艾比湖濕地不同植被覆蓋下土壤碳蓄積對比分析

劉可祥，王勇輝

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054)

濕地是陸地與水體間過渡的獨特生態(tài)系統(tǒng)，是自然界生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一[1]。濕地面積相較于其它地域面積而言，在地球表面積中所占比例較小，但其碳儲量豐富，其對生態(tài)系統(tǒng)的影響不可忽視。濕地經(jīng)過長期碳積累是巨大的碳庫，而且在全球碳循環(huán)中扮演著重要的碳匯角色[2]。濕地土壤有機碳含量兼有“碳源”與“碳匯”的雙重功能，其碳循環(huán)對大氣全球碳收支以及與之相關(guān)的全球氣候變化有重要影響[3]。全球碳收支平衡和大氣CO2濃度都會因濕地土壤碳儲量的變化而產(chǎn)生影響，從而影響到人類活動；尤其是在干旱區(qū)環(huán)境下，土壤有機質(zhì)尤為貧瘠，且荒漠面積較大，濕地的固碳作用顯得尤為重要。植物種類對有機碳的輸入產(chǎn)生作用，通過對土壤有機碳儲量、分布、轉(zhuǎn)化機理進行研究，進而揭示其影響因素和生態(tài)效應(yīng)[2,4]。全球氣候變化和環(huán)境惡化的加劇使研究人員更加重視土壤有機碳的研究，其中土壤有機碳分布和含量研究已成為碳循環(huán)研究的重要部分。莫莉萍等[5]研究發(fā)現(xiàn)不同紅樹林群落樣地土壤有機碳含量出現(xiàn)差異，這說明植被類型對土壤碳蓄積會產(chǎn)生影響，能夠改變土壤碳蓄積量的格局。近50年來，人類活動日益頻繁，改變了干旱區(qū)濕地的格局，對干旱區(qū)濕地碳收支平衡產(chǎn)生了重要影響，進而影響到整個生態(tài)系統(tǒng)的健康運行和區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。因此，研究干旱區(qū)濕地土壤有機碳含量對保護干旱區(qū)濕地，遏制干旱區(qū)環(huán)境惡化具有重要意義。目前，對我國土壤碳儲存和碳含量的研究主要集中在大小興安嶺、三江平原沼澤濕地、長江中下游的湖泊濕地、青藏高原，對西北干旱區(qū)濕地的研究較少。

土壤質(zhì)量很大程度上受土壤有機碳的影響，主要通過土壤結(jié)構(gòu)、土壤生物多樣性等表現(xiàn)；土壤有機碳含量的多少決定了土壤的肥力強弱，進而為植物生長發(fā)育供應(yīng)、協(xié)調(diào)營養(yǎng)因素和環(huán)境條件。中國干旱區(qū)土壤呈現(xiàn)出三個性質(zhì)完全不同的生物土壤氣候帶，分別是粟鈣土、棕鈣土和灰鈣土帶，灰棕漠土帶，棕灰漠土帶；主要包括棕漠土、灰棕漠土、棕鈣土和灰鈣土等土壤類型。土壤有機碳與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性可通過土壤剖面數(shù)據(jù)資料進行分析、探討，為干旱區(qū)碳循環(huán)過程提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地是中國內(nèi)陸干旱區(qū)湖泊濕地的典型，地處天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地的西南部，其南、西、北三面環(huán)山，東部與木特塔爾沙漠相連，地理坐標(biāo)為82°36′～83°50′E，44°30′～45°09′N。1972—2011年期間，艾比湖的面積在不斷縮小，其值達115.03 km2[6]。艾比湖地區(qū)屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候，降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，年平均降水量約為105.17 mm，蒸發(fā)量為1 315 mm,年平均氣溫約為8℃。區(qū)內(nèi)典型地帶性土壤類型有灰漠土、灰棕漠土、風(fēng)沙土，隱域性土壤類型為鹽土、草甸土和沼澤土。各類荒漠植物有385種，占全國荒漠植物種類的64%[7]。獨特的自然地理因素決定了其生態(tài)環(huán)境極其脆弱，對氣候變化和人類活動的響應(yīng)較為敏感。土地覆被情況嚴(yán)重影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，進而影響到區(qū)域生態(tài)環(huán)境[8-10]。本文根據(jù)艾比湖濕地灌木荒漠、小喬木荒漠兩種植被類型覆蓋條件，采集樣本測試土壤有機碳含量、土壤碳密度等指標(biāo)，進而探討艾比湖濕地土壤有機碳蓄積量。

1.2 樣品采集與處理

依據(jù)艾比湖濕地的環(huán)境情況，按照代表性原則，在艾比湖濕地設(shè)點采樣，實驗采用隨機采樣和重點抽樣相結(jié)合的方法，每隔約1～3 km對所研究的植被覆蓋的土壤進行采集。用不銹鋼螺旋土鉆，采樣深度100 cm，按0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm五個深度分層采集各土層的土壤樣品，并在各層分別取環(huán)刀樣，返回后在實驗室進行專門分析。詳細(xì)記錄采樣點的植被類型、土壤類型、土地利用方式、經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程等相關(guān)信息。野外采回的土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，剔除石塊、植物根莖、人為侵入物等雜物，經(jīng)過磨細(xì)，然后通過孔徑0.25 mm篩，混勻，裝入紙袋，進行土壤理化指標(biāo)的測定。測試指標(biāo)有土壤有機碳、土壤容重、土壤水分等。

圖1采樣點分布圖

Fig.1 Sample point distribution

1.3 數(shù)據(jù)分析與計算方法

土壤有機碳密度是單位面積內(nèi)一定土層深度土壤有機碳的分布情況，計算公式為：

SOCDi=CiρiHi×10-2

式中，SOCDi為第i層土壤有機碳密度(kg·m-2)；Ci為第i層中土壤有機碳的含量(g·kg-1)；ρi為第i層的土壤容重(g·cm-3)；Hi為剖面深度(cm)；10-2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

土壤有機碳儲量(SOCstorage)可以用以下公式求得：

SOCstorage=S×SOCD

式中，S為不同植被覆蓋土壤面積，SOCD為土壤有機碳密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域不同植被覆蓋條件下土壤有機碳特征分析

由表1可知，在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層中，土壤有機碳含量的分布規(guī)律均為小喬木荒漠>灌木荒漠。這兩種植被類型間，20～40、60～80 cm土壤有機碳含量差異顯著。其中，灌木荒漠植被類型的土壤有機碳隨土層深度的增加而減少；小喬木荒漠植被類型的土壤有機碳含量表現(xiàn)為：表層(0～20 cm)有機碳含量最大，且隨土層的加深依次減小，但60～80 cm土層土壤有機碳含量高于40～60 cm土層含量。相比小喬木荒漠，灌木荒漠各土層深度有機碳含量總體較小。分析表明，土壤有機碳表層(0～20 cm)分布集中，其它土層土壤有機碳都低于表層，且其它土層間土壤有機碳差異不大。王棣等[11]對秦嶺典型林分土壤研究得出，土壤有機碳含量均隨土層深度的增加而減小，與此研究有所差異。出現(xiàn)差異的原因可能是秦嶺研究區(qū)植被較艾比湖濕地豐富，且植物根系密度隨土層加深而減小導(dǎo)致。

2.1.1 研究區(qū)域兩植被覆蓋下土壤有機碳垂直特征分析 濕地不同土壤深度的碳儲量程度不同，土壤有機質(zhì)在垂直方向上的分異，主要是受地表枯落物、植物殘根等腐解歸還的影響。土壤的碳主要以有機碳形式存在，并且越靠近地表，有機碳所占比例越大。本研究中，灌木荒漠由表層至100 cm處有機碳含量依次為8.11、6.28、5.07、2.32、2.31 g·kg-1；小喬木荒漠由表層至100 cm處有機碳含量依次為19.44、14.65、14.33、14.89、11.93 g·kg-1；兩種植被類型覆蓋下土壤有機碳最大值都是出現(xiàn)在表層(0～20 cm)，最小值都在80～100 cm土層，且表層有機碳含量與80～100 cm土層有機碳含量差異較明顯，與所列的其它區(qū)域的研究結(jié)論基本一致。各土層有機碳變異系數(shù)見表1。根據(jù)變異系數(shù)的劃分，當(dāng)CV<0時，表現(xiàn)為弱變異性；當(dāng)0.1≤CV≤1.0時，表現(xiàn)為中等變異；當(dāng)CV>1.0時，表現(xiàn)為強變異性。灌木荒漠覆被土壤20～100 cm土層有機碳表現(xiàn)為中等變異，0～20 cm土層土壤有機碳表現(xiàn)為強變異性；小喬木荒漠覆被土壤0～80 cm土層土壤有機碳表現(xiàn)為強變異性，80～100 cm土層土壤有機碳表現(xiàn)為中等變異。通過本研究區(qū)數(shù)據(jù)可以得出，隨著土壤深度的增加，艾比湖濕地土壤有機碳含量總體上逐漸下降。這與孫慧蘭等[12]對伊犁山地不同海拔土壤有機碳分布的研究結(jié)果相同。

2.1.2 研究區(qū)域兩種植被覆蓋下土壤有機碳含量分析 結(jié)合表1可看出，相同植被覆蓋不同層次土壤條件下，有機碳含量的分配比例也不相同。灌木荒漠表層(0～20 cm)所占比例為33.7%，20～40 cm比例為26.1%，40～60 cm比例為21%，60～80 cm比例為9.6%，80～100 cm比例為9.6%；小喬木荒漠表層(0～20 cm)所占比例為25.8%，20～40 cm比例為19.5%，40～60 cm比例為19%，60～80 cm比例為19.8%，80～100 cm比例為15.9%。上述分析中，兩種植被都是土壤表層(0～20 cm)有機碳含量所占比例最大，其它土層間比例差異不明顯，分布較均勻，變化不顯著。本研究中的兩植被類型，土壤有機碳含量的差異主要表現(xiàn)在0～20 cm土層，表層(0～20 cm)植物的凋落物多于其它土層，使得土壤有機碳積累量較大。同時，植物的根系多分布在土壤淺層，隨著土層剖面加深，植物根系分布數(shù)量與范圍逐漸減少，有機碳來源變少，有機碳含量遞減。

2.2 艾比湖濕地兩種不同植物覆被下土壤有機碳密度

土壤有機碳密度被定義為單位面積一定深度土層中土壤有機碳的儲量，因為排除了面積因素的影響而以土體體積為計算基礎(chǔ)，土壤碳密度已經(jīng)成為評價和衡量土壤中有機碳儲量的一個極其重要的指標(biāo)[13]。與土壤有機碳含量分布情況一致，兩種植被類型中，0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤有機碳密度均以小喬木荒漠植被類型最高，且各土層的土壤有機碳密度值均表現(xiàn)為小喬木荒漠高于灌木荒漠。由圖2可以得出，同一植被類型不同土層深度，土壤有機碳密度程度有所不同，對土壤的影響也各有差異。灌木荒漠和小喬木荒漠植被的土壤表層(0～20 cm)碳密度含量最高。辛琨等[14]對海南島紅樹林的研究也得出土壤有機碳密度最大值出現(xiàn)在0～20 cm。隨著土層深度的增加，灌木荒漠碳密度含量逐漸減小，在80～100 cm土層達到最低(僅針對所研究土層深度)；小喬木荒漠植被隨著土層深度的增加，碳密度含量減小，但在60～80 cm土層處出現(xiàn)較小反彈。由圖3可看出，艾比湖濕地兩種植被下，有機碳密度在不同土層的占比差異。小喬木荒漠表層(0～20 cm)、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層有機碳密度比例分別為25.8%，19.5%，19.0%，19.8%，15.9%；灌木荒漠各土層有機碳密度比例分別為33.7%，26.1%，21.0%，9.6%，9.6%。由此也可以充分說明在干旱區(qū)濕地，不同的植被類型其固碳能力不同，碳匯程度也有所差別，從而對干旱區(qū)濕地產(chǎn)生不同的影響。

表1 兩種植被類型不同土層深度有機碳統(tǒng)計分析表

圖2兩種植被土壤有機碳密度

Fig.2 Compare organic carbon density with different planting

2.3 艾比湖濕地不同植被覆蓋下土壤碳蓄積量及成因分析

陸地生態(tài)系統(tǒng)是全球碳循環(huán)的重要構(gòu)成因子，在全球碳收支中扮演著重要角色。據(jù)估計，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量達2.1×1012t,其中2/3貯藏在土壤中[15-17]。濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量約為450 Pg(1 Pg=1015g)，占全球土壤總儲量的1/3[18]。干旱區(qū)濕地區(qū)域內(nèi)，不同的植被類型影響著土壤的有機碳儲量。如圖4所示，灌木荒漠、小喬木荒漠的土壤有機碳儲量存在明顯的差異，在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的5個土層中，土壤有機碳儲量表現(xiàn)為小喬木荒漠都遠(yuǎn)高于灌木荒漠；兩植被覆蓋下的土壤有機碳儲量最大值都出現(xiàn)在表層，且灌木荒漠土壤有機碳儲量隨著土層的加深而逐漸降低。

圖3 兩種植被不同土層碳密度比較

圖4濕地不同植被類型土壤有機碳儲量

Fig.4 Soil organic carbon of different wetland vegetation types

表2表明了艾比湖濕地不同植被類型覆蓋下土壤有機碳各土層的蓄積量。灌木荒漠植被不同土層蓄積量區(qū)間為34 080.88～111 209.44 kg，累計蓄積量為344 856.2 kg；小喬木荒漠植被不同土層蓄積量區(qū)間為618 405.40～943 376.73 kg，累計蓄積量為3 743 517 kg；蓄積量高低順序依次為小喬木荒漠、灌木荒漠。同一植被類型不同土層下，有機碳蓄積量表現(xiàn)出差異性。與土壤有機碳含量、土壤碳密度情況相同，所研究的兩種植被類型表層(0～20 cm)有機碳蓄積量最高；灌木荒漠植被0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層有機碳蓄積量明顯高于60～80 cm、80～100 cm土層有機碳蓄積量；小喬木荒漠植被20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層有機碳蓄積量差別不大，比較接近。

表2 艾比湖濕地土壤有機碳蓄積量統(tǒng)計表

群落物種組成，即功能性狀組合對揭示土壤碳匯的影響機制不容忽視[19]。本研究中，在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm土層中，灌木荒漠、小喬木荒漠有機碳含量分別為8.11、19.44 g·kg-1，6.28、14.65 g·kg-1，5.07、14.33 g·kg-1，2.32、14.89 g·kg-1，2.31、11.93 g·kg-1。由此可得出，不同的植被類型對濕地土壤有機碳的影響程度也有所不同。濕地植物群落構(gòu)成由多種植物參與其中，所以在同一濕地區(qū)域，單位面積有機碳密度也不盡相同。

3 結(jié) 論

通過對艾比湖濕地兩種不同覆被類型(小喬木荒漠、灌木荒漠)土壤有機碳分布規(guī)律、影響因素及蓄積量、碳密度、碳儲量進行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 土壤有機碳含量的分布規(guī)律高低次序為小喬木荒漠>灌木荒漠，小喬木荒漠有機碳含量最高值為19.44 g·kg-1,灌木荒漠有機碳含量最高值為8.11 g·kg-1，土壤有機碳含量最高值均出現(xiàn)在土壤表層(0～20 cm)。小喬木荒漠、灌木荒漠覆蓋的土壤中，小喬木荒漠的固碳能力強于灌木荒漠，小喬木荒漠土壤有機碳變化幅度較大，其含量變化由19.44 g·kg-1減少到11.93 g·kg-1。

(2) 兩植被類型覆蓋下土壤有機碳的垂直分布特征為隨著土層的加深，有機碳含量減少，但兩植被的變化幅度不同。表層(0～20 cm)土壤下，小喬木荒漠覆被下土壤有機碳含量最大；20～100 cm土層，兩植被覆蓋下土壤有機碳含量逐漸變小，但小喬木荒漠類型在60～80 cm土層出現(xiàn)反彈，高于40～60 cm土層有機碳含量。在土壤有機碳的垂直空間變異性方面，小喬木荒漠大多屬于強變異，灌木荒漠覆蓋下土壤類型為中等變異。

(3) 兩種植被覆蓋的土壤有機碳密度、土壤有機碳儲量比較，得出小喬木荒漠覆蓋的土壤碳密度及碳儲量含量高于灌木荒漠；在各土層有機碳密度、土壤有機碳儲量分配比例方面，兩植被類型都是表層(0～20 cm)所占比例最高，達到1/4以上。艾比湖濕地土壤有機碳蓄積量為小喬木荒漠大于灌木荒漠，分別為3 743 517 kg和344 856.2 kg；兩種不同土壤類型的有機碳蓄積總量為4 088 373.64 kg。

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