（植物学专业论文）三江平原湿地主要植被类型碳氮储量及分布特征研究.pdf

摘要 表层的有机碳含量较高，容重较小，持水和蓄水性能强，这对于沼泽湿地调蓄 洪水的能力具有重要意义。 ( 5 ) 三江平 原 沼 泽 湿 地平 均沉积 速率为0 .2 5 c m - a 7 ， 沉积通量为0 .0 30 . 4 8 g -c m -2 .a - i ， 平 均为0 .2 9 g -c n i z -a , ( 6 ) 2 类沼泽湿地土壤全磷和全硫在垂直方向 上具有明显的分层和富聚现象: 相关性分析表明， 全磷和全硫与有机碳之间呈极显著的正相关( p 0 . 0 1 ) 。表明 植被类型是影响沼泽湿地土壤全磷和全硫空间分布的主要因素之一。 关键词:三江平原 沼泽 有机碳 全氮 分布特征 沉积速率 ab s t r a c t w e t l a n d i s o n e o f e c o s y s t e m s w i t h i m p o r t a n t e n v i r o n m e n t a l f u n c t i o n s a n d h a b i t a t s f o r v a r i o u s b i o t a o n t h e e a r t h . o r g a n i c c a r b o n ( c ) c y c l i n g i n w e t l a n d e c o s y s t e m s p l a y s a v e ry i m p o r t a n t r o l e i n g l o b a l o r g a n i c c c y c l i n g a n d c l i m a t e c h a n g e . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f o r g a n i c c a c c u m u l a t i o n i n w e t l a n d e c o s y s t e m s c a n p r o v i d e i m p o r ta n t i n f o r m a t i o n n o t o n l y o f t h e s o u r c e , h i s t o ry a n d p r e s e n t c o n d i t i o n o f o r g a n i c c , b u t a l s o t h e i mp a c t o f c l i ma t e c h a n g e o n o r g a n i c c c y c l i n g . a t t h e s a m e t i m e w e t l a n d s i s a n i m p o r t a n t a c c u m u l a t i o n s t o r e r o o m o f t o t a l n i t r o g e n ( n ) w i t h t h e f u n c t i o n o f t o t a l n s w i t c h . t h e r e f o r e d i s t r i b u t i o n a n d s t o c k o f o r g a n i c c a n d t o t a l n i n w e t l a n d s y s t e m s a r e g r e a t l y n o t i c e d b y g l o b a l e n v i r o n m e n t a l c h a n g e p r o j e c t . s a n j i a n g p l a in i s t h e m o s t m a r i s h l o w p l a i n w i t h d i v e r s i fi e d m a r s h e s i n c h i n a . p r o f i l e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d a c c u m u l a t i o n o f o r g a n i c c a r b o n ( c ) a n d t o t a l n i t r o g e n ( n ) w e re s t u d i e d i n t w o t y p i c a l m a r s h e s ( c a r e x l a s i o c a r p a m a r s h a n d p h r a g m f e s c o m m u n is m a r s h ) i n s a n j i a n g p l a i n . s e d i m e n t a t i o n c h a r a c t e r s o f t y p i c a l m a s h e s w e re a n a l y z e d p r e l i m i n a r i l y i n s a n j i a n g p l a i n . t h i s p a p e r p r e s e n t s o r g a n ic c a n d t o t a l n a c c u m u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f o r g a n i c c a n d t o t a l n a c c u mu l a t i o n i n w e t l a n d e c o s y s t e m s . i t p r o v i d e s t h e b a s i c i n f o r m a t i o n f o r o r g a n i c c a n d t o t a l n s t o r a g e i n w e t l a n d e c o s y s t e m s i n c h i n a . t h e i n f o r m a t i o n a n d m e t h o d s a r e m a d e a v a i l t o f u r t h e r u n d e r s t a n d i n g t h e p r o c e s s e s a n d f u n c t i o n o f w e t l a n d e c o s y s t e m s . t h e res u l t s a r e s u mma r i z e d a s f o l l o ws : ( 1 ) t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s e d i m e n t p r o f i l e s o f c . l a s i o c a r p a m a r s h a n d p . c o m m u n i s m a r s h c a n b e b o t h d i v i d e d i n t o a n o r g a n i c c d e p o s i t i n g h o r i z o n ( t h e u p p e r l a y e r s ) a n d a m i n e r a l - i l l u v i a l h o r i z o n ( t h e l o w e r l a y e r s ) b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e d i s t r i b u t i o n o f o r g a n i c c . b o t h o f t h e o r g a n i c c d e p o s i t i n g h o r i z o n s h a d a d e p t h o f a b o u t 6 0 c m , in w h ic h t h e c o n t e n t o f o r g a n i c c w a s a b o u t %a n d 1 8 4 g -k g 1 o n a v e r a g e , a n d t h e c o n t e n t o f t o t a l n w a s a b o u t 7 .4 a n d 1 7 .6 g -k g o n a v e r a g e , r e s p e c t i v e l y ; i n m i n e r a l - i l l u v i a l h o r i z o n , t h e y w e re s t a b l e a t a l o w l e v e l . t h e c o r r e l a t i o n a n a l y s i s s h o w e d仕 ia t th e c o n t e n t o f o r g a n i c c a n d t o t a l n w e r e e x p o n e n t i a l l y d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g d e p t h i n t w o s e d i m e n t p rof d e s ( p 0 . 0 1 ) . ab s t r a c t ( 2 ) t h e o r g a n i c c a n d t o t a l n d e n s i ty w e r e t h i c k e s t a t t h e d e p t h o f 2 0 - 4 0 c m i n c . l a s i o c a r p a m a r s h a n d尸c o m m u n i s m a r s h . i t w a s c a l c u l a t e d t h a t t h e s t o c k o f o r g a n i c c w a s 1 ,8 3 x 1 0 4 a n d 1 .7 3 x 1 0 4 t -k m z , a n d t h e s t o c k o f t o t a l n w a s 1 .4 5 x 1 0 3 a n d 1 .6 7 x 1 护t -k m -z i n o r g a n i c c d e p o s i t in g h o r iz o n in t w o t y p i c a l m a rs h e s , r e s p e c t i v e l y ; t h e s t o c k o f o r g a n i c c w a s 2 . 8 6 x 1 0 4 a n d 2 .6 2 x 1 0 4 t k m , a n d th e s t o c k o f t o t a l n w a s 2 . 1 8 x 1 0 3 a n d 2 .4 9 x 1 0 3 t -k n t z i n 1 0 0 c m , r e s p e c t i v e l y . ( 3 ) t h e c o n t e n t o f t o t a l o r g a n i c c a n d t o t a l n o f c . l a s i o c a r p a w e re b o t h l o w e r t h a n t h o s e o f p . c o m m u n i s ， a c c o r d i n g w i t h t h e t r e n d s o f t h e c o n t e n t a n d s t o c k o f t h e t y p i c a l m a r s h e s s o i l . t h e r e s u l t s s h o w e d v e g e t a t i o n t y p e w a s o n e o f t h e m a i n f a c t o r s w h i c h h a d d e f in i t e e ff e c t s o n t h e s p a c i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e t o t a l o r g a n i c c a n d t o t a l n o f t h e t y p i c a l m a r s h e s . ( 4 ) t h e r e w e r e s i g n i f i c a n t n e g a t i v e c o r r e l a t i o n b e t w e e n c o n t e n t o f o r g a n i c c a n d b u l k d e n s i ty i n s e d i m e n t p r o fi l e s o f t h e t w o t y p i c a l m a r s h e s ( p 0 .0 1 ) . i n t h e s u r f a c e l a y e r o f t w o ty p i c a l m a r s h e s , t h e c o n t e n t o f o r g a n i c c w a s h i g h e r , b u t b u l k d e n s i ty w a s l e s s . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c h a r a c t e r o f w a t e r h o l d i n g a n d c o n s e r v a t i o n i n t w o ty p i c a l m a r s h e s w a s s t r o n g , a n d i t h a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f o r fl o o d a c c o m m o d a t i n g a n d s l u i c e . ( 5 ) t h e s e d i m e n t a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e t y p i c a l m a s h e s a n a l y z e d p r e l i m i n a r i l y i n s a n j i a n g p l a i n w e t l a n d , a n d t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e m e a n s e d i m e n t a t i o n r a t e w a s 0 .2 5 c m -a l , a n d t h e s e d i m e n t a t i o n fl u x e s w a s 0 .0 30 .4 8 g -c m 2 -a ( m e a n = 0 .2 9 g -c m z -a ) . ( 6 ) r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s e s o i l c h e m i c a l e l e m e n t s a l s o v a r i e d v e r t i c a l l y , s h o w in g o b v i o u s s t r a t i fi c a t i o n a n d e n r i c h m e n t . i n t h e s o i l p r o fi l e , t o t a l p u n d e r c . l a s i o c a r p a d e c r e a s e d f i r s t a n d t h e n i n c r e a s e 氏w h e re a s d e g r e a s e d w i t h t h e i n c re a s i n g d e p t h u n d e r c . l a s i o c a r p a ; t o t a l s w e re d e c r e a s e d w i t h i n c re a s i n g d e p t h u n d e r t h e b o t h m a r s h e s . t h e r e l a t i v i ty a n a l y s i s s h o w e d t h a t t h e c o n t e n t o f t o t a l p a n d t o t a l s w e r e b o t h s t r o n g l y c o r r e l a t e d w i t h s o i l o r g a n i c c ( p 0 .0 1 ) . o u r s t u d y a l s o i l l u s t r a t e d t h a t t h e v e g e t a t i o n t y p e s h a d d e f in i t e e ff e c t s o n t h e c o n t e n t o f t o t a l p a n d t o t a l s o f t h e m a r s h p r o f i l e s . k e y w o r d s : s 呵i a n g p l a i n ; m a r s h ; o r g a n i c c a r b o n ; t o t a l n i t r o g e n ; d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ; s e d i m e n t a t i o n v e l o c i ty . 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、 保存、 使用学位论文的规定 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : ,44 叫 ， 心 叼 年歹 月 吟日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密*1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 机密 2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 专 a v ir v 月年 5月 y v - 日 第一章前言 第一章前言 1 . 1 背景知识简介 1 . 1 . 1 湿地的定义与特征 湿地( w e t l a n d s ) 是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统， 是重要的生存 环境和自 然界最富生物多样性的生态景观之一。在抵御洪水、调节径流，改普 气候、控制污染，美化环境和维护区域生态平衡等方面有其它系统所不能替代 的作用。被誉为 “ 地球之肾”、 “ 生命的摇篮”、 “ 文明的发源地”和 “ 物种 的基因库”。因而在世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并列为全球 三大生态系统。 由于湿地学是一门自 身科学体系尚待完善的学科，湿地科学定义还众说纷 纭，目 前已 统计到的定义近6 0 种11 ,2 .3 1 。 湿地科学定义可归纳为以下几类: 从生 态学角度，湿地是介于陆地与水生生态系统之间的过渡地带，并兼有两类系统 的 某些特征14 ; 其地表为浅水覆盖或者其水位在地表附近变化; 从资源学的角 度， 凡是具有生态价值的水域( 只要其上覆水体水深不超过6 m ) 都可视为湿地， 不管它是天然的或是人工的，永久的还是暂时的:从动力地貌学的角度，湿地 是区别于其它地貌系统( 如河流地貌系统、海湾、湖泊等水体) 的具有不断起伏 水位的、水流缓慢的潜水地貌系统:从系统论的观点，湿地是一个半开放半封 闭的系统。一方面，湿地是一个较独立的生态系统，它有其自身的形成发展和 演化规律。另一方面，湿地又不完全独立，它在许多方面依赖于相邻的地面景 观， 与它们发生 物质和能量交换， 也影响邻近系统的活动s 1 按照国际湿地公 约( r a m s a r 公约) 中的定义: “ 湿地是指不问 其为 天然或人工、 长久暂时性的沼泽地、 泥炭地、 水域地带， 静止或流动的淡水、 半咸水、 咸水， 包括低潮时深不 超过6 m的 海水水域”6 1 . 它不是湿地学的科学定义， 其原因 在于它未揭示出湿地的科学概念与内涵的实质，内涵与外延还不明确，实质上 这是个湿地管理定义。它比较具体，有明显的边界，具有法律的约束力，在湿 地管理工作中易于操作。另外，凡签署加入国际湿地公约的缔约国都已经接受 这一定义，在国际上具有通用性( 表1 . 1 ) a 第一章前言 表 1 . 1 湿地公约中划分的湿地类型 t a b l e 1 . 1 t h e w e t l a n d s d e fi n e d i n r a ms a r c o n v e n t i o n 海洋和海岸湿地 永久性浅海水域 海草层 珊瑚礁 岩石性海岸 砂滩、 :砾石和卵石滩 河口水域 滩涂 盐沼 潮间带森林湿地 咸水、碱水泻湖 内陆湿地 永久型内陆三角洲 永久性河流 时令河 湖泊 时令湖 盐湖 时令盐湖 内陆盐沼 时令碱、咸水盐沼 永久性的淡水草本沼泽、 沼 泛滥地 草本泥炭地 高山湿地 苔原湿地 灌丛湿地 淡水森林沼泽 森林泥炭地 淡水泉及绿洲 地热湿地 内陆岩溶洞穴水系 人工湿地 水产池塘 水塘 灌溉地 农用泛洪湿地 盐田 蓄水田 采掘区 废水处理场所 运河、排水渠 地下输水系统 海岸淡水湖 海滨岩溶洞穴水系 我国科学家将湿地定义分为两类，即科学定义与管理定义7 1 。认为湿地的 科学定义应为: “ 湿地是一类既不同于水体， 又不同于陆地的特殊过渡类型生态 系统，为水生、陆生生态系统界面相互延伸扩展的重叠空间区域。该系统的生 产者是由湿生、沼生、浅水生植物组成。消费者是由湿生、沼生、浅水生动物 组成。分解者是介于水体与陆生生态系统之间的过渡类群组成的。该系统与周 围相邻的系统有密切关系，与它们发生物质和能量交换。湿地应该具有三个突 出的 特征: 湿地地表长期或季节性地处在过湿或积水状态: 地表生长有湿生、 沼 生 、 浅 水 生 植 物 ( 包 括 部 分喜 湿的 盐 生 植 物) ， 且 具有 较高 的 生 产力。 生活 湿 生、 沼生、 浅水生动物和适应该特殊环境的微生物群: 发育水成或半水成土壤， 并具有明显的潜育化过程气 湿地生态系统通常处于陆地生态系统( 如森林和草地) 和水生生态系统( 如湖 第一章前言 泊和海洋) 之间的过渡区域， 一般是由 湿生、沼生和水生植物、 动物、 微生物等 生物因子以及与其紧密相关的阳光、水分、土壤等非生物因子构成的。通过营 养物质循环和能量流动相互联系、 相互制约， 处于一个相对稳定的平衡体系中， 表 现出 一 系列 特有 的 特点 和功能 (z . 1 o ( 1 ) 由 于 受人为活 动和复杂的自 然条 件等因 素的影响， 湿地生态系统类型及生物物种具有多样性。 ( 2 ) 湿地生态系统是处于 水陆交界的生态脆弱带，因而易受到自 然条件及人为活动的干扰，生态平衡极 易受到破坏。 ( 3 ) 湿地生态系统是地球上最富有生产力的生态系统之一。 ( 4 ) 湿地 生态系统具有水陆两种生态系统的地带性分布特点，表现出水陆相兼的过渡型 分布规律。 ( 5 ) 湿地生态系统是一个由 低级向高级发展、由不成熟向 成熟演替的 生态系统，它既具有成熟生态系统的性质，又具有不成熟生态系统的性质。 湿地科学是地理科学、环境科学、水文科学、生态科学和资源科学等多学 科交叉形成的边缘学科，湿地科学是研究湿地形成、发育、演化、生态过程、 功能及其机制和保护与利用的科学。学科属性应划为地球科学，是其一个主要 声分 湿 地 科 学 还 可 以 继 续 划 分 为 理 论 湿 地 学 和 应 用 湿 地 学 等 不 同 级 别 的 分 支 学科。 湿地广泛分布于世界各自 然地带( 表1 .2 ) 。 世界检测中心认为全球湿地总面 积为8 .5 6 x 1 0 8 h m z ， 约占 世界陆地面积的6 .4 %. 我国湿地面积达6 . 5 9 x l 护h m z . 居亚洲第一、世界第四位，几乎囊括了国际湿地公约的所有湿地类型，并拥有 世界上独特的青藏高原湿地9 。由于湿地兼有水陆两类生态系统的某些特征， 因而具有多种生态功能和经济与社会价值，湿地已成为人类赖以生存和发展的 自 然资源宝库与生存环境。为此，湿地科学研究受到越来越多的关注，已成为 当今世界所关注的重点学科与研究领域。 中国疆域辽阔，南北贯穿热带、亚热带、暖温带、温带和寒温带，东西横 跨湿润、半湿润、半干早和干早等气候带，自 然条件的复杂性形成了生态系统 和物种的多样性。中国森林生态系统有 1 6 类， 约 1 8 5 个生态系统， 草地植被4 大类型， 5 6 个草原生态系统， 荒漠和高山植被有5 大类型， 7 9 个荒漠生态系统。 中国湖泊数量众多， 类型复杂，按其生物地理特征分为5 大类型;中国东濒太 平洋，海岸线总长 1 . 8万公里，湿地和滩涂面积辽阔，几乎具有所有类型的湿 地并包括世界上最重要的湿地。 目 前已 有6 个被列入国际重要湿地名录( 黑龙江 的扎龙，吉林的向海，江西的都阳湖，湖南的东洞庭湖，广东的东寨港，青海 青海湖鸟岛) 。 第一章前言 表 1 . 2 世界湿地分布 t a b l e l . 2 t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e we t l a n d s i n t h e wo r l d 地区面 积 ( x 1 0 , h m 2 )占陆地面积( %) 亚寒带 湿润半湿润 湿润半湿润 半干早 干早 亚热带 热带 湿润 半湿润 干早 湿润 半湿润 干早 合计 0 . 2 0 2 . 5 6 0 . 5 4 0 . 3 4 0 . 1 4 1 . 0 8 0 . 6 3 0 . 4 4 2 . 3 2 0 . 2 2 0 . 1 0 8 . 5 9 0 . 1 5 1 .9 1 0 . 4 0 0 . 2 5 0 . 1 0 0 . 8 0 0 . 4 7 0 . 3 3 1 . 7 3 0 . 1 6 0 . 0 8 6 . 3 8 注: 引自m i t s c h 二是养分元素n , p , s 等的生物地球化学过 程研究。随着社会的发展，环境的恶化，全球变化背景下湿地土壤碳循环的研 究已成为湿地研究的热点。 1 . 1 . 3 . 1 湿地土壤碳研究 自翻气俄用艘 印井度 人为皿. 图1 . 1 全球碳循环及其与自 然气候系统和人为扰动的相互作用示意图 f i g . l . l c o m m u t a t i v e e ff e c t o f g l o b a l o r g a n i c c a r b o n c y c l e a n d n a t u r a l c l i m a t e s y s t e m a n d ma n - ma d e d i s t u r b 实箭头表示碳流向，虚线空箭头表示相互作用通道 陆地生态系统碳固定的研究日益受到各国政府和科学家的重视。农业土壤 有机碳储存及其动态变化对全球变化的影响具有重要意义6 1 ,6 2 1 。 湿地是水陆相 互作用形成的独特的生态系统，在稳定全球气候变化中占有重要地位。湿地碳 循环( 图 1 . 1 ) 的研究已 成为当前全球气候变化和碳循环研究的重要组成部分 6 3 ,6 4 1 。 研究表明， 湿地土壤和泥炭是陆地上重要的有机碳储存库，其单位面积 碳储量 在陆地各 种生 态系统中 最高6 5 1 。 联合国 粮农组织的 世界森林状况报告综 第一章前言 合了d i x o n 和s c h l e s i n g e r 的 研究， 认为 湿地占 全球陆地生物圈 碳总量的7 % . 而我国 学者吕 宪国 认为湿地占 全球陆 地碳库总 储量的1 5 % 6 6 7 1 . 天然湿地条件下，湿地土壤的多水状态往往导致土壤还原环境。在此条件 下，土壤中好氧微生物活动弱，大量的动、植物残体分解缓慢并以有机质或泥 炭的方式在湿地土壤中赋存并积累，使湿地土壤成为地球上天然的碳 “ 库”或 碳 “ 汇”。湿地中的碳主要储存在土壤和植物体内，其中9 0 %以上的碳储量储 存在土壤中。全球湿地土壤碳储量为 3 5 0 - 5 3 5 g t ，占全球土壤碳储量的 2 0 0/ - -2 5 % 6 1 1 。 全球湿地碳储量的绝大多数储存在泥炭湿地中， 而9 0 % 的泥炭地 分布在北半球温带及寒带地区6 8 1 。有资料表明，全球森林泥炭地土壤碳储量约 为5 4 1 g t ，占陆地生态系统土壤碳储量的3 4 . 6 %. g o r h a m估计有4 5 5 g t 的土壤 有机碳储存在北方和次极地的泥炭地，占 全球土壤有机碳储量的近 1 / 3 6 9 .7 0 1 . m a l t b y ( 1 9 9 2 ) 估 计 全 球共有泥 炭地面 积3 9 8 5 万h m 2 ， 每年 积累 碳素总 量为9 8 5 0 万t ， 固定在泥炭地中的碳总量达4 6 0 0 亿t 。 虽然温带湿地的覆盖区域只占全世 界热带森林面积的2 %， 但其对碳平衡的贡献率却高达 1 51 8 % 7 1 。 我国学者马 学慧等人研究表明，三江平原沼泽地表有机干物质碳的积累量大于土壤有机物 质的释放量，沼泽地表也有不同程度的有机质积累，沼泽地已成为三江地区的 碳储量 库7 2 - 7 4 1 . 我国 若尔盖高原泥 炭面 积4 .6 - 1 0 5 h m 2 ， 泥炭干容重储量1 .4 7 x 1 护 万吨，无论面积和储量均居全国首位，加之自然生境保护好，使得该区沼泽土 壤 成 为巨 大的 碳 储 库 7 5 1 湿地土壤由 于 受到人类活动( 如排干、 农耕等) 的强烈影响， 温度、 水分状 况和植被类型的改变， 必然引起碳平衡的改变。 温度升高和湿地水分被排干后， 其通气性能改善， 动植物残体的分解速率加快， 有机质分解速率大于积累速率， 湿地则由c 0 2 的“ 汇” 变成c 0 2 “ 源”，湿地碳循环模式的改变对大气中c 0 2 浓度可能具有潜在的 影响【 7 0 1 . f r a n z e r 估计， 如果全球沼泽湿地全部排干， 碳的 释放量 相当 于森林砍伐和化石燃料排放量的3 0 - 5 0 % 7 6 1 。 加拿大b o r e a s 对北 方湿地的研究表明，在气候变得较温暖干早时，泥炭地由原来的c 0 2 的 “ 汇” 变 成c 0 2 的“ 源 ， 7 71 湿地土壤有机碳除以c 0 2 的形式丧失外， 还可以c 氏气体形式向大气排放 丧失， c i -1 4 是仅次于c 0 2 的温室气体。 湿地是最大的c 氏排放源， 天然湿地c i - 4 排放量占 全球排放总量的 1 / 5 ，天然和人工湿地 c i - 4 排放量占 全球排放总量的 4 0 % 7 8 1 0 湿地土壤对c i - 4 具有“ 源” 和 “ 汇”的 双重效应， 一方面在 湿地厌氧 第一章前言 条件下，甲烷菌分解土壤中的有机质产生c h 4 ，另一方面在好气土壤中c 1 1 4 又 可被氧化菌所氧化。自1 9 8 0 年以来的 1 0 0 余年间，湿地 c h 4 释放量己从每年 8 3 0 0 万t 上升到1 . 1 1 亿t ， 平均每年新增2 8 0 0 万t 7 9 1 0 判断湿地是温室气体的 源还是汇， 取决于c 0 2 的 吸收和c 1 1 4 的排放平衡。 m a l t b y 综合分析了 湿地土壤 碳 “ 汇” 与c 践的“ 源” 的双重效应间的平衡，以c h 4 的升温潜力比c 0 2 的大 1 0 倍计算1 7 9 1 ， 如果c 0 2 对c h 4 的 碳固定与 释放之比 维 持在 1 0 : 1 ， 则说明 湿地 表现为负温室效应，对碳这类放热气体就会起到净 “ 汇”作用，反之则起到净 “ 源” 作用。由于多数湿地的c 仇的固定量都比c 1 1 4 释放量大 1 0 倍以 上，因 此多数湿地都是负性温室效应的。 湿地土壤碳的循环是个复杂的过程，碳的储存和排放是生物、土壤、气候 和人类活动各个系统之间相互作用的结果。各系统之间的相互作用直接影响到 土壤有机质的组成、结构以 及矿化过程的方向与速度8 0- 8 2 1最终影响到土壤碳 循环的速度与方向。 1 . 1 .3 .2 湿地土坡氮研究 湿地是自 然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一， 具有巨大的环境调节功能和效益，对维持自 然界自然生态过程和平衡起着十分 重要的作用。n素作为一种湿地营养水平指示剂，常常是天然湿地或人工湿地 ( 水稻田 ) 土壤中的 主 要限 制性养分18 33 . ;同时也是江河、 湖泊等永久性淹水湿地 发生富营养化的主要诱因之一。2 0世纪 8 0年代以来，人类活动引起的生态系 统生产力下降土地退化、水体富营养化、酸沉降、温室效应和臭氧层破坏等一 系列与n循环过程有关的全球性问题日 趋严重。因此， 湿地作为n素的源、 汇 或转化器的功能在生态学和环境科学领域日渐受到重视。湿地能够截留和滤过 大量陆 源n污染物， 被誉为 “ 自 然之肾 ” ， 在水质保护方面发挥着重要的 作用 94 1 湿地土壤中n素含量及其迁移转化过程也显著影响着湿地生态系统的结构和功 能以 及湿地生产力8 5 ,8 6 1湿地中n 2 0等温室气体排放量的 增加会加剧全球变暖 趋势以及对臭氧层的破坏，进而会给湿地物种的分布、生物多样性以及植物的 生长带来极为深刻的影响。 所以湿地n循环研究逐渐成为国际社会关注的热点 研究领域之一。 就目 前而言，国内外对湿地生态系统的n循环过程研究还不成 熟，尤其国内对该领域的研究还存在许多空白点。 从n储量看， n素主要贮存在地壳、陆地、海洋、 湿地和大气圈中。国内 第一章前言 外学者已 对岩石、 陆 地和海洋以 及大气圈中的n素贮存量做了 大量研究 【8 7 ,8 8 1 但对湿地n素 贮量的 研究还仅仅局限在局地尺 度上18 4 ,8 9 1 ， 有待于从区域 或全球 尺度上作进一步研究。 从n素形态上看， 有机n是湿地土壤n素的主要形态， 约占湿地土壤全n 含量 的9 5 % 以 上 8 9 , d o w n in g 等8 3 :发 现温 带 生 态 系 统中 的 河流 湿 地 在尚 未 受 到 严重干扰的情况下 常富 含可溶性有机n ( d o n ) ， 约为 全n的3 5 % 。 土壤中的 矿 质态n是湿地生态系统中总n库的过渡库，主要包括n 氏一 和n 0 3 - n ，该形 态n素可 被植物直 接吸收和利用， 但其含量较低， 不足土壤全n的2 % 9 0 1 。 从 影响因子看， 环境因子强烈制约着土壤n素的累积和损失。 土壤n素含量具有 一定的生物气候地带性，一般呈随温度和降水量的增加而增加的变化趋势，但 温度的 增加又易导 致 有机质分解加速8 8 1 , j a c o b s o n 等19 1 研究发现千早区湿地土 壤n含量与土壤有 机质、裁粒含量相关。 h a n a 等9 z 研究表明 湿地土壤中的n 素含量与土壤孔隙 水中的n h 4 - n的含量密切相关。 此外， 人类活动也是重要影 响因 子 之 一。 m c k i n n e y 等 9 3 1发 现 排放 污 水 和 施 用n 肥 是 滨海 盐沼 湿 地 的 主 要n 源。 在空间分布研究方面，国内外许多学者对湿地n素的垂直分布和水平分布 进行了研究，结果显示n素多集中分布在土壤剖面的上部土层，由表层向下呈 下降 趋势; 湿地土 壤n素在水平分布上具有高 度的 异质性【9 4 ,9 5 1 , m a r t i n 等运用 n过程模型模拟研究了 湿地n素的空间分布规律19 6 1 1 . 1 . 3 .3 湿地沉积研究 沼泽沉积属陆 相沉积的一种9 7 1 ，指沼泽环境下的沉积。沼泽沉积分为自 源 沉积与异源沉积。沼泽沉积物主要由 粘土和有机质组成，泥炭沼泽以生物沉积 作用为主，而潜育沼泽以矿质沉积为主。沉积环境和沉积作用是人类认识自 然 的天然实 验室9 8 1 ， 沼 泽发育过程中 堆积的 各类沉积物真实地记录着区 域环境 演 变与沼泽发育过程。沼泽沉积与环境研究是湿地科学的基础之一，我国虽已 有 初步积累，但缺乏系统研究，尤其缺乏近代短时间尺度高分辨率环境变化历史 记录研究，这方面与湖泊沉积及其环境演变研究已形成一定的差距。中国沼泽 研究起步较早， 但 研究进展缓慢， 整体上与国 际先进水平存在一定差 距9 1 就沼泽湿地现代沉积而言，国外研究起步于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初。 比 较集中 或系统的 研究工作如: 美国路易斯安那l o u i s i a n a 州立大学湿地生物地 球化学研究所 d e l a u n e 在 p a t r i c k教授的指导下，于 1 9 7 6 年开始对路易斯安那 第一章前言 盐沼土壤营养转化进行研究。 d e l a u n e 等9 1 1 9 7 8 年在n a t u r e 上发表文章， 首次 将13 7 0 3 测年方法用于路易斯安那海岸沼 泽沉积速率的 研究中。 基于1 3 7 c s 剖面 比降，被致密的植被所固定，沉积物沉降至沼泽表面是稳定的，对己沉降的沉 积物没有明 显的生 物成因的 扰动出 现99 - l o l l 。 这一研究结论带动了 后来大批科学 家从事湿地现代沉积过程与营养物质累积等方面的研究工作，对学科发展起到 了引导作用。在此之后，1 9 7 92 0 0 0年长达 2 0年时间，d e l a u n e 和他的同事分 别对路易斯安那盐沼、密西西比 m i s s i s s i p p i 河三角洲海岸湿地、弗罗里达、 e v e r g l a d e s大沼泽、欧洲北部海岸湿地的沉积过程与营养累积等进行了研究， 得出了 大量具有原创性的结 论， 确立了 1 0 2 - 川 1 学科优势地位。 国内 学者利用2 1 o p b , 1 3 7 c s 方法对湖泊现代沉积物进行测年研究， 并已 积累 了一批研究成果 1 1 2 - 1 1 4 1 。 近3 0 年来， 2 1 0 p b 广泛用于现代沉积速率的测定， 取得了 很好的 进展， 显示出 2 1 o p b 在百 年时间尺度上的沉积物计年价 值 11 5 。自 2 0 世纪7 0 年代以 来，许多学者通过沉积物中 3 7 c s 的浓度特征值所对应的某些年代作为时 间标记， 来研究湖泊、河流、海洋的现代沉积过程，而且对应用2 1 0 p b 等年代学 方法分析的结果也提供了极有价值的检验手段 11 叱 同时 应用放射性同 位素 2 1 o p b 和1 3 7 c s 可以 使现代沉积速率的计算定量化，两 者相互印证，使沉积速率的研究更为准确1 1 1 7 1 1 . 2 1 . 2 . 1 立题依据与研究目的 立题依据 土壤碳库蓄积量是陆地三大碳库中最大的， 但它的不确定性也是最大的 11 8 - 1 2 0 1 。 土壤有机碳的空间 格局和总蓄积量对于土壤生产力、 土壤水文特性和以 碳为基础的 温室气体收支的研究都是非常重要的信息 1 2 11 ，因而土壤有机碳蓄积 量的统计成为联合国气候变化框架公约各签约国确定国家尺度的温室气体净排 放清单工作中的一部分。各国相继开展了土壤普查工作，建立了大量的土壤剖 面数据库【 1 2 2 - 1 2 7 1 ， 为 精确地估算土壤碳蓄 积量提供了良 好的 数据基础. 同时， 众 多 科学家也开始关注土壤碳蓄 积量 在全球碳循环中的 重要作用 1 2 8 - 1 3 1 气 湿地土壤和泥炭是陆地上重要的有机碳储存库，其单位面积碳储量在陆地 上各种生态系统中是最高的。天然湿地尽管占 全球陆地面积不大( 4 % - 5 % ) ，但 第一章前言 是有机碳储量非常丰富， 估计全球湿地的有机碳大约为4 . 5 - 1 0 t ，占 地球陆地 l m土层总储量的1 / 3 ， 相当于大气c 0 2 总量的4 0 %， 因此湿地碳库对于稳定和 维持气候起到重要的作用 1 3 2 , 13 3 , 1 3 4 , 1 3 5 1 。但随 着人为干预 特别是农业开垦和水系 治理等系列活动的加剧， 天然湿地面积日益减少， 成为大气c 0 2 的重要来源地; 据估计， 在过去近2 0 0 年内，全球泥炭湿地的碳储量已 减少了4 . 1 g t ， 其中6 0 % 是因 人为开发导致湿地消失的结果 7 11 。因此， 湿地生态系统有机碳储量、分布 及其变化动态受到全球碳循环和气