納帕海不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳分布特征

李璇 馬旭晨

摘要 [目的]探討納帕海區(qū)域土壤有機(jī)碳（SOC）在不同土地利用方式下的剖面分布特征及其與土壤含水量、容重的相關(guān)關(guān)系，為該區(qū)域合理高效利用土地資源提供科學(xué)依據(jù)。[方法]對豬拱地、農(nóng)田、灌叢和森林4種土地利用類型的SOC分布特征進(jìn)行研究。[結(jié)果] 0～50 cm土層深度內(nèi)，SOC含量由高到低依次為農(nóng)田（26.43 g/kg）、豬拱地（20.95 g/kg）、灌叢（20.16 g/kg）、森林（17.25 g/kg）；豬拱地、農(nóng)田、灌叢和森林均為0～10 cm土層SOC含量最高，是主要的碳儲層，分別占0～50 cm土層的37.42%、28.07%、49.81%和30.10%，隨土壤深度的加深，SOC含量呈減少趨勢；SOC 密度與SOC儲量呈基本一致的變化趨勢；各樣地表層SOC與土壤含水量呈顯著正相關(guān)（R2=0.50，P<0.05），與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（R2=0.60，P<0.01）。[結(jié)論]不同土地利用類型其SOC含量在垂直方向上的分布不同，濕地的退化會不同程度地導(dǎo)致SOC流失，表層SOC含量很大程度上受土壤含水量和土壤容重的制約。

關(guān)鍵詞 高原濕地；土壤有機(jī)碳；土地利用類型；納帕海

中圖分類號 S151；X171 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）07-0100-04

The Distribution Characteristics of Soil Organic Carbon under Different Land Uses Patterns in Napahai

LI Xuan， MA Xu-chen

（College of Environmental Science and Engineering， Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）

Abstract [Objective] To study the profile distribution characteristics of soil organic carbon （SOC） under different land use patterns and its correlation with soil water content and bulk density in Napahai plateau wetland in order to provide scientific basis for the rational and efficient use of land resource in the region. [Method]The pig arched meadow， farmland， shrub and forest were selected in this area and the study was carried out. [Result] In 0-50 cm soil depth， soil organic carbon content from high to low was farmland （26.43 g/kg）， pig arched meadow （20.95 g/kg）， shrub （20.16 g/kg）， forest （17.25 g/kg） in Napahai plateau wetland area. SOC content was the highest at 0-10 cm soil layer and which was the main SOC reservoir accounted for 37.42%， 28.07%， 49.81% and 30.10% of 0-50 cm soil depth， and the SOC content decreased with soil depth enhance. The SOC density and SOC reserves showed a consistent trend. According to the regression equation， the soil water content was positively correlated with SOC（R2=0.50，P<0.05）and the soil bulk density was negatively correlated with SOC （ R2=0.60，P<0.01）， and they all reached a significant level in the soil surface layer （P<0.05）. [Conclusion] Different land use patterns have different storage capacity for SOC in vertical direction， and the degradation of wetland will lead to the loss of SOC in varying degrees. The content of SOC in the surface is largely affected by soil water content and soil bulk density.

Key words Plateau wetland；Soil organic carbon；Land use types；Napahai

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫，據(jù)估算，全球1 m深度的土壤中貯存的有機(jī)碳量約為1 500 Gt，超過了植被與大氣有機(jī)碳儲量之和[1]，一方面為植被生長提供碳源，另一方面以CO2等溫室氣體的形式向大氣釋放碳，其微小波動將在很大程度上減緩或加劇大氣CO2濃度升高，改變?nèi)蛱计胶飧窬諿2-3]。土地利用/覆被變化（LUCC）對土壤有機(jī)碳（SOC）的貯量、性質(zhì)、動態(tài)和穩(wěn)定性有重大影響，具有源匯雙重性[4]，是影響土壤碳庫變化的主要驅(qū)動力之一[5]，也是影響地球陸地生態(tài)系統(tǒng)土氣交換的關(guān)鍵因素[6]。

云南納帕海地處青藏高原東南緣，橫斷山脈三江縱向嶺谷區(qū)東部，屬喀斯特型季節(jié)性高原沼澤濕地，高原湖泊濕地數(shù)量眾多。與長江中下游濕地、北方平原濕地及若爾蓋高原濕地不同，其面積較小，孤立分散，相互之間無水道相通，形成封閉或半封閉的濕地環(huán)境，具有敏感度高、空間轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)、穩(wěn)定性差的特點[7-8]，是我國濕地的獨特類型，其特殊的地理位置和獨特的生態(tài)功能[9]，使其成為我國重要的生態(tài)功能區(qū)域及區(qū)域生態(tài)安全保障的關(guān)鍵區(qū)域。近年來，納帕海高原濕地湖泊面積減小，景觀格局變化明顯，景觀基質(zhì)從沼澤或沼澤化草甸的濕地類型轉(zhuǎn)化為以草甸景觀為主導(dǎo)的非濕地類型，包括旅游、放牧和農(nóng)業(yè)開墾在內(nèi)的眾多人類活動使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境面臨巨大外界壓力，造成土壤有機(jī)碳大量流失[10-12]。

自20世紀(jì) 90年代以來，土地利用/覆被變化研究成為地理學(xué)和相關(guān)學(xué)科研究的熱點，其對土壤碳儲量的影響備受關(guān)注[13]。但由于氣候、土壤、植被等自然因素和人為干擾的不同，LUCC對SOC的影響區(qū)域差異較大，而且較多的研究局限在單一生態(tài)系統(tǒng)[14-16]，對于農(nóng)牧交錯帶這種景觀高度破碎的敏感區(qū)卻少有報道[17]，針對滇西北納帕海高寒濕地區(qū)農(nóng)牧交錯帶的研究更少。筆者針對納帕海區(qū)域內(nèi)受人類活動影響較大的4種土地利用類型，研究其土壤有機(jī)碳狀況，以期為區(qū)域生態(tài)保護(hù)及生態(tài)安全構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

納帕海位于云南省香格里拉市境內(nèi)（99°37′～99°43′ E，27°49′～27°55′ N），橫斷山脈三江縱谷區(qū)東部，海拔3 260 m。該區(qū)域?qū)賮啛釒髂霞撅L(fēng)氣候，年平均氣溫5.4 ℃，年平均降水量619 mm[18]。區(qū)域內(nèi)土壤為亞高山草甸土土屬，根據(jù)土壤剖面性狀、地表植被類型、水分狀況等，可分為棄耕地-中生草甸土、中生草甸土、濕草甸土和沼澤土[19]。

納帕海三面環(huán)山，湖濱區(qū)分布大面積的沼澤化草甸，周圍面山上生長著以高山松（Pinus densata）為優(yōu)勢的針葉林，在接近湖盆的面山基部區(qū)域，因人類活動等因素的干擾，形成眾多斑塊狀分布的灌叢化群落，以高山柏（Sabina squamata）為優(yōu)勢。湖泊周邊的草甸群落，在家豬的啃食和踐踏下，形成表層被一定程度剝離的斑塊狀裸地（豬拱地），土壤上翻裸露，土壤結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞，而近村莊的區(qū)域多數(shù)被開墾為農(nóng)田，以種植青稞（Hordeum vulgare Linn.var.nudum Hook.f.）為主。

1.2 研究方法

土壤樣品的采集于2014年7月植被生長盛期進(jìn)行。選取豬拱地、農(nóng)田、高山灌叢和森林作為研究樣地。在樣地內(nèi)，根據(jù)典型性和代表性原則，選取3個代表性的樣方。在每個樣地的3個小樣方旁分別挖一個50 cm深的土壤剖面，分層（0～10、10～20、20～30、30～40 、40～50 cm）采集樣品。土壤容重用100 cm3環(huán)刀采樣測定，土壤含水量采用烘干法測定，SOC含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[20]測定。SOC密度和單位面積一定深度下SOC儲量按下式計算[21]：

Ci=Di×Wc×（1-Gi）（1）

Tc=ni=1（Ci×di）×0.1（2）

式中，Ci為有機(jī)碳密度，kg/m3；Di為土壤容重，g/cm3；Wc為SOC含量，g/kg；Gi為大于2 mm礫石所占百分比；Tc為單位面積0～50 cm深度SOC儲量，kg/m2；di為第i層厚度，cm；n為層數(shù)，該研究中n=5。由于該研究區(qū)主要土壤類型為沼澤和沼澤化草甸泥炭土發(fā)展演化而來的草甸土，土層分布較厚（一般都在1 m以下），而該研究中所取樣品深度為50 cm（主要受保護(hù)區(qū)內(nèi)管理等限制），樣品中基本無礫石或礫石含量極少。因此，在計算SOC密度時不再考慮礫石含量的比例。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 22.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型SOC含量剖面分布特征

由表1可知，納帕海SOC含量在8.87～50.21 g/kg。各樣地0～10 cm土層有機(jī)碳含量最高，30～40和40～50 cm土層含量相對較低，總體呈由地表向地下減少的特征，這與張文菊等[22]、曹生奎等[23]的研究結(jié)果一致。從表層至地下50 cm，豬拱地、農(nóng)田、灌叢和森林有機(jī)碳分別減少了68.10%、56.09%、82.34%和42.84%。方差分析結(jié)果表明，土壤層次間，農(nóng)田和灌叢均在表層0～10 cm與下層30～40 cm、40～50 cm呈顯著差異（P<0.05），豬拱地與森林在各層次間均無顯著差異；土地利用類型間，僅灌叢和森林在0～10 cm土層有顯著差異（P<0.05）。

各樣地之間，0～10 cm SOC以灌叢最高，達(dá)50.21 g/kg，其次為豬拱地和農(nóng)田，分別為39.20和37.09 g/kg，最低的為森林，僅為25.96 g/kg。從不同土地利用類型平均值看，SOC含量由大到小依次為農(nóng)田、豬拱地、灌叢、森林。

根據(jù)碳儲層（SOC含量>30.00 g/kg的層次）的定義，農(nóng)田土壤碳儲層厚度為20 cm，灌叢為10 cm，森林SOC偏低，其他土壤剖面SOC均低于30.00 g/kg。從森林到灌叢，0～10 cm土層SOC含量顯著增加。

2.2 不同土地利用類型SOC密度及儲量剖面分布特征

由圖1可知，SOC密度在各樣地的垂向分布豬拱地、灌叢和森林表現(xiàn)為總體下降，農(nóng)田則表現(xiàn)為先升后降的趨勢。前者最大值均分布在0～10 cm土層，且其SOC密度顯著高于其他土層，30～40 cm土層SOC密度處于較低水平，最高值是最低值的2～3倍。后者最高值出現(xiàn)在10～20 cm土層，30～40 cm土層SOC密度最低。

從5層土壤的平均值看，其SOC密度表現(xiàn)為農(nóng)田最大，為36.83 kg/m3；其次為豬拱地，為36.07 kg/m3；森林最小，為26.81 kg/m3。

SOC密度隨土層變化的幅度決定于SOC含量和土壤容重隨土層變化的趨勢。0～50 cm土層內(nèi)的SOC儲量與SOC密度在各樣地間的變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為農(nóng)田>豬拱地>灌叢>森林，分別為18.42、18.04、14.29和13.40 kg/m2（圖1）。

2.3 不同土地利用類型土壤含水量和土壤容重剖面分布特征

由表2可知，豬拱地土壤含水量隨土層深度的增加呈階梯下降，灌叢總體也呈下降趨勢。農(nóng)田土壤含水量在0～20 cm土層上升，隨后下降，30～50 cm土層持續(xù)上升，森林土壤含水量在0～30 cm土層變化不大，總體呈上升趨勢。豬拱地和灌叢土壤表層含水量最高，分別為35.41%和31.49%。農(nóng)田和森林的最高土壤含水量在40～50 cm土層分別為19.63%和27.16%。從5層土壤的平均值看，以豬拱地最高，農(nóng)田最低，分別為30.27%和16.45%。方差分析結(jié)果表明，0～10 cm土層農(nóng)田土壤含水量與豬拱地、灌叢、森林呈顯著差異（P<0.05）；20～30 cm土層豬拱地土壤含水量與農(nóng)田呈顯著差異（P<0.05）。

納帕海區(qū)域內(nèi)，4個樣地各層次的土壤容重在1.42～1.94 g/cm3，變幅達(dá)0.52 g/cm3。在30～40 cm土層，土壤容重在4個樣地間的變化幅度最小，在40～50 cm土層變化幅度最大，各樣地土壤容重大致呈深層>淺層的特征。各樣地之間，灌叢平均值最低，為1.55 g/cm3，其次為森林和農(nóng)田，分別為1.59和1.68 g/cm3，豬拱地最高，達(dá)1.80 g/cm3。豬拱地土壤容重在0～10和10～20 cm土層與灌叢呈顯著差異（P<0.05），在30～40 cm土層與森林呈顯著差異（P<0.05），在40～50 cm土層與其他各樣地呈顯著差異（P<0.05）。

2.4 SOC與土壤含水量、土壤容重的相關(guān)性

由表3可知，0～10 cm土層土壤含水量與SOC呈顯著相關(guān)關(guān)系（R2=0.50，P<0.05）。SOC含量與土壤容重在不同土層的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)出與土壤含水量類似的結(jié)果。0～10 cm土層土壤容重與SOC達(dá)極顯著相關(guān)（R2=0.60，P<0.01）。從擬合回歸方程的斜率看，土壤容重對SOC含量具有較明顯的負(fù)效應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

在較大區(qū)域尺度上，SOC含量受氣候、成土母質(zhì)和水文條件等影響較大，該研究中農(nóng)田在0～20 cm土層的SOC含量（34.47 g/kg）顯著高于崇明島（12.62 g/kg）[24]。小區(qū)域范圍內(nèi)的氣候和母質(zhì)基本一致，土層深度、植被類型、土壤含水量、土壤容重等因子會對SOC的積累造成很大影響[25-26]。同時，SOC的垂直分布在很大程度上受地表凋落物、植物根系分泌物、植被根系埋藏深度及微生物根際活動的影響[23，27-29]。SOC在不同土層和土地利用類型下的累積量不同，納帕海高原濕地0～50 cm土層內(nèi)，SOC含量由高到低依次為農(nóng)田、豬拱地、灌叢、森林，0～10 cm土層SOC含量最為豐富，是主要的碳儲層，占0～50 cm土壤剖面的28.07%～49.81%，且隨土壤深度的加深SOC含量呈減少趨勢。

濕地墾殖會減弱甚至阻止?jié)竦赝寥滥嗵炕蜐撚^程，改善通氣性，加快有機(jī)質(zhì)分解，降低微生物對碳源的利用效率，從而導(dǎo)致土壤碳損失，在沼澤濕地開墾初期SOC損失較快，隨著開墾年限的增加而趨于平緩[30-32]。該研究中，農(nóng)田SOC含量僅為天然沼澤和沼澤化草甸的39.58%和15.58%[33]，但由于圍封的關(guān)系，農(nóng)田相較于豬拱地幾乎不受牲畜和游客的干擾，加之耕作技術(shù)和科學(xué)管理，使得土壤結(jié)構(gòu)改善，主要是降低了土壤容重，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的形成，增加了SOC含量[34-35]。豬拱地是靠近納帕海水域的未圍封草甸，因家豬頻繁活動而形成了大面積的斑塊狀裸地。在此區(qū)域，由于草甸植被被啃食、生物量降低以及土壤被翻拱裸露，造成表層SOC大量散失在空氣中，導(dǎo)致SOC相較于農(nóng)田略低，且僅為天然沼澤和沼澤化草甸的31.53%和12.42%[36]，這主要是由于對草地的破壞使植被對地表土壤的保護(hù)弱化，加速了土壤的侵蝕和礦化作用，而植被退化使得輸入到土壤中的有機(jī)質(zhì)減少[37]。0～40 cm土壤深度內(nèi)，納帕海沼澤地開墾為農(nóng)田導(dǎo)致高達(dá)60%以上的SOC損失，豬拱地的形成造成SOC損失在68%以上。在氣候和人類活動等多種因素的干擾下，森林逐漸演化形成斑塊狀分布的灌叢化群落。在0～20 cm 土層，灌叢SOC含量較森林增加，尤其在表層，灌叢SOC含量幾乎為森林的2倍。而在20～50 cm土層，灌叢SOC含量較森林有所下降，20～30、30～40和40～50 cm土層，灌叢SOC分別減少了4.05、1.49和5.97 g/kg。Berger等[38]研究發(fā)現(xiàn)，不同類型植被還會在表層形成特定的小氣候，進(jìn)而影響到SOC含量。該研究中，森林的SOC含量僅為17.25 g/kg，除根系較深外，冠層的遮陰和較大的蒸騰速率，使得其土壤表層干燥且溫度低，從而造成地表凋落物的分解速率較低。不同土地利用類型其SOC含量在垂直方向上的分布不同，濕地的退化會不同程度地導(dǎo)致SOC流失。

作為土壤-植物-大氣連續(xù)體的一個關(guān)鍵因子，土壤含水量對土壤特性和植物生長具有重要作用，甚至對植物分布和小氣候變化也有著間接的影響[39]。土壤容重則是土壤緊實度的敏感性指標(biāo)，也是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù)[40]。濕地土壤水分含量的增加和土壤容重的降低有助于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，有機(jī)質(zhì)增加又會進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的持水性能，二者相輔相成，對濕地土壤發(fā)揮碳“匯”和蓄持水功能具有重要作用[41]。土壤含水量在0～50 cm土層更易受外界環(huán)境的影響，為土壤水分活躍層[42]。該研究中，土壤含水量及土壤容重在土壤表層（0～10 cm）與SOC表現(xiàn)出顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致。而趙慧等[43]對藏北鹽化沼澤濕地進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SOC儲量為無積水區(qū)>季節(jié)性積水區(qū)>常年積水區(qū)，說明水分在一定條件下又有可能變成SOC積累的限制性因素。另外，根據(jù)王元峰等[44]和蔡倩倩等[45]對尕海和若爾蓋地區(qū)的相關(guān)研究可知，SOC在高原濕地區(qū)域的分布遠(yuǎn)不止50 cm，因此，針對該類地區(qū)土壤含水量和土壤容重對不同土層深度、不同植被覆蓋類型的SOC影響機(jī)制還需進(jìn)一步研究。該研究結(jié)果表明，納帕海區(qū)域表層SOC含量很大程度上受土壤含水量和土壤容重的制約。

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