氣候變化下橫斷山典型濕地優(yōu)勢(shì)植物生物量與土壤有機(jī)碳積累研究

阮書鵬　田昆　劉國(guó)棟　李暉

摘要：指出了高原濕地作為獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，其作為生態(tài)屏障為應(yīng)對(duì)全球氣候變化以及流域安全起到了關(guān)鍵的指示作用。以高原地區(qū)典型濕地納帕海（海拔3260 m）為研究對(duì)象，將茭草（IaniaCuciflora）與水蔥（Scirpus abernaemontani）2種濕地優(yōu)勢(shì)植物整體連同其土壤基質(zhì)移至海拔更低的麗江拉市海濕地（海拔2437 m）與昆明滇池流域（海拔1886 m），利用其獨(dú)特的立體氣候特征來分析研究納帕海濕地優(yōu)勢(shì)植物生物量增加對(duì)土壤有機(jī)碳積累的影響。研究表明，在經(jīng)過6年的自然演化后，2種納帕海濕地優(yōu)勢(shì)植物茭草與水蔥移至拉市海后與原生環(huán)境相比生物量分別增加50.9%和49.9%，土壤有機(jī)碳含量分別降低39.87%和47.31%；移至滇池流域后相比拉市海濕地茭草生物量增加20.3%，水蔥生物量增加18.8%，二者的有機(jī)碳含量分別下降40.05%和37.82%，表現(xiàn)出溫度升高導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)負(fù)反饋。通過分析三個(gè)研究地不同氣候，相同植物-土壤基質(zhì)的條件下植物生物量與土壤有機(jī)碳的異同，揭示了氣候變化下納帕海濕地植物生物量與土壤有機(jī)碳積累的相互聯(lián)系，為保護(hù)滇西北濕地生態(tài)功能提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：納帕海；高原濕地；植物生物量；土壤有機(jī)碳；氣候變化

中圖分類號(hào)：P467

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）8000704

1引言

濕地植物的生長(zhǎng)與濕地土壤的碳積累密切相關(guān)，是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)重要的生物因子，決定碳輸入的數(shù)量、形式及存留時(shí)間。植物生物量作為物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)基礎(chǔ)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能起著關(guān)鍵作用，強(qiáng)烈影響著濕地土壤的碳輸入（郭緒虎等，2013）。在受到以溫度升高為表征的氣候變化作用下，植物生物量必然受到影響，理論上溫度升高有利于廣域分布種的生長(zhǎng)發(fā)育，將為土壤提供更多的碳輸入，使得土壤有機(jī)碳積累水平增加，改善濕地土壤的理化性質(zhì)，增加保水與養(yǎng)分富集作用，進(jìn)而為濕地植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供條件。

高原濕地作為全球濕地的重要組成，對(duì)氣候變化十分敏感，位于橫斷山脈的納帕海高原濕地?fù)碛胸S富的濕地植物群落（董瑜等，2014），其生物量積累是碳循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，隨著氣候變暖，生物量積累增加，但土壤有機(jī)碳積累是否也隨之增加？本研究利用云南高原立體地形的海拔梯度變化所形成的立體氣候特征，以不同海拔梯度形成的溫度差異作為影響因子，分析研究納帕海濕地優(yōu)勢(shì)植物生物量增加對(duì)土壤有機(jī)碳積累的影響。進(jìn)一步了解和認(rèn)識(shí)高原濕地與氣候變化間的關(guān)系及其響應(yīng)過程，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供理論依據(jù)。

2材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以滇西北高原典型濕地納帕海（海拔3260 m）為研究對(duì)象，將適應(yīng)了納帕海濕地氣候條件的茭草（IaniaCuciflora）、水蔥（Scirpus abernaemontani）2種優(yōu)勢(shì)植物連同生長(zhǎng)基質(zhì)組成的植物-土壤單元，于2010年移至海拔2437 m的拉市海濕地和海拔1886 m的滇池流域。于植物生長(zhǎng)初期，在原生地納帕海分別挖取植株叢數(shù)不低于100 株的茭草、水蔥植物群落及其土壤單元（ 其中土壤厚約50 cm） ，各單元整體分別移栽至區(qū)域氣候條件不同的麗江拉市海湖濱、滇池流域，分別置于長(zhǎng)300 cm、寬150 cm、深100 cm 的實(shí)驗(yàn)池中，植物淹水深度以其原生環(huán)境為基準(zhǔn)，每種植物設(shè)3個(gè)重復(fù)，以滿足分析采樣和統(tǒng)計(jì)分析要求。同時(shí)，在移出地納帕海做同樣移出實(shí)驗(yàn)，以作比較研究的參照。三地氣候條件差異明顯，從分別設(shè)置于三地的Portlog自動(dòng)氣象站多年觀測(cè)數(shù)據(jù)（表1）可知，隨海拔降低，降水和氣溫隨之增加。

2.2樣品與數(shù)據(jù)采集

于2010年和2016年分別在納帕海、拉市海與昆明滇池流域三個(gè)研究地用原狀取土管采集10～30 cm土壤，用塑封袋包裝標(biāo)號(hào)后帶回，風(fēng)干后挑出根系，研磨過100目篩，用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)碳含量（鮑士旦，2000）。分別于2010年和2016年于植物生長(zhǎng)末期（9月）設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方，在每個(gè)調(diào)查樣方中分別齊地刈割25 cm×25 cm植株，帶回實(shí)驗(yàn)室放置于65℃的烘箱中，烘干至恒重，用電子天平分別進(jìn)行稱重，估算出植物生物量。

2.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007與SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)制圖。

3結(jié)果與分析

3.1茭草與水蔥兩種植物地上生物量

2010年實(shí)驗(yàn)池建立時(shí)采集計(jì)算三地的茭草與水蔥植物生長(zhǎng)末期地上生物量分別為（853. 6±58.2）g/m2和（730.7±7.8）g/m2，2016年納帕海茭草與水蔥生物量分別為（984.0±10.9）g/m2和（1122.6±11.9）g/m2；拉市海分別為（1484.6±13.7）g/m2和（1683.1±10.7）g/m2，相比納帕海茭草生物量增加50.9%，水蔥生物量增加49.9%；滇池流域分別為（1786.3±13.3）g/m2和（2000.9±11.5）g/m2，相比拉市海茭草生物量增加20.3%，水蔥生物量增加18.8%，呈現(xiàn)出隨海拔降低的溫度升高，茭草與水蔥的植物生物量逐漸增加的趨勢(shì)（圖1）。

3.2土壤有機(jī)碳含量變化

2010年試驗(yàn)初始時(shí)采集的三地茭草與水蔥土壤有機(jī)碳含量分別為（67.91±4.58）mg/kg與（55.11±6.31）mg/kg，實(shí)驗(yàn)建立6年后（2016年）納帕海濕地植物茭草的土壤有機(jī)碳含量為（60.34±3.91）mg/kg、水蔥的土壤有機(jī)碳含量為（65.78±4.72）mg/kg，移至麗江拉市海濕地后，隨著氣候條件的改變，特別是溫度的上升，茭草的土壤有機(jī)碳含量下降為（36.28±3.49）mg/kg、水蔥的土壤有機(jī)碳含量下降為（34.66±2.58）mg/kg、；移至滇池流域試驗(yàn)地后，茭草，水蔥2種植物的土壤有機(jī)碳含量分別為（21.75±1.35）mg/kg、（21.55±2.65）mg/kg。可見2種植物類型下的納帕海濕地土壤有機(jī)碳含量，均隨著海拔下降氣候條件改變的溫度上升，呈現(xiàn)出較為明顯的梯度下降（圖2）。移至拉市海濕地的2種植物茭草，水蔥土壤有機(jī)碳含量分別減少39.87%，47.31%；移至滇池流域2種植物的有機(jī)碳含量在拉市海減少的基礎(chǔ)上分別下降了40.05%，37.82%。

4討論

隨著納帕海、拉市海與滇池流域的溫度升高，三個(gè)研究地的茭草與水蔥地上生物量依次增加。說明茭草與水蔥作為濕地廣域分布物種，其對(duì)溫度脅迫有著良好的適應(yīng)性，這與董瑜等人對(duì)納帕海濕地優(yōu)勢(shì)植物生理生化特性的研究結(jié)果一致（董瑜等，2014）。高溫促進(jìn)了兩種優(yōu)勢(shì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，使其光合固碳能力提高，初級(jí)生產(chǎn)力增加，地上生物量的留存增加，理論上增加了其土壤有機(jī)碳的輸入量。與理論預(yù)期不同的是，納帕海濕地土壤有機(jī)碳積累水平在溫度升高時(shí)減弱，從2010年試驗(yàn)初始時(shí)土壤有機(jī)碳含量與移出地6年后的土壤有機(jī)碳含量值比較看，雖差別不大，但呈現(xiàn)隨著時(shí)間推移，土壤有機(jī)碳在不斷積累的規(guī)律。作為納帕海濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳匯植物，這對(duì)高原濕地碳積累及其區(qū)域碳平衡有著重要意義，對(duì)維持長(zhǎng)江上游的濕地水源涵養(yǎng)功能有著重要作用。在溫度升高的背景下，茭草與水蔥的生物量積累與土壤有機(jī)碳積累負(fù)相關(guān)，不僅直接影響到土壤有機(jī)碳的積累水平，而且影響到生態(tài)功能的發(fā)揮。雖然以溫度升高為主要表征的氣候變化促進(jìn)了納帕海濕地優(yōu)勢(shì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，光和固碳能力得到提升，地上生物量增加，但其土壤有機(jī)碳積累水平卻逐漸下降。濕地碳匯植物良好的生長(zhǎng)發(fā)育未能給濕地土壤提供有效的碳輸入，降低了土壤有機(jī)碳積累水平。另一方面，造成這種結(jié)果的原因有可能是溫度升高加速了土壤有機(jī)碳的分解速率，導(dǎo)致土壤碳輸出超過碳輸入，在這種情況下，即使植物群落生物量作為碳匯在增加，土壤有機(jī)碳分解又變成碳源大量逸出，致使?jié)竦赝寥捞佳h(huán)失衡，進(jìn)一步增加了濕地溫室氣體的排放，加劇了地區(qū)氣候變化（田昆，2008）。

5結(jié)論

以上研究與董瑜和郭緒虎等人的研究結(jié)果相似，進(jìn)一步論證了氣候變化影響土壤碳積累，溫度升高導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)負(fù)反饋的研究結(jié)論。盡管以溫度升高為主要表征的氣候變化有利于濕地優(yōu)勢(shì)植物群落的生長(zhǎng)發(fā)育和地上生物量的留存，但隨著溫度持續(xù)增加，是否會(huì)出現(xiàn)其他優(yōu)勢(shì)植物，納帕海濕地優(yōu)勢(shì)植物的生態(tài)位是否會(huì)產(chǎn)生變化，其植物群落結(jié)構(gòu)又是否會(huì)發(fā)生改變？目前受到研究時(shí)間尺度的限制無法進(jìn)行驗(yàn)證。但持續(xù)的增溫將最終將改變濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，進(jìn)一步破壞其生態(tài)功能，反作用于當(dāng)?shù)匦夂颍糯罅藲夂蜃兓牟焕绊?。而濕地土壤有機(jī)碳積累水平的下降，將使高原濕地涵養(yǎng)水源，富集營(yíng)養(yǎng)等各種功能減弱或遭到破壞，其所帶來的負(fù)面效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正面效應(yīng)。因此，在全球氣候變化的大環(huán)境下，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)研究，以應(yīng)對(duì)氣候變化。

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