東平湖濕地土壤有機碳分布特征及其影響因素

張智博，劉 濤，伍青山，殷山紅，張 菊，鄧煥廣

（聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城252000）

土壤有機碳是指存在于土壤中所有含碳的有機物質，是土壤碳素的重要組成部分，包括土壤中的動植物殘體、微生物體及其分解和合成的各類有機物質［1］。土壤有機碳作為陸地生態系統和全球碳循環過程中的重要碳庫，其碳庫總儲量大約是植被碳庫的2倍，是大氣碳庫的2/3［2］。土壤有機碳在全球物質循環和能量交換過程中具有重要意義，土壤碳庫的微小變化都可能直接或間接影響全球氣候變化。

濕地是同時具有水陸兩相特征的獨特生態系統，是地球生態環境的重要組成部分，也是碳循環和轉化的重要場所，濕地土壤碳庫的源、匯轉化與氣候變化有著密切聯系［3］，在控制全球氣候變化、維持濕地生態平衡等方面發揮著重要作用［4］。近年來，典型濕地土壤有機碳的研究已成為當前濕地環境研究的熱點。曹生奎等［5］發現，青海湖高寒濕地土壤不同植被類型下土壤有機碳含量的垂直分布整體上呈現“高-低”和“低-高-低”變化趨勢；吳琴等［6］分析了鄱陽湖濕地0～50 cm土壤有機碳的分布特征及其影響因子，發現有機碳含量自表層以下急劇降低，且空間分布主要受土壤水分與植物生物量影響；郝翠等［7］研究表明，天津濱海濕地土壤表層（0～30 cm）有機碳含量為（8.55±3.98）g/kg，平均土壤有機碳密度為（4.70±1.91）kg/m2，低于全國平均水平 9.60 kg/m2；吳江琪等［8］研究發現，積水狀況對尕海濕地土壤活性有機碳含量有顯著影響。

東平湖是山東省典型的淺水型湖泊，是南水北調東線工程的主要調節湖和山東省西水東輸的水源地，總面積627 km2，湖區總庫容近40億m3，分為老湖和新湖，其中老湖區面積209 km2，常年有水，多年平均水深為 2.5 m［9-10］。 張菊等［11］發現，東平湖表層（0～5 cm）沉積物有機質的平均含量為（22.4±9.68）g/kg，是山東省土壤有機質背景值的1.9倍。近年來關于東平湖沉積物/土壤重金屬的研究較多，但是對沉積物/土壤有機碳含量分布及其影響因素的研究相對較少，關于季節對有機碳含量影響的分析更少。筆者以東平湖濕地土壤為研究對象，分析了全湖有機碳含量的總體水平，探討了東平湖有機碳含量的分布特征以及區域、季節和深度對有機碳含量的影響，以期為東平湖濕地碳的源匯研究及客觀評價其在區域氣候變化中的作用提供基礎數據和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東平湖位于山東省東平縣西部的魯中山區與魯西平原交接地帶，北通黃河，東連大汶河，西靠京杭大運河［12］，在維持生態平衡等方面有著重要作用。該區域屬于溫帶大陸性季風氣候區，降水季節分布不均，多年平均年降水量為624.4 mm，降水主要集中在7—9月。東平湖濕地土壤類型以石灰性潮土和濕潮土為主［13］。據相關資料［14］，2003—2004年東平湖水生植物共18種，其中挺水植物4種、浮葉植物3種、漂浮植物3種、沉水植物8種。

1.2 樣品采集與分析

為了探究東平湖濕地土壤有機碳的含量水平，通過實地踏勘，于2015年7月在東平湖全湖范圍內設置了33個采樣點，用自制土壤原位采樣器采集沉積物樣品，同時利用GPS定位。自制土壤原位采樣器為內徑3.3 cm、長20 cm且兩端帶有螺紋的有機玻璃管，將其壓入沉積物中，使柱狀沉積物進入有機玻璃管。為避免沉積物在運輸過程中受到擾動，在沉積物上部裝滿上覆水，取出玻璃管后在其兩端墊上硅膠墊并用有機玻璃蓋密封，置于冷藏箱中低溫保存。運回實驗室后，在玻璃管底部墊上直徑為3.3 cm的橡膠墊，將沉積物緩慢推出。因底部沉積物在取出過程中易受力變形，試驗只選用玻璃管中0～5 cm的樣品。

同時，為了研究區域、季節和深度對土壤有機碳含量的影響，根據湖區的植被類型和土地利用方式，確定菹草區、蘆葦區、養殖區和近岸水草混生區4種典型區域為研究對象，分別于2015年7月（夏季）、11月（秋季），2016年1月（冬季）、4月（春季）在上述區域采用自制土壤原位采樣器采集原狀土壤柱樣各3根，帶回實驗室后取0～5 cm的樣品按1 cm進行分層。所采土樣經自然風干、研磨、過60目篩后保存于密封袋中待測。土壤容重采用環刀法測定，有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定［15］。

1.3 數據的統計分析與制圖

采用Excel 2007和SPSS 22.0進行數據處理，利用Arcmap 10.2和Origin 2015制圖。

1.4 儲量估算方法

單位面積一定深度土壤有機碳儲量的計算公式［16］：

式中：Tc為單位面積一定深度范圍內土壤有機碳儲量，kg/m2；Di為土壤容重，g/cm3；Wc為土壤有機碳含量，g/kg；di為第 i層厚度，cm；n為層數，本研究深度范圍是5 cm，共5層，每層深度為1 cm。

2 結果與分析

2.1 東平湖濕地土壤有機碳含量水平

東平湖濕地表層土壤有機碳含量為2.29～57.91 g/kg，平均值為15.16 g/kg。東平湖有機碳平均含量低于青海湖和四方湖濕地土壤有機碳含量，但顯著高于天津濱海濕地和閩東濱海濕地土壤有機碳含量。根據 Wilding［17］的劃分標準，空間變異系數 CV在0～15%范圍內為輕度變異，在16%～35%范圍內為中度變異，大于36%為高度變異。東平湖有機碳含量的CV均高于其他湖泊和濱海濕地的，高達73.87%，屬于高度變異，表明東平湖土壤有機碳含量空間分布差異較大，見表1。

全湖區有機碳含量分布具有顯著空間變化特征，見圖1。有機碳含量最高值出現在北邊12號采樣點，最低值出現在東南角18號采樣點，且有機碳含量整體上表現為西北高、東南低的變化趨勢，這可能與湖區地形、有機物的陸源輸入和人類活動有關。北部（11、12、13號采樣點）有機碳含量偏高，其原因可能是，湖區北部湖面狹窄，風浪小，蘆葦分布廣，腐爛的有機物不易擴散，多沉積于此。西北部（30～33號采樣點）有機碳含量偏高，其原因可能是，該區域靠近岸邊，受陸源輸入的影響較大。入湖口處（15～19號采樣點）有機碳含量偏低，其原因，一方面是人為收割蘆葦，降低了蘆葦腐爛期有機質的釋放量；另一方面是入湖口流速較大，將有機質沖刷到了其他區域。

表1 東平湖濕地土壤有機碳含量及與其他濕地比較

圖1 東平湖土壤有機碳含量空間分布

2.2 東平湖濕地土壤有機碳含量影響因素分析

2.2.1 區域對有機碳含量的影響

不同區域有機碳含量的平均值為蘆葦區（27.29 g/kg）＞養殖區（20.93 g/kg）＞菹草區（17.65 g/kg）＞混生區（10.97 g/kg），各區域土壤容重的平均值為混生區（1.82 g/cm3）＞菹草區（1.67 g/cm3）＞養殖區（1.61 g/cm3）＞蘆葦區（1.42 g/cm3），見表 2。 從水平分布情況來看，各采樣點中，土壤有機碳含量在不同區域具有顯著性差異（顯著性水平p＜0.01）。有機碳含量的最高值出現在蘆葦區，最低值出現在混生區。植被覆蓋和水域利用方式的不同導致土壤有機碳來源存在較大差異，因此各區域有機碳含量差異較大。從CV來看，養殖區有機碳含量在深度上是中度變異，在季節上是高度變異；菹草區有機碳含量在深度和季節上都是中度變異；蘆葦區和混生區有機碳含量在深度和季節上都是高度變異。土壤容重在不同區域具有顯著性差異（p＜0.01），土壤容重的最高值出現在混生區，最低值出現在蘆葦區。從CV來看，菹草區土壤容重在深度和季節上、混生區土壤容重在季節上是輕度變異，其他均屬于中度變異。

表2 各區域土壤有機碳含量及土壤容重

對各區域有機碳含量和土壤容重進行差異性檢驗，結果顯示，蘆葦區有機碳含量顯著高于其他區域的，混生區有機碳含量顯著低于其他區域的；蘆葦區土壤容重顯著低于菹草區和混生區的，養殖區與其他區域之間、菹草區和混生區之間不具有顯著性差異。

2.2.2 土層深度對有機碳含量的影響

各區域土壤有機碳含量隨深度的變化見圖2。在0～1、1～2、2～3、3～4 cm 這4 個深度上，有機碳含量表現為蘆葦區＞養殖區＞菹草區＞混生區；在4～5 cm深度，表現為蘆葦區＞菹草區＞養殖區＞混生區。4種區域，有機碳含量的最大值均出現在0～1 cm，顯著高于其他深度的（p＜0.05），而其他各深度之間不具有顯著性差異（p＞0.05）。隨著深度的增加，自表層往下土壤有機碳含量整體上呈現逐漸降低的趨勢。從CV來看，自表層向下各深度有機碳含量的CV值分別為52%、65%、47%、67%和66%，均屬于高度變異。此外，各區域0～1 cm深度的有機碳含量的變化與其他土層相比均較為強烈。

圖2 各區域土壤有機碳含量隨深度的變化

由圖2可見，養殖區有機碳含量的變化幅度最大，有機碳含量減小了48%；其次為混生區，有機碳含量減小了37%，而且隨著土壤深度的增加，其變化速率呈遞減趨勢；蘆葦區有機碳含量減小了32%，且在0～1 cm、1～2 cm這兩個深度上蘆葦區有機碳含量減小的速率明顯高于其他區域和深度的；菹草區有機碳含量變化幅度最小，減小了17%。

2.2.3 季節對有機碳含量的影響

東平湖表層土壤有機碳含量季節分布見圖3。土壤有機碳含量季節變化表現為夏季含量顯著高于其他3個季節的（p＜0.01），春季含量顯著低于其他3個季節的（p＜0.01），而秋、冬季有機碳含量不具有顯著性差異（p＞0.05）。 從 CV來看，夏、秋、冬、春 4 個季節有機碳含量的CV分別為39%、64%、54%和63%，均屬于高度變異。

圖3 東平湖表層土壤有機碳含量季節分布情況

2.2.4 區域、季節和深度的交互影響分析

對區域、季節及深度3個因素進行兩兩交互性差異檢驗，結果表明，不同區域與季節，有機碳含量具有極顯著性差異（p＜0.01），而在不同區域與深度、不同季節與深度有機碳含量則不具有顯著性差異（p＞0.05），這表明區域與季節對有機碳含量具有交互作用影響。不同區域、不同季節土壤有機碳含量分布見表3（數據為平均值±標準偏差，樣本數n＝80）。

表3 各季節不同區域土壤有機碳含量 g/kg

2.3 東平湖濕地土壤有機碳儲量估算

蘆葦區、養殖區、菹草區和混生區表層5 cm深度土壤有機碳儲量分別為 1.95、1.68、1.47、0.90 kg/m2。對各區域表層有機碳儲量進行單因素方差分析，結果顯示不同區域儲量具有極顯著性差異（p＜0.01）。各區域表層有機碳含量的平均值與儲量估算結果對比見圖4（不同小寫字母表示不同區域間具有顯著性差異），可以看出，各區域有機碳儲量間的差異性與含量間的差異性不同，各區域儲量間的差異性：混生區顯著低于蘆葦區和養殖區（p＜0.01），其他區域之間不具有顯著性差異（p＞0.05）；各區域有機碳含量的差異性：除養殖區和菹草區不具有顯著性差異（p＞0.05）外，其他區域間均具有顯著性差異（p＜0.01）。對有機碳含量與土壤容重進行相關性分析，結果顯示，二者呈極顯著負相關（相關系數 r＝ -0.319，p＜0.01），這與郝翠［7］等的研究結果一致，即土壤容重越小，有機碳含量越大。因此，含量與儲量間差異性的區別可能是土壤容重造成的。

圖4 不同區域有機碳儲量和含量對比

與其他區域對比分析來看，鄱陽湖濕地蘆葦群落50 cm 深度內土壤碳儲量為 3.27～5.61 kg/m2［6］，洪澤湖蘆葦群落45 cm深度土壤碳儲量為5.32 kg/m2［20］，相比之下，東平湖濕地（5 cm深度）土壤有機碳儲量更高。

3 討 論

土壤有機碳含量主要受區域、深度和季節的影響，同一區域，深度和季節的影響機制又存在差異，這可能與不同植被的生長習性及有機碳的來源有關。

蘆葦是一種適應能力很強的高生物量作物［21］，蘆葦根系吸收營養元素，具有固碳作用［22］；同時蘆葦死亡，其枯枝落葉會增加表層有機物質的含量［23］。蘆葦區有機碳含量夏季最高，可能與雨水和徑流增加了有機物質的輸入有關。一般來說夏季有機碳含量普遍偏高，可能是夏季降水多，通過地表徑流帶入湖泊的污染物質沉積于湖泊表層，導致表層有機物質增多［24-25］。春季有機碳含量低可能原因是，春季是蘆葦生長季節，沉積物中有機碳作為植物生長所需養分被植物吸收利用。

養殖區表層有機碳來源主要是飼料、動物糞便等有機物質，這些物質大部分只停留在表層，隨著深度的增加，下層有機碳的來源逐漸減少。王廣軍等［26-27］研究表明，投放的飼料中僅25%被有效利用，其余均釋放到水中和沉積物中，且水生動物排泄物均堆積在表層，導致表層沉積物有機物質含量較高。養殖區有機碳含量秋冬季節略高于春夏季節，其原因可能是，秋、冬季節是魚蟹收獲期，攝食量和排泄量增加，在魚蟹收獲后，殘留的飼料沉積在沉積物表層。

菹草是一種秋季發芽，冬春生長，初夏逐漸衰亡腐爛的水生植物［28］。菹草從夏季開始逐漸大面積腐爛，腐敗物沉積在表層，導致表層有機碳含量較高。腐爛期間菹草會釋放出大量營養鹽，而夏季正值藻類生長旺盛時期，菹草衰亡后釋放的營養鹽又加速了藻類物質生長，使得菹草區有機物質含量增多。同時，腐爛后的菹草沉積在沉積物表層被微生物快速分解，加速了有機物質的擴散，導致菹草區夏季有機碳含量增高。

混生區主要分布于東平湖岸邊，受外界影響較大，各種人類活動可能直接或間接地破壞混生區的生態環境，使得該區域有機物質含量變化較大［29］。混生區有機碳含量隨季節的變化幅度最大。夏季溫度較高，微生物較活躍，有機氮被礦化成無機氮，導致沉積物中理化指標較高；同時，混生區位于湖岸邊，有枯水期和豐水期之分，易受到陸源輸入的影響，尤其是夏季雨水較多，大量污染物通過地表徑流的方式經過岸邊混生區輸入湖泊，導致該區域夏季有機物質的含量較高。

4 結 論

通過對東平湖不同區域、不同季節表層（0～5 cm）土壤有機碳含量進行測定，分析了該濕地土壤有機碳含量的時空分布特征。東平湖濕地表層0～5 cm土壤有機碳含量整體上表現為西北高、東南低，不同區域間具有顯著性差異，表現為蘆葦區（27.29 g/kg）＞養殖區（20.93 g/kg）＞菹草區（17.65 g/kg）＞混生區（10.97 g/kg）。垂直分布表現為0～1 cm層含量最高，其他各層間不具有顯著性差異。季節上表現為夏季含量最高，春季含量最低。表明土壤有機碳含量主要受區域、深度和季節影響，且受到區域與季節的交互作用影響。有機碳含量與土壤容重呈顯著負相關關系，容重對有機碳儲量具有一定影響。各區域土壤有機碳儲量表現為蘆葦區（1.95 kg/m2）＞養殖區（1.68 kg/m2）＞菹草區（1.47 kg/m2）＞混生區（0.90 kg/m2）。