中国北方典型河口芦苇湿地土壤有机碳库比较研究*

罗先香，贾红丽，杨建强，王震宇

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3.国家海洋局北海分局，山东 青岛 266100；4.海洋石油泄漏和风险评估实验室，山东 青岛 266100）

全球湿地土壤有机碳库225×10－15g［1］约占土壤有机碳库1 526×10－15g［2］的15%左右，具有很高的碳密度，在陆地碳汇和固碳中发挥着重要作用。湿地土壤碳累积和分解关系到湿地土壤碳库稳定性与二氧化碳（CO2）释放，对全球陆地碳循环与气候变化起着关键作用［3］，即使土壤有机碳库的微小变化，也会对大气CO2浓度产生显著影响［4］。河口湿地位于河流入海的海陆交错地带，是陆海相互作用形成的具有较高的净初级生产力和固碳能力的特殊生态系统［5］，并能有效的沉积和埋藏河流及潮汐作用携带的有机物［6］，防止海洋生态系统富营养化。但全球范围内因经济发展和土地利用方式改变导致的河口盐沼湿地的消失和退化十分严重［7］。滨海湿地，特别是河口盐沼湿地的碳汇与管理目前已成为区域乃至全球气候变化研究的热点问题［8－9］，准确评估河口湿地生态系统碳库及其动态变化特征，对正确认识河口湿地在区域碳循环中的作用，开展退化湿地的生态恢复重建技术有重要意义。中国学者在长江口、闽江口、黄河口及辽河口等湿地土壤碳库及分布特征方面已开展了部分相关研究工作［10－13］，但目前仍缺乏对不同河口湿地土壤碳库及其差异的比较研究。本文选择中国北方最典型的黄河口和辽河口湿地，通过比较两河口芦苇湿地土壤有机碳库的差异，探讨了造成其土壤有机碳储量差异的原因和主要影响因素，以期为退化的河口湿地生态系统修复和提高河口湿地生态系统固碳能力和碳汇功能提供基础数据和理论依据。

1 材料和方法

1.1 站位描述及土壤样品采集

黄河口和辽河口湿地均位于我国北方暖温带半湿润半干旱大陆季风区，芦苇是两河口湿地区域内分布面积最广的滨海盐生植被。黄河口湿地是中国面积最大的新生河口湿地生态系统，位于中国渤海的渤海湾与莱州湾之间，年平均气温12.8℃，大于10℃活动积温约4 300℃，年平均降雨量550mm，主要集中在夏季，年均蒸发量为降水量的3.6倍左右，区内芦苇湿地主要分布于一千二自然保护区、黄河口自然保护区和大汶流自然保护区内，在部分地表积水区域亦有芦苇湿地，但是面积较小，成斑块状分布，芦苇湿地总面积约2.4万hm2。辽河口湿地位于渤海的辽东湾北岸，年平均气温8.6℃，大于10℃活动积温约3 500℃，年平均降水量为650mm，也主要集中在夏季，年均蒸发量为降水量的2.5倍左右，区内分布着世界第二、亚洲第一大的滨海芦苇湿地，主要分布于双台子河口自然保护区内，包括东郭苇场和赵圈河苇场等人工管理的天然或半天然苇塘，芦苇湿地总面积约7万hm2。

于2008年10月和2009年5月对黄河口和辽河口芦苇湿地进行了土壤样品的采集，黄河口湿地采样点区域的地理位置为118°55′E～119°06′E，37°43′N～38°02′N，辽河口湿地采样区域的地理位置为121°41′E～121°56′E，40°54′N～41°11′N，采样点位置描述如图1。在每个站位采集0～20cm的表层土壤样品，在黄河口的H1站位和辽河口的L3站位各设置一个土壤剖面，剖面深60 cm，每10cm采集一个土壤样品，两个河口共采集0～20cm的表层土壤样品24个，剖面土壤样品24个；2008年10月，在每个站位进行了芦苇地上生物量的测定；2009年5月和11月初在黄河口的H1站位和辽河口的L3站位进行了表观土壤呼吸通量的测定。

图1 采样站位描述Fig.1 Location description of sampling sites

1.2 样品理化性质分析

现场测定土壤含水率和容重；土壤样品经自然风干、除去石块、植物根系等杂物后磨碎、充分混匀分别过14、60、80和100目筛备用。可溶性盐称取过14目筛的样品采用质量法测定［14］；有机碳（TOC）称取过80目筛的样品，加10%的盐酸溶液处理后于105℃烘干，用德国耶拿EA2000元素分析仪测定，检出限为1mg/g，采用土壤标准样品GBW07403作为内控样，回收率控制在98%～104%之间；总氮（TN）取过60目筛的样品采用硒粉－硫酸铜－硫酸消化法测定［14］，总磷（TP）取过100目筛的样品采用酸溶-钼锑抗比色法测定［14］，TN、TP用土壤标准样品GBW07403作为内控样，回收率分别为97%～100%和90%～100%；氨氮（NH4－N）取过14目筛的样品采用靛酚蓝比色法测定［14］，加标回收率控制在90%～104%之间；硝态氮（NO3－N）取过14目筛的样品采用酚二磺酸比色法测定［14］，加标回收率控制在100%～105%之间。实验过程中任选20%的样品进行平行双样测定，相对标准偏差均小于4%。芦苇地上生物量采用收割法，每次随机选取3个样方（1×1m2），将芦苇地上部分剪下带回实验室于120℃杀青2h，80℃烘干至恒重，获取干物质重。表观土壤呼吸通量采用Li-8100开路式土壤碳通量测量系统（LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）进行测定［15］。

1.3 数据处理

土壤有机碳库（Ti）按（1）式计算［16］：

其中：TOCi表示土层中有机碳的含量（g/kg）；di为对应土层土壤的容重（g/cm3）。

数据差异显著性检验采用单因素方差分析法进行，相关性分析采用person相关系数评价。图形绘制采用Origin 8.0和Surfer 8.0进行绘制。

2 结果

2.1 土壤性质

土壤基本理化性质显著影响土壤有机碳的累积和释放［17］。表1为两河口湿地土壤基本理化性质，其数据为5月份和10月份的平均值及波动范围。黄河口芦苇湿地土壤容重略高于辽河口，且各站位土壤容重的差异极小。但两河口湿地土壤可溶性盐含量差异显著（p＜0.01），黄河口湿地土壤可溶性盐含量平均值为16.85g/kg（见表1），土壤的盐渍化程度严重，参照我国滨海土壤盐化分级标准［18］，盐化等级为盐土；辽河口湿地土壤可溶性盐含量相对较低，平均值为3.79g/kg（见表1），盐渍化等级为中度或强度盐渍土。黄河口湿地土壤质地类型主要为黏土质粉砂和粉砂质砂，4～63μm的粉粒平均含量达到69%；辽河口湿地土壤质地较细，以黏土质粉砂和粉砂质黏土为主，粒径小于4μm的粘粒平均含量达到47.3%。与黄河口芦苇湿地土壤相比，辽河口芦苇湿地土壤全氮（TN）含量较高，平均含量达到1.78g/kg，为黄河口芦苇湿地土壤TN含量的3.6倍，土壤无机氮均以NH4－N为主，辽河口湿地土壤NH4－N含量为黄河口的2.2倍；土壤总磷（TP）含量无显著差异。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Descriptive statistics of soil properties

2.2 表层土壤有机碳含量及有机碳库

图2为芦苇湿地表层土壤有机碳含量分布特征。黄河口10月份表层土壤有机碳含量的变幅为9.75～18.24mg/g，均值为10.68mg/g，5月份其含量在1.12～6.41mg/g之间，均值为4.17mg/g，10月份高于5月份，但季节差异不显著（见图2B）；辽河口10月份表层土壤有机碳含量变幅为11.06～40.74mg/g，均值为23.91mg/g，5月份其含量在0.62～13.17mg/g之间，均值为8.67mg/g，10月份远高于5月份，季节差异显著（见图2B）。两河口芦苇湿地有机碳季节含量均表现为10月份高于5月份，其主要原因是10月份芦苇进入成熟期，植物根系固定了较多的碳，且凋落物大量回归土壤，增加了表层土壤中有机碳的累积［19］；5月份，土壤中的有机碳含量主要来源于上一年的积累，且中国北方土壤经过一个冬季的冻结过程，冻融作用加速了有机碎屑的分解和碳矿化［20］。

根据全国第二次土壤普查养分分级标准，10月份，黄河口表层土壤有机碳基本都处于4级（10～20mg/g）及以下水平，辽河口土壤中有机碳处于4级及以上水平，部分站位达到1级水平（＞40mg/g），辽河口显著高于黄河口（p＜0.05）。与我国其它河口芦苇湿地相比，辽河口湿地表层土壤有机碳含量与闽江口［11］和长江口（崇明东滩）含量相近［10］，有机碳平均含量都在20 mg/g左右。5月份，黄河口除H4站位土壤有机碳处于5级（6～10mg/g）外，其余站位都处于6级（＜6 mg/g），辽河口土壤中有机碳变幅较大，分别处于3级及以下等级，5月份两河口芦苇湿地有机碳含量差异不显著（p＞0.05）。

图3为两河口芦苇湿地表层土壤有机碳库分布特征，其分布与表层土壤有机碳含量分布特征相似。10月份，黄河口表层土壤碳库均值为17.25kg/m3，辽河口为40.37kg/m3，辽河口显著高于黄河口（见图3B）；5月份，黄河口表层土壤碳库均值为7.13kg/m3，辽河口为13.23kg/m3，两河口差异不显著（见图3B）。相关性分析显示，土壤有机碳库与有机碳含量呈现明显的正相关关系，相关系数分别为0.993（n＝12，p＜0.001）和0.995（n＝12，p＜0.001），而与土壤容重无显著相关性。因此，两河口湿地土壤中有机碳含量的差异是造成有机碳库差异的主要原因。

图2 两河口芦苇湿地表层土壤有机碳含量季节变化（A）及季节差异性检验（B）Fig.2 Seasonal variations of organic carbon in surface soils（A）and significance test（B）in two wetlands

2.3 土壤有机碳剖面

图4为两河口芦苇湿地土壤剖面有机碳含量及碳库分布特征。由图4A可知，两芦苇湿地剖面土壤有机碳含量的分布特征相似，均表现为10月份各土壤层有机碳的含量高于5月份，且表层0～10cm土壤有机碳含量明显高于底层，10cm以下土壤层有机碳含量迅速降低，0～20cm土层的土壤集中了整个剖面50%以上的有机碳。

图3 两河口芦苇湿地表层土壤有机碳库季节变化（A）及季节差异性检验（B）Fig.3 Seasonal variations of organic carbon pool in surface soils（A）and significance test（B）in two wetlands

黄河口剖面土壤有机碳含量，10月份变幅为6.80～10.64mg/g，5月份为1.38～4.47mg/g；辽河口剖面土壤有机碳含量，10月份变幅为15.85～64.33mg/g，5月份变幅为9.93～28.2mg/g。同一季节，辽河口剖面土壤各土壤层有机碳含量高于黄河口湿地。

两个河口芦苇湿地剖面土壤有机碳库的变化趋势与有机碳相同，也表现为在0～10cm土壤碳库最高，10cm以下土壤层的碳库含量迅速降低，20cm以下碳库几乎保持不变。黄河口湿地剖面土壤碳库10月份变幅为10.22～15.60kg/m3，5月份变幅为2.19～7.25 kg/m3，辽河口剖面土壤有机碳库10月份在24.75～99.64kg/m3之间，5月份在15.33～43.68kg/m3之间。两个河口均表现为10月份高于5月份。

图4 土壤剖面有机碳含量及碳库分布Fig.4 Distribution of soil organic carbon and soil organic carbon pool with depth in two wetlands

3 讨论

3.1 湿地有机碳的输入输出对土壤碳库的影响

在所研究的区域内，辽河口芦苇湿地土壤有机碳库明显高于黄河口湿地，且10月份两河口湿地表层土壤有机碳库差异达到显著性水平（见图3B）。这与两河口湿地有机碳的输入和输出有关，土壤有机碳库是土壤有机碳输入和输出净作用的结果［21］。植物光合作用固定大气中二氧化碳及植物凋落物分解释放是土壤有机碳的重要碳源物质［22］，因此，湿地植被生物量能直观地反映湿地土壤的固碳能力。图5为2008年10月份两河口湿地芦苇地上生物量的对比，辽河口湿地芦苇地上生物量的均值达到2.96kg/m2，是黄河口的5.82倍，辽河口湿地芦苇地上生物量显著高于黄河口（p＜0.01），且辽河口湿地芦苇有发达的地下根系，有利于土壤有机碳的累积。其次，辽河口人工管理的天然或半天然芦苇湿地接受双台子河和绕阳河的含有石油烃等有机物污染的河水的灌溉［23］，这也会增加辽河口湿地土壤有机碳的含量。

图5 10月份两河口湿地芦苇地上生物量Fig.5 Above ground biomass of the two reed wetlands in Oct

土壤呼吸释放二氧化碳是湿地有机碳输出的一个重要环节。表观土壤呼吸通量能直观地反映土壤有机碳矿化和有机碳输出的情况［15］。图6是黄河口H1站位和辽河口L3站位芦苇湿地表观土壤呼吸通量的对比。11月份，黄河口的通量均值为0.24μmol/（m2·s），为辽河口的为2.2倍；5月份，黄河口的通量均值为1.06 μmol/（m2·s），辽河口仅为0.06μmol/（m2·s）。5和11月份，黄河口湿地表观土壤呼吸通量均显著高于辽河口湿地（p5月＜0.001；p11月＜0.001）。这表明黄河口芦苇湿地土壤有机碳矿化释放二氧化碳的速率显著高于辽河口。高的有机碳输入和低的有机碳输出是辽河口芦苇湿地土壤有机碳库明显高于黄河口湿地的根本原因。

图6 两河口湿地土壤表观呼吸通量Fig.6 Flux of the two reed wetlands

3.2 湿地土壤理化因子与有机碳库的关系

湿地土壤有机碳库与土壤理化因子有着密切的关系。本文对影响黄河口和辽河口芦苇湿地土壤碳库差异的主要理化因子进行了主成分分析（见图7）。主成分分析结果中的前三个成分解释了总方差的78%，且各因子的特征值均大于1，它们是能客观地反映出两河口芦苇湿地土壤碳库差异的主控因子。第一主成分（PC1）的特征值为4.491，在土壤可溶盐（S）、黏粒含量（Clay）和总氮（TN）含量因子上有较大载荷，载荷值分别为－0.900、0.895和0.885，这一主成分对有机碳库影响的贡献率达到49.9%，是影响有机碳库的主导因素。第二主成分（PC2）的特征值为1.402，在土壤总磷（TP）含量因子上有较大载荷，载荷值为0.645。第三主成分（PC3）的特征值为1.128，在土壤氨氮（NH4－N）含量因子上有较大载荷，载荷值0.699。因此，湿地土壤盐渍化程度、土壤质地和营养要素氮含量的差异是影响两河口湿地土壤有机碳库差异的主要因子。

图7 湿地土壤理化因子对有机碳库影响的主成分分析Fig.7 Wetland soil organic carbon pool principal component analysis for soil properties

主成分分析结果显示，土壤盐渍化程度是影响两河口芦苇湿地土壤有机碳库差异最主要的环境因子，土壤可溶盐含量差异越大，土壤有机碳库的差异越显著，二者呈现显著负相关关系（R＝－0.569，n＝12，p＜0.05）。有研究表明土壤盐度的增加对芦苇的密度、高度及生物量均会产生负面效益［24］，高盐分可通过土壤渗透势作用于土壤植物和微生物，影响芦苇生长发育，降低其生物量，从而降低土壤有机碳的输入。其次，土壤质地也是影响土壤有机碳库差异的主要环境因子，其中黏粒含量的高低对土壤有机碳库的差异影响最大。辽河口芦苇湿地土壤的平均黏粒含量达到47.30%，为黄河口的2.1倍。一方面，土壤中较高的黏粒含量，能提高土壤的持水保水能力，缓解盐分的影响，有利于芦苇的生长，同时，较高的土壤水分条件对土壤呼吸作用会产生抑制作用，利于土壤有机碳的累积；另一方面，土壤黏粒含量越高，土壤团聚体的稳定性越高，能对有机碳起到保护和固定作用［25］。此外，土壤营养要素中全氮含量的差异是影响两河口湿地土壤有机碳库差异的最主要因子。土壤全氮含量差异越大，土壤有机碳库的差异越显著，二者呈现显著正相关关系（R＝0.898，n＝12，p＜0.01）。与辽河口芦苇湿地相比，黄河口湿地土壤中氮素严重匮乏，限制了芦苇的生长，不利于土壤有机碳的累积。有历史数据也显示在辽河三角洲高产芦苇田养分含量高于低产芦苇田，尤其是全氮含量的变化更为显著［26］。

4 结语

黄河口及辽河口芦苇湿地，10月份土壤有机碳含量及碳库均高于5月份，且辽河口的季节差异显著（p＜0.05），黄河口无显著性季节差异；两河口剖面土壤有机碳含量及碳库均表现为0～10cm含量最高，10cm以下有机碳含量及碳库迅速降低，20cm以下基本保持不变。辽河口芦苇湿地表层土壤有机碳含量及碳库均高于黄河口湿地，且10月份其差异达到了显著性水平（p＜0.05）。相对于我国其它河口湿地，黄河口芦苇湿地有机碳含量严重偏低，具有很大的可提升潜力。

辽河口湿地芦苇地上生物量显著高于黄河口（p＜0.01），表观土壤呼吸通量显著低于黄河口湿地（p＜0.001），高的有机碳输入和低的有机碳输出是辽河口芦苇湿地土壤有机碳库明显高于黄河口湿地的根本原因。黄河口芦苇湿地土壤盐渍化程度高、黏粒含量低和氮素含量匮乏是影响其土壤有机碳库低于辽河口湿地的主要因素。因此，在进行黄河口退化湿地修复过程中，通过增加淡水输入降低土壤盐渍化程度、添加合适改良剂降低土壤板结提高黏粒含量和适当施加有机无机氮肥等技术措施来提高芦苇生物量和减轻土壤有机质的分解，以便增强黄河口芦苇湿地的储碳固碳功能。

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