渾善達克沙地不同齡級沙柳灌叢土壤有機碳研究

昭日格 烏仁陶格斯 蘇楞高娃

摘要[目的]研究渾善達克沙地不同齡級人工沙柳灌叢土壤有機碳分布規律，為進一步研究干旱區群落演替過程中碳收支以及生態恢復過程中的植被類型選擇提供科學依據。[方法]對渾善達克沙地不同齡級（2、4、6、8 a）人工沙柳灌叢土壤pH、容重、有機碳、碳密度進行研究。[結果]土壤pH在7.34～7.60，且與土壤有機碳的變化無明顯相關性。同一齡級植被垂直分布上，表層土壤容重較底層低，與土壤有機碳含量的變化呈負相關。土壤有機碳在0.44～1.10 g/kg，不同齡級沙柳灌叢不同土層土壤有機碳含量均隨林齡的增加出現先減低后升高的趨勢，同一齡級沙柳灌叢不同土層的土壤有機碳含量無明顯的變化規律。表層土壤碳密度隨著齡級的增大呈先降低后增加的趨勢。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。[結論]沙柳灌叢對沙地植被恢復、土壤碳庫有重要作用。

關鍵詞渾善達克沙地；沙柳灌叢；pH；土壤有機碳；碳密度

中圖分類號S714文獻標識碼A文章編號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

基金項目國家民族委員會項目（14HTZ012）；內蒙古自治區高等學校科學研究重點項目（NJZZ229）；2015年內蒙古自治區人才基金開發基金項目。

作者簡介昭日格（1983—），女，內蒙古赤峰人，助教，碩士，從事干旱區資源恢復及森林草地生態系統研究。

收稿日期2017-05-19

陸地生態系統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中起著重要作用[1]。在干旱地區，灌叢是一種廣泛分布的植被類型，其種類繁多、生命力強、耐寒耐旱等特點，在群落演替、區域生態環境保護等方面具有極其重要的作用[2-3]。

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

沙柳（Salix psammophila）屬于楊柳科柳屬灌木植物，是西北干旱鹽堿地區一種優良的固沙先鋒樹種。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、耐寒、耐旱、耐風沙鹽堿、喜濕潤、容易繁殖、適應性廣、有萌蘗力強、耐修剪等特點。防風固沙、保持水土功效顯著；纖維形態、材質良好，是造紙、人造板優良原料，是沙區重要的工業用材林樹種，經濟效益良好[13]。沙柳灌叢起著防風固沙的重要作用，其固碳能力和潛力研究也日益受到重視[14]。

筆者通過對4種不同齡級沙柳灌叢有機碳含量、碳密度進行采樣分析，研究不同齡級沙柳灌叢的變化趨勢，旨在為進一步研究干旱區群落演替過程中碳收支及生態恢復過程中的植被類型選擇提供參考。

1研究區概況與研究方法

1.1研究區概況

研究區位于內蒙古自治區錫林郭勒盟正藍旗（115°28′00″ E，42°47′55″ N），地處渾善達克沙地腹地，該區屬溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季嚴寒，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，年日照時數大于1 000 h；年平均風速4 m/s，全年大于8級大風日數為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。土壤為風沙土，平均沙層厚度達200 m，但有30～100 cm 的鈣積層，土壤貧瘠，不利于植物根系的發育。研究區內固定、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樣地設置與取樣。

于2015年6月末選取齡級為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）的人工沙柳進行調查和采樣，每一齡級的林地隨機設置3個5 m×5 m的樣方，共設12個樣方。對樣方內的草本設置1 m×1 m小樣方進行調查。記錄沙柳的株高、基經、冠幅、蓋度等（表1）。

土壤樣品的采集，每個樣方設置3個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驗室，風干后過2 mm 篩，進行土壤有機碳含量測定，并取部分樣品用于土壤容重測定[17]。

1.2.2土壤容重的測定。

將樣品均勻粉碎后，挑出細根、礫石等雜物，風干后得到樣品干質量。然后取樣品50 g 置于干燥箱中，105 ℃烘干得到烘干質量，計算土壤含水率，從而得到原有土樣的烘干質量，根據環刀體積計算土壤容重。

1.2.3土壤碳含量的測定。

用重鉻酸鉀法測定土壤有機質，計算土壤有機碳（Ci）含量。

1.2.4土壤碳密度的測定。

根據土壤容重及土壤有機碳含量計算土壤碳密度。采用如下公式計算土壤有機碳密度：

SOCDi=ki=1（Ci×Di×Ei）/100

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

1.3數據處理

采用SPSS 16.0軟件進行數據分析，用單因素方差分析法（Oneway ANOVA）進行差異顯著性分析（α =0.05），并使用Excel進行基礎數據處理。

2結果與分析

2.1不同齡級土壤pH比較

由圖1可知，渾善達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相對較低。10～20、20～40、40～60、60～100 cm土層隨齡級的變化趨勢同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生大量有機酸有關。

在同一齡級中不同土層的土壤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雜，無明顯的規律可循，這可能與影響土壤pH的因素較多有關。

2.2不同齡級土壤容重比較

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

由表2可知，渾善達克沙地沙柳灌叢土壤容重在0.89～0.99 g/cm3，不同齡級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使土質較疏松；而底層既無枯落物，植物根系也較少，因此土壤相對緊實。不同齡級土壤容重無顯著差異（P>0.05）；不同土層間的土壤容重差異顯著（P<0.05）。

2.3不同齡級土壤總有機碳比較

對渾善達克沙地不同齡級沙柳灌叢土壤有機碳含量進行分析，結果顯示，不同齡級沙柳灌叢不同土層土壤有機碳的含量均隨林齡的增加出現先降低后升高的趨勢，呈 “V”字型變化。8 a沙柳灌叢表層土壤有機碳含量最高達到1.10 g/kg，其次是2 a沙柳灌叢，為0.92 g/kg，6 a沙柳灌叢土壤有機碳含量最低為0.48 g/kg。同一齡級沙柳灌叢不同土層的土壤有機碳無明顯的變化規律（圖2）。

對渾善達克沙地2、4、6、8 a不同齡級沙柳灌叢土壤有機碳的含量進行方差分析，結果表明，在0～10 cm土層不同齡級有機碳含量差異顯著（P<0.05）；60～100 m土層不同齡級土壤有機碳含量差異極顯著（P<0.01）；其他土層不同齡級土壤有機碳含量差異不顯著（P>0.05）。

2.4不同齡級土壤有機碳密度比較

對渾善達克沙地不同齡級不同土層土壤碳密度進行比較，結果表明，土壤表層土壤碳密度隨著齡級的增加呈先降低后增加的趨勢。8 a沙柳灌叢土壤碳密度最高達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結論與討論

（1）該研究結果表明，渾善達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相對較低。

渾善達克沙地不同齡級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。在同一齡級植被垂直分布上，表層容重較底層低，與土壤有機碳的變化呈負相關，這與苗娟等[19] 的研究結果一致。

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

不同森林生態系統有機碳來源（地表凋落物及其根的分泌物和細根周轉產生的碎屑）的數量與質量差異是影響土壤有機碳在土壤中分布的關鍵因子之一。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，進而在某種程度上控制土壤有機碳的分解速度。這可能是造成森林生態系統之間及同一生態系統內各土層間土壤有機碳差異的原因。

對渾善達克沙地不同齡級沙柳灌叢不同土層土壤碳密度進行比較，結果表明，土壤表層土壤碳密度隨著齡級的增加呈先降低后增加的趨勢。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]的研究結果一致。

（3）該研究中最大齡級沙柳灌叢為8 a，未與天然沙柳灌叢土壤有機碳進行比較，并且采用重鉻酸鉀-外加熱法進行測定，因此結果存在一定的不確定性，有待于今后進一步研究。

參考文獻

[1] 王鑫，楊德剛，熊黑鋼，等.新疆干旱區8 種常見灌叢生物量碳和土壤有機碳特征[J].生態學雜志，2016，35（8）：1996-2002.

[2] 胡會峰，王志恒，劉國華，等.中國主要灌叢植被碳儲量[J].植物生態學報，2006，30（4）：539-544.

[3] 賈曉紅，李新榮，張志山.沙冬青群落土壤有機碳和全氮含量的空間異質性應用[J].應用生態學報，2006，17（12）：2266-2270.

[4] 齊光，王慶禮，王新闖，等.大興安嶺林區興安落葉松人工林土壤有機碳貯量[J].應用生態學報，2013，24（1）：10-16.

[5] 王艷芬，陳佐忠，TIESZEN L T.人類活動對錫林郭勒地區主要草原土壤有機碳分布的影響[J].植物生態學報，1998，22（6）：545-551.

[6] 齊玉春.內蒙古溫帶草地生態系統生物地球化學循環中主要溫室氣體通量與碳平衡[D].北京：中國科學院地理科學與資源研究所，2003.

[7] 楊金艷，王傳寬.東北東部森林生態系統土壤碳貯量和碳通量[J].生態學報，2005，25（11）：2875-2882.

[8] 楊路存，李長斌，寧祎，等.青海高寒金露梅灌叢碳密度及其分配格局[J].植物生態學報，2017，41（1）：62-70.

[9] 王鑫，楊德剛，熊黑鋼，等.新疆干旱區4種檉柳灌叢碳貯量特征[J].生態學報，2017，37（13）：1-8.

[10] 匡文濃，錢建強，馬群，等.五種荒漠灌木群落土壤有機碳垂直分布及其與根系分布的關系[J].生態學雜志2016，35（2）：275-281.

[11] 吳旭東，宋乃平，潘軍.不同沙地生境下檸條灌叢化對草地土壤有機碳含量及分布的影響[J].農業工程學報，2016，32（10）：115-121.

[12] 昭日格，李鋼鐵，岳永杰，等.渾善達克沙地天然沙地榆種內競爭研究[J].中國沙漠，2011，31（2）：451-455.

[13] 劉建，劉鳳紅，董鳴，等.渾善達克沙地南緣榆樹種群的大小結構和鄰體格局[J].中國沙漠，2005，25（1）：75-80.

[14] 李維向，劉朝霞，閆偉，等.沙柳優良品系選育的研究[J].中國沙漠，2008，28（4）：679-684.

[15] 趙麗，王曉江，劉果厚，等.渾善達克沙地榆樹種群結構、格局及動態研究[ J].中國沙漠，2009，29（3）：508-513.

[16] 李鋼鐵，姚云峰，左合君.渾善達克沙地桑根達來地區榆樹疏林的分布與立地因子的關系的研究[J].世界林業研究，2008，21（S1）：82-86.

[17] 王覓.京西山區森林土壤有機碳的研究[D].北京：北京林業大學，2008.

[18] 黎英華，姚云峰，秦富倉，等.不同類型土壤的有機碳密度特征[J].干旱區研究，2016，33（3）：455-460.

[19] 苗娟，周傳艷，李世杰，等.不同林齡云南松林土壤有機碳和全氮積累特征[J].應用生態學報，2014，25（3）：625-631.

[20] 冼偉光，周麗，唐洪輝，等.不同林齡針闊混交林土壤生態化學計量特征[J].廣東林業科技，2015，31（1）：1-6.

[21] 陶貞，沈承德，高全洲，等.高寒草甸土壤有機碳儲量及其垂直分布特征[J].地理學報，2006，61（7）：720-728.

[22] 劉艷，查同剛，付汝軍.百花山典型林分土壤有機碳儲量及垂直分布特征[J].西北農業學報，2012，21（3）：182-187.

[23] 孫慧蘭，李衛紅，楊余輝，等.伊犁山地不同海拔土壤有機碳的分布[J].地理科學，2012，32（5）：603-608.