浙江省7處山地沼澤的土壤有機(jī)碳含量垂直分布和碳儲(chǔ)量

楊 樂(lè)，徐俊鋒，朱 弘，陸 豪，李賀鵬*

(1.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江杭州 310023；3.杭州師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311121)

沼澤濕地包括蘚類(lèi)沼澤、草本沼澤、灌叢沼澤、森林沼澤、沼澤化草甸等類(lèi)型[1]。在亞熱帶地區(qū)，森林沼澤、灌叢沼澤、蘚類(lèi)沼澤和部分草本沼澤一般分布在林區(qū)、林間山坳地和溝谷中[2]。浙江省的沼澤濕地多零星分布在海拔800 m 以上的林區(qū)中，以草本沼澤為主，伴有少量的泥炭蘚沼澤、灌叢沼澤和森林沼澤等，包括嵊州西白山的草本沼澤、景寧望東垟高山濕地自然保護(hù)區(qū)和大仰湖區(qū)的森林沼澤、龍游綠蔥湖濕地公園的濕草甸和安吉縣龍王山的泥炭蘚沼澤等[2]。

沼澤具有貯碳功能[3]。但是，為了農(nóng)業(yè)和伐木等人類(lèi)活動(dòng)的開(kāi)展，沼澤被排水疏干，沼澤中數(shù)以千年計(jì)儲(chǔ)存的碳被暴露在空氣中，碳被迅速分解并釋放溫室氣體，導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量顯著減少[3-5]。浙江省的山地沼澤還面臨著干旱的威脅[6]，直接對(duì)其土壤的碳儲(chǔ)量產(chǎn)生了負(fù)面影響。

不同類(lèi)型沼澤的土壤有機(jī)碳含量存在差異。例如，湖北省恩施市太山廟泥炭蘚沼澤0～50 cm深度土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量比為246.51～283.30 g/kg[7]；浙江省景寧望東垟高山濕地自然保護(hù)區(qū)的森林沼澤0～100 cm 深度土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量比為20.77～54.68 g/kg[8]；內(nèi)蒙古自治區(qū)輝河河岸帶草本沼澤0～60 cm 深度土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量比為2.82～44.60 g/kg[9]；內(nèi)蒙古自治區(qū)烏梁素海蘆葦(Phragmites australis)沼澤0～40 cm深度土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量比為2.96～9.87 g/kg[10]。沼澤中的植物也能儲(chǔ)存少量的碳物質(zhì)，但是，沼澤中的植物多以一年生草本植物為主，草本植物枯萎、凋落后，容易被分解，其枯落物中有機(jī)碳的穩(wěn)定性較差[11]。因此，沼澤濕地的碳儲(chǔ)量以土壤的碳儲(chǔ)量為主，約有95%以上的碳存儲(chǔ)在土壤碳庫(kù)中[12]。

浙江省的沼澤濕地多分布在山區(qū)，具有分布零散、面積小、可達(dá)性差和遙感影像難以識(shí)別等特點(diǎn)。本研究在浙江省選擇了7處山地沼澤，設(shè)置了采樣地，采集了不同深度的土壤樣品和植物地上部分的樣品，測(cè)定了樣品的碳含量，研究了各采樣地土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征，采用單因素方差分析方法，分析其差異；利用土壤、植物的單位面積碳儲(chǔ)量和7處沼澤的面積數(shù)據(jù)，估算出7處沼澤的碳儲(chǔ)量，旨在為估算浙江省濕地的碳儲(chǔ)量積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地

采樣地1 在安吉小鯢國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)中的千畝田天然泥炭蘚沼澤(30°24′N(xiāo)，119°26′E)中。該天然泥炭蘚沼澤分布在安吉縣龍王山上，其海拔為1 332 m，在泥炭蘚沼澤中，暖地泥炭蘚(Sphagnum junghuhnianum) 為建群種，伴生種為萱草(Hemerocallis fulva)和玉蟬花(Iris ensata)等草本植物，泥炭蘚沼澤邊緣有成片的分株紫萁(Osmundastrum cinnamomeum)入侵[13]。該區(qū)的年平均氣溫為10.8 ℃，年降水量為1 618 mm。

采樣地2 在安吉小鯢國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)外的永久性積水草本沼澤(30°24′N(xiāo)，119°28′E)中。該永久性積水草本沼澤分布在安吉縣龍王山上，其海拔為1 187 m，草本沼澤中生長(zhǎng)著顯子草(Phaenosperma globosa) ( 建 群 種)、戟 葉 蓼(Fagopyrum tataricum) 和廬山藨草(Scirpus lushanensis)等植物。該區(qū)的年平均氣溫為11.8 ℃，年降水量為1 563 mm。

采樣地3 在麗水市慶元縣百山祖鎮(zhèn)黃皮村上下湖的退化泥炭蘚沼澤(27°42′N(xiāo)，119°11′E)中。該退化泥炭蘚沼澤的海拔為1 426 m，泥炭蘚沼澤中生長(zhǎng)著多紋泥炭蘚(Sphagnum multifibrosum)、圓葉茅膏菜(Drosera rotundifolia)、柳葉箬(Isachne globosa)和星花燈心草(Juncus diastrophanthus)等植物。該區(qū)的年平均氣溫為12.9 ℃，年降水量為2 058 mm。

采樣地4 在余姚市四明山上水湖山塘上游的退化泥炭蘚沼澤(27°41′N(xiāo)，121°2′E)中。該退化泥炭蘚沼澤的海拔為844 m，沼澤中生長(zhǎng)著垂枝泥炭蘚(Sphagnum jensenii)、萱草、星花燈心草、畦畔莎草(Cyperus haspan)等植物。該區(qū)的年平均氣溫為13.9 ℃，年降水量為1 560 mm。

采樣地5 在景寧望東垟高山濕地自然保護(hù)區(qū)中的森林沼澤(27°41′N(xiāo)，119°38′E)中。該森林沼澤的海拔為1 296 m，森林沼澤中生長(zhǎng)著大量2～4 m高的江南榿木(Alnus trabeculosa)、沼原草(Moliniopsis hui)和柳葉箬等植物。該區(qū)的年平均氣溫為13.2 ℃，年降水量為1 991 mm。

采樣地6 在金華市磐安縣七仙湖省級(jí)濕地公園中湖泊周邊的季節(jié)性積水草本沼澤(28°53′N(xiāo)，120°33′E)中。該季節(jié)性積水草本沼澤的海拔為947 m，草本沼澤中生長(zhǎng)著野古草(Arundinella anomala)、星花燈心草和柳葉箬等植物。該區(qū)的年平均氣溫為13.8 ℃，年降水量為1 782 mm。

采樣地7在杭州市淳安縣千畝田高山濕地自然保護(hù)小區(qū)中完全干涸的沼澤(30°2′N(xiāo)，118°59′E)中。該完全干涸的沼澤的海拔為1 143 m，完全干涸的沼澤中生長(zhǎng)著廬山藨草、芒(Miscanthus sinensis)和疏花野青茅(Deyeuxia arundinacea)等植物。該區(qū)的年平均氣溫為11.7 ℃，年降水量為1 774 mm。由于20 世紀(jì)80 年代種植竹類(lèi)以及毗鄰的大明山風(fēng)景區(qū)瀑布的用水，使得面積約為26 hm2的沼澤完全干涸，已經(jīng)屬于非濕地[6]。

1.2 樣品采集與測(cè)試分析方法

2020年6月至2021年6月期間，在7處采樣地開(kāi)展野外調(diào)查，采集植物和土壤樣品。

采樣地1 和采樣地2 的采樣日為2020 年7 月23日和10月19日。采樣地3的采樣日為2021年3月10日和6月11日。采樣地4的采樣日為2020年10 月23 日。采樣地5 的采樣日為2021 年3 月11日。采樣地6的采樣日為2020年11月6日。采樣地7的采樣日為2020年11月3日。

在每處采樣地，設(shè)置3～10 個(gè)規(guī)格為50 cm×50 cm或者100 cm×100 cm的樣方。在7處采樣地共設(shè)置60個(gè)樣方。

每個(gè)采樣日，在每處采樣地的每個(gè)樣方中，首先，利用鐮刀，將植物的地上部分齊地刈割，裝入灰綠色編織袋(規(guī)格為50 cm×80 cm)中，用塑料繩系緊袋口，在編織袋的外面上，用記號(hào)筆標(biāo)記樣方編號(hào)；然后，在每個(gè)樣方中，利用鐵鍬，挖深度為60 cm的土壤剖面，利用體積為200 cm3的環(huán)刀，采集0～10 cm、＞10～20 cm、＞20～30 cm、＞30～40 cm、＞40～50 cm和＞50～60 cm深度的土壤樣品各1份；最后，將采集到的植物和土壤樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

在采樣地3和采樣地5開(kāi)展野外調(diào)查時(shí)，由于植物尚處于生長(zhǎng)初期和中期，未達(dá)到其最大生物量，故未采集植物地上部分的樣品。因?yàn)橥翆雍穸容^薄的原因，所以采樣地3的土壤剖面深度僅為40 cm，采樣地6的土壤剖面深度僅為50 cm。

在實(shí)驗(yàn)室中，將植物地上部分樣品放置于105 ℃的烘箱內(nèi)，連續(xù)烘24 h 至恒質(zhì)量；利用精度為0.01 g 的天平，稱(chēng)取植物地上部分樣品的干質(zhì)量，作為植物地上生物量；將植物地上生物量乘以0.45[14]，得到植物的碳含量。

在實(shí)驗(yàn)室中，利用105 ℃的烘箱，連續(xù)烘環(huán)刀內(nèi)的土壤樣品48 h至恒質(zhì)量；利用精度為0.01 g的天平，稱(chēng)取土壤樣品的干質(zhì)量；最后，計(jì)算出土壤容重；將取自土壤剖面各土層的土壤樣品，室內(nèi)風(fēng)干，粉碎，過(guò)100目篩(孔徑為0.15 mm)，待測(cè)。

采用重鉻酸鉀-油浴外加熱法[15]，測(cè)定土壤樣品的有機(jī)碳含量。

1.3 土壤碳密度和碳儲(chǔ)量的估算方法

利用不同土層土壤樣品的容重和有機(jī)碳含量，計(jì)算出其土壤樣品的碳密度。各土層土壤樣品碳密度的計(jì)算公式為：

公式(1)中，Ci(kg/m3)為第i層土壤樣品的碳密度；Wi(g/kg)為第i層土壤樣品的有機(jī)碳含量；Di(g/cm3)為第i層土壤樣品的容重。

各土層土壤樣品的單位面積土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式[16]為：

公式(2)中，Ti(kg/m2)為第i層土壤樣品的單位面積土壤碳儲(chǔ)量；Ci(kg/m3)為第i層土壤樣品的碳密度；Hi(cm)為第i層土壤樣品的厚度。

0～60 cm 深度土層的單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為：

公式(3)中，T(kg/m2)為0～60 cm 深度土層的單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；Ti(kg/m2)為第i層土壤樣品的單位面積土壤碳儲(chǔ)量；i為土壤層次，i=1 表示0～10 cm深度土層，依次類(lèi)推。

利用水經(jīng)微圖V4.1.18 軟件(build13202 版本)，勾勒7處山地沼澤的范圍，計(jì)算出其面積。利用已經(jīng)得到的7 處山地沼澤的單位面積土壤和植物碳儲(chǔ)量和面積數(shù)據(jù)，最終計(jì)算出7處山地沼澤的碳儲(chǔ)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析方法

首先，采用KS檢驗(yàn)(Kolmogorov-Smirnov test)方法，確定被檢驗(yàn)的變量是否符合正態(tài)分布，若不符合，則采用自然對(duì)數(shù)等初等函數(shù)對(duì)變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其符合正態(tài)分布；然后，再采用單因素方差分析方法，利用SPSS 16.0 軟件，檢驗(yàn)各采樣地不同土層土壤樣品有機(jī)碳含量之間差異的顯著性(p＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各采樣地土壤有機(jī)碳含量的垂直分布

由表1 可知，隨著土壤深度的加深，各采樣地的土壤有機(jī)碳含量總體上都在減??；在7處采樣地中，采樣地1 的各深度土壤中的有機(jī)碳含量都最大，而采樣地7 的除了＞30～40 cm深度以外的其他各深度土壤中的有機(jī)碳含量都最??；除了采樣地1 以外，其他采樣地都是0～10 cm 深度土壤的有機(jī)碳含量最大；采樣地1至采樣地7的0～10 cm深度土壤的有機(jī)碳含量逐漸減小。

表1 各采樣地不同深度土壤的有機(jī)碳含量值Table 1 The values of organic carbon contents in soil at the different depths in each sampled site

2.2 7處山地沼澤的碳儲(chǔ)量

采樣地1 至采樣地7 所處山地沼澤的面積分別 為5 164 m2、5 184 m2、30 082 m2、3 163 m2、147 860 m2、28 655 m2和259 695 m2，其分別乘以對(duì)應(yīng)采樣地的單位面積土壤碳儲(chǔ)量和植物碳儲(chǔ)量(表2)，最終得到7 處山地沼澤的碳儲(chǔ)量分別為17.90×104kg、6.87×104kg、59.80×104kg、3.60×104kg、422.00×104kg、27.90×104kg、304.00×104kg。

表2 各采樣地土壤和植物各項(xiàng)指標(biāo)的平均值Table 2 Average values of soil and plant indices in each sampled site

因?yàn)椴蓸拥?中的植物與采樣地1和采樣地4相近，所以采樣地3的植物地上生物量值可以用采樣地1 和采樣地4 的植物地上生物量平均值代替。采樣地5中的植物種類(lèi)多樣，草本植物的碳儲(chǔ)量取采樣地4的植物地上生物量值，4 m高的江南榿木的單位面積地上生物量的取值為5 kg/m2，草本植物與林木的面積比例按2∶1[17]計(jì)算。

3 討 論

在本研究中，隨著土壤深度的加深，泥炭蘚沼澤、草本沼澤和森林沼澤等土壤中的有機(jī)碳含量都在減小。湖北省恩施太山廟泥炭蘚沼澤[7]、二仙巖覆蓋泥炭蘚的森林沼澤[18]、浙江省景寧望東垟草本沼澤和森林沼澤[8]土壤中的有機(jī)碳含量隨著土壤深度的加深也有類(lèi)似變化規(guī)律。沼澤表層土壤碳輸入與生長(zhǎng)在沼澤中的植物種類(lèi)密切相關(guān)，如泥炭蘚、草本植物、木本植物等。由表3可知，總體上，泥炭蘚沼澤、草本沼澤、森林沼澤、旱化沼澤土壤中的有機(jī)碳含量依次減小，這也間接反映了生態(tài)系統(tǒng)由濕生向陸生演替過(guò)程中土壤中的有機(jī)碳含量在不斷減小。在泥炭蘚沼澤中，由于泥炭蘚凋落物的分解非常緩慢，因此土壤表面容易堆積大量松軟的泥炭蘚殘?bào)w，使表層土壤中的有機(jī)碳含量顯著增大[19-20]。例如，本研究中的安吉龍王山泥炭蘚沼澤0～60 cm 深度土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量比的(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)為(324.49±54.42)g/kg，恩施太山廟泥炭蘚沼澤0～50 cm深度土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量比的(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)為(269.23±14.78)g/kg[7]。在山區(qū)的草本沼澤中，植物以一年生或多年生草本植物為主，當(dāng)草本植物全部枯萎、凋落后，其可以為土壤提供穩(wěn)定的碳輸入。與東北平原區(qū)的森林沼澤不同，浙江省山區(qū)的森林沼澤中的木本植物通常較矮，木本植物落葉對(duì)土壤的碳輸入量低于草本植物，景寧望東垟森林泥炭沼澤0～100 cm 深度土壤的有機(jī)碳含量?jī)H為草本泥炭沼澤同深度土壤的43%[8]。

表3 亞熱帶山地沼澤土壤中的有機(jī)碳含量Table 3 The organic carbon contents in soils of subtropical montane mires

沼澤的水位能反映沼澤的干旱化程度，而沼澤干旱化對(duì)其土壤的碳儲(chǔ)量影響較大[6]。濕地中的積水使土壤處于厭氧狀態(tài)，從而降低了土壤中微生物的活性，使土壤中的有機(jī)碳不易分解[23]。此外，在淹水條件下，土壤中的有機(jī)碳活性組分被礦化為難降解的烷基碳，提高了土壤中有機(jī)碳的穩(wěn)定程度[24]。當(dāng)長(zhǎng)白山區(qū)泥炭沼澤的水位降低時(shí)，沼澤間歇性落干，使土壤暴露于空氣中，土壤的有機(jī)碳礦化速率和呼吸速率增大[25]。當(dāng)長(zhǎng)白山區(qū)森林沼澤的水位較高時(shí)，土壤中有機(jī)碳的分解被顯著抑制，當(dāng)水位下降時(shí)，有機(jī)碳的分解被顯著促進(jìn)[26]。被人工排干的泥炭地的二氧化碳排放量增大，泥炭地的自然恢復(fù)能力變?nèi)鮗27-28]。在本研究中，采樣地6和采樣地7土壤中的有機(jī)碳含量明顯偏小，采樣地6的樣方分布在七仙湖周邊消落區(qū)或者洪泛區(qū)中，土壤處于干濕交替狀態(tài)；采樣地7為已經(jīng)完全退化的干涸沼澤；而采樣地1至采樣地5的地表常年積水，積水深度為3～5 cm，抑制了土壤中的有機(jī)碳被礦化。

第二次全國(guó)濕地資源調(diào)查結(jié)果顯示，浙江省的沼澤濕地面積為743.54 hm2，僅占全省濕地面積的0.067%[1]。第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查結(jié)果表明，浙江省的沼澤濕地面積為70.74 hm2，僅占全省濕地面積的0.043%(該數(shù)據(jù)來(lái)源于浙江省林業(yè)局)。浙江省的沼澤單塊面積都較小，零星分布于低、中山的頂部、山坳中的局部凹地和湖泊、河流的邊緣[1]。在本研究中，采樣地的位置也凸顯了沼澤的分布特征。除了七仙湖濕地公園中的草本沼澤采樣地以外，其余采樣地都位于偏遠(yuǎn)山區(qū)的山頂或局部凹地中。單塊沼澤的碳儲(chǔ)量不僅與單位面積的植物和土壤碳儲(chǔ)量有關(guān)，而且與沼澤面積密切相關(guān)。在7處山地沼澤中，雖然景寧望東垟森林沼澤和淳安千畝田的退化沼澤土壤中的有機(jī)碳含量較小，但是這兩處沼澤的面積很大，因此，景寧望東垟森林沼澤的碳儲(chǔ)量(422.00×104kg)最大，淳安千畝田退化沼澤的碳儲(chǔ)量(304.00×104kg)次之。雖然龍王山泥炭蘚沼澤采樣地土壤中的有機(jī)碳含量顯著高于其他采樣地，但是龍王山泥炭蘚沼澤的面積小，所以龍王山泥炭蘚沼澤的碳儲(chǔ)量居中。

雖然沼澤中的植物也能儲(chǔ)碳，但是其不是儲(chǔ)碳的主體，土壤才是儲(chǔ)碳的主體[12]。一般，將沼澤0～100 cm 深度土壤中的碳物質(zhì)總量視為土壤的儲(chǔ)碳量[29]。沼澤中植物的儲(chǔ)碳量與植物的生物量、凋落物分解速率等因素有關(guān)。在本研究中，7處山地沼澤的單位面積植物儲(chǔ)碳量是土壤碳儲(chǔ)量的0.38%～4.19%，其中，安吉龍王山泥炭蘚沼澤中植物的碳儲(chǔ)量所占比例最低，而淳安千畝田退化沼澤中植物的碳儲(chǔ)量所占比例最高。龍王山泥炭蘚沼澤中的植物多為低矮泥炭蘚植物或者草本植物，所以單位面積植物有機(jī)碳儲(chǔ)量低。而淳安千畝田退化沼澤中的植物雖然高大，但是土壤相對(duì)貧瘠，其單位面積植物儲(chǔ)碳量仍小于土壤碳儲(chǔ)量的5%。沼澤土壤中碳的累積速率很小，1 m厚的泥炭層可能需要幾千年的時(shí)間才能慢慢累積而成[30-32]。在本研究中，黃皮村上下湖的退化泥炭蘚沼澤的土壤厚度僅為40～60 cm，而且沼澤土壤中的有機(jī)碳集中分布在土壤上層，隨土壤深度的加深，土壤中的有機(jī)碳含量在不斷減小。

4 結(jié) 論

浙江省的山地沼澤面積小且分布零散。在7處山地沼澤中，泥炭蘚沼澤、草本沼澤、森林沼澤、退化沼澤(完全干涸的沼澤)土壤中的有機(jī)碳含量依次減小。因?yàn)檎訚芍兄参锏奶純?chǔ)量低，所以地表以下1 m厚度的土壤是沼澤的儲(chǔ)碳主體。沼澤的積水狀況影響土壤中有機(jī)碳的礦化程度，常年積水沼澤土壤中的有機(jī)碳含量大，干旱的退化沼澤土壤中的有機(jī)碳含量小。

安吉小鯢國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)中的千畝田天然泥炭蘚沼澤、安吉小鯢國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)外的永久性積水草本沼澤、麗水市慶元縣百山祖鎮(zhèn)黃皮村上下湖的退化泥炭蘚沼澤、余姚市四明山上水湖山塘上游的退化泥炭蘚沼澤、景寧望東垟高山濕地自然保護(hù)區(qū)中的森林沼澤、金華市磐安縣七仙湖省級(jí)濕地公園中湖泊周邊的季節(jié)性積水草本沼澤、杭州市淳安縣千畝田高山濕地自然保護(hù)小區(qū)中完全干涸沼澤的碳儲(chǔ)量分別為17.90×104kg、6.87×104kg、59.80×104kg、3.60×104kg、422.00×104kg、27.90×104kg、304.00×104kg。