神农架大九湖泥炭地碳储量估算及固碳能力研究

许向南，葛继稳*，冯 亮，杨诗雨，王璐雯

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078；2.中国地质大学(武汉)湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室，湖北 武汉 430078；3.中国地质大学(武汉)生态环境研究所，湖北 武汉 430078)

我国陆地生态系统在过去一直扮演着重要的碳汇角色。在2001年至2010年间，我国陆地生态系统年均固碳量约为2.01亿t，相当于抵消了同期化石燃料碳排放量的14.1%[1]。对陆地生态系统碳储量、固碳能力和潜力、碳循环过程方面进行分析研究，在我国经济社会转型及国际气候谈判进展中起着至关重要的作用。

湿地作为生态服务功能最高的生态系统，在全球碳循环中扮演着重要的角色，其有机碳储量约占生物圈表层总碳储量的20%～30%[2-3]。尽管大部分湿地生态系统的碳汇功能不及森林生态系统，但其碳储量却相当于全球土壤的17.0%～41.9%，相当于全球森林碳储量的5倍、全球大气碳量的32.6%～73.9%，是陆地生态系统中重要的碳库[4-6]。泥炭沼泽作为一类特殊的湿地生态系统，全球总面积约为1.85×108～4.23×108hm2[5]，约占地球总土地面积的3%[7]，是各类陆地生态系统中单位面积碳堆积量最大、碳密度最高和碳累积速率最快的生态系统。从地质演化的角度来看，泥炭地在调节生物圈表层碳储量方面发挥着非常重要的作用。同时，泥炭地也是一类较为脆弱的生态系统，对环境变化十分敏感，是碳源和碳汇的转换器。因此，了解泥炭地碳储量现状以及在全球气候变化和区域环境变化下的固碳能力特征显得十分重要。

目前，我国对于陆地生态系统中湿地的碳储量和固碳能力研究主要集中于黄河三角洲芦苇湿地[8-9]、红树林湿地[10]，对于典型亚热带山地沼泽湿地的研究较少。神农架大九湖亚高山泥炭地是我国中部地区开展泥炭地关键带监测的良好场所[11]，也是长江中游发育典型的亚高山泥炭地，其泥炭沉积保存的完整性和特有的亚热带山地气候特征，使得对其进行固碳能力特征以及碳储量现状的研究具有重要意义。因此，本研究以地处鄂西山区受人为干扰较少的神农架大九湖泥炭地为研究区，通过对研究区进行野外调查和长期观测，采用经验公式和实验测试分析方法计算了其碳储量，并对观测期间神农架大九湖泥炭地的固碳能力进行了分析。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于鄂西山区的神农架林区大九湖国家湿地公园内(31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E)，是华中地区保存最为完好的亚高山泥炭地。该区域主要受东亚季风控制，属北亚热带向暖温带过渡性山地季风气候，立体小气候明显，四季分明，日照较少，温度较低，无霜期短，降水多，相对湿度大。该地区多年平均气温为7.2 ℃，年平均日照时间为1 858.3 h，无霜期为194～256 d，多年平均降雨量为1 535 mm。研究区土壤以沼泽土、草甸沼泽土和草甸土为主，土壤质地松软，有机质含量丰富。研究区观测点位于神农架大九湖国家湿地公园3号湖附近(31°28′44.45″N、110°00′14.61″E)，海拔高度为1 758 m，见图1。该处植被资源较为单一，乔木和灌木层缺失，草本层主要有泥炭藓(Sphagnumpalustre)、阿齐薹草(Carexargyi)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、灯心草(Juncuseffusus)和紫羊茅(Festucarubra)等[12-13]。

图1 研究区观测点示意图

1.2 研究方法

由于泥炭地在不同季节的水位和土壤含水量情况略有不同，故进行了连续3个季度的采样，即分别于2020年6月、9月、12月在神农架大九湖泥炭地进行了土壤样品采集。在大九湖泥炭地中部选取发育较好的一片泥炭沼泽，沿最长对角线确定一条样带，选取3个下垫面平坦的取样点，3个取样点沿样带平均布设且间隔为100 m，泥炭地土壤样品使用滩涂取样器进行采集，在每个取样点设置一个5 m×5 m的样方，每个取样时间在相同样方内随机选取并分别采集两个土壤土柱(0～100 cm)，土壤样品分为5层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和 80～100 cm)。土壤分层采用环刀法，使用不锈钢环刀，在采集出的土壤柱样相对应的剖面进行分层。采集的土壤样品用密封袋装好后，用冰袋在保温箱中进行保存并运回实验室。使用环刀烘干至恒重并测定土壤样品的容重，得到的土壤样品研磨后过200目筛，称重后用2 mol/L盐酸做去除无机碳处理。土壤样品有机碳含量的测试仪器为VarioTOC select(Elementar，DE)。使用下面经验公式计算土壤有机碳密度：

Tk=BDk×TOCk

(1)

式中:Tk为泥炭地第k层土壤的有机碳密度(kg/m3);BDk为泥炭地第k层土壤的容重(g/cm3);TOCk为泥炭地第k层土壤的有机碳含量(g/kg)。

观测点设置有开路式涡度相关观测系统和微气象观测系统。开路式涡度相关观测系统包括安装高度为3 m的开路式CO2/H2O分析仪(LI-7500，LI-Cor，USA)、开路式CH4分析仪(LI-7700，LI-Cor，USA)，原始数据采样频率为10 Hz。微气象观测系统中空气温湿度传感器(HMP155，Vaisala，FI)距离地面2 m，可同时观测空气温度(℃)和相对湿度(%)；翻斗式雨量计(52203，R.M.，USA)记录累计降雨量；四分量辐射仪记录净辐射(CNR1，Campbell，USA)；土壤温度传感器(TCAV，AVALON，USA)记录平均土壤温度。根据在线系统(SMARTFlux)记录的30 min内碳通量(CO2、CH4)平均值和30 min内的环境因子平均值计算长时间尺度上泥炭地的固碳能力，并分析其影响因素。

1.3 数据整理

本研究选用神农架大九湖泥炭地生态系统2016年1月至2018年12月间的碳通量(CO2、CH4)数据和环境因子数据(空气温度Ta、相对湿度RH等)，将理论正常值范围外和超过中位数±10倍标准差的异常数据进行剔除，并通过线性插补法完成对空缺的碳通量数据和环境因子数据的插补[14]，具体方法为：①当气象数据完整时，即相似的气象条件出现时(净辐射Rn、饱和水汽压、空气温度Ta的偏差分别为20～50 W/m2、5%、1.5℃)，用7 d时间窗口内相似气象条件下的平均值代替缺失值；若在7 d时间窗口内没有相似的气象条件出现，则时间窗口增加至14 d；②当空气温度和饱和水汽压缺失且净辐射数据完整时，相似气象条件则通过净辐射差值范围在20～50 W/m2来确定，用7 d时间窗口内相似气象条件下的平均值代替缺失值，且不增加时间窗口长度。下载欧洲中期天气预报中心(ECMWF)气象数据中的ERA5数据集[15]后，对神农架大九湖相应时段的逐月数据进行线性回归分析，当数据重叠度满足≥50%、R2>0.6时，对空缺的空气温度Ta进行线性插值[15]。

绘图和回归分析利用Origin 2017软件完成，相关性分析利用SPSS软件完成。

1.4 实验结果与数据分析

基于2016—2018年研究区的监测数据计算固碳量，本研究中固碳量单位为t C/hm2，碳通量单位为μmol/(m2·s)。CO2通量的数值即为净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP)，表示生态系统与大气的CO2交换量，NEP为正值表示生态系统碳吸收；CH4通量即为CH4交换量，CH4通量为正值表示生态系统CH4排放。由于实际观测结果中CO2通量远大于CH4通量，故净固碳量即为CO2通量与CH4通量的绝对值之差，其为正值表示净碳吸收。泥炭地土壤有机碳含量和容重实验测试基于2020年连续3个季度的采样结果完成。

2 结果与讨论

2.1 泥炭地土壤有机碳含量和容重特征

不同取样深度下神农架大九湖泥炭地土壤有机碳含量，见表1。

表1 不同取样深度下大九湖泥炭地土壤有机碳含量

由表1可知，神农架大九湖泥炭地上土壤有机碳含量在垂直剖面(0～100 cm)上的最大值为516.10 g/kg，最小值为282.90 g/kg，最大值与最小值的差值为233.20 g/kg，平均值为402.10 g/kg，变异系数CV为9.53%。通过对神农架大九湖泥炭地土壤样本有机碳含量进行Kolmogorov-Smirnov检验，其正态性检验结果显示：Sig=0.78>0.05，表明神农架大九湖泥炭地土壤有机碳含量符合正态分布。

不同取样时间下神农架大九湖泥炭地土壤有机碳含量平均值随取样深度的变化曲线，见图2。

图2 不同取样时间下神农架大九湖泥炭地土壤有机碳含量平均值随取样深度的变化曲线

由图2可知，在不同取样时间下，神农架大九湖泥炭地土壤有机碳含量平均值随取样深度(0～100 cm)的变化趋势基本一致：在0～60 cm取样深度范围内，随着取样深度的增加，泥炭地土壤有机碳含量平均值下降，且在60 cm取样深度处泥炭地土壤有机碳含量平均值达到最低值(0～100 cm范围)；在2020年6月、9月、12月3个取样时间的0～100 cm取样深度下，泥炭地土壤有机碳含量平均值的最低值均出现在距离地面60 cm取样深度处，随着取样深度的进一步增加(至100 cm)，泥炭地土壤有机碳含量平均值又逐渐增加。

根据实验测定，神农架大九湖泥炭地土壤容重的最大值为0.517 3 g/cm3，最小值为0.113 1 g/cm3，平均值为0.243 3 g/cm3，最大值与最小值的差值为0.294 3 g/cm3。不同取样时间下神农架大九湖泥炭地土壤容重随取样深度的变化曲线，见图3。

图3 不同取样时间下神农架大九湖泥炭地土壤容重随取样深度的变化曲线

由图3可知，在不同取样时间下，神农架大九湖泥炭地土壤容重随取样深度(0～100 cm)的变化趋势基本一致：在0～60 cm取样深度范围内，随着取样深度的增加，泥炭地土壤的容重显著增大，在60 cm取样深度处泥炭地土壤容重达到最大值(0～60 cm范围)；在2020年6月、9月、12月3个取样时间的0～100 cm取样深度下，随着取样深度的进一步增加(至100 cm)，泥炭地土壤容重的变化不明显。

2.2 泥炭地土壤有机碳密度特征

本研究结合泥炭地土壤容重参数，估算神农架大九湖泥炭地在垂直剖面(0～100 cm)上土壤有机碳密度，发现其最大值为114.28 kg/m3，最小值为71.80 kg/m3，平均值为93.85 kg/m3，最大值与最小值的差值为42.47 kg/m3；在垂直剖面(0～100 cm)中5层(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土壤的平均有机碳密度分别为71.80 kg/m3、77.45 kg/m3、100.17 kg/m3、105.54 kg/m3、114.28 kg/m3。可见，随着取样深度的增大，神农架大九湖泥炭地土壤有机碳密度呈现出逐渐增大的趋势，见图4。

图4 不同取样深度下神农架大九湖泥炭地土壤有机碳密度的变化特征

2.3 泥炭地土壤碳储量

神农架大九湖泥炭地沼泽面积约为750 hm2[11]，根据估算结果，得到研究区0～100 cm深度范围内土壤泥炭地的有机碳储量为7.04×105t，有机碳积累强度为938.46 t/hm2。

2.4 泥炭地固碳能力特征

通过对神农架大九湖泥炭地2016—2018年共36个月的连续观测，发现研究区的NEP与CH4通量的季节性变化均具有一定的规律性(见图5)，表现为：NEP高的月份一般出现在5～9月空气温度较高的时期，与CH4通量峰值出现的时期相对应。

图5 2016—2018年神农架大九湖泥炭地NEP与CH4通量特征

2016—2018年神农架大九湖泥炭地NEP与CH4通量特征，见表2。

表2 2016—2018年神农架大九湖泥炭地NEP与CH4通量特征

基于研究区的NEP与CH4通量，通过计算得到2016—2018年3年间神农架大九湖泥炭地(单位面积)总固碳量分别为2.43 tC/hm2、3.32 tC/hm2、3.55 tC/hm2，年均单位面积固碳量为3.09 tC/hm2。研究区泥炭地沼泽总面积约为750 hm2，通过计算得到2016—2018年3年间神农架大九湖泥炭地固碳量分别为1 822.5 t、2 490.00 t、2 662.50 t，期间总固碳量为6 975.00 t。

2016—2018年神农架大九湖泥炭地单位面积月累计固碳量特征，见图6。

由图6可知：神农架大九湖泥炭地净固碳量3年间月变化趋势基本一致，表现为生长季(5～9月)固碳量高、非生长季(1～4月、10～12月)固碳量低的特征；2016—2018年间，泥炭地单位面积月累计固碳量的最大值出现在2017年7月为0.71 tC/hm2，最小值出现在2017年12月为0.004 tC/hm2。

图6 2016—2018年神农架大九湖泥炭地单位面积月累计固碳量特征

2016—2018年神农架大九湖泥炭地单位面积固碳量与气温和降雨量的线性回归拟合曲线，见图7和图8。

图7 2016—2018年神农架大九湖泥炭地单位面积固碳量与气温的线性回归拟合曲线

图8 2016—2018年神农架大九湖泥炭地单位面积固碳量与降雨量的线性回归拟合曲线

由图7和图8可知：在月尺度上，神农架大九湖泥炭地单位面积固碳量与气温(R2=0.42，n=36，p<0.05)和降雨量(R2=0.40，n=36，p<0.05)均呈正相关关系，说明月平均气温越高、月平均降雨量越大，泥炭地生态系统的固碳能力就越强。同时，Pearson相关性分析结果显示：大九湖泥炭地月累计固碳量与月平均土壤温度(Ts)呈正相关关系(R2=0.66，p<0.01)，与月平均土壤相对湿度(RH)呈正相关关系(R2=0.40，p<0.05)，且均达到显著性检验水平(p<0.05)。

2.5 讨论

在本研究中，实验测定的神农架大九湖亚高山泥炭地土壤有机碳含量变化范围为282.90～516.10 g/kg，土壤平均有机碳含量为402.10 g/kg，变异系数为9.53%，泥炭地土壤有机碳含量随取样深度的增加先降低后增加，在距地表60 cm深度处土壤有机碳含量达到最低值(0～100 cm深度范围内)。蔡体久等[16]测定的小兴安岭泥炭藓湿地土壤平均有机碳含量为474.27 g/kg(0～60 cm土层)，其平均变异系数为3.90%；彭文宏等[17]测定的东北寒温带永久冻土区森林沼泽湿地生态系统的土壤平均有机碳含量的最大值范围为(169.3±130.6) g/kg(0～40 cm土层)；杨繁等[18]测定的湖北二仙岩泥炭藓沼泽湿地不同林型下的土壤有机碳含量平均值以64.88 g/kg最高；周文昌等[4]测定的青藏高原东缘的若尔盖土壤有机碳含量范围为82.69～241.66 g/kg。由此可见，神农架大九湖亚高山泥炭地土壤有机碳含量较为稳定，这与研究区地表覆盖有泥炭藓层且相对湿度大，减少了由于频繁的干湿交替而加速的土壤有机质矿化分解有关[7]。研究区内土壤有机碳含量的平均变异系数为9.53%，略高于小兴安岭泥炭藓湿地土壤有机碳含量的变异系数4.25%，其主要原因是神农架大九湖地区位于亚热带季风气候区，四季分明，不同季节间土壤有机碳含量有一定的差异。同时，研究区在40～60 cm深度范围内土壤有机碳含量的变异系数较大，可能与在这一深度范围内沉积历史上气候条件发生变化有关。尽管在40～60 cm深度范围内泥炭地土壤有机碳含量最低，但由于其土壤容重值显著大于0～40 cm深度范围内的土壤容重值，且土壤容重随取样深度的增加而逐渐增大，故泥炭地土壤有机碳密度呈现出随取样深度增加而逐渐增大的趋势。

根据估算结果，得到研究区0～100 cm深度范围内的土壤有机碳储量为7.04×105t，土壤有机碳积累强度为938.46 t/hm2。Liu等[19-20]通过对神农架大九湖泥炭地ZK5钻孔的研究发现，泥炭地土壤有机碳密度和含量随深度的变化主要受到沉积环境的影响，高矿物灰分表明高生物量输入，响应了暖湿气候条件下的沉积环境，而低矿物灰分对应微生物繁殖旺盛、分解有机质加快，从而响应了暖干气候条件下的沉积环境。同时也发现，神农架大九湖泥炭地土壤有机碳含量在距地面128 cm深度处达到最大值，随着取样深度的进一步增加，在128～260 cm深度范围内土壤有机碳含量逐渐下降，且对应时期处于泥炭地初始发育阶段，在距地面深度超过260 cm后土壤有机碳含量变为0。据此推断，神农架大九湖泥炭地土壤有机碳密度在120～260 cm深度范围内逐渐下降。在本研究中发现，在0～100 cm深度范围内，随着取样深度逐渐增加泥炭地土壤有机碳密度逐渐升高，计算结果表明：0～20 cm深度处泥炭地土壤有机碳密度为71.80 kg/m3；80～100 cm深度处泥炭地土壤有机碳密度增至114.28 kg/m3。根据上述研究结果推断，在100～120 cm深度处泥炭地土壤有机碳密度将继续增加，120～260 cm深度范围内泥炭地土壤有机碳密度将逐渐下降，直至为0。因此，估算神农架大九湖泥炭地在0～260 cm深度范围内土壤有机碳总储量为1.45×106～1.61×106t，土壤有机碳积累强度为1 800～2 000 t/hm2，高于我国泥炭地单位面积有机碳积累强度的平均值。

在2016—2018年3年间神农架大九湖泥炭地的固碳总量约为6 975.00 t，单位面积年均固碳量为3.09 t/hm2，低于多数森林和农田生态系统该值[10,21]。其主要原因是：神农架大九湖泥炭地植被类型单一，乔木和灌木层缺失，因此生态系统的净初级生产力较其他类型的生态系统低。由于研究区生长季明显短于非生长季，其生态系统仅在一定时间内表现出较强的固碳能力；在非生长季土壤呼吸与植被呼吸虽维持在较低水平但并未停止，因此在非生长季泥炭地表现出较弱的固碳能力。线性回归分析表明，在月尺度上不同年份间神农架大九湖泥炭地生态系统固碳量与气温和降雨量均呈正相关关系，这进一步说明神农架大九湖地区雨热同期的季风性气候特征，在生长季温度适宜，降水明显增多，其生态系统固碳能力显著增强。Pearson相关性分析结果进一步表明，泥炭地生态系统固碳能力受到气温和降雨量的共同影响，当土壤温度较高时，植被生长旺盛、微生物活动较强，此时植被的光合能力明显增强，尽管微生物产CH4增多但仍不足以抵消掉生态系统净吸收的碳，生态系统仍为碳汇，因此大九湖湿地泥炭地固碳量与土壤温度(Ts)呈显著正相关；随着降雨的增多，大九湖地区的相对湿度(RH)增大，植被在充足水分的影响下固碳能力增强，因此大九湖湿地泥炭地固碳量也与相对湿度(RH)呈显著正相关。

本研究对神农架大九湖泥炭地进行了连续3年的固碳能力观测分析，结果表明研究区固碳功能未发生改变，泥炭地整体表现为碳汇。

综上分析表明:神农架大九湖泥炭地固碳能力未发生改变且有机碳储量较大，继续保护神农架大九湖泥炭地生态系统仍应作为减缓与适应气候变化的低成本策略。2021年国务院政府工作报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。因此，防止泥炭地向其他土地利用方式转化和防止泥炭地退化并保持现有的泥炭地碳储量，是保证泥炭地碳汇功能行之有效的措施。有关部门应继续推进退农还湿、退牧还湿，通过加强泥炭地生态系统固碳功能的研究，健全生态补偿措施以助力扶贫脱贫，推动泥炭地保护的法制化进程。

3 结 论

(1) 神农架大九湖亚高山泥炭地生态系统的土壤有机碳含量变化范围为282.90～516.10 g/kg，变异系数为9.53%，泥炭地土壤有机碳含量随土层深度的加深而先减少后增加。

(2) 在垂直剖面0～100 cm深度范围内，神农架大九湖泥炭地土壤有机碳密度平均值为93.85 kg/m3，有机碳储量为7.04×105t。根据估算，在总沉积深度为0～260 cm范围内土壤有机碳总储量约为1.45×106～1.61×106t，有机碳累积强度约为1 800～2 000 t/hm2。

(3) 在2016—2018年3年间，神农架大九湖泥炭地固碳总量约为6 975.00 t，单位面积年均固碳量为3.09 t/hm2。