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2025 , Vol. 43 >Issue 4: 71 - 78

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2025.04.005

Distribution, source and degradation characteristics of surface soil organic carbon in typical habitats of the Yellow River Estuary wetland

  • NI Xin , 1 ,
  • ZHAO Guangming , 2, 3, 4, * ,
  • ZHANG Yao 2, 3, 4 ,
  • WANG Weihua 5 ,
  • SU Dapeng 2, 3, 4 ,
  • LU Feng 5 ,
  • KANG Zhiqiang 6 ,
  • KANG Fei 1
Expand
  • 1. Hebei Engineering Research Center for Ecological Restoration of Seaward Rivers and Coastal Waters, Hebei University of Environmental Engineering, Qinhuangdao 066102, China
  • 2. The Key Laboratory of Coastal Wetlands Biogeosciences, China Geological Survey, Qingdao 266237, China
  • 3. Northern Observation and Research Station of Coastal Salt Marshes, MNR, Qingdao 266237, China
  • 4. Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266237, China
  • 5. Management Committee of Shandong Yellow River Delta National Nature Reserve, Dongying 257091, China
  • 6. Guangxi Bureau of Geology & Mineral Prospecting & Exploitation, Guilin 541000, China

Received date: 2025-07-15

  Revised date: 2025-11-21

  Online published: 2026-02-09

Fold

Abstract

Coastal wetlands have a strong capacity for carbon capture and storage, playing a significant role in mitigating climate warming. Vegetation type is an important factor influencing the carbon storage. In this study, we measured the soil organic carbon (SOC), lignin, stable carbon isotope (δ13C), grain size, and iron content in the surface soil of three typical vegetation habitats (Phragmites australis, Phragmites australis-Tamarix chinensis, and Suaeda salsa) in the Yellow River Estuary wetland, and analyzed the content, source, and degradation characteristics of organic carbon. The results showed that the SOC content in the three vegetation habitats of the Yellow River estuary wetland ranged from 0.34% to 1.85%, with the highest in P. australis, which had an average value of 0.94%. The SOC content was jointly affected by vegetation type and clay content. The three-end-member Monte Carlo model calculation found that the soil organic carbon in the three vegetation habitats was mainly from terrestrial (47.7%±13.2%) and plant sources (36.3%±15.0%), with a relatively low marine source (16.0%±14.2%) (S. salsa>P. australis-T. chinensis>P. australis). The soil lignin in the three vegetation habitats all showed a mixture or single source of woody and herbaceous tissues, indicating that part of the soil organic carbon in the P. australis and S. salsa habitats originated from the upstream Loess Plateau. Iron oxides and water in the soil might reduce the degradation of lignin due to their protective effect on organic carbon and their inhibitory effect on aerobic respiration of microorganisms. This study showed that there were significant differences in the distribution, source, and degradation characteristics of soil organic carbon among different vegetation habitats.

Key words： coastal wetland; Yellow River Delta; organic carbon; lignin; grain size; vegetation type; iron oxide; moisture content

Cite this article

NI Xin , ZHAO Guangming , ZHANG Yao , WANG Weihua , SU Dapeng , LU Feng , KANG Zhiqiang , KANG Fei . Distribution, source and degradation characteristics of surface soil organic carbon in typical habitats of the Yellow River Estuary wetland[J]. Journal of Marine Sciences, 2025 , 43(4) : 71 -78 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2025.04.005

0 引言

随着世界经济的高速发展,化石燃料的燃烧所导致的大量碳排放已成为人类生存与国家发展所面临的严峻挑战。联合国环境规划署报告(2009年)指出,滨海湿地能够捕获并长期储存大量有机碳,是地球上最为高效的碳汇之一[1-2]。根据全球尺度的初步估算,滨海湿地土壤碳库(沉积物碳库)每年可固定4 500~21 600万吨有机碳,贡献了全球海洋沉积物碳库增量的30%~50%[3]。
影响土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)分布的因素包括土壤性质、人类活动和植被类型等。在人类活动影响较小的区域,土壤吸附能力越强,其有机碳含量通常越高。植物的凋落物和根系分泌物是土壤有机碳的重要来源,因此植被类型直接影响SOC的含量,尤其对表层SOC具有显著影响[4-5]。
土壤有机碳的降解是碳循环的关键环节,其过程受土壤中有机碳组成、微生物活性及理化性质(如水分、温度、土壤质地)等因素的显著影响。适度水淹可促进土壤有机质降解,而过度水淹形成的缺氧环境则会抑制土壤有机碳的降解[6]。微生物在土壤有机碳降解中也发挥着重要作用,其群落组成与活性都会影响土壤有机碳的降解速率[7]。在不同的滨海湿地中,受植被类型、人类活动及地理位置等因素的影响,土壤理化性质、有机碳组分及微生物群落结构存在显著差异 [8],进而导致土壤有机碳降解速率的不同。
不同来源的有机碳具有不同的δ13C特征,因此通过分析土壤中的δ13C可以了解土壤有机碳的来源。目前δ13C的检测方法已较为成熟,具有前处理简单、易于检测和准确性高的优点,已在有机碳来源示踪方面得到了广泛的应用[9]。木质素作为维管植物的特有组分,约占植物干重的15%~30%[10-11],因其具有较高的化学稳定性和抗降解能力,是环境中植物源有机碳输送和沉积的有效示踪剂。例如,BRANDINI等[12]通过δ13C-木质素混合模型计算,发现Guaratuba湾内侧区域表层沉积物有机质中来自河流和红树林的贡献量为80%~90%。
黄河三角洲是我国面积最大的滨海湿地之一,芦苇、柽柳与翅碱蓬是区内三种典型的植被类型。已有学者对黄河三角洲土壤有机碳的影响因素开展了相关研究[13],但对其来源的定量分析仍较为缺乏[14]。本文以1976年以来新形成的黄河口湿地为研究对象,通过分析三种典型植被土壤有机碳含量、来源贡献与木质素降解特征,探讨其土壤碳储存、降解特征和影响因素,以期增进对滨海湿地碳埋藏机理的认识。

1 研究区域概况

研究区位于黄河三角洲国家级自然保护区(图1),是黄河在1976年改道以来形成的冲积平原,面积约为10.45万公顷。该区域属温带季风气侯,四季分明,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥。受气候影响,区域水资源季节分配不均,夏季易发生内涝,冬季常出现干旱。研究区植被类型丰富多样,共发现高等植物15种,其中芦苇、翅碱蓬和柽柳为群落优势种[15]。芦苇耐盐度较低,通常位于黄河河道两侧地势低洼、淡水补给较充足的区域,高程约0.5~1.0 m;翅碱蓬耐盐度较高,主要分布在沿海潮间带,高程约0.0~0.5 m;柽柳耐盐度介于芦苇和翅碱蓬之间,通常与芦苇混生,分布区域位于过渡带,高程约1.0~3.0 m[16]。
图1 研究区域位置和采样站位示意图

Fig.1 Study area location and diagram of sampling sites

2 材料与方法

2.1 样品采集

2021年6月,在黄河三角洲芦苇、芦苇-柽柳混生和翅碱蓬三种典型生境中分别布设采样站位,每种生境各设6个站位(图1)。在每个站位周围一定范围内采集3个深度为 20 cm的表层土壤样品,混合均匀后组成1个混合样品。样品采集后用450 ℃灼烧过的锡纸包裹,置于塑料封口袋中密封保存。

2.2 样品分析与数据处理

采用重量法测定土壤含水率,根据冷冻干燥前后土壤重量的差值计算水分含量。样品中的有机碳含量采用燃烧法测定,测定仪器为Vario Macro Cube元素分析仪,测定中采用的标准物质为苯丙氨酸(纯度为99%),标准曲线r2>0.999。δ13C测定采用MAT253稳定同位素质谱仪,土壤标准物质为B2153、USGS64和USGS40。
采用激光法测定样品粒度[17],检测仪器为Mastersizer 2000激光粒度仪,误差范围控制在±1%~±3%之间。按照粒径将土壤划分为三种组分,分别为黏土(<8 φ)、粉砂(4~8 φ)和砂(-1~4 φ)。土壤中Fe含量采用X-射线荧光光谱压片法测定,仪器为波长色散X射线荧光光谱仪,Fe含量以TFe2O3表示。
土壤木质素含量(Λ8)的测定参照文献方法[18],使用安捷伦5977B气质联用仪进行分析,标准曲线r2>0.999,木质素单体回收率为64%~83%。所测木质素单体包括丁香基酚(S系列)、香草基酚(V系列)、肉桂基酚(C系列)及对羟基酚(P系列)等。Λ8一般以S、V和C系列单体总量在土壤有机碳中的占比表示,单位为mg/(100 mg)(以OC计),下文简写为mg/(100 mg)。
建立了基于δ13C和木质素含量(Λ8)的三端元混合方程,并采用蒙特卡罗模型对方程求解,计算公式如下:
δ13C陆源× f1+δ13C海源× f2+δ13C植物源× f3=δ13C样品
${{\Lambda }_{8}}_{\mathrm{陆}\mathrm{源}}$×f1+ ${{\Lambda }_{8}}_{\mathrm{海}\mathrm{源}}$×f2 + ${{\Lambda }_{8}}_{\mathrm{植}\mathrm{物}\mathrm{源}}$×f3= ${{\Lambda }_{8}}_{\mathrm{样}\mathrm{品}}$
f1+ f2+ f3=1
式中: f1、 f2和f3分别代表陆源、海源和植物源有机碳在土壤有机碳中所占的比例。陆源、植物源和海源有机碳的δ13C端元值分别取自黄河沿岸土壤、黄河流域C3维管植物和海洋浮游植物,分别为-24.95‰±0.94‰、-24.75‰±0.60‰和-20.00‰±1.00‰;木质素端元值分别为2.37±2.00、6.50±3.00和0.00 mg/(100 mg) [19-20]。

3 结果与分析

3.1 黄河口滨海湿地三种植被生境土壤的物化指标

研究区三种植被生境土壤样品的含水率为15.9%~36.2%,平均值为24.7%。其中芦苇生境土壤的含水率最高,平均值为27.9%;芦苇-柽柳和翅碱蓬生境土壤的含水率接近,平均值分别为23.2%和23.1%。
土壤有机碳含量为0.34%~1.85%,平均值为0.84%。芦苇生境土壤的有机碳含量最高(平均值为0.94%),其次是芦苇-柽柳生境土壤(平均值为0.81%),翅碱蓬生境土壤最低(平均值为0.77%)(图2)。
图2 不同植被生境中的土壤有机碳含量

Fig.2 SOC content in different vegetation habitats

土壤δ13C的变化范围是-28.60‰~-22.10‰,平均值为-24.77‰。其中,翅碱蓬生境土壤的δ13C值最高(-24.03‰),芦苇-柽柳生境土壤(-24.79‰)和芦苇(-25.49‰)的δ13C值较低。
三种植被生境的土壤均以粉砂和砂质粉砂为主,黏土组分(<8 Φ)的平均含量为14.89%±9.41%。不同植被生境土壤间黏土含量差异显著,翅碱蓬生境土壤的黏土含量最高(平均值为20.95%),明显高于芦苇生境土壤(平均值为12.51%)和芦苇-柽柳生境土壤(平均值为11.23%)。土壤中TFe2O3含量为3.53%~6.74%,平均值为4.65%,其中翅碱蓬生境土壤含量最高(平均值为5.02%),芦苇生境土壤(平均值为4.59%)和芦苇-柽柳生境土壤(平均值为4.34%)较低。
研究区三种植被生境土壤的木质素含量平均值为1.99±2.55 mg/(100 mg),表现为芦苇-柽柳生境土壤[平均值为2.88 mg/(100 mg) ]>芦苇生境土壤[平均值为2.66 mg/(100 mg)]>翅碱蓬生境土壤[平均值为0.43 mg/(100 mg)]。

3.2 不同植被生境土壤有机碳含量的影响因素

研究区属于新生滨海湿地,土壤熟化程度较低[21],因此其土壤有机碳含量(平均值为0.84%)低于全国平均水平(2.67%)[22]。植物生物量对土壤有机碳含量具有显著影响,光合作用产物大部分以凋落物的形式输入土壤碳库。在三种植物中,芦苇的生物量最高[23],且其每年都会枯萎形成新的有机碳进入土壤,因此芦苇生境土壤的有机碳含量最高;翅碱蓬的生物量最低,其土壤有机碳含量相应也最低(图2)。
黏土具有较强的吸附能力,能够吸附并保存土壤中的有机碳,从而提高土壤中有机碳的含量。如图3a所示,芦苇生境土壤中黏土含量与有机碳含量呈现较好的相关性(r2=0.82,p<0.05),而在翅碱蓬和芦苇-柽柳生境土壤中两者相关性较弱,表明不同植被生境土壤有机碳含量受粒度的影响存在差异。本研究中,三种植被生境土壤有机碳含量与铁氧化物含量的相关性均较弱(图3b),这可能与土壤中铁氧化物的形态有关。尽管土壤中的铁氧化物通常对有机碳有较强的吸附作用,两者多呈正相关关系,但有研究指出不同形态的铁氧化物在吸附有机碳的能力上存在较大差异[24]。
图3 SOC-黏土(a)与SOC-TFe2O3(b)散点图

Fig.3 Scatter plot of SOC-clay(a) and SOC-TFe2O3 (b)

3.3 黄河口三种植被生境土壤有机碳的来源

滨海湿地土壤有机碳来源可分为本地来源和异地来源。本地来源主要包括湿地本地植物和动物的残骸及其代谢产物(本文主要分析植物来源);异地来源则包括陆地来源(如地表径流和地下水输入的有机物)和海洋来源(如浮游生物和底栖生物残体)。基于蒙特卡罗模型的计算结果显示,研究区三种植被生境土壤有机碳以陆源(47.7%±13.2%)和植物源(36.3%±15.0%)为主,海源贡献较低(16.0%±14.2%)。翅碱蓬的生物量较低,且其生境最靠近海洋,因此其土壤中有机碳的植物源占比较低,而海源占比相对较高;芦苇耐盐度低,主要分布在河流沿岸,生物量在三种植物中最高,故其生境土壤中有机碳的植物源占比最高,海源占比最低(图4)。
图4 不同生境的有机碳来源

Fig.4 SOC sources in different habitats

不同植物类型所含木质素单体存在差异,例如S 系列单体仅存在于被子植物中,C 系列单体仅存在于草本组织中,V 系列单体则广泛分布于维管植物中,因此不同单体间的比值可用于植被来源示踪分析[25]。图5显示,研究区三种植被生境土壤的木质素主要来源于被子植物的木本组织与草本组织的混合或单一输入。其中,芦苇和翅碱蓬生境部分站位的木质素表现为木本组织与草本组织混合来源。黄河三角洲湿地土壤主要来自黄土高原,其流域植被类型涵盖草地、耕地、森林和灌木丛[26],这一背景与芦苇和翅碱蓬土壤中木质素所指示的物源特征相符。
图5 木质素来源判别

Fig.5 Identification of lignin sources

3.4 黄河口三种植被生境土壤有机碳的降解特征

不同木质素单体的比值还可用于评估其降解程度,例如,P/(V+S)值<0.39,表示木质素降解程度较弱;P/(V+S)值在0.39~0.63之间,表示木质素降解程度为中等;P/(V+S)值>0.63,则表示木质素降解程度较强[27]。根据P/(V+S)值的分析结果可知,研究区共有7个站位的木质素降解程度较弱,5个站位为中等,另有6个站位表现出较强的降解程度。
随着降解程度增加,木质素含量(Λ8)降低,木质素侧链氧化会导致S或V系列中酸类与醛类单体质量之比[以(Ad/Al)s或(Ad/Al)v表示]增加[28]。对木质素降解参数和木质素含量的关系进行对数拟合,发现相比(Ad/Al)v和P/(V+S),(Ad/Al)s与Λ8的相关性更显著(图6)。因此本文选择(Ad/Al)s作为木质素降解程度的指标。图7a显示,在芦苇-柽柳生境土壤中,(Ad/Al)s与TFe2O3呈显著负相关关系,即铁氧化物可能抑制木质素的降解,这与土壤中铁氧化物对有机质的保护作用[29]相符。由图7b可知,芦苇生境土壤中的含水率和(Ad/Al)s呈显著负相关关系。芦苇生境土壤中含水率高于其他两种植被生境土壤,过高的含水率会阻碍氧气的扩散,抑制微生物对有机质的分解[30]。翅碱蓬生境土壤有机碳中海源和陆源的异地搬运占比最高(图4),由于有机碳在长途搬运过程中会逐渐被降解,导致翅碱蓬生境土壤中的木质素降解程度高于其他生境(图8)。总的来说,黄河口湿地土壤木质素的降解受土壤性质和植被类型共同影响。
图6 木质素降解参数-含量散点图

Fig.6 Scatter plots of lignin degradation parameters and content

图7 木质素降解程度与其他参数的关系

Fig.7 The relationship between the degree of lignin degradation and other parameters

图8 不同生境的(Ad/Al)s值

Fig.8 (Ad/Al)s value in different habitats

4 结论

本文对黄河口湿地三种典型植被生境土壤有机碳的分布特征、影响因素、来源及降解特征进行了研究。结果表明,研究区土壤有机碳含量为0.34%~1.85%,平均值为0.84%,低于全国平均水平,主要归因于成陆时间短、土壤熟化程度低。研究区土壤有机碳含量同时受植被生物量和土壤黏土含量的影响,且不同植被生境土壤中有机碳受黏土的影响存在差异。来源分析显示,黄河口湿地三种植被生境土壤有机碳以陆源(47.7%±13.2%)和植物源(36.3%±15.0%)为主,海源贡献较低(16.0%±14.2%),其中海源有机碳占比受地理位置影响显著。土壤木质素来源表现为被子植物木本类和草本类组织的混合或单一来源,与上覆植被类型不完全一致,说明部分有机碳来源于异地搬运。此外,土壤中的水分和铁氧化物会抑制木质素的降解,而土壤有机碳的异地搬运比例较高会导致其木质素降解程度较高。

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