湖北二仙巖泥炭蘚沼澤濕地土壤碳氮儲量分布特征

楊繁 郭毅 周苓屹

摘 要： 以湖北二仙巖泥炭蘚沼澤濕地不同退化程度的四塊典型樣地（CK、SM、SP、GA）為研究對象，對其土壤有機碳、氮數量分布及其協同積累特征進行研究。結果表明：不同林型土壤有機碳氮含量隨著土層深度的增加而降低，其中0～10 cm土壤有機碳氮含量最高，具有明顯的表聚性，且與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（除SP外）。不同退化程度濕地土壤0～60 cm碳儲量為54.42～105.06 t·hm-2，氮儲量為4.84～7.35 t·hm-2，分布規律為CK>SM>GA>SP，且CK和SM的土壤有機碳氮儲量均顯著高于GA和SP，說明濕地退化顯著降低了濕地土壤有機碳氮儲量。在不同林型中土壤有機碳和總氮呈極顯著正相關，說明二者具有明顯的協同積累特征。研究結果可為中國濕地土壤有機碳儲量及區域尺度土壤碳庫的進一步研究提供理論參考，建議加強保護區內泥炭蘚的保護力度。

關鍵詞： 泥炭蘚濕地;碳氮儲量;二仙巖

中圖分類號：S15 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1004-3020（2020）04-0013-06

Abstract： In order to analyze the distribution characteristics and coaccumulation of soil organic carbon and nitrogen，four typical plots （CK、SM、SP、GA） with different degrees of degradation were selected from Sphagnum palustre wetlands in Erxianyan Wetlands Nature Reserve of Hubei Province.The results showed that：The content of soil organic carbon and total nitrogen decreased with the increase of soil depth. Among them，0～10 cm soil layer has the highest content of soil organic carbon and total nitrogen，which has obvious epimerization，and has significant difference with 10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm，40～50 cm and 50～60 cm soil layer （except SP）. The soil carbon storage of 0～60cm wetland was 54.42～105.06 t·hm-2，and the total nitrogen storage was 4.84～7.35 t·hm-2.The distribution law is CK > SM > GA > SP. The storage of soil organic carbon and total nitrogen of CK and SM were significantly higher than that of GA and SP. It shows that the degradation of wetland is significantly reduced the storage of organic carbon and total nitrogen in wetland soil.There was a significant positive correlation between soil organic carbon and total nitrogen in different forest types，which indicated that they had the characteristics of synergistic accumulation.The results can provide theoretical reference for the further study of soil organic carbon storage and regional scale soil carbon pool in China. It is suggested to strengthen the protection of Sphagnum palustre in the reserve.

Key words： Sphagnum palustre wetlands;carbon and nitrogen storage;Erxianyan

土壤碳庫是陸地生態系統中的巨大碳庫，其儲量約為1 300 Pg C，占全球整個陸地生態系統有機碳庫的70%[1]。大部分的土壤碳都以有機碳（Total organic carbon，TOC）的形式儲存，其動態平衡對全球碳循環和氣候變化具有重要的影響[2，3]。在濕地生態系統中，土壤有機碳和總氮（Total nitrogen，TN）是影響土壤質量的最重要的生態因子，而碳氮比則是對土壤碳循環和氮循環有直接影響，衡量土壤質量的重要敏感指標[4，5]。泥炭濕地是陸地上重要的生態類型，其復雜的生態結構和獨特的生態功能，使其能保存大量的泥炭沉積以及豐富的環境信息[6]。據Joosten統計，泥炭地的碳儲量為世界土壤碳儲量的三分之一，相當于全球大氣碳庫碳儲量的75%[7]。濕地土壤碳氮儲量是氣候變化的一種敏感指示物，能用來指示對氣候變化的響應[8]。近年來，由于氣候變化或人為因素的干擾，高山地區的沼澤濕地面積正在萎縮和退化，這種退化通常由外至內逐漸擴大[9]。濕地生態系統的退化將會改變地上植被的生產力和地下土壤的碳氮儲量，進而影響土壤碳氮循環[10]。目前關于高山濕地的研究主要集中在不同濕地類型的土壤碳氮儲量和退化機制研究[11，12]，而就亞高山濕地地區不同退化階段的土壤碳氮儲量研究則鮮見報道。本文針對鄂西二仙巖泥炭蘚濕地的退化問題，分析了泥炭蘚濕地不同退化階段土壤碳氮含量、碳氮儲量及碳氮比的變化，探討了土壤有機碳和總氮的協同變化規律，以期為闡明亞高山濕地生態系統退化對土壤碳氮庫穩定性的影響和濕地生態系統的恢復與重建研究提供參考。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區域概況

二仙巖濕地自然保護區（29°40′～29°43′N，108°45′～108°49′E）位于湖北省咸豐縣西北部，是鄂西少有的隆起的高山臺地，是一個以保護湖泊濕地和亞高山沼澤濕地的自然保護區。屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，海拔1 400～1 700 m，年平均氣溫14.0℃，最熱月（7月）平均氣溫24.8℃，最冷月（1月）平均氣溫2.8℃。該區域雨水充足，霧多，年降水量為1 555 mm。研究區域位于泥炭蘚分布的核心地帶，樣地類型包括保存完好的泥炭蘚-海棠林（CK）、不同退化程度的泥炭蘚-竹林（SM）、泥炭蘚-毛栗林（SP）和草地（GA）。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

2019年10月在研究區域內完成土壤樣品的采集，每個樣地內隨機選擇5個土壤采樣點，樣方間隔保持在100 m以上。本次研究采集的土層深度為60 cm。由于濕地中積水較多，用常規的環刀取樣工具有難度，本次采樣工具采用自制直徑為5 cm的土鉆，按每10 cm一層進行劃分，依次為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm，共計6層。樣品采集后做好標記，裝入聚乙烯自封袋中，經風干、研磨、過篩等處理后密封保存。

Ci為土壤有機碳密度（kg·m-3）;Wc為土壤有機碳含量（g·kg-1）;Di為土壤容重（g·cm-3）;Hi為對應土層深度（cm）;Ti單位面積有機碳碳儲量（t·hm-2）。

所測實驗數據的統計整理使用excel 2016軟件，數據的計算與分析主要使用SPSS 22.0軟件。

2 結果與分析

2.1 不同林型各土層土壤有機碳及總氮含量分布特征 ?從表2可知，在不同林型中，0～60 cm土層的有機碳含量平均值以CK（64.88 g·kg-1）最高，SM（57.55 g·kg-1）次之，GA（41.87 g·kg-1）和SP（32.41 g·kg-1）最低;與SM、GA和SP相比，CK的平均有機碳含量分別高出12.74%（P>0.05）、54.96%（P<0.05）和100.19%（P<0.05）。0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土層有機碳含量大小順序為CK>SM>GA>SP，40～50 cm土層有機碳含量大小順序為SM>CK>GA>SP，50～60 cm土層有機碳含量大小順序為CK>SM>SP>GA。此外，相同深度土層中，各林型的有機碳含量僅在0～10 cm和10～20 cm土層中存在顯著差異（P<0.05）。從各林型的土壤有機碳含量的垂直分布來看，總體上均隨著土層的增加而顯著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土層最高，50～60 cm土層最低（除SP外），且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）。由此可見，土層深度和林型對土壤有機碳含量均有顯著影響。

不同土層深度和林型的土壤總氮含量也有明顯差異（表2）。各林型中0～60 cm土層的總氮含量平均值以CK（4.60 g·kg-1）最高，SM（4.30 g·kg-1）次之，GA（3.57 g·kg-1）和SP（2.93 g·kg-1）最低;CK的平均總氮含量相較于SM、GA和SP分別高出6.98%（P>0.05）、28.85%（P<0.05）和57.00%（P<0.05）。0～10 cm和20～30 cm土層總氮含量大小順序為CK>SM>GA>SP，10～20 cm土層總氮含量大小順序為CK>GA>SM>SP，30～40 cm和40～50 cm土層總氮含量大小順序為SM>SP>GA>CK，50～60 cm土層總氮含量大小順序為SP>CK>SM>GA。各林型的土壤總氮含量的垂直分布具有明顯的表聚性，總體上均隨著土層的增加而顯著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土層最高，50～60 cm土層最低（除SP外），且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）（除SP外）。

2.2 不同林型各土層土壤有機碳及總氮儲量分布特征 ?由表3可知，在不同林型中，0～60 cm土層的有機碳儲量總計值以CK（105.06 t·hm-2）最高，SM（94.80 t·hm-2）次之，GA（67.56 t·hm-2）和SP（54.42 t·hm-2）最低;與SM、GA和SP相比，CK的土壤有機碳儲量分別高出10.82%（P>0.05）、55.51%（P<0.05）和93.05%（P<0.05）。0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層有機碳儲量大小順序為CK>SM>GA>SP，30～40 cm和40～50 cm土層有機碳儲量大小順序為SM>CK>GA>SP，50～60 cm土層有機碳儲量大小順序為CK>SM>SP>GA。

從各林型的土壤有機碳儲量的垂直分布來看，總體上均隨著土層的增加而顯著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土層最高，且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）。由此可見，土層深度和林型對土壤有機碳儲量均有顯著影響。

不同土層深度和林型的土壤總氮儲量也有明顯差異（表3）。各林型中0～60 cm土層的總氮儲量總計值以CK（7.35 g·kg-1）最高，SM（6.98 g·kg-1）次之，GA（5.68 g·kg-1）和SP（4.84 g·kg-1）最低;CK的總氮儲量相較于SM、GA和SP分別高出5.30%（P>0.05）、29.40%（P<0.05）和51.86%（P<0.05）。

各土層深度總氮儲量大小順序與土壤總氮含量值相一致。各林型的土壤總氮儲量的垂直分布具有明顯的表聚性，且0～10 cm土層與10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土層間存在顯著差異（P<0.05）（除SP外）。

2.3 不同林型土壤有機碳和總氮含量的相關性 ?在不同林型中進行土壤有機碳氮含量線性分析，結果顯示，在四種林型中，土壤有機碳和土壤總氮含量均表現為極顯著的正相關（圖1），表明二者存在協同積累關系。其中，GA的決定系數最高（R2=0.98），SP的決定系數最低（R2=0.83），表明GA的土壤總氮含量高度依賴于土壤有機碳含量的積累。

3 討論

二仙巖保存完好的濕地土壤有機碳儲量為105.06±12.3 t·hm-2，高于中國土壤有機碳密度（ 96.0 t·hm-2 ） [13]。因此，湖北二仙巖泥炭蘚沼澤濕地生態系統是重要的土壤碳庫，盡管目前保護區內泥炭地出現了不同程度的退化，但是仍然儲存了較豐富的土壤有機碳，值得加強保護。

不同退化程度的濕地土壤有機碳和總氮含量趨勢相似，在整體上均表現為隨著土層深度的增加而降低。各林型0～10 cm土壤有機碳含量占土壤垂直剖面的24.63～43.13%，0～10 cm土壤總氮含量占土壤垂直剖面的19.91～44.09%，均呈現出明顯的表聚性，且顯著高于其他各土層含量（除SP外）。該規律與王詩樂等[14]對中國東北寒溫帶洪河、漠河濕地土壤碳氮分布結果相似，碳氮含量均在表層土中出現峰值，且隨土層深度而逐漸降低。究其原因，一方面是由于地上植物的枯萎、凋落物沉積在土壤表層，促進了表層土壤有機養分輸入，另一方面歸因于表層是植物根系的集中分布區，Jobbagy等[15]指出植物根系的分布直接影響土壤有機碳垂直分布，大量死亡的植物根系為表層土壤提供了豐富的碳源，隨著土層深度增加，地下生物量急劇降低，分解者的活動減弱，導致植物碎屑在土壤中的位置越深其分解也越慢。在SP的土壤剖面中，表層0～10cm土壤有機氮含量與其他各層差異性不顯著，這可能是由于毛栗林的林分年齡過小，凋落物層不厚，且分解速率慢，因而土壤輸入的有機養分偏少，表層土壤氮富集不明顯所致。

不同退化程度濕地土壤0～60cm碳儲量為54.42～105.06 t·hm-2，氮儲量為4.84～7.35 t·hm-2，分布規律為CK>SM>GA>SP，且CK和SM的土壤有機碳氮儲量顯著高于GA和SP，說明不同林型土壤有機碳氮儲量均隨濕地退化顯著降低，這與曹生奎等[16]的研究結論一致。一方面，不同的植被類型會在土壤表層形成獨特的小氣候，CK和SM的泥炭蘚蓋度大，濕地通氣性弱，土壤高度泥炭化，進入土壤的碳氮含量高，而不同退化程度的濕地泥炭蘚蓋度低，土壤微生物活性增加，礦化作用加強，加速有機質和氮的分解[17]，導致碳儲量降低;另一方面，地下水位與土壤有機碳含量的關系密切，地下水位接近表層的腐殖質分解快，對泥炭的轉化積累產生積極影響，退化后的泥炭地表層水位下降，固碳能力降低，土壤泥炭化能力減弱，故退化的泥炭蘚濕地有機碳含量下降。

在一定程度上，土壤氮素的水平也會影響土壤中有機碳的含量[18]。線性分析顯示，在不同林型中土壤有機碳和總氮含量呈極顯著正相關，說明二者具有明顯的協同積累特征，這與彭佩欽等[19]和李麗等[20]的研究結果一致。在不同林型中，CK的0～10 cm土壤有機碳含量（167.90±27.40 g·kg-1）及總氮含量（12.17±1.64 g·kg-1）均為四種林型中的最大值，說明做好二仙巖泥炭沼澤濕地保護工作，增強濕地碳匯生態功能，具有重要的價值。

不足之處，本文主要集中在對不同植被類型下的土壤有機碳氮儲量分布，對于時間和空間的綜合分析還不夠，后續將進一步補充完善時間維度的泥炭蘚土壤有機碳氮研究工作，為二仙巖濕地保護利用與管理提供科學依據。

參 考 文 獻

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（責任編輯：唐嵐）