科爾沁沙地半固定沙丘不同坡位土壤C，N特征

羅永清, 丁杰萍, 趙學勇, 李玉強, 周 欣, 朱陽春, 岳祥飛, 張臘梅

(1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 奈曼沙漠化研究站, 甘肅 蘭州 730000;

2.甘肅省環境科學設計研究院, 甘肅 蘭州 730020; 3.蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州 730000)

科爾沁沙地半固定沙丘不同坡位土壤C，N特征

羅永清1, 丁杰萍2,3, 趙學勇1, 李玉強1, 周 欣1, 朱陽春1, 岳祥飛1, 張臘梅1

(1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 奈曼沙漠化研究站, 甘肅 蘭州 730000;

2.甘肅省環境科學設計研究院, 甘肅 蘭州 730020; 3.蘭州大學 資源環境學院, 甘肅 蘭州 730000)

資助項目：國家科技支撐項目“沙地生態系統持續恢復關鍵技術集成與試驗示范”(2011BAC07B0)； 內蒙古自治區科技重大專項 (Y439K71001)； 中國科學院“百人計劃”項目 (Y451H31001)； 國家自然科學基金項目(31170413； 41171414)

第一作者：羅永清(1984—),男(漢族),陜西省寶雞市人,博士,助理研究員，主要從事環境生態學及植物生理生態學研究。E-mail:luoyongqing8401@sina.com。

摘要：[目的] 研究沙丘不同坡位土壤碳氮的分布特征，旨在探索沙丘不同坡位植被演替機制。[方法] 選取高于5 m的半固定沙丘，沿主要風向于坡底、坡中、坡頂和背風坡設置樣點，對土壤容重、土壤總有機碳含量和土壤總氮含量進行測定，并計算碳氮比、碳氮密度和碳氮儲量。[結果] (1) 不同坡位土壤碳含量均隨深度增加顯著降低，主要變異層發生在0—40 cm層。不同坡位土壤碳含量在30—40 cm層和60—100 cm層存在差異。 (2) 氮含量與容重在不同坡位和不同深度均不存在顯著差異性，碳氮比在坡底和坡頂存在顯著的垂直差異性，背風坡60—100 cm層土壤碳氮比顯著高于其它坡位。 (3) 各坡位土壤碳密度隨深度增加顯著下降。30—40 cm層土壤碳密度存在顯著的坡位差異，而土壤氮密度的垂直差異和坡位間差異均不顯著。 (4) 半固定沙丘土壤碳氮儲量分別為716.89和94.14 kg/m2，不同坡位差異性不顯著；碳儲量的構成在4種坡位差異較大，而各坡位不同深度土壤氮儲量對總儲量的貢獻差異較小。[結論] 科爾沁沙地半固定沙丘土壤碳氮含量與密度不同坡位的差異較小，同時各坡位的碳氮均存在顯著的垂直差異性，尤其在30—40 cm層，變異程度較大，這可能與該層植物根系分布有關。

關鍵詞：科爾沁沙地； 半固定沙丘； 坡位； 土壤特征

碳在自然界的賦存關系到一系列生態問題。土壤中的碳動態是當前研究的熱點，土壤以及“土壤—植被”系統的碳轉移對整個生態系統的無機環境及生物圈物質循環有重要意義。土壤系統中，碳輸出與輸入一方面關系到大氣組成及相應的溫室效應等環境問題，另一方面土壤中碳的增加與減少對土壤微生物、土壤理化性質及陸地生態系統初級生產有重要影響[1-3]。氮素為生物體的生命元素，對整個生物圈，尤其是初級生產具有重要意義。沙地生態系統中，植被初級生產的限制因子雖為土壤水分，但氮素含量對植被形態[4]、群落演替、生物多樣性[5]及土壤微生物活性[6]等有一定的影響。

土壤碳氮受植被、水分、熱量等多種因素影響，同時又對生物與環境有一定的影響，是沙地植被恢復的重要因素之一。沙地恢復過程中，土壤碳氮為植被—土壤系統的關鍵環節，一方面，通過植被的建成與演替，及在該過程中植物個體的光合固定、死亡(包括器官脫落等)分解，無機環境中的碳氮被逐步轉化并輸入到土壤[7-9]；另一方面，土壤中的碳氮以養分供給等直接方式和改善土壤性質等間接方式(土壤質地、微生物活動、土壤酶活性等)影響著植被的建成與個體發育[10]。因此，土壤碳氮是沙地植被恢復的關鍵。

由于土壤、水分等環境因子的差異，沙漠化(或沙漠化恢復)不同階段植被與土壤均呈現出異質性[11-13]。此前的研究多集中在大尺度生境差異，如流動沙地不同恢復階段植被特征[11-12]，沙漠化不同階段“土壤—植物”系統生物量及碳氮特征等[13]。沙丘不同坡位的研究顯示，其植被特征及植物根系分布均有較大的異質性，但目前對其機理尚不清楚。因此，本研究從土壤性質方面進行研究，通過對半固定沙丘不同坡位碳氮等指標的分析，旨在探討各坡位土壤特征，探索沙丘不同坡位植被演替機制。

1材料與方法

1.1　研究區概況

研究區位于內蒙古自治區東部的通遼市奈曼旗境內(42°55′N， 120°42′E)。該區地處科爾沁沙地中南部，平均海拔340～350 m，屬溫帶大陸性半干旱氣候，降水主要集中在6—8月，年均降水量364.6 mm；年均溫為6.4 ℃，大于10 ℃年積溫為3 000～3 400 ℃；年均蒸發量1 972.8 mm；年平均風速3.5 m/s，大風日數20～60 d。地貌為大片沙丘地與甸子地交錯分布。試驗區植被主要包括灌木植物小葉錦雞兒、差巴嘎蒿及草本植物(表1)。

表1　半固定沙丘不同坡位植被特征

1.2　試驗設計與樣品測定

試驗區設于“西北—東南”走向的沙丘草地。該地冬春季主要為西北風向，土壤屬風沙土，有機質含量低，土壤肥力低下。樣地沿冬春季風風向，自西北向東南定義為迎風坡和背風坡，依次設置為坡底、坡中、坡頂及背風坡4種坡位類型。其中迎風坡坡向平緩延長，坡度20°～30°，坡長30～50 m，背風坡坡向陡峭，坡度50°～60°，丘高5～10 m。該沙丘為山脈狀連續沙丘，試驗沿與坡向垂直方向，分別于4種坡位各設置5個取樣點，樣點距離50～100 m，每個樣點在1 m×1 m的樣方內用十字交叉法取5鉆土樣，充分混合后帶回實驗室進行測定分析。同時于樣方內用環刀(體積為100 cm3)取樣，測定土壤容重。

土樣經風干后過2 mm篩，進一步研磨并過0.1 mm篩，采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機碳，采用開氏法測定土壤氮含量。

1.3　數據計算分析

土壤碳/氮密度及儲量計算公式為：

土壤碳/氮密度(mg/cm3)=土壤容重(g/cm3)×土壤碳/氮含量(g/kg)

土壤碳/氮儲量(g/m2)=∑土壤容重(g/cm3)×土壤碳/氮含量(g/kg)×土層厚度(m)×1 000

數據采用Excel和SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析，LSD法進行多重比較。

2結果與分析

2.1　不同土層深度的土壤碳氮特征

對比沙丘不同深度土壤指標的算數平均值發現，土壤容重為1.59 g/cm3，不同深度的土壤容重在0.05水平上有顯著差異性(F=2.89，p<0.05)，其中20—30 cm層略高于其它層，但整體變異程度較小，整個研究區土壤容重極差值為0.03 g/cm3(表2)。

表2　沙丘不同土層深度土壤容重、碳氮含量、碳氮比及碳氮密度的垂直特征

注：*表示不同深度土壤性質在0.05水平上的顯著差異性，**表示不同深度土壤性質在0.01水平上的顯著差異性，相同字母表示在0.05水平上的差異性不顯著。下同。

研究區土壤有機碳含量為0.50±0.02 g/kg，隨土壤深度增加碳含量降低，這種垂直差異存在顯著性(F=30.64，p<0.01)。此外，在0—40 cm土層深度范圍內，隨深度增加土壤有機碳含量迅速降低，降幅超過50%，此后達到穩定水平。土壤全氮同樣具有垂直差異性(F=2.90，p<0.05)，但與有機碳相比，這種垂直差異較小，表層土壤全氮僅比底層高出0.026 g/kg。同時，全氮含量有更大的變異，各層變異系數均高于25%，尤其在中層(30—40 cm層和40—50 cm層)，變異系數分別為49.01%和49.18%。從碳氮比來看，研究區不同土壤深度同樣具有垂直差異性(F=7.67，p<0.01)，碳氮比隨土壤深度逐漸降低(40—50 cm層低于下層，但差異性不顯著)。

研究區土壤碳氮密度同樣呈現出極顯著的垂直差異(p<0.01) 即隨土層深度增加碳氮密度逐漸降低，但兩種元素的降低幅度不同：從表層(0—10 cm)到底層(10—100 cm)，碳密度下降了60.33%，而氮密度降低了34.15%。

2.2　不同坡位土壤碳氮特征

2.2.1碳氮含量及容重不同坡位土壤碳含量的垂直差異不同，坡底各層土壤碳隨深度增加而降低，其中0—30 cm深度變異較大，由0.86±0.11 g/kg下降到0.44±0.06 g/kg，更深層則較為均一，碳含量范圍在0.31～0.30 g/kg之間。坡中土壤碳含量主要變異層分布在0—40 cm深度，其含量由表層的0.94±0.10 g/kg下降到0.40±0.05 g/kg，其下各層土壤碳含量相差小于0.02 g/kg。坡頂土壤碳含量同樣呈現逐層遞減的特征，但主要變異層出現在0—40 cm深度，其含量極差達到0.34 g/kg，其下層該值為0.03 g/kg。背風坡土壤碳含量在0—30 cm層顯著減小，但與前3種坡位不同，從40 cm到100 cm深度，土壤碳含量由0.39±0.04 g/kg增加到0.44±0.02 g/kg。從坡位間差異來看，除30—40 cm和60—100 cm以外，其余各層碳含量變異較小，相對極差值均小于0.35 g/kg，而該兩層的相對極差值分別為0.61和0.42 g/kg(圖1)。

多重比較表明，在30—40 cm層坡頂土壤碳含量顯著(p<0.01)高于其它生境，在60—100 cm層，背風坡顯著(p<0.05)高于其它生境。氮含量在4種坡位的垂直分布雖有隨深度逐漸下降的趨勢，但由于較大的變異(各坡位變異系數均在35%以上)，這種垂直差異不存在顯著性(p>0.05)。同時，不同坡位土壤氮含量也不存在顯著差異性(p>0.05)。不同坡位土壤碳氮比表現出不同的特征。從垂直角度來看，坡中(F=1.90，p>0.05)和背風坡(F=1.64，p>0.05)，各層土壤碳氮比不存在顯著性差異，而在坡底(F=3.63，p<0.01)和坡頂(F=3.27，p<0.05)的垂直差異達到顯著性水平。與碳氮含量類似，這兩種生境表層土壤碳氮比高于底層：坡底0—10 cm層顯著(p<0.05)高于亞表層(10—20 cm)以外的其余各層，坡頂表層(0—10 cm)和亞表層(10—20 cm)顯著(p<0.05)高于底層(60—100 cm)。此外，除60—100 cm層背風坡土壤碳氮比顯著高于其它生境外，其余各層不存在坡位間差異性。

研究區4種坡位土壤容重差異性較小，不同坡位各層土壤容重的相對極差均小于0.03。從垂直角度來看，4種坡位不存在顯著的垂直差異性(p>0.05)，其變異系數均小于3%。

圖1　半固定沙丘不同坡位土壤碳含量、氮含量容重及碳氮比垂直分布

2.2.2碳密度與氮密度研究區不同坡位土壤碳密度均具有顯著的垂直差異性(表3)。在坡底和坡中生境，土壤碳密度隨深度增加而減小，表層(0—10 cm)土壤碳密度顯著高于其下各層，且隨深度增加碳密度下降幅度較大，表層(0—10 cm)碳密度分別為底層(60—100 cm)的2.92和2.80倍。坡頂的碳密度垂直特征與坡底和坡中一致，隨深度增加碳密度減小，但降低幅度更大，且該坡位土壤表層(0—10 cm)和亞表層(10—20 cm)的含量均在一個較高的水平，分別為底層(60—100 cm)的3.01和2.40倍。與其它3種坡位不同，背風坡碳密度最小值出現在中層(30—40 cm)，其垂直特征表現為上層(0—40 cm)隨深度增加土壤碳密度逐漸減小，然后緩慢增加的趨勢，但30—100 cm各層差異性不顯著。從各層的坡位間差異來看，除30—40 cm層以外(F=5.20，p<0.05)，其余各層的差異不顯著(表3)。

氮密度在4種生境中雖有表層高于底層的特點，但各生境的垂直差異均未達到顯著性水平。此外，各層土壤氮密度的坡位間差異性也不顯著。

2.2.3碳儲量與氮儲量研究區土壤的碳儲量為716.88±31.59 g/m2，大小順序為：坡底<坡中<坡頂<背風坡(圖2)，但差異不顯著(F=0.93，p>0.05)，最小儲量和最大儲量分別為641.35±61.43 g/m2和787.12±39.61 g/m2。從各層土壤碳儲量占總碳儲量的比例來看，4種坡位各具特點(圖3)：表層碳儲量在坡底和坡中生境中占較大的比例(分別為21.51%和21.23%)，而背風坡表層該比例僅為15.25%。在10—20 cm層和20—30 cm層，4種坡位碳儲量所占總碳儲量的比例基本一致，該值分別為12.28%～15.36%和10.52%～12.36%。而在30—40 cm層，4種坡位碳儲量占總碳儲量的比例差異較大，其中坡頂該值為12.32%，高于坡底(7.75%)、坡中(9.12%)和背風坡(7.94%)。40—50 cm層和50—60 cm層該比例在4種坡位中基本一致，最高比例和最低比例之差均小于2%。不同坡位底層(60—100 cm)土壤碳儲量占總碳儲量的比例差異較大，背風坡比例最高，占總碳儲量的35.64%，依次為坡中(30.36%)、坡底(29.45%)和坡頂(25.55%)。

表3　不同坡位土壤碳密度與氮密度

圖2　半固定沙丘不同坡位土壤碳氮儲量

與碳儲量類似，在4種坡位0—100 cm土壤的氮儲量不存在顯著差異性(F=0.11，p>0.05)。最大氮儲量和最小氮儲量分別出現在坡中(99.12±17.47 g/m2)和坡底(90.31±3.42 g/m2)。但與碳不同，氮儲量的分配格局中，上層(0—30 cm)各坡位土壤氮儲量占總氮儲量的比例基本一致，0—10 cm，10—20 cm及20—30 cm層的4種坡位間該比例的差值均小于2%。而在30—40 cm層，4種坡位該比例的差異較大，其中坡中最大，為11.43%，依次為坡頂(10.09%)和背風坡(9.57%)，坡底最小，僅為7.12%。同樣，40—50 cm層該比例在4種坡位的差異較大，最大比例和最小比例的差值分別為12.86%(背風坡)和8.96%(坡底)。在50—60 cm和60—100 cm土層，各坡位氮儲量占總氮儲量的比例基本一致(圖3)。

圖3　半固定沙丘不同坡位各層土壤碳氮儲量對總儲量的貢獻率

3討 論

沙丘不同坡位土壤水分[14]、輻射[15]以及干沙層厚度等[16]均存在較大的異質性，這些因素對植被生存生產、凋落物分解[17]及微生物活動[18]等產生一定的影響，而植物活動、凋落物分解[17]和微生物活動是沙地生境土壤養分的重要來源，所以不同坡位土壤特征存在差異性。如以氮素為對象的研究[17]表明，迎風坡總氮和硝態氮含量較高，而銨態氮在背風坡含量較高。有研究[19]表明，科爾沁沙地不同生境土壤碳含量存在顯著差異，這可能是由于生境間植被初級生產所導致，包括地上與地下生物量、凋落物與立枯物產量等。本研究發現，4種不同坡位條件，土壤碳含量存在顯著的垂直差異性，土壤碳含量隨深度遞減。土壤碳的垂直差異性主要發生在淺層(0—30 cm或0—40 cm)，碳含量與碳密度均在淺層隨深度迅速下降，并達到平衡狀態。造成這一現象的原因可能是地表凋落物，一方面，同一類型沙丘不同坡位在初級生產及凋落物產生方面均有差異性，如王新源[20]的研究發現，坡底凋落物與立枯物的產量顯著高于坡頂。另一方面，植被對由風力運移的凋落物有一定的截獲作用[20-21]，研究區為半固定沙丘，地表植被蓋度較高，因此對由風力運移的凋落物有截獲作用，不同坡位對凋落物的截獲量不同[20]。此外，不同坡位土壤溫度和水分含量有差異，此二者為凋落物分解的關鍵因子[22]，沙丘頂雖有相對較大的凋落物截獲，坡底(丘間地)與迎風坡坡中土壤溫度與水分則高于坡頂和背風坡[20]，這可能是造成迎風坡坡底與坡中表層土壤碳密度高于坡頂和背風坡的主要原因，但除30—40 cm層和60—100 cm層外，不同坡位生境間不存在差異性。因此，在大尺度上，土壤碳存在生境間差異，但在同一沙丘不同坡位，這種差異不顯著。

土壤氮含量則不同，在不同生境和不同深度均變異較大，不存在垂直差異性，這可能與氮素的特殊性有關。首先，氮素為植物體內易轉移再利用的元素[23]，當植物體死亡或器官脫落之前氮素向其它器官的轉移導致凋(脫)落物本身的氮素含量有較大的差異性，進而在其分解過程中向土壤的釋放量變化較大；另一方面，氮素多以水溶性狀態存在于土壤中，易受降水淋溶影響，所以淺層土壤氮素隨降水向底層的轉移可能是導致其垂直差異較小的原因之一[24-25]；此外，存在于土壤中的氮素，尤其是硝態氮和銨態氮，為植物生長的必需元素[23]，其被植物根系的吸收利用可能是導致其淺層含量減小的原因之一。

碳素與氮素在土壤垂直尺度的賦存差異導致碳氮的非一致性分布，即碳素具有明顯的由大到小的垂直差異而氮素沒有，所以各層的碳氮比理論上應該為逐漸下降的特征，但本研究中，30—40 cm層為異常層，該層有機碳含量在該層存在生境差異，氮素在該層變異系數最大，碳氮比在該層高于其相鄰上下層，容重同樣有最大的變異。這可能與植物根系分布與活動有關。已有的研究[26-28]表明，科爾沁沙地植物，尤其是草本和小灌木，根系主要分布在0—30 cm層，由此推斷，30—40 cm層可能為植物根系存在與否的界限層，根系本身的活動，如死亡分解、分泌物產生以及元素吸收等[4]，以及根系與環境的共同作用，如水分再分配、水力提升等[29-31]，導致該層為土壤的“活躍層”。這一現象在李玉強等[19]的研究中有所驗證。通過對該研究的數據分析發現，不同沙漠化階段的土壤碳氮比同樣在30—40 cm層高于相鄰上下層，且有較大的變異系數，尤其是在潛在沙漠化、輕度和中度沙漠化土壤，其變異系數均在前2位。

4結 論

科爾沁沙地半固定沙丘土壤碳氮含量、密度、及碳氮比均存在顯著的垂直差異性，碳氮含量及密度均表現為隨土壤深度增加而逐漸減小的特征。不同坡位土壤容重、氮含量、氮密度、氮儲量等指標的異質性較小，但30—40 cm層為活躍層，該層各指標變異程度較大，且碳含量與碳密度存在顯著的坡位差異。各坡位土壤碳氮儲量分別為716.89和94.14 g/m2，且不同坡位不存在顯著差異性，但碳儲量的構成在4種坡位差異較大，而各坡位不同深度土壤氮儲量對總儲量的貢獻差異較小。

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Soil Carbon and Nitrogen Characteristics of Different Positions of Semi-fixed Dune in Horqin Sandy Land

LUO Yongqing1, DING Jieping2,3, ZHAO Xueyong1, LI Yuqiang1,

ZHOU Xin1, ZHU Yangchun1, YUE Xiangfei1, ZHANG Lamei1

(1.NaimanDesertificationResearchStationofColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou，Gansu730000,China; 2.GansuAcademyofEnvironmentalSciences,Lanzhou，Gansu730020,China;3.CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou，Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] To investigate the distribution of soil organic carbon(SOC) and total nitrogen(TN) in different positions of semi-fixed dune in Horqin sandy land, for exploring the vegetation succession mechanism of different dune slope positions. [Methods] Soil samples were collected from the bottom of windward slope, mid-slope, top and leeward of semi-fixed dunes with 5 m height, along the direction of prevailing wind. Soil bulk density, SOC and TN contents were measured and then the ratio of carbon/nitrogen(C/N), densities and stocks of SOC and TN were calculated. [Results] (1) SOC contents in all 4 positions of the semi-fixed dune were decreased with soil depth and the obvious variation occurred in depth of 0—40 cm, and there were position differences (p<0.05) of SOC contents at depth of 30—40 cm and 60—100 cm; (2) TN contents and bulk density were all insignificantly different among different depths and slope positions. Ratio of C/N showed significant differences between the bottom and top of semi-fixed dunes. The ratio at the depth in leeward from 60 to 100 cm had significantly higher values than others; (3) SOC density decreased significantly with soil depth in all slope positions, and there existed significant differences of SOC density at depth of 30—40 cm among slope positions. No significant differences of nitrogen density were found among dune positions and profile depths; (4) Stocks of SOC and TN were 716.89 and 94.14 kg/m2in semi-fixed dune, respectively. The differences among slope positions were insignificant. However, contribution in each layer of SOC stock to the total stock was different between slope positions while TN was similar in each layer to the total. [Conclusion] There were insignificant differences in both contents and densities of SOC and soil nitrogen in semi-fixed dune of Horqin sandy land among dune position, however, contents of SOC and soil nitrogen differed significantly among soil depth in all dune positions, especially at the depth of 30—40 cm, which changed intensely, and this may due to plant root distribution of this depth.

Keywords:Horqin sandy land； semi-fixed dune； slope position； soil property

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0094-07

中圖分類號：S151, X171.1

收稿日期：2014-02-27修回日期：2014-04-10