基于景觀尺度下的鄱陽湖濕地淺層土有機碳的空間特征

謝冬明，溫麗，易青，周國宏，黃慶華，陳家欣，周楊明，錢海燕

1.江西科技師范大學，江西，南昌 330000

2.江西師范大學地理與環境學院，江西，南昌 330022

3.東華理工大學地球科學學院，江西，南昌 330013

0 前言

全球碳循環已經在科學和政治領域受到廣泛關注[1]，土壤有機碳也是全球變化響應的關鍵因子[2]。在碳循環中，濕地扮演著關鍵而又多樣的角色[3]-[4]。濕地地上植物和土壤，儲存了大量的碳[5]。濕地通過固碳調控了溫室氣體的平衡，從而發揮了顯著的生態系統服務功能[6]-[7]。然而，由于濕地碳循環過程受氣候、地形、水文、土壤、植被和人類干擾等多種因素控制，濕地碳空間分布的異質性更為復雜[8]。我國濕地生態系統監測剛剛起步，對濕地碳的監測并不足，造成我國濕地有機碳庫計量尤為困難[9]。因此，開展區域微觀尺度上的濕地土壤有機碳(Soil Organic Carbon，SOC)的實驗研究，對于準確評估我國濕地固碳增匯的計量，維護我國溫室氣體減排國際談判的正當權益都具有重要意義。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖泊濕地，是我國第一批列為國際重要濕地名錄的濕地[10]。近年來，鄱陽湖濕地土壤有機碳的研究成果有一些報道。如吳琴等研究表明從植被類型角度研究土壤有機碳含量、碳密度均以苔草植物群落最高，其他依次為南荻群落、南荻+苔草群落、蘆葦群落、水蓼群落；土壤水分與植物生物量是鄱陽湖濕地土壤有機碳分布的 2 個主要影響因子，土壤水分能解釋濕地淺層0 —15 cm 有機碳40%的變異，總生物量則能解釋 28%的土壤有機碳變異[11]。馬逸麟等研究表明與全國農業地質調查數據進行對比，鄱陽湖區土壤的有機碳密度高于全國農業地質調查區內淺層土壤有機碳密度的 10.86%，中層及深層土壤的有機碳密度與全國農業地質調查區平均水平接近，顯示研究區土壤的有機碳儲量巨大[12]。付珊等研究表明，隨著水位梯度與群落類型的變化，土壤碳、氮、磷化學計量比發生顯著變化，且土壤碳氮比和碳磷比的變化主要取決于有機碳含量，氮磷比的變化主要受控于全氮含量；崗地、天然堤、洲灘和水域0～30 cm深度土壤有機碳儲量呈現倒“U”形變化，以天然堤最高[13]。Wang等對鄱陽湖濕度洲灘蘆葦群落、蔞蒿群落、水蓼群落、灰化苔草群落、虉草群落的土壤總有機碳(TOC)進行了研究，結果表明不同洲灘植物群落土壤總有機碳差異比較明顯，其中灰化苔草群落土壤總有機碳含量最高，虉草群落土壤總有機碳含量最低[14]。馬逸麟等和吳琴等的研究是在1 km和0.8 km的尺度上獲取的土壤樣品，且主要基于公路兩側進行布點采樣，對于異質性更為復雜的濕地土壤有機碳研究未能準確反映其有機碳的梯度特征。付珊等的研究雖然考慮水位梯度變化，然而主要是研究區域的差異，取樣點分別為崗地、天然堤、洲灘和水域等，并非嚴格的景觀尺度下的水位梯度。Wang等是以植物群落為研究對象，沒有考慮景觀尺度下的分布格局。鄱陽湖是一個淺水湖泊，年內水位變化超過 10 m，年際間最大變幅超過 16 m，水位的劇烈變化，對濕地生態系統具有重要影響[15]。因此，開展基于景觀尺度下的鄱陽湖濕地土壤有機碳的梯度研究更具有科學性。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

鄱陽湖濕地位于北緯 28°22′至 29°45′，東經115°47′至 116°45′。地處江西省的北部，長江中下游南岸[16]。鄱陽湖及其流域屬亞熱帶濕潤季風型氣候，受西伯利亞寒流和副熱帶高壓影響，鄱陽湖及其流域冬春寒、夏多雨、秋旱特征，年降水量超過1640 mm，主要集中在4—6月[17]。鄱陽湖是鄱陽湖流域的聚水區，流域面積 16.22×104km2，占江西省面積97%，流域內的贛江、撫河、信江、饒河(上游由昌江和樂安河組成，在鄱陽縣姚公渡處匯入饒河)、修河五大河流經鄱陽湖，然后進入長江，鄱陽湖歷史上最大水域面積超過5000 km2[18]。鄱陽湖是一個季節性湖泊，鄱陽湖水位變化非常顯著，年內變幅超過 10 m，年際間最大變幅達16.69 m[19]。

本研究試驗樣地選在鄱陽湖國家自然保護區的泗洲頭、蚌湖和常湖池的洲灘以及保護區所在地的吳城島上的林地、菜地和田地(圖1)。其中泗洲頭為洲灘前緣，水位變化不受人為控制，蚌湖屬于半人工控制湖泊，枯水期水位隨鄱陽湖水位的變化而變化，但是有一定的滯后；常湖池為人工控制湖泊，豐水期與鄱陽湖湖體相連(當鄱陽湖水位在16 m以上)，枯水期與鄱陽湖湖體分開，但湖底高程在12 m以上。崗地(林地、田地和菜地)采樣點海拔高程 20—30 m。

1.2 實驗設計

蚌湖、泗洲頭洲灘兩個樣地設 7個采樣區，每個采樣區設3個采樣點，共42個采樣點；常湖池洲灘樣地設5個采樣區，每個采樣區設3個采樣點，共15個采樣點；林地、菜地和田地各設3個采樣點。根據鄱陽湖多年水位變化規律，按照濕地水位梯度，蚌湖、泗洲頭洲灘兩個樣地從10 m(星子水文站，吳淞高程，下同)水位至17 m水位區間，以1 m落差分別設置7個采樣區，每個采樣區設置3個采樣點(即＜11 m、11—12 m、12—13 m、13—14 m、14—15 m、15—16 m、＞16 m)，常湖池洲灘從12 m水位至17 m水位區間，以1 m落差分別設置5個采樣區，每個采樣區設置3個采樣點(即12—13 m、13—14 m、14—15 m、15—16 m、＞16 m)。洲灘采樣區和采樣點設置的條件包括:(1)采樣點到等高線的距離比較均勻，一般位于高程線的中間部位；(2)可達性，地勢平坦，即方便取樣；(3)同一采樣區中的采樣點間隔距離在150 m以上；(4)沒有人類活動干擾的痕跡。在取樣點處，用不銹鋼取土器分別獲得0—10 cm和10—20 cm的兩個土層的各五個土樣，將五個土樣充分混合后裝入密封袋，帶回實驗室進行處理。地上生物量取樣方法是，在取樣點處，用事先做好的 1m2的不銹鋼圈輕放在草地上，在1 m2的樣方內，齊地收集植物的地上生物量，清查樣方中的凋落物，用密封袋帶回實驗室分析。本實驗樣品于2016年1月21—23日獲得。

圖1 鄱陽湖采樣點Figure 1 Location for sampling dot in Poyang Lake(TM image 2009.2.12)

1.3 數據來源及說明

本文水文數據為星子水文站(1954—2013)的歷年逐日平均水位數據，吳淞高程。

1.4 樣品分析方法

將獲取的土壤樣品帶回實驗室，根據《土壤農業化學方法》[20]土壤容重和含水量檢測方法計算土壤容重和含水率。土壤有機碳按照國家標準《森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算》[21]中的有機碳測定方法。將獲取的生物量帶回實驗室用清水沖洗，除去泥沙，然后進行烘干稱重，80℃恒溫烘干至少48 h至恒重[29]。

1.5 統計分析

利用SPSS 21.0、Excel 2016對試驗數據進行統計分析。

2 結果

2.1 土壤有機碳特征

蚌湖洲灘土壤(特別是0—10 cm土層)土壤有機碳的梯度特征比較明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程(0—10 cm 土層的土壤有機碳含量變化值為 6.36—23.32 g·kg-1，10—20cm土層的土壤有機碳含量變化值為 4.14—8.88 g·kg-1，土層 0—10 cm 的土壤有機碳含量最高值出現在14—15 m高程，其次是13—14 m高程，土層10—20 cm的土壤有機碳含量含量變化不及土層 10—20 cm變化顯著，但其土壤有機碳的含量最高值仍然出現在14—15 m高程，其次是10—11 m高程；土層0—10 cm的土壤有機碳含量明顯高于土層10—20 cm 的土壤有機碳含量，極差值達 14.61 g·kg-1，出現在14—15 m高程。泗洲頭洲灘土壤(特別是0—10 cm土層)土壤有機碳的梯度特征比較明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增到遞減的變化過程(0—10 cm土層的土壤有機碳含量變化值為 1.56—12.29 g·kg-1，10—20 cm土層的土壤有機碳含量變化值為0.96—8.19 g·kg-1)，土層0—10 cm的土壤有機碳含量最高值出現在13—14 m高程，其次是11—12 m高程，土層 10—20 cm的土壤有機碳含量含量變化不及土層 10—20 cm變化顯著，但其土壤有機碳的含量最高值仍然出現在13—14 m高程，其次是10—11 m高程；土層0—10 cm的土壤有機碳含量明顯高于土層 10—20 cm 的土壤有機碳含量，極差值達4.1 g·kg-1，出現在13—14 m高程。常湖池洲灘土壤(特別是0—10 cm土層)有機碳的梯度特征比較明顯，從低海拔高程向高海拔高程呈現遞增的變化過程(0—10 cm土層的土壤有機碳含量變化值為 6.51—18.91 g·kg-1，10—20 cm土層的土壤有機碳含量變化值為3.83—10.05 g·kg-1)，土層0—10 cm的土壤有機碳含量最高值出現在16—17 m高程，其次是14—15 m高程，土層10—20 cm的土壤有機碳含量變化不及土層 10—20 cm變化顯著，土壤有機碳的含量最高值出現在14—15 m高程，其次是13—14 m高程；土層0—10 cm的土壤有機碳含量明顯高于土層10—20 cm 的土壤有機碳含量，極差值達 12.36 g·kg-1，出現在 16—17 m高程。林地土壤上層有機碳含量為8.72 g·kg-1，菜地土壤上層有機碳含量為 7.20 g·kg-1，田地土壤上層有機碳含量為 12.02 g·kg-1；林地土壤下層有機碳含量為5.03 g·kg-1，菜地土壤下層有機碳含量為4.62 g·kg-1，田地土壤下層有機碳含量為 7.70 g·kg-1(表1 和圖2)。

表1 不同景觀類型土壤有機碳剖面分布Table 1 Profile distribution of soil Organic carbon in different Landscape types

圖2 土壤有機碳Figure 2 SOC in surface soil

2.2 土壤有機碳比較

鄱陽湖不同景觀類型淺層土壤有機碳的含量差異極顯著，其中洲灘淺層土壤(特別是 0—10 cm 土層)隨高程遞增而出現明顯的遞增到遞減的過程；濕地景觀類型中，常湖池土壤有機碳較高，泗洲頭土壤有機碳較低；崗地景觀類型中，淺層土壤(特別是0—10 cm土層)土壤有機碳含量田地高于林地，高于菜地，田地土壤有機碳含量最高，菜地土壤有機碳含量最低；六種景觀類型中，0—10 cm 土層有機碳依次是常湖池＞田地＞蚌湖＞林地＞菜地＞泗洲頭(F=23.972，P= 0.000 ＜ 0.01)，10—20 cm 土層有機碳依次是田地＞蚌湖＞常湖池＞林地＞菜地＞泗洲頭(F=16.674，P= 0.000 ＜ 0.01)；而同一景觀類型中，不同高程的土壤有機碳差異性不顯著(F=2.195，P=0.067＞0.05)(表1和圖3)。

2.3 其他環境因子與土壤有機碳的關系

2.3.1 土壤含水量與土壤有機碳

圖3 不同景觀類型土壤有機碳均值Figure 3 SOC in surface soil in different landscapes

鄱陽湖濕地不同景觀類型的土壤含水量的有一定差異，蚌湖洲灘土壤(0—10 cm)含水量從湖岸至湖底呈現遞減的趨勢，泗洲頭、常湖池洲灘土壤含水量從湖岸至湖底呈現遞增到遞減的變化過程。三種洲灘景觀類型的土壤(0—10 cm)土壤含水量從大到小依次為蚌湖、常湖池和泗洲頭。泗洲頭土壤含水量最大值出現在13—14 m高程，蚌湖土壤含水量最大值出現在10—11 m高程，常湖池土壤含水量最大值出現在13—14 m高程；三種洲灘景觀類型土壤(10—20 cm)土壤含水量與洲灘土壤(0—10 cm)含水量呈現相似的變化規律。三種崗地景觀類型土壤(0—10 cm)的土壤含水量從大到小依次為田地、菜地和林地；三種崗地景觀類型土壤(10—20 cm)的土壤含水量差異不明顯(圖4)。土壤有機碳與土壤含水量的相關性檢測表明兩者具有顯著相關性(P= 0.000 ＜ 0.01)，相關系數為 0.307，具有顯著正相關性。一般認為，土壤含水量越高，土壤微生物的活性就越低，有利于土壤有機碳的儲存，土壤有機碳含量也越高[22]。

2.3.2 土壤pH值與土壤有機碳

通過土壤pH分析表明，泗洲頭洲灘、蚌湖洲灘和常湖池洲灘土壤 pH值從湖岸至湖底呈現上升的趨勢，表明湖岸土壤酸性更強，而湖底土壤堿性更強。三種景觀類型的土壤 pH值從大到小依次為泗洲頭、蚌湖和常湖池，表明泗洲頭土壤偏向堿性，而常湖池土壤偏向酸性。泗洲頭洲灘和蚌湖土洲灘壤上層和下層pH相差不大，而常湖池洲灘土壤pH值上層土壤高于下層土壤，表明常湖池土壤上層偏向堿性，而下層偏向酸性，特別是高程 16—17 m，土壤下層呈現強酸性。三種崗地景觀類型的土壤 pH值差異性不明顯，整體呈現中酸性土壤特征，土壤(0—10 cm)土壤 pH值低于土壤(10—20 cm)的土壤pH值，表明淺層土壤酸性強于下層土壤(圖5)。土壤pH值對土壤有機碳的影響較為復雜，特別是隨著水淹時間的變化而發生變化[23]。從總體上看，不同景觀類型土壤有機碳與土壤 pH值呈顯著相關性(P=0.004 ＜ 0.01)，相關系數為-0.133，具有顯著負相關性。

2.3.3 洲灘生物量與土壤有機碳

圖4 土壤含水量Figure 4 Water content in surface soil in different landscapes

鄱陽湖濕地不同洲灘景觀類型的地上生物的分布特征有一定差異，泗洲頭洲灘和蚌湖洲灘樣地由湖岸至湖底依次為假儉草(狗牙根)群落、南荻群落、灰化薹草群落(分布寬度最大，從 11—15 m 高程都有分布)、水田碎米薺群落；而常湖池洲灘樣地由湖岸至湖底依次為蘆葦(水蓼)、南荻群落、灰化薹草群落(分布寬度最大，從13—15 m高程都有分布)、水田碎米薺群落[24]。根據樣品測算結果，隨洲灘高程變化泗洲頭洲灘樣地單位面積生物量干重呈現以下特征:最大值出現在13—14 m高程，最低值出現在10—11 m高程，高程大于16 m時，生物量干重也較低；蚌湖洲灘單位面積生物量干重呈現以下變化特征:生物量干重最大值在14—15 m高程，生物量干重最低值在10—11 m高程，高程大于16 m時，生物量干重也較低；常湖池洲灘樣地單位面積生物量干重呈現以下特征:生物量干重最大值在16—17 m高程，生物量干重最低值在12—13 m高程(圖6)。三種崗地景觀地上生物與濕地洲灘差異明顯，林地地上生物主要是喬木(杉木、馬尾松、毛竹、苦楝等)、灌木(山茶科油茶、薔薇科的野薔薇、懸鉤子等)、草本(地錢草、狗尾草、海金沙等)；菜地植被覆蓋物主要是油菜；田地留有水稻茬，但被水淹沒。地上部分生物量與土壤有機碳呈顯著相關性，(P= 0.000 ＜ 0.01)，相關系數為0.231，具有顯著正相關性。地上部分生物量會直接影響土壤有機碳的分布，地上部分生物量越大，生物類型越豐富，土壤有機碳的含量就越高[25]。因此，地表植被的退化，會造成土壤有機碳的快速流失[26]。

圖5 土壤pH值Figure 5 pH in surface soil in different landscapes

圖6 地上部分生物量Figure 6 Above-ground biomass in different landscapes

3 討論與結論

3.1 討論

本文的研究區域包括了鄱陽湖區多種景觀類型，既有受人類活動干擾最小的洲灘前緣泗洲頭，也有受人類活動干擾最大的菜地和田地。從六種景觀類型淺層土壤有機碳含量的比較來看，人類活動對于淺層土壤有機碳含量的影響并沒有直接表現出來，現有結果不能解釋受人類活動干擾最大或最小的景觀其淺層土壤的有機碳含量就小或大，表明不同景觀類型淺層土壤有機碳含量受人類活動干擾的影響不明顯。

從洲灘高程變化與淺層土壤有機碳含量的分布變化比較來看，土壤淹水時間與洲灘淺層土壤有機碳含量沒有顯著的線性關系，淹水時間越長(低海拔高程)或越短(高海拔高程)，淺層土壤有機碳含量并非越高或越低(高海拔和低海拔淺層土壤有機碳要比中海拔高程淺層土壤有機碳含量低)，現有研究成果表明，濕地土壤有機碳含量與淹水時間存在一定的相是關性，淹水條件使得濕地處于低氧或厭氧環境[27]-[28]，限制了有機物質分解，使得土壤中輕組有機質含量與比例增加，因而水位增高促進了與土壤中輕組有機碳含量積累[29]。土壤容重與淺層植被類型存在顯著相關性。土壤容重越小，土壤有機碳含量含量越高；湖草洲灘土壤有機碳含量要高于蘆葦洲灘土壤有機碳含量，遠高于農田土壤有機碳含量[30]，這一結論與本文的研究結果相似(如蚌湖和常湖池洲灘淺層土壤有機碳含量明顯高于田地、林地和菜地淺層土壤有機碳含量)。

從洲灘地上植物生物量變化與淺層土壤有機碳含量的分布變化比較來看，洲灘地上生物量越高，其淺層土壤有機碳含量也就越高，表明洲灘淺層土壤有機碳含量主要受地上生物量的影響較大。而田地、林地和菜地景觀的淺層土壤有機碳含量與地上生物量的關系并不明顯。張雨天等研究則表明高潮灘的蘆葦帶土壤有機碳含量儲量高于中潮灘的互花米草帶，蘆葦和互花米草帶有機碳含量儲量均顯著高于海三棱藨草帶和光灘[31]，這表明不同植被類型淺層土壤有機碳含量存在差異性，本文的研究結果與這一結論比較一致(如南荻植被群落淺層土壤有機碳含量最高，而狗牙根(假儉草)植被群落的淺層土壤有機碳含量較低)。

鄱陽湖洲灘淺層土壤有機碳含量與高程變化呈現“倒U”分布規律性，這主要是因為鄱陽湖濕地是一個季節性湖泊，年內和年際水位變化顯著，同時鄱陽湖濕地洲灘多年處于交替淹水過程，低海拔高程洲灘淹水時間過長，洲灘光照時間較短，不利于洲灘植物的正常生長，過低的生物碳沉淀，減少了土壤有機碳的積累[32]。高海拔高程洲灘退水時間過長，地下水位較低，而洲灘植物根系較淺，造成洲灘植物水分不足，也不利于洲灘植物的正常生長，從而降低了生物碳沉淀，減少了土壤有機碳含量的積累[33]。而中海拔高程出露時間與洲灘植物生產時間比較一致，在充足的土壤水分和陽光照射下，有利于洲灘植物南荻群落的發育和生長，也積累了更多的淺層土壤有機碳含量[34]。

3.2 結論

鄱陽湖濕地不同景觀類型淺層土壤有機碳含量差異性比較顯著，土壤有機碳含量(特別是0—10 cm土層)由大到小分別是半人工控制碟形湖泊洲灘(蚌湖)＞人工控制碟形湖泊洲灘(常湖池)＞田地＞林地＞菜地＞洲灘前緣洲灘(泗洲頭)。0—10 cm土層有機碳含量明顯高于 10—20 cm土層有機碳含量，表明鄱陽湖區土壤有機碳含量主要富集在土壤淺層的特征。同一景觀類型，不同高程的土壤有機碳差異不顯著。鄱陽湖區淺層土壤有機碳含量與人類活動干擾強度、土壤淹水時間沒有顯著的相關性，在洲灘土壤中，淺層土壤有機碳含量與地上生物量具有顯著的相關性，與地上植被類型也存在一定的關聯性。而田地、林地和菜地淺層土壤有機碳含量與地上生物量、地上植被類型的相關性不確定。