白洋淀湿地区土壤有机碳密度及储量的空间分布特征

李瑾璞,于秀波,夏少霞,*,赵 玮,王树涛,许 策

1 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101 2 河北农业大学资源与环境科学学院, 保定 071001 3 河北农业大学国土资源学院, 保定 071001

土壤碳库是碳循环与全球变化研究的重要环节[1],作为碳移动和流通的转换媒介,土壤碳储量变化常常作为评价土壤质量的指标。而湿地土壤有机碳含量占到整个陆地碳库的10%[2]。因其积水厌氧的环境而在土壤中积累大量有机碳,起着“碳汇”的功能[3- 4]。因此,准确估算湿地碳储量对于认识碳循环过程,制定科学合理的生态系统碳管理措施具有重要意义[5- 6]。

目前,各国的学者针对土壤有机碳储量开展了大量研究,我国对土壤碳储量研究自20世纪90年代初,主要方法包括结合土壤类型、植被分布图等对有机碳含量进行加权平均法估算[7]以及根据土壤有机碳与容重的关系进行碳密度估算[8],从而确定不同类型土壤中的碳储量,根据估算中国1m深的土壤碳储量在70—90 Pg范围[9- 10]。随着3S技术的发展,遥感与模型拟合的方法为全球土壤碳储量的估算提供了新的手段[11],但系统的土壤监测数据的缺失是导致土壤碳储量估算结果存在较大不确定性的重要原因,因此开展实地调查研究非常必要[12]。土地利用方式变化是引起土壤碳储量变化的关键因素之一,不同土地覆被类型的碳储存能力不同,同时,由一种土地覆被类型转换为另一种类型过程中往往会导致碳储量的变化[13]。在黑河流域的研究表明,由灌木林和草地向农田等土地类型的转化,导致了土壤有机碳储量的降低[11]。对中国森林、草地、农田和湿地等不同生态系统土壤有机碳储量的变化,发现湿地有机碳储量呈减小的趋势[12]。

湿地是受人类活动干扰强度较大的区域之一,其碳储量变化动态也是全球变化科学中的前沿与热点。湿地生态系统类型多样,沼泽湿地[14]、河口三角洲湿地[15]、湖泊湿地[16-18]、海岸湿地[19]、红树林湿地[20]等类型的碳储量具有较大的差异。而随水文和高程梯度变化,在同一湿地区,碳储量也具有较大的变异性[16]。因此,湿地生态系统碳储量测算也是湿地生态系统研究的难点。白洋淀湿地作为华北平原唯一的淡水湖泊湿地,是雄安新区的核心水系。近几十年来,白洋淀湿地面积不断缩减,对湿地的生态功能产生了不利的影响。白洋淀的生态修复和保护是雄安新区总体规划中的重要组成部分,开展白洋淀湿地区域土壤碳储量的调查与初步研究,将为白洋淀湿地恢复提供本底数据。研究在白洋淀湿地区采集了7种地类的105个土壤剖面,并对其有机碳含量进行分层测定,估算了湿地区总碳储量,初步揭示了白洋淀湿地区土壤碳储量的时空特征规律,将为白洋淀湿地及雄安新区的生态修复及碳库管理提供科学支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况

白洋淀湿地是典型的水陆交错带湿地生态系统,处于华北平原中部(38°43′—39°02′N, 115°38 —116°07′E), 隶属大清河水系, 有九条河流或渠道流入白洋淀。该区域位于暖温带半干旱气候区, 多年平均气温为7.3—12.7℃,多年平均降水量仅563.9 mm,80 %的降水集中在6—8 月,年均蒸发量为1369 mm。白洋淀湿地主要由水域、芦苇沼泽、台田以及浅滩湖滨带等多种湿地类型组成,主要植被类型为芦苇[21]。研究以白洋淀水域边界为基础,通过ArcGIS缓冲区分析的工具建立2 km缓冲区作为研究区,即白洋淀湿地区,进行实验设计和采样工作。

1.2 土壤样品的采集及预处理

在白洋淀湿地区范围内选取5个典型样区,每个样区选取7种典型的地类(落叶阔叶林、常绿针叶林、乔木园地、旱地、水田、台田芦苇、淹水芦苇),在2019年5—6月对每种地类进行了3次重复采样,共设土壤剖面105个。鉴于土壤有机碳主要分布在100 cm以内,因此,本研究以100 cm作为本次研究的采样深度[9]。使用土钻及环刀、容重钻等工具,按0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm 5个深度分层采集土样,每层约2 kg,带回实验室分析[16]。采样同时利用软件进行GPS 定位,并详细记录采样点的地类、经纬度坐标及高程等相关信息。野外采回的土样经自然风干、研磨、过筛后进行土壤有机碳含量的测定。

图1 研究区示意图Fig.1 Location map of Baiyangdian wetland底图为哨兵2号影像,获取日期为2019年5月13日

1.3 样品的测定方法及数据处理

有机碳测定采用重铬酸钾外加热法,土壤容重的测定采用环刀法[22],土壤有机碳密度及有机碳储量参考了王勇辉[23]等人研究中的计算方法：

土壤有机碳密度计算公式如下：

SOCDi=Ci×Pi×Hi×10-2

(1)

式中,SOCDi为第i层土壤有机碳密度(kg/m2)；Ci为第i层土壤有机碳含量(g/kg)；Pi为第i层土壤容重(g/cm3)；Hi为剖面深度(cm)；10-2为单位转换系数。

土壤有机碳储量计算公式如下：

(2)

式中,SOCstorage代表某种植被类型的土壤有机碳储量；S代表某种植被类型面积。

采样数据进行录入后,用SPSS 22.0进行单因素方差分析,选择Duncan新复极差法和t检验(α=0.05)对不同处理的差异性进行比较,用Origin 2016进行制图。

2 研究结果

2.1 不同植被类型土壤有机碳含量变化

白洋淀湿地区不同植被类型的土壤有机碳含量存在较为明显的差异(如图2所示),其中尤以60—80 cm土壤的差异大。在各层土壤中,淹水芦苇的土壤有机碳含量均与其他植被类型的土壤有机碳含量显著高于其他植被类型(P<0.05),其中,土壤机碳含量约为其他植被类型的3倍左右。具体来看,在0—20 cm层(表层土)中,土壤有机碳含量表现为：乔木园地(8.53 g/kg)<台田芦苇(8.72 g/kg)<常绿针叶林(9.62 g/kg)<落叶阔叶林(10.16 g/kg)<水田(10.33 g/kg)<旱地(10.76 g/kg)<淹水芦苇(17.70 g/kg),最大值与最小值相差2倍；在20—40cm层(上层土)中,乔木园地(5.12 g/kg)<常绿针叶林(5.79 g/kg)<落叶阔叶林(6.06 g/kg)<芦苇(6.60 g/kg)<旱地(7.12 g/kg)<水田(8.18 g/kg)<淹水芦苇(14.38 g/kg),最大值与最小值相差2.8倍；在40—60cm土层(中层土)中,乔木园地(4.73 g/kg)<旱地(5.21 g/kg)<落叶阔叶林(5.84 g/kg)<常绿针叶林(6.12 g/kg)<水田(7.07 g/kg)<芦苇(7.28 g/kg)<淹水芦苇(12.67 g/kg),最大值与最小值相差2.73倍；在60—80cm土层(下层土)中,乔木园地(3.55 g/kg)<旱地(4.49 g/kg)<水田(5.43 g/kg)<常绿针叶林(6.31 g/kg)<芦苇(6.55 g/kg)<落叶阔叶林(6.57 g/kg)<淹水芦苇(11.59 g/kg),最大值与最小值相差3.26倍；80—100cm土层(下层土)中,旱地(3.94 g/kg)<乔木园地(4.12 g/kg)<水田(5.40 g/kg)<芦苇(5.57 g/kg)<常绿针叶林(5.59 g/kg)<落叶阔叶林(6.15 g/kg)<淹水芦苇(11.67 g/kg),最大值与最小值相差2.96倍。

图2 不同植被类型的土壤有机碳含量特征Fig.2 Soil organic carbon (SOC) stock in indifferent vegetation types不同小写字母表示相同土壤深度的不同植被类型间的土壤有机碳含量差异显著(P<0.05)；DEF: Deciduous broad-leaved forest; ECF: Evergreen coniferous forest; GP: Garden plot; DL: Dry land; PF: Paddy field;OR: Ota reeds; FR: Flooded reeds

2.2 土壤有机碳含量的空间分异特征

2.2.1土壤有机碳含量垂直分布特征

总体而言,不同植被类型中,土壤有机碳含量的垂直分布规律几乎一致,即0—20 cm表层土壤有 机碳水平均为最高值,随着土壤剖面深度增加,土壤中有机碳的含量呈现减少趋势,但逐渐趋于稳定。旱地的有机碳含量自表层至深层减少幅度最大,自10.76 g/kg减少至3.94 g/kg,有机碳含量共减少6.81 g/kg；其次为淹水芦苇,其有机碳含量自17.70 g/kg减少至11.07 g/kg,有机碳含量共减少6.03 g/kg。土壤有机碳含量自表层至深层减少量最小的为落叶阔叶林及常绿针叶林,分别为4.01 g/kg和4.02 g/kg。

2.2.2不同土层深度的土壤有机碳分配

由图4可以看出,不同植被类型的土壤在各土层深度的分配比例略有差异,但均以表层(0—20 cm)最高,该层有机碳含量分配比例均集中在30%左右,自40 cm以下,分配比例变幅相对较小。其中,落叶阔叶林、常绿针叶林与乔木园地的分配比例各有不同,落叶阔叶林在40—60 cm层的分配比例最小,常绿针叶林在80—100 cm层的分配比例最小,乔木园地在60—80 cm层的分配比例最小；旱地、水田及淹水芦苇的分配比例表现一致,从表层到深层分配比例依次减少。

图3 不同植被类型的土壤有机碳垂直分布特征 Fig.3 Vertical distribution pattern of soil organic carbon indifferent vegetation types

2.3 不同植被类型土壤有机碳密度比较

本研究结合土壤容重参数,估算了白洋淀湿地区不同植被类型的土壤有机碳密度(图5)。不同植被类型的土壤有机碳密度间存在差异,各土层深度中,淹水芦苇的土壤有机碳密度显著高于其他植被类型(P<0.05),各植被类型的总土壤有机碳密度分布规律为：乔木园地<旱地<常绿针叶林<落叶阔叶林<水田<台田芦苇<淹水芦苇。总体而言,土壤有机碳密度的变化是随土壤剖面深度的增加而减少的趋势,这与土壤有机碳含量的垂直分布特征一致,这种趋势在旱地、台田芦苇与淹水芦苇3种植被类型中尤为明显。

2.4 白洋淀湿地土壤有机碳储量估算

本研究估算了白洋淀湿地区不同植被类型的土壤有机碳储量(表1)。其中,旱地土壤有机碳储量最大,不同土层深度的土壤有机碳范围为(323.73—775.97)×103MgC,总储量为2462.41×103MgC。其次是淹水芦苇,不同土层深度的土壤有机碳储量范围为(344.96—503.72)×103MgC,总储量为1998.47×103MgC。乔木园地土壤有机碳储量最低,不同土层深度的范围为(8.98—20.64)×103MgC,总储量为63.27×103MgC。白洋淀湿地的土壤有机碳储量总计为5816.77×103MgC。

表1 白洋淀湿地区土壤有机碳储量

3 结论与讨论

(1)白洋淀湿地土壤有机碳含量整体偏低,低于其他湖泊湿地和沼泽湿地。

湿地生态系统的土壤有机碳含量受诸多条件影响,如地形、水文、温度、土壤质地、植物群落类型、pH等[23]。本研究估算的白洋淀湿地土壤表层有机碳含量为8.53—17.70 g/kg,远低于长江中下游区的鄱阳湖湖泊湿地(21.90—29.21 g/kg)[16]以及三江平原沼泽湿地(37.32—55.07 g/kg)[14]。这主要与白洋淀湿地水文条件和湿地优势植被分布有关。白洋淀湿地区域受上游水库给水影响较大,水位降低导致湿地面积缩减,进而造成植被群落退化[24-25],间接致使进入土壤的植物残体及根系分泌物减少[25]。同时,蓄水量变化致使土壤干湿交替作用明显,造成土壤微生物呼吸强度提高,致使有机碳分解速率加快[5],这使得白洋淀湿地土壤有机碳密度水平低于其他湿地。本研究还发现,淹水芦苇的土壤有机碳含量显著高于其他植被类型。其一,枯落物是芦苇群落中土壤有机碳的主要来源,长期无人管理的芦苇在生长期在水中立枯,有机质通过水体流向土壤中,且芦苇的厚壁组织相较于其他植被类型的植物枯落物更难分解[26]；其二,淹水芦苇处于长期淹水的状态,土壤水分始终处于饱和状态,土壤处于厌氧还原条件下有机质不易被分解,土壤有机碳含量呈现最高值[27]。这意味在白洋淀湿地芦苇对其碳库的维持具有重要作用。

(2)白洋淀湿地的土壤有机碳分布呈现随着土层深度增加而减少的垂直分布特征。

研究表明,表层土壤(0—20 cm)有机碳含量显著高于其他土层,分配比例达30%左右,中下层土壤有机碳含量则相对稳定。这与之前研究中湿地土壤有机碳的分布特征类型一致[17—23]。有机碳含量垂直分布特征受到植物群落初级生产力、枯落物产量及分解速率等原因的影响[28]。研究表明,植物通过光合作用对大气中的二氧化碳进行固定,植物在生长期中,根系能够将光合作用产物以分泌物的形式传输给土壤,在生长结束后,植物通过枯落物的形式向土壤传输有机物[17]。植物的根系主要存在于表层土壤中,随着土层剖面深度增加,植物根系的数量逐渐减少,同时,植物残体凋落后首先进入表层土壤中参与分解,因此表层土壤的有机碳含量水平最高。

(3)土地利用/植被类型是导致白洋淀区土壤碳密度变化的关键影响因子之一。

研究表明不同湿地植被类型中土壤有机碳密度和含量具有显著差异,具体表现为淹水芦苇的有机碳密度最高,约为其他土壤类型的3倍左右,这与在鄱阳湖湿地的研究结果类似[27]。湿地的土壤有机碳含量、容重及剖面深度三个因子是土壤有机碳密度估算的基本参数,剖面深度一定的情况下,土壤碳密度的变异则是有机碳含量和容重变异性的综合反映[17]。土壤性质作为影响土壤容重主要原因,不同的土地利用方式能够使土壤理化性质发生较大的变化[23],具体表现为：相较于自然土壤,翻耕等农业管理措施使得表层土壤充分混合,土壤通气性变好,导致土壤容重减小；同时耕作能够导致土壤侵蚀增加,使土层变薄,加剧有机质分解流失[25],这是导致乔木园地与旱地两种受人为干扰较大的类型中土壤有机碳密度较低的原因。

(4)雄安新区建设将对白洋淀湿地区土壤碳库具有重要影响,整体而言,随着湿地恢复及植被覆盖率的增加,雄安新区的固碳功能将会呈现较好发展态势。

研究估算白洋淀湿地区土壤有机碳储量累计为5816.77×103MgC,而旱地土壤有机碳储量最大,约占研究区总储量的42.33%,这主要是因为旱地是当前研究区的重要土地利用类型。然而,旱地的土壤碳密度则是相对较低的,低于淹水芦苇和台田芦苇,也低于落叶阔叶林和常绿针叶林。而随着雄安新区规划的逐步落实,退耕还林、退塘还湿等将改变未来白洋淀湿地区的地类分布格局,使得湿地和林地面积增加,固碳能力将进一步提升。但雄安新区尚在建设之初,生态系统固碳受外界环境影响较大,在调整土地利用结构时应以经济与生态并重[29]。同时,注重发挥土地的多种功能,实现单一土地功能向生产—生态复合功能的转变[30],这对稳定区域碳循环具有重要意义。此外,建设用地固碳能力相较于湿地、林地等生态用地相差甚多[10],因此,合理规划建设用地面积的增加是城市发展过程中亟需关注的[31],应结合生态恢复以及土地布局优化,尽量减少雄安新区建设中土地之间的流转带来的碳排放影响,提高区域生态效益。