伊犁昭蘇草原黑鈣土不同海拔高度土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

阿不都賽買提·乃合買提，艾克拜爾·伊拉洪，賽牙熱木·哈力甫,2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

伊犁昭蘇草原黑鈣土不同海拔高度土壤有機(jī)碳的垂直分布特征

阿不都賽買提·乃合買提1，艾克拜爾·伊拉洪1，賽牙熱木·哈力甫1,2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

【目的】以伊犁昭蘇草原黑鈣土為對(duì)象，研究分析草原黑鈣土有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及密度的垂直分布特征及空間變異性?！痉椒ā坎捎弥劂t酸鉀-外加熱法，測(cè)定不同海拔高度0～100 cm土層土壤有機(jī)碳含量，研究土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與密度等在不同海拔高度和土層厚度上的空間變異性。【結(jié)果】伊犁昭蘇草原黑鈣土有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量和碳密度不僅隨著海拔高度的升高而降低，而且也隨土層厚度的增加呈降低趨勢(shì)。研究區(qū)100 cm處有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量和密度在海拔1 000～3 000 m分別為64.70～616.79 g/kg、4.49×10-8～1.94×10-6Pg/hm2、3.26～194.27 kg/m2。典型草原黑鈣土土壤有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量和密度與海拔高度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.92，-0.943，-0.95)，與土層厚度呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.989**，-0.968**，-0.966**)。【結(jié)論】伊犁昭蘇草原黑鈣土有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量與密度隨著海拔高度的升高與剖面深度的增加而降低。

黑鈣土；海拔高度；碳儲(chǔ)量；碳密度

0 引 言

【研究意義】土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，是大氣碳庫(kù)的3倍，植被的2.5～3倍等，在全球碳平衡中具有更重要的作用[1]。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與氣候、植被、地形等環(huán)境因子密切相關(guān)，對(duì)環(huán)境變量和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對(duì)于評(píng)估未來(lái)土地利用變化和氣候變化對(duì)土壤碳庫(kù)的影響具有重要意義[2]。土壤有機(jī)碳(SOC)是土壤中較為活躍的部分，土壤有機(jī)碳在土壤生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)中起著十分重要的作用[3]。土壤有機(jī)碳庫(kù)輕微的變動(dòng)，都會(huì)引起大氣中碳濃度的變化進(jìn)而影響全球氣候的變化[4]。因此，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算成為近年來(lái)研究的焦點(diǎn)。新疆土壤有機(jī)碳的研究主要是針對(duì)特定的地區(qū)和生態(tài)群落進(jìn)行的[5，6]，伊犁地區(qū)陸地面積僅占新疆陸地面積的3.4%，但其土壤有機(jī)碳庫(kù)在新疆乃至干旱區(qū)土壤碳循環(huán)研究中都起著重要作用[7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】張?jiān)迈r等[8]經(jīng)過(guò)地上植被狀況的變化研究了植被退化對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布特征的影響，阿依努爾·卡吾拉洪等[1]，王婧等[9]研究了新疆典型草原土壤有機(jī)碳垂直分布與土壤物理性質(zhì)特征。近幾年有關(guān)新疆草原退化研究結(jié)果表明，草原土壤的有機(jī)質(zhì)作為一個(gè)評(píng)價(jià)草原退化程度的指標(biāo)，隨著各地草原土壤中有機(jī)質(zhì)含量的變化，造成了新疆草原發(fā)生不同程度的退化[10-12]。【本研究切入點(diǎn)】國(guó)內(nèi)外對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及動(dòng)態(tài)變化的研究多集中在森林范圍內(nèi)，而對(duì)草地碳儲(chǔ)量的研究很少[13]，因此草原的碳源、碳匯功能問(wèn)題仍是目前國(guó)際上爭(zhēng)論的熱點(diǎn)[14-15]。以伊犁昭蘇—草原黑鈣土為對(duì)象，研究分析草原黑鈣土有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及密度的垂直分布特征及空間變異性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】計(jì)算與分析伊犁昭蘇草原黑鈣土的有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量和密度，為伊犁昭蘇黑鈣土的進(jìn)一步研究和退化草地恢復(fù)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

昭蘇縣位于新疆西北部，伊犁哈薩克自治州西南部，伊犁河上游特克斯河流域，特克斯-昭蘇盆地西段。地理位置E80°08′～81°30′、N43°09′～43°15′，東西長(zhǎng)136 km，南北寬128 km，土地總面積104 26.93 km2。年平均溫度2.9℃，年極端最高溫度33.5℃，極端最低溫度-32℃。全年無(wú)霜期平均為105 d。年均降水量達(dá)512 mm(不包括2015～2016年降水量)，為全疆之冠。降水空間分布特點(diǎn)是東部多于西部，山區(qū)多于盆地，年均蒸發(fā)量為1 261.6 mm。年平均日照總數(shù)為2 699 h，全年太陽(yáng)總輻射能為5 728.8 J。適宜糧食作物為春小麥，經(jīng)濟(jì)作物為油菜，作物一般一年一熟，農(nóng)作物宜選擇生育期比較短的早熟或早中熟品種。

1.2 方 法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)研究區(qū)域地形特征和符合自然規(guī)律的原則，以高程500 m為一個(gè)單元，將研究區(qū)等距劃分為：1 000～1 500 m、1 500～2 000 m、2 000～2 500 m、2 500～3 000 m共4個(gè)等級(jí)，對(duì)比分析不同海拔高度下土壤有機(jī)碳垂直分布狀況。

1.2.2 土壤樣品采集

昭蘇草原黑鈣土的土層厚度深，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了0～100 cm深度的有機(jī)質(zhì)含量，在昭蘇草原地中的154個(gè)樣點(diǎn)中隨機(jī)選28個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣地內(nèi)采用S型取樣法取4個(gè)土樣并用四分法混合成一個(gè)混合樣。每個(gè)樣點(diǎn)挖掘深、寬、長(zhǎng)為1.5 m×1 m×1.5 m土壤剖面，并按從下往上80～100 cm、60～80 cm、40～60 cm、20～40 cm、0～20 cm層級(jí)分層取樣，每層取3個(gè)重復(fù)。共計(jì)28個(gè)土壤剖面，420個(gè)土樣。

1.2.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、密度的計(jì)算

土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量。采用文獻(xiàn)[16]方法計(jì)算：

SOCi=di·Pi·Oi×10-2.

(1)

Si=Ai·SOCi.

(2)

式中：i—土壤不同層次；

SOCi—土壤的碳密度(kg/m2)；

Di—土層平均厚度(cm)；

Pi—土壤平均容重(g/cm3)；

Oi—土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；

A—各類型所占面積(m2)；

S—土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔高度與土層厚度對(duì)有機(jī)碳垂直分布特征的影響

同一個(gè)海拔高度上不同土層土壤有機(jī)碳含量中，海拔1 000～1 500 m處不同土層厚度土壤有機(jī)碳含量中存在顯著性差異，其他同一個(gè)海拔高度不同土層有機(jī)碳含量中沒(méi)有顯著性差異。不同土層有機(jī)碳含量最大值出現(xiàn)在海拔1 000～1 500 m處，為171.49 g/kg；而最小值在海拔2 500～3 000 m處，為3.35 g/kg。這表明伊犁昭蘇草原土壤有機(jī)碳含量隨海拔高度的升高而降低。表1

研究區(qū)海拔1 000～3 000 m處，每20 cm處有機(jī)碳含量變化范圍為3.35～171.49 g/kg，每100 cm處有機(jī)碳總含量變化范圍為64.70～616.79 g/kg。海拔1 000～1 500 m處從0～100 cm處土層有機(jī)碳含量在該海拔100 cm土層總有機(jī)碳含量中占的比例分別為27.80%、23.42%、18.74%、17.06%、12.98%，在海拔1 500～2 000 m的比例分別為25.90%、25.21%、19.22%、15.42%、14.25%，在海拔2 000～2 500 m處的比例分別為33.02%、22.40%、17.36%、14.15%、13.07%，在海拔2 500～3 000 m處的比例分別為31.13%、27.36%、19.19%、17.13%、5.19%。從上述的比例可知，土壤有機(jī)碳含量隨著土層厚度的增加也同樣降低。表1

2.2 海拔高度與土層厚度對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量垂直分布特征的影響

同一海拔高度不同土層厚度的有機(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)到顯著性差異水平(P<0.05)，不同海拔高度同一土層厚度有機(jī)碳儲(chǔ)量也達(dá)到顯著性差異水平(P<0.05)。海拔1 000～1 500 m處100 cm土層內(nèi)總有機(jī)碳儲(chǔ)量出現(xiàn)最大值1.94×10-6Pg/hm2(1 Pg=1015g)，在海拔2 500～3 000 m處出現(xiàn)最小值4.49×10-8Pg/hm2，表明有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著海拔高度的上升呈減低趨勢(shì)。海拔1 000～1 500 m處不同土層有機(jī)碳儲(chǔ)量在100 cm處總有機(jī)碳儲(chǔ)量中占的比例分別為29.92%、28.24%、16.49%、16.27%、9.07%，海拔1 500～2 000 m處的比例分別為39.66%、37.45%、13.89%、5.47%、3.53%，海拔2 000～2 500 m處的比例分別為71.29%、20.43%、4.32%、3.20%、0.77%，海拔2 500～3 000 m處的比例分別為31.82%、31.62%、16.43%、15.21%、4.91%。有機(jī)碳儲(chǔ)量隨海拔高度的增高而降低，同時(shí)同一海拔高度不同土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著土壤剖面的加深也有減低的趨勢(shì)。表2

2.3 海拔高度與土層厚度對(duì)有機(jī)碳密度垂直分布特征的影響

研究區(qū)海拔1 000～3 000 m處不同土層的有機(jī)碳密度變化范圍為0.22～58.12 kg/m2。有機(jī)碳密度在海拔高度1 000～1 500 m處0～20 cm出現(xiàn)最大值58.12 kg/m2，在海拔2 500～3 000 m處80～100 cm出現(xiàn)最小值0.22 kg/m2，這表明隨海拔高度的升高有機(jī)碳密度呈降低趨勢(shì)。在海拔1 000～1 500 m處每個(gè)不同土層的有機(jī)碳密度100 cm處總有機(jī)碳密度中占的比例分別為29.92%、28.24%、16.49%、16.27%、9.07%，海拔1 500～2 000 m處比例分別為39.66%、37.45%、13.89%、5.47%、3.54%，海拔2 000～2 500 m處比例分別為68.60%、19.66%、4.34%、4.31%、3.08%，海拔在2 500～3000 m處的比例分別為42.04%、22.65%、21.03%、7.48%、6.80%。按照這個(gè)比例可知，同一個(gè)海拔高度不同土層的有機(jī)碳密度隨土壤剖面的加深而降低。圖1

圖1 不同海拔高度與土層厚度下土壤有機(jī)碳密度垂直分布特征變化

Fig.1 The effect of altitude and soil depth on soil organic density vertical distribution characteristics

2.4 海拔高度、土層厚度與土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳儲(chǔ)量和密度之間的相關(guān)性

海拔高度與土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量和密度之間存在負(fù)顯著性相關(guān)(r=-0.92、-0.943、-0.95)，土層厚度與土壤有機(jī)碳含量，有機(jī)碳儲(chǔ)存量，有機(jī)碳密度之間存在負(fù)極顯著性相關(guān)(r=-0.989**、-0.968**、-0.966**)。相關(guān)性分析結(jié)果說(shuō)明，土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量和密度隨著海拔高度與土層厚度的增加而降低趨勢(shì)。表3

表3 海拔高度、土層厚度與有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量、密度之間相關(guān)性

Table 3 The correlation analysis between altitude, soil depth and organic carbon content, storage, density

項(xiàng)目Items海拔高度Altitude有機(jī)碳含量Organiccarboncontent有機(jī)碳儲(chǔ)存量Organiccarbonstorage有機(jī)碳密度Organiccarbondensity海拔高度Altitude1有機(jī)碳含量Organiccarboncontent-0921有機(jī)碳儲(chǔ)存量Organiccarbonstorage-094307441有機(jī)碳密度Organiccarbondensity-09507491??1

續(xù)表

表3 海拔高度、土層厚度與有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量、密度之間相關(guān)性

Table 3 The correlation analysis between altitude, soil depth and organic carbon content, storage, density

項(xiàng)目Items土層厚度Soildepth有機(jī)碳含量Organiccarboncontent有機(jī)碳儲(chǔ)存量Organiccarbonstorage有機(jī)碳密度Organiccarbondensity土層厚度Soildepth1有機(jī)碳含量Organiccarboncontent-0989??1有機(jī)碳儲(chǔ)存量Organiccarbonstorage-0968??0991??1有機(jī)碳密度Organiccarbonstorage-0966??0989??1??1

注：*和**分別表示0.05和0.01顯著水平

Note:*and**represent 0.05 and 0.01 significance levels, respectively

3 討 論

3.1 海拔高度與土層厚度對(duì)伊犁昭蘇草原黑鈣土有機(jī)碳含量的影響

有關(guān)草原土壤有機(jī)碳(SOC)垂直分布的研究結(jié)果表明[17]，SOC隨剖面深度的加深而明顯下降。劉偉等[18]的研究結(jié)果表明，4種草地類型土壤SOC均隨剖面深度的增加而減少。研究結(jié)果表明，隨著土層厚度的增加SOC均呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)，此結(jié)果與前人研究一致。呂貽忠等[19]對(duì)表層SOC研究中提出，SOC隨著海拔高度的增高而降低。此結(jié)果與研究得出的結(jié)論相同。伊犁昭蘇黑鈣SOC隨著土壤深度的增加而減低的原因可能是土壤表層植物凋落物多，有機(jī)質(zhì)積累量大，植物根系也大多分布在淺表層，而且伊犁昭蘇地區(qū)的溫度較低，降雨量大等自然因素促進(jìn)淺層土壤中有機(jī)質(zhì)的合成，因此該地區(qū)淺層SOC含量高。隨著土層深度的增加，植物根系分布減少，有機(jī)質(zhì)來(lái)源少，故而呈現(xiàn)出SOC隨土層深度的增加而遞減的趨勢(shì)。孫慧蘭等[20]研究指出，伊犁山地南北坡SOC含量均隨土層厚度的增加而降低。相對(duì)而言0～10 cm與10～20 cm SOC差異比較大，而10～20 cm與20～50 cm SOC變化相對(duì)較小。研究中伊犁昭蘇黑鈣土SOC 0～60 cm差異比較大，60～100 cm土壤SOC差異比較小。

3.2 伊犁昭蘇草原黑鈣土有機(jī)碳儲(chǔ)量的統(tǒng)計(jì)

土壤有機(jī)碳庫(kù)(SOCP)是指全球土壤中有機(jī)碳的總量。植物通過(guò)光合作用固定的大氣中碳素，相當(dāng)一部分以有機(jī)質(zhì)形式貯存于土壤[21]。SOCP是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)[22]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫(kù)，以森林土壤中的碳為最多，占全球土壤有機(jī)碳的73%；其次是草原土壤的碳，全球草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量約為1 200 Pg[23]，其中約92%的碳儲(chǔ)存在土壤中[24-25]，占全球土壤有機(jī)碳的20%左右。據(jù)以上方法估計(jì)我國(guó)SOCP為185.7 Pg，約占全球土壤總碳量的12.5%[26]。草地生態(tài)系統(tǒng)所貯碳量約為761 Pg，其中89.4%貯存在土壤中，另外10.6%貯存在植被中[27-28]，貯存在土壤中的碳遠(yuǎn)大于貯藏在地上生物中的碳，這一特征使草地成為全球碳循環(huán)研究的焦點(diǎn)。Ni[29]估算中國(guó)草地0～100 cm土層的平均有機(jī)碳儲(chǔ)量為41.0 Pg，研究中估算昭蘇草地0～100 cm土層的平均碳儲(chǔ)量約為0.41 Pg，約占我國(guó)草地0～100 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量的0.01%。新疆伊犁州昭蘇縣草原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為全國(guó)草地土壤碳儲(chǔ)量中占相當(dāng)大的一部分，所以研究昭蘇縣草原土壤-大氣碳循環(huán)、儲(chǔ)量、密度和退化草地土壤恢復(fù)等方面很有科學(xué)意義。

3.3 海拔高度與土層厚度對(duì)伊犁昭蘇草原黑鈣土有機(jī)碳密度的影響

有機(jī)碳密度隨著海拔高度與土層厚度的增高而降低。李龍等[30]在人工林土壤有機(jī)碳密度分布特征研究中探討了0～100 cm土層不同林分土壤有機(jī)碳密度的變化研究結(jié)果表明；SOC富集在0～20 cm土層中，并隨剖面深度的加深，SOC密度明顯降低。相關(guān)性分析結(jié)果表明，海拔、土層厚度與SOC密度均呈顯著負(fù)相關(guān)。這可能是因?yàn)橐晾缯烟K草原上隨著海拔高度的上升植被量減少，凋落物變少，所形成的SOC含量也少。黃一敏等[31]的研究指出影響草原土壤碳含量和密度的主要因素有土壤容重、地形、粘粒含量和年平均氣溫的影響很小，而降水量的影響比較大。昭蘇在伊犁范圍內(nèi)降水量較大，溫度較低的地區(qū)，因此研究中得到草原黑鈣土SOC含量與密度比較高。Ni[29]估算中國(guó)草地0～100 cm土層的平均有機(jī)碳密度為13.2 kg/m2，Li等[32]估算中國(guó)草地0～100 cm土層的平均有機(jī)碳密度為10.0 kg/m2；不同學(xué)者估算的中國(guó)草地土壤有機(jī)碳密度存在較大的差異，其原因可能在于采用的模擬技術(shù)、設(shè)置的土壤參數(shù)、選取的草地分類系統(tǒng)以及劃定的統(tǒng)計(jì)面積存在不一致所致[29，33-34]。研究中伊犁昭蘇草地0～100 cm土層的平均有機(jī)碳密度為15.2 kg/m2，高于以前人草地有機(jī)碳密度結(jié)果，原因可能近幾年來(lái)昭蘇縣降水量明顯增加往年，有利于黑鈣土有機(jī)質(zhì)的合成，因而引起有機(jī)碳含量的增高。

4 結(jié) 論

研究區(qū)海拔1 000～3 000 m處，由0～100 cm土層平均SOC含量為113.07，95.26，73.98，62.95和52.14 g/kg、SOC儲(chǔ)量為2.79×10-7，2.27×10-7，1.11×10-7，9.34×10-8，5.18×10-8Pg/hm2、有機(jī)碳密度為27.94，22.52，11.13，9.34和5.38 kg/m2，伊犁昭蘇草原黑鈣土SOC含量、儲(chǔ)量和密度隨土層厚度的增加而降低。

隨著海拔高度的升高同一層土壤有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量和密度都降低趨勢(shì)，由大到小的表現(xiàn)為1 000～1 500 m>1 500～2 000 m>2 000～2 500 m>2 500～3 000 m。同一海拔不同土層土壤有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量和碳密度都隨著土層厚度的增加而降低，由大到小的表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm>60～80 cm>80～100 cm。

SOC含量，儲(chǔ)量和密度隨海拔高度與土層厚度的增加都呈負(fù)相關(guān)。伊犁昭蘇草原SOC含量，儲(chǔ)量和密度與海拔高度呈顯著性負(fù)相關(guān)(r=-0.92、-0.943、-0.95)，與土層厚度呈極顯著性負(fù)相關(guān)(r=-0.989**、-0.968**、-0.966**)。

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Fund project:National Natural Science Foundation of China (41461048)

The Vertical Distribution Characteristics of Ili Zhaosu Grassland Chernozem Soil Organic Carbon at Different Altitudes

Abudousaimaiti Naihemaiti1, Aikebaier Yilahong1, Saiyaranmu·Halipu1,2

(1.CollegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China; 2.NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

【Objective】 This project aims to analyze the vertical distribution characteristics of Zhaosu grassland chernozem soil organic carbon content, carbon storage and density.【Method】Using Potassium dichromate external heating method to measure the soil organic carbon content in 0-100 cm soil depth at different altitudes and discuss their changes.【Result】Results showed that Ili Zhaosu grassland chernozem organic carbon content, carbon storage, carbon density revealed a trend of decrease with the increase of altitudes and the soil depths. Organic carbon content, carbon storage and density of 100 cm in the study area at the attitudes between 1,000-3,000 m were 64.70-616.78 g/kg, 4.49×10-8-1.94×10-6Pg/hm2and 3.26-194.27 kg/m2, respectively. The typical grassland chernozem soil organic carbon content, carbon storage density and altitude were negatively correlated. (r=-0.92，-0.943，-0.95) and had significantly negative correlation with the soil layer thickness (r=-0.989**，-0.968**，-0.966**).【Conclusion】Ili Zhaosu grassland chernozem soil organic carbon content, carbon storage and carbon density decreased with the increase of altitudes and depths in the profiles.

chernozem; altitude; carbon storage; carbon density

2016-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41461048)

阿不都賽買提·乃合買提(1990-)，男，新疆人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)，(E-mail)2223773182@qq.com

艾克拜爾·伊拉洪(1963-)，男，新疆人，教授，博士，研究方向?yàn)橥寥阑瘜W(xué)與植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)，(E-mail)akbarilahun@163.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.01.020

S153

A

1001-4330(2017)01-0156-09