三江平原典型环型湿地土壤剖面有机碳分布特征

三江平原典型环型湿地土壤剖面有机碳分布特征

世界湿地总面积约6%，有机碳储量为450万吨，占生态地球表面碳储量的20%30%。因其特殊的生物和水文条件,天然湿地具有较高的净初级生产力和较低的分解活性,通常是一个重要的“碳汇”。但随着人类活动的加剧,天然湿地面积日益减少,成为大气CO2的重要来源地。据估计,在过去近200年内,全球泥炭湿地的碳储量已减少了4.1Gt,其中60%是因人为开发导致湿地消失的结果。全球气候变化也可能影响天然湿地的面积和分布,改变湿地生态系统的环境条件及碳循环过程和机理。因此,湿地生态系统有机碳储量、分布及其变化动态受到全球碳循环和气候变化研究计划的密切关注。我国湿地面积居世界第四位,约占国土面积6.5%。尽管我国对天然湿地的历史成因、地理分布和气候水文条件等方面开展了大量研究,但对湿地生态系统有机碳积累状况还缺乏深入了解。本文研究了三江平原典型环型湿地土壤剖面有机碳分布特征与积累现状。1材料和方法1.1江平原西部天然沼湿地研究区选在三江平原有代表性的别拉洪河与浓江河河间地带(E133°31′,N47°35′),本区海拔55m~65m,属温带大陆性季风气候,年平均气温1.9℃,1月平均气温-21℃,7月平均气温22℃,年平均降雨量550~600mm,无霜期125天左右。区内分布有大面积的天然沼泽湿地。由于微地貌的变化,天然沼泽湿地由中心到边缘,地势由低到高,水位面高度逐渐增大,从而也引起土壤和植物的变化,形成三江平原典型的环形湿地。这里的湿地植被类型主要有常年积水型毛果苔草(Carexlasiocapa)沼泽和季节性积水型小叶章(Doyeuxiaaugustifolia)湿地。1.2土壤类型和样品采集选择典型的环型沼泽湿地,随着海拔高度的降低从环型沼泽湿地边缘到中心,植被类型依次为岛状林(植物主要为蒙古栎、山杨、小叶章,土壤根系密集层0~15cm)、小叶章草甸(植物以小叶章为主,土壤根系密集层0~20cm)和毛果苔草沼泽湿地(植物要为毛果苔草,伴生有甜茅和漂筏苔草土壤根系密集层0~40cm);土壤类型依次为棕壤型草甸白浆土、潜育白浆土和腐殖质沼泽土及薄层泥炭沼泽土。由于研究区泥炭沼泽土分布很少,所以仅选取棕壤型草甸白浆土、潜育白浆土和腐殖质沼泽土3种类型,各挖2个0~100cm深的剖面,按照0~10,10~20,20~30,30~40,40~60,60~80,80~100cm厚度分层采样。采样时间为2005年4月(冰冻期)。用手选法挑去活体根系,混匀。分取部分样品风干,过60目筛,保存待测。土壤容重用环刀法测定;有机碳含量用重铬酸钾外加热法测定。1.3有机质及碳储量的计算土壤剖面沉积物为水、矿物和有机质组成的混合固相(空气体积可忽略)。其中冰态水的比重设为0.9,矿物的平均比重设为2.6。有机质的比重由于分解程度不同存在较大差异,如耕作土壤腐殖酸比重为1.4~1.6,未分解植物残体比重略小于1,有机质的平均比重1.25~1.4。湿地土壤剖面有机质主要组成是分解程度很低的轻组有机质,故其比重比未分解植物残体略高,三江平原湿地有机质的平均比重一般取1.0。土壤剖面第i层平均密度(ρi)计算见式(1):ρi=1(ww/ρw+wm/ρm+wo/ρo)×1/100(1)ρi=1(ww/ρw+wm/ρm+wo/ρo)×1/100(1)式中,ρw、ρm和ρo分别为水、矿物和有机质的平均比重,即1.0、2.6和1.0,ww、wm和wo分别为i层的水分、矿物和有机质的质量百分比(%)。土壤有机碳储量计算见式(2):SOCs=∑i=1n(ci×ρi×ti)×10−1(2)SΟCs=∑i=1n(ci×ρi×ti)×10-1(2)式中,SOCs为特定深度的土壤有机碳储量(tm-2);Ci为第i层土壤有机碳含量(gkg-1);ρi为第i层土壤容重(gcm-3);ti为第i层土壤厚度(cm);n为土层数。2结果与讨论2.1土壤容重ld50由图1可见,岛状林和小叶章草甸剖面土壤容重差异不大,0~20cm容重较低在0.46~0.63gcm-3;20~30cm容重迅速增加到1.0gcm-3以上;40cm以下容重稳定在1.5gcm-3。毛果苔草沼泽湿地由于常年积水,剖面沉积物处于水分过饱和状态,分解程度低,以轻组分为主,剖面土壤容重明显低于岛状林和小叶章草甸,0~40cm容重在0.15~0.49gcm-3之间;40~60cm容重为0.82gcm-3,60~100cm增加到1.0gcm-3以上。2.2土壤有机碳含量表层土壤有机碳含量较高,向剖面下层含量迅速下降。小叶章草甸剖面土壤有机碳含量高于岛状林,但两者差异不大;毛果苔草沼泽湿地明显高于岛状林和小叶章草甸(图2)。岛状林和小叶章草甸土壤有机碳含量最高值(分别为76.8和129.1gkg-1)出现在0~10cm,20cm以下迅速下降,稳定在4~10gkg-1。毛果苔草沼泽湿地最大值(为284.1gkg-1)出现在10~20cm,20cm以下明显下降,40~60cm下降到40.8gkg-1,60cm以下稳定在10gkg-1左右。毛果苔草沼泽湿地根系密集层远远厚于岛状林和小叶章草甸,加上常年积水,剖面沉积物处于水分过饱和状态,分解程度低,以轻组分为主,所以土壤有机碳含量远远高于岛状林和小叶章草甸。2.3林、私家车湿地有机碳储量由图3可见,从环型沼泽湿地边缘向中心,土壤剖面有机碳储量明显增加。0~10cm岛状林、小叶章草甸和毛果苔草沼泽湿地有机碳储量分别为0.47、0.57和0.86×104tkm-2;10~20cm分别为0.28、0.39和0.95×104tkm-2;1m深度内有机碳储量分别为1.04、1.48和4.22×104tkm-2。3沼泽化沼湿地天然碳储量的研究从环型沼泽湿地边缘向中心,土壤剖面有机碳含量和有机碳储量变化明显。小叶章草甸土壤剖面的有机碳含量高于岛状林,但两者差异不大;毛果苔草沼泽湿地明显高于岛状林和小叶章草甸。从环型沼泽湿地边缘向中心,土壤剖面有机碳储量明显增加。1m深度内有机碳储量分别为1.04、1.48和4.22×104tkm-2,由此可见,沼泽湿地具有巨大的碳储存功能。但只有继续维持沼泽湿地的积水才能使其继续发挥“碳汇”的功能,沼泽湿地一旦开垦,原先储存的有机碳就会释放出来,沼泽湿地就会变成“碳源”,影响全球气候变化。三江平原天然沼泽湿地实际上都已受到了不同程度的人类活动的干扰,选择不同的沼