張智博，劉 濤，伍青山，殷山紅，張 菊，鄧煥廣

（聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城252000）

土壤有機(jī)碳是指存在于土壤中所有含碳的有機(jī)物質(zhì)，是土壤碳素的重要組成部分，包括土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w、微生物體及其分解和合成的各類有機(jī)物質(zhì)［1］。土壤有機(jī)碳作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和全球碳循環(huán)過程中的重要碳庫，其碳庫總儲(chǔ)量大約是植被碳庫的2倍，是大氣碳庫的2/3［2］。土壤有機(jī)碳在全球物質(zhì)循環(huán)和能量交換過程中具有重要意義，土壤碳庫的微小變化都可能直接或間接影響全球氣候變化。

濕地是同時(shí)具有水陸兩相特征的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是碳循環(huán)和轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所，濕地土壤碳庫的源、匯轉(zhuǎn)化與氣候變化有著密切聯(lián)系［3］，在控制全球氣候變化、維持濕地生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用［4］。近年來，典型濕地土壤有機(jī)碳的研究已成為當(dāng)前濕地環(huán)境研究的熱點(diǎn)。曹生奎等［5］發(fā)現(xiàn)，青海湖高寒濕地土壤不同植被類型下土壤有機(jī)碳含量的垂直分布整體上呈現(xiàn)“高-低”和“低-高-低”變化趨勢(shì)；吳琴等［6］分析了鄱陽湖濕地0～50 cm土壤有機(jī)碳的分布特征及其影響因子，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量自表層以下急劇降低，且空間分布主要受土壤水分與植物生物量影響；郝翠等［7］研究表明，天津?yàn)I海濕地土壤表層（0～30 cm）有機(jī)碳含量為（8.55±3.98）g/kg，平均土壤有機(jī)碳密度為（4.70±1.91）kg/m2，低于全國平均水平 9.60 kg/m2；吳江琪等［8］研究發(fā)現(xiàn)，積水狀況對(duì)尕海濕地土壤活性有機(jī)碳含量有顯著影響。

東平湖是山東省典型的淺水型湖泊，是南水北調(diào)東線工程的主要調(diào)節(jié)湖和山東省西水東輸?shù)乃吹兀偯娣e627 km2，湖區(qū)總庫容近40億m3，分為老湖和新湖，其中老湖區(qū)面積209 km2，常年有水，多年平均水深為 2.5 m［9-10］。 張菊等［11］發(fā)現(xiàn)，東平湖表層（0～5 cm）沉積物有機(jī)質(zhì)的平均含量為（22.4±9.68）g/kg，是山東省土壤有機(jī)質(zhì)背景值的1.9倍。近年來關(guān)于東平湖沉積物/土壤重金屬的研究較多，但是對(duì)沉積物/土壤有機(jī)碳含量分布及其影響因素的研究相對(duì)較少，關(guān)于季節(jié)對(duì)有機(jī)碳含量影響的分析更少。筆者以東平湖濕地土壤為研究對(duì)象，分析了全湖有機(jī)碳含量的總體水平，探討了東平湖有機(jī)碳含量的分布特征以及區(qū)域、季節(jié)和深度對(duì)有機(jī)碳含量的影響，以期為東平湖濕地碳的源匯研究及客觀評(píng)價(jià)其在區(qū)域氣候變化中的作用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東平湖位于山東省東平縣西部的魯中山區(qū)與魯西平原交接地帶，北通黃河，東連大汶河，西靠京杭大運(yùn)河［12］，在維持生態(tài)平衡等方面有著重要作用。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，降水季節(jié)分布不均，多年平均年降水量為624.4 mm，降水主要集中在7—9月。東平湖濕地土壤類型以石灰性潮土和濕潮土為主［13］。據(jù)相關(guān)資料［14］，2003—2004年東平湖水生植物共18種，其中挺水植物4種、浮葉植物3種、漂浮植物3種、沉水植物8種。

1.2 樣品采集與分析

為了探究東平湖濕地土壤有機(jī)碳的含量水平，通過實(shí)地踏勘，于2015年7月在東平湖全湖范圍內(nèi)設(shè)置了33個(gè)采樣點(diǎn)，用自制土壤原位采樣器采集沉積物樣品，同時(shí)利用GPS定位。自制土壤原位采樣器為內(nèi)徑3.3 cm、長20 cm且兩端帶有螺紋的有機(jī)玻璃管，將其壓入沉積物中，使柱狀沉積物進(jìn)入有機(jī)玻璃管。為避免沉積物在運(yùn)輸過程中受到擾動(dòng)，在沉積物上部裝滿上覆水，取出玻璃管后在其兩端墊上硅膠墊并用有機(jī)玻璃蓋密封，置于冷藏箱中低溫保存。運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，在玻璃管底部墊上直徑為3.3 cm的橡膠墊，將沉積物緩慢推出。因底部沉積物在取出過程中易受力變形，試驗(yàn)只選用玻璃管中0～5 cm的樣品。

同時(shí)，為了研究區(qū)域、季節(jié)和深度對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響，根據(jù)湖區(qū)的植被類型和土地利用方式，確定菹草區(qū)、蘆葦區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)和近岸水草混生區(qū)4種典型區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，分別于2015年7月（夏季）、11月（秋季），2016年1月（冬季）、4月（春季）在上述區(qū)域采用自制土壤原位采樣器采集原狀土壤柱樣各3根，帶回實(shí)驗(yàn)室后取0～5 cm的樣品按1 cm進(jìn)行分層。所采土樣經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過60目篩后保存于密封袋中待測(cè)。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定［15］。

1.3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與制圖

采用Excel 2007和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Arcmap 10.2和Origin 2015制圖。

1.4 儲(chǔ)量估算方法

單位面積一定深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式［16］：

式中：Tc為單位面積一定深度范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，kg/m2；Di為土壤容重，g/cm3；Wc為土壤有機(jī)碳含量，g/kg；di為第 i層厚度，cm；n為層數(shù)，本研究深度范圍是5 cm，共5層，每層深度為1 cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 東平湖濕地土壤有機(jī)碳含量水平

東平湖濕地表層土壤有機(jī)碳含量為2.29～57.91 g/kg，平均值為15.16 g/kg。東平湖有機(jī)碳平均含量低于青海湖和四方湖濕地土壤有機(jī)碳含量，但顯著高于天津?yàn)I海濕地和閩東濱海濕地土壤有機(jī)碳含量。根據(jù) Wilding［17］的劃分標(biāo)準(zhǔn)，空間變異系數(shù) CV在0～15%范圍內(nèi)為輕度變異，在16%～35%范圍內(nèi)為中度變異，大于36%為高度變異。東平湖有機(jī)碳含量的CV均高于其他湖泊和濱海濕地的，高達(dá)73.87%，屬于高度變異，表明東平湖土壤有機(jī)碳含量空間分布差異較大，見表1。

全湖區(qū)有機(jī)碳含量分布具有顯著空間變化特征，見圖1。有機(jī)碳含量最高值出現(xiàn)在北邊12號(hào)采樣點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在東南角18號(hào)采樣點(diǎn)，且有機(jī)碳含量整體上表現(xiàn)為西北高、東南低的變化趨勢(shì)，這可能與湖區(qū)地形、有機(jī)物的陸源輸入和人類活動(dòng)有關(guān)。北部（11、12、13號(hào)采樣點(diǎn)）有機(jī)碳含量偏高，其原因可能是，湖區(qū)北部湖面狹窄，風(fēng)浪小，蘆葦分布廣，腐爛的有機(jī)物不易擴(kuò)散，多沉積于此。西北部（30～33號(hào)采樣點(diǎn)）有機(jī)碳含量偏高，其原因可能是，該區(qū)域靠近岸邊，受陸源輸入的影響較大。入湖口處（15～19號(hào)采樣點(diǎn)）有機(jī)碳含量偏低，其原因，一方面是人為收割蘆葦，降低了蘆葦腐爛期有機(jī)質(zhì)的釋放量；另一方面是入湖口流速較大，將有機(jī)質(zhì)沖刷到了其他區(qū)域。

表1 東平湖濕地土壤有機(jī)碳含量及與其他濕地比較

圖1 東平湖土壤有機(jī)碳含量空間分布

2.2 東平湖濕地土壤有機(jī)碳含量影響因素分析

2.2.1 區(qū)域?qū)τ袡C(jī)碳含量的影響

不同區(qū)域有機(jī)碳含量的平均值為蘆葦區(qū)（27.29 g/kg）＞養(yǎng)殖區(qū)（20.93 g/kg）＞菹草區(qū)（17.65 g/kg）＞混生區(qū)（10.97 g/kg），各區(qū)域土壤容重的平均值為混生區(qū)（1.82 g/cm3）＞菹草區(qū)（1.67 g/cm3）＞養(yǎng)殖區(qū)（1.61 g/cm3）＞蘆葦區(qū)（1.42 g/cm3），見表 2。 從水平分布情況來看，各采樣點(diǎn)中，土壤有機(jī)碳含量在不同區(qū)域具有顯著性差異（顯著性水平p＜0.01）。有機(jī)碳含量的最高值出現(xiàn)在蘆葦區(qū)，最低值出現(xiàn)在混生區(qū)。植被覆蓋和水域利用方式的不同導(dǎo)致土壤有機(jī)碳來源存在較大差異，因此各區(qū)域有機(jī)碳含量差異較大。從CV來看，養(yǎng)殖區(qū)有機(jī)碳含量在深度上是中度變異，在季節(jié)上是高度變異；菹草區(qū)有機(jī)碳含量在深度和季節(jié)上都是中度變異；蘆葦區(qū)和混生區(qū)有機(jī)碳含量在深度和季節(jié)上都是高度變異。土壤容重在不同區(qū)域具有顯著性差異（p＜0.01），土壤容重的最高值出現(xiàn)在混生區(qū)，最低值出現(xiàn)在蘆葦區(qū)。從CV來看，菹草區(qū)土壤容重在深度和季節(jié)上、混生區(qū)土壤容重在季節(jié)上是輕度變異，其他均屬于中度變異。

表2 各區(qū)域土壤有機(jī)碳含量及土壤容重

對(duì)各區(qū)域有機(jī)碳含量和土壤容重進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，蘆葦區(qū)有機(jī)碳含量顯著高于其他區(qū)域的，混生區(qū)有機(jī)碳含量顯著低于其他區(qū)域的；蘆葦區(qū)土壤容重顯著低于菹草區(qū)和混生區(qū)的，養(yǎng)殖區(qū)與其他區(qū)域之間、菹草區(qū)和混生區(qū)之間不具有顯著性差異。

2.2.2 土層深度對(duì)有機(jī)碳含量的影響

各區(qū)域土壤有機(jī)碳含量隨深度的變化見圖2。在0～1、1～2、2～3、3～4 cm 這4 個(gè)深度上，有機(jī)碳含量表現(xiàn)為蘆葦區(qū)＞養(yǎng)殖區(qū)＞菹草區(qū)＞混生區(qū)；在4～5 cm深度，表現(xiàn)為蘆葦區(qū)＞菹草區(qū)＞養(yǎng)殖區(qū)＞混生區(qū)。4種區(qū)域，有機(jī)碳含量的最大值均出現(xiàn)在0～1 cm，顯著高于其他深度的（p＜0.05），而其他各深度之間不具有顯著性差異（p＞0.05）。隨著深度的增加，自表層往下土壤有機(jī)碳含量整體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。從CV來看，自表層向下各深度有機(jī)碳含量的CV值分別為52%、65%、47%、67%和66%，均屬于高度變異。此外，各區(qū)域0～1 cm深度的有機(jī)碳含量的變化與其他土層相比均較為強(qiáng)烈。

圖2 各區(qū)域土壤有機(jī)碳含量隨深度的變化

由圖2可見，養(yǎng)殖區(qū)有機(jī)碳含量的變化幅度最大，有機(jī)碳含量減小了48%；其次為混生區(qū)，有機(jī)碳含量減小了37%，而且隨著土壤深度的增加，其變化速率呈遞減趨勢(shì)；蘆葦區(qū)有機(jī)碳含量減小了32%，且在0～1 cm、1～2 cm這兩個(gè)深度上蘆葦區(qū)有機(jī)碳含量減小的速率明顯高于其他區(qū)域和深度的；菹草區(qū)有機(jī)碳含量變化幅度最小，減小了17%。

2.2.3 季節(jié)對(duì)有機(jī)碳含量的影響

東平湖表層土壤有機(jī)碳含量季節(jié)分布見圖3。土壤有機(jī)碳含量季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季含量顯著高于其他3個(gè)季節(jié)的（p＜0.01），春季含量顯著低于其他3個(gè)季節(jié)的（p＜0.01），而秋、冬季有機(jī)碳含量不具有顯著性差異（p＞0.05）。 從 CV來看，夏、秋、冬、春 4 個(gè)季節(jié)有機(jī)碳含量的CV分別為39%、64%、54%和63%，均屬于高度變異。

圖3 東平湖表層土壤有機(jī)碳含量季節(jié)分布情況

2.2.4 區(qū)域、季節(jié)和深度的交互影響分析

對(duì)區(qū)域、季節(jié)及深度3個(gè)因素進(jìn)行兩兩交互性差異檢驗(yàn)，結(jié)果表明，不同區(qū)域與季節(jié)，有機(jī)碳含量具有極顯著性差異（p＜0.01），而在不同區(qū)域與深度、不同季節(jié)與深度有機(jī)碳含量則不具有顯著性差異（p＞0.05），這表明區(qū)域與季節(jié)對(duì)有機(jī)碳含量具有交互作用影響。不同區(qū)域、不同季節(jié)土壤有機(jī)碳含量分布見表3（數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，樣本數(shù)n＝80）。

表3 各季節(jié)不同區(qū)域土壤有機(jī)碳含量 g/kg

2.3 東平湖濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算

蘆葦區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、菹草區(qū)和混生區(qū)表層5 cm深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為 1.95、1.68、1.47、0.90 kg/m2。對(duì)各區(qū)域表層有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果顯示不同區(qū)域儲(chǔ)量具有極顯著性差異（p＜0.01）。各區(qū)域表層有機(jī)碳含量的平均值與儲(chǔ)量估算結(jié)果對(duì)比見圖4（不同小寫字母表示不同區(qū)域間具有顯著性差異），可以看出，各區(qū)域有機(jī)碳儲(chǔ)量間的差異性與含量間的差異性不同，各區(qū)域儲(chǔ)量間的差異性：混生區(qū)顯著低于蘆葦區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)（p＜0.01），其他區(qū)域之間不具有顯著性差異（p＞0.05）；各區(qū)域有機(jī)碳含量的差異性：除養(yǎng)殖區(qū)和菹草區(qū)不具有顯著性差異（p＞0.05）外，其他區(qū)域間均具有顯著性差異（p＜0.01）。對(duì)有機(jī)碳含量與土壤容重進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，二者呈極顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù) r＝ -0.319，p＜0.01），這與郝翠［7］等的研究結(jié)果一致，即土壤容重越小，有機(jī)碳含量越大。因此，含量與儲(chǔ)量間差異性的區(qū)別可能是土壤容重造成的。

圖4 不同區(qū)域有機(jī)碳儲(chǔ)量和含量對(duì)比

與其他區(qū)域?qū)Ρ确治鰜砜?，鄱陽湖濕地蘆葦群落50 cm 深度內(nèi)土壤碳儲(chǔ)量為 3.27～5.61 kg/m2［6］，洪澤湖蘆葦群落45 cm深度土壤碳儲(chǔ)量為5.32 kg/m2［20］，相比之下，東平湖濕地（5 cm深度）土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量更高。

3 討 論

土壤有機(jī)碳含量主要受區(qū)域、深度和季節(jié)的影響，同一區(qū)域，深度和季節(jié)的影響機(jī)制又存在差異，這可能與不同植被的生長習(xí)性及有機(jī)碳的來源有關(guān)。

蘆葦是一種適應(yīng)能力很強(qiáng)的高生物量作物［21］，蘆葦根系吸收營養(yǎng)元素，具有固碳作用［22］；同時(shí)蘆葦死亡，其枯枝落葉會(huì)增加表層有機(jī)物質(zhì)的含量［23］。蘆葦區(qū)有機(jī)碳含量夏季最高，可能與雨水和徑流增加了有機(jī)物質(zhì)的輸入有關(guān)。一般來說夏季有機(jī)碳含量普遍偏高，可能是夏季降水多，通過地表徑流帶入湖泊的污染物質(zhì)沉積于湖泊表層，導(dǎo)致表層有機(jī)物質(zhì)增多［24-25］。春季有機(jī)碳含量低可能原因是，春季是蘆葦生長季節(jié)，沉積物中有機(jī)碳作為植物生長所需養(yǎng)分被植物吸收利用。

養(yǎng)殖區(qū)表層有機(jī)碳來源主要是飼料、動(dòng)物糞便等有機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)大部分只停留在表層，隨著深度的增加，下層有機(jī)碳的來源逐漸減少。王廣軍等［26-27］研究表明，投放的飼料中僅25%被有效利用，其余均釋放到水中和沉積物中，且水生動(dòng)物排泄物均堆積在表層，導(dǎo)致表層沉積物有機(jī)物質(zhì)含量較高。養(yǎng)殖區(qū)有機(jī)碳含量秋冬季節(jié)略高于春夏季節(jié)，其原因可能是，秋、冬季節(jié)是魚蟹收獲期，攝食量和排泄量增加，在魚蟹收獲后，殘留的飼料沉積在沉積物表層。

菹草是一種秋季發(fā)芽，冬春生長，初夏逐漸衰亡腐爛的水生植物［28］。菹草從夏季開始逐漸大面積腐爛，腐敗物沉積在表層，導(dǎo)致表層有機(jī)碳含量較高。腐爛期間菹草會(huì)釋放出大量營養(yǎng)鹽，而夏季正值藻類生長旺盛時(shí)期，菹草衰亡后釋放的營養(yǎng)鹽又加速了藻類物質(zhì)生長，使得菹草區(qū)有機(jī)物質(zhì)含量增多。同時(shí)，腐爛后的菹草沉積在沉積物表層被微生物快速分解，加速了有機(jī)物質(zhì)的擴(kuò)散，導(dǎo)致菹草區(qū)夏季有機(jī)碳含量增高。

混生區(qū)主要分布于東平湖岸邊，受外界影響較大，各種人類活動(dòng)可能直接或間接地破壞混生區(qū)的生態(tài)環(huán)境，使得該區(qū)域有機(jī)物質(zhì)含量變化較大［29］?；焐鷧^(qū)有機(jī)碳含量隨季節(jié)的變化幅度最大。夏季溫度較高，微生物較活躍，有機(jī)氮被礦化成無機(jī)氮，導(dǎo)致沉積物中理化指標(biāo)較高；同時(shí)，混生區(qū)位于湖岸邊，有枯水期和豐水期之分，易受到陸源輸入的影響，尤其是夏季雨水較多，大量污染物通過地表徑流的方式經(jīng)過岸邊混生區(qū)輸入湖泊，導(dǎo)致該區(qū)域夏季有機(jī)物質(zhì)的含量較高。

4 結(jié) 論

通過對(duì)東平湖不同區(qū)域、不同季節(jié)表層（0～5 cm）土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定，分析了該濕地土壤有機(jī)碳含量的時(shí)空分布特征。東平湖濕地表層0～5 cm土壤有機(jī)碳含量整體上表現(xiàn)為西北高、東南低，不同區(qū)域間具有顯著性差異，表現(xiàn)為蘆葦區(qū)（27.29 g/kg）＞養(yǎng)殖區(qū)（20.93 g/kg）＞菹草區(qū)（17.65 g/kg）＞混生區(qū)（10.97 g/kg）。垂直分布表現(xiàn)為0～1 cm層含量最高，其他各層間不具有顯著性差異。季節(jié)上表現(xiàn)為夏季含量最高，春季含量最低。表明土壤有機(jī)碳含量主要受區(qū)域、深度和季節(jié)影響，且受到區(qū)域與季節(jié)的交互作用影響。有機(jī)碳含量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，容重對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量具有一定影響。各區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為蘆葦區(qū)（1.95 kg/m2）＞養(yǎng)殖區(qū)（1.68 kg/m2）＞菹草區(qū)（1.47 kg/m2）＞混生區(qū)（0.90 kg/m2）。