杨繁 郭毅 周苓屹

摘 要： 以湖北二仙岩泥炭藓沼泽湿地不同退化程度的四块典型样地（CK、SM、SP、GA）为研究对象，对其土壤有机碳、氮数量分布及其协同积累特征进行研究。结果表明：不同林型土壤有机碳氮含量随着土层深度的增加而降低，其中0～10 cm土壤有机碳氮含量最高，具有明显的表聚性，且与10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土层间存在显著差异（除SP外）。不同退化程度湿地土壤0～60 cm碳储量为54.42～105.06 t·hm-2，氮储量为4.84～7.35 t·hm-2，分布规律为CK>SM>GA>SP，且CK和SM的土壤有机碳氮储量均显著高于GA和SP，说明湿地退化显著降低了湿地土壤有机碳氮储量。在不同林型中土壤有机碳和总氮呈极显著正相关，说明二者具有明显的协同积累特征。研究结果可为中国湿地土壤有机碳储量及区域尺度土壤碳库的进一步研究提供理论参考，建议加强保护区内泥炭藓的保护力度。

关键词： 泥炭藓湿地;碳氮储量;二仙岩

中图分类号：S15   文献标识码：A   文章编号：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

土壤碳库是陆地生态系统中的巨大碳库，其储量约为1 300 Pg C，占全球整个陆地生态系统有机碳库的70%[1]。大部分的土壤碳都以有机碳（Total organic carbon，TOC）的形式储存，其动态平衡对全球碳循环和气候变化具有重要的影响[2，3]。在湿地生态系统中，土壤有机碳和总氮（Total nitrogen，TN）是影響土壤质量的最重要的生态因子，而碳氮比则是对土壤碳循环和氮循环有直接影响，衡量土壤质量的重要敏感指标[4，5]。泥炭湿地是陆地上重要的生态类型，其复杂的生态结构和独特的生态功能，使其能保存大量的泥炭沉积以及丰富的环境信息[6]。据Joosten统计，泥炭地的碳储量为世界土壤碳储量的三分之一，相当于全球大气碳库碳储量的75%[7]。湿地土壤碳氮储量是气候变化的一种敏感指示物，能用来指示对气候变化的响应[8]。近年来，由于气候变化或人为因素的干扰，高山地区的沼泽湿地面积正在萎缩和退化，这种退化通常由外至内逐渐扩大[9]。湿地生态系统的退化将会改变地上植被的生产力和地下土壤的碳氮储量，进而影响土壤碳氮循环[10]。目前关于高山湿地的研究主要集中在不同湿地类型的土壤碳氮储量和退化机制研究[11，12]，而就亚高山湿地地区不同退化阶段的土壤碳氮储量研究则鲜见报道。本文针对鄂西二仙岩泥炭藓湿地的退化问题，分析了泥炭藓湿地不同退化阶段土壤碳氮含量、碳氮储量及碳氮比的变化，探讨了土壤有机碳和总氮的协同变化规律，以期为阐明亚高山湿地生态系统退化对土壤碳氮库稳定性的影响和湿地生态系统的恢复与重建研究提供参考。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区域概况

二仙岩湿地自然保护区（29°40′～29°43′N，108°45′～108°49′E）位于湖北省咸丰县西北部，是鄂西少有的隆起的高山台地，是一个以保护湖泊湿地和亚高山沼泽湿地的自然保护区。属于亚热带季风性湿润气候，海拔1 400～1 700 m，年平均气温14.0℃，最热月（7月）平均气温24.8℃，最冷月（1月）平均气温2.8℃。该区域雨水充足，雾多，年降水量为1 555 mm。研究区域位于泥炭藓分布的核心地带，样地类型包括保存完好的泥炭藓-海棠林（CK）、不同退化程度的泥炭藓-竹林（SM）、泥炭藓-毛栗林（SP）和草地（GA）。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

2019年10月在研究区域内完成土壤样品的采集，每个样地内随机选择5个土壤采样点，样方间隔保持在100 m以上。本次研究采集的土层深度为60 cm。由于湿地中积水较多，用常规的环刀取样工具有难度，本次采样工具采用自制直径为5 cm的土钻，按每10 cm一层进行划分，依次为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm，共计6层。样品采集后做好标记，装入聚乙烯自封袋中，经风干、研磨、过筛等处理后密封保存。

Ci为土壤有机碳密度（kg·m-3）;Wc为土壤有机碳含量（g·kg-1）;Di为土壤容重（g·cm-3）;Hi为对应土层深度（cm）;Ti单位面积有机碳碳储量（t·hm-2）。

所测实验数据的统计整理使用excel 2016软件，数据的计算与分析主要使用SPSS 22.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同林型各土层土壤有机碳及总氮含量分布特征  从表2可知，在不同林型中，0～60 cm土层的有机碳含量平均值以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;与SM、GA和SP相比，CK的平均有机碳含量分别高出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土层有机碳含量大小顺序为CK>SM>GA>SP，40～50 cm土层有机碳含量大小顺序为SM>CK>GA>SP，50～60 cm土层有机碳含量大小顺序为CK>SM>SP>GA。此外，相同深度土层中，各林型的有机碳含量仅在0～10 cm和10～20 cm土层中存在显著差异（P<0.05）。从各林型的土壤有机碳含量的垂直分布来看，总体上均随着土层的增加而显著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土层最高，50～60 cm土层最低（除SP外），且0～10 cm土层与10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土层间存在显著差异（P<0.05）。由此可见，土层深度和林型对土壤有机碳含量均有显著影响。

不同土层深度和林型的土壤总氮含量也有明显差异（表2）。各林型中0～60 cm土层的总氮含量平均值以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的平均总氮含量相较于SM、GA和SP分别高出6.98%（P>0.05）、28.85%（P<0.05）和57.00%（P<0.05）。0～10 cm和20～30 cm土层总氮含量大小顺序为CK>SM>GA>SP，10～20 cm土层总氮含量大小顺序为CK>GA>SM>SP，30～40 cm和40～50 cm土层总氮含量大小顺序为SM>SP>GA>CK，50～60 cm土层总氮含量大小顺序为SP>CK>SM>GA。各林型的土壤总氮含量的垂直分布具有明显的表聚性，总体上均随着土层的增加而显著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土层最高，50～60 cm土层最低（除SP外），且0～10 cm土层与10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土层间存在显著差异（P<0.05）（除SP外）。

2.2 不同林型各土层土壤有机碳及总氮储量分布特征  由表3可知，在不同林型中，0～60 cm土层的有机碳储量总计值以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;与SM、GA和SP相比，CK的土壤有机碳储量分别高出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土層有机碳储量大小顺序为CK>SM>GA>SP，30～40 cm和40～50 cm土层有机碳储量大小顺序为SM>CK>GA>SP，50～60 cm土层有机碳储量大小顺序为CK>SM>SP>GA。

从各林型的土壤有机碳储量的垂直分布来看，总体上均随着土层的增加而显著降低（P<0.05），其中以0～10 cm土层最高，且0～10 cm土层与10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土层间存在显著差异（P<0.05）。由此可见，土层深度和林型对土壤有机碳储量均有显著影响。

不同土层深度和林型的土壤总氮储量也有明显差异（表3）。各林型中0～60 cm土层的总氮储量总计值以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的总氮储量相较于SM、GA和SP分别高出5.30%（P>0.05）、29.40%（P<0.05）和51.86%（P<0.05）。

各土層深度总氮储量大小顺序与土壤总氮含量值相一致。各林型的土壤总氮储量的垂直分布具有明显的表聚性，且0～10 cm土层与10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土层间存在显著差异（P<0.05）（除SP外）。

2.3 不同林型土壤有机碳和总氮含量的相关性  在不同林型中进行土壤有机碳氮含量线性分析，结果显示，在四种林型中，土壤有机碳和土壤总氮含量均表现为极显著的正相关（图1），表明二者存在协同积累关系。其中，GA的决定系数最高（R2=0.98），SP的决定系数最低（R2=0.83），表明GA的土壤总氮含量高度依赖于土壤有机碳含量的积累。

3 讨论

二仙岩保存完好的湿地土壤有机碳储量为105.06±12.3 t·hm-2，高于中国土壤有机碳密度（ 96.0 t·hm-2 ） [13]。因此，湖北二仙岩泥炭藓沼泽湿地生态系统是重要的土壤碳库，尽管目前保护区内泥炭地出现了不同程度的退化，但是仍然储存了较丰富的土壤有机碳，值得加强保护。

不同退化程度的湿地土壤有机碳和总氮含量趋势相似，在整体上均表现为随着土层深度的增加而降低。各林型0～10 cm土壤有机碳含量占土壤垂直剖面的24.63～43.13%，0～10 cm土壤总氮含量占土壤垂直剖面的19.91～44.09%，均呈现出明显的表聚性，且显著高于其他各土层含量（除SP外）。该规律与王诗乐等[14]对中国东北寒温带洪河、漠河湿地土壤碳氮分布结果相似，碳氮含量均在表层土中出现峰值，且随土层深度而逐渐降低。究其原因，一方面是由于地上植物的枯萎、凋落物沉积在土壤表层，促进了表层土壤有机养分输入，另一方面归因于表层是植物根系的集中分布区，Jobbagy等[15]指出植物根系的分布直接影响土壤有机碳垂直分布，大量死亡的植物根系为表层土壤提供了丰富的碳源，随着土层深度增加，地下生物量急剧降低，分解者的活动减弱，导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，表层0～10cm土壤有机氮含量与其他各层差异性不显著，这可能是由于毛栗林的林分年龄过小，凋落物层不厚，且分解速率慢，因而土壤输入的有机养分偏少，表层土壤氮富集不明显所致。

不同退化程度湿地土壤0～60cm碳储量为54.42～105.06 t·hm-2，氮储量为4.84～7.35 t·hm-2，分布规律为CK>SM>GA>SP，且CK和SM的土壤有机碳氮储量显著高于GA和SP，说明不同林型土壤有机碳氮储量均随湿地退化显著降低，这与曹生奎等[16]的研究结论一致。一方面，不同的植被类型会在土壤表层形成独特的小气候，CK和SM的泥炭藓盖度大，湿地通气性弱，土壤高度泥炭化，进入土壤的碳氮含量高，而不同退化程度的湿地泥炭藓盖度低，土壤微生物活性增加，矿化作用加强，加速有机质和氮的分解[17]，导致碳储量降低;另一方面，地下水位与土壤有机碳含量的关系密切，地下水位接近表层的腐殖质分解快，对泥炭的转化积累产生积极影响，退化后的泥炭地表层水位下降，固碳能力降低，土壤泥炭化能力减弱，故退化的泥炭藓湿地有机碳含量下降。

在一定程度上，土壤氮素的水平也会影响土壤中有机碳的含量[18]。线性分析显示，在不同林型中土壤有机碳和总氮含量呈极显著正相关，说明二者具有明显的协同积累特征，这与彭佩钦等[19]和李丽等[20]的研究结果一致。在不同林型中，CK的0～10 cm土壤有机碳含量（167.90±27.40 g·kg-1）及总氮含量（12.17±1.64 g·kg-1）均为四种林型中的最大值，说明做好二仙岩泥炭沼泽湿地保护工作，增强湿地碳汇生态功能，具有重要的价值。

不足之处，本文主要集中在对不同植被类型下的土壤有机碳氮储量分布，对于时间和空间的综合分析还不够，后续将进一步补充完善时间维度的泥炭藓土壤有机碳氮研究工作，为二仙岩湿地保护利用与管理提供科学依据。

参 考 文 献

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（责任编辑：唐岚）