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生态环境 2007, 16(1): 158-162 Ecology and Environment E-mail: 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。 E-mail: 收稿日期: 2006-07-12 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。 100 cm 深的土壤有机碳密度的平均值为 8.48 kgm-2,退耕地 耕地 干旱半干旱草原 典型草原 , 主要分布在表层, 0 30 cm土壤 有机碳密度 为 0 100 cm的 43左右; 而土壤 无机碳 密度的平均值为 7.10 kgm-2, 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 , 50 100 cm无机碳密度 为 0 100 cm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: S153.6 文献标识码: A 文章编号: 1672-2175( 2007) 01-0158-05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 3.3倍,生物碳库的 4.5倍。 土壤碳库 0.1%的变化将导致大气圈 CO2的浓度 提高 1 mgm-3 1,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 940 Pg,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 3,4-7。 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 21.3%,大约243.4 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 1.1 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 1800 m。 属于温带半干旱大陆性季风气候, 年均气温 2 , 年均 降 水 量 307 409 mm,从南向北递减 , 蒸发量是降 水 量的 4.3 7.5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 350 mm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。 1.2 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 ( Solanum tuberosum L. ) 和 油菜 ( B. chinensisvar. oleifera) ,退耕地主要植被为紫花苜蓿 ( Medicago sativa L. ) 、 草木樨 ( Mililotus suaveolens) 、沙打旺 ( Astragalus adsurgens) 、沙蒿( Artemisia arenaria) 和 柠条 ( Caragana korshinskii)等,草 原 为 干旱半干旱草原植被 ,主要 建群植物 有克氏针茅( Stipa krylovii)、 羊草( Leymus chinensis) 、冷蒿( Artemisia frigida)、 百里香( Thymus serpllum) 、冰草( Agropyron cristatum)、短花针茅( Stipa breviflara)、本氏针茅( Stipa bungeana) 和 赖草( Leymus secalinus) 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( Stipa grandis), 克氏针茅、羊草、糙隐子草( Cleistogenes squarrosa)、冷蒿、百里香、冰草、 小叶 锦鸡儿( Caragana microphylla) 和 多根葱( Allium pol-yrrhizum)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 0.12 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, 4060, ) 。 土壤碳密度 ( SCD) 是指单位面积一定厚度土层中碳的数量( kgm-2),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): ni iii CHS C D 1 1 0 0/ 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( gcm-3),采用乌盟地区第二次土壤普查 栗钙土 容重均值 1.245 gcm-3;iC为统计剖面第 i 层土壤的有机碳或无机碳含量( gkg-1)。 2 结果与分析 2.1 土壤碳剖面分布规律 2.1.1 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 , 80 120 cm处接近于最 低值, 但不同土地利用方式差异很大 。 在 20 cm处,不同土地利用方式有机碳含量的分布规律为: 退耕地( 11.84 gkg-1) 耕地( 10.35 gkg-1) 干旱半干旱草原 ( 9.86 gkg-1) 典型草原 ( 9.40 gkg-1)。耕地有一个剖面在 80 120 cm仍具有较高的有机碳含量( 10 gkg-1);退耕地有一个剖面在 20 40 cm具有最高的有机碳含量( 20 gkg-1); 干旱半干旱草原 有一个剖面在 60 cm处 具有 最 高的有机碳含量( 20.62 gkg-1) ,而且有 6个剖面在 80 120 cm仍具有较高的有机碳含量( 10 gkg-1)。 2.1.2 无机碳 无机碳在土壤剖面的分布也具有一定的规律0 5 10 15 20 2520016012080400 土壤深度/cm0 5 10 15 20 2520016012080400 0 5 10 15 20 2520016012080400土壤有机碳含量 (g kg-1) 0 5 10 15 20 2520016012080400DCBA (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 Fig. 1 Organic carbon distribution in the soil profiles of cropland (A), grass-restored cropland (B), semi-arid and arid pasture (C) and typical steppe (D) 160 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 80 cm 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 80 cm 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 140 180 cm 处仍具有较高的无机碳含量( 10 gkg-1)。 2.2 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 30 cm 变幅为 3.34 4.23 kgm-2, 050 cm 变幅为 4.53 6.15 kgm-2, 0 100 cm 变幅为6.70 10.54 kgm-2; 对于不同土地利用方式下的土壤无机碳密度: 0 30 cm 变幅为 1.01 1.48 kgm-2,0 50 cm 变幅为 2.47 3.58 kgm-2, 0 100 cm 变幅为 5.24 9.73 kgm-2。 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 30 cm 为干旱半干旱草原 耕地 退耕地 典型草原 , 0 50 cm 为退耕地 典型草原 干旱半干旱草原 耕地 , 0 100 cm 为退耕地 典型草 原 耕地 干旱半干旱草原 。 只有典型草原的 0 100 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。 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 2 kgm-2和 14 kgm-2 的范围内,其中, 0 2 kgm-2 占总数的 43, 14 kgm-2 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 6 kgm-2到 8 10 kgm-2 的范围内。在 4 6 kgm-2 到 12 14 kgm-2 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。 0 10 20 30 40 5020016012080400 土壤深度/cm 0 10 20 30 40 5020016012080400BA 0 10 20 30 40 5020016012080400 土壤无机碳含量 (g k g-1)0 10 20 30 40 5020016012080400DC (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 Fig. 2 Inorganic carbon distribution in the soil profiles of cropland (A), grass-restored cropland (B), semi-arid and arid pasture (C) and typical steppe (D) 表 1 不同土地利用方式土壤有机碳和无机碳密度 Table 1 Soil organic and inorganic carbon density in different land use types 采样地点 土地利用方式 剖面数 有机碳 /(kgm-2) 无 机碳 /(kgm-2) 030 cm 050 cm 0100 cm 030 cm 050 cm 0100 cm 耕地 11 3.68 5.72 9.42 1.27 2.47 5.63 乌盟 退耕地 13 4.23 6.15 10.54 1.19 3.58 9.73 干旱半干旱草原 21 3.40 4.88 7.26 1.48 2.82 5.24 锡林 典型草原 13 3.34 4.53 6.70 1.01 3.18 7.80 均值 3.66 5.32 8.48 1.24 3.00 7.10 010203040500 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 14 14土壤碳密度 ( kg m-2)频数分布(%)10 0c m 无机碳10 0c m 有机碳 图 3 土壤有机碳和无机碳密度的频数分布 Fig. 3 Frequency distributions of organic carbon and inorganic carbon in Chestnut soils 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 161 3 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 2 mm 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 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 阶段 , 有少至中量凝团;第 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 阶段 , 在第 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 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 5 000 6 000 a 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 30 cm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 8 a, 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, 100 cm深的土壤有机碳密度平均值为 8.48 kgm-2,无机碳密度平均值为 7.10 kgm-2,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 100 cm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 : 1 ESWARAN H E, VAN DEN BERG E, REICH P. Organic carbon in soils of the worldJ. Soil Science Society of American Journal, 1993, 57: 192-194. 2 ESWARAN H, REICH F, KIMBLE J M. Global soil carbon stocksC / LAL R, KIMBLE J, ESWARAN H. et al. eds. Global Climate Change and Pedogenic Carbonates. USA: Lewis Publishers, 2000: 15-26. 3 潘根兴 . 中国土壤有机碳和无机碳库量研究 J. 科技通报 , 1999, 15(5): 330-332. PAN Genxing. Study on carbon reservoir in soils of ChinaJ. Bulletin of Science and Technology, 1999, 15(5): 330-332. 4 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, 18(4): 349-355. WANG Shaoqiang, ZHOU Chenghu. Estimating soil carbon reservoir of terrestrial ecosystem in ChinaJ. Geographical Research, 1999, 18 (4): 349-355. 5 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, 55(5): 533-544. WANG Shaoqiang, ZHOU Chenghu, LI Kerang, et al. Analysis on spatial distribution characteristics of soil organic carbon reservoir in ChinaJ. Acta Geographical Sinica, 2000, 55(5): 533-544. 6 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, 33 (1): 72-80. LI Kerang, WANG Shaoqiang, CAO Mingkui. Vegetation and soil carbon storage in ChinaJ. Science in China, 2003, 33(1): 72-80. 7 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, 14(1): 35-43. XIE Xianli, SUN Bo, ZHOU Huizhen, et al. Organic carbon density and storage in soils of china and spatial analysisJ. Acta Pedologica Sinica, 2004, 14(1): 35-43. 8 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 , 1988(3): 23-83. WANG Jiuwen, CAI Weiqi. Studies on genesis, types and characteris-tics of the soils of the Xilin River BasinC / Inner Mongolia Grass-land Ecosystem Research Station. Research on Grassland Ecosystem. No.3. Beijing: Science Press, 1988(3): 23-83. 9 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 , 1990: 336-365. LEI Wenjing. CalcificationM/YU Tianren, CHEN Zhicheng. Chemical Process during the Formation of Soil. Beijing: Science Press, 1990: 336-365. 10 刘良梧 , 茅昂江 . 栗钙土的年龄 J. 土壤学报 , 1989, 26(2): 159-163. LIU Liangwu, MAO Angjiang. The age of chestnut soilsJ. Acta Pedologica Sinica, 1989, 26(2): 159-163. Profile distribution of soil organic and inorganic carbon in chestnut soils of Inner Mongolia YANG Lifang, LI Guitong, ZHAO Xiaorong, LIN Qimei Key Laboratory of Soil Science and Water, Ministry of Agriculture/Key Laboratory of Soil-Plant Interaction, Ministry of Education/College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100094, China Abstract: Chestnut soils are typical zonal soils in semiarid zones. Profile distribution of contents and densities

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