中天山北坡垂直帶土壤有機碳密度分布特征

徐華君, 王文欣, 王丹彤

(新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046)

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中天山北坡垂直帶土壤有機碳密度分布特征

徐華君, 王文欣, 王丹彤

(新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046)

以烏魯木齊河流域為重點研究區(qū)，利用實測典型土壤剖面特征數(shù)據(jù)估算土壤有機碳密度，就剖面有機碳和表層有機碳之間，剖面有機碳、表層有機碳和海拔高度之間，土壤剖面有機碳密度與發(fā)生層深度之間以及不同土壤類型土壤有機碳密度的分布特征進行相關(guān)分析，結(jié)果表明：在中海拔區(qū)域，土壤有機碳的密度最大且含量最高。發(fā)生層越厚，土壤的發(fā)育程度就越高，土壤有機碳密度也就越大，有機碳的含量就越高。全剖面和表層土壤有機碳密度值分別為46.91，13.95 kg/m2。不同土壤類型的土壤有機碳密度存在著顯著差異。

土壤有機碳密度; 中天山北坡; 分布特征

全球約有1 500 Gt碳是以有機質(zhì)形態(tài)儲存于地球土壤中[1]，土壤有機碳的積累和分解的速率決定著土壤碳庫儲量。由于土壤碳庫儲量約是大氣碳庫的兩倍多[2]，因此土壤有機碳庫儲量較小幅度的變動，都可通過向大氣排放溫室氣體直接導(dǎo)致大氣層CO2濃度升高，從而影響全球氣候變化。當前各項研究盡管對全球部分定性與定量的研究結(jié)果已有了解，但要更加精確地確定碳在循環(huán)中各個環(huán)節(jié)的收支平衡，仍存在許多難點[3]。

土壤有機碳密度是土壤有機碳的含量及其蓄存量的一項重要指標，其大小可顯示單位體積內(nèi)土壤有機碳含量的多少，但同時，因為土壤厚度和發(fā)育程度的差異以及其分布的具體環(huán)境的不同，導(dǎo)致土壤有機碳的蓄存與釋放有著較大的差異，因而對其分布特性的研究是土壤有機碳動態(tài)研究的重要組成部分。

距今2000年以來，天山氣候有冷暖波動，總面貌未發(fā)生根本變化。天山北麓是干旱區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)的交界地帶，是自然環(huán)境的敏感區(qū)域。在整個生態(tài)系統(tǒng)中，山地生態(tài)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，平原生態(tài)系統(tǒng)相對不穩(wěn)定[4]。天山中部在整個天山山脈具有獨特的生物氣候特征，尤其是北坡，有較為完整的山地垂直帶，具有較為典型的代表性。

本文就其中剖面平均有機碳和表層有機碳的密度，及其與海拔高度之間的相關(guān)關(guān)系進行分析，初步探討土壤有機碳密度隨剖面深度和海拔高度的變化而呈現(xiàn)的不同規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊河流域位于天山北坡中部依連哈比尕山的北坡，流域南北長約200 km，東西寬25～50 km。研究區(qū)位于烏魯木齊河流域中上游，地理坐標為東經(jīng)86°48′46″—87°44′16″，北緯43°04′16″—43°50′55″，研究區(qū)(坡面)總面積1 706.98 km2，最高峰天格爾Ⅱ峰，海拔為4 481 m，山勢高、坡度陡，雪線在3 400 m以上。最低點為烏魯木齊市附近的791 m，高差3 960 m。山區(qū)部分可分為高山帶、亞高山帶、中山帶、低山帶和山間谷地。屬于溫帶大陸性山地氣候，垂直地帶性明顯。低山帶以下極為干燥，向上氣候則逐漸轉(zhuǎn)為冷濕，氣溫隨高度的增大而急劇下降，但各地段的梯度變化不同。

中天山北坡的土壤具有較為完整的土壤垂直帶譜，集中了具有代表性的干旱區(qū)環(huán)境的山地土壤方面的特征，也幾乎代表了中天山北坡的主要土壤類型分布。烏魯木齊河流域的面積較小，范圍不大，其土壤理化性質(zhì)對空間的變異性相對較小，這對于保證數(shù)據(jù)資料的代表性、權(quán)威性與完整性提供了一定的基礎(chǔ)，是一個較為理想的研究區(qū)域。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及采樣

為了反映山地垂直帶土壤有機碳特征，揭示氣候因素、植被和土壤特征等對土壤有機碳含量的影響，沿烏魯木齊河谷的天山北坡以土壤類型、海拔高度和植被類型為指標，分別在高山草甸、亞高山草甸、山地森林、山地草甸草原、干旱半干旱草原及荒漠草原區(qū)設(shè)置了調(diào)查樣地。

由于土壤有機碳是影響土壤類型分布的重要因素，所以土壤類型是本研究采樣的重要依據(jù)。按照土壤類型以及地貌部位的不同，采用非等間距不規(guī)則法采集樣品，每種類型的土壤根據(jù)其分布面積的大小，具體安排剖面的數(shù)量。土壤剖面的疏密程度和一個土壤剖面所能代表的面積大小，以地區(qū)的自然地理特點(主要是地貌特征、植被狀況等)、土壤種類和分布情況，以及地形圖比例尺的大小等因素而決定。

本研究共挖掘剖面401個，由于山地垂直帶中土壤的相對發(fā)育程度有較大的差異，因而剖面深度也有較大的差異，其表層和各發(fā)生層的深度也不盡相同?？紤]剖面的完整性，所以取樣采用發(fā)生層逐層平均取樣、混合，每層采取樣品約1 kg左右。其中，主采樣剖面126個，檢查剖面252個，分界剖面23個。經(jīng)過篩查，測試樣品取自126個中的119個典型土壤剖面，共取得待測樣品490個。

2.2 測定方法

采集的土樣經(jīng)風干、去除植物根系和石礫后過20目篩備用。

土壤有機碳：用重鉻酸鉀氧化法(外加熱)測定。利用土壤有機碳與過量的K2CrO7—H2SO4氧化劑溶液，在170～180℃溫度下進行的氧化還原反應(yīng)(時間規(guī)定為沸騰5 min)，K2CrO7的剩余量用FeSO4標準溶液進行滴定(鄰啡羅琳作指示劑)，通過實際消耗量求得有機碳的含量[5]。

容重測定用環(huán)刀法測定[5]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)分析采用SPSS 13.0軟件進行。數(shù)據(jù)分析平均值的獲取，均以采樣剖面發(fā)生層的實際厚度為權(quán)重，取其加權(quán)平均值或加權(quán)平均值的和。

土壤有機碳密度不僅是統(tǒng)計土壤有機碳儲量主要參數(shù)，其本身也是一項反映土壤特性的重要指標，它是由土壤有機碳含量、礫石(粒徑>2 mm)含量和容重所共同確定的[6-9]。

基于有限的實測數(shù)據(jù)，以及Batjes[10]估算公式的簡潔性，大多數(shù)研究者采用了較為簡單易行的方法[11]，本文的研究也主要采用這種方法。

即：對于一定深度H(cm)，有n個土層的土壤剖面，有機碳密度SOCDH(kg/m2)的計算公式如下：

式中：n——土層數(shù)；δi——第i層>2 mm礫石含量(體積百分含量)；ρi——第i層土壤容重(g/cm3)；Ci——第i層土壤有機碳平均含量(%)；Hi——第i層土層厚度(cm)。

國際上土壤有機碳(SOCD)密度通常是指土壤剖面深度為1 m，每m2土體中所含有的土壤有機碳質(zhì)量，單位為kg/m2，就是指土壤剖面深度1 m作為估算土壤有機碳庫的基準，然后進行比較。

本研究所采用的119個典型土壤剖面中，共有24個剖面為石質(zhì)接觸，其中高山草甸土8個，亞高山草甸土10個，山地灰褐色森林土3個，山地棕鈣土3個，其余95個剖面的土層厚度均為1 m。對于深度無法達到1 m的剖面，在計算土壤有機碳密度時按實際深度進行估算[12-13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機碳密度的估算結(jié)果

如表1所示，全剖面和表層土壤有機碳密度平均值分別為46.91，13.95 kg/m2。不同土壤類型的土壤有機碳密度存在著顯著差異。全剖面土壤有機碳密度的最高值出現(xiàn)在山地灰褐色森林土和山地黑鈣土分布區(qū)，而表層土壤有機碳密度最高值出現(xiàn)在山地黑鈣土和亞高山草甸土分布區(qū)。山地黑鈣土和亞高山草甸土(陰坡為山地灰褐色森林土分布，三者為復(fù)區(qū)交錯分布)是該區(qū)域山地垂直帶中降水量最大區(qū)域，土壤有機碳高密度值正是出現(xiàn)在此區(qū)域，而再向上，降水量又有所減少，所以高山草甸土的有機碳密度相對較低，海拔升高，氣溫也會下降，這也是造成有機碳密度增加的因素。降水與氣溫兩項指標疊加，使得亞高山草甸土、山地黑鈣土以及山地灰褐色森林土的有機碳密度為研究區(qū)最高，由于高山草甸土分布區(qū)的氣溫在一年中多數(shù)時間在0℃或以下，有機碳密度也隨氣溫的這一特點而降低，但由于水分的因素，高山草甸土的有機碳密度不是這個研究區(qū)內(nèi)的最低值。

土壤的平均容重為1.10，略低于全國的平均水平[14]，說明該研究區(qū)土壤總體的平均結(jié)構(gòu)較好。

表層平均碳密度與剖面平均碳密度的比值(B/A)為0.30，意味著該研究區(qū)土壤表層有機碳平均密度約占整個剖面的30%左右。有機碳平均密度以表層為最大。

表1 不同土壤類型有機碳密度

3.2 剖面土壤有機碳平均密度和表層有機碳密度的關(guān)系

剖面土壤有機碳平均密度與表層有機碳有著較顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖1)，相關(guān)系數(shù)為0.642 8，其擬合曲線為y=0.2277x1.0072，擬合優(yōu)度R2=0.413 2。土壤有機碳密度的大小分布的總體趨勢，在很大程度上取決于表層有機碳的密度，表層有機碳密度越大，整個剖面有機碳的密度越大。而高山草甸土因氣候條件影響有所例外。

圖1 剖面土壤平均有機碳密度與表層有機碳密度擬合曲線

3.3 土壤剖面平均有機碳密度與海拔高度的關(guān)系

土壤剖面平均有機碳密度與海拔高度之間呈較為顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖2)，相關(guān)系數(shù)為0.646 2，擬合曲線為y=489.88x0.352，擬合優(yōu)度R2=0.417 6。隨著海拔高度的上升，土壤有機碳的密度會增加，土壤有機碳的含量也會隨著海拔高度的增高而增加。到灰褐色森林土和山地黑鈣土達到最大，隨后因氣候條件的變化漸次降低。

圖2 土壤剖面有機碳平均密度與海拔高度的擬合曲線

3.4 表層有機碳密度與海拔高度的關(guān)系

土壤表層有機碳密度與海拔高度之間呈弱相關(guān)關(guān)系(圖3)，相關(guān)系數(shù)為0.364 1，擬合曲線為y=1344.5x0.1266，擬合優(yōu)度R2=0.132 6。相對于土壤剖面平均有機碳密度而言，隨著海拔高度的上升，土壤剖面表層有機碳的密度與海拔高度之間的關(guān)系較弱，表明隨著海拔高度的增加，其表層有機碳密度變化的幅度要小于整個剖面平均值變化的幅度。

3.5 土壤剖面有機碳層密度與發(fā)生層深度的關(guān)系

剖面發(fā)生層有機碳密度和相應(yīng)層厚度之間也呈一定的正相關(guān)(圖4)，相關(guān)系數(shù)也可達0.461 3，擬合曲線為：y=14.017x0.204，擬合優(yōu)度R2=0.212 8。顯示發(fā)生層越深厚，土壤的相對發(fā)育程度就越高，有機碳的密度值就越高。

圖3 土壤剖面表層有機碳密度與海拔高度的擬合曲線

圖4 剖面土壤有機碳層密度與剖面層深度擬合曲線

3.6 土壤表層有機碳密度與表層深度的關(guān)系

表層土壤有機碳密度與表層深度之間也有較為顯著的正相關(guān)(圖5)，相關(guān)系數(shù)為0.678 7，擬合曲線為y=7.7033x0.3052，擬合優(yōu)度R2=0.460 6，表層深度越大，土壤有機碳累積層的厚度就越大，土壤有機碳的密度也就越大。這應(yīng)該和土壤的發(fā)育程度有關(guān)，一般地講，土壤表層深度越大，土壤的發(fā)育程度越高，土壤就越成熟，有機碳的積累也就越多。

圖5 土壤表層有機碳密度與剖面表層深度的擬合曲線

4 結(jié) 論

(1) 土壤有機碳密度與海拔高度總體上呈正相關(guān)關(guān)系，但在高山帶其含量有所下降。考慮因氣候因素中溫度和水分對有機碳釋放速率的影響[15]，以及存在于不同海拔高度的不同植被類型對土壤有機殘體供給存在的差異，高山帶水熱指標有大幅度降低，故海拔最高處并非土壤有機碳密度最高地。

(2) 剖面發(fā)生層的有機碳密度與相應(yīng)的層次深度間的相關(guān)程度較高，本研究顯示發(fā)生層越厚，土壤有機碳密度也就越大，有機碳的含量就越高。

(3) 平均土壤有機碳密度和表層土壤有機碳密度均顯示其最大值主要出現(xiàn)在中海拔區(qū)的土壤，表明良好的水熱條件是蓄存土壤有機碳的重要保障。研究同時顯示在研究區(qū)土壤表層平均有機碳密度約占整個剖面平均密度的30%左右，以表層密度為最大。

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Distribution Characteristics of Soil Organic Carbon Density on the Northern Slope in the Middle Section of Tianshan Mountainous

XU Huajun, WANG Wenxin, WANG Dantong

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

We took Urumqi River region as the study site, and used the measured data to estimate typical soil profile characteristics of soil organic carbon density between the surface on the cross-section of organic carbon and organic carbon, organic carbon between the cross-section, surface organic carbon and altitude, analyzed the correlation between soil organic carbon density and the development layer of cross-sectional depth and the distribution of different soil types of soil organic carbon density. The results showed that soil organic carbon density and organic carbon content were highest at the middle altitude. The thicker the development layer was, the higher the degree of development of the soil was, the greater the density of soil organic carbon is, the higher organic carbon content is. The whole section and surface soil organic carbon density values were 46.91 kg/m2and 13.95 kg/m2, respectively. Soil organic carbon densities are significant different among different soil types.

organic carbon density; the northern slope of Tianshan; distribution characteristic

2014-09-14

2014-10-14

新疆大學博士科研基金啟動項目(BS100117)

徐華君(1962—),男,上海人,博士,副教授,主要從事自然資源與環(huán)境研究。E-mail:hjj_xu@163.com

S151.9

1005-3409(2015)05-0035-04