东平湖湿地土壤有机碳分布特征及其影响因素

张智博，刘 涛，伍青山，殷山红，张 菊，邓焕广

（聊城大学环境与规划学院，山东 聊城252000）

土壤有机碳是指存在于土壤中所有含碳的有机物质，是土壤碳素的重要组成部分，包括土壤中的动植物残体、微生物体及其分解和合成的各类有机物质［1］。土壤有机碳作为陆地生态系统和全球碳循环过程中的重要碳库，其碳库总储量大约是植被碳库的2倍，是大气碳库的2/3［2］。土壤有机碳在全球物质循环和能量交换过程中具有重要意义，土壤碳库的微小变化都可能直接或间接影响全球气候变化。

湿地是同时具有水陆两相特征的独特生态系统，是地球生态环境的重要组成部分，也是碳循环和转化的重要场所，湿地土壤碳库的源、汇转化与气候变化有着密切联系［3］，在控制全球气候变化、维持湿地生态平衡等方面发挥着重要作用［4］。近年来，典型湿地土壤有机碳的研究已成为当前湿地环境研究的热点。曹生奎等［5］发现，青海湖高寒湿地土壤不同植被类型下土壤有机碳含量的垂直分布整体上呈现“高-低”和“低-高-低”变化趋势；吴琴等［6］分析了鄱阳湖湿地0～50 cm土壤有机碳的分布特征及其影响因子，发现有机碳含量自表层以下急剧降低，且空间分布主要受土壤水分与植物生物量影响；郝翠等［7］研究表明，天津滨海湿地土壤表层（0～30 cm）有机碳含量为（8.55±3.98）g/kg，平均土壤有机碳密度为（4.70±1.91）kg/m2，低于全国平均水平 9.60 kg/m2；吴江琪等［8］研究发现，积水状况对尕海湿地土壤活性有机碳含量有显著影响。

东平湖是山东省典型的浅水型湖泊，是南水北调东线工程的主要调节湖和山东省西水东输的水源地，总面积627 km2，湖区总库容近40亿m3，分为老湖和新湖，其中老湖区面积209 km2，常年有水，多年平均水深为 2.5 m［9-10］。 张菊等［11］发现，东平湖表层（0～5 cm）沉积物有机质的平均含量为（22.4±9.68）g/kg，是山东省土壤有机质背景值的1.9倍。近年来关于东平湖沉积物/土壤重金属的研究较多，但是对沉积物/土壤有机碳含量分布及其影响因素的研究相对较少，关于季节对有机碳含量影响的分析更少。笔者以东平湖湿地土壤为研究对象，分析了全湖有机碳含量的总体水平，探讨了东平湖有机碳含量的分布特征以及区域、季节和深度对有机碳含量的影响，以期为东平湖湿地碳的源汇研究及客观评价其在区域气候变化中的作用提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东平湖位于山东省东平县西部的鲁中山区与鲁西平原交接地带，北通黄河，东连大汶河，西靠京杭大运河［12］，在维持生态平衡等方面有着重要作用。该区域属于温带大陆性季风气候区，降水季节分布不均，多年平均年降水量为624.4 mm，降水主要集中在7—9月。东平湖湿地土壤类型以石灰性潮土和湿潮土为主［13］。据相关资料［14］，2003—2004年东平湖水生植物共18种，其中挺水植物4种、浮叶植物3种、漂浮植物3种、沉水植物8种。

1.2 样品采集与分析

为了探究东平湖湿地土壤有机碳的含量水平，通过实地踏勘，于2015年7月在东平湖全湖范围内设置了33个采样点，用自制土壤原位采样器采集沉积物样品，同时利用GPS定位。自制土壤原位采样器为内径3.3 cm、长20 cm且两端带有螺纹的有机玻璃管，将其压入沉积物中，使柱状沉积物进入有机玻璃管。为避免沉积物在运输过程中受到扰动，在沉积物上部装满上覆水，取出玻璃管后在其两端垫上硅胶垫并用有机玻璃盖密封，置于冷藏箱中低温保存。运回实验室后，在玻璃管底部垫上直径为3.3 cm的橡胶垫，将沉积物缓慢推出。因底部沉积物在取出过程中易受力变形，试验只选用玻璃管中0～5 cm的样品。

同时，为了研究区域、季节和深度对土壤有机碳含量的影响，根据湖区的植被类型和土地利用方式，确定菹草区、芦苇区、养殖区和近岸水草混生区4种典型区域为研究对象，分别于2015年7月（夏季）、11月（秋季），2016年1月（冬季）、4月（春季）在上述区域采用自制土壤原位采样器采集原状土壤柱样各3根，带回实验室后取0～5 cm的样品按1 cm进行分层。所采土样经自然风干、研磨、过60目筛后保存于密封袋中待测。土壤容重采用环刀法测定，有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定［15］。

1.3 数据的统计分析与制图

采用Excel 2007和SPSS 22.0进行数据处理，利用Arcmap 10.2和Origin 2015制图。

1.4 储量估算方法

单位面积一定深度土壤有机碳储量的计算公式［16］：

式中：Tc为单位面积一定深度范围内土壤有机碳储量，kg/m2；Di为土壤容重，g/cm3；Wc为土壤有机碳含量，g/kg；di为第 i层厚度，cm；n为层数，本研究深度范围是5 cm，共5层，每层深度为1 cm。

2 结果与分析

2.1 东平湖湿地土壤有机碳含量水平

东平湖湿地表层土壤有机碳含量为2.29～57.91 g/kg，平均值为15.16 g/kg。东平湖有机碳平均含量低于青海湖和四方湖湿地土壤有机碳含量，但显著高于天津滨海湿地和闽东滨海湿地土壤有机碳含量。根据 Wilding［17］的划分标准，空间变异系数 CV在0～15%范围内为轻度变异，在16%～35%范围内为中度变异，大于36%为高度变异。东平湖有机碳含量的CV均高于其他湖泊和滨海湿地的，高达73.87%，属于高度变异，表明东平湖土壤有机碳含量空间分布差异较大，见表1。

全湖区有机碳含量分布具有显著空间变化特征，见图1。有机碳含量最高值出现在北边12号采样点，最低值出现在东南角18号采样点，且有机碳含量整体上表现为西北高、东南低的变化趋势，这可能与湖区地形、有机物的陆源输入和人类活动有关。北部（11、12、13号采样点）有机碳含量偏高，其原因可能是，湖区北部湖面狭窄，风浪小，芦苇分布广，腐烂的有机物不易扩散，多沉积于此。西北部（30～33号采样点）有机碳含量偏高，其原因可能是，该区域靠近岸边，受陆源输入的影响较大。入湖口处（15～19号采样点）有机碳含量偏低，其原因，一方面是人为收割芦苇，降低了芦苇腐烂期有机质的释放量；另一方面是入湖口流速较大，将有机质冲刷到了其他区域。

表1 东平湖湿地土壤有机碳含量及与其他湿地比较

图1 东平湖土壤有机碳含量空间分布

2.2 东平湖湿地土壤有机碳含量影响因素分析

2.2.1 区域对有机碳含量的影响

不同区域有机碳含量的平均值为芦苇区（27.29 g/kg）＞养殖区（20.93 g/kg）＞菹草区（17.65 g/kg）＞混生区（10.97 g/kg），各区域土壤容重的平均值为混生区（1.82 g/cm3）＞菹草区（1.67 g/cm3）＞养殖区（1.61 g/cm3）＞芦苇区（1.42 g/cm3），见表 2。 从水平分布情况来看，各采样点中，土壤有机碳含量在不同区域具有显著性差异（显著性水平p＜0.01）。有机碳含量的最高值出现在芦苇区，最低值出现在混生区。植被覆盖和水域利用方式的不同导致土壤有机碳来源存在较大差异，因此各区域有机碳含量差异较大。从CV来看，养殖区有机碳含量在深度上是中度变异，在季节上是高度变异；菹草区有机碳含量在深度和季节上都是中度变异；芦苇区和混生区有机碳含量在深度和季节上都是高度变异。土壤容重在不同区域具有显著性差异（p＜0.01），土壤容重的最高值出现在混生区，最低值出现在芦苇区。从CV来看，菹草区土壤容重在深度和季节上、混生区土壤容重在季节上是轻度变异，其他均属于中度变异。

表2 各区域土壤有机碳含量及土壤容重

对各区域有机碳含量和土壤容重进行差异性检验，结果显示，芦苇区有机碳含量显著高于其他区域的，混生区有机碳含量显著低于其他区域的；芦苇区土壤容重显著低于菹草区和混生区的，养殖区与其他区域之间、菹草区和混生区之间不具有显著性差异。

2.2.2 土层深度对有机碳含量的影响

各区域土壤有机碳含量随深度的变化见图2。在0～1、1～2、2～3、3～4 cm 这4 个深度上，有机碳含量表现为芦苇区＞养殖区＞菹草区＞混生区；在4～5 cm深度，表现为芦苇区＞菹草区＞养殖区＞混生区。4种区域，有机碳含量的最大值均出现在0～1 cm，显著高于其他深度的（p＜0.05），而其他各深度之间不具有显著性差异（p＞0.05）。随着深度的增加，自表层往下土壤有机碳含量整体上呈现逐渐降低的趋势。从CV来看，自表层向下各深度有机碳含量的CV值分别为52%、65%、47%、67%和66%，均属于高度变异。此外，各区域0～1 cm深度的有机碳含量的变化与其他土层相比均较为强烈。

图2 各区域土壤有机碳含量随深度的变化

由图2可见，养殖区有机碳含量的变化幅度最大，有机碳含量减小了48%；其次为混生区，有机碳含量减小了37%，而且随着土壤深度的增加，其变化速率呈递减趋势；芦苇区有机碳含量减小了32%，且在0～1 cm、1～2 cm这两个深度上芦苇区有机碳含量减小的速率明显高于其他区域和深度的；菹草区有机碳含量变化幅度最小，减小了17%。

2.2.3 季节对有机碳含量的影响

东平湖表层土壤有机碳含量季节分布见图3。土壤有机碳含量季节变化表现为夏季含量显著高于其他3个季节的（p＜0.01），春季含量显著低于其他3个季节的（p＜0.01），而秋、冬季有机碳含量不具有显著性差异（p＞0.05）。 从 CV来看，夏、秋、冬、春 4 个季节有机碳含量的CV分别为39%、64%、54%和63%，均属于高度变异。

图3 东平湖表层土壤有机碳含量季节分布情况

2.2.4 区域、季节和深度的交互影响分析

对区域、季节及深度3个因素进行两两交互性差异检验，结果表明，不同区域与季节，有机碳含量具有极显著性差异（p＜0.01），而在不同区域与深度、不同季节与深度有机碳含量则不具有显著性差异（p＞0.05），这表明区域与季节对有机碳含量具有交互作用影响。不同区域、不同季节土壤有机碳含量分布见表3（数据为平均值±标准偏差，样本数n＝80）。

表3 各季节不同区域土壤有机碳含量 g/kg

2.3 东平湖湿地土壤有机碳储量估算

芦苇区、养殖区、菹草区和混生区表层5 cm深度土壤有机碳储量分别为 1.95、1.68、1.47、0.90 kg/m2。对各区域表层有机碳储量进行单因素方差分析，结果显示不同区域储量具有极显著性差异（p＜0.01）。各区域表层有机碳含量的平均值与储量估算结果对比见图4（不同小写字母表示不同区域间具有显著性差异），可以看出，各区域有机碳储量间的差异性与含量间的差异性不同，各区域储量间的差异性：混生区显著低于芦苇区和养殖区（p＜0.01），其他区域之间不具有显著性差异（p＞0.05）；各区域有机碳含量的差异性：除养殖区和菹草区不具有显著性差异（p＞0.05）外，其他区域间均具有显著性差异（p＜0.01）。对有机碳含量与土壤容重进行相关性分析，结果显示，二者呈极显著负相关（相关系数 r＝ -0.319，p＜0.01），这与郝翠［7］等的研究结果一致，即土壤容重越小，有机碳含量越大。因此，含量与储量间差异性的区别可能是土壤容重造成的。

图4 不同区域有机碳储量和含量对比

与其他区域对比分析来看，鄱阳湖湿地芦苇群落50 cm 深度内土壤碳储量为 3.27～5.61 kg/m2［6］，洪泽湖芦苇群落45 cm深度土壤碳储量为5.32 kg/m2［20］，相比之下，东平湖湿地（5 cm深度）土壤有机碳储量更高。

3 讨 论

土壤有机碳含量主要受区域、深度和季节的影响，同一区域，深度和季节的影响机制又存在差异，这可能与不同植被的生长习性及有机碳的来源有关。

芦苇是一种适应能力很强的高生物量作物［21］，芦苇根系吸收营养元素，具有固碳作用［22］；同时芦苇死亡，其枯枝落叶会增加表层有机物质的含量［23］。芦苇区有机碳含量夏季最高，可能与雨水和径流增加了有机物质的输入有关。一般来说夏季有机碳含量普遍偏高，可能是夏季降水多，通过地表径流带入湖泊的污染物质沉积于湖泊表层，导致表层有机物质增多［24-25］。春季有机碳含量低可能原因是，春季是芦苇生长季节，沉积物中有机碳作为植物生长所需养分被植物吸收利用。

养殖区表层有机碳来源主要是饲料、动物粪便等有机物质，这些物质大部分只停留在表层，随着深度的增加，下层有机碳的来源逐渐减少。王广军等［26-27］研究表明，投放的饲料中仅25%被有效利用，其余均释放到水中和沉积物中，且水生动物排泄物均堆积在表层，导致表层沉积物有机物质含量较高。养殖区有机碳含量秋冬季节略高于春夏季节，其原因可能是，秋、冬季节是鱼蟹收获期，摄食量和排泄量增加，在鱼蟹收获后，残留的饲料沉积在沉积物表层。

菹草是一种秋季发芽，冬春生长，初夏逐渐衰亡腐烂的水生植物［28］。菹草从夏季开始逐渐大面积腐烂，腐败物沉积在表层，导致表层有机碳含量较高。腐烂期间菹草会释放出大量营养盐，而夏季正值藻类生长旺盛时期，菹草衰亡后释放的营养盐又加速了藻类物质生长，使得菹草区有机物质含量增多。同时，腐烂后的菹草沉积在沉积物表层被微生物快速分解，加速了有机物质的扩散，导致菹草区夏季有机碳含量增高。

混生区主要分布于东平湖岸边，受外界影响较大，各种人类活动可能直接或间接地破坏混生区的生态环境，使得该区域有机物质含量变化较大［29］。混生区有机碳含量随季节的变化幅度最大。夏季温度较高，微生物较活跃，有机氮被矿化成无机氮，导致沉积物中理化指标较高；同时，混生区位于湖岸边，有枯水期和丰水期之分，易受到陆源输入的影响，尤其是夏季雨水较多，大量污染物通过地表径流的方式经过岸边混生区输入湖泊，导致该区域夏季有机物质的含量较高。

4 结 论

通过对东平湖不同区域、不同季节表层（0～5 cm）土壤有机碳含量进行测定，分析了该湿地土壤有机碳含量的时空分布特征。东平湖湿地表层0～5 cm土壤有机碳含量整体上表现为西北高、东南低，不同区域间具有显著性差异，表现为芦苇区（27.29 g/kg）＞养殖区（20.93 g/kg）＞菹草区（17.65 g/kg）＞混生区（10.97 g/kg）。垂直分布表现为0～1 cm层含量最高，其他各层间不具有显著性差异。季节上表现为夏季含量最高，春季含量最低。表明土壤有机碳含量主要受区域、深度和季节影响，且受到区域与季节的交互作用影响。有机碳含量与土壤容重呈显著负相关关系，容重对有机碳储量具有一定影响。各区域土壤有机碳储量表现为芦苇区（1.95 kg/m2）＞养殖区（1.68 kg/m2）＞菹草区（1.47 kg/m2）＞混生区（0.90 kg/m2）。