黃河中游河道灘地不同土地利用類型土壤呼吸強度的差異分析

呂海波

1. 渭南師范學院環(huán)境與生命科學學院，陜西 渭南 714000；2. 陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，陜西 渭南 714000

濕地由于其重要的生態(tài)功能，其利用與保護對于建設生態(tài)中國具有重要意義。在黃河中游尤其是龍門至潼關(guān)段河道變寬造成泥沙淤積，江心及兩岸灘地發(fā)育，原生植被、農(nóng)田、撂荒地等多種土地利用類型并存。不同的土地利用方式在改變地表植被的同時，也改變了土壤碳儲量和土壤呼吸，進而對當?shù)赝寥捞际罩Ш腿蚍秶奶佳h(huán)產(chǎn)生影響（Jia et al.，2004；唐洪松等，2016）。濕地碳儲量變化中，碳匯為通過光合作用儲存于為生物體內(nèi)或土壤有機質(zhì)中，碳源主要為通過土壤呼吸向大氣排放的含碳氣體。碳匯穩(wěn)定少變，碳源卻因外界條件而變化。研究濕地土壤CO2的排放，對于復雜環(huán)境變化背景下濕地生態(tài)功能的評價具有重要支撐作用（Schlesinger et al.，2000）。

硫元素是植物生長的營養(yǎng)元素之一，也是生物地球化學循環(huán)的關(guān)鍵元素，因而受到國內(nèi)外學者的關(guān)注（李新華等，2007；Lu et al.，2016）。硫是繼碳、氮、磷之后的第四營養(yǎng)元素，生態(tài)系統(tǒng)中硫的動態(tài)變化對于植物生長有著特殊的意義，同時硫在地球生物圈-巖石圈 (土壤圈)-大氣圈的循環(huán)過程，因SO2、H2S及CS2等的溫室效應而具有特殊意義（Yang et al.，1998；李萍等，2019）。在土壤環(huán)境中，含硫氣體主要在微生物作用下分解有機物和硫酸鹽形成的，產(chǎn)物種類受土壤氧化還原條件影響，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，因飽水土壤處于還原環(huán)境，H2S成為主要產(chǎn)物，而H2S是一種還原性氣體，在大氣中容易被氧化生成SO2，是地球硫循環(huán)中重要的一環(huán)（Devai et al.，1995）。

為了研究灘地不同土地利用類型土壤呼吸差異，為濕地生態(tài)功能評價提供有價值的參考數(shù)據(jù)，評價濕地不同土地利用類型的物質(zhì)循環(huán)變化，本研究利用對比分析法，選擇黃河中游灘地典型類型的土地利用類型進行研究，分析其土壤呼吸中CO2和H2S排放的差異，從而為生態(tài)黃河的建設以及同一領(lǐng)域研究提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究地概況及研究方法

1.1 研究地概況

黃河中游自龍門以下，河面變寬，渭河和洛河匯入，形成廣泛發(fā)育的濕地。本地區(qū)濕地南北全長132.5 km，東西寬4—13 km，總面積57348 hm2，已成為陜西省最大的濕地（程鐵鎖等，2010；曹黎明等，2011）。農(nóng)田、魚塘、天然濕地、灌木林等濕地利用類型分布于河漫灘、江心洲、泛洪平原上，發(fā)揮著不同的濕地生態(tài)功能。

1.2 野外調(diào)查取樣

2016年7—9月對渭南大荔附近黃河灘地上不同土地類型濕地進行了采樣分析（表1），為了減少溫度因素的干擾，采樣時間集中在氣溫較高的14:00—15:00。根據(jù)灘地實際情況，研究區(qū)土地類型基本分為農(nóng)田、撂荒地及原生天然植被，另外有河水洪泛而成的裸灘；原生植被主要為原生未破壞植被，蘆葦（Phragmites australis）、蒲草（Typha orientalisPresl）為建群種，分為蘆葦+灌木柳（Salix saposhnikoviiA. K. Skvortsov）、蘆葦+蒲草（干）、蘆葦+蒲草（濕）、蘆葦+雜草4亞類，農(nóng)田分為玉米、翻耕地、休耕地3亞類，翻耕地為夏收后翻耕準備種植秋作物的農(nóng)田，休耕地為有耕種痕跡但暫未種植的土地，撂荒地為有耕種歷史但撂荒3年以上的野地，自然發(fā)育有以野黑豆（Glycine sojaSieb.et Zucc）、稗草（Echinochloa crus-galli(L.) Beauv）為建群種的草本植被2亞類。各亞類中，灌木柳高2—3 m，樹冠直徑3—5 m；蘆葦蒲草混合亞類中，蘆葦蒲草比例各占一半，二者高2—3 m，根據(jù)距河水面垂直距離分為干濕2亞類；蘆葦雜草雜草混合亞類中，蘆葦高1 m左右；玉米亞類中，玉米高1.5—2 m；翻耕地植物植物稀少，土壤疏松；稗草30—50 cm高；野黑豆30—50 cm高，其他情況見表1。研究共進行10亞類40個樣方的調(diào)查及土壤呼吸采樣，每亞類采樣不少于3 次，棋盤式布樣。

表1 野外調(diào)查基本情況Table 1 Information of field investigation

水位根據(jù)附近河水面垂直距離來衡量，植物莖稈粗細（1/2高度處）和葉寬（最寬處）為人工測量，密度為人為計數(shù)。土壤CO2和H2S排放速率利用 WEST Systems便攜式土壤 CO2/H2O通量系統(tǒng)WS-LI840（west systems portable flux meter WS-LI840）進行，設備葉室直徑200 mm，高200 mm。采樣時盡量保持群落原貌，葉室盡量扣在土表以測量土壤CO2排放速率，選擇叢間空地進行數(shù)據(jù)采集。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。利用LSD方法（數(shù)據(jù)滿足方差齊次性時）或Tamhane方法（數(shù)據(jù)不滿足方差齊次性時）對不同類型進行差異顯著性比較（α=0.05）。

2 研究結(jié)果

2.1 CO2排放速率

10種亞類中，CO2排放速率表現(xiàn)為野黑豆＞玉米＞稗草＞蘆葦+雜草＞蘆葦+蒲草 (干)＞翻耕地＞蘆葦+灌木柳＞休耕地＞蘆葦+蒲草 (濕)＞裸灘（圖1），野黑豆與玉米 CO2排放速率分別達到 36.94 mmol·m-2·h-1和 22.65 mmol·m-2·h-1，蘆葦+蒲草（濕）與蘆葦+蒲草（干）CO2排放速率分別為 10.71 mmol·m-2·h-1和 2.88 mmol·m-2·h-1。裸灘則接近零；野黑豆與玉米與其他亞類的CO2排放速率都保持著顯著差異，蘆葦+蒲草（濕）與蘆葦+蒲草（干）、玉米、稗草及野黑豆相互差異顯著。野黑豆與玉米提高了撂荒地和農(nóng)田的CO2排放速率，對10亞類數(shù)據(jù)進行歸類平均發(fā)現(xiàn)，CO2平均排放速率表現(xiàn)為荒地＞農(nóng)田＞原生植被＞裸灘（圖2）。農(nóng)田和撂荒地較原生植被的 CO2排放速率升高了 43.7%和237.0%。

圖1 不同亞類CO2排放速率對比Fig. 1 Comparison of different CO2 emission rate

圖2 4種土地利用類型CO2排放速率均值對比Fig. 2 Comparison of mean CO2 emission rates between 4 wetland types

2.2 H2S排放率對比

10亞類中，裸灘 H2S排放速率最高，達0.20 mmol·m-2·h-1，與其他亞類差異顯著，翻耕地和休耕地次之，分別為 0.13 mmol·m-2·h-1和 0.12 mmol·m-2·h-1，兩者之間無顯著差異但與其他亞類差異顯著，除以上3種外其他亞類排放率較低，為0.02—0.04 mmol·m-2·h-1，且內(nèi)部無顯著差異（圖3）。將10亞類進行歸類平均，發(fā)現(xiàn)4類土地利用類型中，H2S平均排放速率為裸灘＞農(nóng)田＞撂荒地＞自然濕地（圖4）。農(nóng)田和撂荒地較原生植被提高了270.96%和33.40%。

圖3 不同類型H2S排放率對比Fig. 3 Comparison of different H2S emission rates

圖4 4種濕地類型H2S排放速率均值對比Fig. 4 Comparison of mean CO2 emission rates between 4 wetland types

3 討論

土壤溫室氣體的排放速率受土壤狀態(tài)、排放源物質(zhì)含量及生物量影響。翻耕改變了土壤狀態(tài)，良好的水氣條件加速了有機質(zhì)的分解條件，加上人為添加排放源物質(zhì)，導致農(nóng)田CO2和H2S排放速率較原生植被顯著提高，且這一趨勢不會因休耕而很快恢復。農(nóng)田撂荒后CO2和H2S排放速率仍明顯高于原生植被。

3.1 不同土地利用類型CO2排放速率大小的影響因素

造成農(nóng)田CO2排放速率高的一個原因是植被生物量。不同亞類的植被差異造成了土壤呼吸速率的差異，從本研究來看，決定于CO2排放速率的主要外因為地表生物量，生長旺盛的野黑豆和玉米最高，而裸露的裸灘最低，植被狀況造成了CO2排放速率的巨大差異，主要原因有三方面，一是從碳循環(huán)過程看，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，大氣中的CO2通過濕地植物的光合作用形成有機碳儲存于植物體中，植物地上部分和根死亡后殘留在濕地沉積物中形成沉積物有機質(zhì)，有機質(zhì)經(jīng)微生物分解再次以CO2及其他氣體形式排放到大氣中（Friborg et al.，2003）；二是從CO2排放來源主要為濕地植被提供的植株凋落物、根的分泌物與脫落物（孟偉慶等，2011），其與土壤動物微生物組成的生態(tài)群落決定了CO2排放速率；三是茂盛的植被阻隔了CO2向大氣排放，叢間CO2濃度較高。

除了生物量因素之外，土壤微環(huán)境如氣溫、水分含量、微生物及外來添加物也決定了CO2排放速率。溫度的升高有助于CO2的釋放（解夢怡等，2020；王潔茹等，2020）。在同一時間，地表植被覆蓋率較低，溫度則較高，因此翻耕地和休耕地釋放速率高于原生植被，翻耕地的土壤透氣性較好，促進植株根系的生長和土壤微生物群落的形成，從而增加了CO2排放速率，這與一些研究結(jié)果一致（韓廣軒等，2008；安崇霄等，2020；楊軍等，2020），這應為翻耕地大于休耕地的原因。水分變化對CO2的影響較復雜（Burkett et al.，2000；盛宣才等，2016），但在一般情況下，隨水位升高，土壤逐漸轉(zhuǎn)為厭氧環(huán)境，CO2排放量逐漸減少，低水位則會造成CO2增加（Mitsch et al.，2013），因此蘆葦+蒲草亞類中干＞濕。

CO2排放速率的影響因素具有復雜性，在本研究中，植被覆蓋及其影響的土壤生物微生物量、溫度、水分含量、空氣流通及CO2排放源物質(zhì)，與人為干擾如施肥、翻耕等措施共同影響著黃河中游灘地不同土地利用類型的排碳速率，總體來看，經(jīng)人為干擾后的農(nóng)田與撂荒地CO2排放速率較高。

3.2 不同土地利用類型H2S排放速率的影響因素

決定土壤H2S排放速率的因素主要是土壤硫的組成、含量，以及土壤環(huán)境。土壤含硫氣體的釋放主要來自微生物作用下硫酸鹽的異化還原和含硫氨基酸的降解，這兩類物質(zhì)中最先參與降解的是包括水溶硫和吸附硫的有效硫（李萍等，2019）。由于有效硫是能被植物吸收的主要成分，其含量是決定H2S排放速率的主因，因此植被較少的裸灘、翻耕地和休耕地H2S排放速率較高。

影響H2S排放速率的因素還包括還包括土壤水含量、透氣性及有機肥的添加。有研究證明淹水環(huán)境較有利于還原性硫的排放（Delaune et al.，2002），這一因素決定了水位較低條件下蘆葦+蒲草（濕）亞類的H2S排放速率大于干旱條件。水位較低的裸灘、翻耕地和休耕地由于土壤土壤底部的還原環(huán)境，加上表層翻耕導致的氧化環(huán)境以及外源有機肥的添加，排放速率也較高。裸灘是河水下降后的泥沙淤積帶，破壞了灘地邊緣的部分植被，土壤有效硫由于植物吸收量減少、植物殘體厭氧分解而增加，最終造成H2S排放量增加，本研究發(fā)現(xiàn)，在黃河濕地中，植被的減少有利于H2S的排放，裸灘、翻耕地和休耕地H2S排放速率高于其他樣地，這也造成了4類型總排放量為裸灘＞農(nóng)田＞撂荒地＞原生植被。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，黃河中游灘地不同土地類型土壤呼吸強度有較大差異，裸灘CO2排放速率接近于零，而 CO2排放速率分別達到 36.94 mmol·m-2·h-1和22.65 mmol·m-2·h-1，H2S 排放速率差異同樣很大。裸灘 H2S 排放速率達到 0.20 mmol·m-2·h-1，翻耕地和休耕地次之。各亞類歸類平均后，農(nóng)田和撂荒地較原生植被的 CO2排放速率升高了 43.7%和237.0%，H2S排放速率升高了270.96%和33.40%。造成這一結(jié)果的因素主要為植被覆蓋量、耕種歷史及水分條件，灘地耕種后土壤呼吸強度明顯升高，既有耕種改變土壤條件、增加外源肥料的原因，又有耕種改變溫度、植被覆蓋及土壤透氣度等自然條件的結(jié)果。

灘地中的原生植被物質(zhì)循環(huán)較穩(wěn)定，而農(nóng)業(yè)活動打破了這一平衡，農(nóng)業(yè)種植明顯提高了土壤呼吸強度，棄耕和撂荒后的灘地仍然較高，說明濕地生態(tài)平衡的恢復需要較長的時間。