渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)沙柳灌叢土壤有機(jī)碳研究

昭日格 烏仁陶格斯 蘇楞高娃

摘要[目的]研究渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)人工沙柳灌叢土壤有機(jī)碳分布規(guī)律，為進(jìn)一步研究干旱區(qū)群落演替過程中碳收支以及生態(tài)恢復(fù)過程中的植被類型選擇提供科學(xué)依據(jù)。[方法]對(duì)渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)（2、4、6、8 a）人工沙柳灌叢土壤pH、容重、有機(jī)碳、碳密度進(jìn)行研究。[結(jié)果]土壤pH在7.34～7.60，且與土壤有機(jī)碳的變化無明顯相關(guān)性。同一齡級(jí)植被垂直分布上，表層土壤容重較底層低，與土壤有機(jī)碳含量的變化呈負(fù)相關(guān)。土壤有機(jī)碳在0.44～1.10 g/kg，不同齡級(jí)沙柳灌叢不同土層土壤有機(jī)碳含量均隨林齡的增加出現(xiàn)先減低后升高的趨勢(shì)，同一齡級(jí)沙柳灌叢不同土層的土壤有機(jī)碳含量無明顯的變化規(guī)律。表層土壤碳密度隨著齡級(jí)的增大呈先降低后增加的趨勢(shì)。8 a沙柳灌叢土壤碳密度最高，為9.59 kg/m2；隨著土層的加深土壤碳密度不斷增大。[結(jié)論]沙柳灌叢對(duì)沙地植被恢復(fù)、土壤碳庫有重要作用。

關(guān)鍵詞渾善達(dá)克沙地；沙柳灌叢；pH；土壤有機(jī)碳；碳密度

中圖分類號(hào)S714文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）17-0039-03

Abstract[Objective]To study distribution regularities of soil organic carbon of different age classes of Salix psammophila shrubs in the Hunshandake Sand Land， in order to provide a scientific basis for further study on carbon budget in the process of community succession and selection of vegetation types in the process of ecological restoration. [Method]The soil pH， bulk density， organic carbon and carbon density of the different ages （2， 4， 6， 8 a） of artificial Salix psammophila shrubs in Hunshandake Sand Land were studied. [Result]The results showed that the soil pH of Salix psammophila shrubs was 7.34-7.60. There was no significant correlation between soil pH and soil organic carbon content. In the vertical distribution of vegetation in the same age， the bulk density of the surface layer was lower than that of the bottom layer， and it was negatively correlated with the change of soil organic carbon. The contents of soil organic carbon in different ages of Salix psammophila shrubs were between 0.44 and 1.10 g/kg. Both of the different ages of Salix psammophila shrubs and the soil organic carbon content in different soil layers with the increase of woods ages showed a trend from decline to rise， there was no obvious change of soil organic carbon in different soil layers of Salix psammophila shrubs. The soil carbon density in the soil surface decreased first and then increased with the increase of age. The soil carbon density of 8 a Salix psammophila shrubs was 9.59 kg/m2， and the soil carbon density increased with the increase of soil level. [Conclusion]The results display that Salix psammophila shrubs play an important role in vegetation restoration and soil carbon pool.

Key wordsHunshandake Sand Land；Salix psammophila shrubs；pH；Soil organic carbon；Carbon density

基金項(xiàng)目國家民族委員會(huì)項(xiàng)目（14HTZ012）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（NJZZ229）；2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)人才基金開發(fā)基金項(xiàng)目。

作者簡介昭日格（1983—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，助教，碩士，從事干旱區(qū)資源恢復(fù)及森林草地生態(tài)系統(tǒng)研究。

收稿日期2017-05-19

陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫包括植物和土壤2部分，植被碳庫和土壤碳庫碳貯存量約為大氣碳庫的3倍，在氣候變化和全球碳循環(huán)中起著重要作用[1]。在干旱地區(qū)，灌叢是一種廣泛分布的植被類型，其種類繁多、生命力強(qiáng)、耐寒耐旱等特點(diǎn)，在群落演替、區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面具有極其重要的作用[2-3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)森林、草地土壤有機(jī)碳的研究較多[4-7]，對(duì)灌叢土壤有機(jī)碳、碳密度的研究較少。楊路存等[8]對(duì)青海高寒金露梅灌叢碳密度及其分配格局進(jìn)行了研究；王鑫等[1，9]對(duì)新疆干旱區(qū)4種檉柳灌叢碳貯量特征及新疆干旱區(qū)8種常見灌叢生物量碳和土壤有機(jī)碳特征進(jìn)行研究；匡文濃等[10]對(duì)5種荒漠灌木群落土壤有機(jī)碳垂直分布及其與根系分布的關(guān)系進(jìn)行了研究；吳旭東等[11]對(duì)不同沙地生境下檸條灌叢化對(duì)草地土壤有機(jī)碳含量及分布的影響進(jìn)行了研究[12]。但是，上述研究均未對(duì)某種灌叢土壤有機(jī)質(zhì)、碳密度是否與齡級(jí)的變化進(jìn)行研究。

沙柳（Salix psammophila）屬于楊柳科柳屬灌木植物，是西北干旱鹽堿地區(qū)一種優(yōu)良的固沙先鋒樹種。它廣泛分布于錫林郭勒、鄂爾多斯、東阿拉善、陜西北部及寧夏東部[12]。沙柳抗逆性強(qiáng)、耐寒、耐旱、耐風(fēng)沙鹽堿、喜濕潤、容易繁殖、適應(yīng)性廣、有萌蘗力強(qiáng)、耐修剪等特點(diǎn)。防風(fēng)固沙、保持水土功效顯著；纖維形態(tài)、材質(zhì)良好，是造紙、人造板優(yōu)良原料，是沙區(qū)重要的工業(yè)用材林樹種，經(jīng)濟(jì)效益良好[13]。沙柳灌叢起著防風(fēng)固沙的重要作用，其固碳能力和潛力研究也日益受到重視[14]。

筆者通過對(duì)4種不同齡級(jí)沙柳灌叢有機(jī)碳含量、碳密度進(jìn)行采樣分析，研究不同齡級(jí)沙柳灌叢的變化趨勢(shì)，旨在為進(jìn)一步研究干旱區(qū)群落演替過程中碳收支及生態(tài)恢復(fù)過程中的植被類型選擇提供參考。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟正藍(lán)旗（115°28′00″ E，42°47′55″ N），地處渾善達(dá)克沙地腹地，該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，全年平均氣溫1.7 ℃，極端最低氣溫-38 ℃，晝夜溫差較大；無霜期105 d左右，年日照時(shí)數(shù)大于1 000 h；年平均風(fēng)速4 m/s，全年大于8級(jí)大風(fēng)日數(shù)為90 d，多年平均降雨量為250～350 mm，且70%集中在6—8月，海拔1 284 m。土壤為風(fēng)沙土，平均沙層厚度達(dá)200 m，但有30～100 cm 的鈣積層，土壤貧瘠，不利于植物根系的發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)固定、半固定沙丘和丘間地相間分布。地帶性植被為草原，喬木分布較少，灌木、半灌木和雜類草種類較為豐富。主要灌木有沙柳；半灌木主要有褐沙蒿（Artemisia intramongolica）、冷蒿（Artemisia frigida）；主要草本植物有豬毛菜（Salsola collina）、冰草（Agropyron cristatum）、苔草（Carex dispalata）、灰綠藜（Chenopodium glaucum）、大籽蒿（Artemisia sieversiana）、瓦松（Orostachys malacophyllus）等。草本層蓋度在40%～70%[15-16]。

1.2研究方法

1.2.1樣地設(shè)置與取樣。

于2015年6月末選取齡級(jí)為2 a（2013年種植）、4 a（2011年種植）、6 a（2009年種植）和8 a（2007年種植）的人工沙柳進(jìn)行調(diào)查和采樣，每一齡級(jí)的林地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)5 m×5 m的樣方，共設(shè)12個(gè)樣方。對(duì)樣方內(nèi)的草本設(shè)置1 m×1 m小樣方進(jìn)行調(diào)查。記錄沙柳的株高、基經(jīng)、冠幅、蓋度等（表1）。

土壤樣品的采集，每個(gè)樣方設(shè)置3個(gè)1 m×1 m土壤剖面，分別取0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm深度土壤樣品。在各層中部取土，取土后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后過2 mm 篩，進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量測(cè)定，并取部分樣品用于土壤容重測(cè)定[17]。

1.2.2土壤容重的測(cè)定。

將樣品均勻粉碎后，挑出細(xì)根、礫石等雜物，風(fēng)干后得到樣品干質(zhì)量。然后取樣品50 g 置于干燥箱中，105 ℃烘干得到烘干質(zhì)量，計(jì)算土壤含水率，從而得到原有土樣的烘干質(zhì)量，根據(jù)環(huán)刀體積計(jì)算土壤容重。

1.2.3土壤碳含量的測(cè)定。

用重鉻酸鉀法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，計(jì)算土壤有機(jī)碳（Ci）含量。

1.2.4土壤碳密度的測(cè)定。

根據(jù)土壤容重及土壤有機(jī)碳含量計(jì)算土壤碳密度。采用如下公式計(jì)算土壤有機(jī)碳密度：

SOCDi=ki=1（Ci×Di×Ei）/100

式中，SOCDi為i層土壤有機(jī)碳密度（kg/m2）；Di為i層土壤的容重（g/cm3）；Ci為土壤有機(jī)碳含量（g/kg）；Ei為土層厚度（cm）[10]；k為不同的土壤層次[18]。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用單因素方差分析法（Oneway ANOVA）進(jìn)行差異顯著性分析（α =0.05），并使用Excel進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。

2結(jié)果與分析

2.1不同齡級(jí)土壤pH比較

由圖1可知，渾善達(dá)克沙地沙柳種群的土壤pH在7.34～7.60，呈中性。在表土層土壤上，8 a的沙柳灌叢土壤pH最高，為7.60，其次是2 a的沙柳灌叢，土壤pH為7.57，4、6 a土壤pH相對(duì)較低。10～20、20～40、40～60、60～100 cm土層隨齡級(jí)的變化趨勢(shì)同0～10 cm。這與沙柳灌叢下凋落物分解過程緩慢，且分解過程中容易產(chǎn)生大量有機(jī)酸有關(guān)。

在同一齡級(jí)中不同土層的土壤pH不同，2 a沙柳在不同深度土壤pH呈顯著差異（P<0.05），4、6、8 a沙柳在不同深度的土壤pH無顯著差異（P>0.05）。同一植被類型的土壤pH，在垂直分布上變化復(fù)雜，無明顯的規(guī)律可循，這可能與影響土壤pH的因素較多有關(guān)。

2.2不同齡級(jí)土壤容重比較

土壤容重能綜合反映土壤的結(jié)構(gòu)性和通透性等物理性質(zhì)。容重過高尤其是超過植物的極限容重后，就會(huì)影響根系的延伸生長，同時(shí)會(huì)影響降水的滲透率及土壤的通氣性能。容重過低，會(huì)影響土壤支撐植物的性能[9]。

由表2可知，渾善達(dá)克沙地沙柳灌叢土壤容重在0.89～0.99 g/cm3，不同齡級(jí)植被表層土壤容重從大到小依次為6 a、2 a、4 a、8 a。在同一齡級(jí)植被垂直分布上，表層容重總體較底層低，這主要是由于沙柳灌叢土壤表層含大量的枯落物和植物根系等物質(zhì)使土質(zhì)較疏松；而底層既無枯落物，植物根系也較少，因此土壤相對(duì)緊實(shí)。不同齡級(jí)土壤容重?zé)o顯著差異（P>0.05）；不同土層間的土壤容重差異顯著（P<0.05）。

2.3不同齡級(jí)土壤總有機(jī)碳比較

對(duì)渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)沙柳灌叢土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，不同齡級(jí)沙柳灌叢不同土層土壤有機(jī)碳的含量均隨林齡的增加出現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，呈 “V”字型變化。8 a沙柳灌叢表層土壤有機(jī)碳含量最高達(dá)到1.10 g/kg，其次是2 a沙柳灌叢，為0.92 g/kg，6 a沙柳灌叢土壤有機(jī)碳含量最低為0.48 g/kg。同一齡級(jí)沙柳灌叢不同土層的土壤有機(jī)碳無明顯的變化規(guī)律（圖2）。

對(duì)渾善達(dá)克沙地2、4、6、8 a不同齡級(jí)沙柳灌叢土壤有機(jī)碳的含量進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，在0～10 cm土層不同齡級(jí)有機(jī)碳含量差異顯著（P<0.05）；60～100 m土層不同齡級(jí)土壤有機(jī)碳含量差異極顯著（P<0.01）；其他土層不同齡級(jí)土壤有機(jī)碳含量差異不顯著（P>0.05）。

2.4不同齡級(jí)土壤有機(jī)碳密度比較

對(duì)渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)不同土層土壤碳密度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，土壤表層土壤碳密度隨著齡級(jí)的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)。8 a沙柳灌叢土壤碳密度最高達(dá)9.59 kg/m2；隨著土壤層次的加深土壤碳密度不斷增加（圖3）。

3結(jié)論與討論

（1）該研究結(jié)果表明，渾善達(dá)克沙地沙柳種群的土壤pH在7.34～7.60，呈中性。在不同土層上，8 a沙柳灌叢土壤pH最高，其次是2 a，4和6 a沙柳灌叢土壤pH相對(duì)較低。

渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)沙柳灌叢表層土壤容重從大到小依次為6 a、2 a、4 a、8 a。在同一齡級(jí)植被垂直分布上，表層容重較底層低，與土壤有機(jī)碳的變化呈負(fù)相關(guān)，這與苗娟等[19] 的研究結(jié)果一致。

（2）該研究中渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)沙柳灌叢土壤有機(jī)碳在0.44～1.10 g/kg，不同齡級(jí)沙柳灌叢不同土層土壤有機(jī)碳的含量均隨林齡的增大出現(xiàn)先減低后升高趨勢(shì)，呈“V”字型變化。同一齡級(jí)沙柳灌叢不同土層的土壤有機(jī)碳變化規(guī)律無明顯的變化規(guī)律。這與冼偉光等[20]的研究結(jié)論一致。

不同森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳來源（地表凋落物及其根的分泌物和細(xì)根周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的碎屑）的數(shù)量與質(zhì)量差異是影響土壤有機(jī)碳在土壤中分布的關(guān)鍵因子之一。不同植被組成可以形成特定的土壤表層氣候，影響凋落物的分解速率，進(jìn)而在某種程度上控制土壤有機(jī)碳的分解速度。這可能是造成森林生態(tài)系統(tǒng)之間及同一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各土層間土壤有機(jī)碳差異的原因。

對(duì)渾善達(dá)克沙地不同齡級(jí)沙柳灌叢不同土層土壤碳密度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，土壤表層土壤碳密度隨著齡級(jí)的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)。8 a沙柳灌叢土壤碳密度最高，隨著土壤層次的加深土壤碳密度不斷增加。這與王鑫等[1]、陶貞等[21]、劉艷等[22]、孫慧蘭等[23]的研究結(jié)果一致。

（3）該研究中最大齡級(jí)沙柳灌叢為8 a，未與天然沙柳灌叢土壤有機(jī)碳進(jìn)行比較，并且采用重鉻酸鉀-外加熱法進(jìn)行測(cè)定，因此結(jié)果存在一定的不確定性，有待于今后進(jìn)一步研究。

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