青海共和盆地不同人工灌木群落土壤碳密度研究①

尹書樂，王學(xué)全，李少華

（中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京　100091）

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青海共和盆地不同人工灌木群落土壤碳密度研究①

尹書樂，王學(xué)全*，李少華

（中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京100091）

摘要：共和盆地高寒沙區(qū)植被恢復(fù)區(qū) 4種典型人工灌木林是檸條（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、沙柳（Salix psammophila）和烏柳（Salix cheilophila）。土壤有機(jī)碳密度調(diào)查研究表明，不同灌木群落類型下的土壤有機(jī)碳密度（0 ～ 100 cm）由大到小是：沙棘9.42 kg/m2、沙柳6.73 kg/m2、烏柳6.06 kg/m2、草地4.56 kg/m2、檸條3.67 kg/m2。不同灌木林地0 ～ 100 cm土壤質(zhì)地和分層狀況不同，土壤有機(jī)碳含量隨著土壤深度增加而減少，表層（0 ～ 10 cm）含量最高。與對照樣地草地相比，位于丘間地的林地土壤有機(jī)碳含量均有不同程度的提高。

關(guān)鍵詞：共和盆地；人工灌木林；土壤有機(jī)碳；土壤質(zhì)地

土壤有機(jī)碳庫是地球表層生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，約是植被中碳儲(chǔ)量的 2 ～ 3 倍，是大氣中的 2倍［1-2］，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布及轉(zhuǎn)化對大氣 CO2濃度影響顯著。許多學(xué)者對土壤有機(jī)碳進(jìn)行了研究，解憲麗等［3］基于土壤普查數(shù)據(jù)，估算出全國 100 cm 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為 8.44×1010t；王根緒等［4］、田玉強(qiáng)等［5］用土壤類型法計(jì)算青藏高原草地土壤有機(jī)碳；曾永年等［6］以黃河源區(qū)為例估算高寒草地沙漠化土地固碳潛力；以上區(qū)域土壤碳庫估算的可靠性取決于土壤調(diào)查資料的精度。近年來針對特定生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的定位監(jiān)測研究受到普遍重視。植被與土壤有著密切的關(guān)系，植物不僅從土壤中吸收必需的營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)植物殘?bào)w是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源之一。不同人工林土壤有機(jī)碳含量差異顯著，人工林儲(chǔ)量低于天然林，且土壤有機(jī)碳具有明顯的垂直分異性和區(qū)域分布差異性［7］。

自然因素和人為因素是影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量主要原因，土地利用方式的改變在土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量有明顯的影響。就荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳而言，一方面荒漠化（或土地退化）是土壤碳庫衰減的生物學(xué)過程，Lal［8］發(fā)現(xiàn)沙漠化引起全球碳庫損失量為 1.9×1010～2.9×1010t；另一方面，通過實(shí)施生物固沙措施，固沙防護(hù)林林下風(fēng)沙土發(fā)生了明顯改善［9］，逐步演變成為固定風(fēng)沙土，土壤有機(jī)碳含量顯著提高［10］。然而到目前為止，關(guān)于高寒干旱沙區(qū)人工植被建植后對土壤有機(jī)碳及其儲(chǔ)量影響沒有得到充分重視和詳細(xì)研究。土壤碳庫的研究區(qū)域重點(diǎn)集中在濕潤地區(qū)的熱帶雨林，半濕潤地區(qū)的北方森林系統(tǒng)，以及干旱半干旱區(qū)的草地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)等。對于共和盆地這一獨(dú)特地理單元而言，沙區(qū)人工植被特別是灌木林群落對土壤有機(jī)碳密度以及儲(chǔ)量的影響仍然不很清楚。

研究植被恢復(fù)區(qū)不同灌木群落下土壤有機(jī)碳密度對于有效管理土壤碳庫，減少大氣 CO2含量有著至關(guān)重要的作用。位于青藏高原東北部的共和盆地，是青藏高原土地荒漠化的典型區(qū)域之一，在氣候上屬于高寒干旱荒漠與半干旱草原的過渡區(qū)域，由于海拔高、氣溫低的原因，較其他沙漠化地區(qū)有著高寒的特殊性［11］。灌木因其地上多分枝的莖與近地的樹冠具有很強(qiáng)防風(fēng)固沙能力，已經(jīng)被廣泛用于高寒沙區(qū)植被恢復(fù)工程中，在生態(tài)系統(tǒng)重建過程中扮演著重要角色［12］。在生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，建設(shè)防護(hù)林與植被恢復(fù)工程，不僅具有防風(fēng)固沙生態(tài)效益，而且通過植被固碳，成為減少碳損耗的有效方式［13］。本研究以青海共和盆地高寒沙區(qū)植被恢復(fù)示范區(qū)為研究區(qū)域，通過植被恢復(fù)區(qū)典型人工灌木群落植被調(diào)查和土壤取樣分析，探討高寒沙區(qū)流動(dòng)沙丘人工植被恢復(fù)過程中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量影響因素和分布特征，以期了解高寒沙區(qū)人工植被恢復(fù)區(qū)的碳循環(huán)機(jī)理，為合理評估青藏高原植被恢復(fù)措施和氣候變化對全球碳平衡的響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)處于共和盆地中西部，行政上處于青海省海南藏族自治州共和縣沙珠玉鄉(xiāng)，地理緯度99°45′ ～100°30′E，36°03′ ～ 36°40′N，海拔 2 871 ～ 3 870 m。氣溫低，年均 2.4℃；年降水量 246.3 mm，且主要集中在 5—9 月份，降雨季節(jié)分布不均，干濕季差異明顯。干燥少雨的氣候特征，加之大風(fēng)的影響，使得該區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，沙丘固定難度大，風(fēng)蝕荒漠化是當(dāng)?shù)赝恋鼗哪闹饕梢?，在一定程度限制了?dāng)?shù)刂脖换謴?fù)與重建［14］。流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和丘間地構(gòu)成了研究區(qū)內(nèi)的主要地貌類型［15］，隨著沙障的引入，沙丘直播檸條、油蒿，丘間地進(jìn)行烏柳造林等措施，流動(dòng)沙丘得到控制，逐步演變?yōu)榘牍潭ㄉ城鸷凸潭ㄉ城?。植被也由最初人工種植的單一灌木演變到出現(xiàn) 1 年生和多年生草本，植被種類增多，群落生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

1.2樣地選擇與設(shè)置

對青海省沙珠玉林場多方踏查的基礎(chǔ)上，選取 4種有代表性的固沙人工灌木林，分別為檸條（Caeagana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、沙柳（Salix psammophila）、烏柳（Salix cheilophlia）。樣地林分基本情況見表1。選取林齡相近、長勢均勻的人工林作為調(diào)查樣地，其中檸條位于沙丘（坡度13°，丘高3 m），沙棘、沙柳、烏柳都位于丘間低地。同時(shí)選取沒有人工造林，只采取封育措施自然恢復(fù)的草地作為對照樣地。在每種調(diào)查樣地選擇植被群落分布和長勢相對均勻的部位，設(shè)置20 m×20 m大小的標(biāo)準(zhǔn)樣地，用作調(diào)查取樣。樣地內(nèi)凋落物厚度均有1 ～ 3 cm，灌木群落凋落物主要是枯枝落葉及草本植被殘?bào)w，草地凋落物主要是草本植被殘?bào)w，土壤取樣前先除去地表的枯枝落葉。

表1　灌木林樣地林分情況Table 1　Stand conditions of shrub forest plots

1.3研究方法

在每個(gè)調(diào)查樣地內(nèi)挖土壤剖面100 cm，每10 cm一層，共10個(gè)層次，取3個(gè)重復(fù)。土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干后過2 mm篩，用塑封袋密封存放，備作有機(jī)質(zhì)含量分析。同時(shí)用環(huán)刀法每10 cm取一個(gè)樣，帶回室內(nèi)測定土壤體積質(zhì)量。土壤有機(jī)質(zhì)含量測定方法采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法［16］。在挖好的土壤剖面根據(jù)土壤顏色劃分層次，在劃分好的每個(gè)層次取土樣，用比重計(jì)法測定粒徑組成，據(jù)此進(jìn)行土壤質(zhì)地分類。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SPSS18.0軟件包進(jìn)行。采用單因素方差 （one-way ANOVA） 后選擇Duncan方法進(jìn)行多重比較，顯著性檢驗(yàn)水平為P＜0. 05。數(shù)據(jù)用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示。

土壤有機(jī)碳密度 （SOCi，kg/m2） 是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量，計(jì)算方法參照以下公式［17］：

式中：SOCi為某一土層i的土壤有機(jī)碳密度，0.58為有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳的系數(shù)（Bemmelan系數(shù)），Ci為室內(nèi)分析得到的有機(jī)質(zhì)含量 （g/kg），Di為體積質(zhì)量 （g/cm3），Ei為土層厚度 （cm），Gi為礫石（直徑大于2 mm）所占的體積百分比。

0 ～ 100 cm土壤有機(jī)碳密度SOC為各個(gè)土層有機(jī)碳密度SOCi之和，計(jì)算公式如下：

2　結(jié)果與分析

2.1土壤分層狀況

根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)（砂粒、粉粒、黏粒所占的百分比），定義各層土壤的類別（圖1）。1 m深的土壤剖面內(nèi)土壤質(zhì)地具有層次性，隨著土壤深度的增加，土壤質(zhì)地發(fā)生變化，剖面內(nèi)的土壤屬于不同的質(zhì)地類型。不同灌木植被林下的土壤質(zhì)地差異明顯，其中檸條林下0 ～ 100 cm土壤都是砂土，沙棘、草地、沙柳、烏柳均出現(xiàn)分層情況，且粒徑組成隨深度增加有先增大后減小的趨勢，即先出現(xiàn)壤土、砂土、黏土的趨勢。沙棘0 ～ 10 cm是砂質(zhì)黏壤土，10 ～ 40 cm是砂土，40 ～ 100 cm是壤質(zhì)黏土；草地0 ～ 30 cm是砂質(zhì)黏壤土，30 ～ 60 cm是砂土，60 ～ 100 cm是砂質(zhì)黏土；沙柳0 ～ 20 cm是砂質(zhì)黏土，20 ～ 30 cm是砂土，30 ～ 50 cm是壤質(zhì)黏土，50 ～ 100 cm是砂質(zhì)黏壤土；烏柳0 ～ 20、55 ～ 90 cm是砂質(zhì)黏壤土，20 ～ 55、90 ～ 100 cm是壤質(zhì)黏土。3種位于丘間地的灌木林地粒徑要小于進(jìn)行封育自然恢復(fù)的草地土壤粒徑。

圖1　不同樣地土壤分層狀況Fig. 1　Soil layered status of different plots

2.2土壤體積質(zhì)量比較

圖2　不同樣地土壤體積質(zhì)量Fig. 2　Soil bulk density of different plots

不同林分下土壤體積質(zhì)量差異較大，且隨著土壤深度的增加不斷變化（圖 2）。檸條、烏柳林下變化趨勢較緩，這與0 ～ 100 cm土層內(nèi)土壤分層狀況有關(guān)。而草地、沙棘、沙柳、烏柳土壤體積質(zhì)量均有先升高后降低的趨勢。不同林分下表層土壤體積質(zhì)量均為最小，對照樣地草地表層土壤體積質(zhì)量明顯低于其他林地，這與根系分布、常年枯落物堆積、表層腐殖質(zhì)等使土壤疏松有關(guān)系。

2.3不同樣地土壤有機(jī)碳含量

自然因素及人為因素均能對土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響，地上植被枯落物的沉積、微生物分解等對土壤碳儲(chǔ)量有直接影響，而林分類型以及土壤理化性質(zhì)的差異，也會(huì)對土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響［18］。由圖3可見，不同林分類型及土層間有機(jī)碳含量存在明顯差異，由于不同林地下枯落物組成、根系分布差異等因素的影響，土壤有機(jī)碳在土壤剖面的分布也隨之出現(xiàn)差異。不同林分類型土壤各層有機(jī)碳含量介于2.19 ～25.21 g/kg之間，最大值是最小值的11.51倍，各林分類型土壤層有機(jī)碳含量均以表土層（0 ～ 10 cm）最大，且隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳含量有遞減的趨勢。草地和檸條林下土壤有機(jī)碳含量變化較為緩慢，而沙棘、沙柳、烏柳變化顯著。在0 ～ 30 cm烏柳林土壤有機(jī)碳含量最高。0 ～ 40 cm土壤有機(jī)碳含量變化顯著，這可能與草本植被的根系吸收有關(guān)系。隨著深度的增加，40 cm以下土壤有機(jī)碳含量變化趨于平緩，僅沙棘林下土壤有機(jī)碳含量有明顯增高的趨勢。在90 ～ 100 cm不同林分間有機(jī)碳含量較為接近?？梢婋S著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳含量逐漸減少，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，林分類型對有機(jī)碳含量的影響越來越小。在相同土層深度，受植被類型、土壤質(zhì)地等條件的影響，土壤有機(jī)碳含量差異較大。

圖3　不同樣地土壤有機(jī)碳含量Fig. 3　Soil organic carbon contents of different plots

2.4不同樣地土壤有機(jī)碳密度

土壤有機(jī)碳密度用單位面積內(nèi)一定深度的土壤有機(jī)碳含量表示，通常采用1 m深的土壤為標(biāo)準(zhǔn)，但由于土壤發(fā)育程度不同，各種林分類型的土壤厚度均存在差異，為避免因調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)不同產(chǎn)生的誤差，本試驗(yàn)所有樣地均選取1 m土壤層為標(biāo)準(zhǔn)。不同人工灌木群落下，由于灌木本身根系分布、林下草本植被分布差異，凋落物分解程度及人文干擾等因素的影響，土壤有機(jī)碳含量與體積質(zhì)量均發(fā)生改變，使土壤有機(jī)碳密度也隨之出現(xiàn)差異。

樣地調(diào)查顯示，不同林分類型土壤有機(jī)碳密度隨著土層深度的增加有降低的趨勢，表層0 ～ 10 cm土壤有機(jī)碳密度最大（P＜0.05），如表2所示。主要是由于植物根系集中分布在土壤表層，凋落物和腐殖層以及土壤微生物的分解對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)主要作用于地表，隨土壤深度的增加而減弱。同一深度，不同植被類型土壤有機(jī)碳密度差異顯著（P＜0.05），說明林分類型對土壤有機(jī)碳密度有一定的影響。不同林分類型0 ～ 100 cm層土壤有機(jī)碳密度隨土層深度增加變化幅度不同，檸條林為0.45 ～ 1.25 kg/m2，沙棘林為0.87 ～ 2.70 kg/m2，沙柳林為0.53 ～ 2.10 kg/m2，烏柳林為0.43 ～ 3.20 kg/m2，對照樣地草地有機(jī)碳密度變化幅度為0.42 ～ 1.39 kg/m2。不同林分中，0 ～ 100 cm土壤有機(jī)碳密度由大到小排序?yàn)樯臣旧沉緸趿静莸兀緳帡l，其中沙棘林下有機(jī)碳密度最大，為9.42 kg/m2，檸條林下最小，為3.67 kg/m2，表明林分類型對土壤固碳作用影響顯著。共和盆地植被恢復(fù)區(qū)土壤有機(jī)碳密度低于全國平均土壤有機(jī)碳密度 （10.53 kg/m2）［19］。

表2　不同樣地土壤有機(jī)碳密度Table 2　Soil organic carbon densities of different plots

3　結(jié)論與討論

1） 不同林分類型，由于植被差異、枯落物分解、根系分布等的差異，對土壤粒徑組成有一定影響。根據(jù)土壤質(zhì)地分為不同類型的土壤，同一林地隨著土壤深度的變化土壤類型也有變化，不同群落的土壤質(zhì)地有差別。

2） 不同林分類型土壤有機(jī)碳含量在剖面中具有明顯的層次性，有機(jī)碳含量在同一林地的不同深度差異顯著，表層（0 ～ 10 cm）含量最高，且隨著土壤深度的增加有降低的趨勢，說明林地土壤有機(jī)碳含量具有“表聚現(xiàn)象”。不同林地土壤有機(jī)碳含量存在明顯差別，沙棘林下含量最高，檸條林下最小。

3） 不同林分下，土壤有機(jī)碳密度差別較大，土壤有機(jī)碳密度的變化趨勢和土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢一致，而且在同一林分土壤中，單位深度土壤各土層平均有機(jī)碳密度均以表土層最大，并且隨土壤深度的增加而降低。在垂直剖面上，不同林分土壤有機(jī)碳及其密度，隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，各層具有顯著差異。這與許多研究結(jié)果相同［20-24］。

4） 與對照樣地相比，位于丘間地的林地土壤有機(jī)碳和有機(jī)碳密度均有不同程度的提高（P＜0.05），說明造林措施對土壤有一定的改良作用，固碳作用明顯。0 ～ 100 cm土壤有機(jī)碳密度較全國土壤平均碳密度偏低，說明高寒沙區(qū)土壤貧瘠，有待改良。

有關(guān)研究表明土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著植被恢復(fù)時(shí)間的增加而增加［18］，本研究選取相近林齡的不同林地進(jìn)行研究，只能提供植被恢復(fù)一定年限的數(shù)據(jù)，對植被恢復(fù)不同階段土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究還有待補(bǔ)充。根據(jù)有機(jī)碳密度的計(jì)算方法，土壤體積質(zhì)量與有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳密度的決定因素，而土壤體積質(zhì)量與土壤質(zhì)地有關(guān)，土壤有機(jī)碳含量與地上植物類型有關(guān)，因而土壤有機(jī)碳密度是土壤質(zhì)地與地上植物綜合影響的結(jié)果，土壤有機(jī)碳密度研究對于植被修復(fù)區(qū)土壤改良也有重要意義。

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A Study on the Soil Carbon Density of Different Artificial Shrub Community in Gonghe Basin in Qinghai Province

YIN Shule， WANG Xuequan*， LI Shaohua
（Institute of Desertification Studies， Chinese Academy of Forestry， Beijing100091， China）

Abstract：There were four kinds of typical shrub plantations in vegetation recovery areas of alpine desert in Gonghe Basin：Caragana korshinskii， Hippophae rhamnoides， Salix psammophila and Salix cheilophila. Results indicated that soil organic carbon density in the profile of 0 - 100 cm was 9.42， 6.73， 6.06， 4.56 and 3.67 kg/m2for the shrub community of Hippophae rhamnoides， Salix psammophila， Salix cheilophila， Grassland， and Caragana Korshinskii， respectively. The soil under Hippophae rhamnoides had the largest content of organic carbon， followed by Salix psammophila， Salix cheilophila， and Grassland， and the soil under Caragana Korshinskii had the lowest content of organic carbon. Both soil texture and stratified conditions changed with soil depth in the range of 0 - 100 cm under different types of community. Soil organic carbon density decreased with the increasing soil depth， and the soil in top layer of 0 - 10 cm had the greatest content of organic carbon. The soil organic carbon content at the bottom slope of forest than that of grassland.

Key words：Gonghe Basin； Artificial shrub； Soil organic carbon； Soil texture

中圖分類號：S714；S793

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.030

基金項(xiàng)目：①國家“十二五”科技支撐課題項(xiàng)目（2012BAD16B0105）、林業(yè)行業(yè)公益項(xiàng)目（201404304）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41130640）資助。

* 通訊作者（wxq@caf.ac.cn）

作者簡介：尹書樂（1988—），男，河北保定人，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)水文與水資源研究。E-mail： 765476293@qq.com