神農架大九湖泥炭地碳儲量估算及固碳能力研究

許向南，葛繼穩*，馮 亮，楊詩雨，王璐雯

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430078；2.中國地質大學(武漢)濕地演化與生態恢復湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430078；3.中國地質大學(武漢)生態環境研究所，湖北 武漢 430078)

我國陸地生態系統在過去一直扮演著重要的碳匯角色。在2001年至2010年間，我國陸地生態系統年均固碳量約為2.01億t，相當于抵消了同期化石燃料碳排放量的14.1%[1]。對陸地生態系統碳儲量、固碳能力和潛力、碳循環過程方面進行分析研究，在我國經濟社會轉型及國際氣候談判進展中起著至關重要的作用。

濕地作為生態服務功能最高的生態系統，在全球碳循環中扮演著重要的角色，其有機碳儲量約占生物圈表層總碳儲量的20%～30%[2-3]。盡管大部分濕地生態系統的碳匯功能不及森林生態系統，但其碳儲量卻相當于全球土壤的17.0%～41.9%，相當于全球森林碳儲量的5倍、全球大氣碳量的32.6%～73.9%，是陸地生態系統中重要的碳庫[4-6]。泥炭沼澤作為一類特殊的濕地生態系統，全球總面積約為1.85×108～4.23×108hm2[5]，約占地球總土地面積的3%[7]，是各類陸地生態系統中單位面積碳堆積量最大、碳密度最高和碳累積速率最快的生態系統。從地質演化的角度來看，泥炭地在調節生物圈表層碳儲量方面發揮著非常重要的作用。同時，泥炭地也是一類較為脆弱的生態系統，對環境變化十分敏感，是碳源和碳匯的轉換器。因此，了解泥炭地碳儲量現狀以及在全球氣候變化和區域環境變化下的固碳能力特征顯得十分重要。

目前，我國對于陸地生態系統中濕地的碳儲量和固碳能力研究主要集中于黃河三角洲蘆葦濕地[8-9]、紅樹林濕地[10]，對于典型亞熱帶山地沼澤濕地的研究較少。神農架大九湖亞高山泥炭地是我國中部地區開展泥炭地關鍵帶監測的良好場所[11]，也是長江中游發育典型的亞高山泥炭地，其泥炭沉積保存的完整性和特有的亞熱帶山地氣候特征，使得對其進行固碳能力特征以及碳儲量現狀的研究具有重要意義。因此，本研究以地處鄂西山區受人為干擾較少的神農架大九湖泥炭地為研究區，通過對研究區進行野外調查和長期觀測，采用經驗公式和實驗測試分析方法計算了其碳儲量，并對觀測期間神農架大九湖泥炭地的固碳能力進行了分析。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于鄂西山區的神農架林區大九湖國家濕地公園內(31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E)，是華中地區保存最為完好的亞高山泥炭地。該區域主要受東亞季風控制，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡性山地季風氣候，立體小氣候明顯，四季分明，日照較少，溫度較低，無霜期短，降水多，相對濕度大。該地區多年平均氣溫為7.2 ℃，年平均日照時間為1 858.3 h，無霜期為194～256 d，多年平均降雨量為1 535 mm。研究區土壤以沼澤土、草甸沼澤土和草甸土為主，土壤質地松軟，有機質含量豐富。研究區觀測點位于神農架大九湖國家濕地公園3號湖附近(31°28′44.45″N、110°00′14.61″E)，海拔高度為1 758 m，見圖1。該處植被資源較為單一，喬木和灌木層缺失，草本層主要有泥炭蘚(Sphagnumpalustre)、阿齊薹草(Carexargyi)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、燈心草(Juncuseffusus)和紫羊茅(Festucarubra)等[12-13]。

圖1 研究區觀測點示意圖

1.2 研究方法

由于泥炭地在不同季節的水位和土壤含水量情況略有不同，故進行了連續3個季度的采樣，即分別于2020年6月、9月、12月在神農架大九湖泥炭地進行了土壤樣品采集。在大九湖泥炭地中部選取發育較好的一片泥炭沼澤，沿最長對角線確定一條樣帶，選取3個下墊面平坦的取樣點，3個取樣點沿樣帶平均布設且間隔為100 m，泥炭地土壤樣品使用灘涂取樣器進行采集，在每個取樣點設置一個5 m×5 m的樣方，每個取樣時間在相同樣方內隨機選取并分別采集兩個土壤土柱(0～100 cm)，土壤樣品分為5層(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和 80～100 cm)。土壤分層采用環刀法，使用不銹鋼環刀，在采集出的土壤柱樣相對應的剖面進行分層。采集的土壤樣品用密封袋裝好后，用冰袋在保溫箱中進行保存并運回實驗室。使用環刀烘干至恒重并測定土壤樣品的容重，得到的土壤樣品研磨后過200目篩，稱重后用2 mol/L鹽酸做去除無機碳處理。土壤樣品有機碳含量的測試儀器為VarioTOC select(Elementar，DE)。使用下面經驗公式計算土壤有機碳密度：

Tk=BDk×TOCk

(1)

式中:Tk為泥炭地第k層土壤的有機碳密度(kg/m3);BDk為泥炭地第k層土壤的容重(g/cm3);TOCk為泥炭地第k層土壤的有機碳含量(g/kg)。

觀測點設置有開路式渦度相關觀測系統和微氣象觀測系統。開路式渦度相關觀測系統包括安裝高度為3 m的開路式CO2/H2O分析儀(LI-7500，LI-Cor，USA)、開路式CH4分析儀(LI-7700，LI-Cor，USA)，原始數據采樣頻率為10 Hz。微氣象觀測系統中空氣溫濕度傳感器(HMP155，Vaisala，FI)距離地面2 m，可同時觀測空氣溫度(℃)和相對濕度(%)；翻斗式雨量計(52203，R.M.，USA)記錄累計降雨量；四分量輻射儀記錄凈輻射(CNR1，Campbell，USA)；土壤溫度傳感器(TCAV，AVALON，USA)記錄平均土壤溫度。根據在線系統(SMARTFlux)記錄的30 min內碳通量(CO2、CH4)平均值和30 min內的環境因子平均值計算長時間尺度上泥炭地的固碳能力，并分析其影響因素。

1.3 數據整理

本研究選用神農架大九湖泥炭地生態系統2016年1月至2018年12月間的碳通量(CO2、CH4)數據和環境因子數據(空氣溫度Ta、相對濕度RH等)，將理論正常值范圍外和超過中位數±10倍標準差的異常數據進行剔除，并通過線性插補法完成對空缺的碳通量數據和環境因子數據的插補[14]，具體方法為：①當氣象數據完整時，即相似的氣象條件出現時(凈輻射Rn、飽和水汽壓、空氣溫度Ta的偏差分別為20～50 W/m2、5%、1.5℃)，用7 d時間窗口內相似氣象條件下的平均值代替缺失值；若在7 d時間窗口內沒有相似的氣象條件出現，則時間窗口增加至14 d；②當空氣溫度和飽和水汽壓缺失且凈輻射數據完整時，相似氣象條件則通過凈輻射差值范圍在20～50 W/m2來確定，用7 d時間窗口內相似氣象條件下的平均值代替缺失值，且不增加時間窗口長度。下載歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)氣象數據中的ERA5數據集[15]后，對神農架大九湖相應時段的逐月數據進行線性回歸分析，當數據重疊度滿足≥50%、R2>0.6時，對空缺的空氣溫度Ta進行線性插值[15]。

繪圖和回歸分析利用Origin 2017軟件完成，相關性分析利用SPSS軟件完成。

1.4 實驗結果與數據分析

基于2016—2018年研究區的監測數據計算固碳量，本研究中固碳量單位為t C/hm2，碳通量單位為μmol/(m2·s)。CO2通量的數值即為凈生態系統生產力(Net Ecosystem Productivity,NEP)，表示生態系統與大氣的CO2交換量，NEP為正值表示生態系統碳吸收；CH4通量即為CH4交換量，CH4通量為正值表示生態系統CH4排放。由于實際觀測結果中CO2通量遠大于CH4通量，故凈固碳量即為CO2通量與CH4通量的絕對值之差，其為正值表示凈碳吸收。泥炭地土壤有機碳含量和容重實驗測試基于2020年連續3個季度的采樣結果完成。

2 結果與討論

2.1 泥炭地土壤有機碳含量和容重特征

不同取樣深度下神農架大九湖泥炭地土壤有機碳含量，見表1。

表1 不同取樣深度下大九湖泥炭地土壤有機碳含量

由表1可知，神農架大九湖泥炭地上土壤有機碳含量在垂直剖面(0～100 cm)上的最大值為516.10 g/kg，最小值為282.90 g/kg，最大值與最小值的差值為233.20 g/kg，平均值為402.10 g/kg，變異系數CV為9.53%。通過對神農架大九湖泥炭地土壤樣本有機碳含量進行Kolmogorov-Smirnov檢驗，其正態性檢驗結果顯示：Sig=0.78>0.05，表明神農架大九湖泥炭地土壤有機碳含量符合正態分布。

不同取樣時間下神農架大九湖泥炭地土壤有機碳含量平均值隨取樣深度的變化曲線，見圖2。

圖2 不同取樣時間下神農架大九湖泥炭地土壤有機碳含量平均值隨取樣深度的變化曲線

由圖2可知，在不同取樣時間下，神農架大九湖泥炭地土壤有機碳含量平均值隨取樣深度(0～100 cm)的變化趨勢基本一致：在0～60 cm取樣深度范圍內，隨著取樣深度的增加，泥炭地土壤有機碳含量平均值下降，且在60 cm取樣深度處泥炭地土壤有機碳含量平均值達到最低值(0～100 cm范圍)；在2020年6月、9月、12月3個取樣時間的0～100 cm取樣深度下，泥炭地土壤有機碳含量平均值的最低值均出現在距離地面60 cm取樣深度處，隨著取樣深度的進一步增加(至100 cm)，泥炭地土壤有機碳含量平均值又逐漸增加。

根據實驗測定，神農架大九湖泥炭地土壤容重的最大值為0.517 3 g/cm3，最小值為0.113 1 g/cm3，平均值為0.243 3 g/cm3，最大值與最小值的差值為0.294 3 g/cm3。不同取樣時間下神農架大九湖泥炭地土壤容重隨取樣深度的變化曲線，見圖3。

圖3 不同取樣時間下神農架大九湖泥炭地土壤容重隨取樣深度的變化曲線

由圖3可知，在不同取樣時間下，神農架大九湖泥炭地土壤容重隨取樣深度(0～100 cm)的變化趨勢基本一致：在0～60 cm取樣深度范圍內，隨著取樣深度的增加，泥炭地土壤的容重顯著增大，在60 cm取樣深度處泥炭地土壤容重達到最大值(0～60 cm范圍)；在2020年6月、9月、12月3個取樣時間的0～100 cm取樣深度下，隨著取樣深度的進一步增加(至100 cm)，泥炭地土壤容重的變化不明顯。

2.2 泥炭地土壤有機碳密度特征

本研究結合泥炭地土壤容重參數，估算神農架大九湖泥炭地在垂直剖面(0～100 cm)上土壤有機碳密度，發現其最大值為114.28 kg/m3，最小值為71.80 kg/m3，平均值為93.85 kg/m3，最大值與最小值的差值為42.47 kg/m3；在垂直剖面(0～100 cm)中5層(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土壤的平均有機碳密度分別為71.80 kg/m3、77.45 kg/m3、100.17 kg/m3、105.54 kg/m3、114.28 kg/m3?？梢姡S著取樣深度的增大，神農架大九湖泥炭地土壤有機碳密度呈現出逐漸增大的趨勢，見圖4。

圖4 不同取樣深度下神農架大九湖泥炭地土壤有機碳密度的變化特征

2.3 泥炭地土壤碳儲量

神農架大九湖泥炭地沼澤面積約為750 hm2[11]，根據估算結果，得到研究區0～100 cm深度范圍內土壤泥炭地的有機碳儲量為7.04×105t，有機碳積累強度為938.46 t/hm2。

2.4 泥炭地固碳能力特征

通過對神農架大九湖泥炭地2016—2018年共36個月的連續觀測，發現研究區的NEP與CH4通量的季節性變化均具有一定的規律性(見圖5)，表現為：NEP高的月份一般出現在5～9月空氣溫度較高的時期，與CH4通量峰值出現的時期相對應。

圖5 2016—2018年神農架大九湖泥炭地NEP與CH4通量特征

2016—2018年神農架大九湖泥炭地NEP與CH4通量特征，見表2。

表2 2016—2018年神農架大九湖泥炭地NEP與CH4通量特征

基于研究區的NEP與CH4通量，通過計算得到2016—2018年3年間神農架大九湖泥炭地(單位面積)總固碳量分別為2.43 tC/hm2、3.32 tC/hm2、3.55 tC/hm2，年均單位面積固碳量為3.09 tC/hm2。研究區泥炭地沼澤總面積約為750 hm2，通過計算得到2016—2018年3年間神農架大九湖泥炭地固碳量分別為1 822.5 t、2 490.00 t、2 662.50 t，期間總固碳量為6 975.00 t。

2016—2018年神農架大九湖泥炭地單位面積月累計固碳量特征，見圖6。

由圖6可知：神農架大九湖泥炭地凈固碳量3年間月變化趨勢基本一致，表現為生長季(5～9月)固碳量高、非生長季(1～4月、10～12月)固碳量低的特征；2016—2018年間，泥炭地單位面積月累計固碳量的最大值出現在2017年7月為0.71 tC/hm2，最小值出現在2017年12月為0.004 tC/hm2。

圖6 2016—2018年神農架大九湖泥炭地單位面積月累計固碳量特征

2016—2018年神農架大九湖泥炭地單位面積固碳量與氣溫和降雨量的線性回歸擬合曲線，見圖7和圖8。

圖7 2016—2018年神農架大九湖泥炭地單位面積固碳量與氣溫的線性回歸擬合曲線

圖8 2016—2018年神農架大九湖泥炭地單位面積固碳量與降雨量的線性回歸擬合曲線

由圖7和圖8可知：在月尺度上，神農架大九湖泥炭地單位面積固碳量與氣溫(R2=0.42，n=36，p<0.05)和降雨量(R2=0.40，n=36，p<0.05)均呈正相關關系，說明月平均氣溫越高、月平均降雨量越大，泥炭地生態系統的固碳能力就越強。同時，Pearson相關性分析結果顯示：大九湖泥炭地月累計固碳量與月平均土壤溫度(Ts)呈正相關關系(R2=0.66，p<0.01)，與月平均土壤相對濕度(RH)呈正相關關系(R2=0.40，p<0.05)，且均達到顯著性檢驗水平(p<0.05)。

2.5 討論

在本研究中，實驗測定的神農架大九湖亞高山泥炭地土壤有機碳含量變化范圍為282.90～516.10 g/kg，土壤平均有機碳含量為402.10 g/kg，變異系數為9.53%，泥炭地土壤有機碳含量隨取樣深度的增加先降低后增加，在距地表60 cm深度處土壤有機碳含量達到最低值(0～100 cm深度范圍內)。蔡體久等[16]測定的小興安嶺泥炭蘚濕地土壤平均有機碳含量為474.27 g/kg(0～60 cm土層)，其平均變異系數為3.90%；彭文宏等[17]測定的東北寒溫帶永久凍土區森林沼澤濕地生態系統的土壤平均有機碳含量的最大值范圍為(169.3±130.6) g/kg(0～40 cm土層)；楊繁等[18]測定的湖北二仙巖泥炭蘚沼澤濕地不同林型下的土壤有機碳含量平均值以64.88 g/kg最高；周文昌等[4]測定的青藏高原東緣的若爾蓋土壤有機碳含量范圍為82.69～241.66 g/kg。由此可見，神農架大九湖亞高山泥炭地土壤有機碳含量較為穩定，這與研究區地表覆蓋有泥炭蘚層且相對濕度大，減少了由于頻繁的干濕交替而加速的土壤有機質礦化分解有關[7]。研究區內土壤有機碳含量的平均變異系數為9.53%，略高于小興安嶺泥炭蘚濕地土壤有機碳含量的變異系數4.25%，其主要原因是神農架大九湖地區位于亞熱帶季風氣候區，四季分明，不同季節間土壤有機碳含量有一定的差異。同時，研究區在40～60 cm深度范圍內土壤有機碳含量的變異系數較大，可能與在這一深度范圍內沉積歷史上氣候條件發生變化有關。盡管在40～60 cm深度范圍內泥炭地土壤有機碳含量最低，但由于其土壤容重值顯著大于0～40 cm深度范圍內的土壤容重值，且土壤容重隨取樣深度的增加而逐漸增大，故泥炭地土壤有機碳密度呈現出隨取樣深度增加而逐漸增大的趨勢。

根據估算結果，得到研究區0～100 cm深度范圍內的土壤有機碳儲量為7.04×105t，土壤有機碳積累強度為938.46 t/hm2。Liu等[19-20]通過對神農架大九湖泥炭地ZK5鉆孔的研究發現，泥炭地土壤有機碳密度和含量隨深度的變化主要受到沉積環境的影響，高礦物灰分表明高生物量輸入，響應了暖濕氣候條件下的沉積環境，而低礦物灰分對應微生物繁殖旺盛、分解有機質加快，從而響應了暖干氣候條件下的沉積環境。同時也發現，神農架大九湖泥炭地土壤有機碳含量在距地面128 cm深度處達到最大值，隨著取樣深度的進一步增加，在128～260 cm深度范圍內土壤有機碳含量逐漸下降，且對應時期處于泥炭地初始發育階段，在距地面深度超過260 cm后土壤有機碳含量變為0。據此推斷，神農架大九湖泥炭地土壤有機碳密度在120～260 cm深度范圍內逐漸下降。在本研究中發現，在0～100 cm深度范圍內，隨著取樣深度逐漸增加泥炭地土壤有機碳密度逐漸升高，計算結果表明：0～20 cm深度處泥炭地土壤有機碳密度為71.80 kg/m3；80～100 cm深度處泥炭地土壤有機碳密度增至114.28 kg/m3。根據上述研究結果推斷，在100～120 cm深度處泥炭地土壤有機碳密度將繼續增加，120～260 cm深度范圍內泥炭地土壤有機碳密度將逐漸下降，直至為0。因此，估算神農架大九湖泥炭地在0～260 cm深度范圍內土壤有機碳總儲量為1.45×106～1.61×106t，土壤有機碳積累強度為1 800～2 000 t/hm2，高于我國泥炭地單位面積有機碳積累強度的平均值。

在2016—2018年3年間神農架大九湖泥炭地的固碳總量約為6 975.00 t，單位面積年均固碳量為3.09 t/hm2，低于多數森林和農田生態系統該值[10,21]。其主要原因是：神農架大九湖泥炭地植被類型單一，喬木和灌木層缺失，因此生態系統的凈初級生產力較其他類型的生態系統低。由于研究區生長季明顯短于非生長季，其生態系統僅在一定時間內表現出較強的固碳能力；在非生長季土壤呼吸與植被呼吸雖維持在較低水平但并未停止，因此在非生長季泥炭地表現出較弱的固碳能力。線性回歸分析表明，在月尺度上不同年份間神農架大九湖泥炭地生態系統固碳量與氣溫和降雨量均呈正相關關系，這進一步說明神農架大九湖地區雨熱同期的季風性氣候特征，在生長季溫度適宜，降水明顯增多，其生態系統固碳能力顯著增強。Pearson相關性分析結果進一步表明，泥炭地生態系統固碳能力受到氣溫和降雨量的共同影響，當土壤溫度較高時，植被生長旺盛、微生物活動較強，此時植被的光合能力明顯增強，盡管微生物產CH4增多但仍不足以抵消掉生態系統凈吸收的碳，生態系統仍為碳匯，因此大九湖濕地泥炭地固碳量與土壤溫度(Ts)呈顯著正相關；隨著降雨的增多，大九湖地區的相對濕度(RH)增大，植被在充足水分的影響下固碳能力增強，因此大九湖濕地泥炭地固碳量也與相對濕度(RH)呈顯著正相關。

本研究對神農架大九湖泥炭地進行了連續3年的固碳能力觀測分析，結果表明研究區固碳功能未發生改變，泥炭地整體表現為碳匯。

綜上分析表明:神農架大九湖泥炭地固碳能力未發生改變且有機碳儲量較大，繼續保護神農架大九湖泥炭地生態系統仍應作為減緩與適應氣候變化的低成本策略。2021年國務院政府工作報告中指出，扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局。因此，防止泥炭地向其他土地利用方式轉化和防止泥炭地退化并保持現有的泥炭地碳儲量，是保證泥炭地碳匯功能行之有效的措施。有關部門應繼續推進退農還濕、退牧還濕，通過加強泥炭地生態系統固碳功能的研究，健全生態補償措施以助力扶貧脫貧，推動泥炭地保護的法制化進程。

3 結 論

(1) 神農架大九湖亞高山泥炭地生態系統的土壤有機碳含量變化范圍為282.90～516.10 g/kg，變異系數為9.53%，泥炭地土壤有機碳含量隨土層深度的加深而先減少后增加。

(2) 在垂直剖面0～100 cm深度范圍內，神農架大九湖泥炭地土壤有機碳密度平均值為93.85 kg/m3，有機碳儲量為7.04×105t。根據估算，在總沉積深度為0～260 cm范圍內土壤有機碳總儲量約為1.45×106～1.61×106t，有機碳累積強度約為1 800～2 000 t/hm2。

(3) 在2016—2018年3年間，神農架大九湖泥炭地固碳總量約為6 975.00 t，單位面積年均固碳量為3.09 t/hm2。