武河濕地典型植被固碳能力分析

陳夢　梁仁君　宋紅麗　桑冰　陳娟

摘要 以臨沂武河濕地典型植被蘆葦、菖蒲為研究對象，研究其生物量、碳氮含量以及碳氮儲量。結果表明：蘆葦3、蘆葦6處的生物量2.02、1.36 kg/m2，菖蒲1的生物量1.99 kg/m2要高于其他位點的生物量，蘆葦3、蘆葦6處的碳儲量（17.44，12.19 kg/m2）、氮儲量（1.04，0.80 kg/m2）菖蒲1的碳儲量10.07 kg/m2、氮儲量0.62 kg/m2均高于其他位點。說明武河濕地典型植被的碳氮儲量與生物量有著密切的關系，蘆葦、菖蒲生物量高的地方，其碳儲量也高，固碳能力相對較高，同時氮儲量會對濕地植被碳儲量以及固碳能力帶來影響。蘆葦、菖蒲組織中氮含量總體分布于葉組織中，因為葉片是植物進行光合作用的重要器官，在進行光合作用時，通過吸收水分和無機鹽的形式將N元素從根組織遷移并富集到葉組織中。

關鍵詞 武河濕地;儲碳;儲氮;蘆葦;菖蒲

中圖分類號 X173文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）22-0062-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.22.018

Analysis of Carbon Fixation Ability of Typical Vegetation in Wuhe Wetland

CHEN Meng，LIANG Ren-jun， SONG Hong-li et al （Shandong Provincial Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Environmental Conservation， College of Resources and Environment， Linyi University， Linyi，Shandong 276005）

Abstract The Phragmites australis and Acorus calamus， typical vegetation of the Wuhe Wetland in Linyi，were used as research objects to study their biomass， carbon and nitrogen content， and carbon and nitrogen storage. The results showed that the biomass of reeds 3 and 6 was 2.02 and 1.36 kg/m2， and the biomass of calamus 1 was 1.99 kg/m2 higher than that of other sites. Carbon storage at reed 6 （17.44，12.19 kg/m2）， nitrogen storage （1.04，0.80 kg/m2）， carbon storage of calamus 1 10.07 kg/m2 The nitrogen reserves of 0.62 kg/m2 were higher than other sites. This shows that the carbon and nitrogen reserves of typical vegetation in the Wuhe Wetland are closely related to biomass. Where the reed and calamus have high biomass， their carbon storage is also high， and their carbon sequestration capacity is relatively high. Impact on carbon sequestration capacity. The nitrogen content in reed and calamus tissues is generally distributed in leaf tissues， because the leaves are important organs for photosynthesis in plants. During photosynthesis， the element N is transferred from the root tissue and enriched to leaf tissue.

Key words Wuhe Wetland;Carbon storage;Nitrogen storage;Phragmites austrais;Acorus calamus

基金項目 山東省科技發展計劃項目（2013GSF11701）;山東省重點研發計劃項目（2015GSF117004）;大學生創新創業訓練計劃項目（201810452067）。

作者簡介 陳夢（1997—），女，山東煙臺人，從事地理科學研究。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事濕地生態學研究。

收稿日期 2020-04-29

世界氣象組織 2018 年度公報顯示，目前大氣中二氧化碳、甲烷和氧化亞氮的全球平均濃度在 2017 年創下了新高，分別達到 405.5 mg/L、1.86 mg/L 和 330 μg/L。大氣溫室氣體濃度增加引起的全球變暖加劇以及引發的一系列氣候、環境和生態災害讓人類擔憂[1]，為此大氣庫中溫室氣體增溫效應加強引起的全球氣候變暖已成為國際社會公認的全球性問題。

濕地是自然界中重要的自然資源、景觀和高碳匯生態系統，適合高生物量草本植物生長并且在維護生物地球化學平衡、凈化水質、全球碳循環及緩解溫室效應[2-9]等方面發揮著巨大作用。世界各國都十分重視濕地資源的保護與管理，發達國家社會整體發展水平較高，其濕地保護政策更加完備，有值得學習和借鑒的經驗。目前我國對人工濕地的研究主要還是機理性的研究，所采用的人工濕地在規模以及處理技術上仍處于發展階段。武河濕地位于臨沂市羅莊區東南部（118°16′46″ ～118°23′21″E 、34°48′15″ ～34°53′54″N）地處羅莊、郯城、蘭陵3縣區交界處，全長12 km，占地面積850 hm2，是山東省境內最大的人工濕地。2009年11月開工建設，主要采用多級表面流人工濕地工藝，濕地內溝渠縱橫、池塘連片，挺水、浮水植物豐富多樣，有菖蒲（Acorus calamus L.）、蘆葦（Phragmites australis）、荇菜[Nymphoides peltatum（Gmel.）O.Kuntze]、睡蓮（Nymphaea L.）、水芹[Oenanthe javanica （Bl.）DC.]等，其中主要代表是蘆葦、菖蒲，近年來，由于濕地上游流域經濟的快速發展和水環境保護不當，水質急劇惡化，植被系統發生較大的變化，植被的固碳能力相應地也發生較大的變化。當前的研究多集中于水質凈化效果、植物體內重金屬含量及TP、TN等方面[10-12]，較少研究植物的固碳能力。筆者以武河人工濕地為例，對武河典型植被的碳儲量進行分析，以期為武河濕地的碳循環及濕地生態系統的保護等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

在武河濕地內選擇適當的水域，沿濕地入口至出口采用GPS定位選取8個采樣點，具體位置及采樣點布設見圖1。6個蘆葦采樣點1～6號的經緯度見表1。5個菖蒲采樣點的經緯度見表2。

1.2 樣品采集與處理

人工采集蘆葦與菖蒲，測量其高度，記錄其株數;在50 cm×50 cm×50 cm的樣方中分別采割蘆葦、菖蒲標號并運回實驗室。采樣結束后對蘆葦和菖蒲進行簡單的沖洗，并分離蘆葦的根、莖、葉以及菖蒲的根、葉，再用蒸餾水沖洗3～5遍，并放至120 ℃烘箱中殺青2 h后，于70 ℃烘干箱中烘干至恒溫并稱重，烘干之后將各組樣品依次切割、混勻、粉碎和過篩后，放入樣品袋中保存。利用元素分析儀測定蘆葦、菖蒲的全碳、全氮含量。

1.3 數據分析與計算 利用某一典型植被的單位面積生物量乘以該典型植被的碳含率：

c=p×b（1）

式中，c為植物的碳儲量（kg/m2）;p為碳含率（%）;b為單位面積生物量（kg/m2）。

其計算方法近似于碳儲量的計算方法，利用某一典型植被的單位面積生物量乘以該典型植被的氮含率：

n=a×b（2）

式中，n為植物的氮儲量（kg/m2）;a為氮含率（%）;b為單位面積生物量（kg/m2）。

試驗數據的處理及作圖采用Excel;運用 SPSS 20.0對數據進行統計分析，蘆葦、菖蒲生物量以及蘆葦、菖蒲組織中碳氮含量，碳氮儲量采用多因素方差分析，并在 0.05 水平進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 生物量分析

武河濕地不同位點蘆葦生物量分布見圖2，生物量最高的是蘆葦3，其值為2.02 kg/m2，最低的為蘆葦4，其值為0.62 kg/m2。不同位點菖蒲的生物量分布見圖3;生物量最高的是菖蒲1（1.98? kg/m2），最低的為菖蒲5（0.41 kg/m2），整體分析表明蘆葦生物量略大于菖蒲生物量。方差分析結果表明蘆葦生物量與菖蒲生物量之間差異不顯著（P>0.05）。

2.2 碳、氮含量分析

由圖4可知，蘆葦1、蘆葦2、蘆葦4、蘆葦5的蘆葦組織中碳含量表現為根>葉>莖;蘆葦3的蘆葦組織中碳含量表現為莖>根>葉;蘆葦6的蘆葦組織中碳含量表現為葉>莖>根。整體來看蘆葦組織中碳含量表現為根>葉>莖。 方差分析結果表明：蘆葦根、莖、葉組織中碳含量差異不顯著（P>0.05）。蘆葦中氮含量（圖5）從大到小依次為葉、莖、根。方差分析結果表明：蘆葦根、莖、葉組織中氮含量差異不顯著（P>0.05）。

由圖6可知，菖蒲4、菖蒲5、菖蒲7的菖蒲組織中碳含量表現為葉>根;菖蒲1、菖蒲8處的菖蒲組織中根、葉的碳含量相近;整體來看菖蒲組織中碳含量表現為葉>根。方差分析結果表明：菖蒲組織中葉、根的碳含量差異不顯著（P>0.05）。N元素在菖蒲中的含量（圖7）表現為葉>根。方差分析結果表明：菖蒲組織中葉、根的氮含量差異極顯著（P<0.01）。

2.3 碳氮儲量分析

由圖8可知，蘆葦地上部分（莖、葉）的碳儲量大于地下部分（根）的碳儲量;從橫向來看蘆葦3、蘆葦6處的碳儲量要高于其他4處的碳儲量。蘆葦（圖9）的地上部分（莖、葉）的氮儲量大于地下部分（根）的氮儲量，其中葉的氮儲量要明顯高于莖、根的氮儲量。

菖蒲的地上部分主要是葉，菖蒲的地下部分主要是根部。由圖10可知菖蒲1和菖蒲8處的地上部分和地下部分的碳儲量差別不大;菖蒲4、菖蒲5、菖蒲7處的地上部分的碳儲量要高于地下部分的碳儲量;菖蒲（圖11）地上部分的氮儲量大于地下部分的氮儲量，其中菖蒲1處、菖蒲4處的氮儲量要比其他3處的氮儲量高。

3 討論

武河濕地具有自我修復功能，可有效消減入河污染負荷，改善水質，增強水體自凈能力[13]。蘆葦是多年生禾本科植物，根莖發達，繁殖力高，適應能力強，分布極廣。有很強的大氣CO2吸收能力，具有較高的生態價值[14～16]。蘆葦的莖葉是地上部分的集中體現，地下部分主要是根部，包括須根和莖狀根[17]。菖蒲是一種典型的多年生濕地植物，是水生生態修復的先鋒物種，主要生長在長江流域的一些河岸、溪邊和淺水湖泊，根系較發達，對不利的環境有很強的適應能力，對氮、磷等營養鹽有很強的吸收能力[13]。

3.1 生物量

研究發現蘆葦3處以及蘆葦6處的生物量要比其余位點蘆葦的生物量高;菖蒲1、菖蒲4處的生物量要比其余位點菖蒲的生物量高。存在差異有以下原因：一是與樣地大小有關，Brown等[18] 研究結果表明，樣方面積越小，不同樣方之間的生物量誤差越大。二是淹水條件影響濕地植被的生長，Vretare等[19]研究發現蘆葦在淹水條件下呈現較高的生長效率，淹水深度的增加更有利于蘆葦的莖和生物量的增加。在深水環境中，植物為了爭奪資源發育得比較高大[20]。三是濕地植被的光合作用影響其生長，一般認為充足的光照更能促進蘆葦群落種子萌發[21-22]，光合作用強的植被長勢好，生物量相對較大，生物量大的濕地植物碳、氮含量相對較高;碳、氮儲量相對較高。

3.2 碳氮含量 不同位點的蘆葦（圖5）氮含量從大到小依次為葉、莖、根，這一研究結果與何亞婷等[23]關于植物氮含量在植物器官中的總分布趨勢為葉>莖>根的研究結果具有一致性，葉片氮含量與植物的光合作用密切相關[24]，蘆葦在進行光合作用時，通過吸收水分和無機鹽的形式將N元素從根、莖組織遷移并富集到葉組織中。蘆葦組織中碳含量總分布趨勢為根>葉>莖，王雪梅等[25]研究認為氮等元素是由植物根系吸收后轉運至植物體其他組織中，葉片經光合作用生產出碳水化合物并運輸至植物體其他各個組織，植物在生長過程中不斷協調分配碳與氮的含量。土壤養分變化對蘆葦植被群落的生態特征具有顯著影響，隨著氮濃度的增加，蘆葦會加大對葉、莖的資源投入，減少對根的資源投入[26]。蘆葦葉片具有相對較高的氮含量，而根則具有相對較高的碳含量;蘆葦為了固定更多的碳元素會向葉片投入更多的氮元素，同樣為了吸收更多的氮元素則需要投入更多碳元素到根系中。植物在生長過程中碳、氮在不同器官中是協同變化的[27-28]。

在該研究中，菖蒲根、葉組織中碳、氮含量總分布趨勢均為葉>根;這一研究結果與王沁言等[29]關于植物的葉片碳、氮含量均顯著高于莖和根的碳、氮含量的研究結果相一致，即葉片是植物與外界進行物質和能量交流的主要器官，葉片中營養元素分配額常高于其他營養器官或者繁殖器官[27]。

3.3 碳氮儲量 該研究發現典型濕地植被的碳氮儲量與其生物量有著密切的聯系。王瀚強等[30]認為蘆葦生物量增加促進蘆葦地上部分的固碳能力。葉是植物與外界進行物質與能量交換的主要器官，葉中營養元素常高于其他器官[31]。在進行光合作用的過程中，濕地植被將二氧化碳和水分轉化成生物質并釋放出氧氣，因此可以吸收大量二氧化碳，起到固碳的效果，植被生長時間長，生物量大，碳儲量也大[32]，生物量分配增加，固碳能力隨之加強。濕地植被在進行光合作用的過程中吸收大氣中的二氧化碳并將碳元素固集在體內達到固碳的效果，與此同時也會釋放出氧氣來調節碳氧平衡，達到緩解溫室效應、凈化空氣的效果，進而維持研究區內濕地生態系統的碳平衡和碳循環。濕地植被中氮元素的含量對其碳元素的積累具有一定的影響，同時也影響濕地植被固碳：氮元素一方面能促進濕地植被的生長，從而增強濕地生態系統的固碳能力;另一方面氮元素降低了腐殖質物質的分解速率，從而增加了土壤中碳的積累速率進而增強濕地植被的固碳能力。但是過量的氮元素也會降低濕地生態系統的生產力，影響植物的營養循環，抑制濕地植物的生長，會在一定程度上減少濕地生態系統碳儲量，降低固碳能力。所以，在進行濕地生態系統的維護時要合理布局濕地植被，讓其更好地進行光合作用，促進生物量的積累，同時也要注意氮元素的積累量，從而使濕地植被達到最大固碳能力，維持武河濕地區域內的碳平衡，降低大氣中溫室氣體濃度，為減緩全球氣候變暖出力。

4 結論

（1）生物量對植物根莖葉中的碳含量氮含量有一定的影響，生物量大時其莖、葉中的碳含量要高于根中的碳含量;蘆葦、菖蒲中地上部分的碳、氮含量要高于地下部分的碳氮含量，這是因為植物體內莖和葉的碳、氮含量與光合作用、蒸騰作用強度、養分供給有關。

（2）武河濕地典型植被的碳氮儲量與生物量有著密切的關系，蘆葦、菖蒲生物量高的地方，其碳儲量高，固碳能力也相對較高。

（3）濕地植被的光合作用以及體內氮元素的變化會對其體內碳儲量產生重要影響，進而影響其固碳能力以及區域內的碳循環和碳平衡，能減緩溫室氣體的排放，緩解溫室效應。

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