羅先香，賈紅麗，楊建強，王震宇

（1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3.國家海洋局北海分局，山東 青島 266100；4.海洋石油泄漏和風(fēng)險評估實驗室，山東 青島 266100）

全球濕地土壤有機碳庫225×10－15g［1］約占土壤有機碳庫1 526×10－15g［2］的15%左右，具有很高的碳密度，在陸地碳匯和固碳中發(fā)揮著重要作用。濕地土壤碳累積和分解關(guān)系到濕地土壤碳庫穩(wěn)定性與二氧化碳（CO2）釋放，對全球陸地碳循環(huán)與氣候變化起著關(guān)鍵作用［3］，即使土壤有機碳庫的微小變化，也會對大氣CO2濃度產(chǎn)生顯著影響［4］。河口濕地位于河流入海的海陸交錯地帶，是陸海相互作用形成的具有較高的凈初級生產(chǎn)力和固碳能力的特殊生態(tài)系統(tǒng)［5］，并能有效的沉積和埋藏河流及潮汐作用攜帶的有機物［6］，防止海洋生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化。但全球范圍內(nèi)因經(jīng)濟發(fā)展和土地利用方式改變導(dǎo)致的河口鹽沼濕地的消失和退化十分嚴(yán)重［7］。濱海濕地，特別是河口鹽沼濕地的碳匯與管理目前已成為區(qū)域乃至全球氣候變化研究的熱點問題［8－9］，準(zhǔn)確評估河口濕地生態(tài)系統(tǒng)碳庫及其動態(tài)變化特征，對正確認(rèn)識河口濕地在區(qū)域碳循環(huán)中的作用，開展退化濕地的生態(tài)恢復(fù)重建技術(shù)有重要意義。中國學(xué)者在長江口、閩江口、黃河口及遼河口等濕地土壤碳庫及分布特征方面已開展了部分相關(guān)研究工作［10－13］，但目前仍缺乏對不同河口濕地土壤碳庫及其差異的比較研究。本文選擇中國北方最典型的黃河口和遼河口濕地，通過比較兩河口蘆葦濕地土壤有機碳庫的差異，探討了造成其土壤有機碳儲量差異的原因和主要影響因素，以期為退化的河口濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和提高河口濕地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和碳匯功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 站位描述及土壤樣品采集

黃河口和遼河口濕地均位于我國北方暖溫帶半濕潤半干旱大陸季風(fēng)區(qū)，蘆葦是兩河口濕地區(qū)域內(nèi)分布面積最廣的濱海鹽生植被。黃河口濕地是中國面積最大的新生河口濕地生態(tài)系統(tǒng)，位于中國渤海的渤海灣與萊州灣之間，年平均氣溫12.8℃，大于10℃活動積溫約4 300℃，年平均降雨量550mm，主要集中在夏季，年均蒸發(fā)量為降水量的3.6倍左右，區(qū)內(nèi)蘆葦濕地主要分布于一千二自然保護區(qū)、黃河口自然保護區(qū)和大汶流自然保護區(qū)內(nèi)，在部分地表積水區(qū)域亦有蘆葦濕地，但是面積較小，成斑塊狀分布，蘆葦濕地總面積約2.4萬hm2。遼河口濕地位于渤海的遼東灣北岸，年平均氣溫8.6℃，大于10℃活動積溫約3 500℃，年平均降水量為650mm，也主要集中在夏季，年均蒸發(fā)量為降水量的2.5倍左右，區(qū)內(nèi)分布著世界第二、亞洲第一大的濱海蘆葦濕地，主要分布于雙臺子河口自然保護區(qū)內(nèi)，包括東郭葦場和趙圈河葦場等人工管理的天然或半天然葦塘，蘆葦濕地總面積約7萬hm2。

于2008年10月和2009年5月對黃河口和遼河口蘆葦濕地進行了土壤樣品的采集，黃河口濕地采樣點區(qū)域的地理位置為118°55′E～119°06′E，37°43′N～38°02′N，遼河口濕地采樣區(qū)域的地理位置為121°41′E～121°56′E，40°54′N～41°11′N，采樣點位置描述如圖1。在每個站位采集0～20cm的表層土壤樣品，在黃河口的H1站位和遼河口的L3站位各設(shè)置一個土壤剖面，剖面深60 cm，每10cm采集一個土壤樣品，兩個河口共采集0～20cm的表層土壤樣品24個，剖面土壤樣品24個；2008年10月，在每個站位進行了蘆葦?shù)厣仙锪康臏y定；2009年5月和11月初在黃河口的H1站位和遼河口的L3站位進行了表觀土壤呼吸通量的測定。

圖1 采樣站位描述Fig.1 Location description of sampling sites

1.2 樣品理化性質(zhì)分析

現(xiàn)場測定土壤含水率和容重；土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、除去石塊、植物根系等雜物后磨碎、充分混勻分別過14、60、80和100目篩備用?？扇苄喳}稱取過14目篩的樣品采用質(zhì)量法測定［14］；有機碳（TOC）稱取過80目篩的樣品，加10%的鹽酸溶液處理后于105℃烘干，用德國耶拿EA2000元素分析儀測定，檢出限為1mg/g，采用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW07403作為內(nèi)控樣，回收率控制在98%～104%之間；總氮（TN）取過60目篩的樣品采用硒粉－硫酸銅－硫酸消化法測定［14］，總磷（TP）取過100目篩的樣品采用酸溶-鉬銻抗比色法測定［14］，TN、TP用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW07403作為內(nèi)控樣，回收率分別為97%～100%和90%～100%；氨氮（NH4－N）取過14目篩的樣品采用靛酚藍比色法測定［14］，加標(biāo)回收率控制在90%～104%之間；硝態(tài)氮（NO3－N）取過14目篩的樣品采用酚二磺酸比色法測定［14］，加標(biāo)回收率控制在100%～105%之間。實驗過程中任選20%的樣品進行平行雙樣測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4%。蘆葦?shù)厣仙锪坎捎檬崭罘?，每次隨機選取3個樣方（1×1m2），將蘆葦?shù)厣喜糠旨粝聨Щ貙嶒炇矣?20℃殺青2h，80℃烘干至恒重，獲取干物質(zhì)重。表觀土壤呼吸通量采用Li-8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)（LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）進行測定［15］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤有機碳庫（Ti）按（1）式計算［16］：

其中：TOCi表示土層中有機碳的含量（g/kg）；di為對應(yīng)土層土壤的容重（g/cm3）。

數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗采用單因素方差分析法進行，相關(guān)性分析采用person相關(guān)系數(shù)評價。圖形繪制采用Origin 8.0和Surfer 8.0進行繪制。

2 結(jié)果

2.1 土壤性質(zhì)

土壤基本理化性質(zhì)顯著影響土壤有機碳的累積和釋放［17］。表1為兩河口濕地土壤基本理化性質(zhì)，其數(shù)據(jù)為5月份和10月份的平均值及波動范圍。黃河口蘆葦濕地土壤容重略高于遼河口，且各站位土壤容重的差異極小。但兩河口濕地土壤可溶性鹽含量差異顯著（p＜0.01），黃河口濕地土壤可溶性鹽含量平均值為16.85g/kg（見表1），土壤的鹽漬化程度嚴(yán)重，參照我國濱海土壤鹽化分級標(biāo)準(zhǔn)［18］，鹽化等級為鹽土；遼河口濕地土壤可溶性鹽含量相對較低，平均值為3.79g/kg（見表1），鹽漬化等級為中度或強度鹽漬土。黃河口濕地土壤質(zhì)地類型主要為黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂，4～63μm的粉粒平均含量達到69%；遼河口濕地土壤質(zhì)地較細(xì)，以黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)黏土為主，粒徑小于4μm的粘粒平均含量達到47.3%。與黃河口蘆葦濕地土壤相比，遼河口蘆葦濕地土壤全氮（TN）含量較高，平均含量達到1.78g/kg，為黃河口蘆葦濕地土壤TN含量的3.6倍，土壤無機氮均以NH4－N為主，遼河口濕地土壤NH4－N含量為黃河口的2.2倍；土壤總磷（TP）含量無顯著差異。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Descriptive statistics of soil properties

2.2 表層土壤有機碳含量及有機碳庫

圖2為蘆葦濕地表層土壤有機碳含量分布特征。黃河口10月份表層土壤有機碳含量的變幅為9.75～18.24mg/g，均值為10.68mg/g，5月份其含量在1.12～6.41mg/g之間，均值為4.17mg/g，10月份高于5月份，但季節(jié)差異不顯著（見圖2B）；遼河口10月份表層土壤有機碳含量變幅為11.06～40.74mg/g，均值為23.91mg/g，5月份其含量在0.62～13.17mg/g之間，均值為8.67mg/g，10月份遠高于5月份，季節(jié)差異顯著（見圖2B）。兩河口蘆葦濕地有機碳季節(jié)含量均表現(xiàn)為10月份高于5月份，其主要原因是10月份蘆葦進入成熟期，植物根系固定了較多的碳，且凋落物大量回歸土壤，增加了表層土壤中有機碳的累積［19］；5月份，土壤中的有機碳含量主要來源于上一年的積累，且中國北方土壤經(jīng)過一個冬季的凍結(jié)過程，凍融作用加速了有機碎屑的分解和碳礦化［20］。

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，10月份，黃河口表層土壤有機碳基本都處于4級（10～20mg/g）及以下水平，遼河口土壤中有機碳處于4級及以上水平，部分站位達到1級水平（＞40mg/g），遼河口顯著高于黃河口（p＜0.05）。與我國其它河口蘆葦濕地相比，遼河口濕地表層土壤有機碳含量與閩江口［11］和長江口（崇明東灘）含量相近［10］，有機碳平均含量都在20 mg/g左右。5月份，黃河口除H4站位土壤有機碳處于5級（6～10mg/g）外，其余站位都處于6級（＜6 mg/g），遼河口土壤中有機碳變幅較大，分別處于3級及以下等級，5月份兩河口蘆葦濕地有機碳含量差異不顯著（p＞0.05）。

圖3為兩河口蘆葦濕地表層土壤有機碳庫分布特征，其分布與表層土壤有機碳含量分布特征相似。10月份，黃河口表層土壤碳庫均值為17.25kg/m3，遼河口為40.37kg/m3，遼河口顯著高于黃河口（見圖3B）；5月份，黃河口表層土壤碳庫均值為7.13kg/m3，遼河口為13.23kg/m3，兩河口差異不顯著（見圖3B）。相關(guān)性分析顯示，土壤有機碳庫與有機碳含量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.993（n＝12，p＜0.001）和0.995（n＝12，p＜0.001），而與土壤容重?zé)o顯著相關(guān)性。因此，兩河口濕地土壤中有機碳含量的差異是造成有機碳庫差異的主要原因。

圖2 兩河口蘆葦濕地表層土壤有機碳含量季節(jié)變化（A）及季節(jié)差異性檢驗（B）Fig.2 Seasonal variations of organic carbon in surface soils（A）and significance test（B）in two wetlands

2.3 土壤有機碳剖面

圖4為兩河口蘆葦濕地土壤剖面有機碳含量及碳庫分布特征。由圖4A可知，兩蘆葦濕地剖面土壤有機碳含量的分布特征相似，均表現(xiàn)為10月份各土壤層有機碳的含量高于5月份，且表層0～10cm土壤有機碳含量明顯高于底層，10cm以下土壤層有機碳含量迅速降低，0～20cm土層的土壤集中了整個剖面50%以上的有機碳。

圖3 兩河口蘆葦濕地表層土壤有機碳庫季節(jié)變化（A）及季節(jié)差異性檢驗（B）Fig.3 Seasonal variations of organic carbon pool in surface soils（A）and significance test（B）in two wetlands

黃河口剖面土壤有機碳含量，10月份變幅為6.80～10.64mg/g，5月份為1.38～4.47mg/g；遼河口剖面土壤有機碳含量，10月份變幅為15.85～64.33mg/g，5月份變幅為9.93～28.2mg/g。同一季節(jié)，遼河口剖面土壤各土壤層有機碳含量高于黃河口濕地。

兩個河口蘆葦濕地剖面土壤有機碳庫的變化趨勢與有機碳相同，也表現(xiàn)為在0～10cm土壤碳庫最高，10cm以下土壤層的碳庫含量迅速降低，20cm以下碳庫幾乎保持不變。黃河口濕地剖面土壤碳庫10月份變幅為10.22～15.60kg/m3，5月份變幅為2.19～7.25 kg/m3，遼河口剖面土壤有機碳庫10月份在24.75～99.64kg/m3之間，5月份在15.33～43.68kg/m3之間。兩個河口均表現(xiàn)為10月份高于5月份。

圖4 土壤剖面有機碳含量及碳庫分布Fig.4 Distribution of soil organic carbon and soil organic carbon pool with depth in two wetlands

3 討論

3.1 濕地有機碳的輸入輸出對土壤碳庫的影響

在所研究的區(qū)域內(nèi)，遼河口蘆葦濕地土壤有機碳庫明顯高于黃河口濕地，且10月份兩河口濕地表層土壤有機碳庫差異達到顯著性水平（見圖3B）。這與兩河口濕地有機碳的輸入和輸出有關(guān)，土壤有機碳庫是土壤有機碳輸入和輸出凈作用的結(jié)果［21］。植物光合作用固定大氣中二氧化碳及植物凋落物分解釋放是土壤有機碳的重要碳源物質(zhì)［22］，因此，濕地植被生物量能直觀地反映濕地土壤的固碳能力。圖5為2008年10月份兩河口濕地蘆葦?shù)厣仙锪康膶Ρ?，遼河口濕地蘆葦?shù)厣仙锪康木颠_到2.96kg/m2，是黃河口的5.82倍，遼河口濕地蘆葦?shù)厣仙锪匡@著高于黃河口（p＜0.01），且遼河口濕地蘆葦有發(fā)達的地下根系，有利于土壤有機碳的累積。其次，遼河口人工管理的天然或半天然蘆葦濕地接受雙臺子河和繞陽河的含有石油烴等有機物污染的河水的灌溉［23］，這也會增加遼河口濕地土壤有機碳的含量。

圖5 10月份兩河口濕地蘆葦?shù)厣仙锪縁ig.5 Above ground biomass of the two reed wetlands in Oct

土壤呼吸釋放二氧化碳是濕地有機碳輸出的一個重要環(huán)節(jié)。表觀土壤呼吸通量能直觀地反映土壤有機碳礦化和有機碳輸出的情況［15］。圖6是黃河口H1站位和遼河口L3站位蘆葦濕地表觀土壤呼吸通量的對比。11月份，黃河口的通量均值為0.24μmol/（m2·s），為遼河口的為2.2倍；5月份，黃河口的通量均值為1.06 μmol/（m2·s），遼河口僅為0.06μmol/（m2·s）。5和11月份，黃河口濕地表觀土壤呼吸通量均顯著高于遼河口濕地（p5月＜0.001；p11月＜0.001）。這表明黃河口蘆葦濕地土壤有機碳礦化釋放二氧化碳的速率顯著高于遼河口。高的有機碳輸入和低的有機碳輸出是遼河口蘆葦濕地土壤有機碳庫明顯高于黃河口濕地的根本原因。

圖6 兩河口濕地土壤表觀呼吸通量Fig.6 Flux of the two reed wetlands

3.2 濕地土壤理化因子與有機碳庫的關(guān)系

濕地土壤有機碳庫與土壤理化因子有著密切的關(guān)系。本文對影響黃河口和遼河口蘆葦濕地土壤碳庫差異的主要理化因子進行了主成分分析（見圖7）。主成分分析結(jié)果中的前三個成分解釋了總方差的78%，且各因子的特征值均大于1，它們是能客觀地反映出兩河口蘆葦濕地土壤碳庫差異的主控因子。第一主成分（PC1）的特征值為4.491，在土壤可溶鹽（S）、黏粒含量（Clay）和總氮（TN）含量因子上有較大載荷，載荷值分別為－0.900、0.895和0.885，這一主成分對有機碳庫影響的貢獻率達到49.9%，是影響有機碳庫的主導(dǎo)因素。第二主成分（PC2）的特征值為1.402，在土壤總磷（TP）含量因子上有較大載荷，載荷值為0.645。第三主成分（PC3）的特征值為1.128，在土壤氨氮（NH4－N）含量因子上有較大載荷，載荷值0.699。因此，濕地土壤鹽漬化程度、土壤質(zhì)地和營養(yǎng)要素氮含量的差異是影響兩河口濕地土壤有機碳庫差異的主要因子。

圖7 濕地土壤理化因子對有機碳庫影響的主成分分析Fig.7 Wetland soil organic carbon pool principal component analysis for soil properties

主成分分析結(jié)果顯示，土壤鹽漬化程度是影響兩河口蘆葦濕地土壤有機碳庫差異最主要的環(huán)境因子，土壤可溶鹽含量差異越大，土壤有機碳庫的差異越顯著，二者呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（R＝－0.569，n＝12，p＜0.05）。有研究表明土壤鹽度的增加對蘆葦?shù)拿芏取⒏叨燃吧锪烤鶗a(chǎn)生負(fù)面效益［24］，高鹽分可通過土壤滲透勢作用于土壤植物和微生物，影響蘆葦生長發(fā)育，降低其生物量，從而降低土壤有機碳的輸入。其次，土壤質(zhì)地也是影響土壤有機碳庫差異的主要環(huán)境因子，其中黏粒含量的高低對土壤有機碳庫的差異影響最大。遼河口蘆葦濕地土壤的平均黏粒含量達到47.30%，為黃河口的2.1倍。一方面，土壤中較高的黏粒含量，能提高土壤的持水保水能力，緩解鹽分的影響，有利于蘆葦?shù)纳L，同時，較高的土壤水分條件對土壤呼吸作用會產(chǎn)生抑制作用，利于土壤有機碳的累積；另一方面，土壤黏粒含量越高，土壤團聚體的穩(wěn)定性越高，能對有機碳起到保護和固定作用［25］。此外，土壤營養(yǎng)要素中全氮含量的差異是影響兩河口濕地土壤有機碳庫差異的最主要因子。土壤全氮含量差異越大，土壤有機碳庫的差異越顯著，二者呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（R＝0.898，n＝12，p＜0.01）。與遼河口蘆葦濕地相比，黃河口濕地土壤中氮素嚴(yán)重匱乏，限制了蘆葦?shù)纳L，不利于土壤有機碳的累積。有歷史數(shù)據(jù)也顯示在遼河三角洲高產(chǎn)蘆葦田養(yǎng)分含量高于低產(chǎn)蘆葦田，尤其是全氮含量的變化更為顯著［26］。

4 結(jié)語

黃河口及遼河口蘆葦濕地，10月份土壤有機碳含量及碳庫均高于5月份，且遼河口的季節(jié)差異顯著（p＜0.05），黃河口無顯著性季節(jié)差異；兩河口剖面土壤有機碳含量及碳庫均表現(xiàn)為0～10cm含量最高，10cm以下有機碳含量及碳庫迅速降低，20cm以下基本保持不變。遼河口蘆葦濕地表層土壤有機碳含量及碳庫均高于黃河口濕地，且10月份其差異達到了顯著性水平（p＜0.05）。相對于我國其它河口濕地，黃河口蘆葦濕地有機碳含量嚴(yán)重偏低，具有很大的可提升潛力。

遼河口濕地蘆葦?shù)厣仙锪匡@著高于黃河口（p＜0.01），表觀土壤呼吸通量顯著低于黃河口濕地（p＜0.001），高的有機碳輸入和低的有機碳輸出是遼河口蘆葦濕地土壤有機碳庫明顯高于黃河口濕地的根本原因。黃河口蘆葦濕地土壤鹽漬化程度高、黏粒含量低和氮素含量匱乏是影響其土壤有機碳庫低于遼河口濕地的主要因素。因此，在進行黃河口退化濕地修復(fù)過程中，通過增加淡水輸入降低土壤鹽漬化程度、添加合適改良劑降低土壤板結(jié)提高黏粒含量和適當(dāng)施加有機無機氮肥等技術(shù)措施來提高蘆葦生物量和減輕土壤有機質(zhì)的分解，以便增強黃河口蘆葦濕地的儲碳固碳功能。

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