鄂西南七姊妹山兩種泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳分布特征的對(duì)比研究

劉雪飛 余夏君 洪 柳 吳 林

(湖北民族學(xué)院林學(xué)園藝學(xué)院 恩施 445000)

泥炭蘚濕地是一類以泥炭蘚植物為優(yōu)勢(shì)群體的特殊沼澤濕地[1]，是重要的碳儲(chǔ)存庫[2]，具有強(qiáng)大的蓄積水源和凈化水質(zhì)功能[3]，能為多種生物提供良好的生存之地[[4]。濕地中的泥炭蘚在防止水土流失和泥炭土的形成演化等方面發(fā)揮重要作用[5]。然而，近年來隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類對(duì)泥炭蘚的采集使得泥炭蘚濕地遭受嚴(yán)重破壞，泥炭蘚濕地退化現(xiàn)象嚴(yán)重，濕地中土壤有機(jī)碳含量下降，水土流失嚴(yán)重。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)全國各地泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳的監(jiān)測。

目前，有關(guān)泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳含量的研究主要集中在小興安嶺等寒溫帶地區(qū)[2，6]，亞熱帶地區(qū)有關(guān)泥炭蘚濕地土壤碳儲(chǔ)量研究涉及較少[1]，多關(guān)注泥炭蘚濕地植物多樣性調(diào)查和環(huán)境特征的監(jiān)測[3，7-8]。鄂西南七姊妹山屬于典型的亞熱帶山地氣候，該區(qū)域分布有960 hm2的泥炭蘚濕地，其泥炭蘚層較神農(nóng)架大九湖泥炭蘚濕地保存得更好，其蘚丘可見厚度達(dá)30 cm，具有明顯的泥炭層[8]。本研究選擇該區(qū)域泥炭蘚發(fā)育完好濕地和泥炭蘚開采后退化濕地為研究對(duì)象，對(duì)比分析土壤有機(jī)碳在空間上的分布特征，為該地區(qū)濕地的形成演化規(guī)律和濕地水土保持提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)彌補(bǔ)中國在亞熱帶地區(qū)有關(guān)泥炭蘚濕地碳循環(huán)的不足。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省宣恩縣東部七姊妹山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)域(109°38′30″～109°47′00″E，29°39′30″～30°05′15″N)，海拔1 650 m，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤型氣候，一年中冬長夏短，年平均氣溫8.9 ℃，年降水量1 867 mm，無霜期203 d，年日照時(shí)間1 519.9 h，土壤類型主要為偏酸性的棕壤。

本研究在保護(hù)區(qū)內(nèi)選擇泥炭蘚發(fā)育完好濕地(泥炭蘚濕地)與泥炭蘚開采退化后濕地(泥炭蘚退化濕地)兩個(gè)采樣區(qū)。其中，泥炭蘚濕地地分布有較大面積的泥炭蘚，且保存完好；泥炭蘚退化濕地由于人類長期采集泥炭蘚，已完全退化為旱地。采樣區(qū)基本概況見表1。

表1 采樣區(qū)基本概況

1.2 樣品采集與處理

為了解整個(gè)泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律，并兼顧空間異質(zhì)性，在泥炭蘚濕地從樣地中心往外圍按“米”字型布置樣點(diǎn)，在南北方向上每間隔10 m布置一個(gè)樣點(diǎn)，其它方向間隔8 m布置一個(gè)樣點(diǎn)。其中，東部和西部分別布置3個(gè)采樣點(diǎn)，南部和北部分別布置5個(gè)采樣點(diǎn)，中心原點(diǎn)布置9個(gè)采樣點(diǎn)，整個(gè)樣地共25個(gè)采樣點(diǎn)。泥炭蘚退化濕地由于人為干擾后地面環(huán)境比較均一，因此隨機(jī)選取10個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行采樣。

采樣時(shí)間為2017年4月，前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)泥炭蘚濕地泥炭層厚度大約為50 cm，因此本次研究采集的土壤深度為50 cm。采樣前先撥開覆蓋于地表的泥炭蘚植被層，使用直徑3 cm和高60 cm的土鉆開采土壤，開采出來的土樣按5 cm為一層進(jìn)行劃分，從上到下依次記為0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～35、35～40、40～45、45～50 cm共10層，共計(jì)土壤樣品350個(gè)。將土樣裝于做好標(biāo)記的自封袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎過篩處理。采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法用進(jìn)行有機(jī)碳的測定，土壤容重基于采樣器(直徑為3 cm，高60 cm)中單位體積樣品的干重計(jì)算。

1.3 計(jì)算方法

土壤剖面有機(jī)碳密度和單位面積一定深度范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式[9]:

Ci=Wc×Di

(1)

Ti=Ci×Hi

(2)

式中，Ci為土壤有機(jī)碳密度(Kg·m-3);Wc為土壤有機(jī)碳含量( g·kg-1) ;Di為土壤容重( g·cm-3) ;Hi為對(duì)應(yīng)土層深度(cm)；Ti單位面積有機(jī)碳碳儲(chǔ)量(Kg·m-2)。

一定剖面深度范圍內(nèi)(m～k層)單位面積SOC總儲(chǔ)量(Tt)為m～k層SOC儲(chǔ)量(Ti)之和，公式如下[9]：

Tt=∑Ti(i=m，m+1，…，k)

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的整理，采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比較法對(duì)有機(jī)碳含量進(jìn)行顯著性分析(p=0.05)，用T-檢驗(yàn)分析泥炭蘚蓋度不同的兩個(gè)濕地同一水平土層上有機(jī)碳含量的差異。利用Origin 8.0(Originlab，USA)作圖分析土壤有機(jī)碳在空間上的變化規(guī)律，并對(duì)土壤有機(jī)碳含量及密度在垂直方向上的變化趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤有機(jī)碳垂直分布特征

泥炭蘚濕地與泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量在垂直方向上都具有明顯的分布規(guī)律，土壤有機(jī)碳含量整體上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減小，呈指數(shù)函數(shù)遞減(R2>0.9，p≤0)。其中，泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳含量為28.75～377.72 g·kg-1，平均為208.85 g·kg-1，變異系數(shù)為34%。在0～25 cm土層內(nèi)，隨土壤深度的加深，有機(jī)碳含量由287.90 g·kg-1減少到187.78 g·kg-1，變化程度明顯。在25 cm土層以下，有機(jī)碳含量變化程度趨于穩(wěn)定；泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量在20.04～128.69 g·kg-1之間，平均為64.41 g·kg-1，變異系數(shù)為28%。在0～30 cm土層內(nèi)，隨著土壤深度的加深，有機(jī)碳含量由102.80 g·kg-1減少為48.26 g·kg-1，變化幅度明顯。在30 cm土層以下，有機(jī)碳含量變化幅度較穩(wěn)定(圖1)。整體上，兩個(gè)濕地土壤有機(jī)碳含量最大值均出現(xiàn)在0～5 cm土層，且該土層有機(jī)碳含量顯著大于其它土層(p<0.05)，說明土壤有機(jī)碳含量主要分布在表層土壤。

圖1 泥炭蘚濕地與泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳垂直分布規(guī)律

泥炭蘚濕地與泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳密度在垂直方向上變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳含量變化一致，整體上都表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減少，同樣也呈指數(shù)函數(shù)遞減(R2>0.8，p<0)。泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳密度為19.18～56.06 kg·m-3，平均為37.99 kg·m-3；泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳密度明顯低于泥炭蘚濕地，其土壤有機(jī)碳密度為15.16～37.30 kg·m-3，平均為24.71 kg·m-3，泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳密度為泥炭蘚濕地的65%(圖2)。根據(jù)有機(jī)碳密度可估算出泥炭蘚濕地和泥炭蘚退化濕地0～50 cm土層的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為19.00 kg·m-2和12.35 kg·m-2，泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于泥炭蘚濕地。

圖2 泥炭蘚濕地與泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳密度垂直分布特征

2.2 泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳水平分布特征

由于泥炭蘚退化濕地的土壤有機(jī)碳在各采樣點(diǎn)之間差異性不顯著，因此本文中未對(duì)泥炭蘚退化濕地各采樣點(diǎn)之間的差異性進(jìn)行分析。而泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳含量在水平方向上存在較大的差異，將采樣點(diǎn)分為東、西、南、北及中心原點(diǎn)五個(gè)方位。由圖3可知，土壤有機(jī)碳含量在水平方向上存在一定的分布規(guī)律，中心原點(diǎn)相對(duì)其他方位的有機(jī)碳含量較高，南、北方位相對(duì)其他三個(gè)方位的有機(jī)碳含量較低。土壤有機(jī)碳含量從高到低依次為中心原點(diǎn)>西部>東部>北部>南部。數(shù)據(jù)分析顯示，原點(diǎn)與西部沒有顯著性差異(p>0.05)，與其他三個(gè)方位有顯著性差異(p<0.05)；西部與東部沒有顯著性差異，與南北方位有顯著差異；東、南、北三個(gè)方位之間沒有顯著性差異。

2.3 泥炭蘚濕地與泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳對(duì)比

整體上，泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量為泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳含量的25.01%～35.71%。相同土層上泥炭蘚濕地有機(jī)碳含量均高于泥炭蘚退化濕地，且差異明顯(p<0.05)(表2)。0～25 cm土層兩地土壤有機(jī)碳含量差異性較大，在0～5 cm土層差異達(dá)到最大值185.10 g·kg-1，泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量僅為泥炭蘚濕地的35.71%。25～50 cm土層土壤有機(jī)碳含量差異性隨土壤深度加深逐漸減小并趨于穩(wěn)定，在40～45 cm土層達(dá)到最小差值99.45 g·kg-1，泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量僅為泥炭蘚濕地的30.50%。

圖3 泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳水平分布規(guī)律

土層/cm0～55～1010～1515～2020～2525～3030～3535～4040～4545～50土壤有機(jī)碳含量/(g·kg-1)泥炭蘚濕地287.90253.19254.02215.25187.78192.99180.80184.72149.99161.38泥炭蘚退化濕地102.8075.4972.7568.2265.2248.2658.7550.8650.5449.22兩者差值185.10*177.70*181.27*147.03*122.56*144.73*122.05*133.86*99.45*112.16*

注：*表示泥炭蘚濕地與泥炭蘚退化濕地在同一土層上土壤有機(jī)碳含量差異顯著(p<0.05)

3 討論

3.1 七姊妹山泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳空間分布規(guī)律

垂直方向上，泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳含量最大值出現(xiàn)在土壤最表層(0～5 cm)，即新鮮泥炭蘚殘?bào)w層，這與蔡體久等的研究結(jié)果一致[2]。有研究表明在植被覆蓋度較高和植物群落較穩(wěn)定的區(qū)域，其表層土壤有機(jī)碳含量較高[10]。本文涉及的研究區(qū)內(nèi)，表層土壤泥炭蘚蓋度可高達(dá)100%，泥炭蘚分解的殘?bào)w主要積累于表層土壤。因此，土壤表層(0～5 cm)有機(jī)碳含量顯著高于其它土層。另外，濕地土壤有機(jī)碳在垂直方向分布的差異性，與根系分布有一定關(guān)系，分布在土壤淺表層的植被根系能夠提供豐富的碳源[9]，研究區(qū)草本植物根系多分布在15 cm，存在明顯的空間分布特性。而土壤有機(jī)碳含量在10～25 cm處有增加趨勢(shì)，很可能與草本植物根系分布有關(guān)。水平方向上，泥炭蘚濕地從中心至邊緣，泥炭土土層厚度呈遞減趨勢(shì)，這與泥炭地的發(fā)育情況有著密切的關(guān)系。研究表明，泥炭蘚濕地的中心位置是泥炭蘚最初定居生長的位置，由于水淹、缺氧及低溫等環(huán)境下泥炭蘚凋落物與殘?bào)w難以分解，逐漸積累礦化形成泥炭[11-12]。

七姊妹山泥炭蘚濕地0～50 cm土層土壤有機(jī)碳含量為28.75～377.72 g·kg-1，遠(yuǎn)低于寒溫帶的小興安嶺沼澤濕地和若爾蓋沼澤濕地，略低于同屬于亞熱帶的草海湖泊濕地(表3)[2，20-21]。研究表明，在大區(qū)域尺度上，濕地土壤有機(jī)碳含量的變化受氣候、植被覆蓋狀況、成土母質(zhì)和水文條件等影響較大，而在小尺度范圍內(nèi)，在氣候和母質(zhì)基本一致的條件下，主要受植被覆蓋狀況和土壤水文條件的影響[13]。七姊妹山位于亞熱帶濕潤區(qū)氣候，年均溫度高于寒溫帶地區(qū)，濕地土壤有機(jī)碳含量低于寒溫帶濕潤區(qū)。較高的溫度會(huì)增強(qiáng)微生物活性并加快對(duì)土壤有機(jī)碳的分解，不利于有機(jī)碳的積累[14-15]。因此，研究區(qū)有機(jī)碳含量低于寒溫帶的沼澤濕地，很可能與溫度有關(guān)。另外，也有可能與泥炭積累深度有關(guān)，取樣過程中發(fā)現(xiàn)七姊妹山泥炭蘚濕地泥炭層深度為50 cm左右，而小興安嶺與若爾蓋等地區(qū)泥炭層厚度可達(dá)1 m以上[16-17]。泥炭積累深度直接影響有機(jī)碳含量的高低。同為亞熱帶濕潤區(qū)域，本研究的有機(jī)碳含量略低于草海湖泊濕地，其原因可能是草海湖泊濕地常年處于1～2 m的積水環(huán)境中，而研究區(qū)地下水位僅接近地表。較深的地下水位有利于形成較好的厭氧環(huán)境，微生物活性減弱并降低有機(jī)碳分解速率，有機(jī)碳能夠大量積累[18-19]。

表3 不同地區(qū)濕地土壤有機(jī)碳含量比較

3.2 人為干擾對(duì)泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳的影響

人為干擾后的泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度都明顯低于無人為干擾的泥炭蘚濕地。濕地中泥炭蘚作為最主要的優(yōu)勢(shì)植物，被人類長期開采破壞后，會(huì)導(dǎo)致濕地原有的水環(huán)境及厭氧環(huán)境遭受破壞，土壤通氣性及微生物活性增加，有機(jī)碳的礦化分解速率增加[22]。濕地土壤的水分條件及水文波動(dòng)是影響植物殘?bào)w分解的重要因素，對(duì)泥炭的轉(zhuǎn)化有重要影響[23]。退化后的泥炭地固碳能力會(huì)大幅度下降[24]，土壤泥炭化和潛育化過程減弱或終止，不利于泥炭的積累，因此泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量較低。

另外，泥炭蘚作為濕地重要的有機(jī)碳輸入源，其本身的光合與呼吸作用直接參與土壤碳循環(huán)，其植物殘?bào)w的分解會(huì)顯著影響土壤碳儲(chǔ)量。泥炭蘚一年光合累計(jì)固碳量約為70～600 g·m-2[25]，其中8%～25%通過呼吸作用釋放掉[26]。通過同位素示蹤研究發(fā)現(xiàn)，泥炭地中64%以上的可溶性碳來自泥炭蘚的光合作用，同時(shí)大部分呼吸釋放的碳也來自泥炭蘚的光合產(chǎn)物[27]，泥炭蘚所固定的碳占全球土壤碳庫中30%的碳[28]。由此可見，泥炭蘚作為濕地土壤有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)者，在濕地保水、保濕和碳儲(chǔ)存等方面發(fā)揮著重要作用。泥碳蘚作為一種特殊的植物資源，應(yīng)該大力加強(qiáng)保護(hù)。

4 結(jié)論

本文通過探討泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳的空間分布特征，同時(shí)比較泥炭蘚濕地和泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳的差異，得出如下結(jié)論：

(1)七姊妹山泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳含量為28.75～377.72 g·kg-1，土壤有機(jī)碳密度為19.18～56.06 kg·m-3，泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳在垂直方向上呈指數(shù)函數(shù)遞減，土壤有機(jī)碳主要分布在表層(0～5 cm)土壤。

(2)泥炭蘚開采后，濕地土壤有機(jī)碳含量顯著降低。其中，泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳含量僅為泥炭蘚濕地土壤有機(jī)碳含量的31%，泥炭蘚退化濕地土壤有機(jī)碳密度為泥炭蘚濕地的65%。