浑善达克沙地不同龄级沙柳灌丛土壤有机碳研究

昭日格 乌仁陶格斯 苏楞高娃

摘要[目的]研究浑善达克沙地不同龄级人工沙柳灌丛土壤有机碳分布规律，为进一步研究干旱区群落演替过程中碳收支以及生态恢复过程中的植被類型选择提供科学依据。[方法]对浑善达克沙地不同龄级（2、4、6、8 a）人工沙柳灌丛土壤pH、容重、有机碳、碳密度进行研究。[结果]土壤pH在7.34～7.60，且与土壤有机碳的变化无明显相关性。同一龄级植被垂直分布上，表層土壤容重较底层低，与土壤有机碳含量的变化呈负相关。土壤有机碳在0.44～1.10 g/kg，不同龄级沙柳灌丛不同土层土壤有机碳含量均随林龄的增加出现先减低后升高的趋势，同一龄级沙柳灌丛不同土层的土壤有机碳含量无明显的变化规律。表层土壤碳密度随着龄级的增大呈先降低后增加的趋势。8 a沙柳灌丛土壤碳密度最高，为9.59 kg/m2；随着土层的加深土壤碳密度不断增大。[结论]沙柳灌丛对沙地植被恢复、土壤碳库有重要作用。

关键词浑善达克沙地；沙柳灌丛；pH；土壤有机碳；碳密度

中图分类号S714文献标识码A文章编号0517-6611（2017）17-0039-03

Abstract[Objective]To study distribution regularities of soil organic carbon of different age classes of Salix psammophila shrubs in the Hunshandake Sand Land， in order to provide a scientific basis for further study on carbon budget in the process of community succession and selection of vegetation types in the process of ecological restoration. [Method]The soil pH， bulk density， organic carbon and carbon density of the different ages （2， 4， 6， 8 a） of artificial Salix psammophila shrubs in Hunshandake Sand Land were studied. [Result]The results showed that the soil pH of Salix psammophila shrubs was 7.34-7.60. There was no significant correlation between soil pH and soil organic carbon content. In the vertical distribution of vegetation in the same age， the bulk density of the surface layer was lower than that of the bottom layer， and it was negatively correlated with the change of soil organic carbon. The contents of soil organic carbon in different ages of Salix psammophila shrubs were between 0.44 and 1.10 g/kg. Both of the different ages of Salix psammophila shrubs and the soil organic carbon content in different soil layers with the increase of woods ages showed a trend from decline to rise， there was no obvious change of soil organic carbon in different soil layers of Salix psammophila shrubs. The soil carbon density in the soil surface decreased first and then increased with the increase of age. The soil carbon density of 8 a Salix psammophila shrubs was 9.59 kg/m2， and the soil carbon density increased with the increase of soil level. [Conclusion]The results display that Salix psammophila shrubs play an important role in vegetation restoration and soil carbon pool.

Key wordsHunshandake Sand Land；Salix psammophila shrubs；pH；Soil organic carbon；Carbon density

基金项目国家民族委员会项目（14HTZ012）；内蒙古自治区高等学校科学研究重点项目（NJZZ229）；2015年内蒙古自治区人才基金开发基金项目。

作者简介昭日格（1983—），女，内蒙古赤峰人，助教，硕士，从事干旱区资源恢复及森林草地生态系统研究。

收稿日期2017-05-19

陆地生态系统的碳库包括植物和土壤2部分，植被碳库和土壤碳库碳贮存量约为大气碳库的3倍，在气候变化和全球碳循环中起着重要作用[1]。在干旱地区，灌丛是一种广泛分布的植被类型，其种类繁多、生命力强、耐寒耐旱等特点，在群落演替、区域生态环境保护等方面具有极其重要的作用[2-3]。

近年来，国内外学者对森林、草地土壤有机碳的研究较多[4-7]，对灌丛土壤有机碳、碳密度的研究较少。杨路存等[8]对青海高寒金露梅灌叢碳密度及其分配格局进行了研究；王鑫等[1，9]对新疆干旱区4种柽柳灌丛碳贮量特征及新疆干旱区8种常见灌丛生物量碳和土壤有机碳特征进行研究；匡文浓等[10]对5种荒漠灌木群落土壤有机碳垂直分布及其与根系分布的关系进行了研究；吴旭东等[11]对不同沙地生境下柠条灌丛化对草地土壤有机碳含量及分布的影响进行了研究[12]。但是，上述研究均未对某种灌丛土壤有机质、碳密度是否与龄级的变化进行研究。

沙柳（Salix psammophila）属于杨柳科柳属灌木植物，是西北干旱盐碱地区一种优良的固沙先锋树种。它广泛分布于锡林郭勒、鄂尔多斯、东阿拉善、陕西北部及宁夏东部[12]。沙柳抗逆性强、耐寒、耐旱、耐风沙盐碱、喜湿润、容易繁殖、适应性广、有萌蘖力强、耐修剪等特点。防风固沙、保持水土功效显著；纤维形态、材质良好，是造纸、人造板优良原料，是沙区重要的工业用材林树种，经济效益良好[13]。沙柳灌丛起着防风固沙的重要作用，其固碳能力和潜力研究也日益受到重视[14]。

笔者通过对4种不同龄级沙柳灌丛有机碳含量、碳密度进行采样分析，研究不同龄级沙柳灌丛的变化趋势，旨在为进一步研究干旱区群落演替过程中碳收支及生态恢复过程中的植被类型选择提供参考。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟正蓝旗（115°28′00″ E，42°47′55″ N），地处浑善达克沙地腹地，该区属温带大陆性气候，夏季炎热，冬季严寒，全年平均气温1.7 ℃，极端最低气温-38 ℃，昼夜温差较大；无霜期105 d左右，年日照时数大于1 000 h；年平均风速4 m/s，全年大于8级大风日数为90 d，多年平均降雨量为250～350 mm，且70%集中在6—8月，海拔1 284 m。土壤为风沙土，平均沙层厚度达200 m，但有30～100 cm 的钙积层，土壤贫瘠，不利于植物根系的发育。研究区内固定、半固定沙丘和丘间地相间分布。地带性植被为草原，乔木分布较少，灌木、半灌木和杂类草种类较为丰富。主要灌木有沙柳；半灌木主要有褐沙蒿（Artemisia intramongolica）、冷蒿（Artemisia frigida）；主要草本植物有猪毛菜（Salsola collina）、冰草（Agropyron cristatum）、苔草（Carex dispalata）、灰绿藜（Chenopodium glaucum）、大籽蒿（Artemisia sieversiana）、瓦松（Orostachys malacophyllus）等。草本层盖度在40%～70%[15-16]。

1.2研究方法

1.2.1样地设置与取样。

于2015年6月末选取龄级为2 a（2013年种植）、4 a（2011年种植）、6 a（2009年种植）和8 a（2007年种植）的人工沙柳进行调查和采样，每一龄级的林地随机设置3个5 m×5 m的样方，共设12个样方。对样方内的草本设置1 m×1 m小样方进行调查。记录沙柳的株高、基经、冠幅、盖度等（表1）。

土壤样品的采集，每个样方设置3个1 m×1 m土壤剖面，分别取0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm深度土壤样品。在各层中部取土，取土后将样品带回实验室，风干后过2 mm 筛，进行土壤有机碳含量测定，并取部分样品用于土壤容重测定[17]。

1.2.2土壤容重的测定。

将样品均匀粉碎后，挑出细根、砾石等杂物，风干后得到样品干质量。然后取样品50 g 置于干燥箱中，105 ℃烘干得到烘干质量，计算土壤含水率，从而得到原有土样的烘干质量，根据环刀体积计算土壤容重。

1.2.3土壤碳含量的测定。

用重铬酸钾法测定土壤有机质，计算土壤有机碳（Ci）含量。

1.2.4土壤碳密度的测定。

根据土壤容重及土壤有机碳含量计算土壤碳密度。采用如下公式计算土壤有机碳密度：

SOCDi=ki=1（Ci×Di×Ei）/100

式中，SOCDi为i层土壤有机碳密度（kg/m2）；Di为i层土壤的容重（g/cm3）；Ci为土壤有机碳含量（g/kg）；Ei为土层厚度（cm）[10]；k为不同的土壤层次[18]。

1.3数据处理

采用SPSS 16.0软件进行数据分析，用单因素方差分析法（Oneway ANOVA）进行差异显著性分析（α =0.05），并使用Excel进行基础数据处理。

2结果与分析

2.1不同龄级土壤pH比较

由图1可知，浑善达克沙地沙柳种群的土壤pH在7.34～7.60，呈中性。在表土层土壤上，8 a的沙柳灌丛土壤pH最高，为7.60，其次是2 a的沙柳灌丛，土壤pH为7.57，4、6 a土壤pH相对较低。10～20、20～40、40～60、60～100 cm土层随龄级的变化趋势同0～10 cm。这与沙柳灌丛下凋落物分解过程缓慢，且分解过程中容易产生大量有机酸有关。

在同一龄级中不同土层的土壤pH不同，2 a沙柳在不同深度土壤pH呈顯著差异（P<0.05），4、6、8 a沙柳在不同深度的土壤pH无显著差异（P>0.05）。同一植被类型的土壤pH，在垂直分布上变化复杂，无明显的规律可循，这可能与影响土壤pH的因素较多有关。

2.2不同龄级土壤容重比较

土壤容重能综合反映土壤的结构性和通透性等物理性质。容重过高尤其是超过植物的极限容重后，就会影响根系的延伸生长，同时会影响降水的渗透率及土壤的通气性能。容重过低，会影响土壤支撑植物的性能[9]。

由表2可知，浑善达克沙地沙柳灌丛土壤容重在0.89～0.99 g/cm3，不同龄级植被表层土壤容重从大到小依次为6 a、2 a、4 a、8 a。在同一龄级植被垂直分布上，表层容重总体较底层低，这主要是由于沙柳灌丛土壤表层含大量的枯落物和植物根系等物质使土质较疏松；而底层既无枯落物，植物根系也较少，因此土壤相对紧实。不同龄级土壤容重无显著差异（P>0.05）；不同土层间的土壤容重差异显著（P<0.05）。

2.3不同龄级土壤总有机碳比较

对浑善达克沙地不同龄级沙柳灌丛土壤有机碳含量进行分析，结果显示，不同龄级沙柳灌丛不同土层土壤有机碳的含量均随林龄的增加出现先降低后升高的趋势，呈 “V”字型变化。8 a沙柳灌丛表层土壤有机碳含量最高达到1.10 g/kg，其次是2 a沙柳灌丛，为0.92 g/kg，6 a沙柳灌丛土壤有机碳含量最低为0.48 g/kg。同一龄级沙柳灌丛不同土层的土壤有机碳无明显的变化规律（图2）。

对浑善达克沙地2、4、6、8 a不同龄级沙柳灌丛土壤有机碳的含量进行方差分析，结果表明，在0～10 cm土层不同龄级有机碳含量差异显著（P<0.05）；60～100 m土层不同龄级土壤有机碳含量差异极显著（P<0.01）；其他土层不同龄级土壤有机碳含量差异不显著（P>0.05）。

2.4不同龄级土壤有机碳密度比较

对浑善达克沙地不同龄级不同土层土壤碳密度进行比较，结果表明，土壤表层土壤碳密度随着龄级的增加呈先降低后增加的趋势。8 a沙柳灌丛土壤碳密度最高达9.59 kg/m2；随着土壤层次的加深土壤碳密度不断增加（图3）。

3结论与讨论

（1）该研究结果表明，浑善达克沙地沙柳种群的土壤pH在7.34～7.60，呈中性。在不同土层上，8 a沙柳灌丛土壤pH最高，其次是2 a，4和6 a沙柳灌丛土壤pH相对较低。

浑善达克沙地不同龄级沙柳灌丛表层土壤容重从大到小依次为6 a、2 a、4 a、8 a。在同一龄级植被垂直分布上，表层容重较底层低，与土壤有机碳的变化呈负相关，这与苗娟等[19] 的研究结果一致。

（2）该研究中浑善达克沙地不同龄级沙柳灌丛土壤有机碳在0.44～1.10 g/kg，不同龄级沙柳灌丛不同土层土壤有机碳的含量均随林龄的增大出现先减低后升高趋势，呈“V”字型变化。同一龄级沙柳灌丛不同土层的土壤有机碳变化规律无明显的变化规律。这与冼伟光等[20]的研究结论一致。

不同森林生态系统有机碳来源（地表凋落物及其根的分泌物和细根周转产生的碎屑）的数量与质量差异是影响土壤有机碳在土壤中分布的关键因子之一。不同植被组成可以形成特定的土壤表层气候，影响凋落物的分解速率，进而在某种程度上控制土壤有机碳的分解速度。这可能是造成森林生态系统之间及同一生态系统内各土層间土壤有机碳差异的原因。

对浑善达克沙地不同龄级沙柳灌丛不同土层土壤碳密度进行比较，结果表明，土壤表层土壤碳密度随着龄级的增加呈先降低后增加的趋势。8 a沙柳灌丛土壤碳密度最高，随着土壤层次的加深土壤碳密度不断增加。这与王鑫等[1]、陶贞等[21]、刘艳等[22]、孙慧兰等[23]的研究结果一致。

（3）该研究中最大龄级沙柳灌丛为8 a，未与天然沙柳灌丛土壤有机碳进行比较，并且采用重铬酸钾-外加热法进行测定，因此结果存在一定的不确定性，有待于今后进一步研究。

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