吕海波

1. 渭南师范学院环境与生命科学学院，陕西 渭南 714000；2. 陕西省河流湿地生态与环境重点实验室，陕西 渭南 714000

湿地由于其重要的生态功能，其利用与保护对于建设生态中国具有重要意义。在黄河中游尤其是龙门至潼关段河道变宽造成泥沙淤积，江心及两岸滩地发育，原生植被、农田、撂荒地等多种土地利用类型并存。不同的土地利用方式在改变地表植被的同时，也改变了土壤碳储量和土壤呼吸，进而对当地土壤碳收支和全球范围的碳循环产生影响（Jia et al.，2004；唐洪松等，2016）。湿地碳储量变化中，碳汇为通过光合作用储存于为生物体内或土壤有机质中，碳源主要为通过土壤呼吸向大气排放的含碳气体。碳汇稳定少变，碳源却因外界条件而变化。研究湿地土壤CO2的排放，对于复杂环境变化背景下湿地生态功能的评价具有重要支撑作用（Schlesinger et al.，2000）。

硫元素是植物生长的营养元素之一，也是生物地球化学循环的关键元素，因而受到国内外学者的关注（李新华等，2007；Lu et al.，2016）。硫是继碳、氮、磷之后的第四营养元素，生态系统中硫的动态变化对于植物生长有着特殊的意义，同时硫在地球生物圈-岩石圈 (土壤圈)-大气圈的循环过程，因SO2、H2S及CS2等的温室效应而具有特殊意义（Yang et al.，1998；李萍等，2019）。在土壤环境中，含硫气体主要在微生物作用下分解有机物和硫酸盐形成的，产物种类受土壤氧化还原条件影响，在湿地生态系统中，因饱水土壤处于还原环境，H2S成为主要产物，而H2S是一种还原性气体，在大气中容易被氧化生成SO2，是地球硫循环中重要的一环（Devai et al.，1995）。

为了研究滩地不同土地利用类型土壤呼吸差异，为湿地生态功能评价提供有价值的参考数据，评价湿地不同土地利用类型的物质循环变化，本研究利用对比分析法，选择黄河中游滩地典型类型的土地利用类型进行研究，分析其土壤呼吸中CO2和H2S排放的差异，从而为生态黄河的建设以及同一领域研究提供基础数据。

1 研究地概况及研究方法

1.1 研究地概况

黄河中游自龙门以下，河面变宽，渭河和洛河汇入，形成广泛发育的湿地。本地区湿地南北全长132.5 km，东西宽4—13 km，总面积57348 hm2，已成为陕西省最大的湿地（程铁锁等，2010；曹黎明等，2011）。农田、鱼塘、天然湿地、灌木林等湿地利用类型分布于河漫滩、江心洲、泛洪平原上，发挥着不同的湿地生态功能。

1.2 野外调查取样

2016年7—9月对渭南大荔附近黄河滩地上不同土地类型湿地进行了采样分析（表1），为了减少温度因素的干扰，采样时间集中在气温较高的14:00—15:00。根据滩地实际情况，研究区土地类型基本分为农田、撂荒地及原生天然植被，另外有河水洪泛而成的裸滩；原生植被主要为原生未破坏植被，芦苇（Phragmites australis）、蒲草（Typha orientalisPresl）为建群种，分为芦苇+灌木柳（Salix saposhnikoviiA. K. Skvortsov）、芦苇+蒲草（干）、芦苇+蒲草（湿）、芦苇+杂草4亚类，农田分为玉米、翻耕地、休耕地3亚类，翻耕地为夏收后翻耕准备种植秋作物的农田，休耕地为有耕种痕迹但暂未种植的土地，撂荒地为有耕种历史但撂荒3年以上的野地，自然发育有以野黑豆（Glycine sojaSieb.et Zucc）、稗草（Echinochloa crus-galli(L.) Beauv）为建群种的草本植被2亚类。各亚类中，灌木柳高2—3 m，树冠直径3—5 m；芦苇蒲草混合亚类中，芦苇蒲草比例各占一半，二者高2—3 m，根据距河水面垂直距离分为干湿2亚类；芦苇杂草杂草混合亚类中，芦苇高1 m左右；玉米亚类中，玉米高1.5—2 m；翻耕地植物植物稀少，土壤疏松；稗草30—50 cm高；野黑豆30—50 cm高，其他情况见表1。研究共进行10亚类40个样方的调查及土壤呼吸采样，每亚类采样不少于3 次，棋盘式布样。

表1 野外调查基本情况Table 1 Information of field investigation

水位根据附近河水面垂直距离来衡量，植物茎秆粗细（1/2高度处）和叶宽（最宽处）为人工测量，密度为人为计数。土壤CO2和H2S排放速率利用 WEST Systems便携式土壤 CO2/H2O通量系统WS-LI840（west systems portable flux meter WS-LI840）进行，设备叶室直径200 mm，高200 mm。采样时尽量保持群落原貌，叶室尽量扣在土表以测量土壤CO2排放速率，选择丛间空地进行数据采集。

1.3 数据分析

利用Excel 2013和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。利用LSD方法（数据满足方差齐次性时）或Tamhane方法（数据不满足方差齐次性时）对不同类型进行差异显著性比较（α=0.05）。

2 研究结果

2.1 CO2排放速率

10种亚类中，CO2排放速率表现为野黑豆＞玉米＞稗草＞芦苇+杂草＞芦苇+蒲草 (干)＞翻耕地＞芦苇+灌木柳＞休耕地＞芦苇+蒲草 (湿)＞裸滩（图1），野黑豆与玉米 CO2排放速率分别达到 36.94 mmol·m-2·h-1和 22.65 mmol·m-2·h-1，芦苇+蒲草（湿）与芦苇+蒲草（干）CO2排放速率分别为 10.71 mmol·m-2·h-1和 2.88 mmol·m-2·h-1。裸滩则接近零；野黑豆与玉米与其他亚类的CO2排放速率都保持着显著差异，芦苇+蒲草（湿）与芦苇+蒲草（干）、玉米、稗草及野黑豆相互差异显著。野黑豆与玉米提高了撂荒地和农田的CO2排放速率，对10亚类数据进行归类平均发现，CO2平均排放速率表现为荒地＞农田＞原生植被＞裸滩（图2）。农田和撂荒地较原生植被的 CO2排放速率升高了 43.7%和237.0%。

图1 不同亚类CO2排放速率对比Fig. 1 Comparison of different CO2 emission rate

图2 4种土地利用类型CO2排放速率均值对比Fig. 2 Comparison of mean CO2 emission rates between 4 wetland types

2.2 H2S排放率对比

10亚类中，裸滩 H2S排放速率最高，达0.20 mmol·m-2·h-1，与其他亚类差异显著，翻耕地和休耕地次之，分别为 0.13 mmol·m-2·h-1和 0.12 mmol·m-2·h-1，两者之间无显著差异但与其他亚类差异显著，除以上3种外其他亚类排放率较低，为0.02—0.04 mmol·m-2·h-1，且内部无显著差异（图3）。将10亚类进行归类平均，发现4类土地利用类型中，H2S平均排放速率为裸滩＞农田＞撂荒地＞自然湿地（图4）。农田和撂荒地较原生植被提高了270.96%和33.40%。

图3 不同类型H2S排放率对比Fig. 3 Comparison of different H2S emission rates

图4 4种湿地类型H2S排放速率均值对比Fig. 4 Comparison of mean CO2 emission rates between 4 wetland types

3 讨论

土壤温室气体的排放速率受土壤状态、排放源物质含量及生物量影响。翻耕改变了土壤状态，良好的水气条件加速了有机质的分解条件，加上人为添加排放源物质，导致农田CO2和H2S排放速率较原生植被显著提高，且这一趋势不会因休耕而很快恢复。农田撂荒后CO2和H2S排放速率仍明显高于原生植被。

3.1 不同土地利用类型CO2排放速率大小的影响因素

造成农田CO2排放速率高的一个原因是植被生物量。不同亚类的植被差异造成了土壤呼吸速率的差异，从本研究来看，决定于CO2排放速率的主要外因为地表生物量，生长旺盛的野黑豆和玉米最高，而裸露的裸滩最低，植被状况造成了CO2排放速率的巨大差异，主要原因有三方面，一是从碳循环过程看，在湿地生态系统中，大气中的CO2通过湿地植物的光合作用形成有机碳储存于植物体中，植物地上部分和根死亡后残留在湿地沉积物中形成沉积物有机质，有机质经微生物分解再次以CO2及其他气体形式排放到大气中（Friborg et al.，2003）；二是从CO2排放来源主要为湿地植被提供的植株凋落物、根的分泌物与脱落物（孟伟庆等，2011），其与土壤动物微生物组成的生态群落决定了CO2排放速率；三是茂盛的植被阻隔了CO2向大气排放，丛间CO2浓度较高。

除了生物量因素之外，土壤微环境如气温、水分含量、微生物及外来添加物也决定了CO2排放速率。温度的升高有助于CO2的释放（解梦怡等，2020；王洁茹等，2020）。在同一时间，地表植被覆盖率较低，温度则较高，因此翻耕地和休耕地释放速率高于原生植被，翻耕地的土壤透气性较好，促进植株根系的生长和土壤微生物群落的形成，从而增加了CO2排放速率，这与一些研究结果一致（韩广轩等，2008；安崇霄等，2020；杨军等，2020），这应为翻耕地大于休耕地的原因。水分变化对CO2的影响较复杂（Burkett et al.，2000；盛宣才等，2016），但在一般情况下，随水位升高，土壤逐渐转为厌氧环境，CO2排放量逐渐减少，低水位则会造成CO2增加（Mitsch et al.，2013），因此芦苇+蒲草亚类中干＞湿。

CO2排放速率的影响因素具有复杂性，在本研究中，植被覆盖及其影响的土壤生物微生物量、温度、水分含量、空气流通及CO2排放源物质，与人为干扰如施肥、翻耕等措施共同影响着黄河中游滩地不同土地利用类型的排碳速率，总体来看，经人为干扰后的农田与撂荒地CO2排放速率较高。

3.2 不同土地利用类型H2S排放速率的影响因素

决定土壤H2S排放速率的因素主要是土壤硫的组成、含量，以及土壤环境。土壤含硫气体的释放主要来自微生物作用下硫酸盐的异化还原和含硫氨基酸的降解，这两类物质中最先参与降解的是包括水溶硫和吸附硫的有效硫（李萍等，2019）。由于有效硫是能被植物吸收的主要成分，其含量是决定H2S排放速率的主因，因此植被较少的裸滩、翻耕地和休耕地H2S排放速率较高。

影响H2S排放速率的因素还包括还包括土壤水含量、透气性及有机肥的添加。有研究证明淹水环境较有利于还原性硫的排放（Delaune et al.，2002），这一因素决定了水位较低条件下芦苇+蒲草（湿）亚类的H2S排放速率大于干旱条件。水位较低的裸滩、翻耕地和休耕地由于土壤土壤底部的还原环境，加上表层翻耕导致的氧化环境以及外源有机肥的添加，排放速率也较高。裸滩是河水下降后的泥沙淤积带，破坏了滩地边缘的部分植被，土壤有效硫由于植物吸收量减少、植物残体厌氧分解而增加，最终造成H2S排放量增加，本研究发现，在黄河湿地中，植被的减少有利于H2S的排放，裸滩、翻耕地和休耕地H2S排放速率高于其他样地，这也造成了4类型总排放量为裸滩＞农田＞撂荒地＞原生植被。

4 结论

研究发现，黄河中游滩地不同土地类型土壤呼吸强度有较大差异，裸滩CO2排放速率接近于零，而 CO2排放速率分别达到 36.94 mmol·m-2·h-1和22.65 mmol·m-2·h-1，H2S 排放速率差异同样很大。裸滩 H2S 排放速率达到 0.20 mmol·m-2·h-1，翻耕地和休耕地次之。各亚类归类平均后，农田和撂荒地较原生植被的 CO2排放速率升高了 43.7%和237.0%，H2S排放速率升高了270.96%和33.40%。造成这一结果的因素主要为植被覆盖量、耕种历史及水分条件，滩地耕种后土壤呼吸强度明显升高，既有耕种改变土壤条件、增加外源肥料的原因，又有耕种改变温度、植被覆盖及土壤透气度等自然条件的结果。

滩地中的原生植被物质循环较稳定，而农业活动打破了这一平衡，农业种植明显提高了土壤呼吸强度，弃耕和撂荒后的滩地仍然较高，说明湿地生态平衡的恢复需要较长的时间。