高寒沼澤濕地退化過程中土壤腐殖質變化特征的研究

林春英, 李希來, 張 靜, 孫海松, 孫華方, 馬程彪, 李成一

(1. 青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧 81000； 2. 青海大學農牧學院，青海 西寧 810016；3. 青海省地理國情監測院，青海 西寧 81000)

濕地生態系統既可是碳源，又可是碳匯，到底是哪種取決于不同的植被類型和環境變量[1]。自20世紀90年代以來，在自然因素和人為因素的雙重驅動下，全球濕地出現不同程度的退化，濕地面積減少了一半[2]。世界范圍內濕地的退化和喪失增加了全球溫室氣體總量，濕地的溫室氣體排放已占全球總排放的十分之一[3]。高寒沼澤濕地指海拔高、溫度低的濕地[4]，因其氣候寒冷，土壤有機質分解緩慢，長期積累數量巨大的有機碳。近年來，隨著氣候變暖和人為干擾，高寒沼澤濕地的退化速度加快，逐漸向高寒草甸演替[5]。凍融丘作為高寒沼澤濕地的一種特征，是以藏嵩草(Kobresiatibetica)為主高出積水區的草丘。凍融丘之間的低洼地稱為丘間[6]，優勢種為苔草(Carexmoorcroftii)。研究報道，隨著退化程度的加劇，凍融丘明顯減小，直到重度退化完全消失，且有機碳減少[6]，碳功能的下降。土壤腐殖質是土壤有機碳的主要組成部分[7]，是土壤有機碳庫中較穩定的組分，在固碳和調控養分供應等方面發揮著重要的作用[8-10]。土壤腐殖質主要由胡敏酸(Humic Acid，HA)、富里酸(Fulvic Acid，FA)、胡敏素(Humic)等組成，其形成與轉化對于維持有機碳庫的穩定和土壤碳平衡意義重大[11-12]。目前，土壤腐殖質的研究領域多集中在農田、草原、森林及低海拔濕地土壤腐殖質的空間分布特征、剖面分布及其組成特征[13-15]，針對高寒濕地土壤腐殖質的研究少見報道。高寒沼澤濕地退化過程中植被凋落物分解和根系分泌等變化，對土壤腐殖質的含量產生影響[16-18]，在高寒沼澤濕地不同退化階段，土壤的腐殖化程度和過程也不盡相同。此外，土壤酶來源于凋落物、根系分泌物及微生物活動[19]，是土壤中碳氮的轉化主要依賴物[20]，土壤腐殖質各組分的形成與土壤酶密切相關[8,21]，高寒濕地的退化導致的土壤理化性質和酶活性等發生變化，必然會影響到土壤腐殖質組分的形成和轉化。因此，本文以不同退化程度高寒沼澤濕地土壤為研究對象，研究了土壤腐殖質組分含量的分布特征，并探討土壤腐殖質分布與土壤理化性質和酶活性的相關性，以期為高寒沼澤濕地土壤碳庫的碳匯研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況和樣地布置

2020年8月，選擇黃河源果洛州瑪沁縣大武灘高寒沼澤濕地與外圍退化區作為土壤腐殖質變化研究調查樣地。瑪沁縣地處果洛藏族自治州東北部，年平均氣溫約為-3.5℃，年降水量約為500 mm。大武灘處于果洛州瑪沁縣東南角，面積大約十平方公里，其高寒沼澤濕地資源豐富，且出現不同程度的退化。研究區未退化(Undegradation，UD)的高寒沼澤濕地(圖1a)以凍融丘(圖2)藏嵩草為優勢種，其蓋度可達95%左右，丘間(圖2)的苔草等植物是主要伴生的物種；輕度退化(Light Degradation，LD)高寒沼澤濕地(圖1b)凍融丘藏嵩草和丘間苔草的蓋度各為50%；重度退化(Heavy Degradation，HD)高寒沼澤濕地(圖1c)無凍融丘，是以矮嵩草為主的高寒草甸。本研究中，不同退化程度的濕地樣方布置，結合高寒沼澤濕地中藏嵩草優勢度、植被蓋度多少和凍融丘大小、數量等指標綜合判斷[6]，將試驗樣地劃分為未退化、輕度退化和重度退化共3個退化程度。樣方的調查采用線樣法，從濕地中心拉3條樣線，樣線長為150 m，每隔50 m設置取樣樣方(圖3)，每個退化階段各設置1個1 m×1 m的樣方(即不同退化程度各設置3次重復)，進行植被調查和土壤采樣。

圖1 高寒沼澤濕地不同退化程度樣地Fig.1 Sample plots of alpine swamp wetland with different degrees of degradation注：(a)未退化；(b)輕度退化；(c)重度退化Note:(a)Non Degradation;(b)Light Degradation;(c)Heavy Degradation

圖2 高寒沼澤濕地凍融丘和丘間示意圖Fig.2 Frozen-thaw patch and between the grass patchs of alpine marshland

圖3 高寒沼澤濕地不同退化程度樣點選取圖Fig.3 Sample pionts of alpine marshland with different degrees of degradation

1.2 土樣樣品采集

未退化和輕度退化階段內的樣方里有凍融丘和丘間，故分凍融丘和丘間采集土壤樣品，因重度退化為高寒草甸，無凍融丘，故均一采樣。自上而下用移除法分別采集0～10，10～20，20～30 cm三個深度的土樣。將同一樣地同一退化程度同一層的凍融丘和丘間土樣分別裝入自封袋，重復3次，共45個土樣。每份土壤樣品分為2份，一份自然風干后用于測定土壤腐殖質和全N、全P、全K，另一份鮮樣(在4℃下儲存)用于土壤微生物碳、纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)測定。

1.3 土壤指標測定

土壤pH采用pH計法測定；土壤容重采用環刀法測定；土壤含水量用便攜式土壤水分測定儀TDR350測定；土壤腐殖質采用竇森法測定；土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法測定；全N、全P、全K含量采用硫酸-過氧化氫混合消煮后分別以凱氏定氮儀和紫外分光光度計法測定；纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)采用微孔板熒光法測定；脲酶(UR)采用比色法測定。

1.4 數據整理與統計分析

使用Microsoft Excel2010 對腐殖質數據進行處理，用SPSS19.0統計軟件進行方差分析(one-way analysis)和相關性分析，利用Origin2018繪制不同退化程度高寒濕地土壤腐殖質變化圖，使用R語言，制作土壤理化性質和腐殖質進行冗余分析(Redun dancy analysis，RDA)圖。

2 結果與分析

2.1 不同退化程度高寒沼澤濕地土壤腐殖質變化特征

土壤腐殖質碳是胡敏酸和富里酸的總和，是土壤有機碳的主體，對提高土壤肥力有重要作用。凍融丘和丘間土壤腐殖質碳隨著退化加劇呈減少趨勢(圖4)，且凍融丘未退化與輕度退化、重度退化之間差異顯著(P<0.05)。相對于未退化，輕度退化和重度退化0～10 cm凍融丘和丘間分別下降了28.73%，28.73%和14.52%，15.90%；10～20 cm分別下降了23.01%，21.87%和5.88%，0.01%；20～30 cm分別下降了31.18%，31.17%和4.30%，31.18%。

圖4 不同退化程度高寒沼澤濕地不同土層腐殖質碳變化Fig.4 The change of humus carbon content of different soil layers in the alpine marshland注：圖a為凍融丘，圖b為丘間；不同大寫字母表示相同土層不同退化程度間顯著差異 (P<0. 05)，下同Note:Fig. a,Frozen-thawing mound;Fig. b,Between the grass patches. The capital letters indicate significant difference among different degrees of degration in same soil depth at the 0.05 level,the same as below

由圖5可知，凍融丘的胡敏酸含量較丘間高。隨著退化加劇，凍融丘和丘間土壤胡敏酸呈減少趨勢，且凍融丘0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm未退化與輕度退化、重度退化之間差異顯著(P<0.05)。相對于未退化，輕度退化和重度退化0～10 cm凍融丘和丘間分別下降了34.37%，34.29%和9.28%，17.72%；10～20 cm分別下降了21.12%，23.73%和7.46%，0.82%；20～30 cm分別下降了32.51%，35.24%和0.85%，30.66%。

圖5 不同退化程度高寒沼澤濕地不同土層土壤胡敏酸變化Fig.5 The change of humic acid content of different soil layers in the alpine marshland

隨著退化加劇，凍融丘和丘間土壤富里酸呈下降趨勢，但變化不明顯(圖6)。由表1可知，胡敏酸/富啡酸比值在凍融丘隨退化程度的加劇呈減少趨勢，且0～10 cm未退化與輕度退化、重度退化之間差異顯著(P<0.05)。上述結果說明，未退化樣地表層(0～10 cm)凍融丘土壤HA/FA比值均高于輕度退化和重度退化樣地，土壤腐殖化程度較高，質量也較好，有利于HA的積累。隨著退化程度的加劇，凍融丘HA/FA比值有所下降，土壤腐殖化程度較低。

圖6 不同退化程度高寒沼澤濕地不同土層土壤富里酸變化Fig.6 The change of fulvic acid carbon content of different soil layer in the alpine marshland

表1 不同退化程度下土壤胡敏酸與富里酸的比例Table 1 The ratio of soil humic acid to fulvic acid under different degradation degrees

如圖7所示，凍融丘和丘間土壤胡敏素隨著退化加劇呈減少趨勢，且凍融丘和丘間各層未退化與輕度退化、重度退化之間差異顯著(P<0.05)。相對于未退化，輕度退化和重度退化0～10 cm凍融丘和丘間土壤胡敏素分別下降了43.55%，46.44%和35.56%，38.16%；10～20 cm分別下降了33.66%，33.38%和51.92%，33.07%；20～30 cm分別下降了49.98%，45.54%和25.66%，53.03%。

圖7 不同退化程度高寒沼澤濕地不同土層土壤胡敏素變化Fig.7 The change of humin content of different soil layers in the alpine marshland

2.2 土壤腐殖質與土壤理化性質相關分析

土壤酸堿性、容重、含水量和土壤養分供應是限制微生物活動的重要因素，它們可通過微生物間接影響土壤腐殖質的形成和分解。本研究不同退化程度高寒沼澤濕地土壤理化性質見表2，土壤有機碳、土壤含水量、總氮、土壤腐殖質在未退化(UD)樣地水平較高，隨著高寒濕地退化程度的加劇逐漸減小；pH、TK則在重度退化(HD)樣地較高，隨著退化程度的加劇逐漸增大。從土壤理化性質與土壤有機碳及其組分排序看出(圖8)，在0～30 cm凍融丘和丘間土壤含水量、總氮與土壤腐殖質正相關，pH、TK與土壤腐殖質負相關。分析高寒沼澤濕地土壤理化性質與土壤腐殖質相關性發現(表略)，凍融丘和丘間與腐殖質碳、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量均呈顯著正相關作用的指標為全N和土壤含水量；凍融丘和丘間pH和全K與腐殖質組分的含量均表現負相關關系，且pH表現顯著的負相關(P<0.01)；凍融丘所有腐殖質組分均與土壤容重呈顯著負相關(P<0.01)。由此可見，土壤腐殖質各組分的形成與土壤氮素含量存在顯著相互促進作用，能顯著的提高土壤的保肥能力。

表2 不同退化程度高寒沼澤濕地土壤的理化性質Table 2 Physical and chemical properties of the soils at different soil layers in the alpine marsland

續表2

圖8 土壤理化性質和土壤腐殖質之間的冗余分析二維排序圖Fig.8 The ordination diagram of RDA analysis of vegetation and soil parameters注：BD，容重；SWC，土壤含水量；pH，酸堿度；TN,全氮；TK,全鉀；TP,全磷；(a)(b)(c)為凍融丘，(d)(e)(f)為丘間Note:BD,Bulk density;SWC,Soil moisture content;pH,Potential of hydrogen TN,Total nitrogen；TK,Total potassium；TP,Total phosphorus. Fig. a,b,c,frozen-thawing mound;Fig. d,e,f,between the grass patches

2.3 土壤腐殖質與微生物碳、土壤酶活性的關系分析

土壤腐殖質是土壤有機質在微生物和酶促反應下逐步降解和轉化的結果，同時土壤腐質化過程又會對微生物和土壤酶活性產生反饋作用[16]。研究區不同退化程度高寒沼澤濕地土壤生物學性質見表3。分析土壤腐殖質含量及構成與微生物碳、土壤酶活性之間的相互關系發現(表4)，凍融丘中與腐殖質碳含量呈顯著正相關的指標為β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)和β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)；與胡敏素含量呈顯著正相關作用的指標為纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)磷酸酶和脲酶(UR)；與胡敏酸含量呈顯著正相關的指標為纖維二糖水解酶(CBH)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)；而富里酸含量與微生物碳和土壤酶活性之間差異不顯著。丘間中與腐殖質碳、胡敏素、胡敏酸和富里酸含量與纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)呈顯著正相關，胡敏素與土壤微生物碳正相關(P<0.01)，而腐殖質碳、胡敏酸和富里酸含量與微生物碳之間差異不顯著。由此可見，丘間纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)與腐殖質的形成具有顯著的促進作用，微生物碳對胡敏素形成有顯著作用；而凍融丘中β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)和β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)對腐殖質碳形成具有顯著的促進作用，纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)對胡敏素形成具有顯著的促進作用，纖維二糖水解酶(CBH)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)對胡敏酸形成具有顯著的促進作用。

表3 不同退化程度高寒沼澤濕地土壤生物學性質Table 3 Biological properties of soil at different soil layers in the alpine marshland

表4 不同退化程度高寒沼澤濕地土壤腐殖質與土壤生物學性質的相關性Table 4 Correlation coefficients between soil humus and soil biological properties in different degraded alpine marshlands

3 討論

3.1 退化對高寒沼澤濕地土壤腐殖質的影響

本研究中，3種退化程度的高寒沼澤濕地土壤的腐殖質性質存在顯著不同現象，土壤腐殖質含量高的未退化濕地土壤腐殖質穩定性較高，腐殖質含量較低的重度退化濕地土壤腐殖質穩定性較差(圖4，5，6，7和表1)，且凍融丘的腐殖質含量和穩定性較丘間高。各土層的土壤腐殖質組成大小均為：胡敏素>腐殖質碳>胡敏酸>富里酸。土壤腐殖質碳由土壤胡敏酸和富里酸組成，含量反映了土壤腐殖質的特性。高寒沼澤濕地隨著退化程度的加劇，胡敏酸和富里酸含量均呈下降趨勢，且凍融丘胡敏酸含量未退化與輕度退化、重度退化差異顯著(P<0.05)。HA/FA反映土壤腐殖物質聚合程度，其值大表明土壤腐殖物質的聚合度高，土壤腐殖化的程度越高，質量也越好[22]。不同退化高寒沼澤濕地土壤腐殖質的組成中，HA/FA均大于1，這表明高寒沼澤濕地土壤為胡敏酸型土壤，土壤腐殖物質的聚合度較高。凍融丘土壤胡敏酸與富里酸之比隨退化程度的加劇大致呈下降趨勢，且0～10 cm未退化和輕度退化、重度退化差異顯著(P<0.05)，說明隨著退化程度的加劇凍融丘土壤腐殖物質的聚合度下降，土壤腐殖化的程度下降。

研究區表層(0～10 cm)土壤腐殖質的含量變化幅度較大(圖4，5，6，7)，但隨著土層的加深，含量差異逐漸減少，這主要與植物根系分布和凋落物數量及質量有關。研究區的未退化區凍融丘植物以莎草科植物藏嵩草為主，具有較高的地上生物量和蓋度，每年回歸土壤的豐富有機殘落物增加了有機質的含量。隨退化程度的加劇，植物種內競爭加劇，群落優勢種更替，物種增多，植被蓋度、高度和地上生物量持續降低，所生成的有機質較少。同時，凍融丘以莎草科植物藏嵩草為主，表層大量的凋落物和植物根系，為微生物生長提供了來源[6]。此外，凍融交替對高寒沼澤濕地土壤溫度產生影響，增加土壤呼吸量，且殺死部分土壤微生物，死亡的微生物分解后釋放出氨基酸和糖類等物質[23]，提高了高寒沼澤濕地土壤中有機碳的含量，進而提高了高寒沼澤濕地土壤的腐殖質的含量。

3.2 土壤理化性質對腐殖質的影響

本研究中，凍融丘和丘間土壤全氮與腐殖酸碳、胡敏酸、富里酸和胡敏素表現為正相關關系，這與張曉曦[16]和黨亞愛等[24]研究結果基本吻合。這由于土壤全氮提高了微生物的數量與活性，同時也為腐殖質合成提供了氮源。土壤水分條件作為決定高寒沼澤濕地植物群落分布和演化的主導因素[6]，當高寒沼澤濕地退化后，水分條件發生變化,將影響高寒沼澤濕地植被特征和有機碳的含量，從而影響土壤腐殖質的含量。凍融丘和丘間土壤含水量與腐殖酸碳、胡敏酸碳、富里酸和胡敏素含量正相關關系，說明土壤水分是限制有機質的分解和土壤腐殖質的形成的主要環境因子。高寒沼澤濕地退化使土壤水分減少，土壤腐殖質的下降，不利于有機碳的積累，使碳功能下降。凍融丘和丘間土壤容重和pH與腐殖酸碳、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量表現為負相關關系，土壤容重通過影響土壤孔隙度、通氣狀況直接對土壤微生物產生影響，而pH通過影響土壤中微生物種類、數量及其活性，從而對土壤腐殖質產生影響。凍融丘和丘間土壤腐殖質含量與全K呈負相關，由此可以推斷，全K含量增加會造成土壤腐殖質含量降低。

微生物活動影響土壤腐殖質形成及轉化，土壤的有機質經土壤微生物分解后產生土壤腐殖質，該過程有多種土壤酶參與[21]。由于高寒沼澤濕地退化過程中地上植被發生變化，致使土壤真菌和細菌群落結構發生變化，且對碳源利用率增加[5]。而土壤酶活性受土壤細菌和真菌群落結構的影響，從而導致土壤腐殖質積累量的不同。本研究表明，凍融丘中4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)和β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)有利于對腐殖質碳的形成；二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)、脲酶(UR)有利于對胡敏素的形成；二糖水解酶(CBH)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)有利于對胡敏酸的形成；丘間纖維二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)、β-1，4-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)、脲酶(UR)和微生物量的增加有利于土壤腐殖質的形成，這與于江[25]和張曉曦[16]等的部分結論相吻合。

高寒沼澤濕地土壤有機碳和總氮的變化緊密相關[6,26]，且隨著退化程度的加劇它們呈減少趨勢。本研究中參與碳循化的β-1，4-葡萄糖苷酶(βG)、二糖水解酶(CBH)、β-1,4-木糖苷酶(BXYL)、α-1，4-葡萄糖苷酶(αG)和參與氮循化的亮氨酸肽酶(LAP)、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)和脲酶(UR)隨著退化程度的加劇呈減少趨勢(表4)。由此可以推斷，隨著退化程度的加劇，地上凋落物、根系分泌物及微生物活動減少，導致土壤酶活性減弱[27]，減緩了土壤中碳的周轉，不利于土壤有機碳的積累。

已有研究表明，隨著退化程度的加劇土壤有機碳、輕組分有機碳、重組分有機碳、可溶性有機碳和微生物碳呈下降趨勢[6,28]，且凍融丘較丘間差異顯著。本研究結果顯示，土壤腐殖質含量隨著高寒沼澤濕地退化程度的加劇也呈減少趨勢，這意味著高寒沼澤濕地退化使得凍融丘的逐步消失和土壤有機碳含量的降低，以CO2等溫室氣體的形式向大氣釋放碳，溫室氣體會導致氣溫上升。青藏高原高寒沼澤濕地是高原生態系統有機碳密度最高的地區，也是氣候變化最敏感的地區之一。研究區從未退化到重度退化每平方米有機碳減少了294.94 g·kg-1，而土壤腐殖質作為土壤有機碳的主要組成部分，占土壤總有機碳 75%～85%，由此可推算出青藏高原250萬km2共損失有機碳73 667 g·kg-1，損失土壤腐殖質大約55 250～62 616 g·kg-1，對該地區的碳庫、碳匯和實現碳達峰碳中和目標不利。

4 結論

高寒沼澤濕地退化后，凍融丘和丘間土壤腐殖質呈下降趨勢，凍融丘土壤腐殖質碳、胡敏素和胡敏酸未退化與輕度退化和重度退化差異顯著(P<0.05)，對退化較丘間敏感。隨著退化程度的加劇凍融丘土壤腐殖物質的聚合度下降，土壤腐殖化的程度下降。土壤含水量和總氮與土壤腐殖質密切相關，它們是限制高寒沼澤濕地土壤腐殖質形成的主要環境因子。凍融丘中土壤酶對胡敏素形成具有顯著的促進作用，丘間土壤酶活性對土壤腐殖質的形成具有顯著的促進作用，微生物碳對土壤胡敏素的形成具有顯著的促進作用。因此，在加快退化高寒沼澤濕地生態恢復時重點考慮凍融丘的保護和加強土壤水分和有機肥的補充。