生态环境学报2013,22(2):319—324 Ecology and Environmental Sciences http://www.jeesci.com E-mail:editor@jeesci.tom 北方干旱区湖泊湿地沉积物有机碳分布及碳储量特征研究 以乌梁素海为例 刘旭,李畅游 ,贾克力,张生,史小红 内蒙古农业大学,内蒙古呼和浩特010018 摘要:对乌梁素海沉积物现场采样和室内实验分析,研究了乌梁素海表层沉积物30 cm中有机碳空间分布以及碳储量特征, 分析了有机碳来源以及总氮、总磷、水生植物、沉积物质地对湖泊沉积物碳固定的影响。结果发现,全湖有机碳密度空间分 布明显,总体呈现湖区北部高于南部,在湖心处其密度最高。在垂直剖面上,有机碳含量随着深度递减,表层大于底层。沉 积物中C/N比率在9~36之间,平均值为20.2。有机碳有内源和外源,其中外源为主导。乌梁素海沉积物有机碳沉积速率 为169.55 g·m-2.a~,有机碳密度为5.21 kg.m~,30 cm深度沉积物中,碳储量为134.39x10 t。乌梁素海沉积物固碳能力与总 氮存在明显的正相关性,而与总磷没有相关性,说明总氮与有机碳具有同源性,总氮主要以有机氮形态存在。有机碳含量主 要吸附在沉积物粘粒中,其中全湖<63 m和63~125 m颗粒中的有机碳含量占总粒径有机碳量的51%和22%。乌粱素海 水生植物以芦苇为主,其面积占湖区近1/2,随着近30年来了芦苇面积的增加,促进了沉积物固碳能力。 关键词:湖泊;湿地;干旱区;有机碳;碳储量;沉积物;乌梁素海 中图分类号:X144 文献标志码:A 文章编号:1674.5906(2013)O2.O319.O6 引用格式:刘旭,李畅游,贾克力,张生,史小红.北方干旱区湖泊湿地沉积物有机碳分布及碳储量特征研究:以乌梁素海 为例[J].生态环境学报,2013,22(2):3 19.324. LIU Xu,LI Changyou,JIA Keli,ZHANG Sheng,SHI Xiaohong.Spatial distribution and storage characteristic of organic carbon in sediments of lake wetland in northern arid reas:a acase study ofWulingsauhai Lake[J].Ecology nd aEnvironmental Sciences,2013, 22(2):3 1 9-324. 湿地生态系统包括天然沼泽、河流、湖泊、浅 海和滩涂湿地以及人工湿地(稻田、水库等)。全球 湿地面积占陆地总面积的4%~5%【l J,它在维持生 物多样性、调蓄洪水、降解污染物、调节气候等方 面发挥着重要作用。湿地碳循环已经成为全球碳循 环研究的一个重要组成部分。作为湿地生态系统碳 循环研究内容之一,湿地土壤(或沉积物)全碳和有 机碳动态及其分布特征倍受人们关注。湿地虽仅占 陆地总面积的4% 5%t引,但其碳储量高达450 Gt[引北干旱区湖泊研究相对较少。本文通过对内蒙古河 套平原乌梁素海湿地的调查取样,综合分析了沉积 物剖面(30 cm以内)有机碳含量空间分布,有机碳来 源及其来源和影响因子调查,并计算出有机碳积累 现状,为合理地开发、利用、恢复和保护湿地,以 及精确估算该地区湿地有机碳储量状况,提供一定 的理论依据。 1 研究区概况和研究方法 1.1研究区概况 相当于陆地生态系统总碳储量的20%。因其 特殊的生物和水文条件,天然湿地具有较高的净初 级生产力和较低的分解活性,通常是一个重要的“碳 汇”。我国湿地面积居世界第四位,约占国土面积 的6.5%【4J。尽管我国对天然湿地的历史成因、地理 分布和气候水文条件等方面开展了大量研究【4_ ,但 对湿地生态系统有机碳循环与积累状况还缺乏深 入了解。中国对于湿地碳库的研究主要集中在东北 三江平原[7-9]和青藏高原东部若尔盖高原u训,对西 乌梁素海是内蒙古高原干旱区最典型的浅水 草型湖泊,由黄河改道而成,为地球上同一纬度最 大的自然湿地,同时也是世界上沼泽化最快的湖泊 之一。湖区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前 旗境内,湖区地理坐标40。47 ~41。03,N,108。43 ~ 108。57 E,湖面高程1 018.5 m,库容量2.5~3亿 m ,80%水域水深0.8~1.0 m,现有面积300 k , 南北长35~40km,东西宽5~10km,乌梁素海的 补给水源主要是河套灌区的农田退水,其次是工业 基金项目: 国家自然科学基金项目(40901262;50569002;50669005:51069007;51269017;51269016) 作者简介: 刘旭(1983年生),男,博士,主要研究方向为水环境治理。E-mail:liuxu5963982@163.tom 通信作者:李畅游;E-mail:nndlichangyou@163.tom 收稿日期: 2012.11—14 322 生态环境学报第22卷第2期(2013年2月) cm深度上以5 cm分层,按照乌梁素海沉积物沉积 速率6 9 real·a。计算,每层相应的沉积年数与累 计储碳量如表1。随着深度的增加,碳储量呈递减 趋势。在0~5、5 l0、10~15 cm深度的碳储量, 与25~30 cm深度的碳储量相比,分别增加了 83.49%、70.22%和5l%。在过去的28年左右,沉 积物固碳量为100.89x104t,占总储碳量的75%。这 究结果一直。从1977年到2010年河套灌区农田灌 水与排水来看(图7),平均每年有5×10 水从黄 河引人灌区,其中3×10 rn3水排到乌梁素海。而这 些农田退水中,富含氮磷等营养元素。氮素的增加 促进了湖泊沉积物的生产力,促进湖区中水生植物 的生长,进而促进了生物碳积累的过程。同时,也 说明了沉积物中的氮主要有有机氮的形式存在。而 总磷与有机碳之间不存在相关关系。有机碳与总磷 的线性关系不够好,这说明磷在沉积物中存在的形 式比较复杂,除了以有机磷的形态存在之外,同时 还存在无机磷,甚至大部分区域主要以无机磷(磷 酸钙)形式存在于沉积物中。 主要是由于上世纪80年代末开始,河套地区大量 农药使用与工业的发展,污水中携带了大量营养盐 与有机污染物,引起了沉积物碳在该时期的富集。 从1978年到1997年,河套灌区农田的化肥用量从 7×10 t上升到43.8×10 t,到了2002年就已经超过 52 ̄10 t,化肥利用率仅为30%[14】。同时,人工芦 苇面积的增加,也促进了碳的积累。 表1 乌梁素海沉积物固碳能力统计 Table 1 Statistics ofcarbon sequestration capacity in Wuliangsuhai Lake sediment n 呈、●* l9rr埔∞l嘲l嘣l9∞l99窟姗l'舶2∞t ZOC ̄t ZO∞ 20lO 卑∞ 图7从1977—2O10年灌溉用水与排水量 Fig 7 The volume of irrigation water use in Hetao and discharge water in£0WLfi'om 1977to 20i0 2.4.2水生植物对沉积物碳积累的影响 2.4影响乌梁素海沉积物碳储量影响因素分析 2.4.1 氮、磷输入对有机碳沉积的影响 对各点不同剖面的总氮、总磷与有机碳含量进 行相关性分析(图6),总氮与有机碳存在明显正相 关性,反应了乌梁素海沉积物中有机碳沉积受人类 活动影响较大,随着近年来河套灌区农田施肥量的 增加,以及粗狂的灌溉模式,使大量的氮素随着退 水排放到乌梁素海,进而乌梁素海营养化加剧,而 氮素的增加促进了有机碳的固定,这与宋长春的研 4.OO 湿地生态系统植物残体由于受到环境因素、气 候和水文条件等的,分解转化速度比较缓慢, 因此通常表现为有机碳的积累。根据实地初步考 察,尽管这里植物种类组成较少,但植被类型随着 生态环境的变化表现的复杂而有规律。湖区水生植 被生长茂密,遍及全湖植物种类组成以禾本科、眼 子菜科占优势,以芦苇、龙须眼子菜、狐尾藻为群 落优势种。芦苇群落分布面积最大,占全湖水面的 2/5,集中分布在湖的中部,北部的浅水区或沼泽地, :0.5l9x+0,O5l6 3.5O 3.00 2.50 =0.8133 ◆ ◆◆ ◆ Y=一0.0706x+0.832 R :0.0298 ◆ \ 蜓2.00 是 1.50 怔◆◆◆ ◆ 1.00 0.5O 0} ~一 一。 图6 有机质)与州TN)、v ̄TP)的相关性分析 Fig.6 Analysis ofw(organic matter)and w(TN),w(TP) 324 生态环境学报第22卷第2期(2013年2月) [7]张文菊,吴金水,肖和艾,等.三江平原典型湿地剖面有机碳分布 特征与积累现状[J].地球科学进展,2004,19(4):558-563. 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Spatial distribution and storage characteristic of organic carbon in sediments of lake wetland in northern arid areas:a case study of Wuliangsuhai Lake LIU Xu,LI Changyou ,JIA Keli,ZHANG Sheng,SHI XiaOhong WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China Abstract:Based on the on—site sampling and laboratory experiments in Wuliangsuhai Lake,this paper studies the characteristics of the TOC distribution in the 30 cm sediment of and carbon sequestration and the relationship wih TN,TP,aquattic plants and sediment texture,as well as the sources of organic carbon.The results showed that the SOC distribution has a certain regularity,in the north Lake is higher than the south,enriched in the middle of lake.On the ve ̄ical profile,TOC are decreasing wih itncreasing depth of sediment in the vertical direction.TOC/TN ratios of surface sediments change from 9 to 36.average is 20.2.It related that the source of TOC is mainly to endogenous and exogenous,the exogenous is dominant.Organic carbon deposition rate in the sediment of Wulingsuhaia Lake is 169.55 g·m-2.a Organic carbon densiy is 5.t21 kg·1lr ,and carbon stored in 30 cm depth of he tsediments,is 134.39x 104 tThere are significant positive correlation between TOC and TN,which related that TOC and TN have same source,total nitrogen exist mainly in organic nitrogen forms.TOC content is mainly absorbed in cosmid.The 5 1%and 22%of TOC content is in the<63 jma and 63—125 Ign cosmids respectively.In the Wuliangsuhai Lake,reeds is the mainly aquatic plantswhich measure of area is achieve half of he wholte lake area.With increasing of reed area in nearly 30 years,it promoted the sediment carbon sequestration capaciy.t Key words:lake;wetland;arid areas;TOC;carbon storage;sediment;Wuliangsuhai Lake