李瑾璞,于秀波,夏少霞,*,趙 瑋,王樹濤,許 策

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 保定 071001 3 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院, 保定 071001

土壤碳庫是碳循環(huán)與全球變化研究的重要環(huán)節(jié)[1],作為碳移動(dòng)和流通的轉(zhuǎn)換媒介,土壤碳儲(chǔ)量變化常常作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的指標(biāo)。而濕地土壤有機(jī)碳含量占到整個(gè)陸地碳庫的10%[2]。因其積水厭氧的環(huán)境而在土壤中積累大量有機(jī)碳,起著“碳匯”的功能[3- 4]。因此,準(zhǔn)確估算濕地碳儲(chǔ)量對(duì)于認(rèn)識(shí)碳循環(huán)過程,制定科學(xué)合理的生態(tài)系統(tǒng)碳管理措施具有重要意義[5- 6]。

目前,各國(guó)的學(xué)者針對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量開展了大量研究,我國(guó)對(duì)土壤碳儲(chǔ)量研究自20世紀(jì)90年代初,主要方法包括結(jié)合土壤類型、植被分布圖等對(duì)有機(jī)碳含量進(jìn)行加權(quán)平均法估算[7]以及根據(jù)土壤有機(jī)碳與容重的關(guān)系進(jìn)行碳密度估算[8],從而確定不同類型土壤中的碳儲(chǔ)量,根據(jù)估算中國(guó)1m深的土壤碳儲(chǔ)量在70—90 Pg范圍[9- 10]。隨著3S技術(shù)的發(fā)展,遙感與模型擬合的方法為全球土壤碳儲(chǔ)量的估算提供了新的手段[11],但系統(tǒng)的土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失是導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量估算結(jié)果存在較大不確定性的重要原因,因此開展實(shí)地調(diào)查研究非常必要[12]。土地利用方式變化是引起土壤碳儲(chǔ)量變化的關(guān)鍵因素之一,不同土地覆被類型的碳儲(chǔ)存能力不同,同時(shí),由一種土地覆被類型轉(zhuǎn)換為另一種類型過程中往往會(huì)導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的變化[13]。在黑河流域的研究表明,由灌木林和草地向農(nóng)田等土地類型的轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的降低[11]。對(duì)中國(guó)森林、草地、農(nóng)田和濕地等不同生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化,發(fā)現(xiàn)濕地有機(jī)碳儲(chǔ)量呈減小的趨勢(shì)[12]。

濕地是受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度較大的區(qū)域之一,其碳儲(chǔ)量變化動(dòng)態(tài)也是全球變化科學(xué)中的前沿與熱點(diǎn)。濕地生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,沼澤濕地[14]、河口三角洲濕地[15]、湖泊濕地[16-18]、海岸濕地[19]、紅樹林濕地[20]等類型的碳儲(chǔ)量具有較大的差異。而隨水文和高程梯度變化,在同一濕地區(qū),碳儲(chǔ)量也具有較大的變異性[16]。因此,濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量測(cè)算也是濕地生態(tài)系統(tǒng)研究的難點(diǎn)。白洋淀濕地作為華北平原唯一的淡水湖泊濕地,是雄安新區(qū)的核心水系。近幾十年來,白洋淀濕地面積不斷縮減,對(duì)濕地的生態(tài)功能產(chǎn)生了不利的影響。白洋淀的生態(tài)修復(fù)和保護(hù)是雄安新區(qū)總體規(guī)劃中的重要組成部分,開展白洋淀濕地區(qū)域土壤碳儲(chǔ)量的調(diào)查與初步研究,將為白洋淀濕地恢復(fù)提供本底數(shù)據(jù)。研究在白洋淀濕地區(qū)采集了7種地類的105個(gè)土壤剖面,并對(duì)其有機(jī)碳含量進(jìn)行分層測(cè)定,估算了濕地區(qū)總碳儲(chǔ)量,初步揭示了白洋淀濕地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的時(shí)空特征規(guī)律,將為白洋淀濕地及雄安新區(qū)的生態(tài)修復(fù)及碳庫管理提供科學(xué)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀濕地是典型的水陸交錯(cuò)帶濕地生態(tài)系統(tǒng),處于華北平原中部(38°43′—39°02′N, 115°38 —116°07′E), 隸屬大清河水系, 有九條河流或渠道流入白洋淀。該區(qū)域位于暖溫帶半干旱氣候區(qū), 多年平均氣溫為7.3—12.7℃,多年平均降水量?jī)H563.9 mm,80 %的降水集中在6—8 月,年均蒸發(fā)量為1369 mm。白洋淀濕地主要由水域、蘆葦沼澤、臺(tái)田以及淺灘湖濱帶等多種濕地類型組成,主要植被類型為蘆葦[21]。研究以白洋淀水域邊界為基礎(chǔ),通過ArcGIS緩沖區(qū)分析的工具建立2 km緩沖區(qū)作為研究區(qū),即白洋淀濕地區(qū),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和采樣工作。

1.2 土壤樣品的采集及預(yù)處理

在白洋淀濕地區(qū)范圍內(nèi)選取5個(gè)典型樣區(qū),每個(gè)樣區(qū)選取7種典型的地類(落葉闊葉林、常綠針葉林、喬木園地、旱地、水田、臺(tái)田蘆葦、淹水蘆葦),在2019年5—6月對(duì)每種地類進(jìn)行了3次重復(fù)采樣,共設(shè)土壤剖面105個(gè)。鑒于土壤有機(jī)碳主要分布在100 cm以內(nèi),因此,本研究以100 cm作為本次研究的采樣深度[9]。使用土鉆及環(huán)刀、容重鉆等工具,按0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm 5個(gè)深度分層采集土樣,每層約2 kg,帶回實(shí)驗(yàn)室分析[16]。采樣同時(shí)利用軟件進(jìn)行GPS 定位,并詳細(xì)記錄采樣點(diǎn)的地類、經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程等相關(guān)信息。野外采回的土樣經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過篩后進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量的測(cè)定。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location map of Baiyangdian wetland底圖為哨兵2號(hào)影像,獲取日期為2019年5月13日

1.3 樣品的測(cè)定方法及數(shù)據(jù)處理

有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法,土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法[22],土壤有機(jī)碳密度及有機(jī)碳儲(chǔ)量參考了王勇輝[23]等人研究中的計(jì)算方法：

土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式如下：

SOCDi=Ci×Pi×Hi×10-2

(1)

式中,SOCDi為第i層土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)；Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；Pi為第i層土壤容重(g/cm3)；Hi為剖面深度(cm)；10-2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式如下：

(2)

式中,SOCstorage代表某種植被類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；S代表某種植被類型面積。

采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入后,用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析,選擇Duncan新復(fù)極差法和t檢驗(yàn)(α=0.05)對(duì)不同處理的差異性進(jìn)行比較,用Origin 2016進(jìn)行制圖。

2 研究結(jié)果

2.1 不同植被類型土壤有機(jī)碳含量變化

白洋淀濕地區(qū)不同植被類型的土壤有機(jī)碳含量存在較為明顯的差異(如圖2所示),其中尤以60—80 cm土壤的差異大。在各層土壤中,淹水蘆葦?shù)耐寥烙袡C(jī)碳含量均與其他植被類型的土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他植被類型(P<0.05),其中,土壤機(jī)碳含量約為其他植被類型的3倍左右。具體來看,在0—20 cm層(表層土)中,土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為：?jiǎn)棠緢@地(8.53 g/kg)<臺(tái)田蘆葦(8.72 g/kg)<常綠針葉林(9.62 g/kg)<落葉闊葉林(10.16 g/kg)<水田(10.33 g/kg)<旱地(10.76 g/kg)<淹水蘆葦(17.70 g/kg),最大值與最小值相差2倍；在20—40cm層(上層土)中,喬木園地(5.12 g/kg)<常綠針葉林(5.79 g/kg)<落葉闊葉林(6.06 g/kg)<蘆葦(6.60 g/kg)<旱地(7.12 g/kg)<水田(8.18 g/kg)<淹水蘆葦(14.38 g/kg),最大值與最小值相差2.8倍；在40—60cm土層(中層土)中,喬木園地(4.73 g/kg)<旱地(5.21 g/kg)<落葉闊葉林(5.84 g/kg)<常綠針葉林(6.12 g/kg)<水田(7.07 g/kg)<蘆葦(7.28 g/kg)<淹水蘆葦(12.67 g/kg),最大值與最小值相差2.73倍；在60—80cm土層(下層土)中,喬木園地(3.55 g/kg)<旱地(4.49 g/kg)<水田(5.43 g/kg)<常綠針葉林(6.31 g/kg)<蘆葦(6.55 g/kg)<落葉闊葉林(6.57 g/kg)<淹水蘆葦(11.59 g/kg),最大值與最小值相差3.26倍；80—100cm土層(下層土)中,旱地(3.94 g/kg)<喬木園地(4.12 g/kg)<水田(5.40 g/kg)<蘆葦(5.57 g/kg)<常綠針葉林(5.59 g/kg)<落葉闊葉林(6.15 g/kg)<淹水蘆葦(11.67 g/kg),最大值與最小值相差2.96倍。

圖2 不同植被類型的土壤有機(jī)碳含量特征Fig.2 Soil organic carbon (SOC) stock in indifferent vegetation types不同小寫字母表示相同土壤深度的不同植被類型間的土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)；DEF: Deciduous broad-leaved forest; ECF: Evergreen coniferous forest; GP: Garden plot; DL: Dry land; PF: Paddy field;OR: Ota reeds; FR: Flooded reeds

2.2 土壤有機(jī)碳含量的空間分異特征

2.2.1土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征

總體而言,不同植被類型中,土壤有機(jī)碳含量的垂直分布規(guī)律幾乎一致,即0—20 cm表層土壤有 機(jī)碳水平均為最高值,隨著土壤剖面深度增加,土壤中有機(jī)碳的含量呈現(xiàn)減少趨勢(shì),但逐漸趨于穩(wěn)定。旱地的有機(jī)碳含量自表層至深層減少幅度最大,自10.76 g/kg減少至3.94 g/kg,有機(jī)碳含量共減少6.81 g/kg；其次為淹水蘆葦,其有機(jī)碳含量自17.70 g/kg減少至11.07 g/kg,有機(jī)碳含量共減少6.03 g/kg。土壤有機(jī)碳含量自表層至深層減少量最小的為落葉闊葉林及常綠針葉林,分別為4.01 g/kg和4.02 g/kg。

2.2.2不同土層深度的土壤有機(jī)碳分配

由圖4可以看出,不同植被類型的土壤在各土層深度的分配比例略有差異,但均以表層(0—20 cm)最高,該層有機(jī)碳含量分配比例均集中在30%左右,自40 cm以下,分配比例變幅相對(duì)較小。其中,落葉闊葉林、常綠針葉林與喬木園地的分配比例各有不同,落葉闊葉林在40—60 cm層的分配比例最小,常綠針葉林在80—100 cm層的分配比例最小,喬木園地在60—80 cm層的分配比例最??；旱地、水田及淹水蘆葦?shù)姆峙浔壤憩F(xiàn)一致,從表層到深層分配比例依次減少。

圖3 不同植被類型的土壤有機(jī)碳垂直分布特征 Fig.3 Vertical distribution pattern of soil organic carbon indifferent vegetation types

2.3 不同植被類型土壤有機(jī)碳密度比較

本研究結(jié)合土壤容重參數(shù),估算了白洋淀濕地區(qū)不同植被類型的土壤有機(jī)碳密度(圖5)。不同植被類型的土壤有機(jī)碳密度間存在差異,各土層深度中,淹水蘆葦?shù)耐寥烙袡C(jī)碳密度顯著高于其他植被類型(P<0.05),各植被類型的總土壤有機(jī)碳密度分布規(guī)律為：?jiǎn)棠緢@地<旱地<常綠針葉林<落葉闊葉林<水田<臺(tái)田蘆葦<淹水蘆葦?？傮w而言,土壤有機(jī)碳密度的變化是隨土壤剖面深度的增加而減少的趨勢(shì),這與土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征一致,這種趨勢(shì)在旱地、臺(tái)田蘆葦與淹水蘆葦3種植被類型中尤為明顯。

2.4 白洋淀濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算

本研究估算了白洋淀濕地區(qū)不同植被類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(表1)。其中,旱地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最大,不同土層深度的土壤有機(jī)碳范圍為(323.73—775.97)×103MgC,總儲(chǔ)量為2462.41×103MgC。其次是淹水蘆葦,不同土層深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量范圍為(344.96—503.72)×103MgC,總儲(chǔ)量為1998.47×103MgC。喬木園地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最低,不同土層深度的范圍為(8.98—20.64)×103MgC,總儲(chǔ)量為63.27×103MgC。白洋淀濕地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量總計(jì)為5816.77×103MgC。

表1 白洋淀濕地區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

3 結(jié)論與討論

(1)白洋淀濕地土壤有機(jī)碳含量整體偏低,低于其他湖泊濕地和沼澤濕地。

濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳含量受諸多條件影響,如地形、水文、溫度、土壤質(zhì)地、植物群落類型、pH等[23]。本研究估算的白洋淀濕地土壤表層有機(jī)碳含量為8.53—17.70 g/kg,遠(yuǎn)低于長(zhǎng)江中下游區(qū)的鄱陽湖湖泊濕地(21.90—29.21 g/kg)[16]以及三江平原沼澤濕地(37.32—55.07 g/kg)[14]。這主要與白洋淀濕地水文條件和濕地優(yōu)勢(shì)植被分布有關(guān)。白洋淀濕地區(qū)域受上游水庫給水影響較大,水位降低導(dǎo)致濕地面積縮減,進(jìn)而造成植被群落退化[24-25],間接致使進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w及根系分泌物減少[25]。同時(shí),蓄水量變化致使土壤干濕交替作用明顯,造成土壤微生物呼吸強(qiáng)度提高,致使有機(jī)碳分解速率加快[5],這使得白洋淀濕地土壤有機(jī)碳密度水平低于其他濕地。本研究還發(fā)現(xiàn),淹水蘆葦?shù)耐寥烙袡C(jī)碳含量顯著高于其他植被類型。其一,枯落物是蘆葦群落中土壤有機(jī)碳的主要來源,長(zhǎng)期無人管理的蘆葦在生長(zhǎng)期在水中立枯,有機(jī)質(zhì)通過水體流向土壤中,且蘆葦?shù)暮癖诮M織相較于其他植被類型的植物枯落物更難分解[26]；其二,淹水蘆葦處于長(zhǎng)期淹水的狀態(tài),土壤水分始終處于飽和狀態(tài),土壤處于厭氧還原條件下有機(jī)質(zhì)不易被分解,土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)最高值[27]。這意味在白洋淀濕地蘆葦對(duì)其碳庫的維持具有重要作用。

(2)白洋淀濕地的土壤有機(jī)碳分布呈現(xiàn)隨著土層深度增加而減少的垂直分布特征。

研究表明,表層土壤(0—20 cm)有機(jī)碳含量顯著高于其他土層,分配比例達(dá)30%左右,中下層土壤有機(jī)碳含量則相對(duì)穩(wěn)定。這與之前研究中濕地土壤有機(jī)碳的分布特征類型一致[17—23]。有機(jī)碳含量垂直分布特征受到植物群落初級(jí)生產(chǎn)力、枯落物產(chǎn)量及分解速率等原因的影響[28]。研究表明,植物通過光合作用對(duì)大氣中的二氧化碳進(jìn)行固定,植物在生長(zhǎng)期中,根系能夠?qū)⒐夂献饔卯a(chǎn)物以分泌物的形式傳輸給土壤,在生長(zhǎng)結(jié)束后,植物通過枯落物的形式向土壤傳輸有機(jī)物[17]。植物的根系主要存在于表層土壤中,隨著土層剖面深度增加,植物根系的數(shù)量逐漸減少,同時(shí),植物殘?bào)w凋落后首先進(jìn)入表層土壤中參與分解,因此表層土壤的有機(jī)碳含量水平最高。

(3)土地利用/植被類型是導(dǎo)致白洋淀區(qū)土壤碳密度變化的關(guān)鍵影響因子之一。

研究表明不同濕地植被類型中土壤有機(jī)碳密度和含量具有顯著差異,具體表現(xiàn)為淹水蘆葦?shù)挠袡C(jī)碳密度最高,約為其他土壤類型的3倍左右,這與在鄱陽湖濕地的研究結(jié)果類似[27]。濕地的土壤有機(jī)碳含量、容重及剖面深度三個(gè)因子是土壤有機(jī)碳密度估算的基本參數(shù),剖面深度一定的情況下,土壤碳密度的變異則是有機(jī)碳含量和容重變異性的綜合反映[17]。土壤性質(zhì)作為影響土壤容重主要原因,不同的土地利用方式能夠使土壤理化性質(zhì)發(fā)生較大的變化[23],具體表現(xiàn)為：相較于自然土壤,翻耕等農(nóng)業(yè)管理措施使得表層土壤充分混合,土壤通氣性變好,導(dǎo)致土壤容重減??；同時(shí)耕作能夠?qū)е峦寥狼治g增加,使土層變薄,加劇有機(jī)質(zhì)分解流失[25],這是導(dǎo)致喬木園地與旱地兩種受人為干擾較大的類型中土壤有機(jī)碳密度較低的原因。

(4)雄安新區(qū)建設(shè)將對(duì)白洋淀濕地區(qū)土壤碳庫具有重要影響,整體而言,隨著濕地恢復(fù)及植被覆蓋率的增加,雄安新區(qū)的固碳功能將會(huì)呈現(xiàn)較好發(fā)展態(tài)勢(shì)。

研究估算白洋淀濕地區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量累計(jì)為5816.77×103MgC,而旱地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最大,約占研究區(qū)總儲(chǔ)量的42.33%,這主要是因?yàn)楹档厥钱?dāng)前研究區(qū)的重要土地利用類型。然而,旱地的土壤碳密度則是相對(duì)較低的,低于淹水蘆葦和臺(tái)田蘆葦,也低于落葉闊葉林和常綠針葉林。而隨著雄安新區(qū)規(guī)劃的逐步落實(shí),退耕還林、退塘還濕等將改變未來白洋淀濕地區(qū)的地類分布格局,使得濕地和林地面積增加,固碳能力將進(jìn)一步提升。但雄安新區(qū)尚在建設(shè)之初,生態(tài)系統(tǒng)固碳受外界環(huán)境影響較大,在調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)以經(jīng)濟(jì)與生態(tài)并重[29]。同時(shí),注重發(fā)揮土地的多種功能,實(shí)現(xiàn)單一土地功能向生產(chǎn)—生態(tài)復(fù)合功能的轉(zhuǎn)變[30],這對(duì)穩(wěn)定區(qū)域碳循環(huán)具有重要意義。此外,建設(shè)用地固碳能力相較于濕地、林地等生態(tài)用地相差甚多[10],因此,合理規(guī)劃建設(shè)用地面積的增加是城市發(fā)展過程中亟需關(guān)注的[31],應(yīng)結(jié)合生態(tài)恢復(fù)以及土地布局優(yōu)化,盡量減少雄安新區(qū)建設(shè)中土地之間的流轉(zhuǎn)帶來的碳排放影響,提高區(qū)域生態(tài)效益。