劉可祥，王勇輝

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054)

濕地是陸地與水體間過渡的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，是自然界生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一[1]。濕地面積相較于其它地域面積而言，在地球表面積中所占比例較小，但其碳儲(chǔ)量豐富，其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響不可忽視。濕地經(jīng)過長(zhǎng)期碳積累是巨大的碳庫，而且在全球碳循環(huán)中扮演著重要的碳匯角色[2]。濕地土壤有機(jī)碳含量兼有“碳源”與“碳匯”的雙重功能，其碳循環(huán)對(duì)大氣全球碳收支以及與之相關(guān)的全球氣候變化有重要影響[3]。全球碳收支平衡和大氣CO2濃度都會(huì)因濕地土壤碳儲(chǔ)量的變化而產(chǎn)生影響，從而影響到人類活動(dòng)；尤其是在干旱區(qū)環(huán)境下，土壤有機(jī)質(zhì)尤為貧瘠，且荒漠面積較大，濕地的固碳作用顯得尤為重要。植物種類對(duì)有機(jī)碳的輸入產(chǎn)生作用，通過對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、分布、轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)而揭示其影響因素和生態(tài)效應(yīng)[2,4]。全球氣候變化和環(huán)境惡化的加劇使研究人員更加重視土壤有機(jī)碳的研究，其中土壤有機(jī)碳分布和含量研究已成為碳循環(huán)研究的重要部分。莫莉萍等[5]研究發(fā)現(xiàn)不同紅樹林群落樣地土壤有機(jī)碳含量出現(xiàn)差異，這說明植被類型對(duì)土壤碳蓄積會(huì)產(chǎn)生影響，能夠改變土壤碳蓄積量的格局。近50年來，人類活動(dòng)日益頻繁，改變了干旱區(qū)濕地的格局，對(duì)干旱區(qū)濕地碳收支平衡產(chǎn)生了重要影響，進(jìn)而影響到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的健康運(yùn)行和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。因此，研究干旱區(qū)濕地土壤有機(jī)碳含量對(duì)保護(hù)干旱區(qū)濕地，遏制干旱區(qū)環(huán)境惡化具有重要意義。目前，對(duì)我國(guó)土壤碳儲(chǔ)存和碳含量的研究主要集中在大小興安嶺、三江平原沼澤濕地、長(zhǎng)江中下游的湖泊濕地、青藏高原，對(duì)西北干旱區(qū)濕地的研究較少。

土壤質(zhì)量很大程度上受土壤有機(jī)碳的影響，主要通過土壤結(jié)構(gòu)、土壤生物多樣性等表現(xiàn)；土壤有機(jī)碳含量的多少?zèng)Q定了土壤的肥力強(qiáng)弱，進(jìn)而為植物生長(zhǎng)發(fā)育供應(yīng)、協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)因素和環(huán)境條件。中國(guó)干旱區(qū)土壤呈現(xiàn)出三個(gè)性質(zhì)完全不同的生物土壤氣候帶，分別是粟鈣土、棕鈣土和灰鈣土帶，灰棕漠土帶，棕灰漠土帶；主要包括棕漠土、灰棕漠土、棕鈣土和灰鈣土等土壤類型。土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性可通過土壤剖面數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析、探討，為干旱區(qū)碳循環(huán)過程提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地是中國(guó)內(nèi)陸干旱區(qū)湖泊濕地的典型，地處天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地的西南部，其南、西、北三面環(huán)山，東部與木特塔爾沙漠相連，地理坐標(biāo)為82°36′～83°50′E，44°30′～45°09′N。1972—2011年期間，艾比湖的面積在不斷縮小，其值達(dá)115.03 km2[6]。艾比湖地區(qū)屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候，降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，年平均降水量約為105.17 mm，蒸發(fā)量為1 315 mm,年平均氣溫約為8℃。區(qū)內(nèi)典型地帶性土壤類型有灰漠土、灰棕漠土、風(fēng)沙土，隱域性土壤類型為鹽土、草甸土和沼澤土。各類荒漠植物有385種，占全國(guó)荒漠植物種類的64%[7]。獨(dú)特的自然地理因素決定了其生態(tài)環(huán)境極其脆弱，對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)較為敏感。土地覆被情況嚴(yán)重影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響到區(qū)域生態(tài)環(huán)境[8-10]。本文根據(jù)艾比湖濕地灌木荒漠、小喬木荒漠兩種植被類型覆蓋條件，采集樣本測(cè)試土壤有機(jī)碳含量、土壤碳密度等指標(biāo)，進(jìn)而探討艾比湖濕地土壤有機(jī)碳蓄積量。

1.2 樣品采集與處理

依據(jù)艾比湖濕地的環(huán)境情況，按照代表性原則，在艾比湖濕地設(shè)點(diǎn)采樣，實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)采樣和重點(diǎn)抽樣相結(jié)合的方法，每隔約1～3 km對(duì)所研究的植被覆蓋的土壤進(jìn)行采集。用不銹鋼螺旋土鉆，采樣深度100 cm，按0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm五個(gè)深度分層采集各土層的土壤樣品，并在各層分別取環(huán)刀樣，返回后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行專門分析。詳細(xì)記錄采樣點(diǎn)的植被類型、土壤類型、土地利用方式、經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程等相關(guān)信息。野外采回的土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，剔除石塊、植物根莖、人為侵入物等雜物，經(jīng)過磨細(xì)，然后通過孔徑0.25 mm篩，混勻，裝入紙袋，進(jìn)行土壤理化指標(biāo)的測(cè)定。測(cè)試指標(biāo)有土壤有機(jī)碳、土壤容重、土壤水分等。

圖1采樣點(diǎn)分布圖

Fig.1 Sample point distribution

1.3 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳密度是單位面積內(nèi)一定土層深度土壤有機(jī)碳的分布情況，計(jì)算公式為：

SOCDi=CiρiHi×10-2

式中，SOCDi為第i層土壤有機(jī)碳密度(kg·m-2)；Ci為第i層中土壤有機(jī)碳的含量(g·kg-1)；ρi為第i層的土壤容重(g·cm-3)；Hi為剖面深度(cm)；10-2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(SOCstorage)可以用以下公式求得：

SOCstorage=S×SOCD

式中，S為不同植被覆蓋土壤面積，SOCD為土壤有機(jī)碳密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域不同植被覆蓋條件下土壤有機(jī)碳特征分析

由表1可知，在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量的分布規(guī)律均為小喬木荒漠>灌木荒漠。這兩種植被類型間，20～40、60～80 cm土壤有機(jī)碳含量差異顯著。其中，灌木荒漠植被類型的土壤有機(jī)碳隨土層深度的增加而減少；小喬木荒漠植被類型的土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為：表層(0～20 cm)有機(jī)碳含量最大，且隨土層的加深依次減小，但60～80 cm土層土壤有機(jī)碳含量高于40～60 cm土層含量。相比小喬木荒漠，灌木荒漠各土層深度有機(jī)碳含量總體較小。分析表明，土壤有機(jī)碳表層(0～20 cm)分布集中，其它土層土壤有機(jī)碳都低于表層，且其它土層間土壤有機(jī)碳差異不大。王棣等[11]對(duì)秦嶺典型林分土壤研究得出，土壤有機(jī)碳含量均隨土層深度的增加而減小，與此研究有所差異。出現(xiàn)差異的原因可能是秦嶺研究區(qū)植被較艾比湖濕地豐富，且植物根系密度隨土層加深而減小導(dǎo)致。

2.1.1 研究區(qū)域兩植被覆蓋下土壤有機(jī)碳垂直特征分析 濕地不同土壤深度的碳儲(chǔ)量程度不同，土壤有機(jī)質(zhì)在垂直方向上的分異，主要是受地表枯落物、植物殘根等腐解歸還的影響。土壤的碳主要以有機(jī)碳形式存在，并且越靠近地表，有機(jī)碳所占比例越大。本研究中，灌木荒漠由表層至100 cm處有機(jī)碳含量依次為8.11、6.28、5.07、2.32、2.31 g·kg-1；小喬木荒漠由表層至100 cm處有機(jī)碳含量依次為19.44、14.65、14.33、14.89、11.93 g·kg-1；兩種植被類型覆蓋下土壤有機(jī)碳最大值都是出現(xiàn)在表層(0～20 cm)，最小值都在80～100 cm土層，且表層有機(jī)碳含量與80～100 cm土層有機(jī)碳含量差異較明顯，與所列的其它區(qū)域的研究結(jié)論基本一致。各土層有機(jī)碳變異系數(shù)見表1。根據(jù)變異系數(shù)的劃分，當(dāng)CV<0時(shí)，表現(xiàn)為弱變異性；當(dāng)0.1≤CV≤1.0時(shí)，表現(xiàn)為中等變異；當(dāng)CV>1.0時(shí)，表現(xiàn)為強(qiáng)變異性。灌木荒漠覆被土壤20～100 cm土層有機(jī)碳表現(xiàn)為中等變異，0～20 cm土層土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為強(qiáng)變異性；小喬木荒漠覆被土壤0～80 cm土層土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為強(qiáng)變異性，80～100 cm土層土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為中等變異。通過本研究區(qū)數(shù)據(jù)可以得出，隨著土壤深度的增加，艾比湖濕地土壤有機(jī)碳含量總體上逐漸下降。這與孫慧蘭等[12]對(duì)伊犁山地不同海拔土壤有機(jī)碳分布的研究結(jié)果相同。

2.1.2 研究區(qū)域兩種植被覆蓋下土壤有機(jī)碳含量分析 結(jié)合表1可看出，相同植被覆蓋不同層次土壤條件下，有機(jī)碳含量的分配比例也不相同。灌木荒漠表層(0～20 cm)所占比例為33.7%，20～40 cm比例為26.1%，40～60 cm比例為21%，60～80 cm比例為9.6%，80～100 cm比例為9.6%；小喬木荒漠表層(0～20 cm)所占比例為25.8%，20～40 cm比例為19.5%，40～60 cm比例為19%，60～80 cm比例為19.8%，80～100 cm比例為15.9%。上述分析中，兩種植被都是土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳含量所占比例最大，其它土層間比例差異不明顯，分布較均勻，變化不顯著。本研究中的兩植被類型，土壤有機(jī)碳含量的差異主要表現(xiàn)在0～20 cm土層，表層(0～20 cm)植物的凋落物多于其它土層，使得土壤有機(jī)碳積累量較大。同時(shí)，植物的根系多分布在土壤淺層，隨著土層剖面加深，植物根系分布數(shù)量與范圍逐漸減少，有機(jī)碳來源變少，有機(jī)碳含量遞減。

2.2 艾比湖濕地兩種不同植物覆被下土壤有機(jī)碳密度

土壤有機(jī)碳密度被定義為單位面積一定深度土層中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量，因?yàn)榕懦嗣娣e因素的影響而以土體體積為計(jì)算基礎(chǔ)，土壤碳密度已經(jīng)成為評(píng)價(jià)和衡量土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)[13]。與土壤有機(jī)碳含量分布情況一致，兩種植被類型中，0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤有機(jī)碳密度均以小喬木荒漠植被類型最高，且各土層的土壤有機(jī)碳密度值均表現(xiàn)為小喬木荒漠高于灌木荒漠。由圖2可以得出，同一植被類型不同土層深度，土壤有機(jī)碳密度程度有所不同，對(duì)土壤的影響也各有差異。灌木荒漠和小喬木荒漠植被的土壤表層(0～20 cm)碳密度含量最高。辛琨等[14]對(duì)海南島紅樹林的研究也得出土壤有機(jī)碳密度最大值出現(xiàn)在0～20 cm。隨著土層深度的增加，灌木荒漠碳密度含量逐漸減小，在80～100 cm土層達(dá)到最低(僅針對(duì)所研究土層深度)；小喬木荒漠植被隨著土層深度的增加，碳密度含量減小，但在60～80 cm土層處出現(xiàn)較小反彈。由圖3可看出，艾比湖濕地兩種植被下，有機(jī)碳密度在不同土層的占比差異。小喬木荒漠表層(0～20 cm)、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層有機(jī)碳密度比例分別為25.8%，19.5%，19.0%，19.8%，15.9%；灌木荒漠各土層有機(jī)碳密度比例分別為33.7%，26.1%，21.0%，9.6%，9.6%。由此也可以充分說明在干旱區(qū)濕地，不同的植被類型其固碳能力不同，碳匯程度也有所差別，從而對(duì)干旱區(qū)濕地產(chǎn)生不同的影響。

表1 兩種植被類型不同土層深度有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)分析表

圖2兩種植被土壤有機(jī)碳密度

Fig.2 Compare organic carbon density with different planting

2.3 艾比湖濕地不同植被覆蓋下土壤碳蓄積量及成因分析

陸地生態(tài)系統(tǒng)是全球碳循環(huán)的重要構(gòu)成因子，在全球碳收支中扮演著重要角色。據(jù)估計(jì)，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量達(dá)2.1×1012t,其中2/3貯藏在土壤中[15-17]。濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量約為450 Pg(1 Pg=1015g)，占全球土壤總儲(chǔ)量的1/3[18]。干旱區(qū)濕地區(qū)域內(nèi)，不同的植被類型影響著土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量。如圖4所示，灌木荒漠、小喬木荒漠的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在明顯的差異，在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的5個(gè)土層中，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為小喬木荒漠都遠(yuǎn)高于灌木荒漠；兩植被覆蓋下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最大值都出現(xiàn)在表層，且灌木荒漠土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著土層的加深而逐漸降低。

圖3 兩種植被不同土層碳密度比較

圖4濕地不同植被類型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

Fig.4 Soil organic carbon of different wetland vegetation types

表2表明了艾比湖濕地不同植被類型覆蓋下土壤有機(jī)碳各土層的蓄積量。灌木荒漠植被不同土層蓄積量區(qū)間為34 080.88～111 209.44 kg，累計(jì)蓄積量為344 856.2 kg；小喬木荒漠植被不同土層蓄積量區(qū)間為618 405.40～943 376.73 kg，累計(jì)蓄積量為3 743 517 kg；蓄積量高低順序依次為小喬木荒漠、灌木荒漠。同一植被類型不同土層下，有機(jī)碳蓄積量表現(xiàn)出差異性。與土壤有機(jī)碳含量、土壤碳密度情況相同，所研究的兩種植被類型表層(0～20 cm)有機(jī)碳蓄積量最高；灌木荒漠植被0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層有機(jī)碳蓄積量明顯高于60～80 cm、80～100 cm土層有機(jī)碳蓄積量；小喬木荒漠植被20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層有機(jī)碳蓄積量差別不大，比較接近。

表2 艾比湖濕地土壤有機(jī)碳蓄積量統(tǒng)計(jì)表

群落物種組成，即功能性狀組合對(duì)揭示土壤碳匯的影響機(jī)制不容忽視[19]。本研究中，在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm土層中，灌木荒漠、小喬木荒漠有機(jī)碳含量分別為8.11、19.44 g·kg-1，6.28、14.65 g·kg-1，5.07、14.33 g·kg-1，2.32、14.89 g·kg-1，2.31、11.93 g·kg-1。由此可得出，不同的植被類型對(duì)濕地土壤有機(jī)碳的影響程度也有所不同。濕地植物群落構(gòu)成由多種植物參與其中，所以在同一濕地區(qū)域，單位面積有機(jī)碳密度也不盡相同。

3 結(jié) 論

通過對(duì)艾比湖濕地兩種不同覆被類型(小喬木荒漠、灌木荒漠)土壤有機(jī)碳分布規(guī)律、影響因素及蓄積量、碳密度、碳儲(chǔ)量進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 土壤有機(jī)碳含量的分布規(guī)律高低次序?yàn)樾棠净哪?灌木荒漠，小喬木荒漠有機(jī)碳含量最高值為19.44 g·kg-1,灌木荒漠有機(jī)碳含量最高值為8.11 g·kg-1，土壤有機(jī)碳含量最高值均出現(xiàn)在土壤表層(0～20 cm)。小喬木荒漠、灌木荒漠覆蓋的土壤中，小喬木荒漠的固碳能力強(qiáng)于灌木荒漠，小喬木荒漠土壤有機(jī)碳變化幅度較大，其含量變化由19.44 g·kg-1減少到11.93 g·kg-1。

(2) 兩植被類型覆蓋下土壤有機(jī)碳的垂直分布特征為隨著土層的加深，有機(jī)碳含量減少，但兩植被的變化幅度不同。表層(0～20 cm)土壤下，小喬木荒漠覆被下土壤有機(jī)碳含量最大；20～100 cm土層，兩植被覆蓋下土壤有機(jī)碳含量逐漸變小，但小喬木荒漠類型在60～80 cm土層出現(xiàn)反彈，高于40～60 cm土層有機(jī)碳含量。在土壤有機(jī)碳的垂直空間變異性方面，小喬木荒漠大多屬于強(qiáng)變異，灌木荒漠覆蓋下土壤類型為中等變異。

(3) 兩種植被覆蓋的土壤有機(jī)碳密度、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比較，得出小喬木荒漠覆蓋的土壤碳密度及碳儲(chǔ)量含量高于灌木荒漠；在各土層有機(jī)碳密度、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分配比例方面，兩植被類型都是表層(0～20 cm)所占比例最高，達(dá)到1/4以上。艾比湖濕地土壤有機(jī)碳蓄積量為小喬木荒漠大于灌木荒漠，分別為3 743 517 kg和344 856.2 kg；兩種不同土壤類型的有機(jī)碳蓄積總量為4 088 373.64 kg。

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