周文昌, 崔麗娟, 王義飛, 李 偉

(1.中國林業(yè)科學研究院 濕地研究所 濕地生態(tài)功能與恢復北京市重點實驗室,北京 100091; 2.湖北省林業(yè)科學研究院, 武漢 430075)

若爾蓋高原退化濕地土壤有機碳儲量

周文昌1,2, 崔麗娟1, 王義飛1, 李 偉1

(1.中國林業(yè)科學研究院 濕地研究所 濕地生態(tài)功能與恢復北京市重點實驗室,北京 100091; 2.湖北省林業(yè)科學研究院, 武漢 430075)

為了定量評價若爾蓋高原泥炭沼澤濕地退化的碳儲存潛力，研究通過土壤剖面法，收集了3個樣點的泥炭沼澤濕地土壤樣品(原始泥炭地0—200 cm、中度退化沼澤濕地0—100 cm和重度退化泥炭地0—100 cm)。研究表明：(1) 中度退化沼澤濕地(1.11±0.18 g/cm3)和重度退化泥炭地(0.72±0.04 g/cm3)土壤容重平均值較原始泥炭地增加了251.8%和129.7%；中度退化沼澤濕地(46.18±6.61 g/kg)和重度退化泥炭地(87.37±6.36 g/kg)土壤有機碳含量平均值較原始泥炭地降低了74.2%和51.1%。(2) 土層深度為0—100 cm時，原始泥炭地土壤有機碳儲量較中度退化沼澤濕地(384.73±95.57 t/hm2)顯著高了47.0%，而與重度退化泥炭地(518.39±33.07 t/hm2)土壤有機碳儲量無顯著差異；當原始泥炭地有機層增加到0—200 cm后，中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地土壤有機碳儲量較原始泥炭地(1 088.17±172.84 t/hm2)降低了64.6%和52.4%，退化濕地土壤有機碳儲量的降低可能主要是土壤有機碳含量降低的原因。盡管退化濕地土壤有機碳儲量下降，但仍是中國(102.89 t/hm2)和全球(116.56 t/hm2)陸地土壤有機碳儲量的3～5倍，該研究可為保護與恢復若爾蓋高原濕地提供科學依據(jù)。

退化濕地; 土壤有機碳儲量; 若爾蓋高原

近200多年來，人類活動，尤其是工業(yè)化進程的迅速發(fā)展，導致了大氣圈中CO2，CH4，N2O等溫室氣體濃度大幅增加，從而導致近130多年(1880—2012年)全球地表平均溫度上升了0.85℃(0.65～1.06℃)[1-2]，這便引發(fā)國際科學家對全球碳循環(huán)過程的關(guān)注及其對碳可被管理的深入理解，以便穩(wěn)定大氣圈中的溫室氣體濃度，緩減全球氣候變暖。泥炭濕地面積僅占地球陸地面積的3%左右，據(jù)研究它的土壤有機碳儲量為450～612 Pg[3-5]，約占地球陸地深度0—100 cm土壤有機碳儲量(1 576 Pg)的29%～39%[6]。因此，濕地因具有巨大的碳儲量，在全球碳循環(huán)中扮演重要作用。然而，這種巨大土壤有機碳儲量是由于生產(chǎn)力和分解力之間的不平衡[7]，跨越數(shù)千年以一個較弱的碳累積速率[17.2～32.3 g/(m2·a)]儲存于土壤中[4,8-9]。因此，一旦泥炭濕地受到干擾或者環(huán)境變化后，泥炭濕地的碳累積速率就可能發(fā)生改變。

濕地由于遭受嚴重的人類活動(如墾殖、濕地排水、森林濕地采伐和過度放牧)，使得北美、歐洲、澳大利亞和中國超過50%的濕地已損失或退化[10]，這將嚴重影響濕地生態(tài)系統(tǒng)凈固碳功能[11-12]。若爾蓋高原是我國兩大主要泥炭濕地(三江平原和若爾蓋高原)分布區(qū)之一，泥炭濕地儲存了大量的土壤碳，但因過去沼澤濕地嚴重地被排水、墾殖、過度放牧，導致了該地區(qū)濕地退化了30%[13]，甚至部分區(qū)域濕地退化了70%左右[14]。因此，研究若爾蓋高原濕地退化后的土壤有機碳儲量變化具有重要現(xiàn)實意義：一方面是若爾蓋高原濕地因常年的低溫和強烈的人類活動干擾，高原沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)對這些干擾是非常敏感的；另一方面，研究退化濕地土壤有機碳儲存潛力，可為該地區(qū)濕地保護與恢復成本提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。本研究選擇3種沼澤濕地(原始泥炭地、中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地)，去定量評價3種沼澤濕地土壤碳儲存潛力，以期為我國高原退化濕地提供科學數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原濕地位于青藏高原東部邊緣，西臨巴顏喀拉山，東抵岷山，南至邛崍山，為一塊完整的丘狀高原，行政上主要包括四川省紅原縣和若爾蓋縣，此外還包括甘肅省瑪曲東南部、碌曲縣南部以及青海省的久治縣西南部，沼澤濕地區(qū)海拔為3 400～3 700 m[15]。本區(qū)屬于高原寒溫帶濕潤季風氣候，年均氣溫為0.7～1.1℃，最暖和最冷月份為7月和1月，平均值分別為10.8℃和-10.6℃；年均降水量為656.8 mm，86%降雨量集中于4—10月[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣點選擇和樣品取樣方法 2014年8月，選擇若爾蓋濕地國家級自然保護區(qū)3種濕地：水位接近地表的原始泥炭地(CK)、季節(jié)性淹水的中度退化沼澤濕地(MG)和無淹水的重度退化泥炭地(SG)(表1)。每種濕地建立標準地1 hm2，每個標準地隨機采集土壤剖面6個，原始泥炭地因泥炭層超過2 m，取樣深度到2 m為止，中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地取樣深度為1 m，由于有機質(zhì)層不到1 m。土壤樣品采用泥炭土壤不銹鋼土鉆(規(guī)格為內(nèi)徑5 cm，長度30 cm，附有螺旋狀的延伸把柄)取樣，樣品表層(0—60 cm)按照10 cm取樣，而土壤60 cm以下按照20 cm取樣，每個樣品通過保鮮袋密閉，保存于冷藏(4℃)條件下。

表1 三種濕地基本性質(zhì)

注：CK，MD和SD分別代表原始泥炭地、中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地。

1.2.2 室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)分析 土壤樣品運回若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站實驗室。土壤樣品由于具有過量的水分，首先通過室內(nèi)陰涼通風條件下晾干1周后，然后，置于烘箱設(shè)置為70℃的恒溫條件下烘干，烘48 h直至恒重，計算土壤容重。然后，樣品經(jīng)過研磨、過篩和分析其碳含量，樣品過篩120目(孔徑為0.125 mm)。樣品采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法分析土壤有機碳含量。

1.2.3 數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計方法 土壤有機碳儲量(SOCS,t/hm2)是通過土壤容重、土壤有機碳含量和土層深度計算的，見參考文獻[16]：

式中：BDi為第i層土壤容重(g/cm3)；SOCi為第i層土壤有機碳含量(g/kg)；Di為第i層土壤厚度(cm)。

不同數(shù)據(jù)組之間的顯著差異采用SPSS 18.0軟件包進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan多重比較方法進行檢驗。顯著水平均設(shè)置為0.05，極顯著水平設(shè)置為0.01。文中數(shù)值為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 退化濕地土壤容重

原始泥炭地CK、中度退化沼澤濕地MD和重度退化泥炭地SD的土壤容重范圍分別為0.23～0.39，0.44～1.41，0.50～0.90 g/cm3，原始泥炭地CK深度0—100 cm土壤容重與中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地深度0—100 cm土壤容重存在顯著差異(p<0.05)，退化濕地MD(1.11±0.18 g/cm3)和SD(0.72±0.04 g/cm3)0—100 cm土壤容重較原始泥炭地CK(0.30±0.03 g/cm3)分別增加了274.4%和144.4%；原始泥炭地CK深度0—200 cm土壤容重與退化濕地MD和SD 0—100 cm土壤容重存在顯著差異(p<0.05)，退化濕地MD和SD 0—100 cm土壤容重較原始泥炭地CK 0—200 cm土壤容重(0.32±0.05 g/cm3)分別增加了251.8%和129.7%(圖1)。

注：CK，MD和SD分別代表原始泥炭地、中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地。下圖同。

圖1退化濕地土壤容重

2.2 退化濕地土壤有機碳含量

原始泥炭地CK、中度退化沼澤濕地MD和重度退化泥炭地SD的土壤有機碳含量范圍分別為129.46～226.68，18.22～119.54，27.69～182.82 g/kg，原始泥炭地CK深度0—100 cm土壤有機碳含量與中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地深度0—100 cm土壤有機碳含量存在顯著差異(p<0.05)，退化濕地MD(46.18±6.61 g/kg)和SD(87.37±6.36 g/kg)0—100 cm土壤有機碳含量較原始泥炭地CK(193.86±19.34 g/kg)分別降低了76.2%和54.9%；原始泥炭地CK深度0—200 cm土壤有機碳含量與中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地深度0—100 cm土壤有機碳含量存在顯著差異(p<0.05)，退化濕地MD和SD 0—100 cm土壤有機碳含量較原始泥炭地CK 0—200 cm土壤有機碳含量(178.71±18.03 g/kg)分別降低了74.2%和51.1%(圖2)。

圖2退化濕地土壤有機碳含量

2.3 退化濕地土壤有機碳儲量

由圖3可知，重度退化泥炭地SD表層0—40 cm土壤有機碳儲量(323.83 t/hm2)高于中度退化沼澤濕地MD(201.06 t/hm2)和原始泥炭地CK(213.94 t/hm2)；40—50 cm深度，三種濕地土壤有機碳密度接近(52.63，40.86，42.02 t/hm2)；土層深度增加到50 cm以下后，原始泥炭地土壤有機碳密度遠大于退化濕地MD和SD(圖3)。從而原始泥炭地CK深度0—100 cm土壤有機碳密度平均值(565.64±47.00 t/hm2)較中度退化沼澤濕地MD(384.73±95.57 t/hm2)顯著高了47.0%(p<0.05)，而與重度退化泥炭地SD(518.39±33.07 t/hm2)無顯著差異(p>0.05)(圖4)。但是，原始泥炭地CK土層深度增加到200 cm時，其土壤有機碳儲量為1 088.17±172.84 t/hm2，重度退化濕地SD深度0—100 cm土壤有機碳儲量較原始泥炭地CK深度0—200 cm土壤有機碳儲量降低了52.4%(p<0.05)，中度退化沼澤濕地0—100 cm土壤有機碳儲量較原始泥炭地0—200 cm土壤有機碳儲量降低了64.6%(圖4)。

圖3退化濕地不同深度土壤有機碳密度

3 討 論

若爾蓋高原原始泥炭地、中度退化沼澤濕地和重度退化泥炭地的土壤有機碳儲量范圍為384.73～1 088.17 t/hm2，這個范圍在其他研究區(qū)的土壤有機碳儲量范圍(166.07～2 173.91 t/hm2)(表2)。原始泥炭地CK(1 088.17±172.84 t/hm2)、中度退化沼澤濕地MD(384.73±95.57 t/hm2)和重度退化泥炭地SD(518.39±

33.07 t/hm2)土壤有機碳儲量平均值分別是中國陸地土壤有機碳儲量平均值的(102.89 t/hm2為面積8.709 4×108hm2和土壤有機碳儲量8.961×1016g的平均值)的10.6倍、3.7倍和5.0倍[29]，也分別是全球陸地土壤有機碳儲量平均值(116.56 t/hm2為面積1.352 15×1011hm2和土壤有機碳儲量1.576×1018g的平均值)的9.3倍、3.3倍和4.4倍[6]。因此，盡管若爾蓋高原沼澤濕地/泥炭地退化，濕地仍儲存較大的土壤有機碳，進而支持恢復與保護若爾蓋高原沼澤濕地，可能是緩減區(qū)域氣候變暖的最低成本策略。

圖4退化濕地土壤有機碳儲量

表2 不同地區(qū)沼澤濕地土層深度、土壤有機碳含量、土壤容重和土壤有機碳儲量

然而，由于全球氣候變暖和人類活動的影響，若爾蓋高原泥炭沼澤濕地發(fā)生了嚴重退化，伴隨著泥炭沼澤—沼澤草甸—草甸的演替趨勢[30-32]。濕地退化不可避免地要導致沼澤濕地生物因子(植物群落)和土壤理化性質(zhì)(土壤溫度、土壤有機質(zhì)含量和土壤容重)[30,33]，以及濕地水文發(fā)生改變[12,33-34]，進而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程[11,31-32,35]。本研究表明，若爾蓋高原泥炭沼澤濕地退化為沼澤濕地和重度退化泥炭地后，土壤1 m深度，中度退化沼澤濕地土壤有機碳儲量顯著低于原始泥炭地(圖4)，原始泥炭地土層深度增加到2 m，兩種退化濕地土壤有機碳儲量顯著低于原始泥炭地(降低了64.6%和52.4%)(圖4)，這與其他研究的若爾蓋高原濕地退化后，0—10 cm土壤有機碳儲量降低是一致的[32]。究其原因可能是沼澤濕地退化后，濕地土壤有機碳含量減少導致的[32-33]。這是由于沼澤濕地常常處于淹水和缺氧環(huán)境，動植物腐殖質(zhì)殘體處于厭氧環(huán)境，有機質(zhì)快速分解是很難的，使得更多有機質(zhì)積累于土壤中[31]，并長期以泥炭的形式存儲于濕地土壤中[4,13,20]，這也就是全球泥炭濕地儲存了全球陸地土壤有機碳儲量(深度0—100 cm)30%左右的原因，也是全球碳循環(huán)中扮演著極其重要的作用[3-4]，并在跨越千年尺度，泥炭濕地具有全球變冷效應(yīng)的原因[36]。盡管原始泥炭地深度0—100 cm土壤有機碳儲量與重度退化泥炭地無顯著差異(p>0.05)，究其原因可能是泥炭沼澤濕地退化后，水位下降，泥炭壓實，使得0—100 cm土壤有機質(zhì)層已包含了濕地退化之前是1 m以下的泥炭層，導致土壤容重增加(圖1)，這與其他學者研究歐洲森林泥炭地排水后的土壤容重顯著增加是吻合的[37]，進而可能導致土壤有機碳儲量增加[38]。眾所周知，濕地土壤保持著巨大的含水量，一般濕地土壤持水量高出其他陸地土壤的2～8倍[33]，一旦濕地土壤的厭氧環(huán)境發(fā)生改變，土壤有機質(zhì)隨之發(fā)生變化。據(jù)研究若爾蓋高原原始沼澤濕地土壤含水率維持在80%～90%[39]，甚至三江平原原始沼澤濕地0—20 cm土壤含水率高達130%以上[33]，而退化沼澤濕地土壤含水率是下降的，如中度退化沼澤土壤含水率比輕度退化沼澤降低了28%[39]。因此濕地退化后，濕地土壤水位或土壤含水率下降，將引起濕地土壤由淹水的缺氧環(huán)境進入有氧環(huán)境，導致大量氧氣進入土壤剖面和隨之土壤溫度增加后，加速土壤有機質(zhì)分解[11,33]，這可能是本研究沼澤濕地退化后，土壤有機碳含量降低74.2%和51.1%的原因(圖2)。另外，沼澤濕地退化程度加重，濕地土壤有機質(zhì)含量不斷下降，土壤水分也隨疏松的有機質(zhì)的減少而不再具備強大的持水能力，呈現(xiàn)出土壤水分繼續(xù)降低的趨勢[33]，可能導致了土壤有機質(zhì)快速分解和土壤有機質(zhì)層降低，這可能是退化沼澤/泥炭地土壤有機碳儲量降低的主要原因。例如，以表2的數(shù)據(jù)資料分析泥炭地土壤有機質(zhì)深度和土壤有機碳儲量的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)泥炭沼澤濕地土壤有機碳儲量與有機質(zhì)深度呈線性顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5)。

圖5泥炭深度與泥炭濕地土壤有機碳儲量的關(guān)系

4 結(jié) 論

若爾蓋高原泥炭沼澤濕地退化后，土層深度為0—100 cm時，原始泥炭地土壤有機碳儲量顯著高于中度退化沼澤濕地為47.0%，而與重度退化泥炭地無顯著差異，這可能與濕地退化，水位下降，泥炭壓實，土壤容重增加有關(guān)。然而，原始泥炭地土層深度增加到0—200 cm后，退化沼澤濕地土壤有機碳儲量較原始泥炭地(0—200 cm)降低超過50%，這可能是土壤有機碳含量降低的原因。盡管如此，若爾蓋高原退化濕地土壤有機碳儲量仍是中國和全球陸地土壤有機碳儲量的數(shù)倍，表明若爾蓋高原濕地仍是一個較大的碳匯儲存潛力，進而恢復與保護該區(qū)域濕地可能是緩減氣候變化的最低成本策略。

致 謝：感謝若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站和若爾蓋濕地國家級自然保護區(qū)管理局的大力支持和幫助。

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SoilOrganicCarbonStorageintheDegradedWetlandsinZoigêPlateau

ZHOU Wenchang1,2, CUI Lijuan1, WANG Yifei1, LI Wei1

(1.BeijingKeyLaboratoryofWetlandServicesandRestoration,InstituteofWetlandResearch,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China; 2.HubeiAcademyofForestry,Wuhan430075,China)

To quantify the soil organic carbon storage of the degraded marshy wetland in the Zoigê Plateau, China. Three sites (original peatland at depth of 0—200 cm, moderately degraded marshy wetland at depth of 0—100 cm, and severely degraded peatland at depth of 0—100 cm) were chosen and the soil samples were collected using the soil profile methods. This result showed that the soil bulk density (1.11±0.18 g/cm3) in the moderately degraded marshy wetland was 251.8% higher than that of the original peatland, and soil bulk density in the severely degraded peatland (0.72±0.04 g/cm3) was 129.7% higher than that of the original peatland, respectively. Compared to the original peatland, the soil organic carbon contents in the moderately degraded marshy wetland (46.18±6.61 g/kg) and severely degraded peatland (87.37±6.36 g/kg) have reduced by 74.2% and 51.1%, respectively. As the soil samples were collected at depth of 0—100 cm, the soil organic carbon storage in the original peatland was 47.0% significantly higher than that of the moderately degraded marshy wetland (384.73±95.57 t/hm2), but difference between the soil organic carbon storage in original peatland and that in severely degraded peatland (518.39±33.07 t/hm2) were no significant. However, the soil samples were a depth of 0—200 cm for the original peatland, the soil organic carbon storage in the moderately degraded marshy wetland was 64.6% significantly lower than that of the original peatland (1 088.17±172.84 t/hm2), the soil organic carbon storage in the severely degraded peatland was 52.4% significantly lower than that of the original peatland, respectively. This result could be main attribute to the decreases of the soil organic carbon contents in the degraded wetlands. Although the soil organic carbon storages in degraded wetland decrease, these values are still 3～5 times of that in Chinese or Global land soil (at depth of 0—100 cm). This result can provide useful information for the protection and restoration wetland in the Zoigê Plateau.

degraded wetlands; soil organic carbon storage; Zoigê Plateau

2016-09-02

：2016-10-13

中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術(shù)研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項(CAFINT2014K06);中國清潔發(fā)展機制基金贈款項目(2012076)

周文昌(1983—),男,貴州鎮(zhèn)遠人,博士,主要從事濕地生態(tài)學和碳循環(huán)研究。E-mail:zwclky@126.com

崔麗娟(1968—),女,吉林白城人,博士,研究員,博導,主要從事濕地生態(tài)學和濕地評價。E-mail:lkyclj@126.com

S153.6+2

：A

：1005-3409(2017)05-0027-06