黃河濕地包頭段不同地被類型對土壤有機碳的影響

楊文煥，王銘浩，李衛平，樊愛萍，苗春林，于玲紅*

土壤碳庫一般分為易分解的活性有機碳和穩定的惰性有機碳（張俊華等，2012）。土壤碳庫中的活性碳組分對環境因子變化響應最為敏感，雖然活性有機碳只占土壤有機碳總量的一小部分，卻是反映土壤碳庫周轉的靈敏指標（萬忠梅等，2011），也是最能反映土壤碳庫穩定性的指標（李太魁等，2013；肖燁等，2015；張帥等，2015）。濕地由于長期處于淹水或水分過飽和狀態，積累了更多的活性有機碳，對氣候變化更為敏感（Dodla et al.，2012；Abril et al.，2014），因此，利用活性有機碳研究土壤碳庫穩定性已成為研究熱點（鐘春棋等，2010）。張文敏等（2014）研究表明，在0～30 cm土層范圍內活性有機碳含量占總有機碳含量的 32.74%～33.07%，互花米草（Spartina alterniflora）的入侵增強了灘涂濕地的固碳能力，有機碳活性組分能夠反映有機碳庫的變化。

土地利用與土地覆被變化是影響地球環境系統的最主要的人類活動方式（邰繼承等，2011；房飛等，2013），它可以影響植被凋落物和殘余量，影響土壤微生物的活動（王洪杰等，2003），引起土壤活性碳庫的變化（Zou et al.，2005；Sun et al.，2011；趙鑫等，2006），且表層土壤有機碳對土地利用方式的響應和敏感程度極其顯著。將濕地轉變為耕地是常見的土地利用類型轉變方式之一（Armentano et al.，1986；Bridgham et al.，2006），然而開墾卻降低了濕地土壤有機碳含量和有機碳密度，碳庫穩定性下降（鐘春棋，2009）。目前，人類開墾活動的加劇，使得濕地成為受人類活動威脅最為嚴重的生態系統之一（Lemly et al.，2000），通過土地利用方式變化對濕地進行保護和管理成為重中之重，國內外關于土地利用方式對土壤有機碳的研究日趨增多（Yang et al.，2013；Bae et al.，2015；王麗麗等，2009；吳江琪等，2017），但大都集中在濱海濕地、沼澤濕地，而關于城市周邊濕地的研究較少。

南海濕地為黃河濕地包頭段重要組成，也是內蒙古重要濕地之一，2006年，南海濕地自然保護區被列入國家濕地保護工程規劃的重點保護名錄。南海濕地有黑鸛（Ciconia nigra）、遺鷗（Larus relictus）、大天鵝（Cygnus cygnuscygnus）等珍稀鳥類，在調蓄洪水、涵養水源、凈化環境、促淤護岸、維護生物多樣性等方面具有十分重要的作用。為了更好地保護包頭南海濕地，滿足生物多樣性保護和區域社會經濟可持續發展的需要，對南海濕地土地利用方式進行管理和對南海濕地生態系統進行保護，本研究以黃河濕地包頭段——南海濕地土壤為研究對象，采集不同地被類型——裸地、蘆葦（Phragmites australis）、旱柳（Salix matsudana）、玉米（Zea mays)、向日葵（Helianthus annuus）下的土壤樣品，分析土壤有機碳組分的空間分布特征，探討不同地被類型下土壤有機碳庫穩定性及有機碳含量差異的原因，提出針對性的保護對策，旨在使南海濕地的功能效益得到提高。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃河濕地包頭段——南海濕地（40°30′8″N～40°33′32″N，109°59′2″E～110°2′26″E）位于包頭市東河區南側，黃河北岸，是黃河改道南移后形成的湖泊和灘涂，擁有開闊的水面和大面積的疏林草地（解一凡等，2006）。因特殊的地理位置、氣候特征和水文地質條件，其成為了高緯度寒旱區獨特的河流濕地生態系統（于玲紅等，2016）。該濕地南部與黃河相接，相接部分的黃河段長度為7.0 km，東至東河槽，西與包頭市高新技術開發區接壤（高靜湉等，2017）。南海濕地總面積為2104.6 hm2，其中保護區面積為1664.4 hm2。南海濕地主體地貌為黃河沖積平原，平均海拔為1020 m，地勢呈階梯形，北高南低，保護區內的地表水主要來源于黃河水，其次為地下水和大氣降水。該區域屬于半干旱中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為8.5 ℃，日照充足，光能資源豐富，年日照時數為3177 h；年降水量為307.4 mm，年水面蒸發量為2343 mm；全年無霜期為148 d。南海濕地土壤類型分為草甸土、鹽土和風沙土三類。草甸土主要分布在湖區及外圍的沼澤地帶，為南海濕地面積最大的一個土類，鹽土呈斑狀塊散布于沼澤的外圍，風沙土大多分布于黃河岸邊的沙灘地。南海濕地成土母質主要是黃土狀沉積物及沙質風積物，還有冰磧物和冰水沉積物，土壤質地以細沙和粉砂為主（李衛平等，2017）。

1.2 取樣點的布設

對包頭南海濕地進行實地勘察，根據濕地植被區域劃分（裸地、蘆葦、玉米、向日葵、旱柳）進行樣品采集。由于南海濕地水域較廣，一些區域不能進行土樣采集，故選取具有代表性的區域劃分點位進行樣品采集。其中，蘆葦為自然生長，旱柳、向日葵和玉米均為人工種植，種植年限分別為 10 a、17 a和29 a，旱柳為不施肥狀態，向日葵和玉米均為人工施肥。各取樣點位置見圖1。

各取樣點布設說明見表1。其中，編號為1、2、3、6和10的點位分別為裸地、樹林、玉米、蘆葦和向日葵取樣區域點；編號為 4、5、7、8和9的點位分別為樹林、蘆葦、玉米、裸地和向日葵的對照區域點位，每個區域點位設置3個平行樣方。

表1 包頭南海濕地取樣點布設說明Table 1 Baotou Nanhai wetland sampling site layout instructions

1.3 樣品采集

由于濕地各類植被區域劃分較散，每種地被類型選取一個區域進行取樣恐不具有代表性，為了確保精確性，每種地被類型另選取1個對照點位進行取樣，之后進行數據對比，如數據相差不大，再取平均值進行數據分析。每種地被類型研究區域內的每個取樣點，根據實際情況選取3個2 m×2 m樣方進行取樣，共設置30個樣方。在每個樣方4個頂點及樣方中心點上用土鉆采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 共 6 個層次的土樣，將同一樣方的土樣進行同層混合。土樣裝入自封袋中帶回實驗室自然風干，除去石塊、動植物殘體等雜物，研磨后用四分法取樣并過100目（0.15 mm）篩備用。

圖1 包頭南海濕地取樣布點圖Fig. 1 Baotou South China Sea wetland sampling layout

1.4 實驗方法

有機碳總量采用重鉻酸鉀氧化法-硫酸外加熱法測定（中國科學院南京土壤研究所，1978），活性有機碳含量采用333 mmol?L-1高錳酸鉀氧化法測定（Logninow et al.，1987；Lefroy et al.，1993），惰性有機碳取總有機碳與活性有機碳平均值的差值（張俊華等，2012）。

1.5 數據分析

運用Excel 2010對實驗數據進行初步整理；運用Origin 9.0進行繪圖；運用ArcGIS 10.2進行空間插值并制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量垂直分布特征

由表2可知，不同地被類型0～60 cm不同土層總有機碳含量的變異系數為14.42%～32.52%，平均為 19.68%；活性有機碳含量的變異系數為16.87%～30.26%，平均為 24.01%。根據雷志棟等（1985）和Nielsen et al（.1985）通過變異系數（CV）對空間變異性進行劃分：CV＜10%為弱變異性，10%～100%為中等變異性，CV＞100%為強變異性。由此可知，南海濕地總有機碳和活性有機碳均屬于中等變異。在0～10 cm層變異系數均為最大，表層受人為干擾和植被覆蓋（枯枝爛葉腐爛分解使得有機碳含量增加）影響較大，隨著土壤深度增加，變異系數逐漸減小，碳庫穩定性越發趨于穩定。

表2 有機碳含量標準方差和變異系數Table 2 Standard deviation and coefficient of variation of organic carbon content

2.1.1 土壤總有機碳垂直分布特征

南海濕地0～10 cm、10～20 cm土層總有機碳含量較高，各地被類型有機碳含量峰值均出現在表層0～10 cm范圍內，5種地被類型在30～60 cm的總有機碳含量均小于 10 g?kg-1。除裸地有機碳含量從0～10 cm、10～20 cm下降趨勢不太明顯外，其他四類區域下降趨勢都較大，呈現總有機碳含量隨深度增加而減小的趨勢（如圖2），這種變化趨勢與其他濕地土壤有機碳的研究結果（Mao et al.，2009）相似。王勇輝等（2016）研究發現艾比湖濕地7種主要類型土壤有機碳含量垂直分異規律很明顯，即隨剖面深度的增加，含量依次遞減，但是減少的程度有所差異。其中鹽化草甸覆蓋下的土層自上而下，土壤有機碳含量減少的幅度最大，由 57.77 g?kg-1減少到37.24 g?kg-1；小喬木荒漠土壤有機碳含量由19.44 g?kg-1減少到 11.93 g?kg-1，其變化幅度較大；其他幾種類型土壤有機碳含量隨土層深度的增加而減少，其變化趨勢基本一致，變幅不明顯。

圖2 5種地被類型下土壤總有機碳含量隨深度的變化Fig. 2 Changes of soil total organic carbon (TOC) content with depth under five ground cover types

由圖2可知，裸地、玉米、向日葵、旱柳、蘆葦有機碳質量分數垂直變化范圍分別為4.25～6.67、5.86～10.26、5.86～11.58、5.31～14.60、6.57～16.71 g?kg-1。濕地開墾為不同地被類型后，玉米0～10 cm土層總有機碳含量降低39%，向日葵降低31%，旱柳降低13%，隨著剖面深度的增加，差異變小，在其他分層無顯著差異。這說明不同地被類型對濕地總有機碳含量的影響差別主要體現于 0～10 cm 土層。玉米和向日葵由于受人為耕作活動的擾動，有機碳含量在表層土（0～20 cm）中無顯著差異。

2.1.2 土壤有機碳組分含量垂直分布特征

土壤碳庫中的活性碳組分對環境因子變化響應最為敏感，作為能夠反映土壤碳庫穩定性的一個重要指標，活性有機碳是有效性較高、易被微生物分解利用部分有機質（Blair et al.，1995；Janzen et al.，1992），易受到外界干擾，不利于碳庫的穩定；惰性有機碳的生物活性相對較低，很難被微生物利用，為穩定碳庫。因此，把土壤有機碳分為總有機碳、活性有機碳和惰性有機碳來進行南海濕地土壤碳穩定性的研究。

由表3可知，南海濕地土壤活性有機碳質量分數在 1.22～6.17 g?kg-1之間，平均值為 2.66 g?kg-1，總有機碳質量分數在4.25～16.71 g?kg-1之間，平均值為7.58 g?kg-1，活性有機碳質量分數占總有機碳含量的30.73%～39.23%。張文敏等（2014）研究表明，在 0～30 cm 范圍內，總有機碳質量分數在3.87～6.78 g?kg-1之間，平均值為 5.33 g?kg-1；活性有機碳質量分數在1.28～2.22 g?kg-1之間，平均值為1.75 g?kg-1，活性有機碳質量分數占總有機碳質量分數的32.74%～33.07%。對比可知，南海濕地與杭州灣濕地有機碳含量較高，但活性有機碳含量所占比重相差不大，碳庫穩定性較為相似，屬中等變異。黃昕琦等（2015）研究表明，在0～40 cm范圍內總有機碳質量分數在2.55～16.00 g?kg-1之間，平均值為 9.28 g?kg-1；活性有機碳質量分數在 0.28～6.96 g?kg-1之間，平均值為 3.62 g?kg-1，活性有機碳質量分數占總有機碳質量分數的 10.98%～43.5%。南海濕地與烏梁素海濕地土壤總有機碳含量相差不大，但南海濕地活性有機碳整體所占比重較烏梁素海濕地大，碳庫穩定性也相對較差。

表3 總有機碳和活性有機碳含量Table 3 Total organic carbon and active organic carbon content

在不同土地利用方式下，由于植被類型不同，土壤有機物質數量和質量的返還程度不同，同時不同土地利用方式下，土壤環境差異較大，土壤有機碳的分解轉化程度不同，因此土壤的活性有機碳也存在巨大差異。由圖3可知，5種地被類型下，活性有機碳質量分數垂直變化范圍分別為1.22～2.47、2.02～5.32、2.10～6.08、1.97～6.12、1.52～6.17 g?kg-1，活性有機碳含量都要小于惰性有機碳含量，南海濕地碳庫總體呈現穩定現象。

在不同土層，由于植被土壤環境、根系分布、生物活動、人工擾動等影響因子不同，不同類型土壤的活性有機碳在剖面的分布規律不同。本研究中，表層土壤活性有機碳含量明顯高于中下層，0～10 cm層活性有機碳含量較大，各地被類型下活性有機碳質量分數范圍為2.47～6.17 g?kg-1，總有機碳質量分數范圍為 6.67～16.71 g?kg-1，活性有機碳質量分數占總有機碳含量的 36.91%～52.50%。其中，玉米和向日葵0～10 cm層活性有機碳含量最大，蘆葦總有機碳含量較大，但活性有機碳含量所占的比例較少，低于裸地，因此，把濕地蘆葦開發為玉米和向日葵降低了總有機碳含量，增加了活性有機碳所占比例，使得碳庫趨于不穩定。而旱柳活性有機碳含量所占比重小于玉米和向日葵，又大于蘆葦，同樣也使得碳庫趨于不穩定，但優于玉米和向日葵。由此可知，濕地蘆葦碳庫最為穩定。南海濕地北靠景觀大道公路，南鄰黃河，南海濕地土壤含水率較高，0～10 cm層土壤活性有機碳所占比例相對較高，玉米和向日葵尤其突出，受耕作影響，0～10 cm層活性有機碳含量高于惰性有機碳，隨著植物生長，植物根系對碳進行吸收和穩定，隨深度增加活性有機碳含量下降幅度很大，以惰性有機碳為主，碳庫整體呈現穩定狀態。

圖3 5種地被類型下土壤有機碳組分含量隨深度的變化Fig. 3 Changes in soil organic carbon composition with depth under five ground cover types

2.2 土壤有機碳含量水平分布特征

2.2.1 土壤總有機碳含量水平分布特征

由圖4可知，0～10 cm層土壤總有機碳以蘆葦（點位5和6）為最高，隨著深度的增加，玉米、向日葵和旱柳土壤總有機碳含量逐漸與蘆葦持平。濕地轉化為耕地導致表層有機碳含量下降，向日葵總有機碳含量稍大于玉米，因向日葵區靠近路邊且處于淹漬狀態的時間長于玉米區，土壤內部缺氧或厭氧，有機碳分解緩慢，通過枝葉和根系等枯萎凋落向土壤中輸入有機質（邵學新等，2011），使得向日葵總有機碳含量高于玉米。旱柳受人為影響相對較少，且表層土壤生有較多草類植物，其對土壤總有機碳也具有吸附作用，使得旱柳土壤總有機碳高于玉米區和向日葵區。裸地受人為踩踏影響較為嚴重，不利于土壤總有機碳積累（Bae et al.，2015），含量最低。

包頭南海濕地與其他類型濕地相比，閩江口濕地、三江平原濕地和艾比湖濕地土壤總有機碳含量都高于包頭南海濕地，原因是南海濕地土壤pH較高，植被種類和數量等生物量均少于其他類型濕地，有機碳的補充和累積有限（李衛平等，2015；金寶石等，2016）。另外，區域氣候、成土年齡、土壤潛育化程度等存在差異，如泥炭沼澤廣布的三江平原，因其特殊的形成過程，有機碳含量遠高于其他濕地；青海湖高寒濕地低溫條件下，有機碳分解困難等，也是造成包頭南海濕地土壤有機碳低于其他類型濕地的原因（訾園園等，2016）。

2.2.2 土壤活性有機碳含量水平分布特征

圖4 5種地被類型下土壤總有機碳含量水平分布Fig. 4 Distribution of total organic carbon (TOC) content in soil under five ground cover types

由圖5可知，5種地被類型下活性有機碳質量分數在1.22～6.17 g?kg-1之間，總有機碳質量分數在4.25～16.71 g?kg-1之間，活性有機碳質量分數占總有機碳質量分數的30.73%～39.23%，整體以惰性有機碳為主，南海濕地土壤有機碳屬穩定碳庫。0～10 cm層除裸地外，其他四類地被類型土壤活性有機碳含量基本持平，隨著深度增加，蘆葦土壤活性有機碳含量減小幅度大于玉米、向日葵和旱柳，而土壤活性有機碳含量低于這三類土地利用方式區域，總體土壤活性有機碳含量表現為向日葵＞玉米＞旱柳＞蘆葦＞裸地。活性有機碳占總有機碳含量的比例分別為：裸地 28.73%～37%，平均值為 32.06%；玉米34.53%～51.85%，平均值為42.41%；向日葵35.86%～52.5%，平均值為43.26%；旱柳31.22%～41.92%，平均值為35.08%；蘆葦23.14%～36.91%，平均值為28.08%，表現為向日葵＞玉米＞旱柳＞裸地＞蘆葦，向日葵和玉米平均值最高，碳庫穩定性最低，蘆葦碳庫穩定性最高，故土壤有機碳穩定性表現為向日葵＜玉米＜旱柳＜裸地＜蘆葦。

圖5 5種地被類型下土壤活性有機碳含量水平分布Fig. 5 Distribution of soil active organic carbon (AOC) content in five land cover types

相比于玉米和向日葵，雖同屬于耕作地區，但向日葵區含水率較高，土壤容重較低，故向日葵區表層土壤活性有機碳稍高于玉米區。旱柳受人為影響相對較少，且表層土壤生有較多草類植物，枯枝落葉的腐爛分解使得旱柳表層土壤活性有機碳含量較高，但隨著深度增加，活性有機碳含量下降速度較大，其10～20 cm層活性有機碳含量小于玉米區和向日葵區。蘆葦大面積種植且表層土壤蘆葦殘枝落葉較多，此外，蘆葦含水量較高，更有利于微生物生長，故其表層土壤活性有機碳含量也較高，隨著深度增加，蘆葦根系對有機碳的吸附作用使得活性有機碳含量大幅降低，從10～20 cm層開始小于樹林區。結合圖 4可知，，蘆葦區具有較高的總有機碳含量，較低的活性有機碳含量，說明種植蘆葦對土壤碳庫穩定性的影響高于其他幾個區域，蘆葦區土壤碳庫穩定性較好；而旱柳土壤碳庫穩定性高于玉米和向日葵，又低于蘆葦，故旱柳對土壤碳庫穩定性也有較大影響，但稍低于蘆葦。

3 討論

土壤有機碳在剖面上的垂直分布規律主要與植被凋落物和根系分布有關，地表大量的枯枝落葉，經腐殖質化及淋溶過程由表層向深層機械遷移。土壤表層是植被根系分布的重要區域（Liu et al.，2003；Kong et al.，2013），特別是旱柳和蘆葦，表層凋落物較多，根系發達，植物根系隨土壤深度增加而減少，死根腐解為土壤提供了豐富的碳源，因此旱柳和蘆葦表層總有機碳含量較高，隨著土壤深度增加，總有機碳含量下降幅度較大。旱柳因其大量的凋落物能夠為表層土壤提供豐富的有機碳來源，另外，旱柳土壤沒有耕作等人為干擾，土壤大團聚體受外力破碎的幾率較低，使得大團聚體對有機碳的保護作用相對較強，有機碳含量較高（王浩等，2017）。蘆葦種植密度高，植被覆蓋率較大，植被凋落物及根系分泌物能夠為土壤提供更多的有機質，土壤有機碳含量升高（覃靈華等，2016），此外，植被根系的分布直接影響了土壤有機碳的分布，因其大量的死根腐解，為土壤提供了豐富的碳源（Esteban et al.，2000），使得蘆葦區總有機碳含量最高。

濕地轉化為耕地不僅導致表層有機碳含量下降，而且使得表層有機碳變化幅度縮小，改變了表層有機碳的分布結構特征（陳伏生等，2004），這可能是耕作措施使下層土壤不斷翻至表層造成稀釋的結果（李月梅等，2005），導致土壤底層呼吸顯著降低，有機碳含量下降（宮超等，2015）。濕地開墾為玉米和向日葵后，植物殘體向土壤輸入的有機碳減少（霍莉莉，2013），土壤總有機碳含量下降，雖然長期施肥能增加土壤有機碳含量，但南海濕地每年僅種一茬玉米和向日葵，施肥量較少，土壤有機碳含量增加較為有限（吳瑞娟等，2018）。另外，耕作導致有機碳礦化分解也是原因之一，耕作使得土壤團聚體結構受到破壞，導致包裹在團聚體中的有機質遭到人為破壞，加快了有機碳礦化分解速度，使土壤有機碳含量降低（李英等，2017），故玉米和向日葵土壤總有機碳含量低于旱柳和蘆葦。

土壤活性有機碳主要來源于植物凋落物、土壤腐殖質和根系及根系分泌物，旱柳和蘆葦因其表層凋落物及根系分泌物較多，使得表層活性有機碳含量較高，然而隨著土壤深度增加，土壤容重增大，有機碳含量下降幅度較大，地下生物量也隨之減少，因而土壤活性有機碳含量降低較為明顯（沈玉娟等，2011）；且旱柳和蘆葦以凋落物輸入土壤的有機碳除滿足自身生長的需要外，大部分以穩定的惰性有機碳形態貯存下來（王義祥等，2014），故旱柳和蘆葦活性有機碳占總有機碳含量比例較低。濕地開墾為玉米和向日葵后，因其翻耕和其他耕作措施改變了土壤溫度、空隙狀況和土壤微生物活性，相對旱柳和蘆葦而言，玉米和向日葵土壤更加疏松，更適合微生物活動，加速了土壤總有機碳的分解，使其總有機碳含量下降，活性有機碳含量升高（唐國勇等，2010），故玉米和向日葵活性有機碳占總有機碳含量比例較高。

4 結論

（1）在垂直方向上，5種地被類型下濕地土壤有機碳組分含量隨土壤深度增加而減小，不同地被類型對濕地有機碳含量的影響差別主要體現于0～10 cm層；各分層總有機碳和活性有機碳變異系數均在10%～100%之間，屬中等變異，南海濕地碳庫穩定性不高。

（2）旱柳和蘆葦因其表層凋落物以及根系分泌物較多，總有機碳含量較高，隨著土壤深度增加，根系的固碳和地下生物量減少，活性有機碳降低較為明顯；而玉米和向日葵受耕作措施影響較大，土壤疏松，更適合微生物活動，加速了總有機碳的分解，使總有機碳含量下降，活性有機碳含量升高。在水平方向上，活性有機碳占總有機碳含量比例表現為向日葵＞玉米＞旱柳＞裸地＞蘆葦，土壤有機碳穩定性表現為蘆葦＞裸地＞旱柳＞玉米＞向日葵。

（3）人類活動使得南海濕地土壤總有機碳含量流失，活性有機碳比例增加，碳庫穩定性下降。

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