黑龙江省盐碱地土壤无机碳分布特征

李德文　唐中华　刘英等

摘要 采用原位测定、室内实验相结合的方法，研究黑龙江省重度盐碱地土壤无机碳的形态、分布规律，并且探讨黑龙江省盐碱土无机碳的密度。不同植被类型显著影响土壤无机碳分布，羊草草地土壤空气中CO2含量明显高于虎尾草草地，而HCO-3/ CO-23含量和土壤表层CaCO3含量低于虎尾草草地。盐碱裸地中以CO2、HCO-3及CaCO3等形式存在的无机碳储量随着土层深度增加均无显著變化。以土壤碳酸盐含量为基础，估算土壤无机碳密度，发现羊草及虎尾草草地表层土壤（0～10 cm）无机碳密度显著低于盐碱裸地（P<005），底层土壤无机碳密度差异不显著；盐碱裸地土壤无机碳密度为101.4 ～124.8 Mg/hm2。

关键词 松嫩平原；盐碱地；无机碳

中图分类号 S151.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-085-03

Distribution Characteristics of Soil Inorganic Carbon of Salinealkaline Land in Heilongjiang Province

LI Dewen1， TANG Zhonghua1， LIU Ying1， WEI Xiaoxue2* et al

（1. Key Laboratory of Forest Plant Ecology of the Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2 Institute of Volcanoes and Mineral Springs， Heilongjiang Academy of Science， Wudalianchi， Heilongjiang 164155）

Abstract The morphologies and distribution of soil inorganic carbon of salinealkaline land in Heilongjiang Province were studied， with the methods of field monitoring and laboratory analysis. The contents of soil CO2， HCO-3/CO2-3， and carbonate were significantly effected by vegetation types. Leymus chinensis grassland had higher soil CO2 concentrations， but lower contents of HCO-3/ CO2-3 and CaCO3 than Chloris virgata grassland. For barren sites， the soil inorganic carbon had no significant change at different soil depths. Based on soil carbonate， the density of soil inorganic carbon was estimated. The results showed that the density were lower in Chloris virgata or Leymus chinensis grassland than barren sites （101.4 -124.8 Mg/hm2） in upper horizon （0-10 cm） （P< 0.05）， however， no evident difference was found in deep layers.

Key words Songnen Plain； Salinealkaline land； Inorganic carbon

土壤碳库包括土壤有机碳库和土壤无机碳库。前者是湿润、半湿润地区碳库的主要形式，而后者是干旱、半干旱地区土壤碳库的主要形式，一般比土壤有机碳库大2～5倍。有学者估算，全球土壤无机碳库为700～1 000 Pg[1-3]。黑龙江省的盐碱地面积为11 640 km2，占全省总土地面积的3%，主要分布在黑龙江省重要农区和牧区之一的松嫩平原，其中近1/3为含盐量超过1%的重度盐碱地，目前对其土壤碳库还缺乏深入了解。土壤无机碳的剖面分布与母质、气候、地貌、生物群落以及人为活动等密切相关[4-7]。目前，国内外对土壤无机碳库的研究主要集中在草原和灌溉地区的农田，对各种陆地生态系统中土壤无机碳的转化、运移机理及碳库贮量还知之甚少。近年来，土壤碳储库日益受到关注，且有许多研究试图阐明土壤对全球碳循环的影响。尽管已对土壤有机碳库在全球碳循环中的作用进行深入研究，但对土壤无机碳尤其是呈土壤发生性次生碳酸盐形式存在的无机碳的研究相对较少，目前对无机碳在陆地碳循环过程中的意义及其对地球表层系统碳截存中的作用还不甚了解[8]。

黑龙江省盐渍土地区以水为驱动力，以碳为承载体，以盐为表征物的“水-碳-盐”动力系统，在生物和化学的协同作用下，积极参与全球碳循环，成为大气CO2源汇的重要环节[9]。图1为黑龙江省重度盐碱土地区“水-碳-盐”动力系统模式图。松嫩平原地区母质土壤为钙成土，潜水中含有较多的游离钙离子，由于水的浓缩和pH的升高，水中的重碳酸钙和部分碳酸根以碳酸钙盐的形态沉淀下来，成为土壤中的碳酸钙[10]。碳酸盐矿物的溶蚀及侵蚀后再结晶是碳库与大气CO2之间物质交流的重要过程。土壤中的CO2通过控制土壤pH和碳酸钙的溶解性来影响其淀积过程。土壤碳循环过程是盐碱地生态系统的重要内容。碳转化过程导致土壤阳离子交换量的变化，从而影响土壤盐分的动态变化。

盐碱土无机碳以CO2、HCO-3、CO-23及碳酸盐形式存在于土壤中，其中碳酸盐为土壤无机碳库的主要存在形式，其具体表现形式为CaCO3、CaMg（CO3）2和FeCO3。1 m深的土壤以碳酸盐形式储存的无机碳为930 ～ 1 738 Pg C。碳酸盐对全球碳循环具有重要意义，即影响大气、海洋、陆地生态系统间的碳库变化；通过形成次生碳酸盐，进而影响土壤碳截获量。目前对各种类型土壤不同深度无机碳库储量的了解还很缺乏。研究不同类型土壤特别是盐碱地土壤无机碳的形成机制对于降低大气CO2浓度具有重要的现实意义。James等[11]认为，灌溉使得美国蛇河平原干旱区的大气CO2可以无机碳固定。不同土地利用方式对土壤无机碳库具有显著影响。无机碳在1 m以下土层具有明显的累积层[12]。俄罗斯黑钙土2 m以上土层无机碳含量的顺序为耕作土壤>休耕>草地>割草地。重碳酸盐向地下水的淋溶是土壤无机碳截获的一个重要机制。通过该途径，每年有0.25 ～ 1.00 Mg/hm2 C被固定。Lal[13]提出，干旱和半干旱地区土壤每年以次生碳酸盐截获的碳可达0.006 9 ～ 0.265 9 Pg。但是，也有研究认为灌溉将导致农业土壤向大气释放CO2。我国盐碱地面积为9 913万hm2，其形成大部分与土壤中碳酸盐的累积有关，因此深入研究盐碱地土壤无机碳分布规律、转换过程及其对土壤截获的贡献等将具有重要的现实意义。笔者采用原位测定及室内实验相结合的方法，研究了黑龙江省重度盐碱土无机碳的形态及分布规律。

图1 重度盐碱地“水-碳-盐”动力系统模式

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

该研究在肇东市进行。该研究地位于黑龙江省西南部，松嫩平原中部，属寒温带，平均积温为2 772 ℃，其气候特点是春季多风、少雨，干旱，夏季酷热、多雨，秋季凉爽，易发生早霜，冬季寒冷、干燥。全年无霜期较短，平均在140 d左右。年降水量293～656 mm，降水极不均匀，夏季最多，秋季次之，春季最少。自然植被主要有羊草草地、虎尾草草地、羊草虎尾草草地及盐碱裸地。肇东市盐碱土的土壤容重为1.42 g/cm3，pH>9，电导率为1 350 ～1 500 μS/cm。选取羊草草地、虎尾草草地和研究裸地3种主要的植被类型为研究对象，对其土壤无机碳分布特征进行研究。

1.2 研究方法

在2008年10月下旬，在各采样点分别挖取1 m × 1 m × 1 m的土壤剖面坑，按照不同深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm）采集土样，测得土壤无机碳（SIC）剖面分布曲线，加权换算得到单位面积1 m土体内SIC储量。采用双指示剂中和滴定法，测定土壤样品的HCO-3和CO-23的含量，同時测定土壤碳酸盐含量。

将自制土壤空气采样器埋入土壤中，稳定半个月后用Li6400便携式光合作用测定系统（美国LICOR公司）测定土壤各深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm）CO2浓度。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel和SPSS 11.5分别对各项指标进行显著性差异分析（Oneway ANOVA）及相关分析（Bivariate correlation）。

2 结果与分析

2.1 盐碱地土壤剖面CO2浓度 由图2可知，盐碱裸地土壤剖面CO2随深度变化不大，虎尾草和羊草草地土壤剖面CO2含量随深度增加而增加，羊草土壤剖面CO2浓度与土层深度显著相关（P<0.05）。

图2 黑龙江省盐碱地不同深度土壤CO2浓度

试验结果还表明，在一定范围内，随土层深度增加，土壤CO2浓度增加。有报道称，在加拿大重黏黑钙土上，生长季前期上层（15 ～ 30 cm）土壤CO2浓度最高，随着深度的增加缓慢降低，随生长季节的推进，最大CO2浓度就出现在较深土层，秋季时最高CO2浓度出现在120 ～150 cm土层。戴万宏[14]研究了土壤CO2浓度对小麦和玉米生长的影响，发现土壤CO2浓度对小麦生长无明显影响，对玉米具有显著影响；补充土壤CO2浓度可降低玉米植株高度、植株干重、根系干重，增加冠/根比，且土壤CO2浓度对玉米根系的影响比对地上植株的影响大。碳酸盐的溶解与再沉淀随着土壤水分状态、pH的变化在时间、空间上都会可逆发生。当土壤水分增加时，土壤CO2与水易生成碳酸，pH降低，CaCO3易生成Ca（HCO3）2；而当土壤水分降低时，Ca（HCO3）2 因失水易分解，沉淀生成CaCO3，释放出CO2，pH随之升高；另外，微生物在新陈代谢过程中所产生的有机酸和无机酸可溶解部分CaCO3，释放出CO2。因此，黑龙江盐碱地土壤CaCO3因环境的变化易释放或吸收CO2气体，改变土壤呼吸的大小，对CO2气体的排放具有缓冲作用。一般认为，在冲、洪积平原的母质中含有较多的碳酸钙，易形成土壤钙积层，具有隔水性能和保水性能，从而影响土壤呼吸。朱宏等[15]研究表明，干旱区荒漠灌木林地土壤碳酸钙含量与土壤呼吸的相关性较好，相关系数为0.93，在干旱半干旱区土壤碳酸钙对灌（丛）木林地土壤呼吸有明显的影响。

松嫩平原地区土壤富含碳酸钙，其交换性复合体几乎全为Ca2+所饱和。土壤表层的Ca2+与来自土壤空气CO2溶解或植物残体分解时产生的碳酸相结合，形成重碳酸钙，在雨季向下移动，淀积于剖面中部下部，形成钙积层。在降水量大于蒸发量的气候条件下，土壤中的碳酸钙将转变为重碳酸钙，从土体中淋失；当蒸发量大于降水量时，毛管水转变为上升方向，从温度低的下层土壤向温度较高的上层土壤移动，释放CO2，使得重碳酸盐变为碳酸钙，并且沉积[16]。

2.2 盐碱地土壤HCO-3和CO-23的分布 由表1可知，不同植被类型土壤HCO-3含量变化趋势不同，如虎尾草和羊草草地土壤HCO-3含量由表层到底层呈先增加后降低的趋势，而盐碱裸地土壤各深度HCO-3含量变化不大。表层土壤HCO-3含量大小顺序为裸地>虎尾草≈羊草；稀根区（20 ～ 30 cm）和无根区（30 cm以下）含量大小顺序为虎尾草>羊草>裸地；底层土壤HCO-3含量基本相同。不同植被类型土壤CO-23含量均较低，稀根区和无根区土壤CO-23含量顺序依然为虎尾草>羊草>裸地。相关性分析结果表明，虎尾草和羊草草地土壤HCO-3和CO-23含量均呈显著相关关系（P<0.05）。

HCO-3和CO-23是盐碱地阴离子的重要成分，其含量变化与盐碱化程度密切相关。肇东市盐碱土HCO-3和CO-23的含量分别为1.25 ～ 92.04和 0.51 ～ 2.81 mg/L。张巍等[17]发现轻度盐碱土的HCO-3浓度略高于中度盐碱土，并且提出仅靠pH或电导率来判断土壤的盐碱化程度是不充分的。

2.3 盐碱地土壤碳酸盐含量 由图3可知，土壤CaCO3含量随深度的变化与植被根系分布状况相关性较大，一般根系分布密集区土壤CaCO3含量较低，如羊草的密根区为0 ～20 cm，该土层CaCO3含量约为2%，远低于稀根区和无根区。盐碱裸地土壤CaCO3含量主要受降水淋溶作用的影响，土壤各层CaCO3含量范围为7%～9%，随深度变化不大。植被类型明显影响表层土壤CaCO3含量。统计分析结果表明，0～10 cm土层羊草草地、虎尾草草地及盐碱裸地土壤CaCO3含量显著不同（P<0.05）。以土壤碳酸盐含量为基础，估算出土壤无机碳密度。由图4可知，羊草草地表层土壤（0 ～10 cm）无机碳密度显著低于盐碱裸地（P<0.05），底层土壤无机碳密度差异不显著；盐碱裸地土壤无机碳密度为101.4 ～124.8 Mg/hm2。

土壤发生性碳酸盐是干旱、半干旱地区的主要土壤成分。目前，在研究土壤碳库及其对地球表层生态系统过程中碳循环及大气CO2浓度的影响时，并没有考虑到这类碳酸盐。土壤无机碳含量及密度随着降水量的减少呈增加趋势，空间变异性大于有机碳；草地开垦为农田后无机碳含量升高，而放牧使无机碳的含量降低。Sahravat[18]研究了灌溉对干旱和半干旱地区农业土壤碳库的影响，发现在土壤表层（30 cm）土壤有机碳占83%，而在150 cm以下深度土壤无机碳占70%。在印度中央平原地区，其气候类型促进有机碳的分解以及无机碳的累积。在一般情况下，近表层土壤具有相对脱钙现象，在40～80 cm处达到最大值，随后无机碳含量减小。该研究表明，轻度盐碱地土壤表层碳酸钙含量较低，在植物无根区具有明显的钙积层。杨黎芳等[8]发现，不同土地利用方式钙积层的剖面主要出现在40～80 cm处，钙积层数大小顺序依次为耕地>退耕地>干旱半干旱草原>典型草原，而且典型草原在140～180 cm处仍具有较高的无机碳含量（> 10 g/kg），但是只有典型草原的0～100 cm无机碳密度>有机碳密度，其余对应层位均为有机碳密度>无机碳密度。大多数剖面母质碳酸盐含量少，因而无机碳密度较低，而母质碳酸盐含量高的剖面无机碳密度则相对较高。在充足钙源条件下，随着有机碳的增加，无机碳累积增加。这说明有机碳对于无机碳的驱动效应以及人类活动可以显著改变土壤碳含量。

3 结论与讨论

（1）盐碱裸地土壤剖面CO2浓度随深度变化不大，虎尾草和羊草草地土壤剖面CO2浓度随深度增加而增加，羊草土壤剖面CO2浓度与土层深度显著相关（P<0.05）。

（2）不同植被类型土壤HCO-3含量变化趋势不同。虎尾草和羊草草地土壤HCO-3含量由表层到底层呈先增加后降低的趋势，而盐碱裸地土壤各深度HCO-3含量变化不大。虎尾草和羊草草地土壤HCO-3和CO-23含量显著相关（P<0.05）。

（3）植被类型显著影响表层土壤CaCO3含量（P<005）；土壤CaCO3含量随深度的变化与植被根系分布状况相关性较大，一般根系分布密集区土壤CaCO3含量较低。盐碱裸地土壤CaCO3含量主要受降水淋溶作用的影响，土壤各层CaCO3含量范围为7%～ 9%，随深度变化不大。

（4）虎尾草、羊草草地表层土壤无机碳密度显著低于盐碱裸地（P<0.05），底层土壤无机碳密度差异不显著；盐碱裸地土壤无机碳密度为101.4～124.8 Mg/hm2。

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