人類活動對皖江淡水濕地土壤碳密度的影響

許信旺，何小青，崔 鵬，毛 敏

（1.池州學院 資源環境與旅游系,安徽 池州247000；2池州職業技術學院，安徽 池州247000；3.合肥工業大學 化工學院，安徽 合肥230009；4.安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖241000）

特別策劃——濕地碳循環研究

人類活動對皖江淡水濕地土壤碳密度的影響

許信旺1，2，何小青1，崔 鵬3，毛 敏4

（1.池州學院 資源環境與旅游系,安徽 池州247000；2池州職業技術學院，安徽 池州247000；3.合肥工業大學 化工學院，安徽 合肥230009；4.安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖241000）

主持人語：濕地生態系統是陸地生態系統中僅次于森林生態系統的最大碳庫，濕地生態系統碳循環在全球碳循環中起著重要作用，濕地碳通量研究是濕地碳循環研究的關鍵問題。由于濕地獨特的水文條件，使得濕地碳循環具有與其他生態系統不同的特點。植被、氣候條件及水文狀況共同決定濕地生態系統的碳收支。許信旺、何小青等采集湖泊自然濕地及其周邊圍墾農田的代表性土壤剖面樣品,測定了總有機碳含量,討論了天然淡水濕地圍墾成農田后的土壤有機碳的變化。得出濕地表層(0～15 cm)土壤有機碳含量范圍為15.35～25.63g/kg;而農田表層土壤有機碳則為6.77～23.42g/kg。濕地開墾為農田后,土壤表層和全剖面的土壤有機碳含量明顯降低,圍墾到30-40年后，有機碳的損失趨于穩定，年均損失在1.04-1.06%之間。開墾為旱地土壤的有機碳含量和碳密度顯著低于開墾為稻田，一年兩季水稻田土壤有機碳含量和碳密度均高于一年一季稻。林凡、方宇嬡等選擇安徽沿江淡水濕地（龍感湖、大官湖、泊湖、青通河、升金湖）和周邊農田的土壤剖面中土壤活性碳、緩效性碳、穩定性碳的含量進行分析測定，得出開墾為農田后，土壤中各有機碳含量顯著降低,穩定性碳占總有機碳的百分比出現了下降趨勢。劉文靜，張平究等從退耕的角度，選取菜子湖區不同退耕年限（2、5、8、10、20a）和退耕后不同植被群落（苔草、蘆葦和酸模）濕地土壤為研究對象，揭示退耕還湖后退耕年限和植被類型對濕地土壤有機碳恢復的影響。結果表明：隨退耕年限的增加，濕地土壤有機碳含量逐漸增加，但土壤有機碳密度隨退耕年限增加呈“升高―降低―升高”的趨勢，分析得出退耕還湖后菜子湖濕地植被恢復和理化性質變化促進土壤有機碳含量及其密度變化，而苔草、蘆葦和酸模土壤剖面土壤有機碳恢復不一致，蘆葦對土壤剖面有機碳密度提升能力最強。他們的研究成果均表明了，無論是濕地圍墾，還是退耕還濕都表明了濕地是重要的碳匯。胡和兵博士則是從安徽沿江濕地景觀演變研究方法入手，確定了安徽沿江濕地景觀演變研究的思路方法，提出從安徽沿江濕地景觀時空演變特征研究，安徽沿江濕地景觀模擬模型的構建研究，安徽沿江濕地景觀演變過程模擬與驅動機制研究，安徽沿江濕地景觀演變情景預測與管理調控等四個方面開展研究。可以肯定的是，濕地研究的內容和方法都應不斷地豐富和發展，系統地研究濕地生態系統碳循環也將有助于加深對全球碳循環變化的理解。

主持人簡介：許信旺（1962-），男，安徽樅陽人，池州職業技術學院院長，池州學院資源環境與可持續發展研究中心主任，三級教授，博士，碩士研究生導師，主持研究方向資源環境與土壤碳循環。

采集湖泊自然濕地及其周邊圍墾農田的代表性土壤剖面樣品,測定了總有機碳含量,討論了天然淡水濕地圍墾成農田后的土壤有機碳的變化。結果表明,濕地表層(0～15 cm)土壤有機碳含量范圍為15.35～25.63g/kg;而農田表層土壤有機碳則為6.77～23.42g/kg。濕地開墾為農田后,土壤表層和全剖面的土壤有機碳含量明顯降低,圍墾到30-40年后，有機碳的損失趨于穩定，年均損失在1.04-1.06%之間。開墾為旱地土壤的有機碳含量和碳密度顯著低于開墾為稻田，一年兩季水稻田土壤有機碳含量和碳密度均高于一年一季稻。

濕地;農田;土壤有機碳;碳庫損失;氣候變化

濕地是由陸地生態系統和水生生態系統交互作用形成的特殊類型的生態系統[1]。它具有豐富的生物多樣性和環境調節功能，濕地土壤固碳的作用也非常受關注[2]。根據IUCN的統計，最近百年來，全球范圍內大約有50%的濕地被圍墾利用[3]，目前，世界上泥炭、沼澤和濕地被人為破壞的勢頭未減。濕地有機碳是生態系統碳循環的一個重要組成部分。有研究表明，濕地可能就是遺漏的碳匯。濕地土壤在人類不合理的利用下，造成有機碳的損失，越來越受到學者們的關注[4-5]。加強對淡水濕地土壤有機碳變化的研究，尤其是人類活動對濕地土壤有機碳的影響研究，對全球應對氣候變化的研究具有重要的理論和現實意義。

中國濕地類型多樣，隨著上世紀60-70年代人口的增加，近幾十年來經濟發展的需要，濕地資源存在著明顯的不合理圍墾利用，使得我國自然濕地面積不斷減少。據估計長江中下游淡水湖泊面積從1949年至上世紀90年代減少了15335km2[6]，江漢平原在最近的60多年時間里，圍湖造田的面積估計達到6000km2[7]，洞庭湖曾經是我國最大的淡水湖，也是我國重要的魚米之鄉，水域面積最大時達到了6000km2，但是，到上世紀90年代時被圍墾了3/4[8]。世界自然基金會（WWF）確定我國長江水域及其周邊湖泊為具有全球意義的生態區域之一，這一區域也是我國濕地生物多樣性保護的關鍵地區之一，長江安徽段（稱皖江）流域濕地也被大規模圍墾，自20世紀50年代以來面積開始逐漸減少。皖江流域河流和湖泊濕地的土壤有機碳儲存狀況如何？開墾為農田后的發生何種變化？不同利用方式和不同利用年限下土壤有機碳有何差異？這些問題都還沒有充分認識。為此，我們選擇了皖江地區的升金湖、十八索及平天湖濕地，開展不同利用類型和不同圍墾年限下，自然濕地和開墾為農田后土壤有機碳的變化研究，選擇代表性土壤剖面，分析土壤有機碳含量和碳密度的差異性，估算濕地圍墾為農田后土壤有機碳的損失強度，為農業應對氣候變化和不同國土功能區的發展戰略選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安徽沿長江地區屬亞熱帶季風濕潤氣候類型，季節分明，雨熱同季。多年平均氣溫為14.5℃～16.6℃，平均無霜期為248天。多年平均降水量在1300～1600毫米之間，從降水季節分配看，主要集中在夏季。地帶性植被類型為常綠與落葉闊葉混合林帶，地帶性土壤為紅壤與黃壤地帶。濕地生長著自然草甸植被，常見是蘆葦、苔草、茭白等。一般在每年的4月至10月水位較高，只有冬季和春季低水平時，出露面積最廣，本文土壤樣品采自于安徽省池州市的升金湖、十八索濕地、平天湖等濕地及圍墾后的農田，所采樣研究的濕地基本情況見圖1、表1。

升金湖位于皖江南岸，地處貴池區與東至縣境的交界處，是國家級自然濕地保護區，亞洲重要濕地，湖區面積達133平方公里。湖區的植被以苔草，苦草，竹葉眼子菜，莎草屬植物為主。濕地被圍墾為農田有40多年的歷史，現存的濕地近年來，保護較好，沒有受到人為地擾動，生態環境優良，成為水禽的良好棲息地，吸引大批雁鴨類、鶴類、鸛類、鸻鷸類、鷗類水禽前來越冬、停歇。每年在保護區內越冬水鳥84種，越冬水鳥數量超過10萬只。屬淡水湖泊濕地。

十八索濕地處池州市貴池區，與青陽、銅陵毗鄰，為省級自然保護區，總面積7500公頃，核心區面積為2500公頃，采樣點位于濕地東邊，濕地生態環境優越，水質優良無污染，餌料資源豐富，是雁形目、鸻形目、鷗形目鳥類的良好棲息地，在此越冬水禽總數達到2萬只以上，國家一級保護的有白頭鶴、白鸛、黑鸛等。濕地環境保護對白暨豚以及長江的水質都有重要意義。濕地土壤已有30多年的圍墾種植歷史。

圖1 皖江地區代表性濕地分布圖

平天湖位于安徽省池州市市區東南部，水面約12平方公里，省級風景名勝區齊山依偎其旁，平天湖及其周邊區域規劃建成為城市濕地公園，總面積42.7平方公里。

1.2 樣品采集

自然濕地和圍墾為農田后的土壤樣品采用集中、就近分開采集。升金湖濕地及農田土樣在2010年6月采集，十八索和平天湖濕地和農田土壤為2011年10月中旬所采。野外采樣使用不銹鋼土鉆采集，采樣最大深度達100cm，采樣深度分別：0～5cm，5～10cm，10～15cm，15～20cm，20～30cm，30～40cm，40～50cm，50～60cm，60～70cm，70～80cm，80～90cm，90～100cm范圍內。其中，自然濕地表層和農業耕作土壤的耕層0～15 cm重復采3個樣。共采集自然濕地和農田土壤樣品380個，分析樣450個。土壤樣品的前期處理用四分法將樣品自然風干，去除植物根系、樹枝、石塊和貝殼等侵入體，用粉碎機處理后過100目篩，然后將樣品分別裝入樣品袋備用。

1.3 有機碳測定與碳密度計算

自然和濕地土壤樣品有機碳采用通用的K2CrO7容量法進行測定。

土壤有機碳密度（Dsoc）的計算采用下式：

式中，Dsoc代表土壤有機碳密度 (tC/hm2)，SOC代表土壤有機碳含量(g/kg)，γ代表土壤容重(g·cm-3)，H代表土層厚度(cm)，δ2mm代表粒徑大于2mm顆粒的比例（%）。潘根興課題組提供了自然土壤的容重與SOC和農業土壤容重與SOC的關系式[9]，濕地土壤和農田土壤的容重就由經驗公式計算得出，公式如下：

皖江地區位于長江中下游平原地帶，土壤的成土母質以河流沉積物為主，無論是濕地土壤還是農田土壤樣品中＞2mm粒徑的顆粒含量普遍較低，所以在本文研究中取δ2mm=0。

1.4 數據處理和統計檢驗

本文測得或計算得出的各項數據，均采用Microsoft Excel 2003進行處理、分析和制圖。濕地土壤和農田土壤有機碳的差異顯著性檢驗采用P≤0.05。

2 結果與分析

2.1 自然淡水濕地土壤有機碳

皖江地區自然淡水濕地土壤表層 （0～5cm）有機碳含量范圍在 18.14～27.83 g/kg， 平均值為23.31g/kg，變異系數為15.74%，濕地表層土壤0～15cm范圍內有機碳含量為9.80～31.09 g/kg，平均含量20.49g/kg，變異系數為21.2%。平均含量高于安徽省表層土壤有機碳平均水平13.9±8.75g/kg[9]，但變異系數則低于安徽省表層土壤有機碳的變異系數（62.95%）和貴池水田土壤耕層有機碳的變異系數（32.58%），表層（0-15cm）濕地土壤有機碳含量升金湖最低，十八索濕地最高。升金湖濕地表層土壤有機碳15.35～22.27 g/kg，平均為16.58±3.79g/kg，十八索濕地表層土壤有機碳達到24.21～25.63g/kg，平均為25.26±0.93g/kg，變異系數最小，只有3.68%。平天湖濕地表層土壤有機碳達到 9.80～31.09g/kg，平均為19.64±10.7g/kg。均高于貴池水田土壤耕層有機碳平均含量17.77±5.79g/kg[10]。王樹起等（2007）研究東北地區三江平原濕地土壤時，也得出濕地表層土壤有機碳含量高于當地的農田土壤，濕地土壤有機碳含量在 30～95 g/kg之間[10]，濕地開墾為農田后土壤有機碳含量損失近50%；鄒焱等（2006）和唐國勇等（2006）研究得出洞庭湖濕地表層有機碳含量為18～65g/kg，開墾為農田后為14～36 g/kg[12-13]。說明自然濕地土壤有機碳含量高于當地的濕地圍墾為農田的土壤。濕地圍墾為農田后，表層土壤有機碳含量有減少的趨勢，這可能與耕作活動加快土壤有機碳的釋放所造成的。

表1 濕地表層（0-15cm）土壤有機碳含量(g/·kg)

濕地土壤有機碳含量在剖面中的分布，表現出近地面層銳減強烈，達一定深度后變化趨緩，呈典型的兩段式分布。圖2所示升金湖與十八索濕地土壤剖面SOC含量變化，均表現出在0～30cm深度內有機碳含量減少較快，而在30cm-60cmSOC含量穩定變化，范圍在8-10g/kg左右，60cm以下基本穩定。而水稻土與濕地土壤有機碳的變化不盡相同，水稻土表層（耕層）有機碳的含量和碳密度明顯低于自然濕地土壤有機碳（見表2）。

圖2 升金湖與十八索濕地土壤剖面SOC含量（g/kg）

2.2 濕地開墾為農田后土壤碳密度變化

利用土壤碳密度計算公式（1），將升金湖、十八索和平天湖三地自然濕地土壤和農田土壤有機碳密度計算結果列于表2。從表2可見，自然濕地表層（0-30cm）土壤碳密度均高于圍墾為農田后的土壤碳密度。濕地表層土壤碳密度介于45～60 tC·hm-2，農田土壤有機碳密介于22～50 tC·hm-2，0～100cm全剖面的碳密度，濕地土壤碳密度介于80～90 tC·hm-2， 農田土壤碳密度介于40～80 tC·hm-2。 不同圍墾年限下，濕地表層土壤有機碳密度損失表現出明顯的差異性。圍墾的前20年內，年均損失為1.43%，圍墾到30-40年間，損失趨于穩定，年均損失在1.04-1.06%之間。由此可見，濕地圍墾過程是表層土壤有機碳的損失過程，墾殖時間越長，碳的損失越多，但達到一定年限后，這種損失將趨于平穩。

表2 各剖面表層（0～30cm）土壤碳密度(tC/hm2)

宋長春等（2004），遲光宇等（2006），張金波等（2006）研究表明，濕地圍墾為農田后，土壤有機碳的整體水平在減少，這種變化的速度有一定的差異性，表現為在濕地開墾為農田的初期，土壤有機碳損失較快，后期土壤有機碳變化趨于一個相對的穩定值[14-16]。我們曾經研究過中國水稻土，得出南方水稻土表層有機碳密度為31.7 tC·hm-2[17]，我國耕作土壤表層的平均有機碳密度為35 tC·hm-2。本研究的結果顯示，濕地土壤表層 （0～30 cm）碳密度為57～66 tC·hm-2，圍墾為農田后土壤表層的有機碳密度為33～45 tC·hm-2。由此可見，濕地圍墾為農田后，表層有機碳密度損失量達21.2～23.9tC·hm-2，損失率為30～40%。同時也表明濕地開墾為水田后，表土有機碳密度還高于安徽省水稻土表層平均碳密度21 tC·hm-2的水平，這也說明了濕地比農田有更好的碳匯功能。不過，不同利用方式下和不同圍墾年限后，濕地土壤有機碳庫的損失十分突出。圍墾為旱地有機碳密度損失更多，圍墾時間越長損失越大，測定結果表明：圍墾30～40年，表層土壤有機碳密度損失了32%～42%的有機碳密度，而圍墾后種植水稻 20年以上，表土損失了有機碳密度約28.97%。土地利用的類型和墾殖時間都影響著濕地土壤有機碳密度的變化。

2.3 種植制度對圍墾農田土壤碳密度影響

研究區內的濕地圍墾為農田后，其耕作方式主要為一年二熟制，一年兩熟制主要有水旱輪作和少量的旱旱輪作，近年來也有部分農田采用一年一熟的種植制，一年一熟制主要為水田或旱地，也有少量的水田和旱地隔年耕種。按熟制和不同作物種類，統計其土壤有機碳含量和有機碳密度，結果列于表3。由表3可知，無論是一年一熟制還是一年兩熟制，水田土壤有機碳均高于旱地土壤。一年一熟制下土壤有機碳的含量范圍13.29～19.3g/kg，其中，水田為19.3±7.54g/kg，旱地為13.29±5.5 g/kg，雖然旱地耕層土層厚度大，但水稻土的有機碳密度達到32.14±11.9 t/hm2，而旱作土有機碳密度只有24.82±9.87 t/hm2。一年二熟制，土壤有機碳含量范圍7.22～23.8g/kg，有機碳平均含量為16.11±6.37g/kg，其中，兩季稻水田平均有機碳含量23.8±9.09 g/kg，平均有機碳密度為37.73±12.54t/hm2，水旱輪作的水田有機碳密度為 16.81±5.16 g/kg，平均有機碳密度為29.10±8.27t/hm2。由此可見，水田土壤有機碳密度高于旱地，水-水輪作土壤有機碳含量最高，旱-旱輪作土壤有機碳含量最低，水-旱輪作土壤有機碳高于旱-旱輪作土壤，無論是油－棉輪作還是油－豆輪作，土壤有機碳的含量均在7.2 g/kg左右。這也佐證了水耕熟化作用有利用于土壤有機碳的積累。

表3 不同耕作制度下土壤有機碳含量與有機碳密度

從不同耕作制度下SOC的變異系數范圍來看，最大值為56%，最小值為3.5%，土壤有機碳密度的變異系數的最大值為48%，最小值為3.3%，由此可見，濕地圍墾為農田后，不同耕作制度使土壤有機碳和碳密度變異性加大。

3 結論與討論

皖江地區淡水自然濕地表層土壤有機碳含量介于11.30～27.83g·kg-1之間，表層土壤有機碳高于下層，在垂直向下30-100厘米的范圍內，土壤有機碳含量在6-10 g·kg-1之間。圍墾為農田后，表層土壤有機碳含量明顯降低，且剖面垂直分異和水平分異遠大于濕地土壤。圍墾年限越長，土壤有機碳密度損失越多，圍墾40年后年均損失趨于平穩，約為1.05%。開墾為農田后，表層有機碳密度損失達18 tC·hm-2。圍墾后土壤有機碳密度損失達到40%以上。楊則東等（2010）根據航片和衛片的解譯資料，得出從近50年的時間里，安徽沿江濕地因圍墾面積損失了近50%[18]。據此可測算出，皖江地區濕地因圍墾后造成濕地表層土壤有機碳損失估計達2.4Tg。因此，濕地是重要的土壤碳庫，保護濕地有利于土壤碳固定。

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[責任編輯：余義兵]

Impacts of Human Disturbances on Organic Carbon Density of Soil in Fresh Water Wetlands along Yangzi River in Anhui

Xu Xinwang1，2，He Xiaoqin1，Cui Peng3，Mao Min4
(1.Department of Resources and Environment Science,Chizhou University,Chizhou,Anhui 247000；2.Chizhou Vocational and Technological College,Chizhou,Anhui,24700；3.Department of Chemical Technology,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009;4.Department of College of Territorial Resource and Tourism,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241000)

Samples of topsoil land soil profile are collected from both natural wetlands and the cultivated croplands.With the measurement of general Soil organic carbon(SOC)contents,the paper discusses the change in SOC of natural wetlands cultivated into farmland,and the results show that SOC storage from the topsoil at 0-15 cm is15.35～25.63g/k,while SOC of farmland topsoil is 6.77～23.42g/kg.After wetlands cultivated into farmlands,SOC contents of topsoil and soil profile are obviously decreasing.After 30 to 40 years,loss of SOC tends to be stable,with annual loss between 1.04%and 1.06%.SOC and carbon density of cultivated upland soil are lower than those of cultivated paddy,and SOC and carbon density of the paddy with two seasons crops a year are higher than those of the paddy with one season crop a year.

Wetland;Cropland;Soil Organic Carbon;Carbon Loss;Climate Change

S153

A

1674-1104(2014)03-0001-05

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.001

2013-12-17

國家自然科學基金（41071337）；安徽省教育廳自然科學重大項目（ZD2008009-1）；安徽省教育廳自然科學一般項目（KJ2013B170）。

許信旺（1962-），男，安徽樅陽人，池州學院資源環境與旅游系教授，博士，主要從事資源環境與土壤碳循環研究。