武河濕地典型植被固碳能力分析

陳夢(mèng)　梁仁君　宋紅麗　桑冰　陳娟

摘要 以臨沂武河濕地典型植被蘆葦、菖蒲為研究對(duì)象，研究其生物量、碳氮含量以及碳氮儲(chǔ)量。結(jié)果表明：蘆葦3、蘆葦6處的生物量2.02、1.36 kg/m2，菖蒲1的生物量1.99 kg/m2要高于其他位點(diǎn)的生物量，蘆葦3、蘆葦6處的碳儲(chǔ)量（17.44，12.19 kg/m2）、氮儲(chǔ)量（1.04，0.80 kg/m2）菖蒲1的碳儲(chǔ)量10.07 kg/m2、氮儲(chǔ)量0.62 kg/m2均高于其他位點(diǎn)。說(shuō)明武河濕地典型植被的碳氮儲(chǔ)量與生物量有著密切的關(guān)系，蘆葦、菖蒲生物量高的地方，其碳儲(chǔ)量也高，固碳能力相對(duì)較高，同時(shí)氮儲(chǔ)量會(huì)對(duì)濕地植被碳儲(chǔ)量以及固碳能力帶來(lái)影響。蘆葦、菖蒲組織中氮含量總體分布于葉組織中，因?yàn)槿~片是植物進(jìn)行光合作用的重要器官，在進(jìn)行光合作用時(shí)，通過(guò)吸收水分和無(wú)機(jī)鹽的形式將N元素從根組織遷移并富集到葉組織中。

關(guān)鍵詞 武河濕地;儲(chǔ)碳;儲(chǔ)氮;蘆葦;菖蒲

中圖分類號(hào) X173文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）22-0062-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.22.018

Analysis of Carbon Fixation Ability of Typical Vegetation in Wuhe Wetland

CHEN Meng，LIANG Ren-jun， SONG Hong-li et al （Shandong Provincial Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Environmental Conservation， College of Resources and Environment， Linyi University， Linyi，Shandong 276005）

Abstract The Phragmites australis and Acorus calamus， typical vegetation of the Wuhe Wetland in Linyi，were used as research objects to study their biomass， carbon and nitrogen content， and carbon and nitrogen storage. The results showed that the biomass of reeds 3 and 6 was 2.02 and 1.36 kg/m2， and the biomass of calamus 1 was 1.99 kg/m2 higher than that of other sites. Carbon storage at reed 6 （17.44，12.19 kg/m2）， nitrogen storage （1.04，0.80 kg/m2）， carbon storage of calamus 1 10.07 kg/m2 The nitrogen reserves of 0.62 kg/m2 were higher than other sites. This shows that the carbon and nitrogen reserves of typical vegetation in the Wuhe Wetland are closely related to biomass. Where the reed and calamus have high biomass， their carbon storage is also high， and their carbon sequestration capacity is relatively high. Impact on carbon sequestration capacity. The nitrogen content in reed and calamus tissues is generally distributed in leaf tissues， because the leaves are important organs for photosynthesis in plants. During photosynthesis， the element N is transferred from the root tissue and enriched to leaf tissue.

Key words Wuhe Wetland;Carbon storage;Nitrogen storage;Phragmites austrais;Acorus calamus

基金項(xiàng)目 山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013GSF11701）;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015GSF117004）;大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810452067）。

作者簡(jiǎn)介 陳夢(mèng)（1997—），女，山東煙臺(tái)人，從事地理科學(xué)研究。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事濕地生態(tài)學(xué)研究。

收稿日期 2020-04-29

世界氣象組織 2018 年度公報(bào)顯示，目前大氣中二氧化碳、甲烷和氧化亞氮的全球平均濃度在 2017 年創(chuàng)下了新高，分別達(dá)到 405.5 mg/L、1.86 mg/L 和 330 μg/L。大氣溫室氣體濃度增加引起的全球變暖加劇以及引發(fā)的一系列氣候、環(huán)境和生態(tài)災(zāi)害讓人類擔(dān)憂[1]，為此大氣庫(kù)中溫室氣體增溫效應(yīng)加強(qiáng)引起的全球氣候變暖已成為國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的全球性問(wèn)題。

濕地是自然界中重要的自然資源、景觀和高碳匯生態(tài)系統(tǒng)，適合高生物量草本植物生長(zhǎng)并且在維護(hù)生物地球化學(xué)平衡、凈化水質(zhì)、全球碳循環(huán)及緩解溫室效應(yīng)[2-9]等方面發(fā)揮著巨大作用。世界各國(guó)都十分重視濕地資源的保護(hù)與管理，發(fā)達(dá)國(guó)家社會(huì)整體發(fā)展水平較高，其濕地保護(hù)政策更加完備，有值得學(xué)習(xí)和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。目前我國(guó)對(duì)人工濕地的研究主要還是機(jī)理性的研究，所采用的人工濕地在規(guī)模以及處理技術(shù)上仍處于發(fā)展階段。武河濕地位于臨沂市羅莊區(qū)東南部（118°16′46″ ～118°23′21″E 、34°48′15″ ～34°53′54″N）地處羅莊、郯城、蘭陵3縣區(qū)交界處，全長(zhǎng)12 km，占地面積850 hm2，是山東省境內(nèi)最大的人工濕地。2009年11月開(kāi)工建設(shè)，主要采用多級(jí)表面流人工濕地工藝，濕地內(nèi)溝渠縱橫、池塘連片，挺水、浮水植物豐富多樣，有菖蒲（Acorus calamus L.）、蘆葦（Phragmites australis）、荇菜[Nymphoides peltatum（Gmel.）O.Kuntze]、睡蓮（Nymphaea L.）、水芹[Oenanthe javanica （Bl.）DC.]等，其中主要代表是蘆葦、菖蒲，近年來(lái)，由于濕地上游流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和水環(huán)境保護(hù)不當(dāng)，水質(zhì)急劇惡化，植被系統(tǒng)發(fā)生較大的變化，植被的固碳能力相應(yīng)地也發(fā)生較大的變化。當(dāng)前的研究多集中于水質(zhì)凈化效果、植物體內(nèi)重金屬含量及TP、TN等方面[10-12]，較少研究植物的固碳能力。筆者以武河人工濕地為例，對(duì)武河典型植被的碳儲(chǔ)量進(jìn)行分析，以期為武河濕地的碳循環(huán)及濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

在武河濕地內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)乃颍貪竦厝肟谥脸隹诓捎肎PS定位選取8個(gè)采樣點(diǎn)，具體位置及采樣點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖1。6個(gè)蘆葦采樣點(diǎn)1～6號(hào)的經(jīng)緯度見(jiàn)表1。5個(gè)菖蒲采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度見(jiàn)表2。

1.2 樣品采集與處理

人工采集蘆葦與菖蒲，測(cè)量其高度，記錄其株數(shù);在50 cm×50 cm×50 cm的樣方中分別采割蘆葦、菖蒲標(biāo)號(hào)并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。采樣結(jié)束后對(duì)蘆葦和菖蒲進(jìn)行簡(jiǎn)單的沖洗，并分離蘆葦?shù)母⑶o、葉以及菖蒲的根、葉，再用蒸餾水沖洗3～5遍，并放至120 ℃烘箱中殺青2 h后，于70 ℃烘干箱中烘干至恒溫并稱重，烘干之后將各組樣品依次切割、混勻、粉碎和過(guò)篩后，放入樣品袋中保存。利用元素分析儀測(cè)定蘆葦、菖蒲的全碳、全氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算 利用某一典型植被的單位面積生物量乘以該典型植被的碳含率：

c=p×b（1）

式中，c為植物的碳儲(chǔ)量（kg/m2）;p為碳含率（%）;b為單位面積生物量（kg/m2）。

其計(jì)算方法近似于碳儲(chǔ)量的計(jì)算方法，利用某一典型植被的單位面積生物量乘以該典型植被的氮含率：

n=a×b（2）

式中，n為植物的氮儲(chǔ)量（kg/m2）;a為氮含率（%）;b為單位面積生物量（kg/m2）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及作圖采用Excel;運(yùn)用 SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，蘆葦、菖蒲生物量以及蘆葦、菖蒲組織中碳氮含量，碳氮儲(chǔ)量采用多因素方差分析，并在 0.05 水平進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量分析

武河濕地不同位點(diǎn)蘆葦生物量分布見(jiàn)圖2，生物量最高的是蘆葦3，其值為2.02 kg/m2，最低的為蘆葦4，其值為0.62 kg/m2。不同位點(diǎn)菖蒲的生物量分布見(jiàn)圖3;生物量最高的是菖蒲1（1.98? kg/m2），最低的為菖蒲5（0.41 kg/m2），整體分析表明蘆葦生物量略大于菖蒲生物量。方差分析結(jié)果表明蘆葦生物量與菖蒲生物量之間差異不顯著（P>0.05）。

2.2 碳、氮含量分析

由圖4可知，蘆葦1、蘆葦2、蘆葦4、蘆葦5的蘆葦組織中碳含量表現(xiàn)為根>葉>莖;蘆葦3的蘆葦組織中碳含量表現(xiàn)為莖>根>葉;蘆葦6的蘆葦組織中碳含量表現(xiàn)為葉>莖>根。整體來(lái)看蘆葦組織中碳含量表現(xiàn)為根>葉>莖。 方差分析結(jié)果表明：蘆葦根、莖、葉組織中碳含量差異不顯著（P>0.05）。蘆葦中氮含量（圖5）從大到小依次為葉、莖、根。方差分析結(jié)果表明：蘆葦根、莖、葉組織中氮含量差異不顯著（P>0.05）。

由圖6可知，菖蒲4、菖蒲5、菖蒲7的菖蒲組織中碳含量表現(xiàn)為葉>根;菖蒲1、菖蒲8處的菖蒲組織中根、葉的碳含量相近;整體來(lái)看菖蒲組織中碳含量表現(xiàn)為葉>根。方差分析結(jié)果表明：菖蒲組織中葉、根的碳含量差異不顯著（P>0.05）。N元素在菖蒲中的含量（圖7）表現(xiàn)為葉>根。方差分析結(jié)果表明：菖蒲組織中葉、根的氮含量差異極顯著（P<0.01）。

2.3 碳氮儲(chǔ)量分析

由圖8可知，蘆葦?shù)厣喜糠郑ㄇo、葉）的碳儲(chǔ)量大于地下部分（根）的碳儲(chǔ)量;從橫向來(lái)看蘆葦3、蘆葦6處的碳儲(chǔ)量要高于其他4處的碳儲(chǔ)量。蘆葦（圖9）的地上部分（莖、葉）的氮儲(chǔ)量大于地下部分（根）的氮儲(chǔ)量，其中葉的氮儲(chǔ)量要明顯高于莖、根的氮儲(chǔ)量。

菖蒲的地上部分主要是葉，菖蒲的地下部分主要是根部。由圖10可知菖蒲1和菖蒲8處的地上部分和地下部分的碳儲(chǔ)量差別不大;菖蒲4、菖蒲5、菖蒲7處的地上部分的碳儲(chǔ)量要高于地下部分的碳儲(chǔ)量;菖蒲（圖11）地上部分的氮儲(chǔ)量大于地下部分的氮儲(chǔ)量，其中菖蒲1處、菖蒲4處的氮儲(chǔ)量要比其他3處的氮儲(chǔ)量高。

3 討論

武河濕地具有自我修復(fù)功能，可有效消減入河污染負(fù)荷，改善水質(zhì)，增強(qiáng)水體自凈能力[13]。蘆葦是多年生禾本科植物，根莖發(fā)達(dá)，繁殖力高，適應(yīng)能力強(qiáng)，分布極廣。有很強(qiáng)的大氣CO2吸收能力，具有較高的生態(tài)價(jià)值[14～16]。蘆葦?shù)那o葉是地上部分的集中體現(xiàn)，地下部分主要是根部，包括須根和莖狀根[17]。菖蒲是一種典型的多年生濕地植物，是水生生態(tài)修復(fù)的先鋒物種，主要生長(zhǎng)在長(zhǎng)江流域的一些河岸、溪邊和淺水湖泊，根系較發(fā)達(dá)，對(duì)不利的環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽有很強(qiáng)的吸收能力[13]。

3.1 生物量

研究發(fā)現(xiàn)蘆葦3處以及蘆葦6處的生物量要比其余位點(diǎn)蘆葦?shù)纳锪扛?菖蒲1、菖蒲4處的生物量要比其余位點(diǎn)菖蒲的生物量高。存在差異有以下原因：一是與樣地大小有關(guān)，Brown等[18] 研究結(jié)果表明，樣方面積越小，不同樣方之間的生物量誤差越大。二是淹水條件影響濕地植被的生長(zhǎng)，Vretare等[19]研究發(fā)現(xiàn)蘆葦在淹水條件下呈現(xiàn)較高的生長(zhǎng)效率，淹水深度的增加更有利于蘆葦?shù)那o和生物量的增加。在深水環(huán)境中，植物為了爭(zhēng)奪資源發(fā)育得比較高大[20]。三是濕地植被的光合作用影響其生長(zhǎng)，一般認(rèn)為充足的光照更能促進(jìn)蘆葦群落種子萌發(fā)[21-22]，光合作用強(qiáng)的植被長(zhǎng)勢(shì)好，生物量相對(duì)較大，生物量大的濕地植物碳、氮含量相對(duì)較高;碳、氮儲(chǔ)量相對(duì)較高。

3.2 碳氮含量 不同位點(diǎn)的蘆葦（圖5）氮含量從大到小依次為葉、莖、根，這一研究結(jié)果與何亞婷等[23]關(guān)于植物氮含量在植物器官中的總分布趨勢(shì)為葉>莖>根的研究結(jié)果具有一致性，葉片氮含量與植物的光合作用密切相關(guān)[24]，蘆葦在進(jìn)行光合作用時(shí)，通過(guò)吸收水分和無(wú)機(jī)鹽的形式將N元素從根、莖組織遷移并富集到葉組織中。蘆葦組織中碳含量總分布趨勢(shì)為根>葉>莖，王雪梅等[25]研究認(rèn)為氮等元素是由植物根系吸收后轉(zhuǎn)運(yùn)至植物體其他組織中，葉片經(jīng)光合作用生產(chǎn)出碳水化合物并運(yùn)輸至植物體其他各個(gè)組織，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中不斷協(xié)調(diào)分配碳與氮的含量。土壤養(yǎng)分變化對(duì)蘆葦植被群落的生態(tài)特征具有顯著影響，隨著氮濃度的增加，蘆葦會(huì)加大對(duì)葉、莖的資源投入，減少對(duì)根的資源投入[26]。蘆葦葉片具有相對(duì)較高的氮含量，而根則具有相對(duì)較高的碳含量;蘆葦為了固定更多的碳元素會(huì)向葉片投入更多的氮元素，同樣為了吸收更多的氮元素則需要投入更多碳元素到根系中。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中碳、氮在不同器官中是協(xié)同變化的[27-28]。

在該研究中，菖蒲根、葉組織中碳、氮含量總分布趨勢(shì)均為葉>根;這一研究結(jié)果與王沁言等[29]關(guān)于植物的葉片碳、氮含量均顯著高于莖和根的碳、氮含量的研究結(jié)果相一致，即葉片是植物與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交流的主要器官，葉片中營(yíng)養(yǎng)元素分配額常高于其他營(yíng)養(yǎng)器官或者繁殖器官[27]。

3.3 碳氮儲(chǔ)量 該研究發(fā)現(xiàn)典型濕地植被的碳氮儲(chǔ)量與其生物量有著密切的聯(lián)系。王瀚強(qiáng)等[30]認(rèn)為蘆葦生物量增加促進(jìn)蘆葦?shù)厣喜糠值墓烫寄芰ΑＨ~是植物與外界進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的主要器官，葉中營(yíng)養(yǎng)元素常高于其他器官[31]。在進(jìn)行光合作用的過(guò)程中，濕地植被將二氧化碳和水分轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)并釋放出氧氣，因此可以吸收大量二氧化碳，起到固碳的效果，植被生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)，生物量大，碳儲(chǔ)量也大[32]，生物量分配增加，固碳能力隨之加強(qiáng)。濕地植被在進(jìn)行光合作用的過(guò)程中吸收大氣中的二氧化碳并將碳元素固集在體內(nèi)達(dá)到固碳的效果，與此同時(shí)也會(huì)釋放出氧氣來(lái)調(diào)節(jié)碳氧平衡，達(dá)到緩解溫室效應(yīng)、凈化空氣的效果，進(jìn)而維持研究區(qū)內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和碳循環(huán)。濕地植被中氮元素的含量對(duì)其碳元素的積累具有一定的影響，同時(shí)也影響濕地植被固碳：氮元素一方面能促進(jìn)濕地植被的生長(zhǎng)，從而增強(qiáng)濕地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力;另一方面氮元素降低了腐殖質(zhì)物質(zhì)的分解速率，從而增加了土壤中碳的積累速率進(jìn)而增強(qiáng)濕地植被的固碳能力。但是過(guò)量的氮元素也會(huì)降低濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，影響植物的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，抑制濕地植物的生長(zhǎng)，會(huì)在一定程度上減少濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，降低固碳能力。所以，在進(jìn)行濕地生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)要合理布局濕地植被，讓其更好地進(jìn)行光合作用，促進(jìn)生物量的積累，同時(shí)也要注意氮元素的積累量，從而使?jié)竦刂脖贿_(dá)到最大固碳能力，維持武河濕地區(qū)域內(nèi)的碳平衡，降低大氣中溫室氣體濃度，為減緩全球氣候變暖出力。

4 結(jié)論

（1）生物量對(duì)植物根莖葉中的碳含量氮含量有一定的影響，生物量大時(shí)其莖、葉中的碳含量要高于根中的碳含量;蘆葦、菖蒲中地上部分的碳、氮含量要高于地下部分的碳氮含量，這是因?yàn)橹参矬w內(nèi)莖和葉的碳、氮含量與光合作用、蒸騰作用強(qiáng)度、養(yǎng)分供給有關(guān)。

（2）武河濕地典型植被的碳氮儲(chǔ)量與生物量有著密切的關(guān)系，蘆葦、菖蒲生物量高的地方，其碳儲(chǔ)量高，固碳能力也相對(duì)較高。

（3）濕地植被的光合作用以及體內(nèi)氮元素的變化會(huì)對(duì)其體內(nèi)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響其固碳能力以及區(qū)域內(nèi)的碳循環(huán)和碳平衡，能減緩溫室氣體的排放，緩解溫室效應(yīng)。

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