排水对若尔盖高原泥炭地土壤有机碳储量的影响

周文昌，索郎夺尔基，崔丽娟,*，王义飞，李　伟

1 中国林业科学研究院湿地研究所, 北京　100091 2 中国林业科学研究院湿地研究所， 湿地生态功能与恢复北京市重点实验室, 北京　100091 3 若尔盖湿地国家自然保护区管理局, 若尔盖　624500



排水对若尔盖高原泥炭地土壤有机碳储量的影响

周文昌1,2，索郎夺尔基3，崔丽娟1,2,*，王义飞1,2，李伟1,2

1 中国林业科学研究院湿地研究所, 北京100091 2 中国林业科学研究院湿地研究所， 湿地生态功能与恢复北京市重点实验室, 北京100091 3 若尔盖湿地国家自然保护区管理局, 若尔盖624500

摘要:泥炭地作为陆地上生态系统一个重要碳汇，存储了全球土壤有机碳储量的25%—43%。泥炭地排水与其他土地利用导致了大量的土壤有机碳损失。然而，有关排水对中国泥炭地土壤有机碳储量的影响研究报道较少，因此，为了获得更多可靠的泥炭地碳储量信息，以便减少它们估算的不确定性。选取了我国若尔盖高原未排水泥炭地和排水泥炭地进行土壤剖面取样，定量评价排水对泥炭地土壤有机碳储量的影响。研究表明：(1)未排水泥炭地土壤有机碳储量平均值为(923.71±107.18) tC/hm2，为中国陆地和全球陆地土壤有机碳储量的8.1和9.4倍；而排水泥炭地土壤有机碳储量平均值为(574.01±66.86) tC/hm2，为中国和全球陆地的5.1和5.8倍。(2)泥炭地排水后，导致表层(0—30 cm)土壤有机碳储量增加(59.11±9.31) tC/hm2，可能源于土壤容重增加。(3)然而，完全考虑泥炭剖面深度后，排水泥炭地土壤有机碳储量较对照样地减少了349.7 tC/hm2，这可能是由于泥炭地排水后，水位降低，加速了泥炭氧化，降低了泥炭厚度。

关键词：泥炭地；排水；土壤有机碳储量；若尔盖高原

泥炭地是指泥炭厚度至少为30 cm或有机质含量超过50%的湿地[1- 2]。泥炭地面积占地球陆地表面积的3%,土壤存储了4.0×1017—6.0×1017g 碳(C)[3- 6],相当于全球陆地土壤0—100 cm有机碳储量(1.395×1018—1.576×1018g)的25%—43%[7- 10]和大气中碳库(CO2-C) (7.96×1017g)的50%—75%[11]。因此，泥炭地土壤有机碳储量的动态直接地影响大气中二氧化碳(CO2)的浓度和作为预测将来全球气候变化的一个重要因素[1,3,12]。

泥炭地长期作为大气净的吸收碳“汇”[3,5,13]，使得泥炭地在千年尺度上具有全球变冷潜力[14]。不过气候持续地变暖[11,15]和过去数百年间泥炭地遭受人类活动严重的破坏[1,16]，泥炭地可能转换为大气碳排放“源”[15,17- 18]。据统计，泥炭地为了满足农业和林业发展需求而排水，以及泥炭开采等人类活动，导致全球泥炭地面积约减少5000万 hm2(减少了12.5%)[1,16]。研究指出泥炭地排水，导致水位下降，迅速地引起土壤有机质氧化分解，随后出现较高CO2排放通量[18- 19]，以及增加了溶解性有机碳(Dissolved organic carbon，DOC)输出生态系统[20- 21]，导致泥炭地碳储量降低[19,22- 23],影响到大气中CO2的浓度，进一步加剧气候变暖[11]。另外，泥炭地排水引起了泥炭地表萎缩、压实和下沉，随后降低泥炭厚度[18]和增加土壤容重[24- 25]。泥炭深度和土壤容重又是影响泥炭地碳储量估算中尚存较大不确定性的主要因素[26- 27]；同时，以前泥炭地碳储量的估算结论中未考虑气候变化和人类活动的影响[19,28- 30]。因此，为了准确地估算泥炭地土壤有机碳储量，以及它对将来气候变化的影响[1,31]，加大泥炭地排水与其他土地利用对土壤碳储量的影响研究，对于深刻认识泥炭地碳循环具有重要意义。

作为世界湿地面积最大的高山湿地分布区——青海-西藏高原的若尔盖湿地，湿地面积约为50万 hm2[32]。然而，自20世纪60—70年代以来，由于过度放牧、排水和泥炭开采等人类活动的加剧，导致了自然湿地严重的退化或者萎缩[33- 35]，据Chen等[36]报道若尔盖高原泥炭地退化了30%，甚至研究报道若尔盖泥炭沼泽湿地退化了62%—88%[37]，泥炭湿地的退化可能已降低其湿地生态系统服务功能价值[32]。例如，仅为了满足放牧草地的需求，若尔盖高原湿地自从1955年挖沟排水以来，排水沟渠长度达到1200 km，累计改造泥炭沼泽面积超过20万 hm2，占据若尔盖湿地面积的40%[34,38]。湿地大量地开渠排水改变了湿地水文条件和植被的变化，可能已导致若尔盖湿地土壤转变为碳释放源，导致湿地碳“汇”功能减弱[35,38]。然而，有关湿地排水对若尔盖高原泥炭湿地碳储量的影响研究报道较少，根据Bai等[39]报道若尔盖湿地排水后，表层(0—30 cm)土壤有机碳储量与相对原始的泥炭湿地比较，研究结果指出，排水无显著影响土壤有机碳储量。因此，由于研究者的泥炭取样深度较浅，很难客评价若尔盖高原湿地排水后，泥炭湿地土壤有机碳储量的影响变化，为了更加准确地评价泥炭湿地排水对若尔盖高原湿地土壤有机碳储量的影响，应该增加取样深度，以便为我国政策决策者制定湿地保护和恢复提供可靠的基础数据。

1研究区和研究方法

1.1研究区概况

若尔盖高原湿地位于青海-西藏高原东部边缘，西临巴颜克拉山，东抵岷山，南至邛崃山，为一块完整的丘状高原，行政上主要包括四川省红原县、若尔盖县，此外还包括甘肃省玛曲东南部、碌曲县南部以及青海省的久治县西南部，海拔高度为3400—3700 m[33- 34]。本区属于高原寒温带湿润气候，年均气温为0.7—1.1℃，最高和最低气温月份分别为7月和1月，月平均值为10.8℃和-10.6℃；年均降水量为656.8 mm，86%降雨量集中于4—10月[33]。地表性或长年积水生长的植物主要为木里苔草(Carexmuliensis)和毛果苔草(C.lasiocarpa)等沼生植被，沼泽化草甸的代表性的植被为西藏嵩草(Kobresiatibetica)-花蹄驴蹄草(Calthascaposa)，土壤类型为草甸土和泥炭沼泽土[33- 34]。

1.2研究方法

1.2.1样地设置和取样方法

2013年8月中旬，于研究区若尔盖高寒湿地生态系统定位研究站选取对照地(未排水地)和排水地两个样点开展研究，两个样点位于同一个湖泊湿地周围，使得泥炭沉积时间大概一致。对照地分为两种水位状态，即长期性积水和季节性积水状态，对照地具有凹凸不平的垄网状草丘和丘间洼地；排水样地为排水沟渠相距130、200、300m的泥炭地，排水年代大约为1970年左右，目前排水沟渠宽度为3—7 m，深度1—1.5 m，样地因排水和多年放牧，垄网状草丘已消失，并且出现危害草场动物黑唇鼠兔(Ochotanacurzoniae)和中华鼢鼠(Myospalaxsp.)，随之出现较多鼠兔洞和土丘，样地趋向于退化阶段。以上每种水位状态重复选取3块30 m × 20 m 标准样地[30]，共15块，每1块样地随机重复取样3个土壤剖面，取样深度至少为1 m，泥炭层超过1 m的土壤深度取样到灰色粘土层为止。土壤取样通过泥炭土壤不锈钢土钻(规格为内径5 cm，长度30 cm，附有螺旋状的延伸把柄)，每取一次为30 cm的垂直剖面深度，样品分割按照10 cm 或者20—30 cm 为1个样品，每个样品通过保鲜袋密闭，保存于冷藏(4℃)条件下运回实验室。样地基本信息见表1。

表1　泥炭地基本特征

CK1：对照地1 Control site 1；CK2：对照地2 Control site 2；D130、D200和D300分别代表排水沟渠相距的距离为130 m、200 m和300 m; 水位正值为地表之上，负值为地表之下

1.2.2土壤有机碳储量计算方法

土壤有机碳储量是由土壤容重、土壤有机碳质量分数和深度决定的。土壤样品运回实验室，进行室内阴凉处风干处理2周后，同时移出土壤样品中粒径>2 mm的根系和岩石。然后为了防止高温下土壤有机碳损失，本实验样品放置于恒温箱温度设置为65 ℃烘干48h，直至恒重，计算土壤容重。土壤有机碳质量分数分析是将每个标准地的同一土层3个样品混合为1个样品，粉碎和通过120目筛(孔径为0.125 mm)，其混合样品采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳质量分数[40]。土壤有机碳储量(SOCS， tC/hm2)计算公式依据Ellert等[41]：

式中,BDi为第i层土壤容重(g/cm3)；SOCi为第i层土壤有机碳质量分数 (g/kg)；Di为第i土层厚度(cm)，Di≥10 cm。

1.3数据处理

采用Excel 2010和SPSS 18.0 软件对数据进行统计分析。不同数据组之间采用单因素方差分析(one-way ANOVA)LSD多重比较方法进行检验。显著性水平设置为P=0.05，极显著性水平设置为P=0.01。

2结果与分析

2.1泥炭地排水对土壤容重的影响

图1　泥炭地不同深度土壤容重Fig.1　Bulk density for different soil depth in peatlands

泥炭地排水显著地影响土壤容重(图1)。泥炭地CK1、CK2、D130、D200和D300剖面土壤容重波动范围(平均值±标准差)分别为0.28—0.73(0.53±0.03)、0.35—0.67(0.46±0.09)、0.56—0.78(0.65±0.04)、0.46—0.77(0.60±0.02)、0.44—0.98(0.69±0.01)g/cm3，土壤容重随土壤深度增加而增加(图1)。经统计分析表明：D130、D200和D300泥炭地0—30 cm土壤容重分别为(0.60±0.01)、(0.49±0.02)、(0.49±0.06) g/cm3，较对照地CK1分别增加了106.50%、69.95%、69.36%，而较对照地CK2分别增加了51.11%、24.36%、23.93%；D130、D200和D300泥炭地0—50 cm土壤容重分别为(0.58±0.02)、(0.48±0.02)、(0.54±0.10) g/cm3，较对照地CK1分别增加了75.36%、43.86%、61.00%，而较对照地CK2分别增加了50.41%、23.39%、38.10%；D130、D200和D300泥炭地0—100 cm土壤容重分别为(0.65±0.04)、(0.60±0.02)、(0.69±0.01) g/cm3，较对照地CK1分别增加了37.38%、26.61%、45.96%，而较对照地CK2分别增加了47.72%、36.14%、56.96%；D130、D200和D300泥炭地整个剖面土壤容重分别为(0.65±0.04)、(0.60±0.02)、(0.69±0.01) g/cm3，较对照地CK1分别增加了23.28%、13.62%、30.99%，而较对照地CK2分别增加了41.27%、30.20%、50.10%。泥炭地排水样点0—30、0—50、0—100 cm和整个剖面土壤容重平均值分别为(0.53±0.06)、(0.53±0.05)、(0.65±0.05) 、(0.65±0.05) g/cm3，分别较对照样点显著增加了57.53%、48.69%、41.79%和31.58%(P<0.05)。

2.2泥炭地排水对土壤有机碳质量分数的影响

泥炭地排水对土壤有机碳质量分数具有影响(图2)。泥炭地CK1、CK2、D130、D200和D300剖面土壤有机碳质量分数波动范围(平均值±标准差)分别为50.61—212.71(110.26±33.55)、82.69—202.32(156.25±51.18)、73.06—132.19(102.11±15.31)、53.44—179.20(112.09±2.69)和27.59—161.62(84.11±7.22)g/kg。泥炭地土壤有机碳质量分数垂直分布格局具有随土壤深度增加而降低的趋势。经过统计方差分析，泥炭地排水样点0—30、0—50、0—100 cm和整个剖面土壤有机碳质量分数与对照地比较，它们之间不存在差异显著(P>0.05)。尽管泥炭地排水样点0—30、0—50、0—100 cm和整个剖面土壤有机碳质量分数平均值分别为(144.05±13.59)、(143.22±19.03)、(99.44±14.18)和(99.44±14.18) g/kg，它们各自较对照样点分别降低了18.30%、16.49%、33.82%和23.09%，但它们之间并未达到显著性水平(P>0.05)。

图2　泥炭地土壤有机碳质量分数Fig.2　Soil organic carbon mass fractions in peatlands

2.3泥炭地排水对土壤有机碳储量的影响

图3　泥炭地土壤有机碳储量Fig.3　Soil organic carbon stock in peatlands　注：不同字母表示不同处理之间的显著性差异,误差棒代表标准差(P<0.05).

泥炭地排水显著地影响土壤有机碳储量(图3)。经过方差分析，泥炭地排水显著地影响一定土壤深度单位面积的土壤有机碳储量：泥炭地D130、D200和D300深度0—30 cm土壤有机碳储量分别为(230.92±13.10)、(229.17±9.32)、(214.17±12.99) tC/hm2，较对照地CK1分别增加了32.48%、31.47%和22.87%，而较对照地CK2分别增加了47.12%、46.00%和36.45%，使得泥炭地排水样点深度0—30 cm土壤有机碳储量极显著地较对照样点平均值增加了36.07%(或者(59.11±9.31) tC/hm2)(P<0.01)。进一步对泥炭地排水样地和对照地泥炭地土壤深度0—50 cm和0—100 cm的土壤有机碳储量之间进行统计分析，它们之间无显著性差异(P>0.05)。当增加对照地完整的泥炭层取样，达到灰色粘土层后，泥炭地D130、D200和D300整个剖面的土壤有机碳储量分别为(641.97±85.51)、(606.34±33.10)、(473.72±43.81) tC/hm2，较对照地CK1分别降低了21.38%、25.74%和41.98%，而较对照地CK2分别降低了37.73%、41.18%和54.05%，导致了排水泥炭地样点较对照样点土壤有机碳储量极显著地降低了37.01%(或者(349.70±107.17) tC/hm2)(P<0.01)。

3讨论

本研究的若尔盖高原泥炭湿地土壤有机碳储量波动范围(473.72—1030.88 tC/hm2)位于已有报道的资料(表2)。然而，本研究样点对照地泥炭地土壤有机碳储量为816.53和1030.88 tC/hm2，与三江平原和若尔盖高原泥炭地土壤有机碳储量吻合(828—1036 tC/hm2)，但远远高于东北山地泥炭沼泽湿地土壤有机碳储量(90.1—521 tC/hm2)(表2)。尽管泥炭地排水后，土壤有机碳储量降低，但是泥炭地土壤有机碳储量(473.72—641.79 tC/hm2)也远远高于大、小兴安岭土壤有机碳储量(90.1—382.8 tC/hm2)，以及中国草地(87.9 tC/hm2)和森林生态系统土壤有机碳储量(193.55 tC/hm2)(表2)。同时，排水泥炭地土壤有机碳储量的平均值((574.01±66.86) tC/hm2分别是中国陆地土壤0—100 cm平均有机碳储量[98.67 tC/hm2(91.7—108.3 tC/hm2)]和全球陆地[113.45 tC/hm2(100—121.6 tC/hm2)]的5.1和5.8倍；而对照地泥炭地土壤有机碳储量((923.71±107.18) tC/hm2)分别增加为8.1和9.4倍(表2)。因此，这表明若尔盖高原湿地是陆地生态系一个重要的碳汇，进一步保护天然泥炭地和恢复退化泥炭地可能是缓减与适应气候变化的最低成本应对策略。

表2　国内外土壤有机碳储量的估算

泥炭地排水不仅引起泥炭土壤有机质氧化，而且影响土壤理化性质，诸如土壤容重、泥炭孔隙度和矿物质含量的变化，这将可能影响泥炭地土壤碳“汇”过程[60]。土壤容重是影响泥炭地土壤碳储量估算不确定性的主要因素之一[4,26- 27,42]。泥炭地排水后，引起地下水位大幅度下降(表1)，泥炭收缩，泥炭下沉而压实，导致表层(0—80 cm或者0—50 cm)土壤容重增加44%—63%[24- 25,61]，使得表层土壤有机碳储量累计速率较快[24]，可能导致土壤有机碳储量增加[39,62]。这与本研究的泥炭地排水导致0—30 cm土壤容重显著增加了57.53%，进一步增加土壤有机碳储量为36.07%吻合(图1，图3)。

图4　土壤深度和土壤有机碳储量的回归模型关系　Fig.4　The regression equations for soil organic carbon stock and depth in peatlands

不过，本研究样点泥炭地表30 cm以下的土壤容重也显著地增加了31.6%—48.7%，但土壤有机碳储量并未增加，反而降低了(图1，图3)。这可能是由于泥炭地排水后，水位大幅下降(表1)，泥炭有机质暴露于空气中，引起泥炭有机质氧化分解，泥炭层收缩，泥炭厚度降低[18]，这可以从本研究的对照样点和排水样点的泥炭厚度得到证明(表1)。例如，研究报道泥炭地排水后，尽管泥炭表层(0—60 cm 或0—70 cm)土壤容重增加44%—600%[18,24,60]，但泥炭地排水导致了土壤有机碳储量降低了23.1—77.0 kg C m-2[18,60]；而森林泥炭地排水导致土壤有机碳储量降低了3.7—4.5 kg C/m2[22,24]。泥炭地土壤有机碳储量的降低可能从土壤有机碳储量与深度呈显著正相关得到解释(图4)，这是由于泥炭深度是影响泥炭土壤碳储量估算中尚存不确定性因素主要原因之一[26- 27,42- 44]，泥炭地土壤有机碳储量具有随泥炭厚度增加而增加的趋势[63]。因此，本研究排水泥炭地样点较对照地土壤有机碳储量降低了34.97 kg C m-2(或349.70 tC/hm2)，可能是由于泥炭地排水后，泥炭厚度降低导致的。如果按照若尔盖高原湿地过去20世纪60—70年代排水计算，到目前为止排水年限约为40—50a，相当于土壤有机碳每年损失699.4—874.3 g C/m2，这个数值与其他研究的土壤碳损失位于同一数量级(131—690 gC m-2a-1)[18,22,24,60]。这种土壤有机碳的损失形式主要是以泥炭氧化(CO2)和淋溶冲刷的溶解性有机碳(DOC)损失[18,22,60]，而据Leifeld等[60]研究报道泥炭地排水后，泥炭氧化解释了土壤碳损失达到28%—64%。但是某些学者研究报道，泥炭地排水造林后，土壤是大气碳“汇”，还是碳“源”，与地下水位、泥炭性质、土地利用和气候条件有关[60,62,64]。诸如，Minkkinen等[64]研究结果表明泥炭地养分不足的是土壤碳吸收“汇”，而养分充足的是土壤碳排放“源”。因此，进一步加大人类活动(尤其是泥炭地排水疏干)对泥炭地土壤有机碳储量的影响研究，对于开展泥炭地保护与恢复经营管理具有重要意义。

4结论

本研究点位于若尔盖高原湿地，泥炭地排水导致了表层(0—30 cm)土壤容重增加，进而加速了土壤有机碳储量的累计速率，增加了表层土壤有机碳储量；然而，增加泥炭深度取样后，排水泥炭地土壤有机碳储量反而降低，可能源于泥炭地排水后，水位大幅度下降，导致了泥炭有机质快速氧化分解，进而降低土壤有机质厚度，降低了土壤有机碳储量。

致谢：本课题依托若尔盖高寒湿地生态系统定位研究站，得到若尔盖湿地国家级自然保护区管理局的支持和帮助，特此致谢。

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Effects of drainage on soil organic carbon stock in the Zoige peatlands, eastern Qinghai-Tibetan Plateau

ZHOU Wenchang1,2, SUOLANG Duoerji3, CUI Lijuan1,2,*, WANG Yifei1,2, LI Wei1,2

1InstituteWetlandResearch,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2BeijingKeyLaboratoryofWetlandServicesandRestoration,InstituteofWetlandResearch,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China3TheManagementBureauofZoigeWetlandNationalNatureReserve,Zoige624500,China

Abstract：Peatlands play a significant role in the global carbon cycle. They have been considered an important sink of carbon and account for 25%—43% global soil organic carbon stocks. Drainage has led to large losses of soil organic carbon in peatlands. However, few studies have investigated the impacts of drainage on soil organic carbon stocks in Zoige peatlands on the Qinghai-Tibetan Plateau. To reveal the spatial distribution characteristics of soil organic carbon stocks under different drainage regimes, and to provide more reliable soil organic carbon stock estimations, we surveyed the soil organic carbon stocks along a distance gradient from the ditches in Zoige peatlands. Soil bulk density and soil organic carbon stocks at different soil depths were investigated in two un-drained sites and three drained sites 130 m (D130), 200 m (D200), and 300 m (D300) away from the ditch. The soil organic carbon stocks ranged from 816.53—1030.88 tC/hm2 in un-drained sites, with a mean of (923.71±107.18) tC/hm2. The soil organic carbon stocks in un-drained sites were 8.1-fold higher than the China′s average, and 9.4-fold higher than the global average. The mean soil organic carbon stocks in drained sites were (641.97±85.51) t C/hm2 in site D130, (606.34±33.10) tC/hm2 in site D200, and (473.72±43.81) tC/hm2 in site D300, respectively. The mean soil organic carbon stocks of all drained sites was (574.01±66.86) tC/hm2, which was 5.1-fold higher than the China′s average, and 5.8-fold higher than the global average. The depth-averaged bulk density ranged from 0.28—0.73 g/cm3 with a mean of (0.53±0.03) g/cm3 in un-drained site 1, and 0.35—0.67 g/cm3 with a mean of (0.46±0.09) g/cm3 in un-drained site 2. The depth-averaged bulk density ranged from 0.56—0.78 g/cm3, 0.46—0.77 g/cm3, and 0.44—0.98 g/cm3 at D130, D200, and D300, respectively. The bulk density of the top 30 cm, 50 cm, 100 cm soil layer, and the full-surveyed depth at the drained sites were 57.53%, 48.69%, 41.79%, and 31.58% higher than those of the corresponding depths in un-drained sites, respectively. Furthermore, the soil organic carbon stocks at the top 30 cm soil layer in the drained sites was markedly higher than that in un-drained sites (P < 0.01). However, the soil organic carbon stocks at the full-surveyed depth in drained sites appeared significantly lower than that in un-drained sites (P < 0.01). The different pattern of soil organic carbon stocks between the top 30 cm soil and full-surveyed depth in drained and un-drained sites might be due to the drawdown of the water table. The peat exposed to air could be promptly oxidized and decomposed in drained sites, where the soil porosity decreased and peat layer thinned. Thus, the soil bulk density and organic carbon stocks appeared to increase in the top soil layer, while soil organic carbon stocks of the whole soil profile decreased due to the thinned peat layer.

Key Words:peatlands; drainage; soil organic carbon stock; Zoige Plateau

基金项目:国家林业公益性行业科研专项(201204201); 国家科技支撑项目(2011BAC02B03); 中国清洁发展机制基金赠款项目(2012076); 国家林业公益性行业科研专项(201304315)

收稿日期:2014- 11- 02; 网络出版日期:2015- 08- 18

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: lkyclj@126.com

DOI:10.5846/stxb201411022148

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