阅海城市湿地典型植被群落土壤活性有机碳组分分布特征

2022-07-08高小龙王幼奇白一茹阮晓晗

草地学报 2022年6期

高小龙，王幼奇，白一茹，阮晓晗

(1. 宁夏大学地理科学与规划学院, 宁夏银川 750021; 2. 宁夏大学生态环境学院, 宁夏银川 750021; 3. 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地, 宁夏银川 750021; 4. 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室, 宁夏银川 750021)

土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)是土壤碳库的重要组成部分，影响区域碳循环及气候变化，同时也是评价土壤质量的重要指标[1]。其中活性有机碳对环境因子变化最为敏感，是最能反映土壤碳库稳定性的指标[2]，通常用可溶性有机碳(Dissolved organic carbon，DOC)、易氧化有机碳(Easily oxidated organic carbon，EOC)、土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)等指标来表征[3]。湿地由于长期处于水分过饱和状态，更容易积攒活性有机碳，因此对气候变化也更为敏感[4]。湿地作为陆地生态系统重要的碳库，其碳含量约占陆地土壤碳的20%～30%[5]，是大气CO2的重要碳汇，在稳定全球气候变化中占有重要地位，研究湿地活性有机碳组分对评估湿地生态系统碳库稳定性有重要作用。干旱地区土壤有机质贫瘠，生态环境脆弱，湿地的碳中和作用及生态调节功能显得尤为重要[6]。因此，研究干旱区湿地土壤活性有机碳组分对保护干旱区湿地，遏制干旱区生态环境恶化具有重要意义。

土地利用与土地覆被变化是影响地球环境系统最主要的人类活动方式[7]，不同植被类型下土壤中活性有机碳组分差异显著[8]。城市湿地受人为干扰较大，在城市化进程中通常导致湿地植被类型发生改变。人为改变湿地利用方式和植被类型对湿地中植物生物量、根系分布、土壤营养元素积累和土壤微生物活性等产生显著影响[9]，这些因素的微小变化都会极大改变湿地土壤碳含量、有机碳组分及其周转速率，甚至会加速土壤中碳的释放速率，对区域气候产生影响[10]。杨文焕等[2]对南海天然湖泊湿地有机碳组分进行研究，发现人类活动可使天然湿地碳库稳定性下降；马维伟等[11]对高寒沼泽湿地进行研究，发现植被退化显著降低了土壤碳库指数、总有机碳和稳态碳等；Zhao等[12]在黄河三角洲地区对滨海湿地进行研究，发现不同水文条件下湿地植被分布模式不同，有机碳含量亦随之发生变化。可见不同地区、不同类型的湿地，其土壤有机碳均受植被覆盖类型的影响。近年来，为响应“双碳”战略目标，研究湿地及周边不同植被土壤有机碳含量及分布特征已成为热点议题，但这些研究大都集中在滨海、沼泽及天然湖泊湿地[13-14]，关于内陆干旱区城市湿地有机碳组分的研究较为缺乏。而合理利用旱区湿地资源，分析湿地生态系统碳汇功能和碳组分特征对干旱地区生态环境稳定和人居环境改善尤为重要。

宁夏银川市素有“塞上湖城”的美誉，区内湖泊湿地数量众多，湿地面积约5.31×104hm2[15]。2018年被联合国国际湿地公约组织授予“全球首批国际湿地城市”之一。湿地作为银川重要的水分补给及天然生态屏障，是该区域最具特色和影响的生态资源，对西北干旱地区生物多样性及生态环境保护有重要价值。但银川市年降水量仅有185 mm，年蒸发量高达1 825 mm[15]，水资源人均占有量仅960 m3，是全国平均水平的一半，因此湿地资源对维护该区域生态安全、区域小气候及人居生活环境等显得异常重要。进入21世纪，随着城市化进程的飞速发展，银川市湖泊湿地大面积萎缩，湿地保护和恢复成为打造银川城市水环境生态圈的重要一步。

本文以银川市面积最大的城市湖泊湿地—阅海湿地为研究对象，探究区内芦苇(Phragmitesaustralis)、茭白(Zizanialatifolia)、香蒲(Typhaorientalis)、菖蒲(Acorustatarinowii)及碱蓬(Suaedasalsa)5种优势植被生长区表层土壤中活性有机碳含量及分布特征，以期为科学地评价旱区城市湿地土壤碳吸存潜力、估算湿地生态系统碳收支状况及合理保护城市湿地生态系统等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阅海湿地位于宁夏银川市金凤区(106°11′～106°14′E,38°31′～38°37′N)，是由原银川城西湖经人工运河及流域其他湖泊连接形成的城市内陆湿地。其核心区面积约22 km2，总面积为26.67 km2，属中温带半干旱半荒漠气候区，干旱少雨、日照充足、蒸发强烈。湿地滩涂除少量旅游服务设施用地外，其余多为盐碱地、荒滩及农牧用地等[18]。区内水生动植物种类丰富，存在黑鹳、大天鹅等大量国家级保护物种，是候鸟迁徙的重要停留地与繁衍地，对维护我国旱区生物多样性有重要生态价值。湿地滩涂及水域植物主要有芦苇、茭白、香蒲、菖蒲、碱蓬和荷花等。该湿地素有“银川之肾”、“城市绿肺”的美誉，其土壤有机碳组分状况直接影响区域植被生长和水质优劣。

1.2 样点布设和样品采集

调查采样时间为2021年7月。在前期调查基础上对植被生长区域进行划分，根据当地优势植被种群分布情况，选取了地势较为平坦、人为干扰较小且具有代表性的香蒲、菖蒲、芦苇、茭白、碱蓬5个天然植被生长区，在距岸边5 m外干燥的无淹水滩涂进行样点布设。5种植被对应的样点布设位置如图1所示。每种植被生长区布设3个5 m×5 m的样方，每个样方用土钻在4个顶点和1个中心点分层采集土壤样品，将同一样方同一深度处采集的土壤样品混合均匀后放入无菌自封塑料袋，置于有冰袋的保鲜盒中运回实验室。剔除植物根系和砾石后采用四分法将土壤分成两部分，一部分土样经自然风干后，磨碎分别过10目(2 mm)、100目(0.15 mm)土筛，用于土壤pH值、电导率、粒径、全氮(TN)、SOC和EOC的测定。另外一部分土样过10目(2 mm)筛后放在-4℃冰箱中保存，用于DOC和MBC的测定。

图1 研究区样点分布示意图Fig.1 Distribution of soil sampling sites

1.3 土样分析

1.3.1基本性质测定土壤pH值(PHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司)和电导率(JENCO EC80电导率仪，上海任氏电子有限公司)按1∶5土水比进行测定；采用激光粒度仪(MS 2000，英国马尔文公司)测定土壤粒径机械组成；TN

采用半微量开氏法测定；考虑到土壤偏碱性可能会有碳酸盐分解引起激烈发泡干扰测试结果，SOC采用重铬酸钾外加热法测定，测定过程中缓慢加入重铬酸钾-浓硫酸溶液，消除碳酸盐的影响。样地基本理化性质见表1。

表1 样地基本性质Table 1 Basic information of sampled soils under different vegetation types

1.3.2SOC组分测定 DOC：采用碳分析仪法[16]，称取过10目(2 mm)筛的鲜土10 g(土水比1∶5)，在25℃下恒温振荡30 min后，离心5 min，并用0.45 μm滤膜抽滤，滤液直接用Vario TOC碳分析仪(Elementar，德国元素)测定。

EOC：采用高锰酸钾氧化法[17]，称取过100目(0.15 mm)筛的风干土样3 g于塑料离心管中，加入333 mmol·L-1的高锰酸钾溶液25 mL，振荡1 h后离心5 min，取上清液用去离子水按1∶250稀释，在波长565 nm下测定稀释样品的吸光值。

MBC：采用氯仿熏蒸0.5 mol·L-1K2SO4浸提法[18]，称取12.50 g鲜土放入铝盒中，在抽气皿中放入盛有25 mL无醇氯仿的小烧杯，小烧杯中放几张小纸片以便于观察沸腾情况。放入装土的大铝盒，连上抽气机，抽真空使氯仿沸腾5 min。包上黑布且置于阴暗处(25℃)熏蒸24 h后将小烧杯连续抽真空2～3次(每次5 min)，排除氯仿。同时，另取一批土样不做熏蒸处理。将两批土样转移到离心管后加入50 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液，振荡30 min，离心5 min后取出，上层滤液5 mL于50 mL容量瓶中，进行定容后用TOC仪进行测定。

1.4 数据处理与分析

数据分析和图表绘制利用Microsoft Excel 2016、ArcMap 10.6和Origin 8.5，采用IBM Statistics SPSS 20.0进行单因素方差分析(LSD法)和Pearson相关性分析，利用Canoco 4.5进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型土壤SOC及TN分布特征

根据SOC测定结果，0～60 cm碱蓬、茭白、芦苇、香蒲和菖蒲生长区SOC平均含量分别为2.13，2.99，2.77，3.35和3.15 g·kg-1，各自含量变化依次为1.67～2.89，2.72～3.20，2.28～3.29，2.15～4.68，1.36～6.34 g·kg-1。可以看出0～60 cm土层SOC含量呈：香蒲>菖蒲>茭白>芦苇>碱蓬。同时由图2(a)可知，随土层深度增加碱蓬和菖蒲SOC含量呈逐渐减小趋势，而茭白、芦苇则呈先增后减趋势。菖蒲SOC含量在0～10 cm显著高于同层的其它植被(P<0.05)，茭白SOC含量在20～40 cm显著高于同层的碱蓬(P<0.05)。0～60 cm碱蓬、茭白、芦苇、香蒲和菖蒲生长区土壤TN平均含量分别为0.41，0.49，0.45，0.50，0.47 g·kg-1，各自含量变化依次为0.36～0.46，0.45～0.57，0.40～0.48，0.45～0.59，0.45～0.49 g·kg-1，0～60 cm土壤TN含量呈：香蒲>茭白>菖蒲>芦苇>碱蓬。由图2(b)可知，随土层深度增加碱蓬和菖蒲TN含量呈先减后增趋势，其它各植被类型TN含量随土层深度增加变化规律不明显。碱蓬TN含量在10～20 cm显著低于同层的茭白和菖蒲(P<0.05)，0～10 cm，20～40 cm和40～60 cm土层下各植被TN含量差异性不显著。

图2 不同植被类型下土壤有机碳(a)和全氮(b)分布特征Fig.2 Distribution of SOC(a) and TN(b) in soils under different vegetations注：小写字母表示同一土层相关性在0.05水平上显著,下图同Note:Lower case letters indicate that the correlation of the same soil layer is significant at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同植被类型土壤活性有机碳分布特征

0～60 cm碱蓬、茭白、芦苇、香蒲和菖蒲生长区土壤DOC平均含量分别为25.33，38.73，36.66，64.65，55.23 mg·kg-1，表现为：香蒲>菖蒲>茭白>芦苇>碱蓬，与SOC含量变化规律一致。由图3(a)可知，0～10 cm香蒲和菖蒲土壤DOC含量显著高于同层的其它植被类型(P<0.05)，10～20 cm,20～40 cm香蒲和菖蒲土壤DOC含量显著高于同层的碱蓬(P<0.05)，40～60 cm香蒲土壤DOC含量显著高于同层其它各植被类型(P<0.05)。0～60 cm碱蓬、茭白、芦苇、香蒲和菖蒲土壤MBC平均含量分别为127.83，59.51，95.59，30.73，30.05 mg·kg-1，表现为：碱蓬>芦苇>茭白>香蒲>菖蒲。由图3(b)可知，除香蒲生长区0～10 cm土层外，其它各植被生长区土壤MBC含量均呈现随土层深度增加逐渐减小趋势。0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm碱蓬和芦苇土壤MBC含量均显著高于同层的其它植被类型(P<0.05)。0～60 cm碱蓬、茭白、芦苇、香蒲和菖蒲土壤EOC平均含量分别为1.24，0.95，0.86，0.95，0.99 g·kg-1，表现为：碱蓬>菖蒲>茭白=香蒲>芦苇。由图3(c)可知，0～10 cm碱蓬土壤EOC含量显著高于同层的芦苇和菖蒲(P<0.05)，10～20 cm碱蓬土壤EOC含量显著高于同层的芦苇(P<0.05)，20～40 cm和40～60 cm土层下各植被土壤EOC含量差异性不显著。

图3 不同植被类型下土壤水溶性有机碳(a)、微生物生物量有机碳(b)和易氧化碳(c)分布特征Fig.3 Distribution of DOC (a),MBC (b),EOC (c) under different types of vegetation

2.3 不同植被类型土壤活性碳组分占总有机碳分配比例

为了进一步明确不同植被类型对SOC的影响，分别计算各植被生长区碳组分占总有机碳的比例。计算结果如表2所示，其中土壤EOC占比最高，且碱蓬生长区EOC/SOC高于其他植被。EOC/SOC的大小可以表示土壤碳库的稳定性[19]，说明碱蓬生长区土壤碳库稳定性弱于其他植被生长区。MBC/SOC可反映土壤养分及土壤碳的转化和循环[20-21]。碱蓬、茭白、芦苇生长区土壤中MBC占比随土层深度增加逐渐减小，香蒲及菖蒲生长区则无明显变化规律。碱蓬生长区不同土层土壤中MBC/SOC均高于其他植被生长区。DOC/SOC可以表征有机碳的水溶性[14]，0～10 cm及40～60 cm深度处芦苇生长区DOC/SOC显著高于碱蓬、茭白生长区(P<0.05)，高于香蒲和菖蒲生长区。

表2 不同活性碳占土壤有机碳的分配比例Table 2 Percentages of different fractions of labile carbon to SOC 单位：%

2.4 不同植被类型SOC及其组分与土壤相关理化性质间的关系

由表3可知，湿地土壤有机碳与黏粒呈显著负相关(P<0.05)，与TN含量呈显著正相关(P<0.05)；DOC与pH值、电导率及黏粒均呈极显著负相关(P<0.01)；EOC与黏粒含量呈显著正相关(P<0.05)，与全氮含量呈极显著正相关(P<0.01)；MBC与pH值、电导率均呈极显著负相关(P<0.01)；DOC/SOC与pH呈极显著负相关(P<0.01)，与电导率呈显著负相关(P<0.05)；EOC/SOC与各因子没有显著相关性；MBC/SOC仅与pH值呈极显著负相关(P<0.01)，与其他土壤理化性质无显著相关性。

表3 土壤有机碳及其组分与土壤理化性质的Pearson相关性Table 3 Correlation between soil organic carbon and its components and soil physico-chemical properties

为说明各土壤相关理化性质对SOC及其组分的影响大小，采用冗余分析法进行影响因子分析。将植被类型、土层、土壤pH值、EC、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量和TN等因子作为解释变量，土壤SOC，DOC，EOC，MBC，DOC/SOC，EOC/SOC和MBC/SOC作为响应变量，分析2组变量可得SOC及其组分与土壤相关理化性质的二维排序图(图4)。图4显示不同因子箭头的长短依次为植被类型>土层>EC>pH值>黏粒含量>TN>砂粒含量>粉粒含量，由图4中箭头线段长度、箭头连线在SOC及其组分因子箭头线段上的垂直投影长度越长，其与土壤SOC及其组分的相关程度越强可知，土壤SOC与各因子相关程度由强到弱依次为：植被类型>土层>EC>pH值>黏粒含量>TN>砂粒含量>粉粒含量。

图4 土壤有机碳及其组分与环境因子的典型相关分析Fig.4 RDA of soil organic carbon and its components and environmental factors

3 讨论

3.1 不同植被类型对湿地土壤有机碳的影响

本研究中不同植被类型0～60 cm土层SOC平均含量表现为：香蒲>菖蒲>茭白>芦苇>碱蓬；TN含量呈：香蒲>茭白>菖蒲>芦苇>碱蓬。说明阅海湿地生态系统中，香蒲、菖蒲、茭白及芦苇生长区域SOC和土壤TN含量均高于碱蓬，其中香蒲SOC和土壤TN含量最高。这主要是因为植物及微生物能够吸收环境中的碳氮，经土体微生物作用分解富集到土壤中，从而提高了植被生长区SOC，TN含量。香蒲、菖蒲、茭白及芦苇均属高大禾草植物，茎秆粗壮且根系发达，生物量较高，而碱蓬属一年生草本植物，生物量显著低于其他植被类型，因此其固碳、固氮能力最低。各植被类型土壤有机碳在垂直方向上表现为，随土层深度增加碱蓬和菖蒲SOC含量呈逐渐减小趋势，而茭白、芦苇则呈先增后减趋势。菖蒲SOC含量在0～10 cm显著高于同层的其它植被，茭白SOC含量在20～40 cm显著高于同层的碱蓬。这主要是由于不同植物地上和地下部分分解产生的有机质含量及迁移过程不同。香蒲、菖蒲地上茎粗壮，叶片稠密，植被凋落物累积量大、根系密度大及微生物活性强[13]，而根向下渐细，毛根数量逐渐减少，微生物活性降低，所以SOC在0～10 cm土层含量较高，而向下则迅速降低。这与鸣翠湖湿地[15]和Xu等[22]综合不同湿地研究整理所得的结论一致。除碱蓬之外，芦苇是阅海湿地SOC及TN含量较低的植被，这是由于银川冬季会有大型机械在冰面统一收割芦苇，芦苇地上部分被人为清理，截断了地下土壤有机碳源和氮源，因此导致0～60 cm芦苇生长区SOC和TN含量低于其它禾草植被类型。

3.2 不同植被类型对湿地土壤有机碳组分的影响

土壤中DOC主要来自于地表枯落物，是有机碳中易分解、易流动、生物活性较高的一类有机碳，其含量往往与总有机碳有相似的变化规律[3]。碱蓬生长区土壤DOC含量随土壤深度增加逐渐增加，芦苇和香蒲生长区土壤DOC含量在40～60 cm时也达到峰值，茭白生长区土壤DOC峰值则出现在20～40 cm。这是由于DOC易溶解而随水向下淋溶[23]，因此下层土壤DOC含量较高，这与龚月月等[3]的研究结果一致。而茭白成熟后根系常被人采摘，导致40～60 cm土壤有机质含量较小，即便部分DOC淋溶至此，峰值也会出现在上层土壤。EOC是指在土壤酶和微生物作用下易被分解的有机碳，在土壤中循环速率快，易被外界干扰损失，碳库早期变化即发生在EOC库中，因此能表征SOC的稳定性[10]。一般情况下，EOC质量分数的变化与SOC质量分数的变化一致[8]，但由于碱蓬生长区植被低矮，生物活动更为频繁，改变了土壤有机碳矿化条件。因此，0～60 cm平均EOC含量呈：碱蓬>菖蒲>茭白=香蒲>芦苇，0～10 cm碱蓬生长区土壤EOC含量显著高于同层的芦苇和菖蒲。习盼等[14]的研究结果亦表明碱蓬较芦苇等其他植被生长区EOC占比最高，碳库稳定性最差。MBC是土壤碳库中最活跃的部分，对土壤碳循环起着重要作用，是反映土壤微生物数量和生物活性的重要指标[24]，碱化度、温度、湿度及根系分泌物等都会影响微生物的生物量及活性。0～60 cm土壤中MBC含量呈：碱蓬>芦苇>茭白>香蒲>菖蒲，0～60 cm土层碱蓬生长区土壤MBC/SOC最大，0～10 cm土壤中碱蓬生长区土壤MBC占比显著高于其他植被生长区。5种植被类型中碱蓬生长区土壤微生物活性最高，且随土层深度增加微生物活性降低。这主要是因为研究区地下水位较浅、年均蒸发量约为1 825 mm、年均降水量仅185 mm[15]，导致该区域次生盐碱化问题突出，碱蓬作为盐生植物能够明显降低土壤含盐量，增加土壤有机质含量，改善土壤微生物生长环境[25]。林学政等[26]的研究表明，盐渍土种植碱蓬后，其根系土壤的微生物，如细菌、放线菌、真菌同对照土壤相比，含量可增加几倍至几十倍。而芦苇、香蒲、茭白、菖蒲等高大禾草植物虽然本身生物量较高，但由于土壤表层盐分含量高、冬季收割及机械碾压等原因其微生物活性反而低于碱蓬生长区。

3.3 土壤理化性质对湿地土壤有机碳组分的影响

土壤质地、TN和pH值被认为是制约土壤生态系统碳循环的主要限制因子[15]。本研究中DOC，MBC，MBC/SOC均与pH值呈极显著负相关(P<0.01)，一定范围内pH值越大土壤微生物活性越小，而电导率对各有机碳组分的影响结果与pH值相近。这与赵锐锋等[27]的研究结果一致。土壤粒径对有机碳组分的影响主要体现在黏粒成分差异上，黏粒与DOC呈极显著负相关(P<0.01)，与SOC，EOC呈显著负相关(P<0.05)，粉粒和砂粒与有机碳各组分无显著相关性。颜安等[28]的研究也表明土壤粉粒、砂粒与有机碳含量无明显相关性，但不同的是其研究结果SOC与黏粒呈显著正相关。这主要是因为其研究对象为农田土壤，土质疏松，黏粒可以有效截留土壤有机质，进而提高了SOC含量。而本研究土样采自阅海湿地滩涂，土壤含盐量较高，容重较大，一般认为土壤黏粒组分与含盐量成正相关关系[29]，黏粒含量高的区域盐碱化程度往往也更高；同时相关研究表明容重与SOC呈负相关关系[30]，随土壤黏粒含量增加，容重增大。因此研究区SOC，DOC，EOC与黏粒均表现出显著负相关。罗先香等[31]的研究亦表明，土壤盐渍化是影响北方湿地SOC库最主要的环境因子。TN与SOC呈显著正相关(P<0.05)，与EOC呈极显著正相关(P<0.01)，这是由于土壤中大部分氮素以有机氮的形式存在于有机质中，有机碳又是有机质的重要组成部分[32]，因此二者呈显著正相关关系。Schipper等[33]的研究亦表明土壤全氮与有机碳之间呈显著正相关关系。冗余分析也说明研究区砂粒含量、粉粒含量、TN和pH值等因子不仅与SOC及其组分之间具有较强的相关性，而且是影响研究区SOC及其组分分布重要因子。本研究在分析5种植被条件下SOC及其组分分布特征的基础上，利用相关性分析和冗余分析的方法对土壤理化性质及环境因子的相关性进行深入分析和探讨，是对干旱区城市湿地碳组分研究的有益尝试，但是对植被本身的特性缺乏研究，后续研究应该加强植物生长特性、地上和地下生物量等方面研究，以期探明土壤碳组分和植被生长间的耦合关系，为干旱区湿地碳库的稳定性和更好发挥湿地生态系统固碳作用提供数据支撑。