基于景观尺度下的鄱阳湖湿地浅层土有机碳的空间特征
2020-03-19谢冬明温丽易青周国宏黄庆华陈家欣周杨明钱海燕
谢冬明,温丽,易青,周国宏,黄庆华,陈家欣,周杨明,钱海燕
1.江西科技师范大学,江西,南昌 330000
2.江西师范大学地理与环境学院,江西,南昌 330022
3.东华理工大学地球科学学院,江西,南昌 330013
0 前言
全球碳循环已经在科学和政治领域受到广泛关注[1],土壤有机碳也是全球变化响应的关键因子[2]。在碳循环中,湿地扮演着关键而又多样的角色[3]-[4]。湿地地上植物和土壤,储存了大量的碳[5]。湿地通过固碳调控了温室气体的平衡,从而发挥了显著的生态系统服务功能[6]-[7]。然而,由于湿地碳循环过程受气候、地形、水文、土壤、植被和人类干扰等多种因素控制,湿地碳空间分布的异质性更为复杂[8]。我国湿地生态系统监测刚刚起步,对湿地碳的监测并不足,造成我国湿地有机碳库计量尤为困难[9]。因此,开展区域微观尺度上的湿地土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)的实验研究,对于准确评估我国湿地固碳增汇的计量,维护我国温室气体减排国际谈判的正当权益都具有重要意义。
鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊湿地,是我国第一批列为国际重要湿地名录的湿地[10]。近年来,鄱阳湖湿地土壤有机碳的研究成果有一些报道。如吴琴等研究表明从植被类型角度研究土壤有机碳含量、碳密度均以苔草植物群落最高,其他依次为南荻群落、南荻+苔草群落、芦苇群落、水蓼群落;土壤水分与植物生物量是鄱阳湖湿地土壤有机碳分布的 2 个主要影响因子,土壤水分能解释湿地浅层0 —15 cm 有机碳40%的变异,总生物量则能解释 28%的土壤有机碳变异[11]。马逸麟等研究表明与全国农业地质调查数据进行对比,鄱阳湖区土壤的有机碳密度高于全国农业地质调查区内浅层土壤有机碳密度的 10.86%,中层及深层土壤的有机碳密度与全国农业地质调查区平均水平接近,显示研究区土壤的有机碳储量巨大[12]。付珊等研究表明,随着水位梯度与群落类型的变化,土壤碳、氮、磷化学计量比发生显著变化,且土壤碳氮比和碳磷比的变化主要取决于有机碳含量,氮磷比的变化主要受控于全氮含量;岗地、天然堤、洲滩和水域0~30 cm深度土壤有机碳储量呈现倒“U”形变化,以天然堤最高[13]。Wang等对鄱阳湖湿度洲滩芦苇群落、蒌蒿群落、水蓼群落、灰化苔草群落、虉草群落的土壤总有机碳(TOC)进行了研究,结果表明不同洲滩植物群落土壤总有机碳差异比较明显,其中灰化苔草群落土壤总有机碳含量最高,虉草群落土壤总有机碳含量最低[14]。马逸麟等和吴琴等的研究是在1 km和0.8 km的尺度上获取的土壤样品,且主要基于公路两侧进行布点采样,对于异质性更为复杂的湿地土壤有机碳研究未能准确反映其有机碳的梯度特征。付珊等的研究虽然考虑水位梯度变化,然而主要是研究区域的差异,取样点分别为岗地、天然堤、洲滩和水域等,并非严格的景观尺度下的水位梯度。Wang等是以植物群落为研究对象,没有考虑景观尺度下的分布格局。鄱阳湖是一个浅水湖泊,年内水位变化超过 10 m,年际间最大变幅超过 16 m,水位的剧烈变化,对湿地生态系统具有重要影响[15]。因此,开展基于景观尺度下的鄱阳湖湿地土壤有机碳的梯度研究更具有科学性。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
鄱阳湖湿地位于北纬 28°22′至 29°45′,东经115°47′至 116°45′。地处江西省的北部,长江中下游南岸[16]。鄱阳湖及其流域属亚热带湿润季风型气候,受西伯利亚寒流和副热带高压影响,鄱阳湖及其流域冬春寒、夏多雨、秋旱特征,年降水量超过1640 mm,主要集中在4—6月[17]。鄱阳湖是鄱阳湖流域的聚水区,流域面积 16.22×104km2,占江西省面积97%,流域内的赣江、抚河、信江、饶河(上游由昌江和乐安河组成,在鄱阳县姚公渡处汇入饶河)、修河五大河流经鄱阳湖,然后进入长江,鄱阳湖历史上最大水域面积超过5000 km2[18]。鄱阳湖是一个季节性湖泊,鄱阳湖水位变化非常显著,年内变幅超过 10 m,年际间最大变幅达16.69 m[19]。
本研究试验样地选在鄱阳湖国家自然保护区的泗洲头、蚌湖和常湖池的洲滩以及保护区所在地的吴城岛上的林地、菜地和田地(图1)。其中泗洲头为洲滩前缘,水位变化不受人为控制,蚌湖属于半人工控制湖泊,枯水期水位随鄱阳湖水位的变化而变化,但是有一定的滞后;常湖池为人工控制湖泊,丰水期与鄱阳湖湖体相连(当鄱阳湖水位在16 m以上),枯水期与鄱阳湖湖体分开,但湖底高程在12 m以上。岗地(林地、田地和菜地)采样点海拔高程 20—30 m。
1.2 实验设计
蚌湖、泗洲头洲滩两个样地设 7个采样区,每个采样区设3个采样点,共42个采样点;常湖池洲滩样地设5个采样区,每个采样区设3个采样点,共15个采样点;林地、菜地和田地各设3个采样点。根据鄱阳湖多年水位变化规律,按照湿地水位梯度,蚌湖、泗洲头洲滩两个样地从10 m(星子水文站,吴淞高程,下同)水位至17 m水位区间,以1 m落差分别设置7个采样区,每个采样区设置3个采样点(即<11 m、11—12 m、12—13 m、13—14 m、14—15 m、15—16 m、>16 m),常湖池洲滩从12 m水位至17 m水位区间,以1 m落差分别设置5个采样区,每个采样区设置3个采样点(即12—13 m、13—14 m、14—15 m、15—16 m、>16 m)。洲滩采样区和采样点设置的条件包括:(1)采样点到等高线的距离比较均匀,一般位于高程线的中间部位;(2)可达性,地势平坦,即方便取样;(3)同一采样区中的采样点间隔距离在150 m以上;(4)没有人类活动干扰的痕迹。在取样点处,用不锈钢取土器分别获得0—10 cm和10—20 cm的两个土层的各五个土样,将五个土样充分混合后装入密封袋,带回实验室进行处理。地上生物量取样方法是,在取样点处,用事先做好的 1m2的不锈钢圈轻放在草地上,在1 m2的样方内,齐地收集植物的地上生物量,清查样方中的凋落物,用密封袋带回实验室分析。本实验样品于2016年1月21—23日获得。
图1 鄱阳湖采样点Figure 1 Location for sampling dot in Poyang Lake(TM image 2009.2.12)
1.3 数据来源及说明
本文水文数据为星子水文站(1954—2013)的历年逐日平均水位数据,吴淞高程。
1.4 样品分析方法
将获取的土壤样品带回实验室,根据《土壤农业化学方法》[20]土壤容重和含水量检测方法计算土壤容重和含水率。土壤有机碳按照国家标准《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》[21]中的有机碳测定方法。将获取的生物量带回实验室用清水冲洗,除去泥沙,然后进行烘干称重,80℃恒温烘干至少48 h至恒重[29]。
1.5 统计分析
利用SPSS 21.0、Excel 2016对试验数据进行统计分析。
2 结果
2.1 土壤有机碳特征
蚌湖洲滩土壤(特别是0—10 cm土层)土壤有机碳的梯度特征比较明显,从低海拔高程向高海拔高程呈现递增到递减的变化过程(0—10 cm 土层的土壤有机碳含量变化值为 6.36—23.32 g·kg-1,10—20cm土层的土壤有机碳含量变化值为 4.14—8.88 g·kg-1,土层 0—10 cm 的土壤有机碳含量最高值出现在14—15 m高程,其次是13—14 m高程,土层10—20 cm的土壤有机碳含量含量变化不及土层 10—20 cm变化显著,但其土壤有机碳的含量最高值仍然出现在14—15 m高程,其次是10—11 m高程;土层0—10 cm的土壤有机碳含量明显高于土层10—20 cm 的土壤有机碳含量,极差值达 14.61 g·kg-1,出现在14—15 m高程。泗洲头洲滩土壤(特别是0—10 cm土层)土壤有机碳的梯度特征比较明显,从低海拔高程向高海拔高程呈现递增到递减的变化过程(0—10 cm土层的土壤有机碳含量变化值为 1.56—12.29 g·kg-1,10—20 cm土层的土壤有机碳含量变化值为0.96—8.19 g·kg-1),土层0—10 cm的土壤有机碳含量最高值出现在13—14 m高程,其次是11—12 m高程,土层 10—20 cm的土壤有机碳含量含量变化不及土层 10—20 cm变化显著,但其土壤有机碳的含量最高值仍然出现在13—14 m高程,其次是10—11 m高程;土层0—10 cm的土壤有机碳含量明显高于土层 10—20 cm 的土壤有机碳含量,极差值达4.1 g·kg-1,出现在13—14 m高程。常湖池洲滩土壤(特别是0—10 cm土层)有机碳的梯度特征比较明显,从低海拔高程向高海拔高程呈现递增的变化过程(0—10 cm土层的土壤有机碳含量变化值为 6.51—18.91 g·kg-1,10—20 cm土层的土壤有机碳含量变化值为3.83—10.05 g·kg-1),土层0—10 cm的土壤有机碳含量最高值出现在16—17 m高程,其次是14—15 m高程,土层10—20 cm的土壤有机碳含量变化不及土层 10—20 cm变化显著,土壤有机碳的含量最高值出现在14—15 m高程,其次是13—14 m高程;土层0—10 cm的土壤有机碳含量明显高于土层10—20 cm 的土壤有机碳含量,极差值达 12.36 g·kg-1,出现在 16—17 m高程。林地土壤上层有机碳含量为8.72 g·kg-1,菜地土壤上层有机碳含量为 7.20 g·kg-1,田地土壤上层有机碳含量为 12.02 g·kg-1;林地土壤下层有机碳含量为5.03 g·kg-1,菜地土壤下层有机碳含量为4.62 g·kg-1,田地土壤下层有机碳含量为 7.70 g·kg-1(表1 和图2)。
表1 不同景观类型土壤有机碳剖面分布Table 1 Profile distribution of soil Organic carbon in different Landscape types
图2 土壤有机碳Figure 2 SOC in surface soil
2.2 土壤有机碳比较
鄱阳湖不同景观类型浅层土壤有机碳的含量差异极显著,其中洲滩浅层土壤(特别是 0—10 cm 土层)随高程递增而出现明显的递增到递减的过程;湿地景观类型中,常湖池土壤有机碳较高,泗洲头土壤有机碳较低;岗地景观类型中,浅层土壤(特别是0—10 cm土层)土壤有机碳含量田地高于林地,高于菜地,田地土壤有机碳含量最高,菜地土壤有机碳含量最低;六种景观类型中,0—10 cm 土层有机碳依次是常湖池>田地>蚌湖>林地>菜地>泗洲头(F=23.972,P= 0.000 < 0.01),10—20 cm 土层有机碳依次是田地>蚌湖>常湖池>林地>菜地>泗洲头(F=16.674,P= 0.000 < 0.01);而同一景观类型中,不同高程的土壤有机碳差异性不显著(F=2.195,P=0.067>0.05)(表1和图3)。
2.3 其他环境因子与土壤有机碳的关系
2.3.1 土壤含水量与土壤有机碳
图3 不同景观类型土壤有机碳均值Figure 3 SOC in surface soil in different landscapes
鄱阳湖湿地不同景观类型的土壤含水量的有一定差异,蚌湖洲滩土壤(0—10 cm)含水量从湖岸至湖底呈现递减的趋势,泗洲头、常湖池洲滩土壤含水量从湖岸至湖底呈现递增到递减的变化过程。三种洲滩景观类型的土壤(0—10 cm)土壤含水量从大到小依次为蚌湖、常湖池和泗洲头。泗洲头土壤含水量最大值出现在13—14 m高程,蚌湖土壤含水量最大值出现在10—11 m高程,常湖池土壤含水量最大值出现在13—14 m高程;三种洲滩景观类型土壤(10—20 cm)土壤含水量与洲滩土壤(0—10 cm)含水量呈现相似的变化规律。三种岗地景观类型土壤(0—10 cm)的土壤含水量从大到小依次为田地、菜地和林地;三种岗地景观类型土壤(10—20 cm)的土壤含水量差异不明显(图4)。土壤有机碳与土壤含水量的相关性检测表明两者具有显著相关性(P= 0.000 < 0.01),相关系数为 0.307,具有显著正相关性。一般认为,土壤含水量越高,土壤微生物的活性就越低,有利于土壤有机碳的储存,土壤有机碳含量也越高[22]。
2.3.2 土壤pH值与土壤有机碳
通过土壤pH分析表明,泗洲头洲滩、蚌湖洲滩和常湖池洲滩土壤 pH值从湖岸至湖底呈现上升的趋势,表明湖岸土壤酸性更强,而湖底土壤碱性更强。三种景观类型的土壤 pH值从大到小依次为泗洲头、蚌湖和常湖池,表明泗洲头土壤偏向碱性,而常湖池土壤偏向酸性。泗洲头洲滩和蚌湖土洲滩壤上层和下层pH相差不大,而常湖池洲滩土壤pH值上层土壤高于下层土壤,表明常湖池土壤上层偏向碱性,而下层偏向酸性,特别是高程 16—17 m,土壤下层呈现强酸性。三种岗地景观类型的土壤 pH值差异性不明显,整体呈现中酸性土壤特征,土壤(0—10 cm)土壤 pH值低于土壤(10—20 cm)的土壤pH值,表明浅层土壤酸性强于下层土壤(图5)。土壤pH值对土壤有机碳的影响较为复杂,特别是随着水淹时间的变化而发生变化[23]。从总体上看,不同景观类型土壤有机碳与土壤 pH值呈显著相关性(P=0.004 < 0.01),相关系数为-0.133,具有显著负相关性。
2.3.3 洲滩生物量与土壤有机碳
图4 土壤含水量Figure 4 Water content in surface soil in different landscapes
鄱阳湖湿地不同洲滩景观类型的地上生物的分布特征有一定差异,泗洲头洲滩和蚌湖洲滩样地由湖岸至湖底依次为假俭草(狗牙根)群落、南荻群落、灰化薹草群落(分布宽度最大,从 11—15 m 高程都有分布)、水田碎米荠群落;而常湖池洲滩样地由湖岸至湖底依次为芦苇(水蓼)、南荻群落、灰化薹草群落(分布宽度最大,从13—15 m高程都有分布)、水田碎米荠群落[24]。根据样品测算结果,随洲滩高程变化泗洲头洲滩样地单位面积生物量干重呈现以下特征:最大值出现在13—14 m高程,最低值出现在10—11 m高程,高程大于16 m时,生物量干重也较低;蚌湖洲滩单位面积生物量干重呈现以下变化特征:生物量干重最大值在14—15 m高程,生物量干重最低值在10—11 m高程,高程大于16 m时,生物量干重也较低;常湖池洲滩样地单位面积生物量干重呈现以下特征:生物量干重最大值在16—17 m高程,生物量干重最低值在12—13 m高程(图6)。三种岗地景观地上生物与湿地洲滩差异明显,林地地上生物主要是乔木(杉木、马尾松、毛竹、苦楝等)、灌木(山茶科油茶、蔷薇科的野蔷薇、悬钩子等)、草本(地钱草、狗尾草、海金沙等);菜地植被覆盖物主要是油菜;田地留有水稻茬,但被水淹没。地上部分生物量与土壤有机碳呈显著相关性,(P= 0.000 < 0.01),相关系数为0.231,具有显著正相关性。地上部分生物量会直接影响土壤有机碳的分布,地上部分生物量越大,生物类型越丰富,土壤有机碳的含量就越高[25]。因此,地表植被的退化,会造成土壤有机碳的快速流失[26]。
图5 土壤pH值Figure 5 pH in surface soil in different landscapes
图6 地上部分生物量Figure 6 Above-ground biomass in different landscapes
3 讨论与结论
3.1 讨论
本文的研究区域包括了鄱阳湖区多种景观类型,既有受人类活动干扰最小的洲滩前缘泗洲头,也有受人类活动干扰最大的菜地和田地。从六种景观类型浅层土壤有机碳含量的比较来看,人类活动对于浅层土壤有机碳含量的影响并没有直接表现出来,现有结果不能解释受人类活动干扰最大或最小的景观其浅层土壤的有机碳含量就小或大,表明不同景观类型浅层土壤有机碳含量受人类活动干扰的影响不明显。
从洲滩高程变化与浅层土壤有机碳含量的分布变化比较来看,土壤淹水时间与洲滩浅层土壤有机碳含量没有显著的线性关系,淹水时间越长(低海拔高程)或越短(高海拔高程),浅层土壤有机碳含量并非越高或越低(高海拔和低海拔浅层土壤有机碳要比中海拔高程浅层土壤有机碳含量低),现有研究成果表明,湿地土壤有机碳含量与淹水时间存在一定的相是关性,淹水条件使得湿地处于低氧或厌氧环境[27]-[28],限制了有机物质分解,使得土壤中轻组有机质含量与比例增加,因而水位增高促进了与土壤中轻组有机碳含量积累[29]。土壤容重与浅层植被类型存在显著相关性。土壤容重越小,土壤有机碳含量含量越高;湖草洲滩土壤有机碳含量要高于芦苇洲滩土壤有机碳含量,远高于农田土壤有机碳含量[30],这一结论与本文的研究结果相似(如蚌湖和常湖池洲滩浅层土壤有机碳含量明显高于田地、林地和菜地浅层土壤有机碳含量)。
从洲滩地上植物生物量变化与浅层土壤有机碳含量的分布变化比较来看,洲滩地上生物量越高,其浅层土壤有机碳含量也就越高,表明洲滩浅层土壤有机碳含量主要受地上生物量的影响较大。而田地、林地和菜地景观的浅层土壤有机碳含量与地上生物量的关系并不明显。张雨天等研究则表明高潮滩的芦苇带土壤有机碳含量储量高于中潮滩的互花米草带,芦苇和互花米草带有机碳含量储量均显著高于海三棱藨草带和光滩[31],这表明不同植被类型浅层土壤有机碳含量存在差异性,本文的研究结果与这一结论比较一致(如南荻植被群落浅层土壤有机碳含量最高,而狗牙根(假俭草)植被群落的浅层土壤有机碳含量较低)。
鄱阳湖洲滩浅层土壤有机碳含量与高程变化呈现“倒U”分布规律性,这主要是因为鄱阳湖湿地是一个季节性湖泊,年内和年际水位变化显著,同时鄱阳湖湿地洲滩多年处于交替淹水过程,低海拔高程洲滩淹水时间过长,洲滩光照时间较短,不利于洲滩植物的正常生长,过低的生物碳沉淀,减少了土壤有机碳的积累[32]。高海拔高程洲滩退水时间过长,地下水位较低,而洲滩植物根系较浅,造成洲滩植物水分不足,也不利于洲滩植物的正常生长,从而降低了生物碳沉淀,减少了土壤有机碳含量的积累[33]。而中海拔高程出露时间与洲滩植物生产时间比较一致,在充足的土壤水分和阳光照射下,有利于洲滩植物南荻群落的发育和生长,也积累了更多的浅层土壤有机碳含量[34]。
3.2 结论
鄱阳湖湿地不同景观类型浅层土壤有机碳含量差异性比较显著,土壤有机碳含量(特别是0—10 cm土层)由大到小分别是半人工控制碟形湖泊洲滩(蚌湖)>人工控制碟形湖泊洲滩(常湖池)>田地>林地>菜地>洲滩前缘洲滩(泗洲头)。0—10 cm土层有机碳含量明显高于 10—20 cm土层有机碳含量,表明鄱阳湖区土壤有机碳含量主要富集在土壤浅层的特征。同一景观类型,不同高程的土壤有机碳差异不显著。鄱阳湖区浅层土壤有机碳含量与人类活动干扰强度、土壤淹水时间没有显著的相关性,在洲滩土壤中,浅层土壤有机碳含量与地上生物量具有显著的相关性,与地上植被类型也存在一定的关联性。而田地、林地和菜地浅层土壤有机碳含量与地上生物量、地上植被类型的相关性不确定。