黑河流域中游蘆葦濕地土壤碳垂直分布特征

張宏斌, 孟好軍,*, 趙維俊, 高慧娟, 趙永宏

1. 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院, 甘肅 張掖 734000 2. 河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 甘肅 張掖 734000 3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070

黑河流域中游蘆葦濕地土壤碳垂直分布特征

張宏斌1, 孟好軍1,*, 趙維俊1, 高慧娟2, 趙永宏3

1. 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院, 甘肅 張掖 734000 2. 河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 甘肅 張掖 734000 3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070

黑河流域是中國的第二大內(nèi)陸河流域, 在該流域中游分布的濕地面積有170411.2 hm2, 其中水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地面積30000 hm2。以黑河流域中游蘆葦濕地為例, 探討了其土壤剖面中碳的垂直變化規(guī)律。結(jié)果表明, 土壤剖面0—20 cm土層的容重較小, 容重均值為 0.365 g·cm-3, 在 20—50 cm容重均值急劇升高; 50 cm以下, 容重均值均在1.29 g·cm-3以上, 容重隨土壤深度增加呈“S”型增長; 土壤有機(jī)碳主要集中在土壤表層0—40 cm處, 40 cm以下不同土層有機(jī)碳含量之間無顯著性差異(p＜0.01), 土壤有機(jī)碳隨土層深度的增加呈指數(shù)下降趨勢; 土壤有機(jī)碳含量和土壤容重之間存在顯著的相關(guān)性。

蘆葦濕地; 土壤剖面; 有機(jī)碳; 垂直分布; 黑河流域

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1 前言

濕地作為地球表層的一個(gè)界面, 是巖石圈、生物圈、水圈、大氣圈和人類圈相互聯(lián)系的重要紐帶和多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)物質(zhì)體系的交匯場所, 承擔(dān)著碳氮磷的源、匯或轉(zhuǎn)化器的功能[1]。濕地土壤有機(jī)碳是氣候變化的一種敏感指示物, 能用來指示對氣候變化的響應(yīng)[2]。我國對天然濕地的歷史成因、地理分布和氣候及水文條件等方面開展了大量研究[3–4]。濕地系統(tǒng)處于常年積水或季節(jié)性積水狀態(tài), 積累了更多的土壤活性有機(jī)碳, 加之極高的碳密度, 濕地土壤碳庫對氣候變化更加敏感, 因而成為全球碳循環(huán)研究的重要部分和濕地生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[5–6]。目前國內(nèi)諸多研究者在三江平原濕地、若爾蓋濕地、長江中下游胡泊濕地、河口濕地、濱海濕地等區(qū)域針對土壤有機(jī)碳、生源要素對土壤碳礦化的影響、溫室氣體排放等方面開展了相關(guān)研究, 取得了大量的研究成果[7–12]; 在蘆葦濕地土壤碳匯研究方面也已有很多報(bào)道[13–18]; 對于中國第二大內(nèi)流河流域—黑河流域碳氮循環(huán)的研究主要集中在不同土地利用類型土壤碳儲量和空間變化、土壤有機(jī)碳含量變化的主要影響因素, 土壤有機(jī)碳變化機(jī)制和景觀格局下的土壤碳與氮源關(guān)系等方面[19–24]; 而相對黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤碳方面的研究則鮮見報(bào)道。

黑河流域(N 38°—42°, E 98°—101°30')屬西北干旱半干旱區(qū)的內(nèi)陸河流域, 是中國第二大內(nèi)陸河流域, 位于甘肅河西走廊中部, 流域面積約14.29× 104km2, 跨甘肅、青海和內(nèi)蒙古三省(區(qū)), 上游屬青海省祁連縣, 中游屬甘肅省山丹、民樂、甘州、臨澤、高臺、肅南和肅州等縣(區(qū)), 下游屬甘肅省金塔縣和內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗。由于受大陸性氣候和青藏高原的祁連山—青海湖氣候區(qū)影響, 中下游的走廊平原及阿拉善高原屬中溫帶甘—蒙氣候區(qū)。黑河流域中游分布有170411.2 hm2的濕地, 其中水陸交錯(cuò)帶分布的蘆葦濕地面積為30000 hm2, 占濕地資源總面積的17.6%。該區(qū)相關(guān)濕地方面的研究主要集中在濕地資源分布、濕地植被恢復(fù)、動(dòng)物多樣性、濕地功能評價(jià)、蘆葦種群特征等方面[25–29]。因此, 本研究選擇黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地作為研究區(qū)域, 通過野外調(diào)查, 基于不同層次土壤碳的測定分析, 研究蘆葦濕地土壤碳的垂直分布特征, 為進(jìn)一步深入探討干旱半干旱區(qū)內(nèi)陸河流域濕地土壤有機(jī)碳循環(huán)研究提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)地理位置 E100°06—100°54′, N38°32′—39°24′。地勢由南向北傾斜。多年平均氣溫為7 ℃,歷年最高氣溫為37.4 ℃, 最低氣溫為–28 ℃; ≥0℃積溫3 388 ℃, ≥10 ℃積溫2 896.6 ℃, 無霜期153 d,年日照時(shí)數(shù)為3085 h; 盛行西北風(fēng), 年均風(fēng)速2 m·s–1,最大風(fēng)速36 m·s–1, 年降雨量僅129 mm, 在時(shí)間分布上, 多集中在6—9月份, 約占全年總量的71.9%,春季降水僅占 14%, 年內(nèi)降水分布很不均勻, 年際變化較大; 蒸發(fā)強(qiáng)烈, 全區(qū)年平均蒸發(fā)量2 047 mm,干旱指數(shù)高達(dá)10.3, 大氣干燥度為4.9。濕地區(qū)內(nèi)農(nóng)田、沼澤、內(nèi)陸鹽沼鑲嵌分布, 地下水位較高, 濕地分布植物主要有水生和濕生兩大類45科124屬195 種, 棲息動(dòng)物隸屬于3綱23目39科74屬116種, 是生物多樣性最豐富的地帶。黑河中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地分布面積3×104hm2。

2.2 研究方法

2014年5月15日、7月15日、8月15日與10 月15日, 在黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地隨機(jī)布點(diǎn), 每次取3個(gè)采樣點(diǎn)。采樣時(shí), 先除去地面凋落物, 用土壤鉆(直徑4 cm)鉆取0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm、50—60 cm、60—70 cm、70—80 cm和80—100 cm共9層取樣,每個(gè)采樣點(diǎn)2個(gè)重復(fù), 去除石礫、植被殘根等雜物,混合均勻后用密封塑料袋帶回實(shí)驗(yàn)室, 共計(jì)采集土樣216個(gè), 樣品自然風(fēng)干后, 過100目篩, 測定土壤有機(jī)碳。

土壤有機(jī)碳的測定方法采用重鉻酸鉀容量法測定[30]。

土壤容重按下式計(jì)算:

式中:r—容重(g·cm-3),w1—環(huán)刀+土重(g),w2—環(huán)刀重(g),v—環(huán)刀體積(cm3) 。

對不同月份土壤剖面中碳含量測定值進(jìn)行方差分析(ANOVA)來檢驗(yàn)它們之間的差異顯著性; 運(yùn)用Excel 2000對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及繪圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤容重的垂直分布特征

土壤容重是表征土壤肥瘦和耕作質(zhì)量的重要指標(biāo), 土壤容重高說明土壤緊實(shí), 孔隙數(shù)量少, 土壤的水分、空氣、熱量狀況相對較差。黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤剖面土壤容重隨剖面深度變化趨勢如圖1所示, 從圖1可以看出, 0—20 cm土層的容重較小, 0—10 cm和10—20 cm容重平均值分別為 0.34 g·cm-3和 0.39 g·cm-3; 在 20—50 cm土壤容重發(fā)生急劇變化, 土壤容重平均值明顯增加, 從0.39 g·cm-3增加到1.29 g·cm-3; 50 cm以下, 土壤容重均值均在1.29 g·cm-3以上。

圖1 黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤剖面容重分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of soil profile bulk density of reed wetland in water-land ecotone of middle region in Heihe Basin

黑河流域水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤剖面表層容重較小, 而且隨深度增加而逐漸增大的趨勢, 這與美國北卡羅來納河口沼澤中規(guī)律性淹水沼澤土壤剖面容重變化規(guī)律有很好的一致性[31]。這是因?yàn)樘J葦濕地剖面上層, 積累著諸多植物殘?bào)w和枯枝落物,結(jié)構(gòu)松散, 因而土壤容重較小, 相反隨著土層的深入, 土壤中的植物根系逐漸減少, 有機(jī)質(zhì)含量降低,加上機(jī)械壓力等是土壤容重增大的主要原因。

3.2 土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

天然有機(jī)質(zhì)的輸出量主要包括分解和侵蝕損失[32-33]。黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的變化趨勢并不相同, 但總體上呈下降趨勢。其中, 40 cm以下土壤有機(jī)碳的變化趨勢相似(圖2)。不同月份土壤有機(jī)碳的最大值及最小值出現(xiàn)的深度各不相同, 5月份最高值處在10—20 cm和20—30 cm, 且有機(jī)碳含量顯著高于其他土層(p＜0.01), 這是因?yàn)樵谕寥郎顚咏鈨銎?5月份)的有機(jī)碳含量主要源于上一年份的累積, 且凍融作用有助于有機(jī)碎屑的分解和碳礦化過程[34]; 7、8月份由于土壤溫度升高, 土壤微生物活性增強(qiáng), 導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)分解加速, 且碳消耗量增加[35], 7月份最高值處在10—20 cm和20—30 cm, 8月最高值處在10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm; 10月份隨著土壤溫度的逐漸降低, 土壤微生物活性減弱, 有機(jī)質(zhì)分解速度減緩, 相應(yīng)碳的消耗量減少, 土壤有機(jī)碳含量在不同土層中的差異性不顯著(p＞0.01)。蘆葦濕地土壤有機(jī)碳含量在時(shí)間分布上表現(xiàn)出垂直分異規(guī)律, 其最高值和最低值所在層次并不一致, 但從取樣分析的對應(yīng)月5、7、8、10月來看, 土壤有機(jī)碳集中分布在0—40 cm土層中。這主要是由于0—40 cm是蘆葦根系的集中分布區(qū)。

圖2 不同月份蘆葦濕地土壤有機(jī)碳垂直分布Fig. 2 Vertical distribution of soil organic carbon of reed wetland in different months

濕地土壤有機(jī)碳含量隨剖面深度的變化與當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境變化密切相關(guān)。黑河流域由于獨(dú)特的氣候條件, 氣溫變化總的特征是日溫差變幅大, 早晚氣溫低, 中午氣溫高。但7、8月份氣溫的變幅相對是比較小的, 致使7和8月份蘆葦濕地表層(0—10 cm)與相應(yīng)月份其它各層相比, 土壤有機(jī)碳含量最低; 10月份蘆葦濕地表層(0—10 cm)與相應(yīng)月份的表層相比, 有機(jī)碳含量最高。這主要是因7和8月份土壤地表溫度相對較高, 而土壤呼吸與地表溫度成正比[36], 同時(shí)陳慶美等研究發(fā)現(xiàn)[37], 土壤有機(jī)碳密度與溫度呈負(fù)相關(guān), 也說明了土壤呼吸的加強(qiáng)可能是造成土壤表層有機(jī)碳含量低的原因之一。Jobbagy等指出[38], 植物根系的分布直接影響到土壤有機(jī)碳的垂直分布, 因?yàn)榇罅康乃栏? 為土壤提供了豐富的碳源。同時(shí)地表枯枝落葉也會(huì)為表層土壤有機(jī)碳的提供補(bǔ)給。溫度和土壤水分是土壤呼吸的主要限制因子[39], 這也進(jìn)一步說明水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤有機(jī)碳垂直分布的差異可能土層溫度與含水量隨時(shí)間變化產(chǎn)生的干濕交替所造成的。

3.3 土壤有機(jī)碳與土層深度的關(guān)系

利用實(shí)測數(shù)據(jù), 用不同形式的非線性(包括線性)方程對每一個(gè)土壤剖面的有機(jī)碳垂直分布都單獨(dú)進(jìn)行回歸擬合, 選取一種確定系數(shù)R最大的擬合方程。結(jié)果表明, 黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤有機(jī)碳含量與土層深度均呈極顯著的指數(shù)關(guān)系,且有機(jī)碳含量隨土壤深度增加而下降。利用5、7、8、10四個(gè)月的資料分別不同形式非線性回歸分析獲知, 以指數(shù)形式擬合相關(guān)系數(shù)最大, 研究結(jié)果與ARROUAYS D, PELISSIER P.所取得的研究結(jié)論是一致的, 即: 在垂直方向上, 土壤有機(jī)碳含量與土層深度密切相關(guān), 隨深度的增加呈指數(shù)下降趨勢[40],土壤有機(jī)碳(y)與土層深度(x)具有顯著的相關(guān)性(p＜0.01), 相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.890 9。其擬合回歸方程如下:

y=2.8369e-0.0611x(R2=0.8909)

3.4 土壤容重與有機(jī)碳的關(guān)系

黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤表層(0—30 cm)中有機(jī)碳的平均含量很高, 平均的土壤容重為0.503 g·cm-3, 30 cm以下土壤的容重大于1.000 g·cm-3?；貧w分析表明, 水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤容重與土壤有機(jī)碳含量呈顯著的指數(shù)關(guān)系(p＜0.01)(圖3), 這與張文菊等[41]研究洞庭湖濕地有機(jī)碳和容重所取得的研究結(jié)果是一致的。由此可見, 在不同區(qū)域的濕地中, 土壤有機(jī)碳含量和土壤容重之間均存在顯著的相關(guān)性。

圖3 土壤容重與有機(jī)碳的關(guān)系Fig. 3 Relationship of soil bulk density and soil organic carbon

4 結(jié)論

(1) 黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤容重受植被和土壤性質(zhì)的影響, 土壤容重在不同深度間隔土層中變化較為明顯, 隨土層深度增加, 容重不斷增加, 在0—20 cm土層容重均值變化較小, 在20—50 cm土層容重均值急劇增加, 在50 cm以下土層容重均值變化較為緩和。

(2) 黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤有機(jī)碳5、7、8、10月份等4個(gè)月土壤有機(jī)碳含量沿剖面的分布特征不同, 各月份有機(jī)碳含量總體變化呈下降趨勢, 40 cm以下土壤有機(jī)碳含量之間無顯著差異(p＞0.01)。蘆葦濕地 7月份和 8月份土壤表層(0—10 cm)有機(jī)碳含量低于5月份和10月份土壤表層有機(jī)碳含量。

(3) 黑河流域中游水陸交錯(cuò)帶蘆葦濕地土壤剖面有機(jī)碳含量隨土層深度的增加呈指數(shù)下降趨勢(p＜0.01), 不同土層土壤容重和有機(jī)碳含量之間亦呈顯著的指數(shù)關(guān)系(p＜0.01)。

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Vertical distribution characteristic of soil carbon of reed wetland in middle region of Heihe Basin

ZHANG Hongbin1, MENG Haojun1, ZHAO Weijun1, GAO Huijuan2, ZHAO Yonghong3
1.Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province,Zhangye734000,Gansu,China2.College of Agriculture and Biology Technology,Hexi University, Zhangye734000,Gansu,China3.College of Forestry,Gansu Agricultural University,Lanzhou730070,Gansu,China

Heihe Basin is the second continental river basin in china, having a wetland area of 170411.2 hm2in the middle region distribution, and water-land ecotone reed wetland of 30000 hm2. It takes the reed wetland in the middle of Heihe River Basin as an example, and discusses the vertical variation of carbon in soil profile. The results show that bulk density of soil profile in 0-20 cm is lesser, and the mean is 0.365 g·cm-3. Soil bulk density sharply rises in 20-50 cm. Soil bulk density under 50 cm is greater than 1.29 g·cm-3. Soil bulk density is in “S” type of growth with the increase of soil depth. The difference of soil organic carbon is mainly concentrated in the surface (0-40 cm), and there is no significant difference between the soil organic carbon content under 40cm (p＜0.01). Soil organic carbon declined exponentially with the increase of soil depth; there is significant correlation between soil organic carbon and soil bulk density.

reed wetland; soil profile; organic carbon; radical distribution; Heihe Basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.019

S153

A

1008-8873(2016)02-123-05

2013-00-00;

2014-00-00

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308RJZG163)

張宏斌(1966—), 男, 高級工程師, 主要從事濕地生態(tài)學(xué)和生物多樣性等方面的研究, E-mail: shyzhanghb1788@126.com

*通信作者:孟好軍(1964—), 男, 高級工程師, 主要研究方向?yàn)闈竦厣鷳B(tài)學(xué)和生物多樣性等, E-mail: shymenghj5619@126.com