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湿地是全球重要的碳库[1]。高寒沼泽湿地所处区域年均气温低,但水热同步保证了沼泽植物的基本生长需求[2]。同样因为气候原因,植被凋落物和根系分解较低海拔湿地更为缓慢,经过长年累积,使得土壤中形成深厚的泥炭层。若尔盖高寒沼泽湿地面积达2576万hm2,占全国湿地总面积的48%,有机碳储量巨大,约为0.432 Pg[3]。对维持川西高原乃至整个青藏高原的陆地生态系统碳平衡与气候稳定有着重要意义。然而受气候变暖、疏干排水、过度放牧等因素的影响,沼泽湿地向沼泽化草甸-草甸-退化草甸逆向演替,退化趋势明显[4]。退化沼泽湿地由于无氧土壤条件的丧失,有机物会加速分解,从“碳汇”直接转变为“碳源”。据统计,高峰期退化面积甚至达到了20世纪60年代湿地面积的35%以上[5,6]。
在上述背景下,退化高寒沼泽湿地土壤有机碳及其组分如何演变成为当下研究热点。目前围绕此热点的研究主要集中在若尔盖湿地的有机碳空间分布特征[7]、不同景观类型泥炭地的有机碳矿化、储量[8-10]和活性有机碳组分[4,11,12]等方面。但前人研究聚焦于高寒沼泽湿地的“退化”时序上。
得益于国家生态治理力度的加强,水位提升和植被恢复措施被广泛用于退化高寒沼泽湿地的修复工程中。自2000年以来,针对20世纪60年代人为开挖的排水沟,若尔盖高原地区陆续实施了填堵工程[13,14],旨在抬升退化湿地地下水位;同时针对气候变化下,自然河流下切加剧、溯源侵蚀增加的趋势,也开展了在河网集水区下游构筑大型堤坝抬升水位的工程,增大集水区单元上的过水面积[15]。但水文恢复措施涉及的深层生态问题,仅仅停留在理论方面,缺少相关科研成果及文献支撑。在植被恢复方面,围绕水源涵养功能、土壤盐渍化、植被覆盖度降低的问题,开展了围栏育草、补播牧草等修复措施研究,取得较好的效果[16-19]。但众多学者提出,水文过程和养分过程对于湿地生态修复都至关重要,植被恢复应建立在环境修复的基础上,盲目的干扰和不合理的单纯植被恢复可能适得其反[20]。综上所述,前人在退化高寒沼泽湿地“恢复”时序上的研究主要集中于禁牧、轮牧、季节性放牧等措施下湿地植被恢复方面,而针对改善湿地水文环境的水位提升措施下湿地恢复研究尚属空白,这不足以支撑退化高寒沼泽湿地修复技术体系的建立。特别是在气候变化、双碳战略大背景下水位提升措施后退化湿地土壤有机碳含量及组分变化更亟待探明。
因此,以若尔盖县麦溪乡已实施多年水位提升和植被恢复工程的湿地为研究对象,研究不同恢复模式下各土层(0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm)土壤轻重组有机碳含量的变化及其关键影响因素。旨在为若尔盖高原地区退化高寒沼泽湿地生态系统修复提供理论基础和实践依据,同时也是我国积极应对气候变化、实现碳中和的现实需要。
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从图1可以看出,未退化湿地土壤TOC含量总体高于其他3种类型湿地。重度退化湿地各土层土壤TOC含量之间无显著差异(P>0.05);相较于重度退化湿地,不同恢复措施均能造成土壤TOC含量在各土层之间的明显分异,但最大值均出现在0—20 cm土层,未退化湿地最大值则出现在20—40 cm土层;已实施水位提升措施湿地0—20 cm和60—80 cm土层土壤TOC含量已恢复至未退化湿地水平,20—40 cm和40—60 cm土层土壤TOC含量虽仍显著低于未退化湿地(P<0.05),但较重度退化湿地和已实施补播草种措施湿地显著增高(P<0.05)。
从图2可以看出,未退化湿地土壤HFOC含量总体高于其他3种类型湿地。除未退化湿地外,其他3种类型湿地土壤HFOC含量最大值均出现在0—20 cm土层;未退化湿地各土层土壤HFOC含量之间无显著差异(P>0.05),2种恢复措施湿地各土层之间土壤HFOC含量大小规律与重度退化湿地一致,即随土壤深度增加而减少;水位提升措施仅能显著提升0—20 cm土层土壤HFOC含量(P<0.05),而补播草种措施对各土层土壤HFOC含量没有显著提升效果(P>0.05)。
图 2 不同类型湿地土壤重组分有机碳含量
Figure 2. Soil heavy fraction organic carbon contents indifferent types of wetlands
从图3可以看出,未退化湿地土壤LFOC含量总体高于其他3种类型湿地。除未退化湿地外,其他3种类型湿地不同土层间土壤LFOC含量大小规律一致,0—20 cm土层土壤LFOC含量均显著高于其他3个土层(P<0.05),而其他3个土层之间无显著差异(P>0.05);未退化湿地土壤LFOC含量最大值则出现在20—40 cm土层,并且显著高于其他3个土层(P<0.05);2种恢复模式湿地各土层土壤LFOC含量与重度退化湿地之间均无显著差异(P>0.05),且除0—20 cm外,其他土层土壤LFOC含量均显著低于未退化湿地(P<0.05)。综上可以得出,2种恢复措施均未显著改变土壤内LFOC含量,也未改变LFOC的垂直空间分布格局。
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由表1可知,退化湿地TOC、LFOC和HFOC两两之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)。已实施补播草种措施湿地和未退化湿地TOC和HFOC、LFOC和HFOC间呈极显著正相关关系(P<0.01),TOC和LFOC间呈显著正相关关系(P<0.05)。已实施水位提升措施湿地TOC和HFOC呈显著正相关关系(P<0.05),LFOC和HFOC间呈极显著正相关关系(P<0.01),TOC和LFOC间无显著相关性(P>0.05)。
表 1 不同类型湿地土壤有机碳与其组分相关系数
Table 1. Correlation coefficient between soil organic carbon and its fractions in different wetland types
指标Indexes HD RG WR UD TOC LFOC TOC LFOC TOC LFOC TOC LFOC HFOC 0.803** 0.786** 0.878** 0.850** 0.647* 0.882** 0.931** 0.723** LFOC 0.623** 0.621* 0.540 0.597* 注:**,P<0.01;*,P<0.05。
Note: ** indicates P<0.01; * indicates P<0.05. -
由表2可知,各土层土壤TN含量最大值均出现在未退化湿地,并且显著高于其他3种湿地(P<0.05)。各类型湿地TN含量大体上随土层深度增加而减小。相较于重度退化湿地,除0—20 cm土层水位提升措施能显著提升土壤TN含量外(P<0.05),2种恢复措施各土层土壤TN含量均与重度退化湿地无显著差异(P>0.05)。
表 2 不同类型湿地土壤因子
Table 2. Soil factors in different wetland types g/kg
指标
Index湿地类型
Wetland type土层 Soil layer 0—20 cm 20—40 cm 40—60 cm 60—80 cm TN HD 4.24±0.66Ca 3.25±0.29Bb 2.28±0.22Bc 1.62±0.18Bc RG 3.58±0.20Ca 2.70±0.09Bb 1.96±0.33Bc 1.51±0.21Bd WR 7.91±1.18Ba 3.24±0.70Bb 2.05±0.86Bbc 1.57±0.18Bc UD 10.17±1.05Aab 13.28±2.41Aa 12.82±2.22Aa 7.59±2.51Ab TP HD 0.95±0.23A 0.92±0.26 0.72±0.17A 0.78±0.02A RG 0.87±0.07Ba 0.83±0.04ab 0.75±0.06Ab 0.74±0.25ABb WR 0.56±0.19C 0.55±0.29 0.46±0.14B 0.48±0.02B UD 0.70±0.02BC 0.52±0.27 0.54±0.07AB 0.51±0.02AB TK HD 8.27±0.59A 8.20±0.20A 7.53±1.16A 8.03±0.40 RG 7.17±0.50AB 7.30±0.44AB 7.43±0.42A 7.77±4.45 WR 5.63±3.27AB 5.37±3.56AB 2.80±3.03B 5.50±0.40 UD 4.60±0.26B 4.57±0.21B 4.47±1.15AB 4.57±0.81 pH HD 8.08±0.11Ac 8.25±0.06Ab 8.34±0.07Aab 8.38±0.09Aa RG 7.84±0.11Bb 7.86±0.14Bb 7.98±0.13Bab 8.05±0.12Ba WR 7.67±0.14C 7.62±0.13C 7.61±0.18C 7.49±0.14C UD 7.55±0.03Cd 7.70±0.05Cc 7.88±0.09Bb 8.01±0.08Ba 注:TN,土壤全氮;TP,土壤全磷;TK,土壤全钾;pH,土壤酸碱度.下同
Note: TN, soil total nitrogen content; TP, soil total phosphorus content; TK, soil total potassium content, pH: soil hydrogen ion concentration. the same as below.与土壤TN相反,各土层土壤TP含量最大值出现在重度退化湿地,除20—40 cm土层外,土壤TP含量最低值均出现在已实施水位提升措施湿地,并且均显著低于重度退化湿地(P<0.05)。除已实施补播草种措施湿地外,其他类型湿地各土层土壤TP含量之间均无显著差异(P>0.05)。
各土层土壤TK含量最大值同样出现在重度退化湿地,除40—60 cm土层外,土壤TK含量最低值均出现在未退化湿地。虽然在40—60 cm土层,已实施水位提升措施湿地土壤TK含量最低,但未退化湿地土壤TK与其无显著差异(P>0.05)。同一类型湿地不同土层土壤TK含量之间无显著差异(P>0.05),表明土壤TK在垂直空间上没有明显分异。
重度退化湿地各土层土壤pH均显著高于其他类型湿地(P<0.05),2种恢复措施均显著降低了各土层土壤pH(P<0.05),特别是已实施水位提升措施湿地在20—40cm、40—60 cm和60—80 cm土层土壤pH甚至低于未退化湿地。
由图4可知,RDA1轴解释量为94.98%,RDA2轴解释量为5.01%,两者共同解释度为99.99%,表明各土壤因子对土壤有机碳组分具有极好的解释度。从各类湿地样品分布来看,重度退化湿地和补播草种湿地分布一致,集中于第二象限,并且重叠度较高,表明两类湿地有机碳组分结构上较为一致;而未退化湿地样品主要分布于第一象限,水位恢复湿地样地主要分布于第四象限,他们与前两类湿地在土壤有机碳组分结构上存在明显差异。从RDA空间排序中环境因子箭头朝向和分布点位置来看,TOC、HFOC和LFOC含量与TN、FD存在正相关关系。
图 4 土壤因子和土壤有机碳组分之间的冗余分析二维排序图
Figure 4. Ordination diagram of RDA analysis between soil organic carbon fractions and soil factors
由表3可知,TN、TP、TK、pH和FD对RDA排序的解释度均达到极显著水平(P<0.01)。TN解释度最高,R2值达到0.9759。各土壤因子解释度排序为TN>FD>pH>TK>TP。
表 3 各土壤因子对冗余分析排序的解释度
Table 3. Explanatory degree of soil factors to RDA ranking
土壤因子Soil factor RDA1 RDA2 R2 P TN 0.9547 0.2975 0.9759 0.001** TP −0.8327 0.5538 0.4029 0.001** TK −0.8582 0.5133 0.4575 0.001** pH −0.7771 0.6293 0.5103 0.001** FD 0.5028 −0.8644 0.602 0.001**
Effects of Different Restoration Models on Soil Light and Heavy Fraction Organic Carbon in Degraded Alpine Marsh Wetland
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摘要: 以若尔盖县麦溪乡已实施多年水位提升和植被恢复工程的高寒沼泽湿地为研究对象,分别采集重度退化(HD)湿地、未退化(UD)湿地以及不同恢复模式下湿地各土层(0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm)土壤样品,分析土壤有机碳轻重组分的变化及其与土壤因子的关系。结果表明:不同恢复措施均能造成退化湿地土壤总有机碳含量在各土层之间的空间分异,但补播草种措施不能显著提升各土层总有机碳含量;恢复措施对退化湿地土壤中重组分有机碳和轻组分有机碳含量提升效果不显著。综合RDA分析来看,单一补播草种措施短期内不能根本改善湿地退化状况,水位提升措施能使土壤碳组分结构趋近于未退化湿地,土壤TN是影响土壤有机碳组分的最关键因子,可作为反映高寒沼泽湿地恢复的关键指标。Abstract: The alpine marsh wetland in Maixi Township, Zoige County, which had been carrying out the water-level elevation and vegetation restoration projects for many years, were taken as the research object. Soil samples of different soil layers (0-20 cm, 20-40 cm, 40-60 cm, 60-80 cm) were collected from the heavily degraded (HD) wetland, non-degraded (UD) wetland and wetlands under different restoration models, and the changes of soil organic carbon compositions and their relationships with soil factors were analyzed. The results showed that different restoration measures could cause significant differences in the total organic carbon contents of degraded wetlands soil among different soil layers, but the replanting-grass-seed measure could not significantly improve the total organic carbon content in each soil layer. The restoration measures had no significant effects on the contents of heavy fraction organic carbon and light fraction organic carbon in degraded wetland soil. Based on the comprehensive RDA analysis, the single replanting-grass-seed measure could not fundamentally improve the wetland degradation in a short period of time, and the water-level elevation measure could improve the soil carbon fractions close to the non-degraded wetland. Soil TN was the most critical factor affecting the soil organic carbon composition and can be used as a key indicator to reflect the recovery of alpine marsh wetland.
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图 1 不同类型湿地土壤总有机碳含量
注:HD重度退化湿地;RG已实施补播草种措施湿地;WR已实施水位提升措施湿地;UD未退化湿地。不同大写字母表示同一土层不同类型湿地间显著差异(P<0.05),不同小写字母表示同一类型湿地不同土层间显著差异(P<0.05),下同
Fig. 1 Soil total organic carbon contents in different types of wetlands
Note: HD, heavily degraded wetland; RG, replanting-grass-seed implemented wetland; WR, water-level rise implemented wetland; UD, non-degraded wetland. Different capital letters indicate there are significant differences at the 0.05 level between wetland types in the same soil layer, different lowercase letters indicate there are significant differences at the 0.05 level between soil layers in the same wetland type, the same as below.
表 1 不同类型湿地土壤有机碳与其组分相关系数
Tab. 1 Correlation coefficient between soil organic carbon and its fractions in different wetland types
指标Indexes HD RG WR UD TOC LFOC TOC LFOC TOC LFOC TOC LFOC HFOC 0.803** 0.786** 0.878** 0.850** 0.647* 0.882** 0.931** 0.723** LFOC 0.623** 0.621* 0.540 0.597* 注:**,P<0.01;*,P<0.05。
Note: ** indicates P<0.01; * indicates P<0.05.表 2 不同类型湿地土壤因子
Tab. 2 Soil factors in different wetland types g/kg
指标
Index湿地类型
Wetland type土层 Soil layer 0—20 cm 20—40 cm 40—60 cm 60—80 cm TN HD 4.24±0.66Ca 3.25±0.29Bb 2.28±0.22Bc 1.62±0.18Bc RG 3.58±0.20Ca 2.70±0.09Bb 1.96±0.33Bc 1.51±0.21Bd WR 7.91±1.18Ba 3.24±0.70Bb 2.05±0.86Bbc 1.57±0.18Bc UD 10.17±1.05Aab 13.28±2.41Aa 12.82±2.22Aa 7.59±2.51Ab TP HD 0.95±0.23A 0.92±0.26 0.72±0.17A 0.78±0.02A RG 0.87±0.07Ba 0.83±0.04ab 0.75±0.06Ab 0.74±0.25ABb WR 0.56±0.19C 0.55±0.29 0.46±0.14B 0.48±0.02B UD 0.70±0.02BC 0.52±0.27 0.54±0.07AB 0.51±0.02AB TK HD 8.27±0.59A 8.20±0.20A 7.53±1.16A 8.03±0.40 RG 7.17±0.50AB 7.30±0.44AB 7.43±0.42A 7.77±4.45 WR 5.63±3.27AB 5.37±3.56AB 2.80±3.03B 5.50±0.40 UD 4.60±0.26B 4.57±0.21B 4.47±1.15AB 4.57±0.81 pH HD 8.08±0.11Ac 8.25±0.06Ab 8.34±0.07Aab 8.38±0.09Aa RG 7.84±0.11Bb 7.86±0.14Bb 7.98±0.13Bab 8.05±0.12Ba WR 7.67±0.14C 7.62±0.13C 7.61±0.18C 7.49±0.14C UD 7.55±0.03Cd 7.70±0.05Cc 7.88±0.09Bb 8.01±0.08Ba 注:TN,土壤全氮;TP,土壤全磷;TK,土壤全钾;pH,土壤酸碱度.下同
Note: TN, soil total nitrogen content; TP, soil total phosphorus content; TK, soil total potassium content, pH: soil hydrogen ion concentration. the same as below.表 3 各土壤因子对冗余分析排序的解释度
Tab. 3 Explanatory degree of soil factors to RDA ranking
土壤因子Soil factor RDA1 RDA2 R2 P TN 0.9547 0.2975 0.9759 0.001** TP −0.8327 0.5538 0.4029 0.001** TK −0.8582 0.5133 0.4575 0.001** pH −0.7771 0.6293 0.5103 0.001** FD 0.5028 −0.8644 0.602 0.001** -
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