四川若尔盖高原3种湿地生态系统的碳储量及碳汇价值

夏 敏, 王 行, 刘振亚, 王 娜, 刘耘硕, 王好才, 肖 雄, 肖德荣

(1.西南林业大学国家高原湿地研究中心/湿地学院，云南 昆明 650224； 2.四川省阿坝藏族羌族自治州林业和草原局，四川 马尔康 624000)

湿地面积仅占全球陆地面积的5%～8%[1]，其土壤碳储量却占全球土壤碳储量的20%～30%[2]，在全球碳循环中发挥重要作用[3].根据第2次全国湿地资源调查，我国高原湿地分布面积达2 576万 hm2，约占全国湿地资源的48%[4]，在碳固定方面发挥着极为重要的作用[5].因此，研究和掌握高原湿地生态系统碳储量及其碳汇价值，可为我国加强湿地保护以及应对气候变化提供理论依据[6].

若尔盖高原湿地地处青藏高原东缘横断山脉北段，总面积达247 414.48 hm2，其中沼泽、河流和湖泊湿地分别占233 288.36、13 653.38和472.74 hm2[4].作为巨大的碳库及在全球碳循环中的重要作用，若尔盖高原湿地碳储量的估算和碳汇价值的评估受到长期关注.据调查，若尔盖高原泥炭资源的远景地质储量达19亿 t(干重)，依据《全国泥炭沼泽碳库调查工作指南》(2014)中泥炭沼泽有机质含量测定的技术规程，其碳储量为130 Tg，约占全国泥炭资源总量的41%[7]；Chen et al[8]根据碳积累速率估算若尔盖高寒地区46 050 hm2泥炭地(平均深度139 cm)的有机碳储量为480 Tg；王铭[9]根据各省市泥炭储量估算出若尔盖高原湿地有机碳储量为710 Tg.由此可见，由于缺乏湿地类型划分技术标准，湿地分布面积与土壤深度不尽相同，若尔盖高原湿地碳储量估算结果存在较大差异[10]，为其碳汇价值的评估带来了众多的不确定.

《全国湿地资源调查技术规程(试行)》(2008)是国家林业局颁发的全国第2次湿地资源调查的纲领性技术文件，该规程内容全面，为从事湿地资源调查提供了指导性的技术和方法.本研究根据此技术规程，通过野外监测和室内分析估算了四川若尔盖高原沼泽、河流和湖泊3种湿地类型的土壤碳密度、现存植被碳密度和生态系统碳密度，探讨了生态系统碳密度与环境因子的关系，并对其碳储量和碳汇经济价值进行评估，以期客观掌握四川若尔盖高原湿地的碳汇功能和价值，为应对气候变化、加强若尔盖高原湿地的保护提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处青藏高原东北麓，四川省若尔盖县、红原县、玛曲县等境内，海拔3 400～3 600 m.受大陆性季风气候影响，若尔盖高原气候属高原寒温带—亚寒带气候区；年均温3.27～6.44 ℃，年均降水509.13～650.80 mm，其中4—10月降水占全年降水量的86%；年平均湿度、日照和风速分别为69%、2 389 h、1～3 m·s-1.若尔盖高原湿地栖息着包括国家Ⅰ级保护鸟类黑颈鹤(Grusnigricollis)等20余种珍稀鸟类，先后在若尔盖县建立了四川若尔盖湿地省级(1997年)、国家级(1998年)自然保护区，并于2008年被指定为国际重要湿地.

若尔盖高原湿地植被以高山草甸、沼泽植被为主，藏嵩草(Kobresiatibetica)、木里苔草(Carexmuliensis)和毛果苔草(Carexlasiocarpa)为沼泽植被的优势物种，四川嵩草(Kobresiasetchwanensis)、华扁穗草(Blysmussinocompressus)、垂穗披碱草(Elymusnutans)等为草甸植被的优势种.

1.2 样品采集

依据我国湿地分类及划分标准，若尔盖高原湿地划分为沼泽湿地、河流湿地和湖泊湿地3种湿地类.不同湿地分布面积差异较大，其中沼泽最大、湖泊面积最小[4].于2018年7—8月和2019年5—6月，分别在3种湿地典型分布区域布设土壤和植物样品采集点(图1)，参考各类湿地面积，沼泽、河流和湖泊湿地分别设置采样点33、11和4个.

在每个采样点设置1 m×1 m植物调查样方，记录样方内植物物种及组成，测定植被高度、盖度等指标.用剪刀整齐刈割25 cm×25 cm样方内所有地上植物，装袋后带回实验室测定地上生物量.使用铁铲沿刈割样方四边铲起，用刀切割整齐带回实验室测定地下生物量.

利用荷兰Eijkelkamp定深泥炭钻采集湿地土壤样品，采样深度以达到土壤母质层为标准 (其中沼泽土壤呈青灰色黏土，河流与湖泊呈浅黄发灰黏土).利用环刀(D：37 mm，H：50 mm)，以10 cm为间隔，对泥炭钻中的土壤进行分层取样，后分别装入塑封袋带回实验室.另外，用GPS记录每个采样点的经纬度和高程.

1.3 室内分析

将刈割的地上植物样品放置实验室晾干48 h，采用烘干称重法(65 ℃ 48 h)记录地上生物量.先后通过人工分离、过筛、水洗等方法，取出土块样品中的植物地下部分，同样采用烘干称重法(65 ℃ 48 h)记录地下生物量.采用总有机碳分析仪(德国元素Vario)测定植物有机碳含量(%)[11].采用酸洗法测定土壤有机碳含量(g·kg-1)[12].土壤总氮(TN)、总磷(TP)的测定采用H2SO4-H2O2消煮法.含水率采用烘干称重法(105 ℃ 48 h)，pH值采用pH计电位法(水与土质量比为1∶5).

各项土壤理化指标参照以下计算方式：

(1)土壤容重BD(bulk density)=0.8572e-0.0331OC+0.7446e-0.0027OC[6]，OC为土壤有机碳含量(g·kg-1)；

(3)土壤碳储量SCS(soil carbon stock)/Tg=SOCD×DA÷1 000 000，DA(distribution area)为分布面积(hm2)，数据来源于第2次全国湿地资源调查[4]；

(4)植被碳密度PBC(plant biomass carbon density)/(Mg·hm-2)=(PB×TOC)×10，PB(plant biomass)为生物量(kg·m-2)，TOC为植物碳含量(%)；

(5)植被碳储量CB(plant biomass carbon stock)/Mg=PBC×DA；

(6)湿地生态系统碳储量ECS(ecosystem carbon stock)=SCS+CB；

(7)湿地生态系统碳密度ECD(ecosystem carbon density)/(Mg·hm-2)=ECS÷DA；

(8)碳汇价值CV(carbon value)/亿元=CS×UP÷100 000 000，CS(carbon stock)为植被碳储量、土壤碳储量或生态系统碳储量；UP(unit price)为单位碳汇价值(元·Mg-1)，数值参考Liu et al[13]的研究，并按2019年美元兑换人民币6.9汇率进行换算.

1.4 数据分析

通过SPSS 20.0，采用单因素方差分析法 (one-way ANOVA)对3种湿地类的植物生物量、碳密度、土壤碳密度、生态系统碳密度及土壤理化指标(pH、容重、含水率、有机质、总氮、总磷、生物量)进行差异性检验.利用Pearson相关性分析，研究碳密度与相关环境指标的关系；对存在显著相关的指标进行Stepwise逐步回归分析，分析影响湿地生态系统碳密度的关键环境因子.

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质与植物生物量

在若尔盖高原湿地中，不同湿地类型土壤理化性质与植物生物量存在差异(表1)，其中，沼泽土壤pH、总磷、地上生物量、地下生物量与生物量显著高于河流与湖泊(P<0.05)，而在河流、湖泊中这5种因子均无显著差异(P>0.05)；3种湿地类型的土壤容重、含水率、总氮与有机质存在显著差异(P<0.01).

表1 若尔盖高原3种湿地类型土壤理化性质和植物生物量1)Table 1 Physical and chemical properties of soil and plant biomass in 3 types of wetlands on Zoige Plateau

1)NS:P>0.05;*:P<0.05;**:P<0.01.

2.2 湿地碳密度

若尔盖高原3种湿地土壤碳密度与土壤深度呈现显著的负相关(P<0.05)，即随着土壤深度的增加而不断减少(图2A～2C)；其中，湖泊土壤碳密度随土壤深度线性减少的系数最高，为0.91，其次为河流(0.89)，相关系数最小的为沼泽(0.20).

在若尔盖高原湿地中，不同湿地类型土壤、植物和生态系统碳密度存在差异(图3A～3C).其中，沼泽植被碳密度[(33.85±2.09) Mg·hm-2]、土壤碳密度[(742.21±629.70) Mg·hm-2]、生态系统碳密度[(776.06±651.78) Mg·hm-2]均显著高于河流和湖泊(P<0.05)，而河流与湖泊的碳密度(包括植被碳密度、土壤碳密度和生态系统碳密度)均无显著差异(P>0.05).

2.3 湿地碳密度的影响因子

Pearson相关性分析表明(表2)，所有存在相关性的因子中，土壤碳密度和生态系统碳密度均与含水率的相关系数最大，植被碳密度与容重的相关系数最大，三者都与pH的相关系数最小.总磷只与植物碳密度存在相关性(P<0.01).

表2 若尔盖高原湿地碳密度与环境因子的相关性分析1)Table 2 Correlation analysis between carbon density and environmental factors on Zoige Plateau

1)**:P<0.01；-：用于计算碳密度的环境因子，未做相关性分析.

采用逐步回归分析进一步确定若尔盖高原湿地碳密度的决定因子.结果表明(表3)，含水率与生物量是影响土壤碳密度的重要因子，总氮是决定植被碳密度的重要因子；对于整个若尔盖高原湿地生态系统而言，含水率和生物量是决定若尔盖高原湿地生态系统碳密度的重要因子(R2=0.73).

表3 不同湿地类型碳密度与环境因子的逐步回归方程Table 3 Step regression equations between environmental factors and carbon density of different types of wetlands on Zoige Plateau

***:P<0.001;SM:含水率；PB：生物量；TN:总氮.

2.4 湿地碳储量和碳汇经济价值

由表4可得，不同湿地类型土壤碳储量差异，沼泽植被碳储量、土壤碳储量、生态系统碳储量均显著高于河流与湖泊(最低).若尔盖高原湿地生态系统现存植被碳储量7.892 Tg，碳汇价值为2.53亿～12.67亿元；土壤碳储量174.038 Tg，占若尔盖高原湿地碳储量的95%，碳汇价值高达55.24亿～276.20亿元，是若尔盖高原湿地碳库最重要的组成部分；生态系统碳储量182.020 Tg，其碳汇经济价值为57.77亿～288.87亿元.

表4 若尔盖高原湿地不同湿地类型碳储量及碳汇价值1)Table 4 Carbon stock and carbon value of different types of wetlands on Zoige Plateau

1)Tg=10^12g；Mg=10^6g；单位碳价格为31.74～158.70 元· Mg-1.

3 讨论

本研究中，3种湿地类型的土壤碳密度均随着土壤深度的增加而减少(图2A～2C)，这与三江平原湿地土壤有机碳密度垂直变化特征一致[14].这是由于植被残体与根系为土壤碳积累的主要来源[15]，集中在表层土壤，难以深入至土壤深处[17]，因此若尔盖高原湿地深层土壤的碳积累随土壤深度的增加而减少.

统计分析结果表明，影响若尔盖高原湿地碳密度的关键环境因子是生物量和土壤水分(表3).主要原因是植物生物量是湿地碳积累最直接的来源，生物量的增加即提高湿地有机物的输入量[15].土壤水分可通过影响植物存活率[18]、光合固碳能力[19]和有机物质的分解速率[20]来影响湿地生态系统的碳储量；而且从湿地土壤有机碳与水分的相互作用来看，土壤水分含量的提高有利于土壤有机碳的积累，而土壤有机碳的积累又会提高湿地沉积物的持水能力，促使湿地的生态环境功能往良性循环方向发展[19].若尔盖沼泽生态系统的现存生物量显著高于河流和湖泊(表1)，表明沼泽生态系统的碳积累将显著高于河流和湖泊生态系统；同时，由于沼泽常年滞水的环境条件，抑制了有机碳的分解和生态系统碳的支出[21]，进一步促进了沼泽生态系统碳的累积.河流和湖泊虽均具有抑制有机质分解的水文条件，但其相对短缺的植物碳源补给条件及流动性特征，使其碳积累程度明显低于沼泽生态系统.故在本研究中，沼泽生态系统的碳密度显著高于河流和湖泊生态系统，河流和湖泊生态系统碳密度间无显著差异(图3C).最后，若尔盖高原湿地的水文条件相对复杂，是否存在外源有机物通过水文作用带入沼泽，进而增加沼泽碳积累的碳源，尚需持续监测和进一步研究.

本研究估算得出的若尔盖高原湿地生态系统碳密度为735.74 Mg·hm-2(其中土壤碳密度703.48 Mg·hm-2、植被碳密度32.26 Mg·hm-2)均低于前人的研究结果.如马琼芳[22]估算的若尔盖沼泽生态系统碳密度为1425.73 Mg·hm-2(其中土壤有机碳密度1 406.70 Mg·hm-2、植被碳密度19.03 Mg·hm-2)，周文昌等[23]估算的泥炭生态系统碳密976.12 Mg·hm-2(其中植被碳密度14.53 Mg·hm-2、土壤碳密度961.96 Mg·hm-2).这是由于前期研究对象主要为土壤有机质含量较高(>12%)的草本沼泽和泥炭地区域，而本研究对象既包括了有机质含量较高的草本沼泽，也包括有机质含量较低的沼泽化草甸、河流、湖泊湿地等，导致平均有机质含量降低.即使低于前人结果，本研究测得的土壤碳密度(703.48 Mg·hm-2)依然显著高于全国湿地土壤平均碳密度(225.13 Mg·hm-2)[6]，也高于崇明东滩(23.2 Mg·hm-2)[24]、尕海(304.17 Mg·hm-2)[25]、三江平原(490 Mg·hm-2)[26]等海滨湖泊沼泽湿地，是全国土壤有机碳密度最高的区域，展示了若盖尔高原在全国碳库中的重要地位.

由于早期缺乏统一的湿地类型划分标准、土壤垂直剖面数据缺失或面积数据的不确定，若尔盖高原湿地碳储量的估算结果存在较大差异.如Liu et al[27]测得的若尔盖泥炭地碳储量为590 Tg(泥炭体积法)，Wang et al[28]基于若尔盖泥炭地面积(460 000 hm2)估算其碳储量为1 420 Tg(根据碳积累速率)，刘子刚等[29]综合全国不同省市的有机质含量与碳储量，估算若尔盖高原泥炭地(面积28 294 500 hm-2)碳储量为714 Pg.虽然本研究估算的结果(182.020 Tg)远低于前期的研究，但其更加全面地覆盖了碳含量较低的河流与湖泊湿地，同时基于第2次全国湿地资源调查技术规范和更准确的湿地面积数据，这将有助于合理评估若尔盖高原湿地碳储量以及碳汇价值.

当前，若尔盖高原湿地面临着气候变化、降水减少的问题[30]，同时过度放牧[31]、湿地排干[32]、无序旅游[33]等人为干扰严重威胁着湿地水文环境，加速了常年淹水沼泽向沼泽化草甸、草甸演替的进程，进而导致原有湿地植被栖息生境的不断萎缩、湿地植被不断退化，这对若尔盖湿地的碳积累与现存碳储量产生了极大威胁.作为影响若尔盖高原湿地碳密度的关键环境因子，保持生物量与含水率的稳定是前提.因此，维护该区域湿地的水环境和湿地植物多样性将成为保护若尔盖高原湿地碳汇功能的关键.