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栗钙土不同土地利用方式下有机碳和无机碳剖面分布特征

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栗钙土不同土地利用方式下有机碳和无机碳剖面分布特征

生态环境2007,161158162HTTP//WWWJEESCICOMECOLOGYANDENVIRONMENTEMAILEDITORJEESCICOM基金项目国家自然科学基金项目(40303015)作者简介杨黎芳(1974-),女,博士研究生,主要从事农业资源利用与信息技术研究。通讯作者中国农业大学资源与环境学院。EMAILLGTONGCAUEDU收稿日期20060712栗钙土不同土地利用方式下有机碳和无机碳剖面分布特征杨黎芳,李贵桐,赵小蓉,林启美中国农业大学资源与环境学院//土壤与水农业部重点实验室//土壤植物相互作用教育部重点实验室,北京100094摘要栗钙土是半干旱地区典型的地带性土壤,主要分布在内蒙古自治区。文章以内蒙古自治区乌兰察布盟(简称乌盟)和锡林河流域为例,分析了栗钙土有机碳和无机碳含量及其密度的剖面分布特征,旨在了解不同土地利用方式下土壤碳库的储量和分布特点及其成因与机理。结果表明土壤无机碳在剖面上的分布有两种类型高低(高)(低)型和低高(低)(高)型,后者可能是由于土壤侵蚀引起的碳酸盐再分布所形成的。100CM深的土壤有机碳密度的平均值为848KGM2,退耕地耕地干旱半干旱草原典型草原,主要分布在表层,0~30CM土壤有机碳密度为0~100CM的43%左右;而土壤无机碳密度的平均值为710KGM2,退耕地典型草原耕地干旱半干旱草原,主要分布在下层土壤,50~100CM无机碳密度为0~100CM的58%左右。关键词栗钙土;土壤有机碳;土壤无机碳;碳含量;碳密度中图分类号S1536文献标识码A文章编号16722175(2007)01015805土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,约是大气碳库的的33倍,生物碳库的45倍。土壤碳库01的变化将导致大气圈CO2的浓度提高1MGM31,因此,土壤碳库在全球气候变化的研究中具有极其重要的地位。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2。陆地表面约32%为干旱、半干旱地区,全球无机碳库为940PG,干旱、半干旱地区无机碳库占总无机碳库的92。中国约47%的国土面积为干旱、半干旱地区,对其土壤碳库还缺乏很清楚的了解,大多数研究是基于上世纪80年代第二次全国土壤普查资料,并且不同研究者采用不同的资料和方法,所得结果差异很大3,47。土壤有机碳含量随深度的变化情况可大致分为两种(1)下降型,即有机碳含量随深度的增加而下降,绝大多数情况都是如此;(2)不变型,即有机碳在土壤剖面中均匀分布,不随深度而变,如灰钙土、漠钙土、滨海砂土和滨海盐土,这与土壤质地、生物量多少及其分解速率以及成土过程等有关。土壤无机碳的剖面分布与母质、气候、时间、地貌、生物群以及人为活动等有关。因此不同土地利用方式下土壤有机碳和无机碳的剖面分布特征差异很大,目前相关的研究很少。栗钙土是温带半干旱大陆性气候和干草原植被下经历腐殖质积累过程和钙积过程所形成的具有栗色腐殖层和碳酸钙淀积层的钙积土壤,是干旱、半干旱地区主要的土壤类型,主要分布在内蒙古自治区,约占内蒙古土地总面积的213,大约2434万HM2。本文以栗钙土主要分布地区乌兰察布盟(简称乌盟)和锡林郭勒盟境内的锡林河流域为例,采样分析土壤有机碳和无机碳,旨在了解不同土地利用方式下土壤碳库的储量和分布特点,分析不同分布特征的成因与机理。1材料与方法11研究地区概况研究区位于内蒙古自治区乌盟和锡林郭勒盟境内锡林河流域,乌盟位于内蒙古自治区的中部,东经10916′~11449′,北纬3937′~4328′,处于黄土高原、晋冀山地和内蒙古高原的交错地带,阴山山脉东西向横贯其中部,海拔800~1800M。属于温带半干旱大陆性季风气候,年均气温2℃,年均降水量307~409MM,从南向北递减,蒸发量是降水量的43~75倍。成土母质多数是古生代变质岩系和不同时期的花岗岩系。盆地多由新生代地层组成,大部分是第三纪红色、桔红色的砂岩、泥岩、砂砾岩母质,上面覆盖着一层较薄的黄土状沉积物或洪积冲积物。锡林河流域位于北纬4326′~4439′,东经11532′~11712′,是蒙古构造剥蚀高原的一部分,东南高,西北低。属于温带半干旱大陆性草原气候,冬季寒冷干燥,夏季温暖湿润。年均气温2℃,年均降水量350MM左右,且80%集中于6~9月份。杨黎芳等栗钙土不同土地利用方式下有机碳和无机碳剖面分布特征159本区广泛分布着安山岩、流纹岩及大量以岩株,岩脉产出的钠长石化天河石花岗岩、云英岩化花岗岩、黑云母花岗岩及花岗斑岩,为现代土壤发育碳酸钙分布的不均匀性奠定了最初的物质基础。同时,由于在新生代,本区明显的升降运动和断裂运动造成大范围的断陷沉降,为第三系和第四系的湖相沉降创造了条件,而深厚的湖相沉积为第四纪形成的风积物准备了物质基础。在喜马拉雅运动期间,基性玄武岩岩浆沿断裂线大规模活动,并多次间歇性溢出地面,使玄武岩与湖相沉积物相互成层,因此玄武岩在本区分布广泛8。12研究方法2004年8月,在乌盟地区的武川、中旗、后旗、四王子旗和集宁等地采集了45个土壤剖面,其中耕地11个,退耕地13个,草原21个,耕地主要作物为马铃薯(SOLANUMTUBEROSUML)和油菜(BCHINENSISVAROLEIFERA),退耕地主要植被为紫花苜蓿(MEDICAGOSATIVAL)、草木樨(MILILOTUSSUAVEOLENS)、沙打旺(ASTRAGALUSADSURGENS)、沙蒿(ARTEMISIAARENARIA)和柠条(CARAGANAKORSHINSKII)等,草原为干旱半干旱草原植被,主要建群植物有克氏针茅(STIPAKRYLOVII)、羊草(LEYMUSCHINENSIS)、冷蒿(ARTEMISIAFRIGIDA)、百里香(THYMUSSERPLLUM)、冰草(AGROPYRONCRISTATUM)、短花针茅(STIPABREVIFLARA)、本氏针茅(STIPABUNGEANA)和赖草(LEYMUSSECALINUS)等。在锡林河流域典型草原采集了13个土壤剖面,主要建群植物有大针茅(STIPAGRANDIS),克氏针茅、羊草、糙隐子草(CLEISTOGENESSQUARROSA)、冷蒿、百里香、冰草、小叶锦鸡儿(CARAGANAMICROPHYLLA)和多根葱(ALLIUMPOLYRRHIZUM)等。土样经风干、粉碎过筛后,测定土壤有机碳和碳酸盐相当物的含量。土壤有机碳用重铬酸钾容量法-外加热法,碳酸盐相当物用气量法测定。由于在PH大于7且排水良好的土壤中无机碳含量主要是土壤碳酸盐,而且白云石和碳酸镁的含量很低,因此,无机碳的含量用碳酸盐相当物乘以碳酸钙中碳的摩尔分数012来表示。由于按照发生学层次采样,因此,在分析土壤碳含量随着深度变化时,先按照加权平均的方法,将其转化为等间隔深度(0~20,20~40,40~60,)。土壤碳密度(SCD)是指单位面积一定厚度土层中碳的数量(KGM2),是评价土壤中碳含量的一个重要指标,采用下式计算土壤有机碳密度(SCDO)和土壤无机碳密度(SCDI)NIIIICHSCD1100/其中N为土层数;IH为第I层土壤厚度(CM);I为第I层土壤容重(GCM3),采用乌盟地区第二次土壤普查栗钙土容重均值1245GCM3;IC为统计剖面第I层土壤的有机碳或无机碳含量(GKG1)。2结果与分析21土壤碳剖面分布规律211有机碳从土壤有机碳的剖面分布上看(图1),表层土壤最高,向下逐渐降低,80~120CM处接近于最低值,但不同土地利用方式差异很大。在20CM处,不同土地利用方式有机碳含量的分布规律为退耕地(1184GKG1)耕地(1035GKG1)干旱半干旱草原(986GKG1)典型草原(940GKG1)。耕地有一个剖面在80~120CM仍具有较高的有机碳含量(10GKG1);退耕地有一个剖面在20~40CM具有最高的有机碳含量(20GKG1);干旱半干旱草原有一个剖面在60CM处具有最高的有机碳含量(2062GKG1),而且有6个剖面在80~120CM仍具有较高的有机碳含量(10GKG1)。212无机碳无机碳在土壤剖面的分布也具有一定的规律051015202520016012080400土壤深度/CM051015202520016012080400051015202520016012080400土壤有机碳含量GKG1051015202520016012080400DCBA(注A为耕地,B为退耕地,C为干旱半干旱草原,D为典型草原)图1不同土地利用方式下土壤有机碳剖面分布特征FIG1ORGANICCARBONDISTRIBUTIONINTHESOILPROFILESOFCROPLANDA,GRASSRESTOREDCROPLANDB,SEMIARIDANDARIDPASTURECANDTYPICALSTEPPED160生态环境第16卷第1期(2007年1月)性(图2),一般情况下,近表层土壤具有相对脱钙现象,在40~80CM处达到最大值,随后,无机碳含量减小。在58个土壤剖面中,30个具有钙积层或钙积现象,且主要出现在40~80CM处。不同土地利用方式具有钙积现象、钙积层的剖面个数依次为耕地(3、0);退耕地(3,4);干旱半干旱草原(9,3);典型草原(4,4)。而且典型草原有一个剖面在140~180CM处仍具有较高的无机碳含量(10GKG1)。22碳密度对于不同土地利用方式下的土壤有机碳密度(表1)0~30CM变幅为334~423KGM2,0~50CM变幅为453~615KGM2,0~100CM变幅为670~1054KGM2;对于不同土地利用方式下的土壤无机碳密度0~30CM变幅为101~148KGM2,0~50CM变幅为247~358KGM2,0~100CM变幅为524~973KGM2。不同土地利用方式土壤剖面各对应层位有机碳密度分布规律为退耕地耕地干旱半干旱草原典型草原;不同土地利用方式土壤剖面无机碳密度分布规律比较复杂,0~30CM为干旱半干旱草原耕地退耕地典型草原,0~50CM为退耕地典型草原干旱半干旱草原耕地,0~100CM为退耕地典型草原耕地干旱半干旱草原。只有典型草原的0~100CM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。研究区土壤碳库主要形式是有机碳,其次是无机碳,用土壤碳密度的频数分布(图3)可以清楚解释这一现象,无机碳密度主要集中在0~2KGM2和≥14KGM2的范围内,其中,0~2KGM2占总数的43%,≥14KGM2占20%,这与土壤母质岩性有关。大多数剖面母质碳酸盐含量少,因而无机碳密度比较低,而母质碳酸盐含量高的剖面无机碳密度则相对较高。土壤有机碳主要集中在4~6KGM2到8~10KGM2的范围内。在4~6KGM2到12~14KGM2的范围内,有机碳与无机碳的比值大于1,除此之外则小于1。0102030405020016012080400土壤深度/CM0102030405020016012080400BA0102030405020016012080400土壤无机碳含量GKG10102030405020016012080400DC(注A为耕地,B为退耕地,C为干旱半干旱草原,D为典型草原)图2不同土地利用方式下土壤无机碳剖面分布特征FIG2INORGANICCARBONDISTRIBUTIONINTHESOILPROFILESOFCROPLANDA,GRASSRESTOREDCROPLANDB,SEMIARIDANDARIDPASTURECANDTYPICALSTEPPED表1不同土地利用方式土壤有机碳和无机碳密度TABLE1SOILORGANICANDINORGANICCARBONDENSITYINDIFFERENTLANDUSETYPES采样地点土地利用方式剖面数有机碳/KGM2无机碳/KGM2030CM050CM0100CM030CM050CM0100CM耕地11368572942127247563乌盟退耕地134236151054119358973干旱半干旱草原21340488726148282524锡林典型草原13334453670101318780均值366532848124300710010203040500224466881010121214≥14土壤碳密度KGM2频数分布100CM无机碳100CM有机碳图3土壤有机碳和无机碳密度的频数分布FIG3FREQUENCYDISTRIBUTIONSOFORGANICCARBONANDINORGANICCARBONINCHESTNUTSOILS杨黎芳等栗钙土不同土地利用方式下有机碳和无机碳剖面分布特征1613讨论土壤碳酸盐含量具有以下两种剖面分布形式(1)低高(低)(高)型,低高(低)是土壤碳酸盐分布的最基本形式,低高低高说明土壤碳酸盐至少经历了两次沉积循环;(2)高低(高)(低)型,可能是由于土壤侵蚀使碳酸盐累积层变浅甚至暴露,这样,土壤表层中的钙与有机质分解释放出的钙,在雨季以重碳酸钙形态向下淋溶,在土壤下层淀积形成新的碳酸盐累积层。一般认为,非砾质物质中钙积层有四个发育阶段9。非砾质物质指直径小于2MM的颗粒含量低于35%(按体积计)的现代河流沉积物或类似的沉积物。第Ⅰ阶段,碳酸盐聚集层有少量丝状淀积物或结构体的模糊包膜;第Ⅱ阶段,有少至中量凝团;第Ⅲ阶段,有大量胶结或硬结的碳酸盐凝团和扩散在凝团间的碳酸盐侵染物和胶结物;第Ⅳ阶段,在第Ⅲ阶段堵塞层的顶部淀积了一层或多层近乎纯净的碳酸盐薄片。在本研究中,钙积层的发育阶段为第Ⅰ阶段,这与栗钙土形成的年龄以及有机碳含量有关。栗钙土形成于全新世时期,年龄集中在距今5000~6000A之间10。且当土壤有机碳含量低时,生物累积作用弱,成土过程缓慢。土壤无机碳含量的多少与母质的岩性有关,由石灰岩、玄武岩和黄土母质发育的土壤碳酸盐的含量较高,砂岩、页岩和花岗岩母质发育的土壤则相反。此外,碳酸盐的累积与土壤淋溶程度有直接关系。淋溶潜力主要由降水量、蒸散量和温度等气候条件以及地形所决定。耕地一般坡度较小,淋溶条件好,CACO3基本被淋洗,即使在含钙高的母质形成的淀积层,也仅以假菌丝状出现,淀积层位较深。退耕地坡度一般大于15,淋洗强度相对较小,淀积层较浅。干旱半干旱草原植被盖度低,水土流失严重,CACO3淋溶不彻底,仅从剖面上部略微移到下部,而且有的剖面由于植被稀疏,土壤严重退化,使CACO3累积层暴露。典型草原由于年均降水量较大,CACO3在土体淋溶比干旱半干旱草原彻底,因而在剖面下部淀积较多。研究区内耕地主要位于平缓的地带,传统方式下典型的精耕细作以及施肥不断增加和补充了土壤有机质,因此,耕地和退耕地的有机碳密度比干旱半干旱草原和典型草原的有机碳密度高。干旱半干旱草原的植被主要旱生类杂草构成,地上生物量较典型草原大,地下根系分布较深,因此,有机碳密度相对较高。典型草原的植被主要由禾本科牧草构成,植物地下生物量大部分集中于30CM以上,这一地下生物量的状况决定了土壤有机碳在剖面的分布较浅、含量较低的特点。利用方式不同的土地,土壤中有机碳、无机碳在剖面上的分布存在着明显的差异,说明不同土地利用方式对于有机碳的积累和无机碳在土壤中的淋溶和淀积过程有着重要的影响。由于土壤中碳含量的不同而形成不同的土地利用格局,这是由于土地利用有选择的分布以及与不同土地利用管理措施有关。研究区退耕地的退耕年限为1~8A,退耕地在退耕之前与耕地相比,土壤碳含量相对较低,但在相当短的时间尺度上土壤碳含量增加。在充足钙源条件下,随着有机碳增加,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。4结论在不同利用土地方式下,土壤中有机碳、无机碳在剖面上的分布存在着明显的差异,100CM深的土壤有机碳密度平均值为848KGM2,无机碳密度平均值为710KGM2,因此,栗钙土碳库的主要形式是有机碳,其次是无机碳。不同土地利用方式100CM深土壤有机碳密度的顺序为退耕地耕地干旱半干旱草原典型草原;无机碳密度为退耕地典型草原耕地干旱半干旱草原。参考文献1ESWARANHE,VANDENBERGE,REICHPORGANICCARBONINSOILSOFTHEWORLDJSOILSCIENCESOCIETYOFAMERICANJOURNAL,1993,571921942ESWARANH,REICHF,KIMBLEJMGLOBALSOILCARBONSTOCKSC//LALR,KIMBLEJ,ESWARANHETALEDSGLOBALCLIMATECHANGEANDPEDOGENICCARBONATESUSALEWISPUBLISHERS,200015263潘根兴中国土壤有机碳和无机碳库量研究J科技通报,1999,155330332PANGENXINGSTUDYONCARBONRESERVOIRINSOILSOFCHINAJBULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,1999,1553303324王绍强,周成虎中国陆地土壤有机碳库的估算J地理研究,1999,184349355WANGSHAOQIANG,ZHOUCHENGHUESTIMATINGSOILCARBONRESERVOIROFTERRESTRIALECOSYSTEMINCHINAJGEOGRAPHICALRESEARCH,1999,1843493555王绍强,周成虎,李克让,等中国土壤有机碳库及空间分布特征分析J地理学报,2000,555533544WANGSHAOQIANG,ZHOUCHENGHU,LIKERANG,ETALANALYSISONSPATIALDISTRIBUTIONCHARACTERISTICSOFSOILORGANICCARBONRESERVOIRINCHINAJACTAGEOGRAPHICALSINICA,2000,5555335446李克让,王绍强,曹明奎中国植被和土壤碳贮量J中国科学,2003,3317280LIKERANG,WANGSHAOQIANG,CAOMINGKUIVEGETATIONANDSOILCARBONSTORAGEINCHINAJSCIENCEINCHINA,2003,33172807解宪丽,孙波,周慧珍,等中国土壤有机碳密度和储量的估算与162生态环境第16卷第1期(2007年1月)空间分布分析J土壤学报,2004,1413543XIEXIANLI,SUNBO,ZHOUHUIZHEN,ETALORGANICCARBONDENSITYANDSTORAGEINSOILSOFCHINAANDSPATIALANALYSISJACTAPEDOLOGICASINICA,2004,14135438汪久文,蔡蔚祺锡林河流域土壤的发生类型及其性质的研究C//中国科学院内蒙古草原生态系统定位站草原生态系统研究第3集北京科学出版社,198832383WANGJIUWEN,CAIWEIQISTUDIESONGENESIS,TYPESANDCHARACTERISTICSOFTHESOILSOFTHEXILINRIVERBASINC//INNERMONGOLIAGRASSLANDECOSYSTEMRESEARCHSTATIONRESEARCHONGRASSLANDECOSYSTEMNO3BEIJINGSCIENCEPRESS,1988323839雷文进钙积M//于天仁,陈志诚土壤发生中的化学过程北京科学出版社,1990336365LEIWENJINGCALCIFICATIONM//YUTIANREN,CHENZHICHENGCHEMICALPROCESSDURINGTHEFORMATIONOFSOILBEIJINGSCIENCEPRESS,199033636510刘良梧,茅昂江栗钙土的年龄J土壤学报,1989,262159163LIULIANGWU,MAOANGJIANGTHEAGEOFCHESTNUTSOILSJACTAPEDOLOGICASINICA,1989,262159163PROFILEDISTRIBUTIONOFSOILORGANICANDINORGANICCARBONINCHESTNUTSOILSOFINNERMONGOLIAYANGLIFANG,LIGUITONG,ZHAOXIAORONG,LINQIMEIKEYLABORATORYOFSOILSCIENCEANDWATER,MINISTRYOFAGRICULTURE//KEYLABORATORYOFSOILPLANTINTERACTION,MINISTRYOFEDUCATION//COLLEGEOFRESOURCESANDENVIRONMENTALSCIENCES,CHINAAGRICULTURALUNIVERSITY,BEIJING100094,CHINAABSTRACTCHESTNUTSOILSARETYPICALZONALSOILSINSEMIARIDZONESPROFILEDISTRIBUTIONOFCONTENTSANDDENSITIESOFSOILORGANICANDINORGANICCARBONSOCANDSICHAVEBEENESTIMATEDINCHESTNUTSOILSTHEOBJECTIVEOFTHISSTUDYISINVESTIGATEDTHEDISTRIBUTIONOFSOILCARBONINDIFFERENTLANDUSETYPES,ANDANALYZEDTHECAUSESANDFORMINGMECHANISMOFTHEIRDISTINCTIVEDISTRIBUTIONCHARACTERISTICSTHEESTIMATEWASDERIVEDFROM58PROFILESSAMPLEDINWULANCHABUCOUNTYANDXILINRIVERBASINOFINNERMONGOLIAPROFILEDISTRIBUTIONOFSICMAINLYHASTWOTYPESLOWHIGHLOWHIGHANDHIGHLOWHIGHLOW,THELATTERMAYBEINDUCEDBYSOILEROSIONANDCARBONATEREDISTRIBUTIONTHEMEANSOCDENSITYFOR100CMDEPTHCOLUMNWAS848KGM2,GRASSRESTOREDCROPLANDCROPLANDSEMIARIDANDARIDPASTURETYPICALSTEPPE,INTENSIVELYACCUMULATEDINTHETOPSOIL,ANDTHESOCDENSITYOF030CMISABOUT43LARGERTHANTHATOF0100CMTHEMEANSICDENSITYFOR100CMDEPTHCOLUMNWAS710KGM2,GRASSRESTOREDCROPLANDTYPICALSTEPPECROPLANDSEMIARIDANDARIDPASTURE,TENDSTOCONCENTRATEINDEEPSOILS,THESICDENSITYOF50100CMISABOUT58LARGERTHANTHATOF0100CMKEYWORDSCHESTNUTSOILS;SOILORGANICCARBON;SOILINORGANICCARBON;CARBONCONTENT;CARBONDENSITY

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