不同植被類型土壤有機碳變化

張文河++查向浩++易海艷++徐安陽

摘要：研究以喀什市不同植被類型（喬木、灌木、草叢、裸地）為對象，分析其0～20 cm土壤剖面的土壤有機碳含量和土壤有機碳密度。結(jié)果表明，喀什市土壤0～20 cm剖面的平均土壤有機碳含量和平均土壤有機碳密度的大小關(guān)系均為草叢（10.130 810 g/kg，3.021 713 kg/m2）>喬木（8.775 414 g/kg，2.590 197 kg/m2）>灌木（7.853 428 g/kg，2.383 278 kg/m2）>裸地（6.364 066 g/kg，1.925 676 kg/m2）。不同植被類型土壤有機碳含量和有機碳密度變化基本一致，但二者變化幅度不同。在城市中建設(shè)植被有助于土壤固碳，相比于灌木，草叢和喬木的固碳效果較好。另外，應(yīng)減少和避免強烈的人為干擾，以防止淺層土壤碳損失，維持喀什市土壤碳庫穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：土壤；有機碳；植被類型

中圖分類號：Q948.113 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2594-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.009

Changes of Soil Organic Carbon Content under Different Vegetation Types

ZHANG Wen-hea，ZHA Xiang-haoa，YI Hai-yanb，XU An-yanga

（a.Department of Chemistry and Environmental Sciences；

b. Department of Biologic and Geographic Sciences， Kashgar Teachers College， Kashgar 844006，Xinjiang， China）

Abstract： Taking the Kashgar city different vegetation types （shrub，forest，grass land and bare land） as the research objects， the organic carbon contents and the organic carbon density of the soil in the soil profile at 0～20 cm depth were analyzed. The research results showed that the average organic carbon contents and the average organic carbon density of the soil in the soil profile at 0～20 cm depth were grass land （10.130 810 g/kg，3.021 713 kg/m2）> shrub（8.775 414 g/kg，2.590 197 kg/m2）> forest（7.853 428 g/kg，2.383 278 kg/m2）>bare land（6.364 066 g/kg，1.925 676 kg/m2）. The distributions in soil profiles of the organic carbon contents and the organic carbon density under each vegetation type were similar but differed in amplitude of variation. Vegetation construction on city would contribute to soil carbon sequestration and the grass land and shrub communities had better effects. Strong human disturbance should be reduced or avoided to prevent the change of carbon in shallow soil layers and to keep the stability of the soil carbon pool.

Key words： soil； organic carbon； vegetation types

近年來，隨著城市化進程的加快，有關(guān)城市土壤有機質(zhì)的研究逐漸受到重視。中國已經(jīng)開展大量的土壤有機碳密度與儲量的研究，這些多集中于全球尺度[1，2]、國家或省域尺度[3-7]，重點是針對森林、農(nóng)田、草地系統(tǒng)內(nèi)的土壤碳進行研究，目前對城市土壤碳的研究相對欠缺[8-10]。城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[11]，受植被覆蓋、利用方式、人工管理等因素的影響顯著[12]。土壤作為一種不可再生的自然資源，是人類社會生存與發(fā)展不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是支撐城市發(fā)展的空間和生態(tài)基礎(chǔ)[13，14]。由于缺乏與城市土壤的普查或剖面數(shù)據(jù)，土壤碳的估算受到很大的限制。而且，城市土壤碳的空間差異顯著，是自然因素與人為因素共同作用的結(jié)果，給研究帶來了一定的難度。

本研究以喀什市為例，統(tǒng)計分析喀什市不同植被類型土壤有機碳變化情況。自喀什被確立為經(jīng)濟開發(fā)區(qū)后，外來人員不斷增加，對于喀什市土壤環(huán)境的影響也日益加劇，為了確?？κ彩性诮窈蟮陌l(fā)展中較為科學(xué)、合理地使用土地資源，確保土壤環(huán)境得到可持續(xù)發(fā)展，基于目前國內(nèi)外一些較為成熟的研究技術(shù)方法，通過對喀什市現(xiàn)有植被類型的土壤有機碳含量以及土壤有機碳密度的測量，從而了解不同植被類型土壤有機碳含量及密度的早期分布特征，較為準(zhǔn)確地預(yù)測出喀什市未來環(huán)境的變化趨勢，為喀什市不同植被類型土壤后續(xù)土地可持續(xù)開發(fā)提供科學(xué)性指導(dǎo)，確保喀什市在今后的發(fā)展、建設(shè)中能夠繼續(xù)保護和改善環(huán)境，合理利用土壤資源，切實做好可持續(xù)發(fā)展土壤資源的工作，提供科學(xué)的、切合實際的理論依據(jù)及建議。endprint

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什市位置坐標(biāo)為東經(jīng)73°20′-79°57′、北緯35°20′-40°18′，位于新疆南部塔里木盆地邊緣，帕米爾高原東北麓，塔克拉瑪干沙漠西部，東西部與疏附縣接壤，北倚古瑪塔格山與克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿圖市毗鄰，南面與疏勒縣相接，總面積554.8 km2。喀什市總體的地形特點是北高南低，海拔最高點1 502 m，最低點1 264 m，平均海拔高度1 289.5 m。地貌上則屬于喀什噶爾河流域沖積平原，有克孜勒河、吐曼河等水系。氣候上屬于溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，夏無酷熱，冬無嚴(yán)寒，年平均氣溫11.7 ℃，由于光照充足，喀什無霜期長達220 d左右，年平均降雨量30～60 mm，年有效積溫可達4 200 ℃，晝夜溫差大，具有良好的自然條件。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的選取 采樣前必須了解采樣地區(qū)的自然條件、土壤特征、是否受到污染及污染的歷史與現(xiàn)狀等情況。由于城市不同植被類型土壤形成發(fā)育過程和有機碳積累狀況是不同的，可以根據(jù)人類活動性質(zhì)和強度的差異將喀什市按照網(wǎng)格法劃分為9個小網(wǎng)格（A-L），具體見圖1。

1.2.2 樣品采集與處理 2013年3月在各個植被類型樣地內(nèi)進行采樣，由于不同網(wǎng)格區(qū)土壤本身的理化性質(zhì)及分布區(qū)域的差異，所以在每個網(wǎng)格區(qū)內(nèi)不同地理位置上選取有代表性的土壤布設(shè)4個（喬木，灌木，草叢，裸地）采樣點進行隨機采樣。挖取土壤剖面之前，先將土體表面枯枝落葉除掉，取樣深度在0～20 cm，各樣地采樣量約為1.0 kg。同時用環(huán)刀法測定土壤容重，各3個重復(fù)。將所采的土壤在實驗室內(nèi)進行自然風(fēng)干后，去除樣品中的植物根系等雜物，然后通過直徑為2 mm篩；采用四分法取適量土壤樣品，用小球磨儀把土樣磨碎，再過孔徑為0.25 mm篩。土壤有機碳含量（SOC）采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法（HJ615-2011）測定；土壤容重采樣環(huán)刀法測定（NY/T 1121.4-2006）；土壤有機碳密度（kg/m2）的計算公式[15，16]為：土壤有機碳密度=有機碳含量×土壤容重×土層厚度。采樣點應(yīng)覆蓋城市的整體區(qū)域及同一網(wǎng)格區(qū)的各地理位置具有代表性的區(qū)域，體現(xiàn)出實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性。此次研究共采集72個土壤樣品，其中36個土壤環(huán)刀樣品。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將試驗所得的數(shù)據(jù)用Excel圖表處理軟件及DPS統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。對不同植被類型、不同采樣區(qū)域和同一采樣區(qū)域不同采樣點的土壤有機碳含量，土壤有機碳密度差異性進行比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同功能區(qū)土壤有機碳含量的變化

不同功能區(qū)土壤有機碳含量的變化如圖2。9個不同采樣區(qū)域中A區(qū)、E區(qū)、L區(qū)各不同植被類型土壤有機碳含量均較其他區(qū)域高。這可能是因為A區(qū)靠近鄉(xiāng)村道路，其道路車流量比較大，且大部分為施工車輛，經(jīng)常有揚塵、飛灰、沙石落下；E區(qū)、L區(qū)為公園，平常人流量大，人為干擾因素高（如經(jīng)常割草、施肥、灌溉等）。H區(qū)不同植被類型土壤有機碳含量較其他區(qū)最低。這可能是由于該區(qū)有農(nóng)牧民在里面放牧，各植被類型土壤都遭到不同程度的破壞，且在挖取土壤剖面時發(fā)現(xiàn)該區(qū)土樣中有生活垃圾、塑料、雜物等。A區(qū)、E區(qū)、L區(qū)各不同植被類型土壤有機碳含量分別比H區(qū)高2.67倍、3.27倍、2.51倍。其他區(qū)域不同植被類型SOC無顯著差異。

綜合上述結(jié)果，喀什市的不同功能區(qū)土壤有機碳含量的變化既表現(xiàn)出一定的差異性，也表現(xiàn)出某些相似性。原因可能是不同植被類型的凋落物量、植被根系分布的不均勻、人為活動影響以及不同植被形成的特定群落微環(huán)境綜合作用的結(jié)果。

2.2 不同植被類型土壤有機碳含量的變化

同一地區(qū)不同的林分類型則因地表植被覆蓋度、枯落物分解程度、人為干擾程度、水土流失程度以及土壤微生物的分解作用等不同影響土壤有機物質(zhì)的輸入和輸出，進而影響土壤有機碳含量[17]。如表1各植被類型表層0～20 cm深度的平均土壤有機碳含量變化為草叢>喬木>灌木>裸地。在所有植被類型中，表層0～20 cm深度的平均土壤有機碳含量草叢比裸地高出62.8%；喬木與灌木平均土壤有機碳含量無顯著差異，裸地表層0～20 cm深度的平均土壤有機碳含量最低?？κ彩斜韺?～20 cm深度的土壤不同植被類型平均土壤有機碳差異為草叢和喬木較高分別為10.130 810、8.775 414 g/kg、灌木次之（7.853 428 g/kg）、裸地最低（6.364 066 g/kg）。這可能主要是城市綠地大部分都是草坪，草叢土壤有機碳的來源主要是植物凋落物的輸入，人為影響比較大（如經(jīng)常割草、施肥、灌溉等），所以草叢平均土壤有機碳含量最高；裸地由于植被覆蓋度很低，由植被輸入土壤的有機質(zhì)極少，地表凋落物易被風(fēng)移走，且由于人為干擾少，土地壓實比較嚴(yán)重，因此其平均土壤有機碳含量相比于草叢表現(xiàn)為最低。

2.3 不同植被類型土壤有機碳密度的變化

各植被類型的土壤有機碳密度大小由其各自的土壤有機碳含量和土壤容重（表2）共同決定?；谝巴馔寥啦蓸訑?shù)據(jù)，分析不同植被類型對土壤有機碳密度的變化差異。如表3各植被類型表層0～20 cm深度的平均土壤有機碳密度其大小依次為：草叢>喬木>灌木>裸地?？κ彩械牟輩财骄寥烙袡C碳密度比裸地平均土壤有機碳密度高63.7%，本地的喬木與灌木平均土壤有機碳密度之間無顯著的差異。喀什市裸地的平均土壤有機碳密度最低，大小為1.925 676 kg/m2 。一般而言，在城市建設(shè)過程中，由于大型機器對城市土壤挖掘、搬運、堆積、混合和大量城市產(chǎn)生的廢棄物填充，土壤腐殖質(zhì)層被剝離或者被埋藏，加上原生態(tài)植被遭到清除或破壞，土壤有機質(zhì)明顯減少，土壤碳的流失及新筑土壤的貧瘠致使土壤有機碳密度相對較低。本項研究研究表明灌木的土壤有機碳密度較其平均土壤有機碳含量變化幅大，其他植被類型的土壤有機碳密度均較其平均土壤有機碳含量變化不大，此種現(xiàn)象是由于灌木較其他植被類型的平均土壤容重大。endprint

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，喀什市不同植被類型的土壤有機碳含量、密度不同，土壤表層0～20 cm深度范圍內(nèi)的平均土壤有機碳含量與平均土壤有機碳密度的大小順序關(guān)系均為草叢（10.130 810 g/kg，3.021 713 kg/m2）>喬木（8.775 414 g/kg，2.590 197 kg/m2）>灌木（7.853 428 g/kg，2.383 278 kg/m2）>裸地（6.364 066 g/kg，1.925 676 kg/m2）。各植被類型土壤有機碳密度和有機碳含量的變化幅度大小不同：灌木的土壤有機碳密度較平均土壤有機碳含量的變化幅度相比其他的類型是比較大的，反之，其他植被類型的土壤有機碳密度均較其平均土壤有機碳含量的變幅較小。不同功能區(qū)土壤有機碳含量的變化既表現(xiàn)出差異性，也表現(xiàn)出某些相似性。九個不同采樣區(qū)域中A區(qū)、E區(qū)、L區(qū)各不同植被類型土壤有機碳含量均較其他區(qū)域高。H區(qū)不同植被類型土壤有機碳含量較其他區(qū)最低。在城市中建設(shè)植被有助于土壤固碳，幾種不同植被類型中，草叢和喬木的固碳效果比較好。應(yīng)當(dāng)盡可能加強裸地的植被建設(shè)，增加裸地土壤的固碳能力；盡量減少和避免外界強烈的人為干擾，防止淺層土壤有機碳的損失，以維持土壤碳庫穩(wěn)定。

不同的植被類型對土壤有機碳庫的影響比較復(fù)雜，目前，學(xué)者對森林、草地和農(nóng)田及其相互轉(zhuǎn)化對土壤有機碳的影響做了大量的研究。而城市內(nèi)不同植被類型對土壤有機碳的影響因素研究相對較少[18]。因城市本身發(fā)展程度的不同，人為作用的方式、強度的不同，土壤有機碳和土壤密度含量在城市不同植被類型之間表現(xiàn)出變異性。

研究表明，城市內(nèi)不同植被類型之間土壤有機碳含量和土壤有機碳密度均表現(xiàn)出差異?？κ彩械难芯繀^(qū)內(nèi)各植被類型表層0～20 cm深度的土壤平均有機碳密度和平均土壤有機碳含量大小關(guān)系均為：草叢>喬木>灌木>裸地?？κ彩袃?nèi)草叢土壤有機碳的來源主要是植物凋落物的輸入，其大小取決于凋落物輸入量和土壤有機質(zhì)的分解釋放量。而裸地由于植被覆蓋度很低，由植被輸入土壤的有機質(zhì)比較少，且地表凋落物易被風(fēng)力搬運，因此裸地土壤平均有機碳密度和平均土壤有機碳含量最低。研究區(qū)內(nèi)的喬木已經(jīng)發(fā)展穩(wěn)定，植被郁閉度大，土壤環(huán)境得到較好的改善，適宜微生物活動。另外調(diào)查發(fā)現(xiàn)地表凋落物也較多，大大增加了土壤有機質(zhì)的輸入量，因此其土壤平均有機碳含量和密度的大小表現(xiàn)為中間類型。研究區(qū)內(nèi)的灌木雖然發(fā)展較穩(wěn)定，但比喬木相的植被蓋度較低，凋落物量相對較少且易移動，土壤環(huán)境比較差，因此灌木的土壤平均有機碳含量/密度也表現(xiàn)為中間類型。

城市土壤中有機碳的變化顯然與其特殊的環(huán)境和有機碳來源有關(guān)，城市土壤中有機碳的輸入為多源性特點。城市土壤有機物質(zhì)除少量來自其上生長的植物（包括枯枝落葉和雜草）外，主要由外界的人為輸入，城市內(nèi)高度密集的人口和大量的生活垃圾混入是城市土壤有機碳的主要來源，這些城市垃圾包括食物的殘余物以及燃料的殘余物。另外，城市工業(yè)企業(yè)排放的有機廢棄物也是城市土壤有機碳的主要來源之一。開封市不同功能區(qū)的土壤有機碳含量變化的研究表明，工業(yè)區(qū)內(nèi)土壤SOC最大的，其次是休閑娛樂區(qū)土壤的SOC[19]。城市土壤較為堅實，土壤孔隙度較小，并且城市土壤不以生產(chǎn)為目的，土壤有機碳分解較慢、有機質(zhì)的消耗較少，促進了土壤有機碳的積累。

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