湖北二仙巖泥炭蘚沼澤濕地土壤碳氮儲(chǔ)量分布特征

楊繁 郭毅 周苓屹

摘 要： 以湖北二仙巖泥炭蘚沼澤濕地不同退化程度的四塊典型樣地（CK、SM、SP、GA）為研究對(duì)象，對(duì)其土壤有機(jī)碳、氮數(shù)量分布及其協(xié)同積累特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：不同林型土壤有機(jī)碳氮含量隨著土層深度的增加而降低，其中0～10 cm土壤有機(jī)碳氮含量最高，具有明顯的表聚性，且與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（除SP外）。不同退化程度濕地土壤0～60 cm碳儲(chǔ)量為54.42～105.06 t·hm-2，氮儲(chǔ)量為4.84～7.35 t·hm-2，分布規(guī)律為CK>SM>GA>SP，且CK和SM的土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量均顯著高于GA和SP，說(shuō)明濕地退化顯著降低了濕地土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量。在不同林型中土壤有機(jī)碳和總氮呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明二者具有明顯的協(xié)同積累特征。研究結(jié)果可為中國(guó)濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及區(qū)域尺度土壤碳庫(kù)的進(jìn)一步研究提供理論參考，建議加強(qiáng)保護(hù)區(qū)內(nèi)泥炭蘚的保護(hù)力度。

關(guān)鍵詞： 泥炭蘚濕地;碳氮儲(chǔ)量;二仙巖

中圖分類號(hào)：S15 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1004-3020（2020）04-0013-06

Abstract： In order to analyze the distribution characteristics and coaccumulation of soil organic carbon and nitrogen，four typical plots （CK、SM、SP、GA） with different degrees of degradation were selected from Sphagnum palustre wetlands in Erxianyan Wetlands Nature Reserve of Hubei Province.The results showed that：The content of soil organic carbon and total nitrogen decreased with the increase of soil depth. Among them，0～10 cm soil layer has the highest content of soil organic carbon and total nitrogen，which has obvious epimerization，and has significant difference with 10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm，40～50 cm and 50～60 cm soil layer （except SP）. The soil carbon storage of 0～60cm wetland was 54.42～105.06 t·hm-2，and the total nitrogen storage was 4.84～7.35 t·hm-2.The distribution law is CK > SM > GA > SP. The storage of soil organic carbon and total nitrogen of CK and SM were significantly higher than that of GA and SP. It shows that the degradation of wetland is significantly reduced the storage of organic carbon and total nitrogen in wetland soil.There was a significant positive correlation between soil organic carbon and total nitrogen in different forest types，which indicated that they had the characteristics of synergistic accumulation.The results can provide theoretical reference for the further study of soil organic carbon storage and regional scale soil carbon pool in China. It is suggested to strengthen the protection of Sphagnum palustre in the reserve.

Key words： Sphagnum palustre wetlands;carbon and nitrogen storage;Erxianyan

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的巨大碳庫(kù)，其儲(chǔ)量約為1 300 Pg C，占全球整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)的70%[1]。大部分的土壤碳都以有機(jī)碳（Total organic carbon，TOC）的形式儲(chǔ)存，其動(dòng)態(tài)平衡對(duì)全球碳循環(huán)和氣候變化具有重要的影響[2，3]。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳和總氮（Total nitrogen，TN）是影響土壤質(zhì)量的最重要的生態(tài)因子，而碳氮比則是對(duì)土壤碳循環(huán)和氮循環(huán)有直接影響，衡量土壤質(zhì)量的重要敏感指標(biāo)[4，5]。泥炭濕地是陸地上重要的生態(tài)類型，其復(fù)雜的生態(tài)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的生態(tài)功能，使其能保存大量的泥炭沉積以及豐富的環(huán)境信息[6]。據(jù)Joosten統(tǒng)計(jì)，泥炭地的碳儲(chǔ)量為世界土壤碳儲(chǔ)量的三分之一，相當(dāng)于全球大氣碳庫(kù)碳儲(chǔ)量的75%[7]。濕地土壤碳氮儲(chǔ)量是氣候變化的一種敏感指示物，能用來(lái)指示對(duì)氣候變化的響應(yīng)[8]。近年來(lái)，由于氣候變化或人為因素的干擾，高山地區(qū)的沼澤濕地面積正在萎縮和退化，這種退化通常由外至內(nèi)逐漸擴(kuò)大[9]。濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化將會(huì)改變地上植被的生產(chǎn)力和地下土壤的碳氮儲(chǔ)量，進(jìn)而影響土壤碳氮循環(huán)[10]。目前關(guān)于高山濕地的研究主要集中在不同濕地類型的土壤碳氮儲(chǔ)量和退化機(jī)制研究[11，12]，而就亞高山濕地地區(qū)不同退化階段的土壤碳氮儲(chǔ)量研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)鄂西二仙巖泥炭蘚濕地的退化問(wèn)題，分析了泥炭蘚濕地不同退化階段土壤碳氮含量、碳氮儲(chǔ)量及碳氮比的變化，探討了土壤有機(jī)碳和總氮的協(xié)同變化規(guī)律，以期為闡明亞高山濕地生態(tài)系統(tǒng)退化對(duì)土壤碳氮庫(kù)穩(wěn)定性的影響和濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建研究提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

二仙巖濕地自然保護(hù)區(qū)（29°40′～29°43′N，108°45′～108°49′E）位于湖北省咸豐縣西北部，是鄂西少有的隆起的高山臺(tái)地，是一個(gè)以保護(hù)湖泊濕地和亞高山沼澤濕地的自然保護(hù)區(qū)。屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，海拔1 400～1 700 m，年平均氣溫14.0℃，最熱月（7月）平均氣溫24.8℃，最冷月（1月）平均氣溫2.8℃。該區(qū)域雨水充足，霧多，年降水量為1 555 mm。研究區(qū)域位于泥炭蘚分布的核心地帶，樣地類型包括保存完好的泥炭蘚-海棠林（CK）、不同退化程度的泥炭蘚-竹林（SM）、泥炭蘚-毛栗林（SP）和草地（GA）。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

2019年10月在研究區(qū)域內(nèi)完成土壤樣品的采集，每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)土壤采樣點(diǎn)，樣方間隔保持在100 m以上。本次研究采集的土層深度為60 cm。由于濕地中積水較多，用常規(guī)的環(huán)刀取樣工具有難度，本次采樣工具采用自制直徑為5 cm的土鉆，按每10 cm一層進(jìn)行劃分，依次為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm，共計(jì)6層。樣品采集后做好標(biāo)記，裝入聚乙烯自封袋中，經(jīng)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩等處理后密封保存。

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（t·hm-2）。

所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理使用excel 2016軟件，數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析主要使用SPSS 22.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型各土層土壤有機(jī)碳及總氮含量分布特征 ?從表2可知，在不同林型中，0～60 cm土層的有機(jī)碳含量平均值以CK（64.88 g·kg-1）最高，SM（57.55 g·kg-1）次之，GA（41.87 g·kg-1）和SP（32.41 g·kg-1）最低;與SM、GA和SP相比，CK的平均有機(jī)碳含量分別高出12.74%（P>0.05）、54.96%（P<0.05）和100.19%（P<0.05）。0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土層有機(jī)碳含量大小順序?yàn)镃K>SM>GA>SP，40～50 cm土層有機(jī)碳含量大小順序?yàn)镾M>CK>GA>SP，50～60 cm土層有機(jī)碳含量大小順序?yàn)镃K>SM>SP>GA。此外，相同深度土層中，各林型的有機(jī)碳含量?jī)H在0～10 cm和10～20 cm土層中存在顯著差異（P<0.05）。從各林型的土壤有機(jī)碳含量的垂直分布來(lái)看，總體上均隨著土層的增加而顯著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土層最高，50～60 cm土層最低（除SP外），且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）。由此可見(jiàn)，土層深度和林型對(duì)土壤有機(jī)碳含量均有顯著影響。

不同土層深度和林型的土壤總氮含量也有明顯差異（表2）。各林型中0～60 cm土層的總氮含量平均值以CK（4.60 g·kg-1）最高，SM（4.30 g·kg-1）次之，GA（3.57 g·kg-1）和SP（2.93 g·kg-1）最低;CK的平均總氮含量相較于SM、GA和SP分別高出6.98%（P>0.05）、28.85%（P<0.05）和57.00%（P<0.05）。0～10 cm和20～30 cm土層總氮含量大小順序?yàn)镃K>SM>GA>SP，10～20 cm土層總氮含量大小順序?yàn)镃K>GA>SM>SP，30～40 cm和40～50 cm土層總氮含量大小順序?yàn)镾M>SP>GA>CK，50～60 cm土層總氮含量大小順序?yàn)镾P>CK>SM>GA。各林型的土壤總氮含量的垂直分布具有明顯的表聚性，總體上均隨著土層的增加而顯著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土層最高，50～60 cm土層最低（除SP外），且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）（除SP外）。

2.2 不同林型各土層土壤有機(jī)碳及總氮儲(chǔ)量分布特征 ?由表3可知，在不同林型中，0～60 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量總計(jì)值以CK（105.06 t·hm-2）最高，SM（94.80 t·hm-2）次之，GA（67.56 t·hm-2）和SP（54.42 t·hm-2）最低;與SM、GA和SP相比，CK的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別高出10.82%（P>0.05）、55.51%（P<0.05）和93.05%（P<0.05）。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)镃K>SM>GA>SP，30～40 cm和40～50 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)镾M>CK>GA>SP，50～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)镃K>SM>SP>GA。

從各林型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的垂直分布來(lái)看，總體上均隨著土層的增加而顯著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土層最高，且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）。由此可見(jiàn)，土層深度和林型對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均有顯著影響。

不同土層深度和林型的土壤總氮儲(chǔ)量也有明顯差異（表3）。各林型中0～60 cm土層的總氮儲(chǔ)量總計(jì)值以CK（7.35 g·kg-1）最高，SM（6.98 g·kg-1）次之，GA（5.68 g·kg-1）和SP（4.84 g·kg-1）最低;CK的總氮儲(chǔ)量相較于SM、GA和SP分別高出5.30%（P>0.05）、29.40%（P<0.05）和51.86%（P<0.05）。

各土層深度總氮儲(chǔ)量大小順序與土壤總氮含量值相一致。各林型的土壤總氮儲(chǔ)量的垂直分布具有明顯的表聚性，且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）（除SP外）。

2.3 不同林型土壤有機(jī)碳和總氮含量的相關(guān)性 ?在不同林型中進(jìn)行土壤有機(jī)碳氮含量線性分析，結(jié)果顯示，在四種林型中，土壤有機(jī)碳和土壤總氮含量均表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)（圖1），表明二者存在協(xié)同積累關(guān)系。其中，GA的決定系數(shù)最高（R2=0.98），SP的決定系數(shù)最低（R2=0.83），表明GA的土壤總氮含量高度依賴于土壤有機(jī)碳含量的積累。

3 討論

二仙巖保存完好的濕地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為105.06±12.3 t·hm-2，高于中國(guó)土壤有機(jī)碳密度（ 96.0 t·hm-2 ） [13]。因此，湖北二仙巖泥炭蘚沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)是重要的土壤碳庫(kù)，盡管目前保護(hù)區(qū)內(nèi)泥炭地出現(xiàn)了不同程度的退化，但是仍然儲(chǔ)存了較豐富的土壤有機(jī)碳，值得加強(qiáng)保護(hù)。

不同退化程度的濕地土壤有機(jī)碳和總氮含量趨勢(shì)相似，在整體上均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而降低。各林型0～10 cm土壤有機(jī)碳含量占土壤垂直剖面的24.63～43.13%，0～10 cm土壤總氮含量占土壤垂直剖面的19.91～44.09%，均呈現(xiàn)出明顯的表聚性，且顯著高于其他各土層含量（除SP外）。該規(guī)律與王詩(shī)樂(lè)等[14]對(duì)中國(guó)東北寒溫帶洪河、漠河濕地土壤碳氮分布結(jié)果相似，碳氮含量均在表層土中出現(xiàn)峰值，且隨土層深度而逐漸降低。究其原因，一方面是由于地上植物的枯萎、凋落物沉積在土壤表層，促進(jìn)了表層土壤有機(jī)養(yǎng)分輸入，另一方面歸因于表層是植物根系的集中分布區(qū)，Jobbagy等[15]指出植物根系的分布直接影響土壤有機(jī)碳垂直分布，大量死亡的植物根系為表層土壤提供了豐富的碳源，隨著土層深度增加，地下生物量急劇降低，分解者的活動(dòng)減弱，導(dǎo)致植物碎屑在土壤中的位置越深其分解也越慢。在SP的土壤剖面中，表層0～10cm土壤有機(jī)氮含量與其他各層差異性不顯著，這可能是由于毛栗林的林分年齡過(guò)小，凋落物層不厚，且分解速率慢，因而土壤輸入的有機(jī)養(yǎng)分偏少，表層土壤氮富集不明顯所致。

不同退化程度濕地土壤0～60cm碳儲(chǔ)量為54.42～105.06 t·hm-2，氮儲(chǔ)量為4.84～7.35 t·hm-2，分布規(guī)律為CK>SM>GA>SP，且CK和SM的土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量顯著高于GA和SP，說(shuō)明不同林型土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量均隨濕地退化顯著降低，這與曹生奎等[16]的研究結(jié)論一致。一方面，不同的植被類型會(huì)在土壤表層形成獨(dú)特的小氣候，CK和SM的泥炭蘚蓋度大，濕地通氣性弱，土壤高度泥炭化，進(jìn)入土壤的碳氮含量高，而不同退化程度的濕地泥炭蘚蓋度低，土壤微生物活性增加，礦化作用加強(qiáng)，加速有機(jī)質(zhì)和氮的分解[17]，導(dǎo)致碳儲(chǔ)量降低;另一方面，地下水位與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系密切，地下水位接近表層的腐殖質(zhì)分解快，對(duì)泥炭的轉(zhuǎn)化積累產(chǎn)生積極影響，退化后的泥炭地表層水位下降，固碳能力降低，土壤泥炭化能力減弱，故退化的泥炭蘚濕地有機(jī)碳含量下降。

在一定程度上，土壤氮素的水平也會(huì)影響土壤中有機(jī)碳的含量[18]。線性分析顯示，在不同林型中土壤有機(jī)碳和總氮含量呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明二者具有明顯的協(xié)同積累特征，這與彭佩欽等[19]和李麗等[20]的研究結(jié)果一致。在不同林型中，CK的0～10 cm土壤有機(jī)碳含量（167.90±27.40 g·kg-1）及總氮含量（12.17±1.64 g·kg-1）均為四種林型中的最大值，說(shuō)明做好二仙巖泥炭沼澤濕地保護(hù)工作，增強(qiáng)濕地碳匯生態(tài)功能，具有重要的價(jià)值。

不足之處，本文主要集中在對(duì)不同植被類型下的土壤有機(jī)碳氮儲(chǔ)量分布，對(duì)于時(shí)間和空間的綜合分析還不夠，后續(xù)將進(jìn)一步補(bǔ)充完善時(shí)間維度的泥炭蘚土壤有機(jī)碳氮研究工作，為二仙巖濕地保護(hù)利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：唐嵐）