北京溫榆河流域周邊河岸帶景觀結(jié)構(gòu)與土壤碳儲量響應(yīng)

孫榮凱，陳智慧

(北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)院，北京 102206)

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北京溫榆河流域周邊河岸帶景觀結(jié)構(gòu)與土壤碳儲量響應(yīng)

孫榮凱，陳智慧

(北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)院，北京 102206)

摘要[目的]研究北京溫榆河流域周邊河岸帶景觀結(jié)構(gòu)與土壤碳儲量響應(yīng)，為岸邊帶生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)。[方法]以位于北京城郊區(qū)的溫榆河昌平段為研究區(qū)，分別采集岸邊帶自然植被、半自然植被、人工植被3種植被類型0～20、20～40、40～60 cm的土層土樣，研究土壤有機(jī)碳垂直分布特征。[結(jié)果] 0～20 cm土壤有機(jī)碳密度為1.842 0 kg/m2，20～40 cm為1.691 2 kg/m2，40～60 cm為1.460 2 kg/m2。自然植被0～20 cm土壤有機(jī)碳密度為2.326 4 kg/m2，20～40 cm為2.413 3 kg/m2，40～60 cm為1.377 4 kg/m2；半自然植被0～20 cm土壤有機(jī)碳密度為1.673 6 kg/m2，20～40 cm為1.545 1 kg/m2，40～60 cm為1.360 4 kg/m2；人工植被0～20 cm土壤有機(jī)碳密度為1.751 5 kg/m2，20～40 cm為1.430 6 kg/m2，40～60 cm為1.394 7 kg/m2。[結(jié)論]溫榆河河岸帶土壤 0～60 cm的碳含量隨著土壤深度的增加呈垂直變化，各土層土壤碳含量從大到小依次為0～20、20～40、40～60 cm；各植被類型的土壤碳含量由大到小依次為自然植被、半自然植被、人工植被。

關(guān)鍵詞河邊帶；土壤有機(jī)碳；空間分布；植被類型

河邊帶是水陸生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)帶，具有重要的生態(tài)功能[1-4]，同時(shí)也面臨著強(qiáng)烈的人類活動(dòng)干擾[5-8]。土壤碳循環(huán)和碳儲量研究是當(dāng)前陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及全球變化研究的熱點(diǎn)[9-10]。土壤有機(jī)碳庫儲量是全球溫室氣體的一個(gè)主要源和匯，同時(shí)土壤作為人類生存和發(fā)展的基底環(huán)境，易受到人類活動(dòng)的影響，土壤碳庫的輕微變動(dòng)有可能引起大氣環(huán)境和陸地生態(tài)系統(tǒng)的迅速響應(yīng)[11-15]。土壤作為岸邊帶環(huán)境的主要載體，其環(huán)境承載能力不僅關(guān)系著岸邊帶的健康，還與河流水環(huán)境密切相關(guān)[16-21]。筆者以北京城郊區(qū)溫榆河昌平段為研究區(qū)，研究了河岸帶景觀結(jié)構(gòu)與土壤碳儲量響應(yīng)，旨在為岸邊帶生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、恢復(fù)和重建提供決策依據(jù)。

1材料與方法

圖1　溫榆河分布區(qū)域Fig.1　Distribution of Wenyu River

1.1研究區(qū)概況溫榆河位于北京市東北部，是北運(yùn)河水系上游干流河道，全長47.5km，流域面積4 293km2。溫榆河上游為昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)沙河水庫，該水庫由北沙河、東沙河與南沙河匯集形成。沙河水庫以下區(qū)域稱為溫榆河，河道經(jīng)過北京5個(gè)區(qū)(包括昌平、順義、海淀、朝陽、通州)(圖1)，匯集于北關(guān)閘，沿途支流分布有藺溝河、壩河、清河以及小中河。在昌平段內(nèi)，溫榆河始于沙河閘，止于魯疃閘，主河道長約19.2km，流域面積達(dá)到1 237km2。昌平段作為典型的城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)，岸邊帶受人類活動(dòng)干擾嚴(yán)重，且每年有大量未經(jīng)處理的農(nóng)村生活污水、養(yǎng)殖廢水和農(nóng)田地表徑流排入溫榆河，使溫榆河水體受到嚴(yán)重威脅。昌平區(qū)位于北京市西北部，地理坐標(biāo)為115°50′17″～116°29′49″E，40°2′18″～40°23′13″N，北與延慶、懷柔相連，東鄰順義，南與朝陽、海淀毗鄰，西與門頭溝、河北懷來接壤。全區(qū)總面積1 352km2，耕地面積420萬hm2，山區(qū)、半山區(qū)總面積占全縣的2/3。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均日照時(shí)數(shù)2 684h，年均氣溫11.8 ℃，年均降水量550.3mm。由于地理形勢優(yōu)越，土地肥沃，自然資源豐富，旅游業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)、商業(yè)發(fā)展迅速，成為該區(qū)的三大優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。同時(shí)該區(qū)農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展迅速，觀光旅游和民俗旅游經(jīng)營成果顯著，工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量大幅增加，如汽車、水泥、耐火材料制品、鮮冷藏肉、玻璃保溫容器等已成為促進(jìn)昌平經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。

1.2樣地選取樣地的選取主要依據(jù)距離岸邊帶遠(yuǎn)近、岸邊帶植被類型分布，采集地點(diǎn)分布情況見表1。根據(jù)人為景觀干擾梯度的不同，可以分為3種植被類型。第1類植被類型為自然植被(N)，主要為草灌型(GW)和草本型(G)；第2類植被類型為半自然植被(S)，包括草本型(G)、喬林型(F)、灌喬草(GWF)、草喬型(GF)和喬草型(FG)；第3類植被類型為人工植被(A)，包括農(nóng)田型(A)、草坪(G)、荷花(F)。

表1　樣品采集地點(diǎn)分布

1.3樣品采集于2011年8月(雨季)采集樣品，在每條樣帶內(nèi)根據(jù)植被類型的不同設(shè)置樣方(10m×10m)，并在樣方內(nèi)采集土壤。其中，采用傳統(tǒng)隨機(jī)取樣法采集土壤樣品，在每個(gè)樣方內(nèi)按照“S”型布點(diǎn)，用土鉆分別采取0～20、20～40、40～60cm3個(gè)土層深度的土樣5個(gè)，將同層的5個(gè)樣品均勻混合為1個(gè)樣，裝入自封帶內(nèi)，共采集混合土樣159份。沉積物樣品采集時(shí)，在相應(yīng)土壤樣方近岸沿平行河流方向10m長度范圍內(nèi)，隨機(jī)采取0～10cm深度沉積物5次進(jìn)行混合，記為1個(gè)樣品，共采集25個(gè)樣地。將采集的樣品剔除植物殘?bào)w和石塊，分別裝入聚乙烯封口袋中登記編號，帶回實(shí)驗(yàn)室，置于通風(fēng)陰涼處晾干，待測。野外采樣時(shí)，使用GPS定位系統(tǒng)在每個(gè)樣方的中間位置進(jìn)行定位，記錄采樣點(diǎn)位置。土壤總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[22-24]。

圖2　不同土層土壤碳含量Fig.2　Soil carbon content in different soil layers

2結(jié)果與分析

2.1不同土層土壤碳含量從圖2可以看出，溫榆河河岸帶土壤 0～60cm的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出垂直的變化。隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳密度呈減少趨勢，0～20cm土壤有機(jī)碳密度為1.842 0kg/m2，20～40cm土壤有機(jī)碳密度為1.691 2kg/m2，40～60cm土壤有機(jī)碳密度為1.460 2kg/m2。0～20、20～40、40～60cm層土壤有機(jī)碳密度變異系數(shù)分別為69.95%、55.62%和70.23%，變異系數(shù)為10%～100%，為中等強(qiáng)度變異。由差異分析結(jié)果可知，0～20、20～40、40～60cm層土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)。

2.2不同植被類型對土壤碳含量的影響

2.2.10～20cm不同植被類型碳含量分布特征。從圖3可以看出，0～20cm土層土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出自然植被(N)高于半自然植被(S)和人工植被(A)。其中，自然植被的土壤碳密度為2.326 4kg/m2，半自然植被為1.673 6kg/m2，人工植被為1.751 5kg/m2。差異分析結(jié)果顯示，自然植被0～20cm土壤碳密度與半自然植被和人工植被相比差異顯著(P<0.05)，而半自然植被和人工植被相比差異不顯著(P>0.05)。

圖3　不同土層各植被類型土壤碳含量Fig.3　Soil carbon content of different vegetation types in each soil layers

2.2.220～40cm不同植被類型碳含量分布特征。從圖3可以看出，20～40cm土層的土壤碳含量表現(xiàn)為自然植被高于半自然植被和人工植被，半自然植被稍高于人工植被。其中，自然植被的土壤碳密度為2.413 3kg/m2，半自然植被為1.545 1kg/m2，人工植被為1.430 6kg/m2。差異分析結(jié)果顯示，自然植被在20～40cm土壤碳密度與半自然植被和人工植被相比差異顯著(P<0.05)，而半自然植被和人工植被相比差異不顯著(P>0.05)。

2.2.340～60cm不同植被類型碳含量分布特征。從圖3可以看出，3種植被40～60cm土層的土壤有機(jī)碳含量差異不大。其中 ，自然植被的土壤碳密度為1.377 4kg/m2，半自然植被為1.360 4kg/m2，人工植被為1.394 7kg/m2。差異分析結(jié)果顯示，自然植被、半自然植被、人工植被40～60cm土層的碳密度差異均不顯著(P>0.05)。

2.3不同植被類型土壤碳含量垂直分布特征

2.3.1自然植被有機(jī)碳含量垂直分布特征。從圖4可以看出，溫榆河河岸帶自然植被 0～60cm土層的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出垂直變化，0～20、20～40cm的土壤有機(jī)碳密度高于40～60cm，即隨著土壤深度的增加土壤有機(jī)碳密度呈減少趨勢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，自然植被0～20cm土壤有機(jī)碳密度為2.326 4kg/m2，20～40cm為2.413 3kg/m2，40～60cm為1.377 4kg/m2。由差異分析可知，自然植被0～20、20～40cm土壤有機(jī)碳密度與40～60cm層土壤有機(jī)碳密度差異顯著(P<0.05)，0～20cm土壤有機(jī)碳密度與20～40cm相比差異不顯著(P>0.05)。

2.3.2半自然植被有機(jī)碳含量垂直分布特征。從圖4可以看出，溫榆河河岸帶土壤半自然植被0～60cm土層的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出垂直變化，碳儲量從大到小依次為淺層土壤(0～20cm)、中層土壤(20～40cm)、深層土壤(40～60cm)，即隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳密度呈減少趨勢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，半自然植被0～20cm土壤有機(jī)碳密度為1.673 6kg/m2，20～40cm為1.545 1kg/m2，40～60cm為1.360 4kg/m2。由差異分析可知，自然植被0～20、20～40、40～60cm土壤有機(jī)碳密度達(dá)顯著差異(P<0.05)。

2.3.3人工植被有機(jī)碳含量垂直分布特征。從圖4可以看出，溫榆河河岸帶土壤人工植被 0～60cm的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出垂直變化，0～20cm的土壤有機(jī)碳密度明顯高于20～40、40～60cm。人工植被0～20cm土壤有機(jī)碳密度為1.690 0kg/m2，20～40cm為1.430 6kg/m2，40～60cm為1.424 8kg/m2。由差異分析可知，人工植被0～20cm土壤有機(jī)碳密度分別與20～40、40～60cm差異顯著(P<0.05)，20～40cm土壤有機(jī)碳密度與40～60cm相比差異不顯著(P>0.05)。

3結(jié)論與討論

(1)從總體趨勢來看，隨著土層深度的增加，有機(jī)碳儲量隨之減小，呈垂直變化。土壤有機(jī)碳密度以0～20cm層最大，表現(xiàn)出有機(jī)碳在土壤中的表聚作用，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果[25-29]一致。

(2)不同植被類型的土壤有機(jī)碳含量有差異。各土層的有機(jī)碳含量由大到小依次為自然植被、半自然植被、人工植被，原因可能是自然植被受人類活動(dòng)的干擾較少，土壤碳含量較高。

(3)溫榆河河岸帶土壤自然植被、半自然植被和人工植被 0～60cm的碳儲量隨著土壤深度的增加均呈現(xiàn)出垂直變化，0～20、20～40cm的土壤有機(jī)碳密度高于40～60cm，即隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳密度呈減少趨勢。

圖4　不同植被類型土壤碳含量垂直分布特征Fig.4　Vertical distribution characteristics of soil carbon content under different vegetation types

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作者簡介孫榮凱(1988- )，男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：園林植物栽培生理與生態(tài)。

收稿日期2016-03-29

中圖分類號S 153.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-207-04

StructureandSoilCarbonReservesResponseofRiparianZoneLandscapeSurroundingBeijingWenyuRiverBasin

SUNRong-kai,CHENZhi-hui

(CollegeofLandscapeArchitecture,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing102206)

Abstract[Objective] To research the structure and soil carbon reserves response of riparian zone landscape surrounding Beijing Wenyu River Basin, and to provide scientific basis for the reconversion of shore zone ecosystem. [Method] With Changping section of Wenyu River in Beijing suburb as the research region, soil samples at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were collected from three vegetation types of natural vegetation, seminatural vegetation and artificial vegetation. Vertical distribution characters of soil organic carbon were researched. [Result] Organic carbon densities at 0-20, 20-40 and 40-60 cm soils was 1.842 0, 1.691 2 and 1.460 2 kg/m2, respectively. Soil organic carbon densities of natural vegetation at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were 2.326 4, 2.413 3 and 1.377 4 kg/m2, respectively. Soil organic carbon densities of seminatural vegetation at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were 1.673 6, 1.545 1 and 1.360 4 kg/m2, respectively. Soil organic carbon densities of artificial vegetation at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were 1.751 5, 1.430 6 and 1.394 7 kg/m2, respectively. [Conclusion] Soil carbon content at 0-60 cm in riparian zone of Wenyu River Basin shows vertical change with the increase of soil depth. Carbon content in different soil layers from big to small is in the order of 0-20, 20-40 and 40-60 cm. Soil carbon content of different vegetation types from big to small is in the order of natural vegetation, seminatural vegetation and artificial vegetation.

Key wordsRiparian zone; Soil carbon; Spatial distribution; Vegetation type