
文章信息
- 蔡倩倩, 郭志华, 胡启鹏, 武高洁
- Cai Qianqian, Guo Zhihua, Hu Qipeng, Wu Gaojie
- 若尔盖高寒嵩草草甸湿地不同水分条件下土壤有机碳的垂直分布
- Vertical Distributin of Soil Organic Carbon and Carbon Storage under Different Hydrologic Conditions in Zoigê Alpine KobresiaMeadows Wetland
- 林业科学, 2013, 49(3): 9-16
- Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(3): 9-16.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130302
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文章历史
- 收稿日期:2012-03-08
- 修回日期:2013-01-20
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作者相关文章
2. 嘉汉林业(中国)投资有限公司 广州 510613
2. Sino-Forest (China) Investment Corp.Ltd. Guangzhou 510613
湿地生态系统不仅储存了大量有机碳,而且一直以来还被认为是大气CO2的重要碳汇,在稳定全球气候变化中占有重要地位(Neue et al., 1997;Richert et al., 2000; Bernal et al., 2008; 邵学新等,2011)。据估计,全球湿地总面积为8.56 亿hm2,约占世界陆地面积的6.4%,储藏在湿地内的有机碳约占地球陆地有机碳储量的15% ~30%,约为550Pg碳(Bernal et al., 2008)。
作为一种重要的湿地类型,泥炭湿地的碳沉积速率虽然较低,但经过数千年的积累,致使占地球陆地面积仅3% 的泥炭湿地有机碳储量却占到了陆地土壤碳库的16% ~30%,约储存着455Pg碳,是全世界森林有机碳储量的2 倍,对固碳起着极为重要的作用(Gorham,1991; Maltby et al., 1993; Richert et al., 2000),其单位面积上的有机碳储量也是陆地生态系统中最高的(Grunwald et al., 2007)。泥炭湿地的有机碳储量不仅数量巨大,而且分布极深,分布深度最高可达几米至几十米(Bernal et al., 2008)。而森林生态系统土壤有机碳分布多在1m以内(Ryan et al., 2004),黄土高原中部典型草原生态系统土壤有机碳含量至1m深度时几乎为零(程积民等,2012)。
目前全球对湿地的研究,主要集中在湖泊湿地(李宁云等,2011)、河口三角洲湿地(Ryan et al., 2004; 董凯凯等,2011)、海岸湿地(邵学新等,2011; 沈玉娟等,2011; 王玲玲等,2011)和红树林湿地(Nabiul et al., 2007; Daniel et al., 2011)等,对受人类活动影响较少却对全球气候变化最敏感的高寒湿地的研究相对较少,尤其是对土壤有机碳垂直分布规律的认识还很不够,这无疑有碍于深入认识全球变化下高寒湿地土壤碳汇能力及其时空格局,也不利于湿地碳循环模型的研究与发展。
青藏高原东部的若尔盖高寒湿地面积约100万hm2,是世界上面积最大、人类活动影响较小的高原湿地。若尔盖高寒湿地泥炭层相当深厚,最厚可达12m,在37 ~100m的中更新统也夹有些许泥炭(赵魁义,1999)。
在若尔盖高寒地区,高寒嵩草草甸湿地是分布面积最广、分布相对集中的一种湿地类型,并且在常年积水区、季节性积水区及无积水区等不同水分条件下均有分布。本研究探讨若尔盖高寒嵩草草甸湿地常年积水、季节性积水(每年6—10月积水)和无积水3种水分条件下土壤有机碳的分布特征,为高寒湿地有机碳储量及碳汇研究提供基础数据,并为该区高寒湿地的保护利用与管理提供科学依据。
1 研究区概况若尔盖高寒湿地位于青藏高原东北缘(102°31'—102°58' E,33°42'—33°56'N),属于黄河上游地区,隶属于四川省阿坝藏族羌族自治州的若尔盖县和红原县,是世界上典型的高原湿地,也是我国乃至全球面积最大的高原泥炭沼泽集中分布区,海拔3400 ~3900m,处于昆仑山、巴颜喀拉山东缘余脉、秦岭西端和岷山山脉北端的汇合部(高俊琴等,2010)。该区地势平坦,属黄河水系,区内主要河流有黑河和白河。属高原寒温带湿润气候,6—10月温暖湿润多雷雨,11月至翌年5月寒冷干燥多大风,年平均气温0.7 ℃,最热月(7月)平均气温10.7 ℃,最冷月(1月)平均气温-10.7 ℃,极端最高气温24.6 ℃,极端最低气温-33.7 ℃,≥5 ℃ 年积温1014.6 ℃,≥10 ℃ 年积温311.8 ℃; 年均降水量656.8mm; 日照时间长,辐射强度大,年平均日照时数2573h(高俊琴等,2010)。冷湿的气候条件使有机质分解非常缓慢,利于土壤有机碳的累积。植被以高山草甸、沼泽植被为主。沼泽植物的优势种包括木里苔草(Carex muliensis)、毛苔草(Carex lasiocarpa)、乌拉苔草(Carex meyeriana)、藏嵩草(Kobresia tibetica)和双柱头蔗草(Scirpusdistigmaticus)。
2 研究方法在全面踏查的基础上,选取若尔盖县境内典型嵩草草甸湿地为研究对象,于2011年7和8月采集土壤样品。将高寒嵩草草甸分布区按水分条件分为3种类型: 常年积水、季节性积水(每年6—10月积水)和无积水。在每种水分条件下,随机挖取3个剖面,各剖面间空间距离均>500m,3种类型高寒嵩草草甸分布区概况见表 1。在每个剖面取样18个:0 ~60cm土层每10cm取1个土样;60 ~200cm土层每20cm取1个土样;200 ~400cm土层每40cm取1个土样。每个土样鲜质量400g,装入自封袋中,带回实验室,自然风干,磨碎,过100目筛,装袋保存备用。采用四分法采集过100目筛后的各剖面土样,计算各剖面各层土壤的均值,并计算标准误。
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采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机碳含量,半微量凯氏法测定土壤全氮含量,环刀法测定土壤密度。土壤剖面第i土层平均土壤有机碳密度(Ci
,kg·m -3)和单位面积一定深度内有机碳储量(Tc,kt·km -2)用下式计算:
Ci = Di × Mci ; | (1) |
Tc=$\sum\limits_{i=1}^{n}{{}}$Ci × di。 | (2) |
数据计算、统计分析和作图用SPSS17.0软件完成。
3 结果与分析 3.1 不同水分条件下土壤有机碳含量垂直分布不同水分条件下,若尔盖高寒嵩草草甸湿地土壤有机碳含量随深度的变化如图 1和表 2所示。图 1和表 2表明: 若尔盖高寒嵩草草甸湿地的土壤有机碳含量极高、分布很深; 水分条件不同,有机碳的垂直分布也不相同。
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图1 常年积水区、季节性积水区和无积水区高寒嵩草湿地土壤有机碳垂直分布 Fig.1 Vertical distribution of SOC of no water logging,perennial water logging,and seasonal water logging area in alpine Kobresia meadow |
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在常年积水区、季节性积水区和无积水区,若尔盖高寒嵩草草甸湿地0 ~10cm表层土壤有机碳含量分别为(73.2 ±1.8),(62.5 ±2.1)和(49.5 ±2.9) g·kg -1 ; 即使在地下4m,无积水区、季节性积水区和常年积水区的土壤有机碳含量依然在(1.90 ±0.13)g·kg -1 以上(图 1和表 2)。樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)林表层(0 ~10cm)土壤有机碳含量约为14.33g·kg -1(郭然等,2004); 基于299个国家级耕地土壤监测点20余年数据统计,2007年我国农田生态系统表层(0 ~10cm)土壤有机碳含量平均为14.20g·kg -1(程琨等,2009); 黄土高原中部典型草原土表层(0 ~10cm)有机碳含量仅为8.45g·kg -1(程积民等,2012)。可见,森林、农田和草原生态系统土壤表层有机碳含量均远小于若尔盖高寒嵩草草甸湿地。
不同水分条件下,高寒嵩草草甸湿地土壤有机碳随土层深度的变化趋势相同,但下降的幅度略有差异。在0 ~140cm土层,各种水分条件下的土壤有机碳含量均随土层深度增加迅速下降,以常年积水区的降幅最大,无积水区降幅最小; 在140 ~240cm土层,各种水分条件下的土壤有机碳含量变化不大; 在240 ~400cm土层,土壤有机碳含量又快速降低(图 1和表 2)。
0 ~50cm表层土是高寒嵩草草甸土壤有机碳的集中分布区,该层土壤有机碳含量十分丰富。不同水分条件区的高寒嵩草草甸湿地0 ~50cm表层土壤有机碳含量差异显著(P<0.05),表现为常年积水区(64.05g·kg -1)> 季节性积水区(55.46 g·kg -1)> 无积水区(48.42g·kg -1)(图 1和表 2)。受常年积水影响,阿西牧场区表层土壤长期处于水分饱和状态,湿度大、气温低,土壤微生物活动弱,植物残体在土壤中分解缓慢,并以有机质形式贮存积累,因此有机碳含量较其他水分条件下高。而干湿交替不仅有助于有机质的矿化分解,且周期越短分解速度越快,有机碳的积累也就相对越少(Avnimelech et al., 2001)。辖曼牧场为季节性积水区,由于年内季节间有干湿交替现象,使得有机碳含量于常年积水和无积水区之间,这与Avnimelech等(2001)的结论一致。无积水区多表现为长期呈疏干状态且放牧严重,土壤结构松散,土壤有机质分解速度较快,有机碳含量明显低于其他水分条件。
在50 ~200cm土层,常年积水区、季节性积水区和无积水区的土壤有机碳平均值分别为26.6,26.8和27.4g·kg -1,3者无显著差异(P>0.05)。在50 ~100cm土层,常年积水区的有机碳平均含量(38.5g·kg -1)显著高于其他2个积水条件(P>0.05),但季节性积水区(35.6g·kg -1)和无积水区(35.2g·kg -1)无显著差异(P>0.05,图 1和表 2)。
在200 ~400cm土层,不同水分条件下的高寒嵩草草甸湿地土壤有机碳含量差异显著(P<0.05,图 1和表 2),但该层有机碳含量表现为无积水区(均值为10.5g·kg -1)> 季节性积水区(均值为8.9g·kg -1)>常年积水区(均值为7.9g·kg -1)。高寒嵩草湿地200 ~400cm土层的有机碳含量依然很高,甚至高于草原生态系统20 ~30cm土层的有机碳含量(程积民等,2012)。在400cm深处,高寒湿地土壤有机碳含量均达到最小值,无积水区、季节性积水区和常年积水区分别为2.3,2.1和1.9g·kg -1。
3.2 土壤碳氮比随土壤深度的变化土壤碳氮比(C /N)对微生物的分解作用产生重要影响(Nabiul et al., 2007),进而影响土壤的有机碳储量和碳汇能力。通常,C /N为25 ~30时最有利于微生物分解作用(James et al., 2000)。在各种水分条件下,在0 ~400cm各土层深度,若尔盖高寒嵩草草甸土壤C /N值多在15以下(图 2),这表明若尔盖高寒嵩草草甸土壤C /N值不利于土壤微生物对有机质的分解作用,有利于高寒湿地土壤碳的积累。
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图2 不同水分条件下高寒嵩草草甸湿地土壤C /N 比值的垂直分布 Fig.2 Vertical distribution of C /N ratio of no water logging,perennial water logging,and seasonal water logging area in alpine Kobresia meadow |
在土壤0 ~10cm表层,随着水分由湿到干(即从常年积水到季节性积水再到无积水区),土壤C /N值由11.7增加到12.3和13.4,呈显著增加趋势,表明在常年积水的水分条件下,土壤表层水分环境不利于土壤微生物分解有机质,有利于土壤碳的积累。
水分条件不同,高寒嵩草湿地土壤C /N值随土层深度的增加(0 ~400cm范围内)变化趋势不同。在常年积水区,高寒嵩草湿地的C /N值随土层深度的变化而无显著变化(P>0.05); 在季节性积水区和无积水区,高寒嵩草湿地的C /N值随土层深度增加而显著降低(P<0.05)。其中原因有待进一步研究。
3.3 土壤有机碳储量垂直分布不同水分条件下的若尔盖高寒嵩草草甸湿地土壤有机碳储量均很高(表 2)。在0 ~400cm土层,常年积水区、季节性积水区和无积水区的有机碳储量分别为64.87,71.21和76.45kt·km -2,三者间均差异显著(P<0.05,表 2)。即使在地下320 ~400cm土层,无积水区、季节性积水区和常年积水区的土壤有机碳储量依然维持在3.11,3.31和3.75kt·km -2,分别占各自土壤剖面有机碳储量的4.8%,4 .6%和4.9%。我国各森林类型土壤有机碳储量仅为4.4 ~26.4kt·km -2,平均为10.8kt· km -2(刘世荣等,2011); 基于299个国家级耕地土壤监测点20余年的监测数据,2007年我国的农田生态系统土壤有机碳储量约为2.13kt·km -2(程琨等,2009); 内蒙古典型草原生态系统土壤有机碳储量在0 ~20cm土层为3.4kt·km -2(邬建国等,2012); 丹麦湿地土壤l m深有机碳储量约为35.6kt·km -2(Krogh et al., 2003),俄罗斯沼泽和泥炭地l m深有机碳储量为30.8kt·km -2(张传清,1997),丹麦和俄罗斯湿地土壤有机碳储量与若尔盖高寒湿地土壤有机碳储量相当; 中国三江平原湿地土壤l m深有机碳储量为13.9kt·km -2(石福臣等,2 007),远低于若尔盖高寒湿地。过去的研究有相似结论,如若尔盖高寒湿地草甸土表土(0 ~30cm)和沼泽土表土(0 ~40cm)的土壤有机碳储量分别为15.1和20.3kt·km -2。可见,若尔盖高寒嵩草草甸湿地土壤有机碳储量远远高于森林、农田和草原生态系统,在湿地生态系统中,若尔盖高寒湿地的有机碳储量也是很高的。
在0 ~50cm土层,不同积水条件下高寒嵩草草甸的土壤有机碳储量差异显著,表现为常年积水区(17.9kt·km -2)> 季节性积水区(17.1kt·km -2)>无积水区(16.4kt·km -2)(图 3)。水分特征能够影响土壤的发育演化过程,进而影响土壤有机碳储量,这正是3种不同水分条件下表层土壤有机碳储量存在差异的重要原因(Rodriguez-Murillo et al., 2011)。
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图3 不同水分条件下不同土层土壤有机碳储量 Fig.3 SOC storage of different soil layer under different water conditions |
随土层加深,不同水分条件下的土壤有机碳储量也随之变化。50cm以下土层,包括50 ~100,100 ~200和200 ~400cm,其土壤有机碳储量均表现为常年积水区< 季节性积水区< 无积水区(图 3)。在100 ~400cm,常年积水区、季节性积水区和无积水区高寒嵩草草甸土壤有机碳储量分别为33.90,39.63和45.20kt·km -2,分别占其总有机碳储量的52.3%,55.6%和59.1%。
在若尔盖高原,高寒嵩草湿地的总面积为34.5181万hm2,大于整个若尔盖高原面积的1 /3。根据本调查数据,在0 ~400cm土层范围内,若尔盖高寒嵩草草甸湿地土壤有机碳储量为70.84kt·km -2。按此计算,整个若尔盖高原高寒嵩草草甸土壤有机碳储量为0.245Pg。第2次土壤普查数据估算的中国100cm深度的土壤有机碳储量为84.4Pg(解宪丽等,2004)。若尔盖高原高寒嵩草草甸面积占全国面积的0.36‰,有机碳储量却高达2.90‰。
4 结论与讨论目前,国内外土壤有机碳储量的估算大都集中在1m深度内,主要是因为土壤有机碳主要分布于1m深度内(Nabiul et al., 2007; Daniel et al., 2011;李宁云等,2011; 刘世荣等,2011; 沈玉娟等,2011;周纯亮等,2011; 程积民等,2012; 邬建国等,2012)。芦芽山典型森林土壤表层有机碳含量最大为29.93g·kg -1,但至100cm深处已接近0(武小钢等,2011)。对于草原生态系统,黄土高原典型草原土表层土壤有机碳含量最高为8.45g·kg -1,在100cm深处有机碳含量仅为0.99g·kg -1(程积民等,2012)。即使是湿地生态系统,其土壤有机碳储量的研究也多集中在1m土层深度以内,如湖泊湿地(李宁云等,2011)、河口三角洲湿地(董凯凯等,2011)、海岸湿地(邵学新等,2011; 沈玉娟等,2011)、泥炭湿地和红树林湿地(Nabiul et al., 2007;Daniel et al., 2011)等。
在若尔盖高寒嵩草湿地,常年积水区、季节性积水区和无积水区的0 ~10cm表层土壤有机碳含量分别高达73.2,62.5和49.5g·kg -1,0 ~400cm土层的有机碳储量分别为64.87,71.21和76.45kt·km -2。即使在地下4m深处,不同水分条件下高寒嵩草湿地的土壤有机碳含量依然在1.90g·kg -1 以上;200 ~400cm土层的有机碳储量分别为16.73,19.46和23.45kt·km -2,占总有机碳储量的25% ~ 30%。这主要是因为若尔盖高原地区的海拔高、温度低,土壤微生物活性弱,土壤中的有机质分解缓慢,有利于高寒湿地的碳积累。
若尔盖高寒嵩草湿地的有机碳含量和有机碳储量都远远高于森林、农田和草原等其他生态系统,且有机碳的分布深达4m。因此,今后有关高寒湿地有机碳储量、碳汇能力的研究仅仅集中在1m深度以内是远远不够的,取样深度至少应深达4m。在地下4m,嵩草湿地土壤有机碳含量在2.0g·kg -1 左右,相当于表层土壤有机碳含量的2% ~4%。由于若尔盖高原泥炭层最厚可达12m(赵魁义,1999),因此,今后在若尔盖高原高寒湿地土壤有机碳研究中,增加土壤取样深度是必需的。
若尔盖高寒地区内有黑河和白河两大黄河一级支流,湖泊众多,同一湿地植被类型在常年积水、季节性积水和无积水3种不同水分条件下均有分布,而地表水分条件影响土壤水分含量和微生物活性,进而影响土壤有机碳分布。在若尔盖高寒湿地,不同水分条件对土壤有机碳的影响主要集中在0~50cm表层土壤,常年积水区表层土壤有机碳含量最高,远大于季节性积水区,无积水区的表层土壤有机碳含量相对最低。
在50cm以下土层,若尔盖高寒嵩草湿地的土14壤有机碳储量表现为无积水区>季节性积水区>常年积水区,这可能与该地区土壤形成时期的历史淹水条件有关,深层原因还有待进一步研究。
湿地土壤有机碳储量、碳汇能力的研究,是近年来生态学研究的热点之一,尤其随着全球变化的日益加剧,对湿地土壤碳汇功能的研究越来越多。自20世纪60年代始,大都以实地取样、根据土壤剖面资料进行有机碳储量的估算; 进入70年代后,国内外学者根据编制的区域和世界各地的土壤分布图及相关土组有机碳含量,采取土组合并、相似土组之间数据的相互引用及插值等方法,进行全球土壤有机碳储量的估算; 到了80年代,统计方法开始应用于土壤有机碳储量的估算上;90年代以来,陆地土壤有机碳储量的研究开始利用地理信息系统(GIS)技术,描述土壤碳库不同层次的属性及空间分布(赵惠等,2010)。实地取样虽然保证了精确度,但只适合在小范围内的土壤有机碳储量估算上,大尺度上不但浪费人力、物力,更因受各种气候、环境条件的影响,精确度无法得以保证,因此,结合遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等技术方法,在区域乃至全球尺度的湿地土壤有机碳储量、碳汇能力的研究将是大势所趋。
作为湿地的重要组成部分,泥炭湿地是周围物质汇集的地方,其中保存的信息完整,是古环境演变研究的良好载体。若尔盖高寒湿地泥炭厚度深、储量大、分布集中、沉积连续、速度大、类型齐全,其泥炭地层记录了高分辨率的古环境变化的信息,对于研究碳循环和全球气候变化具有重要意义,因此对若尔盖高寒湿地碳积累速率的研究将是下一步要展开的工作。
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