準(zhǔn)噶爾盆地梭梭沙質(zhì)荒漠土壤有機(jī)碳分布特征的研究

劉慧霞， 孫宗玖， 石宇堃， 武文超， 鄭麗， 艾提劍

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，烏魯木齊830052)

荒漠生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)干旱區(qū)典型的生態(tài)系統(tǒng)之一，具有獨(dú)特的特征和功能[1]。梭梭(Haloxylonammodendron)和白梭梭(Haloxylonpersicum)是荒漠生態(tài)區(qū)重要的優(yōu)勢(shì)物種[2-3]，主要分布于我國(guó)西北地區(qū)，其中以準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠分布范圍最為廣泛，占我國(guó)梭梭荒漠總面積的68%，占新疆梭梭荒漠總面積的94%，對(duì)維護(hù)荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有十分重要的作用[4-6]。古爾班通古特沙漠生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，在梭梭荒漠的防護(hù)下，表層細(xì)粒物質(zhì)的積累使風(fēng)沙土得到固定、土壤有機(jī)碳含量得到提高，風(fēng)沙土的營(yíng)養(yǎng)成分得到改善[7]，由此表明，梭梭荒漠能夠較好地起到防風(fēng)固沙的作用。然而，研究表明，準(zhǔn)噶爾盆地天然梭梭荒漠近年來(lái)出現(xiàn)大規(guī)模退化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了梭梭荒漠的固碳能力[6]。為更好地了解梭梭荒漠的固碳現(xiàn)狀，定量準(zhǔn)確評(píng)估其土壤有機(jī)碳含量以及查明其影響因素至關(guān)重要。

土壤有機(jī)碳庫(kù)不僅影響土壤的物理、化學(xué)和生物特性，同時(shí)也會(huì)影響土壤肥力和植物的生產(chǎn)力[8]。目前，有關(guān)土壤有機(jī)碳的研究多集中在濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)的森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)[9-12]，而干旱區(qū)沙質(zhì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的研究，往往因其植被類(lèi)型單一、分布稀疏而被忽略。有學(xué)者認(rèn)為沙質(zhì)荒漠土壤碳密度幾乎為零[13]；但也有一些學(xué)者認(rèn)為天然梭梭荒漠群落覆蓋度雖較低，但其分布范圍較廣，而土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量取決于植被生長(zhǎng)狀況，因此不能被忽略[14-15]。吉小敏等[14]指出，新疆甘家湖自然保護(hù)區(qū)梭梭土壤有機(jī)碳平均含量為1.79～4.17 g·kg-1；牛攀新等[15]指出，準(zhǔn)噶爾盆地梭梭0—100 cm各土層土壤有機(jī)碳含量為0.08～0.67 g·kg-1。前人研究多集中于樣點(diǎn)及樣線尺度，在區(qū)域尺度上研究不足，同時(shí)對(duì)梭梭荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量與植被、土壤、氣候、地理等因子間相互關(guān)系的研究相對(duì)缺乏。因此，研究荒漠生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子間的關(guān)系以及環(huán)境因子對(duì)梭梭荒漠土壤有機(jī)碳含量的影響具有重要科學(xué)意義。本研究以準(zhǔn)噶爾盆地梭梭沙質(zhì)荒漠為對(duì)象，采用路線調(diào)查和典型樣地布設(shè)相結(jié)合方法，通過(guò)對(duì)不同區(qū)域典型梭梭群落土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)量生態(tài)學(xué)分析方法，研究土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子之間的內(nèi)在聯(lián)系，以期為退化梭梭荒漠的治理及可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于為準(zhǔn)噶爾盆地，地理位置處于N 44.24°—46.70°，E 82.68°—91.23°，海拔224～964 m，年均降水小于200 mm，年均溫度6.09～31.79 ℃，≥10 ℃年積溫3 000～3 500 ℃，氣候干旱，屬于典型的溫帶荒漠氣候。試驗(yàn)區(qū)植被群落蓋度小于30%，土壤質(zhì)地為沙質(zhì)，植被以梭梭(H.ammodendron)、白梭梭(H.persicum)為建群種，沙拐棗(Calligonummongolicum)、駝絨藜(Ceratoideslatens)、沙漠絹蒿(Seriphidiumsantolinum)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、琵琶柴(Reaumuriasongonica)、假木賊(Anabasissp.)等為伴生種，同時(shí)也混有一些短命、類(lèi)短命植物。沙質(zhì)荒漠草地研究區(qū)樣點(diǎn)基本概況詳見(jiàn)表1。

續(xù)表Continued

1.2 研究方法

1.2.1樣地選取及野外取樣 2018年8—9月，在阿勒泰地區(qū)、昌吉回族自治州、克拉瑪依市、博爾塔拉蒙古自治州及塔城地區(qū)布設(shè)梭梭荒漠典型樣點(diǎn)20個(gè)(表1和圖1)。每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)設(shè)置1個(gè)100 m×100 m的樣地，樣地內(nèi)等距離布設(shè)5個(gè)10 m×10 m的灌木樣方，分物種收獲當(dāng)年新生枝條的生物量，裝袋標(biāo)記并稱(chēng)重；同時(shí)等距離布設(shè)3條平行樣線，每條樣線等距離布設(shè)3個(gè)1 m×1 m的草本樣方，齊地分種刈割樣方內(nèi)所有物種的生物量，同時(shí)收集樣方內(nèi)所有地上凋落物，裝袋標(biāo)記并稱(chēng)重。完成地上植被測(cè)定后，在樣地中心挖取面積為1 m×1 m的土壤剖面，采用切土塊法，在3個(gè)垂直剖面上采用固定深度法獲取0—5、5—10、10—20、20—30、30—50、50—70、70—100 cm土層的土壤樣品，用于土壤養(yǎng)分分析；同時(shí)采用環(huán)刀法進(jìn)行土壤容重的測(cè)定，分裝帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)分析。

圖1 研究區(qū)概況及樣點(diǎn)布設(shè)圖

1.2.2室內(nèi)分析 土壤樣品在剔除可見(jiàn)植物根系、動(dòng)物糞便等雜物后，室內(nèi)陰干將土樣混勻，過(guò)0.25 mm篩用于土壤有機(jī)碳的測(cè)定；過(guò)1 mm篩用于土壤pH及電導(dǎo)率的測(cè)定。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測(cè)定，pH采用水土比5∶1酸度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定，電導(dǎo)率采用水土比5∶1電導(dǎo)法進(jìn)行測(cè)定，容重采用105 ℃、24 h烘干法進(jìn)行測(cè)定[16]。

1.3 環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)獲取

通過(guò)國(guó)家氣象臺(tái)站點(diǎn)(www.cnern.org.cn)下載近60 a的氣象數(shù)據(jù)，以平均值為基準(zhǔn)提取各氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2中克里金插值法獲取各采樣點(diǎn)≥10 ℃的年積溫、年均溫度、年均降水量等氣象數(shù)據(jù)，以表示實(shí)際采樣點(diǎn)的氣候條件。經(jīng)緯度、海拔采用手持GPS測(cè)定儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)定。以2000—2018年GLEAM V3數(shù)據(jù)集(www.GLEAM.eu)衛(wèi)星觀測(cè)陸地蒸發(fā)量和根區(qū)土壤濕度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，根據(jù)研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行裁剪，按照采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)反演得到土壤濕度和蒸散發(fā)量[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2013和 SPSS 20.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差、獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析土壤有機(jī)碳含量間的差異，多重比較采用Duncan方法檢驗(yàn)顯著性。采用Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析，利用偏冗余分析進(jìn)一步得出各環(huán)境因子的解釋率。數(shù)據(jù)可視化在 Origin 9.0下完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 梭梭荒漠土壤有機(jī)碳總體體征

沙質(zhì)荒漠草地不同土層土壤有機(jī)碳含量結(jié)果(表2)表明，0—100 cm土層有機(jī)碳含量平均為1.62 g·kg-1，最小值為0.00 g·kg-1，最大值為11.46 g·kg-1，變異系數(shù)為81.67%，呈中等變異水平[18]。0—5、5—10、10—20、20—30、30—50、50—70、70—100 cm土壤有機(jī)碳含量依次為2.32、1.76、1.62、1.58、1.43、1.35、1.26 g·kg-1，變異系數(shù)為64.33%～87.07%，均呈中等變異水平。其中，0—5 cm土壤有機(jī)碳含量顯著高于5—100 cm土層。對(duì)土壤有機(jī)碳含量與土層深度進(jìn)行相關(guān)分析表明(圖2)，土壤有機(jī)碳含量與土層深度極顯著相關(guān)，即隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳含量逐漸降低。

表2 不同土層的土壤有機(jī)碳含量

注：不同小寫(xiě)字母代表不同土層間差異在P<0.05水平顯著。

2.2 兩種類(lèi)型梭梭荒漠土壤有機(jī)碳比較

不同植被類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量及密度剖面分布特征結(jié)果(圖3)表明，白梭梭荒漠與梭梭荒漠間0—100 cm土壤有機(jī)碳含量呈極顯著差異(P<0.01)；隨土層深度增加，白梭梭荒漠與梭梭荒漠土壤的有機(jī)碳含量均呈降低趨勢(shì)，且0—5 cm土層有機(jī)碳含量均顯著高于10—100 cm土層。其中，梭梭荒漠的土壤有機(jī)碳含量(1.74 g·kg-1)是白梭梭荒漠土壤有機(jī)碳含量(1.25 g·kg-1)的1.40倍；具體分析兩種植被下不同土層的有機(jī)碳含量表明，僅10—20 cm和20—30 cm土層梭梭荒漠土壤的有機(jī)碳含量顯著高于白梭梭荒漠。與白梭梭荒漠相比，梭梭荒漠土壤有機(jī)碳含量從0—5 cm到5—10 cm土層的降幅更明顯。

注：不同小寫(xiě)字母代表不同土層土壤有機(jī)碳含量差異在P<0.05水平顯著；*表示不同植被類(lèi)型間差異在P<0.05水平顯著。

2.3 海拔對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳含量隨海拔高度變化結(jié)果(表3)表明，不同海拔梯度0—100 cm土層土壤有機(jī)碳含量的平均值間存在差異。500～700 m海拔間的土壤有機(jī)碳含量最低，為1.09 g·kg-1，顯著低于其他海拔(43.12%～79.82%)，且各土層均表現(xiàn)為海拔500～700 m土壤有機(jī)碳含量最低；而海拔<300 m或>700 m 以及300～500 m的土壤有機(jī)碳含量間差異不顯著。對(duì)同一海拔下不同土層的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在海拔<300 m和>700 m條件下，各土層間土壤有機(jī)碳含量差異不顯著；海拔300～500 m下，0—5 cm土層土壤的有機(jī)碳含量較10—100 cm各土層顯著增加55.67%～114.18%；海拔500～700 m下，0—5 cm土層較其余各土層土壤有機(jī)碳含量顯著增加72.27%～200.00%。

表3 不同海拔梯度不同土層的土壤有機(jī)碳含量

2.4 環(huán)境因素對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

對(duì)土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析，如圖4所示，實(shí)心箭頭代表響應(yīng)變量，空心箭頭代表環(huán)境因子，實(shí)心箭頭與空心箭頭夾角的余弦值代表土壤有機(jī)碳含量及密度與環(huán)境因子間的相關(guān)性，箭頭長(zhǎng)度反映了環(huán)境因子對(duì)響應(yīng)變量的解釋量[19]。從箭頭夾角的余弦值可以看出(圖4A)，土壤有機(jī)碳含量與土壤pH、土壤含水率、根部土壤濕度、表層土壤濕度、緯度、植被覆蓋度、凋落物生物量、土壤電導(dǎo)率、土壤容重、海拔、年均降水量及≥10 ℃年積溫均呈正相關(guān)關(guān)系，與年均溫度、地上生物量、經(jīng)度、土壤蒸散發(fā)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。根據(jù)偏冗余進(jìn)一步分析結(jié)果(圖4B)表明，單個(gè)環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的解釋能力依次為土壤pH(28.1%)>植被覆蓋度(20.5%)>土壤含水率(14.8%)>年均降水量(10.3%)>土壤蒸散發(fā)量(7.7%)>表層土壤濕度(5.7%)>年均溫度(3.9%)>土壤電導(dǎo)率(2.3%)>海拔(1.8%)>≥10 ℃年積溫(1.4%)>緯度(1.1%)>經(jīng)度(1.0%)>凋落物生物量(0.9%)>地上生物量(0.3%)>根部土壤濕度(0.2%)。其中，土壤pH、植被覆蓋度和土壤含水率達(dá)顯著水平(P<0.05)。綜上所述，引起土壤有機(jī)碳含量空間變異的主要影響因素是土壤pH、植被覆蓋度和土壤含水率，其他環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響相對(duì)較弱。

注：A：冗余分析；B：偏冗余分析。SOC—土壤有機(jī)碳含量；SOCD—土壤有機(jī)碳密度； Long—經(jīng)度；Lat—緯度；Ele—海拔；≥10 ℃AT—≥10 ℃年積溫；MAP—年均降水；MAT—年均溫度；BD—土壤容重；SWC—土壤含水率；EC—電導(dǎo)率；Cov—植被覆蓋度；AGB—地上生物量；Litter—凋落物生物量；Evap—蒸散發(fā)；SSM—表層土壤濕度；RSM—根部土壤濕度。

3 討論

梭梭荒漠生態(tài)系統(tǒng)雖然土壤肥力較低，植被稀疏，但植被在防風(fēng)固沙方面的作用不可忽視。本研究中0—30 cm土層土壤有機(jī)碳含量為1.82 g·kg-1，低于世界干旱區(qū)平均水平[20]。一方面與古爾班通古特沙漠氣候極端干旱，蒸發(fā)大、降水少、植被類(lèi)型及凋落物分解產(chǎn)生的差異有強(qiáng)烈關(guān)系；另一方面與人類(lèi)頻繁的干擾行為(如過(guò)牧、采挖、開(kāi)墾等)有關(guān)。有研究指出，梭梭保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳含量在高蓋度下為7.70 g·kg-1，而古爾班通古特沙漠南緣(退化梭梭荒漠)土壤有機(jī)碳含量?jī)H為0.31 g·kg-1[14-15]。因此，必需對(duì)古爾班通古特沙漠南緣退化的天然梭梭荒漠實(shí)施保護(hù)措施，提高梭梭荒漠土壤有機(jī)碳含量，對(duì)梭梭沙質(zhì)荒漠土壤恢復(fù)及土壤固碳能力的提升具有重要意義。

本研究表明，梭梭沙質(zhì)荒漠土壤有機(jī)碳集中于表層土壤，垂直分布表現(xiàn)為隨土層深度的增加逐漸降低，且深層土壤有機(jī)碳含量趨于穩(wěn)定。這可能是由于表層土壤通氣狀況較好，植物殘?bào)w中各種有機(jī)物都能被快速氧化，微生物在通氣良好的土壤中也能加速對(duì)腐殖質(zhì)的分解消耗[21]；而深層土壤緊實(shí)、孔隙少，凋落物等外源物質(zhì)的輸入較少，土壤溫度低，微生物數(shù)量及活性也較低，進(jìn)而造成深層土壤有機(jī)碳含量顯著低于表層[22]。梭梭群落土壤的有機(jī)碳含量顯著高于白梭梭群落土壤，這可能是由于梭梭普遍生長(zhǎng)于沙丘間低地，而白梭梭普遍生長(zhǎng)于半流動(dòng)沙丘和固定沙丘[23]。與沙丘相比，丘間低地受到風(fēng)蝕的現(xiàn)象較弱[24]，風(fēng)力作用對(duì)地表凋落物的再分配影響也較小[25]，進(jìn)而導(dǎo)致沙質(zhì)草地土壤有機(jī)碳含量出現(xiàn)較大的異質(zhì)性。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，不同土層土壤有機(jī)碳含量在不同海拔范圍間差異較小，但最低值均出現(xiàn)在500～700 m海拔范圍內(nèi)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該海拔范圍的區(qū)域降水較少，梭梭群落總蓋度僅為11.27%，有的地區(qū)梭梭蓋度僅為2%，因此，大面積的地表裸露使風(fēng)蝕作用加劇、土壤粗粒化，導(dǎo)致土壤中砂粒含量驟增，造成對(duì)土壤有機(jī)碳的累積量逐漸減少；草本稀疏使得降水不能有效儲(chǔ)存，水土流失嚴(yán)重；且500～700 m海拔范圍內(nèi)地上凋落物的固存量也顯著低于平均水平，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的輸入量較少，因此，土壤有機(jī)碳含量較低[26]。除>700 m海拔外，其他海拔梯度土壤的有機(jī)碳含量均隨土層深度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且變化浮動(dòng)較小，這可能是由于土壤中新的有機(jī)質(zhì)輸入較少、微生物降解基質(zhì)不足、土壤基質(zhì)較為均勻所致。當(dāng)海拔>700 m時(shí)，土壤有機(jī)碳含量在10—20 cm土層出現(xiàn)最大值，這可能是凋落物受風(fēng)力作用的掩埋、穩(wěn)定堆積后的結(jié)果[27]，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，凋落物在土壤微生物的作用下緩慢分解，將有機(jī)碳固定在土壤中。雖然不同海拔梯度土壤有機(jī)碳含量隨土層的分布狀況不盡相同，但均表現(xiàn)為0—30 cm土層土壤的有機(jī)碳含量較高，與前人研究結(jié)果相一致[28]。

土壤有機(jī)碳的輸入與輸出受多種環(huán)境因子調(diào)控，且有機(jī)碳在土壤中的積累存在較大的空間異質(zhì)性[29]。冗余分析表明，土壤pH、土壤含水率和植被覆蓋度是驅(qū)動(dòng)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生變異的主要因素。本研究中植被覆蓋度與土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。植被覆蓋度不僅可以反映生物量的高低，還可以減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)速度，有利于土壤有機(jī)碳的積累。除植被覆蓋度外，土壤pH與土壤有機(jī)碳含量也呈正相關(guān)，與張磊等[30]研究結(jié)果一致，可能是由于適度的堿性土壤有利于土壤中硝化細(xì)菌的硝化作用，進(jìn)而有利于荒漠植物對(duì)土壤中氮素的利用，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[31]。土壤含水率與土壤有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)，荒漠區(qū)植被對(duì)水分的需求遠(yuǎn)高于其他生境中的植被[30]，光合作用的產(chǎn)物大部分被用于地下根系的生長(zhǎng)，根系不斷向下以獲取更多的水資源用于維持植株的生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。但本研究發(fā)現(xiàn)，地上生物量與土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能是由于地上生物量雖然較多，但地表的固定凋落物較少，地表凋落物受強(qiáng)烈風(fēng)力作用再分配的影響[25]，導(dǎo)致地上生物量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的變化響應(yīng)不敏感。本研究區(qū)域梭梭群落總植被的覆蓋度均小于30%，土壤有機(jī)碳含量平均值為1.62 g·kg-1，均低于甘家湖梭梭自然保護(hù)區(qū)[14]。高植被覆蓋度可以減輕風(fēng)力作用，使凋落物能夠更好地被植物截獲，促進(jìn)風(fēng)沙土區(qū)域植被的正向演替[32]，由此表明，天然梭梭荒漠草地具有巨大的碳匯潛力。