人类活动对皖江淡水湿地土壤碳密度的影响

许信旺，何小青，崔 鹏，毛 敏

（1.池州学院 资源环境与旅游系,安徽 池州247000；2池州职业技术学院，安徽 池州247000；3.合肥工业大学 化工学院，安徽 合肥230009；4.安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖241000）

特别策划——湿地碳循环研究

人类活动对皖江淡水湿地土壤碳密度的影响

许信旺1，2，何小青1，崔 鹏3，毛 敏4

（1.池州学院 资源环境与旅游系,安徽 池州247000；2池州职业技术学院，安徽 池州247000；3.合肥工业大学 化工学院，安徽 合肥230009；4.安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖241000）

主持人语：湿地生态系统是陆地生态系统中仅次于森林生态系统的最大碳库，湿地生态系统碳循环在全球碳循环中起着重要作用，湿地碳通量研究是湿地碳循环研究的关键问题。由于湿地独特的水文条件，使得湿地碳循环具有与其他生态系统不同的特点。植被、气候条件及水文状况共同决定湿地生态系统的碳收支。许信旺、何小青等采集湖泊自然湿地及其周边围垦农田的代表性土壤剖面样品,测定了总有机碳含量,讨论了天然淡水湿地围垦成农田后的土壤有机碳的变化。得出湿地表层(0～15 cm)土壤有机碳含量范围为15.35～25.63g/kg;而农田表层土壤有机碳则为6.77～23.42g/kg。湿地开垦为农田后,土壤表层和全剖面的土壤有机碳含量明显降低,围垦到30-40年后，有机碳的损失趋于稳定，年均损失在1.04-1.06%之间。开垦为旱地土壤的有机碳含量和碳密度显著低于开垦为稻田，一年两季水稻田土壤有机碳含量和碳密度均高于一年一季稻。林凡、方宇嫒等选择安徽沿江淡水湿地（龙感湖、大官湖、泊湖、青通河、升金湖）和周边农田的土壤剖面中土壤活性碳、缓效性碳、稳定性碳的含量进行分析测定，得出开垦为农田后，土壤中各有机碳含量显著降低,稳定性碳占总有机碳的百分比出现了下降趋势。刘文静，张平究等从退耕的角度，选取菜子湖区不同退耕年限（2、5、8、10、20a）和退耕后不同植被群落（苔草、芦苇和酸模）湿地土壤为研究对象，揭示退耕还湖后退耕年限和植被类型对湿地土壤有机碳恢复的影响。结果表明：随退耕年限的增加，湿地土壤有机碳含量逐渐增加，但土壤有机碳密度随退耕年限增加呈“升高―降低―升高”的趋势，分析得出退耕还湖后菜子湖湿地植被恢复和理化性质变化促进土壤有机碳含量及其密度变化，而苔草、芦苇和酸模土壤剖面土壤有机碳恢复不一致，芦苇对土壤剖面有机碳密度提升能力最强。他们的研究成果均表明了，无论是湿地围垦，还是退耕还湿都表明了湿地是重要的碳汇。胡和兵博士则是从安徽沿江湿地景观演变研究方法入手，确定了安徽沿江湿地景观演变研究的思路方法，提出从安徽沿江湿地景观时空演变特征研究，安徽沿江湿地景观模拟模型的构建研究，安徽沿江湿地景观演变过程模拟与驱动机制研究，安徽沿江湿地景观演变情景预测与管理调控等四个方面开展研究。可以肯定的是，湿地研究的内容和方法都应不断地丰富和发展，系统地研究湿地生态系统碳循环也将有助于加深对全球碳循环变化的理解。

主持人简介：许信旺（1962-），男，安徽枞阳人，池州职业技术学院院长，池州学院资源环境与可持续发展研究中心主任，三级教授，博士，硕士研究生导师，主持研究方向资源环境与土壤碳循环。

采集湖泊自然湿地及其周边围垦农田的代表性土壤剖面样品,测定了总有机碳含量,讨论了天然淡水湿地围垦成农田后的土壤有机碳的变化。结果表明,湿地表层(0～15 cm)土壤有机碳含量范围为15.35～25.63g/kg;而农田表层土壤有机碳则为6.77～23.42g/kg。湿地开垦为农田后,土壤表层和全剖面的土壤有机碳含量明显降低,围垦到30-40年后，有机碳的损失趋于稳定，年均损失在1.04-1.06%之间。开垦为旱地土壤的有机碳含量和碳密度显著低于开垦为稻田，一年两季水稻田土壤有机碳含量和碳密度均高于一年一季稻。

湿地;农田;土壤有机碳;碳库损失;气候变化

湿地是由陆地生态系统和水生生态系统交互作用形成的特殊类型的生态系统[1]。它具有丰富的生物多样性和环境调节功能，湿地土壤固碳的作用也非常受关注[2]。根据IUCN的统计，最近百年来，全球范围内大约有50%的湿地被围垦利用[3]，目前，世界上泥炭、沼泽和湿地被人为破坏的势头未减。湿地有机碳是生态系统碳循环的一个重要组成部分。有研究表明，湿地可能就是遗漏的碳汇。湿地土壤在人类不合理的利用下，造成有机碳的损失，越来越受到学者们的关注[4-5]。加强对淡水湿地土壤有机碳变化的研究，尤其是人类活动对湿地土壤有机碳的影响研究，对全球应对气候变化的研究具有重要的理论和现实意义。

中国湿地类型多样，随着上世纪60-70年代人口的增加，近几十年来经济发展的需要，湿地资源存在着明显的不合理围垦利用，使得我国自然湿地面积不断减少。据估计长江中下游淡水湖泊面积从1949年至上世纪90年代减少了15335km2[6]，江汉平原在最近的60多年时间里，围湖造田的面积估计达到6000km2[7]，洞庭湖曾经是我国最大的淡水湖，也是我国重要的鱼米之乡，水域面积最大时达到了6000km2，但是，到上世纪90年代时被围垦了3/4[8]。世界自然基金会（WWF）确定我国长江水域及其周边湖泊为具有全球意义的生态区域之一，这一区域也是我国湿地生物多样性保护的关键地区之一，长江安徽段（称皖江）流域湿地也被大规模围垦，自20世纪50年代以来面积开始逐渐减少。皖江流域河流和湖泊湿地的土壤有机碳储存状况如何？开垦为农田后的发生何种变化？不同利用方式和不同利用年限下土壤有机碳有何差异？这些问题都还没有充分认识。为此，我们选择了皖江地区的升金湖、十八索及平天湖湿地，开展不同利用类型和不同围垦年限下，自然湿地和开垦为农田后土壤有机碳的变化研究，选择代表性土壤剖面，分析土壤有机碳含量和碳密度的差异性，估算湿地围垦为农田后土壤有机碳的损失强度，为农业应对气候变化和不同国土功能区的发展战略选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安徽沿长江地区属亚热带季风湿润气候类型，季节分明，雨热同季。多年平均气温为14.5℃～16.6℃，平均无霜期为248天。多年平均降水量在1300～1600毫米之间，从降水季节分配看，主要集中在夏季。地带性植被类型为常绿与落叶阔叶混合林带，地带性土壤为红壤与黄壤地带。湿地生长着自然草甸植被，常见是芦苇、苔草、茭白等。一般在每年的4月至10月水位较高，只有冬季和春季低水平时，出露面积最广，本文土壤样品采自于安徽省池州市的升金湖、十八索湿地、平天湖等湿地及围垦后的农田，所采样研究的湿地基本情况见图1、表1。

升金湖位于皖江南岸，地处贵池区与东至县境的交界处，是国家级自然湿地保护区，亚洲重要湿地，湖区面积达133平方公里。湖区的植被以苔草，苦草，竹叶眼子菜，莎草属植物为主。湿地被围垦为农田有40多年的历史，现存的湿地近年来，保护较好，没有受到人为地扰动，生态环境优良，成为水禽的良好栖息地，吸引大批雁鸭类、鹤类、鹳类、鸻鹬类、鸥类水禽前来越冬、停歇。每年在保护区内越冬水鸟84种，越冬水鸟数量超过10万只。属淡水湖泊湿地。

十八索湿地处池州市贵池区，与青阳、铜陵毗邻，为省级自然保护区，总面积7500公顷，核心区面积为2500公顷，采样点位于湿地东边，湿地生态环境优越，水质优良无污染，饵料资源丰富，是雁形目、鸻形目、鸥形目鸟类的良好栖息地，在此越冬水禽总数达到2万只以上，国家一级保护的有白头鹤、白鹳、黑鹳等。湿地环境保护对白暨豚以及长江的水质都有重要意义。湿地土壤已有30多年的围垦种植历史。

图1 皖江地区代表性湿地分布图

平天湖位于安徽省池州市市区东南部，水面约12平方公里，省级风景名胜区齐山依偎其旁，平天湖及其周边区域规划建成为城市湿地公园，总面积42.7平方公里。

1.2 样品采集

自然湿地和围垦为农田后的土壤样品采用集中、就近分开采集。升金湖湿地及农田土样在2010年6月采集，十八索和平天湖湿地和农田土壤为2011年10月中旬所采。野外采样使用不锈钢土钻采集，采样最大深度达100cm，采样深度分别：0～5cm，5～10cm，10～15cm，15～20cm，20～30cm，30～40cm，40～50cm，50～60cm，60～70cm，70～80cm，80～90cm，90～100cm范围内。其中，自然湿地表层和农业耕作土壤的耕层0～15 cm重复采3个样。共采集自然湿地和农田土壤样品380个，分析样450个。土壤样品的前期处理用四分法将样品自然风干，去除植物根系、树枝、石块和贝壳等侵入体，用粉碎机处理后过100目筛，然后将样品分别装入样品袋备用。

1.3 有机碳测定与碳密度计算

自然和湿地土壤样品有机碳采用通用的K2CrO7容量法进行测定。

土壤有机碳密度（Dsoc）的计算采用下式：

式中，Dsoc代表土壤有机碳密度 (tC/hm2)，SOC代表土壤有机碳含量(g/kg)，γ代表土壤容重(g·cm-3)，H代表土层厚度(cm)，δ2mm代表粒径大于2mm颗粒的比例（%）。潘根兴课题组提供了自然土壤的容重与SOC和农业土壤容重与SOC的关系式[9]，湿地土壤和农田土壤的容重就由经验公式计算得出，公式如下：

皖江地区位于长江中下游平原地带，土壤的成土母质以河流沉积物为主，无论是湿地土壤还是农田土壤样品中＞2mm粒径的颗粒含量普遍较低，所以在本文研究中取δ2mm=0。

1.4 数据处理和统计检验

本文测得或计算得出的各项数据，均采用Microsoft Excel 2003进行处理、分析和制图。湿地土壤和农田土壤有机碳的差异显著性检验采用P≤0.05。

2 结果与分析

2.1 自然淡水湿地土壤有机碳

皖江地区自然淡水湿地土壤表层 （0～5cm）有机碳含量范围在 18.14～27.83 g/kg， 平均值为23.31g/kg，变异系数为15.74%，湿地表层土壤0～15cm范围内有机碳含量为9.80～31.09 g/kg，平均含量20.49g/kg，变异系数为21.2%。平均含量高于安徽省表层土壤有机碳平均水平13.9±8.75g/kg[9]，但变异系数则低于安徽省表层土壤有机碳的变异系数（62.95%）和贵池水田土壤耕层有机碳的变异系数（32.58%），表层（0-15cm）湿地土壤有机碳含量升金湖最低，十八索湿地最高。升金湖湿地表层土壤有机碳15.35～22.27 g/kg，平均为16.58±3.79g/kg，十八索湿地表层土壤有机碳达到24.21～25.63g/kg，平均为25.26±0.93g/kg，变异系数最小，只有3.68%。平天湖湿地表层土壤有机碳达到 9.80～31.09g/kg，平均为19.64±10.7g/kg。均高于贵池水田土壤耕层有机碳平均含量17.77±5.79g/kg[10]。王树起等（2007）研究东北地区三江平原湿地土壤时，也得出湿地表层土壤有机碳含量高于当地的农田土壤，湿地土壤有机碳含量在 30～95 g/kg之间[10]，湿地开垦为农田后土壤有机碳含量损失近50%；邹焱等（2006）和唐国勇等（2006）研究得出洞庭湖湿地表层有机碳含量为18～65g/kg，开垦为农田后为14～36 g/kg[12-13]。说明自然湿地土壤有机碳含量高于当地的湿地围垦为农田的土壤。湿地围垦为农田后，表层土壤有机碳含量有减少的趋势，这可能与耕作活动加快土壤有机碳的释放所造成的。

表1 湿地表层（0-15cm）土壤有机碳含量(g/·kg)

湿地土壤有机碳含量在剖面中的分布，表现出近地面层锐减强烈，达一定深度后变化趋缓，呈典型的两段式分布。图2所示升金湖与十八索湿地土壤剖面SOC含量变化，均表现出在0～30cm深度内有机碳含量减少较快，而在30cm-60cmSOC含量稳定变化，范围在8-10g/kg左右，60cm以下基本稳定。而水稻土与湿地土壤有机碳的变化不尽相同，水稻土表层（耕层）有机碳的含量和碳密度明显低于自然湿地土壤有机碳（见表2）。

图2 升金湖与十八索湿地土壤剖面SOC含量（g/kg）

2.2 湿地开垦为农田后土壤碳密度变化

利用土壤碳密度计算公式（1），将升金湖、十八索和平天湖三地自然湿地土壤和农田土壤有机碳密度计算结果列于表2。从表2可见，自然湿地表层（0-30cm）土壤碳密度均高于围垦为农田后的土壤碳密度。湿地表层土壤碳密度介于45～60 tC·hm-2，农田土壤有机碳密介于22～50 tC·hm-2，0～100cm全剖面的碳密度，湿地土壤碳密度介于80～90 tC·hm-2， 农田土壤碳密度介于40～80 tC·hm-2。 不同围垦年限下，湿地表层土壤有机碳密度损失表现出明显的差异性。围垦的前20年内，年均损失为1.43%，围垦到30-40年间，损失趋于稳定，年均损失在1.04-1.06%之间。由此可见，湿地围垦过程是表层土壤有机碳的损失过程，垦殖时间越长，碳的损失越多，但达到一定年限后，这种损失将趋于平稳。

表2 各剖面表层（0～30cm）土壤碳密度(tC/hm2)

宋长春等（2004），迟光宇等（2006），张金波等（2006）研究表明，湿地围垦为农田后，土壤有机碳的整体水平在减少，这种变化的速度有一定的差异性，表现为在湿地开垦为农田的初期，土壤有机碳损失较快，后期土壤有机碳变化趋于一个相对的稳定值[14-16]。我们曾经研究过中国水稻土，得出南方水稻土表层有机碳密度为31.7 tC·hm-2[17]，我国耕作土壤表层的平均有机碳密度为35 tC·hm-2。本研究的结果显示，湿地土壤表层 （0～30 cm）碳密度为57～66 tC·hm-2，围垦为农田后土壤表层的有机碳密度为33～45 tC·hm-2。由此可见，湿地围垦为农田后，表层有机碳密度损失量达21.2～23.9tC·hm-2，损失率为30～40%。同时也表明湿地开垦为水田后，表土有机碳密度还高于安徽省水稻土表层平均碳密度21 tC·hm-2的水平，这也说明了湿地比农田有更好的碳汇功能。不过，不同利用方式下和不同围垦年限后，湿地土壤有机碳库的损失十分突出。围垦为旱地有机碳密度损失更多，围垦时间越长损失越大，测定结果表明：围垦30～40年，表层土壤有机碳密度损失了32%～42%的有机碳密度，而围垦后种植水稻 20年以上，表土损失了有机碳密度约28.97%。土地利用的类型和垦殖时间都影响着湿地土壤有机碳密度的变化。

2.3 种植制度对围垦农田土壤碳密度影响

研究区内的湿地围垦为农田后，其耕作方式主要为一年二熟制，一年两熟制主要有水旱轮作和少量的旱旱轮作，近年来也有部分农田采用一年一熟的种植制，一年一熟制主要为水田或旱地，也有少量的水田和旱地隔年耕种。按熟制和不同作物种类，统计其土壤有机碳含量和有机碳密度，结果列于表3。由表3可知，无论是一年一熟制还是一年两熟制，水田土壤有机碳均高于旱地土壤。一年一熟制下土壤有机碳的含量范围13.29～19.3g/kg，其中，水田为19.3±7.54g/kg，旱地为13.29±5.5 g/kg，虽然旱地耕层土层厚度大，但水稻土的有机碳密度达到32.14±11.9 t/hm2，而旱作土有机碳密度只有24.82±9.87 t/hm2。一年二熟制，土壤有机碳含量范围7.22～23.8g/kg，有机碳平均含量为16.11±6.37g/kg，其中，两季稻水田平均有机碳含量23.8±9.09 g/kg，平均有机碳密度为37.73±12.54t/hm2，水旱轮作的水田有机碳密度为 16.81±5.16 g/kg，平均有机碳密度为29.10±8.27t/hm2。由此可见，水田土壤有机碳密度高于旱地，水-水轮作土壤有机碳含量最高，旱-旱轮作土壤有机碳含量最低，水-旱轮作土壤有机碳高于旱-旱轮作土壤，无论是油－棉轮作还是油－豆轮作，土壤有机碳的含量均在7.2 g/kg左右。这也佐证了水耕熟化作用有利用于土壤有机碳的积累。

表3 不同耕作制度下土壤有机碳含量与有机碳密度

从不同耕作制度下SOC的变异系数范围来看，最大值为56%，最小值为3.5%，土壤有机碳密度的变异系数的最大值为48%，最小值为3.3%，由此可见，湿地围垦为农田后，不同耕作制度使土壤有机碳和碳密度变异性加大。

3 结论与讨论

皖江地区淡水自然湿地表层土壤有机碳含量介于11.30～27.83g·kg-1之间，表层土壤有机碳高于下层，在垂直向下30-100厘米的范围内，土壤有机碳含量在6-10 g·kg-1之间。围垦为农田后，表层土壤有机碳含量明显降低，且剖面垂直分异和水平分异远大于湿地土壤。围垦年限越长，土壤有机碳密度损失越多，围垦40年后年均损失趋于平稳，约为1.05%。开垦为农田后，表层有机碳密度损失达18 tC·hm-2。围垦后土壤有机碳密度损失达到40%以上。杨则东等（2010）根据航片和卫片的解译资料，得出从近50年的时间里，安徽沿江湿地因围垦面积损失了近50%[18]。据此可测算出，皖江地区湿地因围垦后造成湿地表层土壤有机碳损失估计达2.4Tg。因此，湿地是重要的土壤碳库，保护湿地有利于土壤碳固定。

参考文献：

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[2]刘茂松,姜志林,李湘萍.长江中下游湿地系统的功能及其保护[J].南京林业大学学报,1999,23(2):27-30.

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[17]Song GH,LiLQ,Pan G X et al.Topsoil Organic carbon storage of China and its loss by cultivation[J].Biogeochemistry,2005,74:47-62.

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[责任编辑：余义兵]

Impacts of Human Disturbances on Organic Carbon Density of Soil in Fresh Water Wetlands along Yangzi River in Anhui

Xu Xinwang1，2，He Xiaoqin1，Cui Peng3，Mao Min4
(1.Department of Resources and Environment Science,Chizhou University,Chizhou,Anhui 247000；2.Chizhou Vocational and Technological College,Chizhou,Anhui,24700；3.Department of Chemical Technology,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009;4.Department of College of Territorial Resource and Tourism,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241000)

Samples of topsoil land soil profile are collected from both natural wetlands and the cultivated croplands.With the measurement of general Soil organic carbon(SOC)contents,the paper discusses the change in SOC of natural wetlands cultivated into farmland,and the results show that SOC storage from the topsoil at 0-15 cm is15.35～25.63g/k,while SOC of farmland topsoil is 6.77～23.42g/kg.After wetlands cultivated into farmlands,SOC contents of topsoil and soil profile are obviously decreasing.After 30 to 40 years,loss of SOC tends to be stable,with annual loss between 1.04%and 1.06%.SOC and carbon density of cultivated upland soil are lower than those of cultivated paddy,and SOC and carbon density of the paddy with two seasons crops a year are higher than those of the paddy with one season crop a year.

Wetland;Cropland;Soil Organic Carbon;Carbon Loss;Climate Change

S153

A

1674-1104(2014)03-0001-05

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.001

2013-12-17

国家自然科学基金（41071337）；安徽省教育厅自然科学重大项目（ZD2008009-1）；安徽省教育厅自然科学一般项目（KJ2013B170）。

许信旺（1962-），男，安徽枞阳人，池州学院资源环境与旅游系教授，博士，主要从事资源环境与土壤碳循环研究。