全 文 ：书第 !" 卷第 # 期
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生 态 学 报
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基金项目：中国科学院知识创新工程资助项目（5-&6!7897.7#:7$:）；国家自然科学基金资助项目（#$;$<$=$）；中国科学院地理与农业生态研
究所湿地生态与环境重点实验室开放基金资助项目（9(*>7!$$#7?7$$:）
收稿日期：!$$:7$=7!<；修订日期：!$$:7<<7!@
作者简介：郗敏（!通讯作者 &044IL30GMEGJ DNOP042 (7CDE1：1NFJH GIEJDI2 DK2 KG
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三江平原湿地多级沟渠系统底泥
可溶性有机碳的分布特征
郗[ 敏<，!，吕宪国<，!
（<2 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春[ <=$$摘要：沿着土壤和土地利用类似的三江平原多级沟渠系统采集不同沟渠单元底泥，这些不同沟渠系统单元由湿地和农田边界排
水沟渠到相当大的主干渠变化着，测定底泥中可溶有机碳（Z)&）含量，研究多级沟渠系统底泥中 Z)&的分布特征。结果发现，
随沟渠等级增加，Z)&在底泥中所占的比重逐渐增加（#$ B :$KC层增加近 ; 倍），Z)& 富集层逐渐有规律的向底泥底层转移
（#$ B :$KC）。研究表明，排水沟渠既是湿地或农田 Z)&的最初汇聚地，又是河道 Z)& 的输出源；沟渠重复性的排水将湿地或
农田 Z)&通过零星径流带入沟渠系统中，连续的沟渠径流携带着大量 Z)&与不同等级沟渠系统相互作用使得沟渠系统底泥
中 Z)&呈现出一定的水平、垂直分布特征；排水沟渠排水历时、Z)&流量、滞留时间、径流发生频率等都会影响多级沟渠系统底
泥中 Z)&的分布特征；另外，沟渠系统内生长的植被也通过径流阻塞和有机质过程影响底泥中 Z)&的分布特征。
关键词：多级沟渠系统；可溶有机碳；分布特征
文章编号：<$$$7$A==（!$$"）$#7<#=#7$@[ 中图分类号：\A=[ 文献标识码：%
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湿地是地球中生产能力最高的系统之一，许多湿地植物与重要的粮食作物的生产率相比不相上下。湿地
储存了大量有机物，将一些可溶有机碳（<=>）和颗粒有机碳（N=>）释放并输运到邻近的环境中游或下游［C］。
河流将这些 <=>从陆地输送到海洋环境构成了全球碳循环的重要一环。排水沟渠修建一直是湿地可持续性
的一个重要威胁［8 O 2］。排水沟渠的修建降低了湿地水位、改变了湿地内的水流状况并且增加了 <=> 的释放，
最终对环境造成不利的影响［F］。虽然湿地 <=>的释放是一种普遍的自然过程，但是，近年来河流中 <=> 浓
度明显升高了［9 O 3］。
土壤可溶性有机碳（<=>）指在室温及天然 #P条件下能溶于水相的有机组分［:］，容易随水发生运移，是
土壤中重要的活性有机碳。<=> 的含量随土地利用方式变化，土地开垦耕作是土壤 <=> 降低的主要原
因［C?］。过去对土壤 <=> 的研究主要集中在小块地到农田尺度 <=> 的损失和通过耕作方式减少这种损
失［CC O CE］，很少考虑农田边界之外的影响。大尺度的自然河道是流域 <=> 分布的源和汇，早已有大量研
究［C2，CF］。但是，越来越多的研究表明，<=>通过降雨径流和农田排水进入到沟渠系统中，并且在沟渠径流的
作用下形成一定的水平和垂直分布特征。因此，沟渠系统也是对土壤 <=> 的运移和分布有重要促进作用的
因素，但是目前对该方面的研究很少。
本文主要通过采集沿着三江平原土壤和土地利用类似的多级沟渠系统不同单元底泥，这些不同单元由农
田边界排水沟渠到相当大的主干渠变化着，测定底泥中 <=> 含量，研究多级沟渠系统底泥中 <=> 的水平和
垂直分布特征及其影响因素，对于明确排水沟渠控制下湿地土壤有机碳丧失或流失途径，有机碳分布格局的
机理和动态，正确评价未来有机碳格局动态，实现三江平原湿地I农田I沟渠I河流景观优化管理，为区域尺度
>=8减排和水土流失控制提供科学依据。
) 材料和方法
)& ) 研究区域概况
三江平原位于黑龙江省的东北区域，完达山以北的小三江平原是三江平原的核心区域。地理坐标为：北
纬 24QEFRCCS，东经 CEEQE?REFS。三江平原属温带湿润大陆性季风气候，年均温 8& 8T，年均降雨量 FC311并集
中于 4 O : 月份。主要自然植被类型有漂筏苔草（!"#$% &’$()*+(#",+"）、毛苔草（!"#$% -"’,*+"#&"）、乌拉苔草
（!"#$% .$/$#,"0"）和小叶章 （!"-"."1#*’2,+’ "01(’2,3*-," ）等［C9］；农作物类型主要是大豆和水稻。研究所选择
的多级沟渠系统都是在湿地的基础上开挖而成，具有相同的自然背景，为本研究提供了便利条件。
FE2CU 2 期 U U U 郗敏U 等：三江平原湿地多级沟渠系统底泥可溶性有机碳的分布特征 U
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/ / 接彩图图 0
1230 / 生/ 态/ 学/ 报/ / / 45 卷/
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/ / 三江平原已经形成完整的沟渠系统及其配套设施的建设，大部分耕地形成了 0122 3 4225 的大网络。它
不仅在湿地的基础上挖沟排水，还以高度连通的直线沟渠代替弯曲树枝状的自然河流系统。三江平原沟渠系
统等级结构充分利用地貌的多层次性和地表尚有一定坡度的特点［67］，由斜坡向下等级逐渐增加，最后都汇入
黑龙江、乌苏里江（图 6）。按地形和控制面积大小，三江平原的沟渠系统可以分为总干渠、干渠、支渠、斗渠、
农渠五级（图 0）。
图 0/ 三江平原排水沟渠等级类型示意图
8,+& 0/ 9:’#",( 5-# ); 5<*",=>"-+’ ?,"(! >@>"’5 ,. "!’ 9-.A,-.+ B*-,.
!& " 土壤样品采集与化学分析
在三江平原选择土壤和土地利用类似的多级沟渠
系统采集不同单元底泥，这些不同单元分别为农渠
（8C）、斗渠（DC）、连接沟渠（EC）、支渠（FC）、干渠
（GC）和相当大的总干渠（HC）。因为这些不同等级的
沟渠密度最大、分布最广，因此本文选择这几种不同等
级沟渠类型作为研究对象。其中将湿地农渠（I6）、水
田农渠（96）、旱田农渠（J6），K 种沟渠底泥样品充分混
合后作为 8C 底泥样品；湿地斗渠（I0）、水田斗渠
（90）、旱田斗渠（J0），K 种沟渠底泥样品充分混合后作
为 DC底泥样品。然后沿着不同的沟渠等级类型，选择
FC和 HC。022L 年 62 月，在每一条沟渠上选择交汇点
下游 K5左右位置分层采集 2 M 62 (5，62 M 02 (5，02 M
12 (5，12 M 72 (5深的底泥样品，采样深度为 2 M 72(5，每个点有 K 个重复样品，共 624 个样品。样品采集完
毕，马上进行预处理，测定底泥中 NOC含量。
沉积物中 NOC测定：称 62+风干土放入盛有 125*蒸馏水的三角瓶中，常温下震荡浸提 K25,.，高速离心
625,.，上清液用 2& 1L!5滤膜过滤，用 POC=QCBJ测定浸提液中的有机碳浓度，得到 NOC 浓度［64］。最后，通
过水土比将 NOC浓度（5+ $ D）值换算成沉积物 NOC含量（5+ $ :+）。
文中数据利用 9B99统计软件进行方差分析。
" 结果与讨论
图 K/ 多级沟渠底泥中 NOC（平均值）的分布
/ 8,+& K/ N,>"R,S<",). ); >’?,5’." NOC（5’-. T-*<’）,. 5<*",=>"-+’ ?,"(!
>@>"’5
"& ! 多级沟渠系统底泥中 NOC分布的规律
由图 K 可以看出，从 8C到 HC，底泥中 NOC含量（平均值）基本呈现逐渐增加的趋势。从 8C，DC，EC，FC
到 HC，底泥中 NOC含量（平均值）分别为：07U& K6，0V4& 7L，0U0& 6L，10U& KL5+ $ :+和 144& UL5+ $ :+。8C，DC，EC
底泥中 NOC含量差异不大，EC是 DC和 FC连接起来的
一条沟渠，NOC 含量介于 8C 和 DC 之间；FC 和 HC 底
泥中 NOC与前三者相比，含量尤其高，HC 底泥中 NOC
含量最高，是 8C的大致两倍。这表明不同单元沟渠底
泥中 NOC含量与各等级沟渠单元的等级密切相关。
不同底泥层次 NOC 含量也呈现规律性变化，各层
次的高值点出现在不同等级单元中，而且数量上存在着
一定的差异。从 8C 到 HC，2 M 02(5 层 NOC 在不同单
元中的含量有差异，但是差异不显著（! W 2& 2L），呈现
高=低=高=低分布规律，高值点出现在 EC 和 FC；02 M
12(5层 NOC含量的分布与前者类似，但是高值点出现
在 FC；12 M 72(5 层 NOC 在不同单元中的含量差异极
显著（! W 2& 26），呈现出低=高=低=高的分布规律，高值
UK16/ 1 期 / / / 郗敏/ 等：三江平原湿地多级沟渠系统底泥可溶性有机碳的分布特征 /
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点出现在 /0。表明不同底泥层次 120分布与各沟渠单元的等级密切相关。
由图 3 可知，多级沟渠系统不同单元底泥 120 还呈现出明显不同的垂直分布特征。40 和 50 底泥中
120含量的垂直分布均为 6 7 86(9最高，:6 7 36(9 最低，到 36 7 ;6(9 又有一个小的峰值；<0 和 =0 的垂直
分布则均为 6 7 86(9有一个小峰值，86 7 :6(9最低，而从 :6 7 36(9含量有升高，到 36 7 ;6(9含量最高。前
> 种沟渠单元底泥 120含量在垂直方向上有差异，但是差异不显著（! ? 6& 6@），而 =0 中不同层次之间 120
含量差异显著（! ? 6& 6@）；/0底泥中 120含量的垂直分布与 <0和 =0相类似，但是不同层次之间 120含量
差异极显著（! ? 6& 68），36 7 ;6(9层 120含量为 6 7 36(9层的 @& ; 倍之多。
图 3A 多级沟渠系统不同单元底泥中 120的垂直分布
4,+& 3A 1,B"C,DE",). )F B’G,9’." 120 )F G,FF’C’." E.,"B ,. 9E*",HB"-+’ G,"(! BIB"’9
!& ! 排水对沟渠系统底泥中 120分布的影响
三江平原多级沟渠系统是在湿地基础上修建的，以排水为目的人工挖掘的水道。不同等级的沟渠从农田
边界到相当大的排水干渠之间依次相互连通，如图 : 所示，箭头所指示的方向为沟渠径流的流向，沟渠属性随
等级改变（表 8）。沟渠重复性的排水将湿地或农田 120 通过零星径流带入沟渠系统中，连续的沟渠径流携
带着大量 120在纵向运移过程中也会发生垂直下渗，径流量、径流频率和持续时间等都会影响沟渠内水的垂
直运移。沟渠内 120流与不同等级沟渠系统相互作用最终导致沟渠系统底泥中 120 呈现出一定的水平、垂
直分布特征。排水沟渠径流 120浓度、径流量、径流滞留时间、径流发生频率等都会影响多级沟渠系统底泥
中 120的分布特征。
表 "# 多级沟渠系统不同单元沟渠属性
$%&’( "# )**+,&-*,./0 .1 2,11(+(/* -/,*0 ,/ 3-’*,40*%5( 2,*67(0 080*(3
沟渠属性 1,"(! -""C,DE",).
农渠
4,’*G (-.-*
斗渠
<-"’C-* (-.-*
支渠
=C-.(! (-.-*
干渠
/’.’C-* 9-,. (-.-*
坡降 J*)#’（!） 8 $ 8666 7 @666 8 $ :666 7 @666 8 $ >666 7 ;666 8 $ >666 7 86666
宽度 K,G"!（"）（9） 6& @ 7 8& 6 6& L 7 :& 6 8& 6 7 @& 6 >& 6 7 :6& 6
深度 1’#"!（#）（9） 6& ; 7 8& : 6& L 7 8& @ 8& 6 7 :& @ 8& : 7 >& 6
流速 M’*)(,"I )F F*)%（$）（9 $ B） 6& : 7 6& @ 6& : 7 6& ; 6& > 7 6& L 6& 8 7 8& 6
流量 4*EN（%） $ 9> $ B 6& 8 7 6& @ 6& > 7 :& 6 8& 6 7 @& 6 >& 6 7 36& 6
蓄水时间 O9#)E.G,.+ ",9’（&）（G） :& 6 7 >& 6 :& 6 7 >& 6 :& 6 7 @& 6 :& 6 7 @& 6
控制面积 0)."C)**’G -C’-（’）（P9:） 6& : 7 6& 3 6& ; 7 8& @ 8& : 7 ;& 6 8& 6 7 8666& 6
沟道内植被覆盖
M’+’"-",). ()Q’C )F "!’ G,"(!
覆盖度高
R,+! ()Q’C-+’
覆盖度稍高
S)G’C-"’ ()Q’C-+’
覆盖度低
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覆盖度极低
M’CI *)% ()Q’C-+’
L>38 A 生A 态A 学A 报A A A :T 卷A
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/ / 01主要接受其两侧农田排水，21除了直接接受两侧农田排水以外，还接受来自 01 的沟渠径流，然后通
过 31汇入 41，最后汇入 51。由 01到 51汇水面积显著增加，所以沟渠底泥中 671含量也明显增加。01坡
降大，排水快，流量小，蓄水时间短而且控制面积小（表 8），所以 671含量最低；31是连接 21和 41的一种特
殊沟渠类型，含量稍高于 01。21挖的一般比较深，21与 31之间有土坝相隔，排水能力比较差，所以 671 含
量比较高。41和 51汇水面积大，接受了来自不同等级沟渠的 671源，所以 671含量特别高。
沟渠不同底泥层次 671的含量主要受沟渠侧向径流、纵向径流和不同层之间淋溶过程的影响。但是，当
把研究尺度放大到多级沟渠系统的时候，淋溶过程和沟渠侧向径流过程都可以不考虑，只考虑沟渠纵向径流
的作用。如图 9 所示，9: ; <:(=底泥层 671 主要受沟渠开挖初期排水的影响，排水历时长，所以 671 的高
值点出现在 51中；>: ; 9:(=底泥层次之，671的高值点出现在 41 中，: ; >:(= 底泥层主要受近 8: 年左右
的影响，所以高值点出现在更低一级的沟渠中。不同时期 671 流量不同，所以各层次 671 高值点的数量也
显示出明显的规律性，9: ; <:(=底泥层 671最高，>: ; 9:(=次之，: ; >:(=层最低。
多级沟渠系统不同单元底泥 671 垂直分布也受沟渠排水的影响。01、31 和 21、41 的垂直分布正好相
反。说明 01是 21，31是 41的 671源，而后者是前者的 671汇。而且 01和 31排水快，671流在沟渠内的
滞留时间短，所以 671含量由 : 到 9:(=显著下降；21 和 41 挖的比较深，排水慢，蓄水时间长，671 流与沟
渠作用的时间长，所以底泥 8: ; <:(= 层 671 的垂直分布明显下降。51 等级最高，沟渠底泥 9: ; <:(= 层
671因排水历时长，所以含量最高，: ; 9:(=层排水历时短而且该沟渠排水快，所以含量很低。
沟渠侧向排水使湿地大量 671汇入沟渠中，并且排水沟渠成为 671暂时性的“汇”。当沟渠径流发生的
时候，排水沟渠就成为 671 的“源”和“通道”。如果沟渠侧向排水和沟渠径流同时发生，则排水沟渠既是
671分布的“源”、“汇”，又是 671分布的“通道”。这里排水沟渠什么时候是源、是“汇”还是“通道”，主要受
沟渠排水特征和 671通量的影响。当不同等级间的水文连通性发生的时候，如 01 排水引起 671 向 21 流
失，一部分蓄积在 21 中，另一部分则继续向 31 和支沟中传输。这时前者是 671“源”，后者是“汇”和“通
道”，由此 671在沟渠内不断的向下游迁移。同一个沟渠不同剖面可能充当 671“源”或“汇”，或者是“通
道”，或兼而有之。由目前数据可以初步得出：51底泥 9: ; <:(=是 41、31、21和 01中 671的“汇”，是更高
等级沟渠或自然河流的 671“源”和“通道”；41底泥中间层是前面几个等级沟渠 671 的“汇”，同时也是 51
中 671“源”和“通道”；21 和 31 底泥 : ; >:(= 是湿地或农田的 671“汇”，是更高等级沟渠的 671“源”和
“通道”。由以上分析可知，排水沟渠和 671流相互作用具有时间、空间和等级性，排水沟渠既是 671分布的
“源”、“汇”，又是 671分布的“通道”，即 671分布的连续统。
!& " 植被对沟渠系统底泥中 671分布的影响
三江平原多级沟渠系统是在湿地的基础上修建的，保存了农田开发前的大部分种质资源，因此大部分沟
渠系统内生长着与其自然环境相适应的植被，并通过径流阻塞和有机质过程［8?］影响底泥中 671 的分布
特征。
在自然生态系统中，671主要来自植物的枯枝落叶等凋落物、根系分泌物、土壤本身有机质，以及土壤动
物和微生物新陈代谢的产物［>:］。三江平原湿地多级沟渠系统随着其自身的演化以及和自然、人类的相互作
用，已经成为三江平原一种重要的景观类型。本研究所选择的九条沟渠，除 51 以外，其它沟渠很少受到人类
的干扰尤其是疏导管理。所以沟渠植被可以看作沟渠底泥 671 分布的一个源。如图 @，除 51 以外，其它等
级沟渠底泥表层 671都有一个峰值含量，所以多级沟渠系统底泥表层（: ; 8:(=）671 含量都受到沟渠自然
生长的植被的影响。而由表 8 可知，51内植被覆盖度极低，所以其底泥表层没有一个 671峰值含量，并且在
多级沟渠系统中，51底泥表层的 671含量也是最低。所以，多级沟渠系统底泥中 671分布差异的部分原因
在于沟渠源地植物衰老和分解。
斑块状植物分布创造多种多样的河内生境。以致水生环境内的流速有低有高，沉积物分布有粗粒和细
粒［>8］。三江平原多级沟渠系统内生长着大量水生、湿生以及旱生植物，有降低多级沟渠系统平均流速的作
?A98/ 9 期 / / / 郗敏/ 等：三江平原湿地多级沟渠系统底泥可溶性有机碳的分布特征 /
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用，从而促进了沟渠系统中 /01的沉淀。由图 2 还可以看出，沟渠开挖初期，/01 通过沟渠传输的距离特别
远，随着时间推移 /01传输速度减小，因此这里沟渠内植被的阻塞作用不可忽略。但是，除 31 外的其它沟
渠底泥 /01含量分布与植被覆盖度之间并没有一个很好的对应，说明沟渠植被在沟渠底泥 /01 含量分布中
起到了一个重要但非决定性的作用。
三江平原多级沟渠系统植被对底泥表层（4 5 64(7）/01 含量有很大影响，但它不单独起作用，常与沟渠
的水文条件共同起作用。植被盖度和高度等还会通过径流阻塞等影响多级沟渠系统不同单元之间的水文连
通性，进而影响 /01的水平分布。
! 结论
携带着大量 /01的连续的沟渠径流与不同等级沟渠系统相互作用使得沟渠系统底泥中 /01 呈现出一
定的水平、垂直分布特征。随沟渠等级增加，/01 在底泥中所占的比重逐渐增加，/01 富集层逐渐有规律的
向底泥底层转移（即底泥对 /01有显著的累积效应），并且含量也越来越大。排水沟渠重复性的排水将湿地
或农田 /01通过零星径流带入沟渠系统中，多级沟渠系统既是湿地或农田 /01 的最初汇聚地，又是河道
/01的输出源，大量 /01通过各等级沟渠系统流失。
多级沟渠系统和 /01流相互作用具有时间、空间和等级性，所以多级沟渠系统既是 /01 分布的“源”、
“汇”，又是 /01分布的“通道”，即 /01 分布的连续统。随着时间推移，沟渠系统内生长的大量植物和水土
流失引起沟渠的阻塞，所以可溶有机碳的流失量减小并且速度放慢。但是，农田和湿地继续通过沟渠流失
/01的情况仍然不可忽略，储存在 81中的这些 /01将是未来 /01流失的“源”，表层的 /01 将继续向底泥
的底层运移，因此，只要有水流发生，这些损失就会继续。
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