崇明东滩盐沼湿地土壤碳氮储量分布特征

陈怀璞，张天雨，葛振鸣，张利权

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

崇明东滩盐沼湿地土壤碳氮储量分布特征

陈怀璞，张天雨，葛振鸣，张利权①

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

滨海盐沼湿地是碳氮的重要储库，其碳氮储量时空分布特征受生物及环境因素的影响。研究了2013年不同季节长江口崇明东滩滨海湿地土壤(0～50 cm深度)有机碳和全氮储量的时空分布与垂直分布特征。结果表明，土壤有机碳储量与全氮储量季节分布均表现为冬季>秋季>夏季>春季，土壤有机碳储量和全氮储量呈现随时间推移而积累的特性；其空间分布特征表现为高潮滩芦苇(Phragmitesaustralis)带>中潮滩互花米草(Spartinaalterniflora)带>低潮滩海三棱藨草(Scirpusmariqueter)带>光滩，且北样线土壤有机碳和全氮储量高于南、中样线。不同区域土壤有机碳和全氮储量垂直分布特征较一致，总体表现为光滩和海三棱藨草有机碳储量在>10～15 cm土层最大，互花米草与芦苇有机碳储量较大值出现在0～10和>20～30 cm土层。土壤全氮储量垂直分布特征与有机碳相似，且与有机碳储量呈极显著线性正相关(P<0.01)。不同盐沼湿地植被类型是影响土壤有机碳和全氮储量分布的重要因素，而光滩区域土壤有机碳与全氮储量分布则主要受潮汐与沉积作用的影响。

盐沼湿地；碳氮储量；时空分布；崇明东滩

滨海盐沼湿地作为“海—陆”生态系统间的过渡带，具有独特的地貌、水动力和植被分布特征，是能量物质循环过程的重要场所[1]。据估算，滨海盐沼单位面积生产力是热带森林的3倍，具有高效的碳固定能力，是生态系统重要的碳库[2]。同时，作为氮素的源、汇及调节器，滨海盐沼湿地也是重要的氮素储库[3]。在全球气候变化背景下，滨海盐沼湿地碳、氮储量及其分布特征作为生物地球化学循环研究中的重要部分，越来越受到关注[4-5]。

滨海盐沼湿地的碳素和氮素绝大部分通过植被的生产、埋藏和输沙沉积储存在土壤中[6]。土壤碳、氮的时空分布特征不仅受湿地植被与环境因素的影响，同时也反映湿地生产力与养分供给情况[7]。有研究表明，湿地土壤碳、氮含量会伴随盐沼植被演替增加。同时，滨海湿地盐沼植被生长动态会影响土壤碳、氮储量的季节变化[8-9]。由于滨海盐沼湿地独特的水动力特征，由泥沙作用带来的外源沉积物也会影响土壤碳、氮含量变化[10]。KENNEDY等[11]对全球88个盐沼湿地的调查研究发现，沉积速率加快会提高土壤碳、氮埋藏效率。目前，国内对滨海盐沼湿地碳、氮储量的研究较多集中在特定区域储量估算及动态研究[12-13]。但总体而言，涉及盐沼植被类型与生长动态以及沉积动力环境对湿地土壤碳、氮储量时空分布影响方面的研究有待深入。

长江口崇明东滩属于淤涨型滨海盐沼湿地，其主要的盐沼植被类群为芦苇(Phragmitesaustralis)、互花米草(Spartinaalterniflora)和海三棱藨草(Scirpusmariqueter)，具有明显的成带分布特征[14]。崇明东滩从南至北不同区域有不同的沉积动态[15]，是研究土壤碳、氮储量时空分布的理想环境。为此，笔者以长江口典型滨海湿地——崇明东滩湿地作为研究区域，研究2013年不同季节崇明东滩北、中、南不同区域土壤及3种主要盐沼植被带和光滩土壤有机碳和全氮储量季节变化和空间分布特征，并探讨可能的影响因素，以期为估算长江口滨海湿地碳、氮储量以及研究碳、氮循环“源—汇”过程提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

崇明东滩湿地(31°25′～31°38′ N，121°50′～122°05′ E)位于崇明岛东端(图1)，是长江口典型的冲淤型潮滩湿地，于2001年被列入“拉姆萨国际湿地保护公约”国际重要湿地名录[16]，具有重要的生态系统服务功能与社会经济价值。崇明东滩主要由团结沙、东旺沙和北八滧3块湿地组成，总面积约为326 km2[9]。崇明东滩湿地地势低平，坡度为0.02%～0.05%，土壤盐度为0.3%～0.6%，土质主要为盐碱性黏土及砂壤土，平均土壤粒径为26.47 μm[13]，年均潮差为2.43～3.08 m。崇明东滩属亚热带季风湿润气候区，四季分明，年均气温为15.5 ℃[17]，降雨充沛，年均降水量为1 143.7 mm，年际降水变化较大，主要集中在6—10月。区域内主要盐沼植被为芦苇群落、互花米草群落和海三棱藨草群落，其中，芦苇群落主要分布在高潮滩，互花米草群落主要分布在中潮滩，海三棱藨草群落大量分布在低潮滩[14]。

图1 研究区与采样样线概况Fig.1 Sketch map of the study area and distribution of the sampling transects

1.2 样品采集与处理

按照典型性、代表性和一致性的原则，在崇明东滩湿地布设北、中和南3条样线，依次从大堤向海沿高潮带(高程> 2.9 m)、中潮带(高程为2.2～2.9 m)和低潮带(高程<2.2 m)设置共10个采样点。其中，北样线从高潮滩向低潮带依次设置芦苇、互花米草、海三棱藨草和光滩区域采样点；中样线从高向低潮滩依次设置芦苇、互花米草和光滩区域采样点；南样线从高向低潮滩依次设置芦苇、海三棱藨草和光滩区域采样点。野外采样时间为2013年春季(3月)、夏季(6月)、秋季(9月)和冬季(12月)。

各样点利用直径为3 cm的柱状采泥器随机采集50 cm深度的土壤样品3份(5点混合采样法)，每5 cm一层，分层后进行装袋，随后将样品带回实验室做进一步处理。每个季度共采集土壤样品300个，各样点均设置3个平行样。

将土壤样品置于阴凉处自然风干，随后进行碎化处理，并去除石块、昆虫残体等杂质，最后将土壤过0.074 mm孔径筛之后装袋用于全氮含量测定。同时，取过筛之后的土壤0.5 g置于10 mL离心管并加入质量分数为10%的盐酸溶液静置24 h后进行酸化处理，去除其中的无机碳成分，将样品进行离心，去除上层酸液。之后用超纯水将酸化土壤进行清洗之后离心并将上层液体去除，重复3次之后将样品置于60 ℃烘箱中烘至恒重，用于有机碳含量测定[18]。

土壤容重采用100 cm3的环刀对各样点不同深度土壤进行采集，随即将土壤样品带回实验室烘干至恒重后称量，计算土壤容重。

1.3 数据分析与处理

处理好的土壤样品采用德国元素分析仪(VarioEL Ⅲ)进行土壤全氮和土壤有机碳含量的测定。采用以下公式计算不同植被地下土壤有机碳和全氮储量及土壤容重[19]。

某一土层i的相关储量计算公式为

RTN,i=Ni×Di×Ei×(1-g)，

(1)

RSOC,i=Si×Di×Ei×(1-g)。

(2)

土壤容重计算公式为

Di=Mi×Vi。

(3)

某一由k层组成的剖面全氮储量(RTN，g·m-2)和有机碳储量(RSOC，g·m-2)计算公式为

(4)

(5)

式(1)～(5)中，RTN，i为第i层土壤全氮储量，g·m-2；RSOC，i为第i层土壤有机碳储量，g·m-2；Ni为第i层土壤全氮含量，g·kg-1；Si为第i层土壤有机碳含量，g·kg-1；Di为第i层土壤容重，kg·m-3；g为粒径大于2 mm砾石的体积分数，%，由于崇明东滩湿地土壤粒径小于2 mm，因此g≈0；Ei为第i层土壤厚度，m；Mi为第i层土壤干重，kg；Vi为第i层土壤体积，m3。

采用SPSS 19.0软件对测试数据进行单因子方差分析与相关分析，采用Excel 2016和Origin 8.0进行数据处理与绘图。

2 结果与分析

2.1 崇明东滩湿地土壤碳氮储量空间分布

由图2可知，崇明东滩湿地土壤有机碳储量总体上呈现北样线高于中、南样线且由光滩向高潮滩芦苇区增长的分布特征。

图2 沿3条样线不同样点土壤有机碳和全氮储量分布Fig.2 Distribution of soil organic carbon and nitrogen stocks in the soil relative to sampling site

光滩区各样线土壤有机碳储量由大到小依次为北样线〔(1 176.25±149.41) g·m-2〕、南样线〔(806.42±105.00) g·m-2〕和中样线〔(699.16±90.66) g·m-2〕，低潮滩海三棱藨草区为北样线〔(1 764.29±261.17) g·m-2〕高于南样线〔(1 110.31±188.16) g·m-2〕，中潮滩护花米草区为北样线〔(2 701.57±211.40) g·m-2〕高于中样线〔(2 008.31±322.96) g·m-2〕。高潮滩芦苇区则由大到小依次为北样线〔(3 868.14±419.98) g·m-2〕、南样线〔(3 763.05±431.45) g·m-2〕和中样线〔(3 321.80±388.04) g·m-2〕。

崇明东滩湿地土壤全氮储量分布与土壤有机碳储量分布类似，也呈现从低潮滩向高潮滩增长的特征。由图2可知，光滩与芦苇区土壤全氮储量表现为北样线高于中、南样线，光滩区土壤全氮储量表现为北样线〔(194.08±20.70) g·m-2〕>中样线〔(138.90±15.71) g·m-2〕 ≈ 南样线〔(135.43±15.22) g·m-2〕，低潮滩海三棱藨草区为南样线〔(170.87±24.80) g·m-2〕高于北样线〔(132.49±15.69) g·m-2〕，中潮滩互花米草区为中样线〔(320.42±39.55) g·m-2〕高于北样线〔(162.30±19.74) g·m-2〕，高潮滩芦苇区由大到小依次为北样线〔(459.46±40.15) g·m-2〕、南样线〔(425.10±36.59) g·m-2〕和中样线〔(399.39±34.40) g·m-2〕。

2.2 土壤碳氮储量季节动态

崇明东滩湿地不同区域土壤有机碳和全氮储量由大到小依次均为冬季、秋季、夏季和春季，表明土壤有机碳和全氮储量呈现随时间变化而增加的趋势(表1～2)。

表1 研究区域土壤有机碳储量季节动态

表2 研究区域土壤全氮储量季节动态

2.3 东滩湿地不同盐沼植被土壤碳氮储量垂直分布特征

如图3所示，光滩土壤有机碳储量垂直分布的季节变化趋势相似，均表现为土壤有机碳储量随土壤剖面深度增加而增加，在>45～50 cm土层达最大值，从春季到冬季其最大值分别为(88.55±13.62)、(98.47±14.77)、(106.46±16.37)和(112.71±18.03) g·m-2，各季节之间无显著差异(P> 0.05)。3种盐沼植被带各季节土壤有机碳储量垂直分布特征相似。

图3 不同盐沼植被土壤有机碳储量的季节变化与垂直分布Fig.3 Seasonal variations and vertical distribution of soil organic carbon stock in the soil of the marsh relative to type of vegetation

海三棱藨草群落土壤有机碳储量在土壤表层较高，在>10～15 cm土层达最大值，从春季到冬季分别为(141.87±13.53)、(168.21±22.24)、(195.28±18.62)和(214.04±15.62) g·m-2，但季节间差异未达显著水平(P> 0.05)。互花米草群落土壤有机碳储量随深度增加而增加。春、夏和秋季有机碳储量在>25～30 cm土层分别为(225.11±69.65)、(248.90±58.33)和(278.74±73.57) g·m-2，冬季有机碳储量在>5～10 cm土层最高，为(296.22±12.26) g·m-2，此外，在>30～35 cm土层也存在一个储量峰值，为(275.82±39.31) g·m-2。芦苇群落土壤有机碳储量最大值集中分布在>25～30 cm土层，从春季到冬季分别为(361.80±87.29)、(410.82±103.40)、(459.34±148.01)和(519.09±157.89) g·m-2，但季节间差异未达显著水平(P> 0.05)。

由图4可知，各区域土壤全氮储量垂直分布与有机碳储量垂直分布特征相似。其中，光滩土壤全氮储量无明显波动，表层(0～5 cm土层)土壤全氮储量最高，从春季到冬季分别为(16.76±6.15)、(18.21±6.69)、(18.69±6.86)和(19.78±7.26) g·m-2，各季节之间无显著差异(P> 0.05)。各植被带土壤全氮储量不同深度间无显著差异(P> 0.05)，但具有不同的垂直分布特征。海三棱藨草全氮储量在>10～15 cm土层达最高，春季到冬季储量分别为(17.42±3.72)、(17.27±3.69)、(19.33±4.13)和(21.39±4.57) g·m-2。互花米草植被区土壤全氮储量以表层为最高〔(30.82±9.71)、(33.11±11.02)、(35.43±13.35)和(39.86±15.90) g·m-2〕，随土壤深度增加而呈先降低后增加趋势，在>20～25 cm土层又达到峰值，春季到冬季分别为(22.64±7.17)、(26.40±17.47)、(31.49±18.72)和(34.29±16.38) g·m-2。芦苇群落土壤全氮储量各季节均在>25～30 cm达最高值，春季到冬季分别为(47.74±9.67)、(48.74±10.30)、(50.90±10.97)和(56.74±12.00) g·m-2。

2.4 东滩湿地土壤有机碳储量与全氮储量的关系

对2013年崇明东滩湿地不同区域土壤有机碳储量与全氮储量进行相关性分析的结果(图5)显示，崇明东滩湿地0～50 cm深度土壤有机碳储量与全氮储量呈极显著正相关(P<0.01)，光滩、海三棱藨草、互花米草和芦苇区域相关系数分别为0.583、0.445、0.676和0.864。一般来说，土壤有机碳储量高的区域全氮储量也高，两者的变化趋势相对一致。

3 讨论

崇明东滩湿地土壤有机碳和全氮储量空间分布呈现从高潮滩向光滩减少的特征，且北样线高于中、南样线。盐沼植被对土壤有机碳、全氮储量分布起着重要作用。有研究表明植物近10%～40%的光合产物是通过根系生长和分泌作用进入土壤，其他则通过凋落物形式将有机质输入土壤[20]。中、高潮滩具有较长的成滩历史，经历过相对于低潮滩更长时间的沉积作用。同时，高潮滩植被也经过长时间演替由先锋物种海三棱藨草演替为目前的优势物种芦苇[21]，其生物量长期积累，因此以芦苇群落为主体的高潮滩土壤有机碳和全氮储量高于其他潮滩带。而互花米草作为外来物种，其植被的净光合速率、叶面积指数和生产力都高于本土植被[22]，使得互花米草区(中潮滩)比海三棱藨草区(低潮滩)及无植被生长的光滩区具有更高的生物量和碳氮转化能力，因此，以互花米草群落为主的中潮滩区域土壤有机碳和全氮储量相对较高。海三棱藨草群落位于低潮滩区域，作为长江口盐沼植被的先锋物种[23]，其生产力较低且受外源沉积物影响较大，所以其土壤有机碳与全氮储量略高于光滩区。近年来，长江输沙率约为145 Mt·a-1[24]，崇明东滩湿地作为典型的淤涨型湿地，其不同区域淤积量存在差别，表现为北部年淤涨量最大，约为19 cm·a-1，南部光滩与海三棱藨草区域呈现侵蚀趋势[18]。这可能是研究区域内土壤有机碳和全氮储量分布出现北样线高于中、南样线的原因。

笔者研究结果表明，崇明东滩湿地土壤有机碳和全氮储量均呈现从春季到冬季随时间推移而逐渐增加的趋势。其中，芦苇群落土壤有机碳、全氮储量年增长量分别为(983.68±73.91)和(85.22±6.45) g·m-2，互花米草群落土壤有机碳、全氮储量年增长量分别为(594.50±230.86)和(69.56±32.85) g·m-2，海三棱藨草群落土壤有机碳、全氮储量年增长量分别为(521.96±116.58)和(44.67±16.40) g·m-2。由于芦苇、互花米草和海三棱藨草群落在春季进入生长期[21]，无法进行大量光合作用生产营养物质，此时生物体的主要营养物质由根系吸收土壤中积累的物质来提供。同时，冬季到翌年春季，会有大量土壤有机碳分解矿化[25]，因此春季土壤中有机碳和全氮储量相对较低。夏季为植物的生长旺季，植物的叶片发育成熟，开始通过光合作用固定碳素并将其输送到土壤，因此土壤有机碳储量呈现增长趋势[26]。同时，该时期根系也发育成熟，土壤微生物大量繁殖且夏季温度适宜微生物进行固氮作用，所以土壤全氮储量也呈现增长趋势。在秋季，植被地上生物量枯萎，倒伏的茎叶为表层土壤提供了丰富的碳源与氮源，地下部分死根的腐解也为深层土壤提供碳源与氮源。

图4 不同盐沼植被土壤全氮储量的季节变化与垂直分布Fig.4 Seasonal variations and vertical distribution of total nitrogen stock in the soil of the marsh relative to type of vegetation

图5 不同区域土壤有机碳与全氮储量的关系Fig.5 Relationships between soil organic carbon and total nitrogen stocks relative to site

在秋季环境温度下降，土壤呼吸速率减弱，更有利于碳氮的积累[25]，所以，土壤对碳氮具有积累作用表现为土壤碳氮储量随时间推移而增加。而受潮汐作用最大的光滩区域，其土壤碳氮元素主要来自输沙沉积作用。在该区域，潮汐输入的颗粒物沉降，颗粒物附着的有机质成为光滩土壤中碳素与氮素的重要来源[27]，同时崇明东滩湿地为淤涨型湿地，表层土壤中碳氮物质在埋藏过程中随时间累积，导致土壤中有机碳和全氮储量呈现随时间推移而逐渐积累的趋势。

滨海湿地前沿的海三棱藨草群落土壤有机碳和全氮储量明显小于互花米草与芦苇群落。研究区域芦苇与互花米草群落地上部分和地下部分总生物量分别可达(4 655.1±717.1)和(5 750.7±813.1) g·m-2，而海三棱藨草群落总生物量为(812.7±127.4) g·m-2，明显小于芦苇和互花米草群落[18]。由此可见，盐沼植被生物量是影响河口盐沼湿地土壤有机碳和全氮储量的主要因素。此外，笔者研究结果表明不同植被类型0～50 cm深度土壤有机碳储量和全氮储量分布相似，表现为海三棱藨草群落土壤有机碳和全氮储量均在>10～15 cm土层最高，而互花米草、芦苇群落土壤有机碳和全氮储量均在0～5 cm和>20～30 cm土层达较大值。已有研究表明，崇明东滩盐沼植被海三棱藨草群落地下部分生物量垂直分布表现为>5～10 cm土层生物量最大〔(32.4±3.7) g·m-2〕，之后随土层深度增加而逐渐减小。互花米草群落地下部分生物量随土层深度增加呈现先增加后减少趋势，其地下部分生物量最大值出现在>30～35 cm土层〔(301.8±21.3) g·m-2〕。芦苇群落地下部分生物量垂直分布特征与互花米草群落相似，其地下部分生物量最大值出现在>30～35 cm土层〔(332.3±14.6) g·m-2〕[9]。笔者研究得出的同植被类型土壤有机碳储量和全氮储量垂直分布特征与上述结果相似，说明植物地下部分生物量等因素是盐沼湿地土壤有机碳和全氮储量的主要来源。植物体中的碳素与氮素很大一部分会通过凋落物形式输入土壤，表层土壤有机碳和全氮储量较高是受植被凋落物(地上部分)碳氮元素输入影响所致。深层土壤有机碳和全氮储量变化主要受植被根系的影响。而光滩则主要通过潮汐输入与输出、微生物分解与颗粒物沉降进行有机碳与全氮的垂直输送[28-29]。此外，笔者研究结果表明不同区域土壤有机碳与全氮储量之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)，这说明滨海盐沼湿地有机碳储量可反映土壤中潜在活性养分含量，对调节土壤养分有很大作用。同时，土壤有机碳与氮素循环间存在耦合关系，氮素的增加可促进植物的生长，进而增加有机碳积累，而有机碳的分解矿化也可促使氮素向湿地环境释放[30]。因此，土壤有机碳与全氮储量之间具有显著相关性。

4 结论

笔者对长江口盐沼湿地土壤有机碳与全氮储量时空分布特征进行研究。结果显示，崇明东滩盐沼湿地土壤有机碳、全氮储量空间分布呈现芦苇区域(高潮滩)> 互花米草区域(中潮滩)> 海三棱藨草区域(低潮滩上部)> 光滩，综合3条样线，东滩湿地北样线土壤有机碳、全氮储量高于中样线和南样线；土壤有机碳、全氮储量季节变化表现为从春季到冬季逐渐增加的特征；不同区域0～50 cm深度土壤有机碳、全氮储量垂直分布特征一致，总体表现为光滩和海三棱藨草有机碳储量在>10～15 cm土层最大，互花米草与芦苇有机碳储量较大值出现在0～10和>20～30 cm土层，土壤全氮储量垂直分布特征与有机碳相似，且与有机碳储量呈极显著正相关(P<0.01)。结果表明：植被类型是影响土壤有机碳、全氮储量分布的重要因素，潮汐与沉积作用主要影响光滩区域有机碳和全氮储量分布。

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(责任编辑： 李祥敏)

Distribution of Soil Carbon and Nitrogen Stocks in Salt Marsh Wetland in Dongtan of Chongming.

CHENHuai-pu,ZHANGTian-yu,GEZhen-ming,ZHANGLi-quan

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

Coastal salt marsh wetlands are important pools of carbon and nitrogen. Spatio-temporal distributions of the soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) stocks therein are affected by both biological and environmental factors. In this paper, spatio-temporal distribution and vertical distribution (0-50 cm) of soil organic carbon and total nitrogen stocks in the Dongtan wetlands during 2013 was studied. Results show that both the SOC and TN stocks varied seasonally, following an order of winter > autumn > summer > spring, and accumulated with the time passing by, and varied spatially, too, showing a decreasing order ofPhagmitesaustralisbelt in high tidal marsh >Spartinaalterniflorabelt in medium-tidal marsh >Scirpusmariqueterbelt in low-tidal marsh > bare mudflat. However, along the belts, regardless of vegetation, the SOC and TN stocks was higher in the northern transect than in the middle and southern transects. Vertically the stocks distributed in the soil profiles in similar patterns in all areas. Generally SOC stock peaked in the >10-15 cm soil layer in the mudflat andS.mariquetermarsh, and in the surface soil layer(0-10 cm soil layer) and the >20-30 cm soil layer in theP.australismarsh andS.alternifloramarsh. The vertical distribution of TN stock was quite similar to that of SOC stock, showing an extremely significant positive correlation (P<0.01). All the findings in this study suggest that in the study area the type of the vegetation in the salt marsh is the major factor affecting the SOC and TN stocks, while in the bare mudflat, tide and sedimentation are the major affecting factors.

saltmarsh wetland; SOC and TN stock; spatio-temporal distribution; Chongming Dongtan

2016-02-04

上海市科委“海洋科技”重点项目(14DZ1206004)；国家自然科学基金(41571083)；国家重点实验室自主课题(2015KYYW03)

S154.1

A

1673-4831(2017)03-0242-10

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.03.007

陈怀璞(1990—)，女，甘肃定西人，硕士生，主要从事湿地碳、氮循环方面的研究。E-mail： huaipuchen@163.com

① 通信作者E-mail： liquanzhang@sklec.ecnu.edu.cn