張 芳，熊黑鋼，張兆永

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新疆尾閭鹽湖濱岸鹽堿土中碳酸鹽的固碳效應(yīng)及影響因素

張 芳1,3，熊黑鋼2,3※，張兆永1,3

（1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083；3. 教育部新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046）

土壤碳酸鹽對現(xiàn)代大氣CO2的截存與土壤中的硅酸鹽礦物組成、鹽基元素供給、有機碳含量等因子密切相關(guān)。該文結(jié)合土壤理化性質(zhì)和碳同位素分餾特性，以新疆艾比湖為例，探討了干旱區(qū)尾閭鹽湖濱岸鹽堿土中碳酸鹽的固碳效應(yīng)和影響因素，研究結(jié)果表明：1）土壤碳酸鹽是干旱區(qū)最重要的碳庫，艾比湖濱岸土壤碳酸鹽的平均碳密度是有機碳的4.05倍；2）艾比湖濱岸鹽堿土中的13CSCC介于-7.9‰～0.3‰之間，13CSCC與HCO3-存在良好的線性負相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)高達0.669 9，大氣碳以重碳酸鹽形式存在是次生碳酸鹽淀積的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一；3）土壤13CSCC值與硅酸鹽礦物陽起石、綠泥石、伊利石存在著良好的線性負相關(guān)關(guān)系，13CSCC值隨著富Ca、Mg、Fe礦物的含量增加明顯向負向漂移；4）土壤中有機碳含量越高，生物風(fēng)化過程越強烈時，13CSCC負向漂移越大，土壤碳酸鹽截存較多大氣中的輕碳；當土壤含鹽量超過一定程度時，有機過程受到抑制，土壤碳酸鹽則截存較多大氣中的重碳。因此，干旱區(qū)存在著有機-無機耦合固碳效應(yīng)，提高干旱區(qū)植被覆蓋，可以增加有機碳庫儲量，同時，經(jīng)有機過程分餾轉(zhuǎn)移到土壤中的CO2可進一步促進土壤硅酸鹽礦物風(fēng)化，使這部分CO2不再返回大氣，而是以碳酸鹽形式被長久固存。

土壤；生態(tài)；碳；干旱區(qū)尾閭鹽湖；成土碳酸鹽；碳穩(wěn)定同位素；分餾固碳效應(yīng)

0 引 言

CO2是最主要的溫室氣體之一，觀測記錄表明，僅近160多年來，CO2在大氣中的濃度就從280×10-6增加到了400×10-6 [1-2]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳庫容量大、周轉(zhuǎn)慢，是全球碳循環(huán)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其微小變化將會對大氣CO2濃度產(chǎn)生明顯影響[3]。中國處于干旱和半干旱氣候地區(qū)的國土面積廣大，土壤碳酸鹽是干旱/半干旱地區(qū)土壤碳庫的主要存在形式，較有機碳庫大2～5倍[4]，但是目前對土壤碳酸鹽在地球表層系統(tǒng)碳截存中的作用還知之甚少[5-6]。因此對以低更新速率碳形態(tài)存在的土壤碳酸鹽固碳效應(yīng)進行研究，具有重要的科學(xué)價值[7]。

自然界中的碳主要集中在有機碳和無機碳2大碳庫中，二者的碳同位素組成相差懸殊[8]，碳同位素技術(shù)對于各碳庫中碳元素的遷移有較好的指示作用[9-11]。13C（‰）用于表示樣品中13C和12C這2種碳穩(wěn)定同位素的豐度關(guān)系，當為正值時，表明樣品富重同位素13C，負值時則富輕同位素12C。土壤碳酸鹽同時存在于地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)過程之中，受物理、化學(xué)、生物風(fēng)化的共同作用，載有成土過程中的風(fēng)化信息，其碳同位素可以反映土壤CO2的同位素組成及成土碳酸鹽對現(xiàn)代大氣CO2的截存效應(yīng)，與原生碳酸鹽并沒有明顯的繼承關(guān)系[12]。艾比湖位于新疆準噶爾盆地最低處，系干旱區(qū)內(nèi)陸尾閭鹽湖，在現(xiàn)代鹽湖沉積中具有代表性。本研究以艾比湖濱岸典型鹽堿土為研究對象，結(jié)合穩(wěn)定碳同位素分餾特性和土壤理化性質(zhì)，探討土壤碳酸鹽的固碳效應(yīng)和影響因素，以期為干旱區(qū)土壤碳循環(huán)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆北部準噶爾盆地系晚古生代-中新生代擠壓疊合盆地，是中國大型含油氣盆地之一，經(jīng)歷了海西、印支、燕山和喜山多期構(gòu)造演化，沉積巖最大厚度達14 000 m[13]。樣地位于準噶爾盆地西端低處集水區(qū)艾比湖濱岸（圖1）。艾比湖北、西、南三面環(huán)山，系斷裂構(gòu)造帶陷落湖，2萬5千年前（第四紀晚更新世），艾比湖水域面積達3 600 km2，水深40 m，水質(zhì)良好，之后隨著氣候轉(zhuǎn)暖，湖面不斷萎縮，礦化度升高，現(xiàn)艾比湖湖面僅剩500余km2，已變成平均水深約1.4 m、最大水深不足3 m、湖水pH值8.4～8.9的硫酸鈉型鹽湖[14]。艾比湖區(qū)域氣候干燥，年均降水約90.9 mm，年蒸發(fā)量達3 790 mm以上，年均溫8.3 ℃，受西北部阿拉山風(fēng)口影響，全年風(fēng)力8級以上時間長達165 d，最大風(fēng)速達55 m/s[15]。在陸源碎屑沉積（包括河道沉積、片流沉積、湖積、風(fēng)積等）和蒸發(fā)過程中化學(xué)沉積的共同作用下，艾比湖濱岸形成了復(fù)雜陸面過程下的強鹽堿化土壤環(huán)境。

注：E、N、W為3個典型樣地。

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集

采樣時間為旱季末（2014年10月）。避開農(nóng)業(yè)區(qū)和入湖水系，分別在艾比湖北部、西部和東部設(shè)置N、W、E 3個樣地（圖1），選擇地表特征均質(zhì)，地形平坦，面積超過100 m×100 m的區(qū)域設(shè)置樣地，樣地周圍土壤環(huán)境因子相似，異質(zhì)性較小。每個樣地在中心設(shè)置采樣點，然后按十字星狀向外輻射約30 m處各設(shè)置一個采樣點，共挖取 5 個土壤剖面，各剖面分別采集6個土層（0～10cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm）的土壤樣本。采樣同時，也采用環(huán)刀法采集原狀土樣，用于土壤容重測定。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)檢測分析

土壤樣本在實驗室自然晾干、過2 mm篩。等量地將每個樣地5個剖面上對應(yīng)土層樣本進行充分混合，采用四分法裝入采樣袋作為該樣地檢測樣本，最終得到艾比湖3個不同方位和不同剖面深度的土壤樣本18個。主要檢測指標和檢測方法如下：

1）土壤理化性質(zhì)指標測定[16]：包括土壤pH值、含鹽量、八大離子、土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、土壤碳酸鹽（soil carbonate carbon，SCC）。其中，Cl-采用硝酸銀滴定法測定，HCO3-和CO32-采用雙指示劑-中和滴定法測定，Ca2+、Mg2+、SO42-均采用EDTA滴定法測定，K+和Na+采用原子吸收分光光度法測定，水溶性總鹽（total salt，TS）采用烘干殘渣法測定，SOC采用外加熱重鉻酸鉀容量法測定，SCC采用氣量法測定，土壤水溶性無機碳（soil dissolved inorganic carbon，SDIC）為HCO3-和CO32-之和。根據(jù)公式[17-18]分別計算SCC、SOC、SDIC這3種碳庫組分的碳密度（1 m深度土體中的碳質(zhì)量/(kg/m2））：SCCD、SOCD和SDICD。

2）土壤樣本的礦物組成采用XRD衍射方法測定，檢測過程由新疆礦產(chǎn)實驗研究所完成，檢測儀器為Bruker D8 Advance Diffractometer（德國）。X射線采用CuKα輻射（＝1.540 60 ?），掃描范圍為2.5°～52°（2），掃描步長為0.01°（2）。

3）土壤碳酸鹽的穩(wěn)定碳同位素13CSCC分析，樣品由中科院地質(zhì)與地球物理研究所穩(wěn)定同位素地球化學(xué)實驗室進行測試，使用質(zhì)譜型號為MAT-253，所報數(shù)據(jù)為相對國際標準VPDB之值，標準偏差優(yōu)于0.15‰。

本文數(shù)據(jù)分析在統(tǒng)計軟件 SPSS 15.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化特征及碳庫構(gòu)成

表1為E、N、W 3個樣地1 m深度土壤的主要理化性質(zhì)和不同碳庫固碳量。長石族（Feldspar）是地殼表層含量最高的富含堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物。表1中，E區(qū)的斜長石（Plagioclase）含量為41.23%，N和W樣區(qū)也分別含有22.27%和24.37%的斜長石，其含量差異與不同樣區(qū)土壤的風(fēng)化程度或者沉積物搬運來源及搬運方式有關(guān)。3個樣地土壤pH值在8.5左右，堿化程度相近，屬于中度堿化。水溶性總鹽（TS）含量以湖西樣地W最高，為65.58 g/kg，W在3個樣地中海拔最低，作為干涸湖底裸露于地表的時間最短，偶有豐水期時，仍會受浸水影響，因此其受鹽湖沉積作用也最強烈；東部樣地E的總鹽含量也很高，為55.77 g/kg，這是因為E區(qū)位于阿拉山口的下風(fēng)口，極高的表土含鹽量主要來自常年大風(fēng)對鹽塵的輸送和沉降；北部樣地N的含鹽量最小，說明其受鹽湖影響較小。Ca2+和Mg2+是成土碳酸鹽的主要陽離子，Ca2+和Mg2+以W區(qū)的含量最高，其次是E區(qū)，說明水難溶的碳酸鹽類如CaCO3沉淀后，W和E區(qū)土體中依然剩余較多游離的Ca2+和Mg2+通過蒸發(fā)作用在土體上部形成硫酸鹽和氯化物鹽。

表1 土壤主要理化性質(zhì)和碳庫構(gòu)成

N區(qū)位于沖積扇邊緣平緩帶，植被蓋度超過50%，草本、灌木/半灌木及胡楊均生長旺盛，因此，N區(qū)的有機碳密度較高，為5.89 kg/m3；高含鹽的W區(qū)幾乎無植被覆蓋，但有機碳密度最高，達6.13 kg/m3，這些有機碳可能源自原湖水中的生物沉積。E區(qū)也有較高易溶鹽含量，但由于脫離淹水環(huán)境早，原來積累的有機物質(zhì)在氧化環(huán)境中逐漸礦化，有機碳密度很低。N區(qū)碳酸鹽碳固碳量在3個樣地中最高，為25.58 kg/m3，其次是W區(qū)，為22.45 kg/m3，E區(qū)最低，也有10.79 kg/m3的固碳量，因此，3個樣地的土壤碳庫均以碳酸鹽碳為主，其固碳量分別是有機碳的4.36、4.13和3.67倍，平均達4.05倍。

2.2 土壤不同碳庫的剖面分布特征

圖2為各樣地SOC、SCC、SDIC及碳酸鹽穩(wěn)定碳同位素的剖面分布特征。土壤碳酸鹽（SCC）在土體表層含量最少，向下逐漸富集（圖2a）。其中，E區(qū)的最大富集深度為40～80 cm，N區(qū)的最大富集深度為40～60 cm，W區(qū)的最大富集深度則在80 cm以下。N區(qū)和W區(qū)有機碳（SOC）的剖面分布趨勢相反（圖2b），N區(qū)SOC表聚強烈，這也進一步說明了N區(qū)的有機碳主要來自植被凋落物的輸入，受現(xiàn)代生物風(fēng)化過程影響明顯，而W區(qū)土壤有機碳源自歷史時期的湖中生物沉積，有機質(zhì)在剖面上分布相對均勻，當湖面萎縮至W區(qū)脫離淹水環(huán)境，表層有機質(zhì)由于礦化速率增強而逐漸減少。E區(qū)由于表土高含鹽量，植物難以生存，源自湖中生物沉積的有機物質(zhì)也大部被礦化，因此整個剖面上的SOC含量很少（不足0.3%），分布也較均勻。水溶性無機碳（SDIC）主要由HCO3-和CO32-構(gòu)成，它們影響著碳酸鹽的溶解和再結(jié)晶過程。圖2c中E和W樣區(qū)的SDIC含量較接近，在0.1～0.3 g/kg之間，N區(qū)土體中部含量較高，可達0.45 g/kg左右，這可能與有機過程有關(guān)，植物根系呼吸、有機物分解、微生物活動等都會增加土體中CO2濃度，與土壤水化合形成碳酸。

圖2 不同賦存形式土壤碳組分及δ13C的剖面分布特征

土壤中CO2來源包括大氣二氧化碳滲入、植物根系呼吸釋放、有機殘體氧化分解等，其CO2分壓遠高于大氣層。土壤碳酸鹽的碳同位素組分會受到植被的碳同位素組分影響，因為光合作用使生物體有機碳富集12C，這是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳同位素分餾的主要環(huán)節(jié)，因此，自然界中有機碳庫和無機碳庫的碳同位素組成差別較大，前者輕，后者重。從圖2d來看，E和W區(qū)土壤的13CSCC較大，其中E區(qū)在?3.1‰～?1.3‰之間，W區(qū)在?2‰～0.3‰之間。在剖面80 cm深處，E和W的13CSCC出現(xiàn)了一個明顯的反向波動，原因可能是當時的沉積環(huán)境出現(xiàn)了明顯變化，例如湖水面積、入湖水系、溫度、沉積速率等。N區(qū)土壤的13CSCC最?。?7.9‰～?4.7‰），與E和W區(qū)相比，明顯偏負，結(jié)合各樣區(qū)實地植被環(huán)境和土壤碳酸鹽碳與有機碳賦存情況來看，N區(qū)受現(xiàn)代生物活動影響較大，可能存在著較強的CO2從有機碳庫向無機碳庫轉(zhuǎn)移的效應(yīng)，而E和W樣區(qū)則以碳酸鹽的無機化學(xué)沉積過程為主。

2.3 影響土壤碳酸鹽穩(wěn)定碳同位素的主要因素

基于3個樣區(qū)18個樣本的相關(guān)檢測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計學(xué)方法，圖3闡述了影響艾比湖濱岸鹽堿土中碳酸鹽穩(wěn)定碳同位素組成的主要因素。研究區(qū)土壤的主要礦物構(gòu)成除長石（Feldspar）外，還包括石英（Quartz）、綠泥石（Clinochlore）、伊利石（Lllite）、方解石（Calcite）、陽起石（Actinolite）等。各樣地中土壤13CSCC值與鏈狀硅酸鹽礦物陽起石[Ca2(Mg,Fe2+)5Si8O22(OH)2]存在十分顯著的線性負相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)2達0.772 2。13CSCC值與黏土礦物綠泥石(Mg,Fe,Al)6[(OH)8|(Si,Al)4O10)]也存在著良好的線性負相關(guān)關(guān)系，2為0.613 9。伊利石晶體結(jié)構(gòu)式可寫成K2(Al,Fe,Mg)4(Si,Al)3O20(OH)4·H2O，是由長石、云母等鋁硅酸鹽礦物風(fēng)化脫K+形成的黏土礦物。由于伊利石與其他黏土礦物相比較穩(wěn)定，同晶代換能力相對較弱，13CSCC與伊利石的線性負相關(guān)關(guān)系略弱，2為0.427 4。綜合圖3a～圖3c可知，13CSCC值隨著富Ca、Mg、Fe硅酸鹽礦物含量的增加而負向漂移，說明在風(fēng)化成壤過程中，土壤次生碳酸鹽形成并對現(xiàn)代大氣中的CO2起到了截存作用。

圖2a和圖2b可以看出，除N區(qū)表層樣本外，其他土壤樣本基本呈現(xiàn)出SOC含量越高，SCC含量也越高的特征，但13CSCC與SCC和SOC含量沒有顯著的相關(guān)性，而是與SDIC存在較好的線性負相關(guān)關(guān)系，與HCO3-含量的2可達0.669 9（圖3d），HCO3-含量越高，13CSCC值越低，這說明：①大氣碳以重碳酸鹽形式存在是次生碳酸鹽淀積和碳截存的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一；②經(jīng)過生物過程分餾后，由土壤中有機質(zhì)分解，根系呼吸等轉(zhuǎn)移的大氣CO2形成的重碳酸鹽富12C，有機過程影響越強烈，13CSCC的負向漂移越大。

水溶性鹽（TS）、水溶性Ca2+、Mg2+含量與碳酸鹽含量關(guān)系不明顯，但是與13CSCC值的對數(shù)關(guān)系較顯著（2分別高達0.758 7和0.694 7）且趨勢一致（圖3e～圖3f），這說明含鹽量超過一定程度時，有機過程受到抑制，二氧化碳向重碳酸鹽-碳酸鹽轉(zhuǎn)移中主要以無機過程為主，鹽度越高，淀積的碳酸鹽越富集13C，含鹽量大于20 g/kg時，樣本的13CSCC值基本上也大于?2。

圖3 影響土壤碳酸鹽碳δ13C的主要因素

3 討 論

3.1 土壤碳酸鹽的固碳效應(yīng)

有學(xué)者認為，碳酸鹽在土壤中通過溶解-再沉積過程對CO2產(chǎn)生的影響僅是庫與庫之間的簡單遷移[19-21]，這一觀點主要基于氣候變化的巖石風(fēng)化控制學(xué)說，該學(xué)說認為是硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化碳匯作用（CO2+CaSiO3→CaCO3+SiO2）控制著長時間尺度的氣候變化，而碳酸鹽的化學(xué)風(fēng)化作用（CaCO3+CO2+H2O?Ca2++2HCO3-）不具有這一功能，認為碳酸鹽溶解過程中消耗的CO2又通過相對快速的碳酸鹽沉積而返回大氣。另有學(xué)者的最新研究表明，在干旱區(qū)內(nèi)陸盆地的風(fēng)化、搬運、沉積過程中，有大量的非碳酸鹽巖來源的鈣離子向盆地低處匯聚，CO2的凈截存因此產(chǎn)生：硅酸鹽風(fēng)化過程中利用的CO2來自大氣，2 mol的CO2產(chǎn)生2 mol的HCO3-并釋放1 mol 的Ca2+，這1 mol的Ca2+形成次生碳酸鹽沉淀時，只向大氣中返回了1 mol的CO2，另1 mol的CO2被凈截存（2CO2+3H2O+CaSiO3→H4SiO4+2HCO3-+Ca2+）[22]。

本研究對土壤礦物的分析結(jié)果顯示，3個樣地土壤中都賦存著大量的斜長石、陽起石、綠泥石、伊利石等硅酸鹽礦物風(fēng)化沉積物（表1，圖3）。長石族礦物較石英容易風(fēng)化，富含K、Na、Ca、Mg、Ba等，約占地殼總質(zhì)量的50%[23-24]。陽起石富含Ca、Mg、Fe等，不穩(wěn)定、易風(fēng)化，易于變成綠泥石、滑石、碳酸鹽等[14]。綠泥石富含Mg、Fe，形成環(huán)境為堿性，易風(fēng)化，通常存在于在化學(xué)風(fēng)化作用受抑制的冰川或干旱地區(qū)[25-26]。綜上所述可知，干旱區(qū)成土過程中，土體內(nèi)存在長期穩(wěn)定的源自硅酸鹽礦物風(fēng)化的Ca2+、Mg2+、Fe2+等陽離子供給。特別是土壤鹽堿化區(qū)域，來自于盆地周邊高地的非原生碳酸鹽源的Ca2+、Mg2+、Fe2+等通過水、風(fēng)等營力持續(xù)不斷地向低洼集水區(qū)輸入，為土壤碳酸鹽截存現(xiàn)代大氣CO2提供的充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，土壤碳酸鹽作為干旱區(qū)最重要的碳庫，固碳潛力大且長期穩(wěn)定，對大氣CO2降低有重要意義。

3.2 有機過程對土壤碳酸鹽固碳效應(yīng)的影響

自然界中有機碳庫富集輕碳，而無機碳庫富集重碳。源自海相碳酸鹽的13C值常在0～3‰范圍內(nèi)變化，與大氣水有關(guān)的碳酸鹽13C在?1‰～?5‰范圍內(nèi)變化，有機碳的13C一般為?25‰，大氣CO2的13C平均約為8‰[8,13,27]。土壤中生物作用越強烈，土體中CO2濃度越高，土壤溶液中的HCO3-含量也越高。本研究中，13CSCC與土壤溶液中HCO3-含量間的負相關(guān)2可達0.669 9（圖3d），這與純無機過程明顯不同，因為在純無機過程中，當CO2(g)-HCO3-(aq)系統(tǒng)達到碳同位素平衡時，重碳酸鹽離子比氣態(tài)CO2平均富集5‰的13C[28]。這說明土壤中經(jīng)過有機過程轉(zhuǎn)移的大氣CO2形成的重碳酸鹽富12C，重結(jié)晶后的次生碳酸鹽13CSCC產(chǎn)生了負向漂移。因此，干旱區(qū)存在著有機-無機碳庫耦合固碳效應(yīng)，提高干旱區(qū)植被覆蓋，既可以增加有機碳庫儲量，也可以增加無機碳庫儲量，因為經(jīng)有機過程分餾轉(zhuǎn)移到土壤中的CO2可以加速土壤硅酸鹽礦物風(fēng)化，使一部分CO2不再返回大氣，而是以碳酸鹽形式被長久固存。

4 結(jié) 論

1）土壤碳酸鹽富集區(qū)是內(nèi)陸干旱盆地表生環(huán)境下硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化過程中形成碳匯的重要場所，碳酸鹽碳庫是干旱區(qū)最重要的碳庫，對大氣二氧化碳降低具有重要意義。艾比湖濱岸土壤碳庫均以碳酸鹽碳為主，碳酸鹽碳碳密度高達25.58 kg/m3，碳酸鹽碳庫固碳量是有機碳庫的3.67～4.36倍。

2）艾比湖濱岸鹽堿土中的13CSCC介于?7.9‰～0.3‰之間，湖北部土壤的13CSCC最輕，西部最重。土壤13CSCC與HCO3-含量存在良好的線性負相關(guān)關(guān)系，2高達0.669 9，大氣碳以重碳酸鹽形式存在是次生碳酸鹽淀積的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

3）13CSCC值與富含Ca、Mg、Fe等的土壤硅酸鹽礦物陽起石、綠泥石、伊利石存在著良好的線性負相關(guān)關(guān)系，與陽起石的2可達0.772 2。13CSCC值隨著富Ca、Mg、Fe礦物的含量增加明顯向負向漂移。

4）干旱區(qū)土壤碳酸鹽的碳截存與風(fēng)化成土形式密切相關(guān)，當土壤中有機碳含量越高，生物風(fēng)化過程越強烈時，13CSCC負向漂移越大，土壤碳酸鹽將截存較多的經(jīng)過有機質(zhì)分解、根系呼吸等分餾的大氣中的輕碳；當土壤含鹽量超過一定程度時，有機過程受到抑制，13CSCC增大，成土碳酸鹽則截存較多大氣中的重碳。

[1] Le Q C, Moriarty R, Andrew R M,et al. Global carbon budget[J]. Earth system science data discuss, 2014(7): 521－610.

[2] 馮雪，王森，牛振川. 北京市和廈門市大氣CO2濃度及δ13C值變化特征[J]. 地球環(huán)境學(xué)報，2018，9(4)：316－322.

Feng Xue, Wang Sen, Niu Zhenchuan. Variational characteristics of CO2concentrations and δ13C values at the urban sites in Beijing and Xiamen, China[J]. Journal of Earth Environment, 2018, 9(4): 316－322. (in Chinese with English abstract)

[3] 徐汝民，李忠佩，車玉萍，等. 土地利用方式轉(zhuǎn)變后灰色森林土有機碳礦化的溫度響應(yīng)特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(5)：1020－1025.

Xu Rumin, Li Zhongpei, Che Yuping,et al. Temperature sensitivity of organic C mineralization in gray forest soils after land use conversion[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(5): 1020－1025. (in Chinese with English abstract)

[4] 張林，孫向陽，高程達，等. 荒漠草原土壤次生碳酸鹽形成和周轉(zhuǎn)過程中固存CO2的研究[J]. 土壤學(xué)報，2011，48(3)：578－586.

Zhang Lin, Sun Xiangyang, Gao Chengda, et al.CO2sequestration in formation and turnover of pedogenic carbonates in soil of desert steppe, Inner Mogolia, China[J]. ACTA Pedologica Sinica, 2011, 48(3): 578－586. (in Chinese with English abstract)

[5] 張豪，湯潔，梁爽. 吉林西部不同開發(fā)年份鹽堿水田土壤有機碳和碳酸鹽的季節(jié)動態(tài)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2013，22(12)：1899－1903.

Zhang Hao, Tang Jie, Liang Shuang. Seasonal variation of soil organic carbon and carbonate in saline-sodic paddy soils at different development years in western Jilin Province[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(12): 1899－1903. (in Chinese with English abstract)

[6] 王娜，許文強，徐華君，等. 準噶爾盆地南緣荒漠區(qū)土壤碳分布及其穩(wěn)定同位素變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2017，28(7)：2215－2221.

Wang Na, Xu Wenqiang, Xu Huajun,et al. Spatial variation of soil carbon and stable isotopes in the southern margin desert of Junggar Basin, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(7): 2215－2221. (in Chinese with English abstract)

[7] 鄭聚鋒，程琨，潘根興，等. 關(guān)于中國土壤碳庫及固碳潛力研究的若干問題[J]. 科學(xué)通報，2011，56(26)：2162－2173.

Zheng Jufeng, Cheng Kun, Pan Genxing,et al. Perspectives on studies on soil carbon stocks and the carbon sequestration potential of China[J]. Chinese Sci Bull, 2011, 56(26): 2162－2173. (in Chinese with English abstract)

[8] 張衎，朱祥坤. 薊縣下馬嶺組菱鐵礦的成因及古海洋意義[J]. 地質(zhì)學(xué)報，2013，87(9)：1430－1438.

Zhang Kan, Zhu Xiangkun. Genesis of siderites in the Xiamaling Formation of Jixian section and its paleoceanic significance[J]. ACTA Geologica Sinica, 2013, 87(9): 1430－1438. (in Chinese with English abstract)

[9] 李楊梅，貢璐，安申群，等. 基于穩(wěn)定碳同位素技術(shù)的干旱區(qū)綠洲土壤有機碳向無機碳的轉(zhuǎn)移[J]. 環(huán)境科學(xué)，2018，39(8)：3867－3875.

Li Yangmei, Gong Lu, An Shenqun, et al. Transfer of soil organic carbon to inorganic carbon in arid oasis based on stable carbon isotope technique[J]. Environmental Science, 2018, 39(8): 3867－3875. (in Chinese with English abstract)

[10] Andreeva D B, Zech M, Glaser B, et al. Stable isotope (δ13C, δ15N, δ18O) record of soils in Buryatia, southern Siberia: Implications for biogeochemical and paleoclimatic interpretations[J]. Quaternary International, 2013(290/291): 82－94.

[11] 許文強，陳曦，羅格平，等. 基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的土壤碳循環(huán)研究進展[J]. 干旱區(qū)地理，2014，37(5)：980－987.

Xu Wenqiang, Chen Xi, Luo Geping,et al. Progress of research on soil carbon cycle using carbon isotope approach[J]. Arid Land Geography, 2014, 37(5): 980－987. (in Chinese with English abstract)

[12] 胡泉旭，王先彥，孟先強，等. 青藏高原東北部黃土次生碳酸鹽氧同位素的古氣候意義[J]. 地球科學(xué)，2018，43(11)：4128－4137.

Hu Quanxu, Wang Xianyan, Meng Xianqiang, et al. Paleoclimatic implications of oxygen isotope from authigenic carbonates in loess deposit of Northeastern Tibetan Plateau[J]. Earth Science, 2018, 43(11): 4128－4137. (in Chinese with English abstract)

[13] 楊智，鄒才能，何生，等.準噶爾盆地腹部超壓頂面附近碳酸鹽膠結(jié)帶的成因機理[J]. 中國科學(xué)：地球科學(xué)，2010，40(4)：439－451.

Yang Zhi, Zou Caineng, He Sheng, et al. Formation mechanism of carbonate cemented zones adjacent to the top overpressured surface in the central Junggar Basin, NW China[J]. Sci China Earth Sci, 2010, 40(4): 439－451. (in Chinese with English abstract)

[14] 張芳，張偉杰，丁彥彥，等. 艾比湖濱岸鹽堿土中碳酸鹽的XRD衍射特征與微觀形態(tài)分析[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2017，37(12)：3893－3899.

Zhang Fang, Zhang Weijie, Ding Yanyan, et al.XRD diffraction characteristics and microscopic morphology of carbonates in saline-alkaline soil from the shore of the Aibi Lake[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(12): 3893－3899. (in Chinese with English abstract)

[15] 譚嬌，丁建麗，董煜，等. 新疆艾比湖綠洲潛在蒸散量年代際變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(5)：143－148.

Tan Jiao, Ding Jianli, Dong Yu, et al. Decadal variation of potential evapotranspiration in Ebinur Lake oasis of Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 143－148. (in Chinese with English abstract)

[16] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[17] 徐敏云，李培廣，謝帆，等. 土地利用和管理方式對農(nóng)牧交錯帶土壤碳密度的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(7)：320－325.

Xu Minyun, Li Peiguang, Xie Fan,et al. Response of soil organic carbon density to land-use types and management practices change in agro-pastoral zone[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 320－325. (in Chinese with English abstract)

[18] 楊金艷，王傳寬. 東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量和碳通量[J]. 生態(tài)學(xué)報，2005，25(11)：2875－2882.

Yang Jinyan, Wang Chuankuan. Soil carbon storage and flux of temperate forest ecosystems in northeastern China[J]. ACTA Ecologica Sinica, 2005, 25(11): 2875－2882. (in Chinese with English abstract)

[19] Sombroek W G, Nacht Ergaele F O, Hebel A. Amounts, dynamics and sequestering of carbon in tropical and subtropical soils[J]. AM-BIO, 1993, 22: 417－425.

[20] Capo R C, Chadwick O A. Sources of strontium and calcium in desert soil and calcrete[J]. Earth Planet Sci Lett, 1999, 170: 61－72.

[21] Dart R C, Barovich K M, Chittleborough D J, et al. Calcium in regolith carbonates of central and southern Australia: Its source and implications for the global carbon cycle[J]. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 2007, 249: 322－334.

[22] Carmi I, Kronfeld J, Moinester M. Sequestration of atmospheric carbon dioxide as inorganic carbon in the unsaturated zone under semi-arid forests[Z]. 2017, arXiv preprint ar Xiv: 1702.05249v2.

[23] 徐丹虹. 內(nèi)蒙-廣東土壤斷面中土壤地球化學(xué)及礦物學(xué)特征對比：以酸性巖成土母質(zhì)為例[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2016.

Xu Danhong. The Comparison of Soil Geochemical and Mineralogical Features in the Soil Transect from Inner Mongolia to Guangdong: As Exemplified by the Acidic Parent Material[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2016. (in Chinese with English abstract)

[24] Raja P, Bhaskar B P, Surendran U, et al. Pedogenesis of spatially associated red and black soils in Purna valley fromsemi-arid region of Central India[J]. Chemical Geology, 2018, 483: 174－190.

[25] 方謙，洪漢烈，趙璐璐，等. 風(fēng)化成土過程中自生礦物的氣候指示意義[J]. 地球科學(xué)，2018，43(3)：753－769.

Fang Qian, Hong Hanlie, Zhao Lulu, et al. Climatic implication of authigenic minerals formed during pedogenic weathering processes[J]. Earth Science, 2018, 43(3): 753－769. (in Chinese with English abstract)

[26] 楊志杰，王福剛，楊冰，等. 砂巖中綠泥石含量對礦物封存影響的模擬研究[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報，2014，33(2)：201－207.

Yang Zhijie, Wang Fugang, Yang Bing, et al. Numerical simulation of the influence of chlorite on the content of mineral trapping of CO2in the sandstone[J]. Bulletin of Mineralogy Petrology and Geochemistry, 2014, 33(2): 201－207. (in Chinese with English abstract)

[27] 畢哲，周澤義，劉紫譞，等. 二氧化碳同位素標準物質(zhì)研究進展[J]. 化學(xué)分析計量，2018，27(5)：122－126.

Bi Zhe, Zhou Zeyi, Liu Zixuan, et al. Development on isotope reference material of carbon dioxide[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2018, 27(5): 122－126. (in Chinese with English abstract)

[28] 陳錦石. 碳同位素地質(zhì)學(xué)概論[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1983.

Carbon sequestration effect and influential factors in pedogenic carbonates of saline-alkaline soils from shore of rump salt lake in Xinjiang

Zhang Fang1,3, Xiong Heigang2,3※, Zhang Zhaoyong1,3

(1.,,830046,; 2.,,100083,; 3.(),830046,)

China has a large area of arid and semi-arid zone. The soil carbonate is the main form of soil carbon pool in arid and semi-arid regions, which has an important scientific research value. Soil carbonate contains weathering information during soil formation, and the capacity of carbon sequestration of pedogenic carbonates is closely related to the base cations supplying, silicate minerals comprising and organic matters in the soils. In this study, to keep away the agricultural areas and the entering water system, we set 3 different typical sample plots (N、W、E) in the north ,west, and east shore of the rump salt Lake Abi. Respecting to the physical and chemical properties of soil and the characteristics of carbon isotopic fractionation of pedogenic carbonates, the carbon sequestration effect and influential factors in pedogenic carbonates of saline-alkaline soils from the shore of the Abi Lake had been investigated. The research results showed that there was a long-term and stable supply of Ca2+、Mg2+、Fe2+and other cations derived from the weathering of silicate minerals during the process of saline-alkaline soils' formation in this study region. These cations of non-lithogenic carbonate sources came from the highlands around the lake basin carried into the low-lying catchment area in continuously by the water, wind and other forces etc., providing sufficient materials forsoil carbonate to sequestrate modern atmospheric CO2. The average carbon density of soil carbonate carbon(SCC) was 4.05 times as many as that in soil organic carbon(SOC) in the saline-alkaline soils from shore of the Abi Lake.The results of13CSCChad indicated that the value ranged from -7.9‰ to 0.3‰, and there was a very significant negative correlation between13CSCCand HCO3-, and the correlation value (2) is 0.669 9. One of the critical segment of secondary carbonate precipitation was that atmospheric carbon dioxide was dissolved into soil water in the form of bicarbonate ion. However, the13CSCCwas also very significantly negatively correlated with the soil silicate minerals (actinolite, clinochlore and lllite). And with the increase of those Ca, Mg and Fe rich minerals in the soil,13CSCCdecreased. Similarly, with more SOC content and higher biological weathering intensity in the soil, the13CSCCincreased to bigger negative values. And in these cases, the pedogenic carbonate would sequestrate more light carbon from atmosphere. Ca2+and Mg2+contentsof water-soluble salts and total salt with soil carbonate contents correlation value were not too high, but they were significantly correlated with the13CSCCin a concordant logarithmic relationship. The value was 0.758 7 and 0.694 7 respectively. If the biological weathering process was restrained by extremely higher soil salinity, the results implied that the pedogenic carbonate would sequestrate more heavy carbon. In this research, the transfer of carbon dioxide to bicarbonate-carbonate was mainly an inorganic process, when the salt content was more than 20 g/kg, and the13CSCCbasically value was greater than -2. However, there was a coupling effect between organic process and inorganic process in carbon sequestrating. If the vegetation coverage was considered, the SOC pool could be increased. And in this way, the silicate weathering in soil could be strengthened by high concentration CO2that was fractionated from biological process, and instead of returning to atmosphere. Hence, the pedogenic carbonate in arid areas has great potential capacity for atmospheric CO2sequestration.

soils; ecology; carbon; rump salt lake in arid region; pedogenic carbonate; stable carbon isotope; coupling effect of carbon fractionating sequestration

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.016

X171.1

A

1002-6819(2019)-02-0122-06

2018-08-10

2018-12-30

國家自然科學(xué)基金（41761041,41261049,41671198）

張 芳，副教授，博士，主要從事干旱區(qū)環(huán)境演變研究。Email：zhangf602@163.com

熊黑鋼，教授，博導(dǎo)，主要從事干旱區(qū)人地關(guān)系研究。Email：xhg1956@sohu.com

張 芳，熊黑鋼，張兆永.新疆尾閭鹽湖濱岸鹽堿土中碳酸鹽的固碳效應(yīng)及影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(2)：122－127. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.016 http://www.tcsae.org

Zhang Fang, Xiong Heigang, Zhang Zhaoyong. Carbon sequestration effect and influential factors in pedogenic carbonates of saline-alkaline soils from shore of rump salt lake in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 122－127. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.016 http://www.tcsae.org