洪湖湿地碳储量的研究

刘 刚 ，陈 利

（中南林业科技大学 a.涉外学院；b.林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004）

洪湖湿地碳储量的研究

刘 刚a，陈 利b

（中南林业科技大学 a.涉外学院；b.林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004）

湿地是陆地上巨大的有机碳库，其碳储量变化对全球气候变化和碳循环起着重要作用。本研究以洪湖湿地为研究对象，采用外业调查和遥感解译估测相结合的方法，将洪湖湿地分为林地、草本沼泽、农田、水生植物、洪泛平原湿地5种类型，开展洪湖土壤及植被有机碳含量、碳密度、碳储量研究。结果表明：洪湖土壤有机碳密度为4.557～67.519 kg/m2，密度由大到小依次为湖底淤泥、洪泛平原湿地、草本沼泽、林地、农田；土壤碳储总量为3.537×107t，其中湖底淤泥占45%，为1.597×107t，碳储量由大到小依次为湖底淤泥、林地、农田、草本沼泽、洪泛平原湿地。洪湖植物有机碳密度为4.93～63.03 kg/m2，密度由大到小依次为林地、草本沼泽、农田、水生植物、洪泛平原湿地；植物碳储总量为1.74×106t，其中农田碳储量占59%，为1.02×106t，碳储量由大到小依次农田、林地、水生植物、草本沼泽、洪泛平原湿地。

湿地；碳储量；碳密度；湖北洪湖

湿地是分布于陆地系统和水体系统之间，是由陆地系统和水体系统相互作用形成的自然综合体，与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统，淡水湿地被当作濒危野生生物的最后集结地[1-4]。

湿地是陆地上巨大的有机碳库，碳储量占陆地生态系统碳储存总量2%～14%[5]，全球湿地面积仅占陆地面积的4%～6%[6]。IPCC的统计结果表明，湿地单位面积碳储量是热带森林的3倍，是陆地上各种生态系统单位面积碳储量最高[7]。目前，对于区域生态系统碳库动态研究多集中在森林、农田和草地等，而对湿地生态系统的研究相对较少[8-11]。

我国湿地碳库的研究主要是在东北的三江平原、长江河口区、洞庭湖等区域。三江平原的湿地土壤是一个重要的有机碳库，由于人类过度开发利用，导致湿地丧失和退化、水土流失严重，碳储量和固碳能力日益衰减[12]；石福臣（2007）对三江平原毛果苔草沼泽和芦苇沼泽典型湿地沉积物剖面有机碳、全氮的分布特征与积累情况进行了研究[13]。康文星[14]研究不同利用方式对湿地草地土壤有机碳储量的影响。张文菊通过不同时段的土壤剖面有机碳含量的测定数据，分析不同利用方式下土壤碳储量的变化、有机碳垂直分布和组成特征[13]。张容娟以明东滩湿地围垦区为研究对象，对人类活动及不同土地利用方式对河口湿地土壤有机碳库和土壤呼吸的变化进行研究[16]。满秀玲对小兴安岭草本泥炭沼泽湿地土壤有机碳、氮和磷含量分布特征进行研究[17]。

洪湖湿地是长江中游地区重要湿地生态区域，是湿地生物多样性和遗传多样性重要区域，是众多湿地迁徙水禽重要栖息地、越冬地，是长江中游华中地区湿地物种“基因库”。开展洪湖湿地土壤有机碳含量，有机碳密度及养分研究，可以较精确地估算该地区湿地有机碳储量状况，为政府决策提供依据，并为合理开发、利用、恢复和保护洪湖湿地土壤提供理论基础，并为研究这一区域在未来气候变化中的作用提供基础数据。

1 研究区概况

研究区位于湖北省中南部，长江中游北岸，江汉平原东南端，包括洪湖市和洪湖湿地资源保护 管 理 局， 地 跨 113°07′～ 114°05′E，29°39′～30°12′N之间，洪湖市东西最长94 km，南北最宽62 km。洪湖全境历史上属云梦泽东部的长江泛滥平原，地势自西北向东南呈缓倾斜，形成南北高、中间低、广阔而平坦的地貌，海拔大多在23～28 m之间。洪湖市属亚热带湿润季风气候，其特点是四季分明，光照充足，雨量充沛，温和湿润等特点，降水集中于春夏，洪涝灾害较多，洪湖市年平均气温16.6℃左右。

2 材料与方法

2.1 数据源

本研究数据源主要包括遥感影像数据和湿地实地调查数据等资料，遥感数据为ALOS数据，接收日期2010年04月16 日，分辨率2.5 m。

2.2 研究方法

洪湖湿地碳储量研究采用外业调查和遥感解译估测相结合的方式进行，首先，利用ALOS影像开展湿地类型的解译，湿地分类标准的基础上，将林地细分为针叶林和阔叶林，便于估测林地生物量；其次，开展野外实测生物量，通过选取不同地类的样本单元，野外实地测量，收集生物量样本，开展室内测量分析，最后计算研究区总生物量。

3 结果与分析

3.1 洪泛平原湿地土壤碳储量

分别选取了4个典型的河滩、河心洲、季节性泛滥的草地及季节性被水浸润的内陆三角洲的样地，在这四处样地进行随机取样，洪泛平原湿地指在丰水季节由洪水泛滥的河滩、河谷、河心洲、季节性泛滥的草地以及保持了常年或季节性被水浸润内陆三角洲。研究结果表明：4个典型洪泛平原湿地中，有机碳密度在45.982～58.169 kg/m2，密度最大的是河心洲，其次是草地及三角洲，最小的是河滩，河心洲的土壤有机碳密度最高的原因可能是由于湖水涨水会带来大量的沉积物。有机碳密度在0～15 cm土层最大，其次是15～30 cm土层，最低的是在30 cm以上土层，有机碳密度随土层的加深而减低。根据其有机碳密度及分布面积，对洪泛平原湿地的土壤碳储量的估计为1.00×107t，如图1。

图1 洪泛平原湿地土壤有机碳密度Fig.1 Soil organic carbon density of foodplain wetland

3.2 洪湖湿地草本沼泽土壤碳储量

对典型的草本沼泽取剖面土壤进行研究，草本沼泽由水生和沼生草本植物组成优势群落的淡水沼泽。研究结果表明：草本沼泽地有机碳密度在36.031～40.217 kg/m2，有机碳密度最大在15～30 cm土层，其次是30 cm以上，最小在0～15 cm土层。由于草本沼泽的植物根系在15～30 cm土层次比较集中，根系越集中，生物量越大，从而形成的有机质越多，使有机碳密度在该土层较高。根据洪湖湿地草本沼泽各土层的平均有机碳密度，估算洪湖湿地草本沼泽土壤的碳储量为3.016×106t，如图 2。

图2 草本沼泽土壤有机碳密度Fig.2 Soil organic carbon density of herbaceous swamp

3.3 洪湖湿地林地土壤碳储量

洪湖湿地林地分为阔叶林、针叶林及灌木林3种类型，阔叶林主要是构树林、樟树林和杨树林，针叶林主要是是落羽松林、池沙林及杉木林。研究结果表明：3种地类的土壤有机碳密度最大的是针叶林，其次是阔叶林，最小的是灌木林，平均值在0.97～1.75 kg/m2，且有机碳密度随土壤深度的加深而降低。林地在洪湖湿地的所占面积比较小，估算得到的洪湖湿地林地土壤碳储量为2.264×106t，如图 3。

图3 洪湖林地有机碳密度Fig.3 Soil organic carbon density in Honghu lake wetland forest

3.4 洪泛平原湿地植被碳贮量

洪泛平原湿地在丰水季节由洪水泛滥的河滩、河心洲、河谷、季节性泛滥的草地以及保持了常年或季节性被水浸润内陆三角洲统称，共计5 985.40 hm2。由于该区域植物类型丰富，在枯水季节，部分湿地会有农作物种植及形成季节性草地，其面积比例在55%左右逐年变化，约为3 291.97 hm2。在丰、枯水季河水交替淹没后，洪泛平原湿地植物种类结构也会随之发生变化。在对植物进行碳储量测量研究时，不考虑植物种类，对样方内植物全体收获，经测定可得洪泛平原湿地草地植被碳密度为2.34～7.52 t/hm2，平均为4.93 t/hm2。求得洪泛平原湿地植物碳储量为7 703.21～24 722.69 t，均值为16 212.95 t，如表1。

表1 洪泛平原湿地碳密度估算Table 1 Carbon density estimation of flooded plain area in Honghu wetland

洪湖湿地草本沼泽面积为2 656.60 hm2，芦苇是沼泽植被中占绝对优势地位，在调查的样地中，芦苇覆盖率均达到100.00%，其它植物少见。芦苇的生物量达到了16.57～62.97 t·hm-2，平均为39.77 t·hm-2，碳储量达到 10.69 ～ 38.53 t·hm-2，平均为24.61 t·hm-2。地下部分的生物量大于地上部分，地下/地上生物量比率为1.16～1.88，平均为1.52，生物量是地上部分的2倍多，如表2。

3.5 洪湖湿地农田农作物碳贮量

农田生态系统是一个人为干扰极大的特殊生态系统，目前对农田生态系统碳汇的研究往往针对土壤，对农作物本身则研究较少。洪湖湿地的农田类型可分为水田和旱地两类，旱地面积略大于水田。水田作物主要为水稻，旱地作物则有小麦、玉米、豆类、棉花、蔬菜等。洪湖湿地区作物生长周期均小于1年，其作物的年固碳量即为其最大碳储量。本研究利用太湖水稻固碳量对洪湖湿地的碳储量进行估算，旱地则采用我国耕地植被的年固碳量均值，如表3。

表2 芦苇的生物量密度及碳密度Table 2 Biomass density and carbon density of Phragmites australis

表3 洪湖湿地农田碳密度估算Table 3 Carbon density estimation of cultivated land in Honghu wetland

3.6 洪湖湿地土壤有机碳密度分布特征

5种类型土壤的有机碳密度，有机碳密度最大的湖中淤泥，其次是洪泛平原湿地，最小的是农田。由于淤泥主要为湖中生物死亡残体沉积形成，有机质含量高，因而湖底淤泥有机碳密度最大；由于当地的耕作方式中秸秆还田，其凋落物输入很小，土壤有机质（Soil organic matter，SOM）分解速度提高，以及耕种措施对SOM物理保护的破坏，作物残茬易于降解，而其所含的不溶性物质较低，耕作使土壤充分混合，打破了团聚体结构，并且使SOM暴露，加快了其氧化降解速度，这些因素均导致土壤团聚体结构中轻分子量有机碳和一些有机矿物碳含量降低，从而使农田有机碳密度最低，如图4和图5。

图4 洪湖土壤有机碳密度Fig.4 Soil organic carbon density of Honghu wetland

图5 洪湖土壤有机碳密度Fig.5 Soil organic carbon density of Honghu wetland

各地类植被的有机碳密度中最大是林地，其次为草本沼泽，最小的是洪泛平原湿地。由于植物被密度及层高影响有机碳密度，而林地植被乔、灌、草层次完整，所以其碳密度较高，然而洪泛平原湿地主要植被类型为草本，其植被层高度偏低，所以碳密度最小，如图6和图7。

图6 洪湖植被有机碳密度Fig. 6 Vegetation organic carbon density of Honghu wetland

图7 洪湖植被有机碳密度Fig. 7 Vegetation organic carbon density of Honghu wetland

3.7 洪湖湿地碳储量分布特征

洪湖湿地各地类的碳储量洪湖土壤的碳储量为3.54×107t，其中洪湖湿地土壤类型中碳储量最大湖底淤泥，其占全部碳储量的比例达到45%，其碳储量大主要是由于有机碳密度比较大，洪湖湖底淤泥的面积是除了农田之外最大的。洪湖土壤中面积最大的农田，但由于农田的有机碳密度比较低，所以农田的碳储量占了其中的12%。洪湖不同地类植被的碳储最大的是农田，其次是林地最小的是洪泛平原湿地。农田虽然碳密度不高，但是其面积很大，在作物成熟时，农田的现存碳储量相对较大，但农田的碳储量因作物收获会发生剧烈波动。林地由于其极高的碳密度，从而碳储量较高，如图8、图9。

图8 洪湖湿地碳储量分布Fig.8 Carbon storage in different kinds of land in Honghu wetland

图9 洪湖湿地碳储量分布Fig.9 Carbon storage in different kinds of land in Honghu wetland

4 结论与讨论

本研究研究采用外业调查和遥感解译估测相结合的方式进行洪湖湿地碳储量，通过对洪湖土壤及植被有机碳含量的分析及碳密度及碳储量的计算，得出以下主要结论：

（1）洪湖土壤有机碳密度为4.557～67.519 kg/m2，密度由大到小依次为湖底淤泥、洪泛平原湿地、草本沼泽、林地、农田；总的土壤碳储量为3.537×107t，其中湖底淤泥的占45%，为1.597×107t，碳储量由大到小依次为湖底淤泥、林地、农田、草本沼泽、洪泛平原湿地。

（2）洪湖植物有机碳密度为4.93～63.03 kg/m2，密度由大到小依次为林地、草本沼泽、农田、水生植物、洪泛平原湿地；总的植物碳储量为1.74×106t，其中农田的碳储量占59%，为1.02×106t，碳储量由大到小依次农田、林地、水生植物、草本沼泽、洪泛平原湿地。

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Study on carbon storage in Honghu lake wetland

LIU Ganga, CHEN Lib
(a. College of Swan; b. Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Wetland is a vast land of organic carbon library, its carbon change plays an important role on global climate change and carbon cycle. By taking Honghu lake wetland as the research object, and adopting the method combining the feld investigation, remote sensing interpretation and estimation, the wetland was divided into fve different types: woodland, marsh, farmland, aquatic plants land,flooding plain wetlands, then the content of organic carbon in soil and vegetation, carbon storage and carbon density were investigated.The results show that the Honghu wetland’s soil organic carbon density were in the range of 4.557～4.557 kg/m2, the density of the soils showed a decreasing order: bottom silt, flood plains, marsh wetland, forest land, farmland; The total soil carbon reserves was 3.537×107t,which accounted for 45% of the proportion of bottom silt being 1.597×107t, the carbon stocks showed a descending order: bottom silt,forest land, farmland, marsh and flood plain wetland; Honghu plant organic carbon density were in a range of 4.93～4.93 kg/m2, the soil density ordered from high to low: forest and marsh, farmland, aquatic plants, flooding plain wetland; the total plant carbon reserves was 1.74 ×106t, the farmland carbon reserves accounted for the proportion of 59%, being 1.02×106, the carbon stocks showed a descending order: farmland, forest land, aquatic plants, marsh and flood plain wetland.

wetland; carbon storage; carbon density; Honghu lake in Hubei province

S718.5

A

1673-923X(2013)08-0103-05

2012-10-16

国家高技术研究发展计划（863计划）课题“数字化森林资源监测关键技术研究”（2012AA102001）

刘 刚（1981-），男，北京人，博士，研究方向：城市规划、遥感、景观生态

[本文编校：吴 彬]