黑龍江省鹽堿地土壤無機(jī)碳分布特征

李德文　唐中華　劉英等

摘要 采用原位測定、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究黑龍江省重度鹽堿地土壤無機(jī)碳的形態(tài)、分布規(guī)律，并且探討黑龍江省鹽堿土無機(jī)碳的密度。不同植被類型顯著影響土壤無機(jī)碳分布，羊草草地土壤空氣中CO2含量明顯高于虎尾草草地，而HCO-3/ CO-23含量和土壤表層CaCO3含量低于虎尾草草地。鹽堿裸地中以CO2、HCO-3及CaCO3等形式存在的無機(jī)碳儲(chǔ)量隨著土層深度增加均無顯著變化。以土壤碳酸鹽含量為基礎(chǔ)，估算土壤無機(jī)碳密度，發(fā)現(xiàn)羊草及虎尾草草地表層土壤（0～10 cm）無機(jī)碳密度顯著低于鹽堿裸地（P<005），底層土壤無機(jī)碳密度差異不顯著；鹽堿裸地土壤無機(jī)碳密度為101.4 ～124.8 Mg/hm2。

關(guān)鍵詞 松嫩平原；鹽堿地；無機(jī)碳

中圖分類號 S151.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-085-03

Distribution Characteristics of Soil Inorganic Carbon of Salinealkaline Land in Heilongjiang Province

LI Dewen1， TANG Zhonghua1， LIU Ying1， WEI Xiaoxue2* et al

（1. Key Laboratory of Forest Plant Ecology of the Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2 Institute of Volcanoes and Mineral Springs， Heilongjiang Academy of Science， Wudalianchi， Heilongjiang 164155）

Abstract The morphologies and distribution of soil inorganic carbon of salinealkaline land in Heilongjiang Province were studied， with the methods of field monitoring and laboratory analysis. The contents of soil CO2， HCO-3/CO2-3， and carbonate were significantly effected by vegetation types. Leymus chinensis grassland had higher soil CO2 concentrations， but lower contents of HCO-3/ CO2-3 and CaCO3 than Chloris virgata grassland. For barren sites， the soil inorganic carbon had no significant change at different soil depths. Based on soil carbonate， the density of soil inorganic carbon was estimated. The results showed that the density were lower in Chloris virgata or Leymus chinensis grassland than barren sites （101.4 -124.8 Mg/hm2） in upper horizon （0-10 cm） （P< 0.05）， however， no evident difference was found in deep layers.

Key words Songnen Plain； Salinealkaline land； Inorganic carbon

土壤碳庫包括土壤有機(jī)碳庫和土壤無機(jī)碳庫。前者是濕潤、半濕潤地區(qū)碳庫的主要形式，而后者是干旱、半干旱地區(qū)土壤碳庫的主要形式，一般比土壤有機(jī)碳庫大2～5倍。有學(xué)者估算，全球土壤無機(jī)碳庫為700～1 000 Pg[1-3]。黑龍江省的鹽堿地面積為11 640 km2，占全省總土地面積的3%，主要分布在黑龍江省重要農(nóng)區(qū)和牧區(qū)之一的松嫩平原，其中近1/3為含鹽量超過1%的重度鹽堿地，目前對其土壤碳庫還缺乏深入了解。土壤無機(jī)碳的剖面分布與母質(zhì)、氣候、地貌、生物群落以及人為活動(dòng)等密切相關(guān)[4-7]。目前，國內(nèi)外對土壤無機(jī)碳庫的研究主要集中在草原和灌溉地區(qū)的農(nóng)田，對各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤無機(jī)碳的轉(zhuǎn)化、運(yùn)移機(jī)理及碳庫貯量還知之甚少。近年來，土壤碳儲(chǔ)庫日益受到關(guān)注，且有許多研究試圖闡明土壤對全球碳循環(huán)的影響。盡管已對土壤有機(jī)碳庫在全球碳循環(huán)中的作用進(jìn)行深入研究，但對土壤無機(jī)碳尤其是呈土壤發(fā)生性次生碳酸鹽形式存在的無機(jī)碳的研究相對較少，目前對無機(jī)碳在陸地碳循環(huán)過程中的意義及其對地球表層系統(tǒng)碳截存中的作用還不甚了解[8]。

黑龍江省鹽漬土地區(qū)以水為驅(qū)動(dòng)力，以碳為承載體，以鹽為表征物的“水-碳-鹽”動(dòng)力系統(tǒng)，在生物和化學(xué)的協(xié)同作用下，積極參與全球碳循環(huán)，成為大氣CO2源匯的重要環(huán)節(jié)[9]。圖1為黑龍江省重度鹽堿土地區(qū)“水-碳-鹽”動(dòng)力系統(tǒng)模式圖。松嫩平原地區(qū)母質(zhì)土壤為鈣成土，潛水中含有較多的游離鈣離子，由于水的濃縮和pH的升高，水中的重碳酸鈣和部分碳酸根以碳酸鈣鹽的形態(tài)沉淀下來，成為土壤中的碳酸鈣[10]。碳酸鹽礦物的溶蝕及侵蝕后再結(jié)晶是碳庫與大氣CO2之間物質(zhì)交流的重要過程。土壤中的CO2通過控制土壤pH和碳酸鈣的溶解性來影響其淀積過程。土壤碳循環(huán)過程是鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)的重要內(nèi)容。碳轉(zhuǎn)化過程導(dǎo)致土壤陽離子交換量的變化，從而影響土壤鹽分的動(dòng)態(tài)變化。

鹽堿土無機(jī)碳以CO2、HCO-3、CO-23及碳酸鹽形式存在于土壤中，其中碳酸鹽為土壤無機(jī)碳庫的主要存在形式，其具體表現(xiàn)形式為CaCO3、CaMg（CO3）2和FeCO3。1 m深的土壤以碳酸鹽形式儲(chǔ)存的無機(jī)碳為930 ～ 1 738 Pg C。碳酸鹽對全球碳循環(huán)具有重要意義，即影響大氣、海洋、陸地生態(tài)系統(tǒng)間的碳庫變化；通過形成次生碳酸鹽，進(jìn)而影響土壤碳截獲量。目前對各種類型土壤不同深度無機(jī)碳庫儲(chǔ)量的了解還很缺乏。研究不同類型土壤特別是鹽堿地土壤無機(jī)碳的形成機(jī)制對于降低大氣CO2濃度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。James等[11]認(rèn)為，灌溉使得美國蛇河平原干旱區(qū)的大氣CO2可以無機(jī)碳固定。不同土地利用方式對土壤無機(jī)碳庫具有顯著影響。無機(jī)碳在1 m以下土層具有明顯的累積層[12]。俄羅斯黑鈣土2 m以上土層無機(jī)碳含量的順序?yàn)楦魍寥?休耕>草地>割草地。重碳酸鹽向地下水的淋溶是土壤無機(jī)碳截獲的一個(gè)重要機(jī)制。通過該途徑，每年有0.25 ～ 1.00 Mg/hm2 C被固定。Lal[13]提出，干旱和半干旱地區(qū)土壤每年以次生碳酸鹽截獲的碳可達(dá)0.006 9 ～ 0.265 9 Pg。但是，也有研究認(rèn)為灌溉將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)土壤向大氣釋放CO2。我國鹽堿地面積為9 913萬hm2，其形成大部分與土壤中碳酸鹽的累積有關(guān)，因此深入研究鹽堿地土壤無機(jī)碳分布規(guī)律、轉(zhuǎn)換過程及其對土壤截獲的貢獻(xiàn)等將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者采用原位測定及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了黑龍江省重度鹽堿土無機(jī)碳的形態(tài)及分布規(guī)律。

圖1 重度鹽堿地“水-碳-鹽”動(dòng)力系統(tǒng)模式

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

該研究在肇東市進(jìn)行。該研究地位于黑龍江省西南部，松嫩平原中部，屬寒溫帶，平均積溫為2 772 ℃，其氣候特點(diǎn)是春季多風(fēng)、少雨，干旱，夏季酷熱、多雨，秋季涼爽，易發(fā)生早霜，冬季寒冷、干燥。全年無霜期較短，平均在140 d左右。年降水量293～656 mm，降水極不均勻，夏季最多，秋季次之，春季最少。自然植被主要有羊草草地、虎尾草草地、羊草虎尾草草地及鹽堿裸地。肇東市鹽堿土的土壤容重為1.42 g/cm3，pH>9，電導(dǎo)率為1 350 ～1 500 μS/cm。選取羊草草地、虎尾草草地和研究裸地3種主要的植被類型為研究對象，對其土壤無機(jī)碳分布特征進(jìn)行研究。

1.2 研究方法

在2008年10月下旬，在各采樣點(diǎn)分別挖取1 m × 1 m × 1 m的土壤剖面坑，按照不同深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm）采集土樣，測得土壤無機(jī)碳（SIC）剖面分布曲線，加權(quán)換算得到單位面積1 m土體內(nèi)SIC儲(chǔ)量。采用雙指示劑中和滴定法，測定土壤樣品的HCO-3和CO-23的含量，同時(shí)測定土壤碳酸鹽含量。

將自制土壤空氣采樣器埋入土壤中，穩(wěn)定半個(gè)月后用Li6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)（美國LICOR公司）測定土壤各深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm）CO2濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel和SPSS 11.5分別對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行顯著性差異分析（Oneway ANOVA）及相關(guān)分析（Bivariate correlation）。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿地土壤剖面CO2濃度 由圖2可知，鹽堿裸地土壤剖面CO2隨深度變化不大，虎尾草和羊草草地土壤剖面CO2含量隨深度增加而增加，羊草土壤剖面CO2濃度與土層深度顯著相關(guān)（P<0.05）。

圖2 黑龍江省鹽堿地不同深度土壤CO2濃度

試驗(yàn)結(jié)果還表明，在一定范圍內(nèi)，隨土層深度增加，土壤CO2濃度增加。有報(bào)道稱，在加拿大重黏黑鈣土上，生長季前期上層（15 ～ 30 cm）土壤CO2濃度最高，隨著深度的增加緩慢降低，隨生長季節(jié)的推進(jìn)，最大CO2濃度就出現(xiàn)在較深土層，秋季時(shí)最高CO2濃度出現(xiàn)在120 ～150 cm土層。戴萬宏[14]研究了土壤CO2濃度對小麥和玉米生長的影響，發(fā)現(xiàn)土壤CO2濃度對小麥生長無明顯影響，對玉米具有顯著影響；補(bǔ)充土壤CO2濃度可降低玉米植株高度、植株干重、根系干重，增加冠/根比，且土壤CO2濃度對玉米根系的影響比對地上植株的影響大。碳酸鹽的溶解與再沉淀隨著土壤水分狀態(tài)、pH的變化在時(shí)間、空間上都會(huì)可逆發(fā)生。當(dāng)土壤水分增加時(shí)，土壤CO2與水易生成碳酸，pH降低，CaCO3易生成Ca（HCO3）2；而當(dāng)土壤水分降低時(shí)，Ca（HCO3）2 因失水易分解，沉淀生成CaCO3，釋放出CO2，pH隨之升高；另外，微生物在新陳代謝過程中所產(chǎn)生的有機(jī)酸和無機(jī)酸可溶解部分CaCO3，釋放出CO2。因此，黑龍江鹽堿地土壤CaCO3因環(huán)境的變化易釋放或吸收CO2氣體，改變土壤呼吸的大小，對CO2氣體的排放具有緩沖作用。一般認(rèn)為，在沖、洪積平原的母質(zhì)中含有較多的碳酸鈣，易形成土壤鈣積層，具有隔水性能和保水性能，從而影響土壤呼吸。朱宏等[15]研究表明，干旱區(qū)荒漠灌木林地土壤碳酸鈣含量與土壤呼吸的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.93，在干旱半干旱區(qū)土壤碳酸鈣對灌（叢）木林地土壤呼吸有明顯的影響。

松嫩平原地區(qū)土壤富含碳酸鈣，其交換性復(fù)合體幾乎全為Ca2+所飽和。土壤表層的Ca2+與來自土壤空氣CO2溶解或植物殘?bào)w分解時(shí)產(chǎn)生的碳酸相結(jié)合，形成重碳酸鈣，在雨季向下移動(dòng)，淀積于剖面中部下部，形成鈣積層。在降水量大于蒸發(fā)量的氣候條件下，土壤中的碳酸鈣將轉(zhuǎn)變?yōu)橹靥妓徕}，從土體中淋失；當(dāng)蒸發(fā)量大于降水量時(shí)，毛管水轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙较?，從溫度低的下層土壤向溫度較高的上層土壤移動(dòng)，釋放CO2，使得重碳酸鹽變?yōu)樘妓徕}，并且沉積[16]。

2.2 鹽堿地土壤HCO-3和CO-23的分布 由表1可知，不同植被類型土壤HCO-3含量變化趨勢不同，如虎尾草和羊草草地土壤HCO-3含量由表層到底層呈先增加后降低的趨勢，而鹽堿裸地土壤各深度HCO-3含量變化不大。表層土壤HCO-3含量大小順序?yàn)槁愕?虎尾草≈羊草；稀根區(qū)（20 ～ 30 cm）和無根區(qū)（30 cm以下）含量大小順序?yàn)榛⑽膊?羊草>裸地；底層土壤HCO-3含量基本相同。不同植被類型土壤CO-23含量均較低，稀根區(qū)和無根區(qū)土壤CO-23含量順序依然為虎尾草>羊草>裸地。相關(guān)性分析結(jié)果表明，虎尾草和羊草草地土壤HCO-3和CO-23含量均呈顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

HCO-3和CO-23是鹽堿地陰離子的重要成分，其含量變化與鹽堿化程度密切相關(guān)。肇東市鹽堿土HCO-3和CO-23的含量分別為1.25 ～ 92.04和 0.51 ～ 2.81 mg/L。張巍等[17]發(fā)現(xiàn)輕度鹽堿土的HCO-3濃度略高于中度鹽堿土，并且提出僅靠pH或電導(dǎo)率來判斷土壤的鹽堿化程度是不充分的。

2.3 鹽堿地土壤碳酸鹽含量 由圖3可知，土壤CaCO3含量隨深度的變化與植被根系分布狀況相關(guān)性較大，一般根系分布密集區(qū)土壤CaCO3含量較低，如羊草的密根區(qū)為0 ～20 cm，該土層CaCO3含量約為2%，遠(yuǎn)低于稀根區(qū)和無根區(qū)。鹽堿裸地土壤CaCO3含量主要受降水淋溶作用的影響，土壤各層CaCO3含量范圍為7%～9%，隨深度變化不大。植被類型明顯影響表層土壤CaCO3含量。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，0～10 cm土層羊草草地、虎尾草草地及鹽堿裸地土壤CaCO3含量顯著不同（P<0.05）。以土壤碳酸鹽含量為基礎(chǔ)，估算出土壤無機(jī)碳密度。由圖4可知，羊草草地表層土壤（0 ～10 cm）無機(jī)碳密度顯著低于鹽堿裸地（P<0.05），底層土壤無機(jī)碳密度差異不顯著；鹽堿裸地土壤無機(jī)碳密度為101.4 ～124.8 Mg/hm2。

土壤發(fā)生性碳酸鹽是干旱、半干旱地區(qū)的主要土壤成分。目前，在研究土壤碳庫及其對地球表層生態(tài)系統(tǒng)過程中碳循環(huán)及大氣CO2濃度的影響時(shí)，并沒有考慮到這類碳酸鹽。土壤無機(jī)碳含量及密度隨著降水量的減少呈增加趨勢，空間變異性大于有機(jī)碳；草地開墾為農(nóng)田后無機(jī)碳含量升高，而放牧使無機(jī)碳的含量降低。Sahravat[18]研究了灌溉對干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤碳庫的影響，發(fā)現(xiàn)在土壤表層（30 cm）土壤有機(jī)碳占83%，而在150 cm以下深度土壤無機(jī)碳占70%。在印度中央平原地區(qū)，其氣候類型促進(jìn)有機(jī)碳的分解以及無機(jī)碳的累積。在一般情況下，近表層土壤具有相對脫鈣現(xiàn)象，在40～80 cm處達(dá)到最大值，隨后無機(jī)碳含量減小。該研究表明，輕度鹽堿地土壤表層碳酸鈣含量較低，在植物無根區(qū)具有明顯的鈣積層。楊黎芳等[8]發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式鈣積層的剖面主要出現(xiàn)在40～80 cm處，鈣積層數(shù)大小順序依次為耕地>退耕地>干旱半干旱草原>典型草原，而且典型草原在140～180 cm處仍具有較高的無機(jī)碳含量（> 10 g/kg），但是只有典型草原的0～100 cm無機(jī)碳密度>有機(jī)碳密度，其余對應(yīng)層位均為有機(jī)碳密度>無機(jī)碳密度。大多數(shù)剖面母質(zhì)碳酸鹽含量少，因而無機(jī)碳密度較低，而母質(zhì)碳酸鹽含量高的剖面無機(jī)碳密度則相對較高。在充足鈣源條件下，隨著有機(jī)碳的增加，無機(jī)碳累積增加。這說明有機(jī)碳對于無機(jī)碳的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)以及人類活動(dòng)可以顯著改變土壤碳含量。

3 結(jié)論與討論

（1）鹽堿裸地土壤剖面CO2濃度隨深度變化不大，虎尾草和羊草草地土壤剖面CO2濃度隨深度增加而增加，羊草土壤剖面CO2濃度與土層深度顯著相關(guān)（P<0.05）。

（2）不同植被類型土壤HCO-3含量變化趨勢不同?；⑽膊莺脱虿莶莸赝寥繦CO-3含量由表層到底層呈先增加后降低的趨勢，而鹽堿裸地土壤各深度HCO-3含量變化不大?；⑽膊莺脱虿莶莸赝寥繦CO-3和CO-23含量顯著相關(guān)（P<0.05）。

（3）植被類型顯著影響表層土壤CaCO3含量（P<005）；土壤CaCO3含量隨深度的變化與植被根系分布狀況相關(guān)性較大，一般根系分布密集區(qū)土壤CaCO3含量較低。鹽堿裸地土壤CaCO3含量主要受降水淋溶作用的影響，土壤各層CaCO3含量范圍為7%～ 9%，隨深度變化不大。

（4）虎尾草、羊草草地表層土壤無機(jī)碳密度顯著低于鹽堿裸地（P<0.05），底層土壤無機(jī)碳密度差異不顯著；鹽堿裸地土壤無機(jī)碳密度為101.4～124.8 Mg/hm2。

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