北京温榆河流域周边河岸带景观结构与土壤碳储量响应

孙荣凯，陈智慧

(北京农学院园林学院，北京 102206)



北京温榆河流域周边河岸带景观结构与土壤碳储量响应

孙荣凯，陈智慧

(北京农学院园林学院，北京 102206)

摘要[目的]研究北京温榆河流域周边河岸带景观结构与土壤碳储量响应，为岸边带生态系统的恢复重建提供科学依据。[方法]以位于北京城郊区的温榆河昌平段为研究区，分别采集岸边带自然植被、半自然植被、人工植被3种植被类型0～20、20～40、40～60 cm的土层土样，研究土壤有机碳垂直分布特征。[结果] 0～20 cm土壤有机碳密度为1.842 0 kg/m2，20～40 cm为1.691 2 kg/m2，40～60 cm为1.460 2 kg/m2。自然植被0～20 cm土壤有机碳密度为2.326 4 kg/m2，20～40 cm为2.413 3 kg/m2，40～60 cm为1.377 4 kg/m2；半自然植被0～20 cm土壤有机碳密度为1.673 6 kg/m2，20～40 cm为1.545 1 kg/m2，40～60 cm为1.360 4 kg/m2；人工植被0～20 cm土壤有机碳密度为1.751 5 kg/m2，20～40 cm为1.430 6 kg/m2，40～60 cm为1.394 7 kg/m2。[结论]温榆河河岸带土壤 0～60 cm的碳含量随着土壤深度的增加呈垂直变化，各土层土壤碳含量从大到小依次为0～20、20～40、40～60 cm；各植被类型的土壤碳含量由大到小依次为自然植被、半自然植被、人工植被。

关键词河边带；土壤有机碳；空间分布；植被类型

河边带是水陆生态系统的交错带，具有重要的生态功能[1-4]，同时也面临着强烈的人类活动干扰[5-8]。土壤碳循环和碳储量研究是当前陆地生态系统碳循环以及全球变化研究的热点[9-10]。土壤有机碳库储量是全球温室气体的一个主要源和汇，同时土壤作为人类生存和发展的基底环境，易受到人类活动的影响，土壤碳库的轻微变动有可能引起大气环境和陆地生态系统的迅速响应[11-15]。土壤作为岸边带环境的主要载体，其环境承载能力不仅关系着岸边带的健康，还与河流水环境密切相关[16-21]。笔者以北京城郊区温榆河昌平段为研究区，研究了河岸带景观结构与土壤碳储量响应，旨在为岸边带生态系统的保护、恢复和重建提供决策依据。

1材料与方法

图1　温榆河分布区域Fig.1　Distribution of Wenyu River

1.1研究区概况温榆河位于北京市东北部，是北运河水系上游干流河道，全长47.5km，流域面积4 293km2。温榆河上游为昌平区沙河镇沙河水库，该水库由北沙河、东沙河与南沙河汇集形成。沙河水库以下区域称为温榆河，河道经过北京5个区(包括昌平、顺义、海淀、朝阳、通州)(图1)，汇集于北关闸，沿途支流分布有蔺沟河、坝河、清河以及小中河。在昌平段内，温榆河始于沙河闸，止于鲁疃闸，主河道长约19.2km，流域面积达到1 237km2。昌平段作为典型的城乡结合区，岸边带受人类活动干扰严重，且每年有大量未经处理的农村生活污水、养殖废水和农田地表径流排入温榆河，使温榆河水体受到严重威胁。昌平区位于北京市西北部，地理坐标为115°50′17″～116°29′49″E，40°2′18″～40°23′13″N，北与延庆、怀柔相连，东邻顺义，南与朝阳、海淀毗邻，西与门头沟、河北怀来接壤。全区总面积1 352km2，耕地面积420万hm2，山区、半山区总面积占全县的2/3。该区属暖温带大陆性季风气候，年均日照时数2 684h，年均气温11.8 ℃，年均降水量550.3mm。由于地理形势优越，土地肥沃，自然资源丰富，旅游业、房地产业、商业发展迅速，成为该区的三大优势产业。同时该区农业、工业发展迅速，观光旅游和民俗旅游经营成果显著，工业企业产品产量大幅增加，如汽车、水泥、耐火材料制品、鲜冷藏肉、玻璃保温容器等已成为促进昌平经济发展的支柱产业。

1.2样地选取样地的选取主要依据距离岸边带远近、岸边带植被类型分布，采集地点分布情况见表1。根据人为景观干扰梯度的不同，可以分为3种植被类型。第1类植被类型为自然植被(N)，主要为草灌型(GW)和草本型(G)；第2类植被类型为半自然植被(S)，包括草本型(G)、乔林型(F)、灌乔草(GWF)、草乔型(GF)和乔草型(FG)；第3类植被类型为人工植被(A)，包括农田型(A)、草坪(G)、荷花(F)。

表1　样品采集地点分布

1.3样品采集于2011年8月(雨季)采集样品，在每条样带内根据植被类型的不同设置样方(10m×10m)，并在样方内采集土壤。其中，采用传统随机取样法采集土壤样品，在每个样方内按照“S”型布点，用土钻分别采取0～20、20～40、40～60cm3个土层深度的土样5个，将同层的5个样品均匀混合为1个样，装入自封带内，共采集混合土样159份。沉积物样品采集时，在相应土壤样方近岸沿平行河流方向10m长度范围内，随机采取0～10cm深度沉积物5次进行混合，记为1个样品，共采集25个样地。将采集的样品剔除植物残体和石块，分别装入聚乙烯封口袋中登记编号，带回实验室，置于通风阴凉处晾干，待测。野外采样时，使用GPS定位系统在每个样方的中间位置进行定位，记录采样点位置。土壤总有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[22-24]。

图2　不同土层土壤碳含量Fig.2　Soil carbon content in different soil layers

2结果与分析

2.1不同土层土壤碳含量从图2可以看出，温榆河河岸带土壤 0～60cm的碳储量随着土壤深度的增加呈现出垂直的变化。随着土壤深度的增加，土壤有机碳密度呈减少趋势，0～20cm土壤有机碳密度为1.842 0kg/m2，20～40cm土壤有机碳密度为1.691 2kg/m2，40～60cm土壤有机碳密度为1.460 2kg/m2。0～20、20～40、40～60cm层土壤有机碳密度变异系数分别为69.95%、55.62%和70.23%，变异系数为10%～100%，为中等强度变异。由差异分析结果可知，0～20、20～40、40～60cm层土壤有机碳密度差异显著(P<0.05)。

2.2不同植被类型对土壤碳含量的影响

2.2.10～20cm不同植被类型碳含量分布特征。从图3可以看出，0～20cm土层土壤有机碳含量表现出自然植被(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为2.326 4kg/m2，半自然植被为1.673 6kg/m2，人工植被为1.751 5kg/m2。差异分析结果显示，自然植被0～20cm土壤碳密度与半自然植被和人工植被相比差异显著(P<0.05)，而半自然植被和人工植被相比差异不显著(P>0.05)。

图3　不同土层各植被类型土壤碳含量Fig.3　Soil carbon content of different vegetation types in each soil layers

2.2.220～40cm不同植被类型碳含量分布特征。从图3可以看出，20～40cm土层的土壤碳含量表现为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为2.413 3kg/m2，半自然植被为1.545 1kg/m2，人工植被为1.430 6kg/m2。差异分析结果显示，自然植被在20～40cm土壤碳密度与半自然植被和人工植被相比差异显著(P<0.05)，而半自然植被和人工植被相比差异不显著(P>0.05)。

2.2.340～60cm不同植被类型碳含量分布特征。从图3可以看出，3种植被40～60cm土层的土壤有机碳含量差异不大。其中 ，自然植被的土壤碳密度为1.377 4kg/m2，半自然植被为1.360 4kg/m2，人工植被为1.394 7kg/m2。差异分析结果显示，自然植被、半自然植被、人工植被40～60cm土层的碳密度差异均不显著(P>0.05)。

2.3不同植被类型土壤碳含量垂直分布特征

2.3.1自然植被有机碳含量垂直分布特征。从图4可以看出，温榆河河岸带自然植被 0～60cm土层的碳储量随着土壤深度的增加呈现出垂直变化，0～20、20～40cm的土壤有机碳密度高于40～60cm，即随着土壤深度的增加土壤有机碳密度呈减少趋势。根据统计分析可知，自然植被0～20cm土壤有机碳密度为2.326 4kg/m2，20～40cm为2.413 3kg/m2，40～60cm为1.377 4kg/m2。由差异分析可知，自然植被0～20、20～40cm土壤有机碳密度与40～60cm层土壤有机碳密度差异显著(P<0.05)，0～20cm土壤有机碳密度与20～40cm相比差异不显著(P>0.05)。

2.3.2半自然植被有机碳含量垂直分布特征。从图4可以看出，温榆河河岸带土壤半自然植被0～60cm土层的碳储量随着土壤深度的增加呈现出垂直变化，碳储量从大到小依次为浅层土壤(0～20cm)、中层土壤(20～40cm)、深层土壤(40～60cm)，即随着土壤深度的增加，土壤有机碳密度呈减少趋势。根据统计分析可知，半自然植被0～20cm土壤有机碳密度为1.673 6kg/m2，20～40cm为1.545 1kg/m2，40～60cm为1.360 4kg/m2。由差异分析可知，自然植被0～20、20～40、40～60cm土壤有机碳密度达显著差异(P<0.05)。

2.3.3人工植被有机碳含量垂直分布特征。从图4可以看出，温榆河河岸带土壤人工植被 0～60cm的碳储量随着土壤深度的增加呈现出垂直变化，0～20cm的土壤有机碳密度明显高于20～40、40～60cm。人工植被0～20cm土壤有机碳密度为1.690 0kg/m2，20～40cm为1.430 6kg/m2，40～60cm为1.424 8kg/m2。由差异分析可知，人工植被0～20cm土壤有机碳密度分别与20～40、40～60cm差异显著(P<0.05)，20～40cm土壤有机碳密度与40～60cm相比差异不显著(P>0.05)。

3结论与讨论

(1)从总体趋势来看，随着土层深度的增加，有机碳储量随之减小，呈垂直变化。土壤有机碳密度以0～20cm层最大，表现出有机碳在土壤中的表聚作用，这与许多学者的研究结果[25-29]一致。

(2)不同植被类型的土壤有机碳含量有差异。各土层的有机碳含量由大到小依次为自然植被、半自然植被、人工植被，原因可能是自然植被受人类活动的干扰较少，土壤碳含量较高。

(3)温榆河河岸带土壤自然植被、半自然植被和人工植被 0～60cm的碳储量随着土壤深度的增加均呈现出垂直变化，0～20、20～40cm的土壤有机碳密度高于40～60cm，即随着土壤深度的增加，土壤有机碳密度呈减少趋势。

图4　不同植被类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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作者简介孙荣凯(1988- )，男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向：园林植物栽培生理与生态。

收稿日期2016-03-29

中图分类号S 153.6

文献标识码A

文章编号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