鄂西南七姊妹山两种泥炭藓湿地土壤有机碳分布特征的对比研究

2019-01-21刘雪飞余夏君

湖北林业科技 2018年6期

刘雪飞余夏君洪柳吴林

(湖北民族学院林学园艺学院恩施 445000)

泥炭藓湿地是一类以泥炭藓植物为优势群体的特殊沼泽湿地[1]，是重要的碳储存库[2]，具有强大的蓄积水源和净化水质功能[3]，能为多种生物提供良好的生存之地[[4]。湿地中的泥炭藓在防止水土流失和泥炭土的形成演化等方面发挥重要作用[5]。然而，近年来随着农业的发展，人类对泥炭藓的采集使得泥炭藓湿地遭受严重破坏，泥炭藓湿地退化现象严重，湿地中土壤有机碳含量下降，水土流失严重。因此，有必要加强对全国各地泥炭藓湿地土壤有机碳的监测。

目前，有关泥炭藓湿地土壤有机碳含量的研究主要集中在小兴安岭等寒温带地区[2，6]，亚热带地区有关泥炭藓湿地土壤碳储量研究涉及较少[1]，多关注泥炭藓湿地植物多样性调查和环境特征的监测[3，7-8]。鄂西南七姊妹山属于典型的亚热带山地气候，该区域分布有960 hm2的泥炭藓湿地，其泥炭藓层较神农架大九湖泥炭藓湿地保存得更好，其藓丘可见厚度达30 cm，具有明显的泥炭层[8]。本研究选择该区域泥炭藓发育完好湿地和泥炭藓开采后退化湿地为研究对象，对比分析土壤有机碳在空间上的分布特征，为该地区湿地的形成演化规律和湿地水土保持提供数据支撑，同时弥补中国在亚热带地区有关泥炭藓湿地碳循环的不足。

1 材料及方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省宣恩县东部七姊妹山国家级自然保护区的核心区域(109°38′30″～109°47′00″E，29°39′30″～30°05′15″N)，海拔1 650 m，属于亚热带季风湿润型气候，一年中冬长夏短，年平均气温8.9 ℃，年降水量1 867 mm，无霜期203 d，年日照时间1 519.9 h，土壤类型主要为偏酸性的棕壤。

本研究在保护区内选择泥炭藓发育完好湿地(泥炭藓湿地)与泥炭藓开采退化后湿地(泥炭藓退化湿地)两个采样区。其中，泥炭藓湿地地分布有较大面积的泥炭藓，且保存完好；泥炭藓退化湿地由于人类长期采集泥炭藓，已完全退化为旱地。采样区基本概况见表1。

表1 采样区基本概况

1.2 样品采集与处理

为了解整个泥炭藓湿地土壤有机碳的分布规律，并兼顾空间异质性，在泥炭藓湿地从样地中心往外围按“米”字型布置样点，在南北方向上每间隔10 m布置一个样点，其它方向间隔8 m布置一个样点。其中，东部和西部分别布置3个采样点，南部和北部分别布置5个采样点，中心原点布置9个采样点，整个样地共25个采样点。泥炭藓退化湿地由于人为干扰后地面环境比较均一，因此随机选取10个样点进行采样。

采样时间为2017年4月，前期调查发现泥炭藓湿地泥炭层厚度大约为50 cm，因此本次研究采集的土壤深度为50 cm。采样前先拨开覆盖于地表的泥炭藓植被层，使用直径3 cm和高60 cm的土钻开采土壤，开采出来的土样按5 cm为一层进行划分，从上到下依次记为0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～35、35～40、40～45、45～50 cm共10层，共计土壤样品350个。将土样装于做好标记的自封袋内，带回实验室，经自然风干、磨碎过筛处理。采用重铬酸钾氧化-分光光度法用进行有机碳的测定，土壤容重基于采样器(直径为3 cm，高60 cm)中单位体积样品的干重计算。

1.3 计算方法

土壤剖面有机碳密度和单位面积一定深度范围内土壤有机碳储量计算公式[9]:

Ci=Wc×Di

(1)

Ti=Ci×Hi

(2)

式中，Ci为土壤有机碳密度(Kg·m-3);Wc为土壤有机碳含量( g·kg-1) ;Di为土壤容重( g·cm-3) ;Hi为对应土层深度(cm)；Ti单位面积有机碳碳储量(Kg·m-2)。

一定剖面深度范围内(m～k层)单位面积SOC总储量(Tt)为m～k层SOC储量(Ti)之和，公式如下[9]：

Tt=∑Ti(i=m，m+1，…，k)

(3)

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2013进行原始数据的整理，采用SPSS 22.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比较法对有机碳含量进行显著性分析(p=0.05)，用T-检验分析泥炭藓盖度不同的两个湿地同一水平土层上有机碳含量的差异。利用Origin 8.0(Originlab，USA)作图分析土壤有机碳在空间上的变化规律，并对土壤有机碳含量及密度在垂直方向上的变化趋势进行数据拟合。

2 结果分析

2.1 土壤有机碳垂直分布特征

泥炭藓湿地与泥炭藓退化湿地土壤有机碳含量在垂直方向上都具有明显的分布规律，土壤有机碳含量整体上表现为随土层深度的增加而减小，呈指数函数递减(R2>0.9，p≤0)。其中，泥炭藓湿地土壤有机碳含量为28.75～377.72 g·kg-1，平均为208.85 g·kg-1，变异系数为34%。在0～25 cm土层内，随土壤深度的加深，有机碳含量由287.90 g·kg-1减少到187.78 g·kg-1，变化程度明显。在25 cm土层以下，有机碳含量变化程度趋于稳定；泥炭藓退化湿地土壤有机碳含量在20.04～128.69 g·kg-1之间，平均为64.41 g·kg-1，变异系数为28%。在0～30 cm土层内，随着土壤深度的加深，有机碳含量由102.80 g·kg-1减少为48.26 g·kg-1，变化幅度明显。在30 cm土层以下，有机碳含量变化幅度较稳定(图1)。整体上，两个湿地土壤有机碳含量最大值均出现在0～5 cm土层，且该土层有机碳含量显著大于其它土层(p<0.05)，说明土壤有机碳含量主要分布在表层土壤。

图1 泥炭藓湿地与泥炭藓退化湿地土壤有机碳垂直分布规律

泥炭藓湿地与泥炭藓退化湿地土壤有机碳密度在垂直方向上变化趋势与土壤有机碳含量变化一致，整体上都表现为随土层深度的增加而减少，同样也呈指数函数递减(R2>0.8，p<0)。泥炭藓湿地土壤有机碳密度为19.18～56.06 kg·m-3，平均为37.99 kg·m-3；泥炭藓退化湿地土壤有机碳密度明显低于泥炭藓湿地，其土壤有机碳密度为15.16～37.30 kg·m-3，平均为24.71 kg·m-3，泥炭藓退化湿地土壤有机碳密度为泥炭藓湿地的65%(图2)。根据有机碳密度可估算出泥炭藓湿地和泥炭藓退化湿地0～50 cm土层的土壤有机碳储量分别为19.00 kg·m-2和12.35 kg·m-2，泥炭藓退化湿地土壤有机碳储量远低于泥炭藓湿地。

图2 泥炭藓湿地与泥炭藓退化湿地土壤有机碳密度垂直分布特征

2.2 泥炭藓湿地土壤有机碳水平分布特征

由于泥炭藓退化湿地的土壤有机碳在各采样点之间差异性不显著，因此本文中未对泥炭藓退化湿地各采样点之间的差异性进行分析。而泥炭藓湿地土壤有机碳含量在水平方向上存在较大的差异，将采样点分为东、西、南、北及中心原点五个方位。由图3可知，土壤有机碳含量在水平方向上存在一定的分布规律，中心原点相对其他方位的有机碳含量较高，南、北方位相对其他三个方位的有机碳含量较低。土壤有机碳含量从高到低依次为中心原点>西部>东部>北部>南部。数据分析显示，原点与西部没有显著性差异(p>0.05)，与其他三个方位有显著性差异(p<0.05)；西部与东部没有显著性差异，与南北方位有显著差异；东、南、北三个方位之间没有显著性差异。

2.3 泥炭藓湿地与泥炭藓退化湿地土壤有机碳对比

整体上，泥炭藓退化湿地土壤有机碳含量为泥炭藓湿地土壤有机碳含量的25.01%～35.71%。相同土层上泥炭藓湿地有机碳含量均高于泥炭藓退化湿地，且差异明显(p<0.05)(表2)。0～25 cm土层两地土壤有机碳含量差异性较大，在0～5 cm土层差异达到最大值185.10 g·kg-1，泥炭藓退化湿地土壤有机碳含量仅为泥炭藓湿地的35.71%。25～50 cm土层土壤有机碳含量差异性随土壤深度加深逐渐减小并趋于稳定，在40～45 cm土层达到最小差值99.45 g·kg-1，泥炭藓退化湿地土壤有机碳含量仅为泥炭藓湿地的30.50%。

图3 泥炭藓湿地土壤有机碳水平分布规律

土层/cm0～55～1010～1515～2020～2525～3030～3535～4040～4545～50土壤有机碳含量/(g·kg-1)泥炭藓湿地287.90253.19254.02215.25187.78192.99180.80184.72149.99161.38泥炭藓退化湿地102.8075.4972.7568.2265.2248.2658.7550.8650.5449.22两者差值185.10*177.70*181.27*147.03*122.56*144.73*122.05*133.86*99.45*112.16*

注：*表示泥炭藓湿地与泥炭藓退化湿地在同一土层上土壤有机碳含量差异显著(p<0.05)

3 讨论

3.1 七姊妹山泥炭藓湿地土壤有机碳空间分布规律

垂直方向上，泥炭藓湿地土壤有机碳含量最大值出现在土壤最表层(0～5 cm)，即新鲜泥炭藓残体层，这与蔡体久等的研究结果一致[2]。有研究表明在植被覆盖度较高和植物群落较稳定的区域，其表层土壤有机碳含量较高[10]。本文涉及的研究区内，表层土壤泥炭藓盖度可高达100%，泥炭藓分解的残体主要积累于表层土壤。因此，土壤表层(0～5 cm)有机碳含量显著高于其它土层。另外，湿地土壤有机碳在垂直方向分布的差异性，与根系分布有一定关系，分布在土壤浅表层的植被根系能够提供丰富的碳源[9]，研究区草本植物根系多分布在15 cm，存在明显的空间分布特性。而土壤有机碳含量在10～25 cm处有增加趋势，很可能与草本植物根系分布有关。水平方向上，泥炭藓湿地从中心至边缘，泥炭土土层厚度呈递减趋势，这与泥炭地的发育情况有着密切的关系。研究表明，泥炭藓湿地的中心位置是泥炭藓最初定居生长的位置，由于水淹、缺氧及低温等环境下泥炭藓凋落物与残体难以分解，逐渐积累矿化形成泥炭[11-12]。

七姊妹山泥炭藓湿地0～50 cm土层土壤有机碳含量为28.75～377.72 g·kg-1，远低于寒温带的小兴安岭沼泽湿地和若尔盖沼泽湿地，略低于同属于亚热带的草海湖泊湿地(表3)[2，20-21]。研究表明，在大区域尺度上，湿地土壤有机碳含量的变化受气候、植被覆盖状况、成土母质和水文条件等影响较大，而在小尺度范围内，在气候和母质基本一致的条件下，主要受植被覆盖状况和土壤水文条件的影响[13]。七姊妹山位于亚热带湿润区气候，年均温度高于寒温带地区，湿地土壤有机碳含量低于寒温带湿润区。较高的温度会增强微生物活性并加快对土壤有机碳的分解，不利于有机碳的积累[14-15]。因此，研究区有机碳含量低于寒温带的沼泽湿地，很可能与温度有关。另外，也有可能与泥炭积累深度有关，取样过程中发现七姊妹山泥炭藓湿地泥炭层深度为50 cm左右，而小兴安岭与若尔盖等地区泥炭层厚度可达1 m以上[16-17]。泥炭积累深度直接影响有机碳含量的高低。同为亚热带湿润区域，本研究的有机碳含量略低于草海湖泊湿地，其原因可能是草海湖泊湿地常年处于1～2 m的积水环境中，而研究区地下水位仅接近地表。较深的地下水位有利于形成较好的厌氧环境，微生物活性减弱并降低有机碳分解速率，有机碳能够大量积累[18-19]。

表3 不同地区湿地土壤有机碳含量比较

3.2 人为干扰对泥炭藓湿地土壤有机碳的影响

人为干扰后的泥炭藓退化湿地土壤有机碳含量和有机碳密度都明显低于无人为干扰的泥炭藓湿地。湿地中泥炭藓作为最主要的优势植物，被人类长期开采破坏后，会导致湿地原有的水环境及厌氧环境遭受破坏，土壤通气性及微生物活性增加，有机碳的矿化分解速率增加[22]。湿地土壤的水分条件及水文波动是影响植物残体分解的重要因素，对泥炭的转化有重要影响[23]。退化后的泥炭地固碳能力会大幅度下降[24]，土壤泥炭化和潜育化过程减弱或终止，不利于泥炭的积累，因此泥炭藓退化湿地土壤有机碳含量较低。

另外，泥炭藓作为湿地重要的有机碳输入源，其本身的光合与呼吸作用直接参与土壤碳循环，其植物残体的分解会显著影响土壤碳储量。泥炭藓一年光合累计固碳量约为70～600 g·m-2[25]，其中8%～25%通过呼吸作用释放掉[26]。通过同位素示踪研究发现，泥炭地中64%以上的可溶性碳来自泥炭藓的光合作用，同时大部分呼吸释放的碳也来自泥炭藓的光合产物[27]，泥炭藓所固定的碳占全球土壤碳库中30%的碳[28]。由此可见，泥炭藓作为湿地土壤有机碳的主要贡献者，在湿地保水、保湿和碳储存等方面发挥着重要作用。泥碳藓作为一种特殊的植物资源，应该大力加强保护。