閱海城市濕地典型植被群落土壤活性有機碳組分分布特征

高小龍， 王幼奇， 白一茹， 阮曉晗

(1. 寧夏大學地理科學與規劃學院, 寧夏 銀川 750021; 2. 寧夏大學生態環境學院, 寧夏 銀川 750021; 3. 西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地, 寧夏 銀川 750021; 4. 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 寧夏 銀川 750021)

土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)是土壤碳庫的重要組成部分，影響區域碳循環及氣候變化，同時也是評價土壤質量的重要指標[1]。其中活性有機碳對環境因子變化最為敏感，是最能反映土壤碳庫穩定性的指標[2]，通常用可溶性有機碳(Dissolved organic carbon，DOC)、易氧化有機碳(Easily oxidated organic carbon，EOC)、土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)等指標來表征[3]。濕地由于長期處于水分過飽和狀態，更容易積攢活性有機碳，因此對氣候變化也更為敏感[4]。濕地作為陸地生態系統重要的碳庫，其碳含量約占陸地土壤碳的20%～30%[5]，是大氣CO2的重要碳匯，在穩定全球氣候變化中占有重要地位，研究濕地活性有機碳組分對評估濕地生態系統碳庫穩定性有重要作用。干旱地區土壤有機質貧瘠，生態環境脆弱，濕地的碳中和作用及生態調節功能顯得尤為重要[6]。因此，研究干旱區濕地土壤活性有機碳組分對保護干旱區濕地，遏制干旱區生態環境惡化具有重要意義。

土地利用與土地覆被變化是影響地球環境系統最主要的人類活動方式[7]，不同植被類型下土壤中活性有機碳組分差異顯著[8]。城市濕地受人為干擾較大，在城市化進程中通常導致濕地植被類型發生改變。人為改變濕地利用方式和植被類型對濕地中植物生物量、根系分布、土壤營養元素積累和土壤微生物活性等產生顯著影響[9]，這些因素的微小變化都會極大改變濕地土壤碳含量、有機碳組分及其周轉速率，甚至會加速土壤中碳的釋放速率，對區域氣候產生影響[10]。楊文煥等[2]對南海天然湖泊濕地有機碳組分進行研究，發現人類活動可使天然濕地碳庫穩定性下降；馬維偉等[11]對高寒沼澤濕地進行研究，發現植被退化顯著降低了土壤碳庫指數、總有機碳和穩態碳等；Zhao等[12]在黃河三角洲地區對濱海濕地進行研究，發現不同水文條件下濕地植被分布模式不同，有機碳含量亦隨之發生變化?？梢姴煌貐^、不同類型的濕地，其土壤有機碳均受植被覆蓋類型的影響。近年來，為響應“雙碳”戰略目標，研究濕地及周邊不同植被土壤有機碳含量及分布特征已成為熱點議題，但這些研究大都集中在濱海、沼澤及天然湖泊濕地[13-14]，關于內陸干旱區城市濕地有機碳組分的研究較為缺乏。而合理利用旱區濕地資源，分析濕地生態系統碳匯功能和碳組分特征對干旱地區生態環境穩定和人居環境改善尤為重要。

寧夏銀川市素有“塞上湖城”的美譽，區內湖泊濕地數量眾多，濕地面積約5.31×104hm2[15]。2018年被聯合國國際濕地公約組織授予“全球首批國際濕地城市”之一。濕地作為銀川重要的水分補給及天然生態屏障，是該區域最具特色和影響的生態資源，對西北干旱地區生物多樣性及生態環境保護有重要價值。但銀川市年降水量僅有185 mm，年蒸發量高達1 825 mm[15]，水資源人均占有量僅960 m3，是全國平均水平的一半，因此濕地資源對維護該區域生態安全、區域小氣候及人居生活環境等顯得異常重要。進入21世紀，隨著城市化進程的飛速發展，銀川市湖泊濕地大面積萎縮，濕地保護和恢復成為打造銀川城市水環境生態圈的重要一步。

本文以銀川市面積最大的城市湖泊濕地—閱海濕地為研究對象，探究區內蘆葦(Phragmitesaustralis)、茭白(Zizanialatifolia)、香蒲(Typhaorientalis)、菖蒲(Acorustatarinowii)及堿蓬(Suaedasalsa)5種優勢植被生長區表層土壤中活性有機碳含量及分布特征，以期為科學地評價旱區城市濕地土壤碳吸存潛力、估算濕地生態系統碳收支狀況及合理保護城市濕地生態系統等提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

閱海濕地位于寧夏銀川市金鳳區(106°11′～106°14′E,38°31′～38°37′N)，是由原銀川城西湖經人工運河及流域其他湖泊連接形成的城市內陸濕地。其核心區面積約22 km2，總面積為26.67 km2，屬中溫帶半干旱半荒漠氣候區，干旱少雨、日照充足、蒸發強烈。濕地灘涂除少量旅游服務設施用地外，其余多為鹽堿地、荒灘及農牧用地等[18]。區內水生動植物種類豐富，存在黑鸛、大天鵝等大量國家級保護物種，是候鳥遷徙的重要停留地與繁衍地，對維護我國旱區生物多樣性有重要生態價值。濕地灘涂及水域植物主要有蘆葦、茭白、香蒲、菖蒲、堿蓬和荷花等。該濕地素有“銀川之腎”、“城市綠肺”的美譽，其土壤有機碳組分狀況直接影響區域植被生長和水質優劣。

1.2 樣點布設和樣品采集

調查采樣時間為2021年7月。在前期調查基礎上對植被生長區域進行劃分，根據當地優勢植被種群分布情況，選取了地勢較為平坦、人為干擾較小且具有代表性的香蒲、菖蒲、蘆葦、茭白、堿蓬5個天然植被生長區，在距岸邊5 m外干燥的無淹水灘涂進行樣點布設。5種植被對應的樣點布設位置如圖1所示。每種植被生長區布設3個5 m×5 m的樣方，每個樣方用土鉆在4個頂點和1個中心點分層采集土壤樣品，將同一樣方同一深度處采集的土壤樣品混合均勻后放入無菌自封塑料袋，置于有冰袋的保鮮盒中運回實驗室。剔除植物根系和礫石后采用四分法將土壤分成兩部分，一部分土樣經自然風干后，磨碎分別過10目(2 mm)、100目(0.15 mm)土篩，用于土壤pH值、電導率、粒徑、全氮(TN)、SOC和EOC的測定。另外一部分土樣過10目(2 mm)篩后放在-4℃冰箱中保存，用于DOC和MBC的測定。

圖1 研究區樣點分布示意圖Fig.1 Distribution of soil sampling sites

1.3 土樣分析

1.3.1基本性質測定 土壤pH值(PHS-3C型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司)和電導率(JENCO EC80電導率儀，上海任氏電子有限公司)按1∶5土水比進行測定；采用激光粒度儀(MS 2000，英國馬爾文公司)測定土壤粒徑機械組成；TN

采用半微量開氏法測定；考慮到土壤偏堿性可能會有碳酸鹽分解引起激烈發泡干擾測試結果，SOC采用重鉻酸鉀外加熱法測定，測定過程中緩慢加入重鉻酸鉀-濃硫酸溶液，消除碳酸鹽的影響。樣地基本理化性質見表1。

表1 樣地基本性質Table 1 Basic information of sampled soils under different vegetation types

1.3.2SOC組分測定 DOC：采用碳分析儀法[16]，稱取過10目(2 mm)篩的鮮土10 g(土水比1∶5)，在25℃下恒溫振蕩30 min后，離心5 min，并用0.45 μm濾膜抽濾，濾液直接用Vario TOC碳分析儀(Elementar，德國元素)測定。

EOC：采用高錳酸鉀氧化法[17]，稱取過100目(0.15 mm)篩的風干土樣3 g于塑料離心管中，加入333 mmol·L-1的高錳酸鉀溶液25 mL，振蕩1 h后離心5 min，取上清液用去離子水按1∶250稀釋，在波長565 nm下測定稀釋樣品的吸光值。

MBC：采用氯仿熏蒸0.5 mol·L-1K2SO4浸提法[18]，稱取12.50 g鮮土放入鋁盒中，在抽氣皿中放入盛有25 mL無醇氯仿的小燒杯，小燒杯中放幾張小紙片以便于觀察沸騰情況。放入裝土的大鋁盒，連上抽氣機，抽真空使氯仿沸騰5 min。包上黑布且置于陰暗處(25℃)熏蒸24 h后將小燒杯連續抽真空2～3次(每次5 min)，排除氯仿。同時，另取一批土樣不做熏蒸處理。將兩批土樣轉移到離心管后加入50 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液，振蕩30 min，離心5 min后取出，上層濾液5 mL于50 mL容量瓶中，進行定容后用TOC儀進行測定。

1.4 數據處理與分析

數據分析和圖表繪制利用Microsoft Excel 2016、ArcMap 10.6和Origin 8.5，采用IBM Statistics SPSS 20.0進行單因素方差分析(LSD法)和Pearson相關性分析，利用Canoco 4.5進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型土壤SOC及TN分布特征

根據SOC測定結果，0～60 cm堿蓬、茭白、蘆葦、香蒲和菖蒲生長區SOC平均含量分別為2.13，2.99，2.77，3.35和3.15 g·kg-1，各自含量變化依次為1.67～2.89，2.72～3.20，2.28～3.29，2.15～4.68，1.36～6.34 g·kg-1?？梢钥闯?～60 cm土層SOC含量呈：香蒲>菖蒲>茭白>蘆葦>堿蓬。同時由圖2(a)可知，隨土層深度增加堿蓬和菖蒲SOC含量呈逐漸減小趨勢，而茭白、蘆葦則呈先增后減趨勢。菖蒲SOC含量在0～10 cm顯著高于同層的其它植被(P<0.05)，茭白SOC含量在20～40 cm顯著高于同層的堿蓬(P<0.05)。0～60 cm堿蓬、茭白、蘆葦、香蒲和菖蒲生長區土壤TN平均含量分別為0.41，0.49，0.45，0.50，0.47 g·kg-1，各自含量變化依次為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>蘆葦>堿蓬。由圖2(b)可知，隨土層深度增加堿蓬和菖蒲TN含量呈先減后增趨勢，其它各植被類型TN含量隨土層深度增加變化規律不明顯。堿蓬TN含量在10～20 cm顯著低于同層的茭白和菖蒲(P<0.05)，0～10 cm，20～40 cm和40～60 cm土層下各植被TN含量差異性不顯著。

圖2 不同植被類型下土壤有機碳(a)和全氮(b)分布特征Fig.2 Distribution of SOC(a) and TN(b) in soils under different vegetations注：小寫字母表示同一土層相關性在0.05水平上顯著,下圖同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 不同植被類型土壤活性有機碳分布特征

0～60 cm堿蓬、茭白、蘆葦、香蒲和菖蒲生長區土壤DOC平均含量分別為25.33，38.73，36.66，64.65，55.23 mg·kg-1，表現為：香蒲>菖蒲>茭白>蘆葦>堿蓬，與SOC含量變化規律一致。由圖3(a)可知，0～10 cm香蒲和菖蒲土壤DOC含量顯著高于同層的其它植被類型(P<0.05)，10～20 cm,20～40 cm香蒲和菖蒲土壤DOC含量顯著高于同層的堿蓬(P<0.05)，40～60 cm香蒲土壤DOC含量顯著高于同層其它各植被類型(P<0.05)。0～60 cm堿蓬、茭白、蘆葦、香蒲和菖蒲土壤MBC平均含量分別為127.83，59.51，95.59，30.73，30.05 mg·kg-1，表現為：堿蓬>蘆葦>茭白>香蒲>菖蒲。由圖3(b)可知，除香蒲生長區0～10 cm土層外，其它各植被生長區土壤MBC含量均呈現隨土層深度增加逐漸減小趨勢。0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm堿蓬和蘆葦土壤MBC含量均顯著高于同層的其它植被類型(P<0.05)。0～60 cm堿蓬、茭白、蘆葦、香蒲和菖蒲土壤EOC平均含量分別為1.24，0.95，0.86，0.95，0.99 g·kg-1，表現為：堿蓬>菖蒲>茭白=香蒲>蘆葦。由圖3(c)可知，0～10 cm堿蓬土壤EOC含量顯著高于同層的蘆葦和菖蒲(P<0.05)，10～20 cm堿蓬土壤EOC含量顯著高于同層的蘆葦(P<0.05)，20～40 cm和40～60 cm土層下各植被土壤EOC含量差異性不顯著。

圖3 不同植被類型下土壤水溶性有機碳(a)、微生物生物量有機碳(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 不同植被類型土壤活性碳組分占總有機碳分配比例

為了進一步明確不同植被類型對SOC的影響，分別計算各植被生長區碳組分占總有機碳的比例。計算結果如表2所示，其中土壤EOC占比最高，且堿蓬生長區EOC/SOC高于其他植被。EOC/SOC的大小可以表示土壤碳庫的穩定性[19]，說明堿蓬生長區土壤碳庫穩定性弱于其他植被生長區。MBC/SOC可反映土壤養分及土壤碳的轉化和循環[20-21]。堿蓬、茭白、蘆葦生長區土壤中MBC占比隨土層深度增加逐漸減小，香蒲及菖蒲生長區則無明顯變化規律。堿蓬生長區不同土層土壤中MBC/SOC均高于其他植被生長區。DOC/SOC可以表征有機碳的水溶性[14]，0～10 cm及40～60 cm深度處蘆葦生長區DOC/SOC顯著高于堿蓬、茭白生長區(P<0.05)，高于香蒲和菖蒲生長區。

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

2.4 不同植被類型SOC及其組分與土壤相關理化性質間的關系

由表3可知，濕地土壤有機碳與黏粒呈顯著負相關(P<0.05)，與TN含量呈顯著正相關(P<0.05)；DOC與pH值、電導率及黏粒均呈極顯著負相關(P<0.01)；EOC與黏粒含量呈顯著正相關(P<0.05)，與全氮含量呈極顯著正相關(P<0.01)；MBC與pH值、電導率均呈極顯著負相關(P<0.01)；DOC/SOC與pH呈極顯著負相關(P<0.01)，與電導率呈顯著負相關(P<0.05)；EOC/SOC與各因子沒有顯著相關性；MBC/SOC僅與pH值呈極顯著負相關(P<0.01)，與其他土壤理化性質無顯著相關性。

表3 土壤有機碳及其組分與土壤理化性質的Pearson相關性Table 3 Correlation between soil organic carbon and its components and soil physico-chemical properties

為說明各土壤相關理化性質對SOC及其組分的影響大小，采用冗余分析法進行影響因子分析。將植被類型、土層、土壤pH值、EC、黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量和TN等因子作為解釋變量，土壤SOC，DOC，EOC，MBC，DOC/SOC，EOC/SOC和MBC/SOC作為響應變量，分析2組變量可得SOC及其組分與土壤相關理化性質的二維排序圖(圖4)。圖4顯示不同因子箭頭的長短依次為植被類型>土層>EC>pH值>黏粒含量>TN>砂粒含量>粉粒含量，由圖4中箭頭線段長度、箭頭連線在SOC及其組分因子箭頭線段上的垂直投影長度越長，其與土壤SOC及其組分的相關程度越強可知，土壤SOC與各因子相關程度由強到弱依次為：植被類型>土層>EC>pH值>黏粒含量>TN>砂粒含量>粉粒含量。

圖4 土壤有機碳及其組分與環境因子的典型相關分析Fig.4 RDA of soil organic carbon and its components and environmental factors

3 討論

3.1 不同植被類型對濕地土壤有機碳的影響

本研究中不同植被類型0～60 cm土層SOC平均含量表現為：香蒲>菖蒲>茭白>蘆葦>堿蓬；TN含量呈：香蒲>茭白>菖蒲>蘆葦>堿蓬。說明閱海濕地生態系統中，香蒲、菖蒲、茭白及蘆葦生長區域SOC和土壤TN含量均高于堿蓬，其中香蒲SOC和土壤TN含量最高。這主要是因為植物及微生物能夠吸收環境中的碳氮，經土體微生物作用分解富集到土壤中，從而提高了植被生長區SOC，TN含量。香蒲、菖蒲、茭白及蘆葦均屬高大禾草植物，莖稈粗壯且根系發達，生物量較高，而堿蓬屬一年生草本植物，生物量顯著低于其他植被類型，因此其固碳、固氮能力最低。各植被類型土壤有機碳在垂直方向上表現為，隨土層深度增加堿蓬和菖蒲SOC含量呈逐漸減小趨勢，而茭白、蘆葦則呈先增后減趨勢。菖蒲SOC含量在0～10 cm顯著高于同層的其它植被，茭白SOC含量在20～40 cm顯著高于同層的堿蓬。這主要是由于不同植物地上和地下部分分解產生的有機質含量及遷移過程不同。香蒲、菖蒲地上莖粗壯，葉片稠密，植被凋落物累積量大、根系密度大及微生物活性強[13]，而根向下漸細，毛根數量逐漸減少，微生物活性降低，所以SOC在0～10 cm土層含量較高，而向下則迅速降低。這與鳴翠湖濕地[15]和Xu等[22]綜合不同濕地研究整理所得的結論一致。除堿蓬之外，蘆葦是閱海濕地SOC及TN含量較低的植被，這是由于銀川冬季會有大型機械在冰面統一收割蘆葦，蘆葦地上部分被人為清理，截斷了地下土壤有機碳源和氮源，因此導致0～60 cm蘆葦生長區SOC和TN含量低于其它禾草植被類型。

3.2 不同植被類型對濕地土壤有機碳組分的影響

土壤中DOC主要來自于地表枯落物，是有機碳中易分解、易流動、生物活性較高的一類有機碳，其含量往往與總有機碳有相似的變化規律[3]。堿蓬生長區土壤DOC含量隨土壤深度增加逐漸增加，蘆葦和香蒲生長區土壤DOC含量在40～60 cm時也達到峰值，茭白生長區土壤DOC峰值則出現在20～40 cm。這是由于DOC易溶解而隨水向下淋溶[23]，因此下層土壤DOC含量較高，這與龔月月等[3]的研究結果一致。而茭白成熟后根系常被人采摘，導致40～60 cm土壤有機質含量較小，即便部分DOC淋溶至此，峰值也會出現在上層土壤。EOC是指在土壤酶和微生物作用下易被分解的有機碳，在土壤中循環速率快，易被外界干擾損失，碳庫早期變化即發生在EOC庫中，因此能表征SOC的穩定性[10]。一般情況下，EOC質量分數的變化與SOC質量分數的變化一致[8]，但由于堿蓬生長區植被低矮，生物活動更為頻繁，改變了土壤有機碳礦化條件。因此，0～60 cm平均EOC含量呈：堿蓬>菖蒲>茭白=香蒲>蘆葦，0～10 cm堿蓬生長區土壤EOC含量顯著高于同層的蘆葦和菖蒲。習盼等[14]的研究結果亦表明堿蓬較蘆葦等其他植被生長區EOC占比最高，碳庫穩定性最差。MBC是土壤碳庫中最活躍的部分，對土壤碳循環起著重要作用，是反映土壤微生物數量和生物活性的重要指標[24]，堿化度、溫度、濕度及根系分泌物等都會影響微生物的生物量及活性。0～60 cm土壤中MBC含量呈：堿蓬>蘆葦>茭白>香蒲>菖蒲，0～60 cm土層堿蓬生長區土壤MBC/SOC最大，0～10 cm土壤中堿蓬生長區土壤MBC占比顯著高于其他植被生長區。5種植被類型中堿蓬生長區土壤微生物活性最高，且隨土層深度增加微生物活性降低。這主要是因為研究區地下水位較淺、年均蒸發量約為1 825 mm、年均降水量僅185 mm[15]，導致該區域次生鹽堿化問題突出，堿蓬作為鹽生植物能夠明顯降低土壤含鹽量，增加土壤有機質含量，改善土壤微生物生長環境[25]。林學政等[26]的研究表明，鹽漬土種植堿蓬后，其根系土壤的微生物，如細菌、放線菌、真菌同對照土壤相比，含量可增加幾倍至幾十倍。而蘆葦、香蒲、茭白、菖蒲等高大禾草植物雖然本身生物量較高，但由于土壤表層鹽分含量高、冬季收割及機械碾壓等原因其微生物活性反而低于堿蓬生長區。

3.3 土壤理化性質對濕地土壤有機碳組分的影響

土壤質地、TN和pH值被認為是制約土壤生態系統碳循環的主要限制因子[15]。本研究中DOC，MBC，MBC/SOC均與pH值呈極顯著負相關(P<0.01)，一定范圍內pH值越大土壤微生物活性越小，而電導率對各有機碳組分的影響結果與pH值相近。這與趙銳鋒等[27]的研究結果一致。土壤粒徑對有機碳組分的影響主要體現在黏粒成分差異上，黏粒與DOC呈極顯著負相關(P<0.01)，與SOC，EOC呈顯著負相關(P<0.05)，粉粒和砂粒與有機碳各組分無顯著相關性。顏安等[28]的研究也表明土壤粉粒、砂粒與有機碳含量無明顯相關性，但不同的是其研究結果SOC與黏粒呈顯著正相關。這主要是因為其研究對象為農田土壤，土質疏松，黏粒可以有效截留土壤有機質，進而提高了SOC含量。而本研究土樣采自閱海濕地灘涂，土壤含鹽量較高，容重較大，一般認為土壤黏粒組分與含鹽量成正相關關系[29]，黏粒含量高的區域鹽堿化程度往往也更高；同時相關研究表明容重與SOC呈負相關關系[30]，隨土壤黏粒含量增加，容重增大。因此研究區SOC，DOC，EOC與黏粒均表現出顯著負相關。羅先香等[31]的研究亦表明，土壤鹽漬化是影響北方濕地SOC庫最主要的環境因子。TN與SOC呈顯著正相關(P<0.05)，與EOC呈極顯著正相關(P<0.01)，這是由于土壤中大部分氮素以有機氮的形式存在于有機質中，有機碳又是有機質的重要組成部分[32]，因此二者呈顯著正相關關系。Schipper等[33]的研究亦表明土壤全氮與有機碳之間呈顯著正相關關系。冗余分析也說明研究區砂粒含量、粉粒含量、TN和pH值等因子不僅與SOC及其組分之間具有較強的相關性，而且是影響研究區SOC及其組分分布重要因子。本研究在分析5種植被條件下SOC及其組分分布特征的基礎上，利用相關性分析和冗余分析的方法對土壤理化性質及環境因子的相關性進行深入分析和探討，是對干旱區城市濕地碳組分研究的有益嘗試，但是對植被本身的特性缺乏研究，后續研究應該加強植物生長特性、地上和地下生物量等方面研究，以期探明土壤碳組分和植被生長間的耦合關系，為干旱區濕地碳庫的穩定性和更好發揮濕地生態系統固碳作用提供數據支撐。

4 結論

本研究表明，閱海不同植被類型濕地土壤有機碳、氮在0～60 cm土層含量均表現為香蒲最高，堿蓬最低。隨土層深度增加堿蓬和菖蒲有機碳含量呈逐漸減小趨勢，全氮含量呈先減后增趨勢，而茭白、蘆葦有機碳含量則呈先增后減趨勢，全氮含量隨土層深度增加變化規律不明顯。

活性有機碳中土壤DOC與SOC變化規律相似，均表現為香蒲最高，堿蓬最低，EOC和MBC則均是堿蓬含量最高，說明堿蓬生長區濕地土壤碳庫穩定性均低于其他植被類型。

通過冗余分析進行影響因子分析，發現SOC與各因子相關程度由強到弱依次為：植被類型>土層>EC>pH值>黏粒含量>TN>砂粒含量>粉粒含量。