 26°50′29.89" N,104°15′18.65" E 9.3954 161.4118 103.1482 118
S8-3 26°50′29.89" N,104°15′18.65" E 9.2088 211.8521 102.7147 118


图1草海采样图
3 结果与分析
采样过程中,湖底底泥过稀,分别取0—10cm,10—20cm,20—30cm的土壤,为了减小人为误差,数据分析过程中将取每个分样点的平均值,以提高数据的准确性与精确度。
3.1水深与酚类物质的关系
水深不同的底泥中酚类物质含量不同,范围在0.50-9.92mg·g-1。其中,湖中S8含量最高,入水口S1含量最低。不同水深酚类含量有所差异,综合来看S1-S8,底泥中酚类物质含量与水深呈正相关关系,如图2。

图 2 水深与酚类物质关系
图1表明水深与酚类物质密切相关,因此进一步对水深与酚类物质关系做逐步回归分析,以确定影响土壤酚类物质含量的主要影响因素,关系如下:
y = 0.3716x - 1.7387 
其中:y为土壤酚类物质含量;x为水深。
结果表明草海底泥中水深与土壤酚类物质含量呈正相关关系,水深越深对应的酚类物质含量越高。
3.2 酚类物质与有机质
酚类物质是土壤有机质的组成成分之一,因此分析酚类物质含量与草海底泥中有机质含量的关系,如图3

图3 酚类物质与有机质关系

结果表明:酚类物质与有机质也呈正相关关系,由S1—S8酚类物质在增加,淹水条件下氧化还原反应不易进行,底泥中的有机质也在增加。
3.3易氧化有机质与有机质关系(图4、图5)

图4易氧化有机质与有机质含量
表征土壤有机碳的稳定性可以用易氧化有机质占土壤有机质含量来表示,这被称作易氧化有机碳分配比 [7]。由上表得草海中易氧化有机质随水深的增加,易氧化有机质在有机质中所占比例也在增加,说明有机质的稳定性在降低。但水深增加使得微生物及相关酶的活性降低,使有机质不断积累并且相对稳定。
易氧化有机质与土壤有机质由图4得出呈显著正相关关系,如图4:表明土壤有机质含量受易氧化有机质的影响较大,可以用易氧化有机质含量的变化来表现底泥中有机质的稳定性和湿地碳库变化大小。

图 5易氧化有机质与有机质关系

4 讨论
4.1水深增加导致酚类物质不断增加
不同水深底泥中酚类物质含量存在差异。草海中的泥炭含有独特的多酚,可降低微生物活性,使泥炭残体分解速度减缓[8]。由图1可知,随水深的增加,土壤中酚氧化酶活性降低,使底泥中酚类物质难于降解并增加,底泥中酚类物质不断增加的原因是由于长期处于淹水条件下,进而使有机质周转受到影响,最终导致湖底底泥中的有机质不断地聚集。
4.2酚类物质与有机质的关系
构成土壤有机质的重要组成部分之一包括酚类,酚类物质占总有机质的比重较低。然而酚类物质却与有机质呈极显著的正相关关系,这说明酚类物质对于有机质的转化起到调节的作用。因此酚类物质对于草海底泥中有机质的影响不容忽视。估计酚类物质对于有机质分解有抑制作用,其中酚类物质对于有机质的抑制大概是:(1)、抑制了底泥中微生物的活性;(2)、抑制了相关酶的活性;(3)、酚类物质不断积累,对生物产生毒性。由于草海底泥中的微生物、土壤酶活性受到影响,这将会阻止有机质的分解,进而减少了温室气体的释放。可见土壤有机质中酚类物质占比例很小,但它对于土壤有机质的周转,减少温室气体的释放,缓解全球气候变暖有较大的作用。
4.3易氧化化有机质与有机质的关系
 易氧化有机质与有机质的比例可以表征土壤有机质的稳定性,比值越低代表有机质的稳定性越高。长期淹水的湖中,有机物的分解速度相对缓慢,但相对有机质,易氧化有机碳更容易受到氧气的影响,在淹水低氧环境中更不易分解,水深增加进而导致易氧化有机碳的分配比例变高。草海从入水口到湖中,易氧化有机碳占有机质的比例逐渐变大。水深在逐渐的变深,微生物及酶不易发生氧化还原反应 ,使得有机质稳定变小。
5 结论
1)草海从入水口到湖中,随水深的逐渐增加,酚类物质难于降解,进而使得有机质的分解受到酚类物质的影响,便逐渐积累下来。虽然酚类物质占有机质的比重相对较低,但其作用和影响却不容忽视。
2)易氧化有机质与土壤有机质的比例可用来表征土壤有机质的稳定性,水深对有机质的分解起到抑制作用,草海入水口到湖中,水深逐渐增加,易氧化有机质占有机质的比例增加,但草海底泥有机质的稳定性随水深增加而更加稳定。
3)水深能够促进有机质的积累,提高草海中的水深将有利于有机质的积累以及增加它的稳定性。但对于生态环境总体来说,水深是否越深越好,还有待于继续研究。
4)长时间淹水会降低有机物的分解速度排放,使得大气中温室气体减少,有利于缓解全球变暖。

参考文献
[1] 杜冠华, 李素艳, 郑景明,等. 洞庭湖湿地土壤有机质空间分布及其相关性研究[J]. 现代农业科学, 2009(2):21-23.
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[4] 刘显辉. 不同淹水深度对湿地土壤碳库的影响[J]. 现代化农业, 2015(6):18-20.
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