气候变化下横断山典型湿地优势植物生物量与土壤有机碳积累研究

阮书鹏　田昆　刘国栋　李晖

摘要：指出了高原湿地作为独特的生态系统，其作为生态屏障为应对全球气候变化以及流域安全起到了关键的指示作用。以高原地区典型湿地纳帕海（海拔3260 m）为研究对象，将茭草（IaniaCuciflora）与水葱（Scirpus abernaemontani）2种湿地优势植物整体连同其土壤基质移至海拔更低的丽江拉市海湿地（海拔2437 m）与昆明滇池流域（海拔1886 m），利用其独特的立体气候特征来分析研究纳帕海湿地优势植物生物量增加对土壤有机碳积累的影响。研究表明，在经过6年的自然演化后，2种纳帕海湿地优势植物茭草与水葱移至拉市海后与原生环境相比生物量分别增加50.9%和49.9%，土壤有机碳含量分别降低39.87%和47.31%；移至滇池流域后相比拉市海湿地茭草生物量增加20.3%，水葱生物量增加18.8%，二者的有机碳含量分别下降40.05%和37.82%，表现出温度升高导致湿地生态系统负反馈。通过分析三个研究地不同气候，相同植物-土壤基质的条件下植物生物量与土壤有机碳的异同，揭示了气候变化下纳帕海湿地植物生物量与土壤有机碳积累的相互联系，为保护滇西北湿地生态功能提供理论依据。

关键词：纳帕海；高原湿地；植物生物量；土壤有机碳；气候变化

中图分类号：P467

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8000704

1引言

濕地植物的生长与湿地土壤的碳积累密切相关，是生态系统碳循环重要的生物因子，决定碳输入的数量、形式及存留时间。植物生物量作为物质循环和能量流动基础对生态系统功能起着关键作用，强烈影响着湿地土壤的碳输入（郭绪虎等，2013）。在受到以温度升高为表征的气候变化作用下，植物生物量必然受到影响，理论上温度升高有利于广域分布种的生长发育，将为土壤提供更多的碳输入，使得土壤有机碳积累水平增加，改善湿地土壤的理化性质，增加保水与养分富集作用，进而为湿地植物的生长发育提供条件。

高原湿地作为全球湿地的重要组成，对气候变化十分敏感，位于横断山脉的纳帕海高原湿地拥有丰富的湿地植物群落（董瑜等，2014），其生物量积累是碳循环过程的重要环节，随着气候变暖，生物量积累增加，但土壤有机碳积累是否也随之增加？本研究利用云南高原立体地形的海拔梯度变化所形成的立体气候特征，以不同海拔梯度形成的温度差异作为影响因子，分析研究纳帕海湿地优势植物生物量增加对土壤有机碳积累的影响。进一步了解和认识高原湿地与气候变化间的关系及其响应过程，为应对气候变化提供理论依据。

2材料与方法

2.1实验设计

以滇西北高原典型湿地纳帕海（海拔3260 m）为研究对象，将适应了纳帕海湿地气候条件的茭草（IaniaCuciflora）、水葱（Scirpus abernaemontani）2种优势植物连同生长基质组成的植物-土壤单元，于2010年移至海拔2437 m的拉市海湿地和海拔1886 m的滇池流域。于植物生长初期，在原生地纳帕海分别挖取植株丛数不低于100 株的茭草、水葱植物群落及其土壤单元（ 其中土壤厚约50 cm） ，各单元整体分别移栽至区域气候条件不同的丽江拉市海湖滨、滇池流域，分别置于长300 cm、宽150 cm、深100 cm 的实验池中，植物淹水深度以其原生环境为基准，每种植物设3个重复，以满足分析采样和统计分析要求。同时，在移出地纳帕海做同样移出实验，以作比较研究的参照。三地气候条件差异明显，从分别设置于三地的Portlog自动气象站多年观测数据（表1）可知，随海拔降低，降水和气温随之增加。

2.2样品与数据采集

于2010年和2016年分别在纳帕海、拉市海与昆明滇池流域三个研究地用原状取土管采集10～30 cm土壤，用塑封袋包装标号后带回，风干后挑出根系，研磨过100目筛，用重铬酸钾外加热法测定有机碳含量（鲍士旦，2000）。分别于2010年和2016年于植物生长末期（9月）设置3个1 m×1 m的样方，在每个调查样方中分别齐地刈割25 cm×25 cm植株，带回实验室放置于65℃的烘箱中，烘干至恒重，用电子天平分别进行称重，估算出植物生物量。

2.3数据处理

采用Excel 2007与SPSS19.0进行数据分析与统计制图。

3结果与分析

3.1茭草与水葱两种植物地上生物量

2010年实验池建立时采集计算三地的茭草与水葱植物生长末期地上生物量分别为（853. 6±58.2）g/m2和（730.7±7.8）g/m2，2016年纳帕海茭草与水葱生物量分别为（984.0±10.9）g/m2和（1122.6±11.9）g/m2；拉市海分别为（1484.6±13.7）g/m2和（1683.1±10.7）g/m2，相比纳帕海茭草生物量增加50.9%，水葱生物量增加49.9%；滇池流域分别为（1786.3±13.3）g/m2和（2000.9±11.5）g/m2，相比拉市海茭草生物量增加20.3%，水葱生物量增加18.8%，呈现出随海拔降低的温度升高，茭草与水葱的植物生物量逐渐增加的趋势（图1）。

3.2土壤有机碳含量变化

2010年试验初始时采集的三地茭草与水葱土壤有机碳含量分别为（67.91±4.58）mg/kg与（55.11±6.31）mg/kg，实验建立6年后（2016年）纳帕海湿地植物茭草的土壤有机碳含量为（60.34±3.91）mg/kg、水葱的土壤有机碳含量为（65.78±4.72）mg/kg，移至丽江拉市海湿地后，随着气候条件的改变，特别是温度的上升，茭草的土壤有机碳含量下降为（36.28±3.49）mg/kg、水葱的土壤有机碳含量下降为（34.66±2.58）mg/kg、；移至滇池流域试验地后，茭草，水葱2种植物的土壤有机碳含量分别为（21.75±1.35）mg/kg、（21.55±2.65）mg/kg。可见2种植物类型下的纳帕海湿地土壤有机碳含量，均随着海拔下降气候条件改变的温度上升，呈现出较为明显的梯度下降（图2）。移至拉市海湿地的2种植物茭草，水葱土壤有机碳含量分别减少39.87%，47.31%；移至滇池流域2种植物的有机碳含量在拉市海减少的基础上分别下降了40.05%，37.82%。

4讨论

随着纳帕海、拉市海与滇池流域的温度升高，三个研究地的茭草与水葱地上生物量依次增加。说明茭草与水葱作为湿地广域分布物种，其对温度胁迫有着良好的适应性，这与董瑜等人对纳帕海湿地优势植物生理生化特性的研究结果一致（董瑜等，2014）。高温促进了两种优势植物的生长发育，使其光合固碳能力提高，初级生产力增加，地上生物量的留存增加，理论上增加了其土壤有机碳的输入量。与理论预期不同的是，纳帕海湿地土壤有机碳积累水平在温度升高时减弱，从2010年试验初始时土壤有机碳含量与移出地6年后的土壤有机碳含量值比较看，虽差别不大，但呈现随着时间推移，土壤有机碳在不断积累的规律。作为纳帕海湿地生态系统重要的碳汇植物，这对高原湿地碳积累及其区域碳平衡有着重要意义，对维持长江上游的湿地水源涵养功能有着重要作用。在温度升高的背景下，茭草与水葱的生物量积累与土壤有机碳积累负相关，不仅直接影响到土壤有机碳的积累水平，而且影响到生态功能的发挥。虽然以温度升高为主要表征的气候变化促进了纳帕海湿地优势植物的生长发育，光和固碳能力得到提升，地上生物量增加，但其土壤有机碳积累水平却逐渐下降。湿地碳汇植物良好的生长发育未能给湿地土壤提供有效的碳输入，降低了土壤有机碳积累水平。另一方面，造成这种结果的原因有可能是温度升高加速了土壤有机碳的分解速率，导致土壤碳输出超过碳输入，在这种情况下，即使植物群落生物量作为碳汇在增加，土壤有机碳分解又变成碳源大量逸出，致使湿地土壤碳循环失衡，进一步增加了湿地温室气体的排放，加剧了地区气候变化（田昆，2008）。

5结论

以上研究与董瑜和郭绪虎等人的研究结果相似，进一步论证了气候变化影响土壤碳积累，温度升高导致湿地生态系统负反馈的研究结论。尽管以温度升高为主要表征的气候变化有利于湿地优势植物群落的生长发育和地上生物量的留存，但随着温度持续增加，是否会出现其他优势植物，纳帕海湿地优势植物的生态位是否会产生变化，其植物群落结构又是否会发生改变？目前受到研究时间尺度的限制无法进行验证。但持续的增温将最终将改变湿地生态系统的碳循环过程，进一步破坏其生态功能，反作用于当地小气候，放大了气候变化的不利影响。而湿地土壤有机碳积累水平的下降，将使高原湿地涵养水源，富集营养等各种功能减弱或遭到破坏，其所带来的负面效应远远超过正面效应。因此，在全球气候变化的大环境下，应加强监测研究，以应对气候变化。

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