王彥麗

（內(nèi)蒙古鄂爾多斯市環(huán)境保護(hù)中心監(jiān)測(cè)站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

水土流失伴隨著SOC的流失［1］，特別是在地形破碎、溝壑縱橫的黃土高原地區(qū)，嚴(yán)重的土壤侵蝕導(dǎo)致該地區(qū)的SOC密度和儲(chǔ)量均處于全國(guó)最低水平，甚至SOC含量與母質(zhì)沒有差異［2］。水土流失治理可顯著提高SOC含量，據(jù)估計(jì)，全球水土流失治理的固碳潛力為1．47～3．04PgC／a［3］。植被恢復(fù)是治理水土流失的根本措施，一方面，植物根系通過對(duì)土壤的穿插、纏繞、網(wǎng)絡(luò)以及固結(jié)作用，增加了土壤的抗蝕性、抗沖性以及固定作用［4－5］；另一方面，植物根系主要通過影響有機(jī)物向土壤中的歸還量［6－7］及其本身性質(zhì)的差異［8］最終導(dǎo)致SOC的差異。根系作為聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)地上過程和地下過程的樞紐［9］，影響著土壤中養(yǎng)分向植物體的輸送以及養(yǎng)分在土壤中的運(yùn)移［10］。根系分布影響土壤剖面中碳的位置，而植被的地上地下部分的分配影響碳在剖面內(nèi)的相對(duì)數(shù)量［11］。目前，大量的研究關(guān)注植被恢復(fù)措施（根系）在水土流失中的作用，但水土流失治理（植被恢復(fù)措施）后，根系生物量與SOC的剖面分布及二者的關(guān)系研究相對(duì)較少。

近年來(lái)，通過植被重建，治理水土流失、提高區(qū)域碳匯能力進(jìn)而改善生態(tài)環(huán)境成為黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要目標(biāo)，但剖面內(nèi)根系與SOC的分布特征以及二者的關(guān)系研究很少。因此，本研究基于黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域，在同一地形上（梁峁坡），選取不同的植被恢復(fù)措施，研究剖面內(nèi)SOC與細(xì)根生物量的分布特征，以期為揭示根系對(duì)SOC影響的機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1．1 流域概況

燕溝流域（36°28′—36°32′N，109°20′—109°35′E）位于陜西省延安市寶塔區(qū)，主溝長(zhǎng)8．6km，呈東南—西北流向，總面積約48km2，海拔986～1 425m，以梁峁地貌為主，溝壑密度為4．8km／km2，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。研究區(qū)為暖溫帶半濕潤(rùn)向半干旱過渡區(qū)，年平均氣溫9．8℃，多年平均降雨量約558 mm。土壤為半熟化狀態(tài)的黃綿土（約占90%以上），肥力較低。治理前（1997年以前）流域水土流失面積42．55km2，占總面積的88．65%，土壤侵蝕模數(shù)為9 000t／（km2·a），屬于強(qiáng)度水土流失地區(qū)［12］。

該區(qū)植被類型多樣，屬暖溫帶闊葉林向溫帶草原過渡地帶。人工草被主要為紫花苜蓿（MedicagosativaL），分布較少；人工灌木林主要為檸條（Caraganakorshinskii）、沙棘（Hippophaerhamnoides）、杠柳（PeriplocasepiumBge）；人工喬木主要為刺槐（Robiniapseudoacacia）、山楊（Pobulusdavidiana）、油松（Pinustabulaeformis）、仁用杏（Prnuusarmeniacsibirica）、側(cè)柏（Biotaorientalis）。天然草被主要為鐵桿 蒿 （Artemisiagmelinii）、長(zhǎng) 芒 草 （Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloaischaemum）、狗尾草（SetariaviridisL．）、黃蒿（Artemisiascoparia）；天然灌木林主要為黃刺玫（Rosaxanthina）、狼牙刺（S．viciifdia）、虎榛子 （OstryopsisDavidianaDcne）、灰栒子（CotoneasteracutifoliusTurcz）、北京丁香（SyringapekinensisRupr）；天然喬木林主要為遼東 櫟 （Queccusliaotungensis）、白 樺 （Betula platyphylla）、天然小喬木鼠李（Rhamnusdavurica）。其中，灌木林分布最廣。

1997年以來(lái)，在流域南部、中部、北部配置了不同的水土流失治理措施，南部主要以涵養(yǎng)水源的天然次生林為主，中部以人工水土保持植被為主，北部以農(nóng)田和經(jīng)濟(jì)林為主。

1．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

于2009年6月植被生長(zhǎng)旺盛期進(jìn)行野外樣品的采集，采樣深度定為1m，共采集了10個(gè)植被群落（表1），包括草本、灌木和喬木，分析其剖面內(nèi)根系生物量（細(xì)根）和SOC的差異。為排除其他立地因子的干擾，所選樣地都在峁坡上，并保證其他環(huán)境因子基本一致。采樣時(shí)利用GPS進(jìn)行定位，并記錄每個(gè)樣點(diǎn)的海拔、經(jīng)緯度、地形地貌、植被特征、坡向、采樣點(diǎn)重復(fù)次數(shù)、采樣深度等信息。

每個(gè)樣地的土壤樣品各采3次重復(fù)，用直徑為3 cm的土鉆（根樣采5次重復(fù)，用直徑為9cm的根鉆）從地表豎直向下分別采集0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100cm土層的樣品。土壤樣品用自封袋收集，根樣用塑料袋收集，所有樣品帶回室內(nèi)進(jìn)行分析。

表1 燕溝流域樣地信息

1．3 室內(nèi)分析

新鮮土樣混合均勻后置于陰涼處自然風(fēng)干，風(fēng)干樣磨細(xì)過0．25mm篩，測(cè)定SOC（H2SO4—K2Cr2O7外加熱法）［13］含量。挑出土壤中的所有根系，按處理和重復(fù)編號(hào)后放于塑封袋中，用水清洗干凈后，按直徑Φ≤2mm（細(xì)根）和Φ＞2mm（粗根）分為兩級(jí)。將直徑小于2mm的根系用小紙袋裝好置于鼓風(fēng)干燥箱中70～80℃烘干至恒重，再分別稱重和記錄。

1．4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理；使用統(tǒng)計(jì)軟件SAS進(jìn)行方差分析（Proc GLM程序包），當(dāng)F檢驗(yàn)顯著時(shí)再進(jìn)行各樣地均值間的比較（Duncan法），用軟件Sigmaplot 10．0作圖。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同治理措施下SOC和根系的分布

表2顯示了不同植被治理措施下SOC和細(xì)根密度的變化狀況。在0—100cm剖面內(nèi)，不同治理措施下的SOC呈現(xiàn)出灌木＞喬木＞灌草＞草本的趨勢(shì)（p＜0．05）。以草本治理措施為對(duì)照，在0—10cm土層，灌 木 （12．13g／kg）、喬 木 （14．01g／kg）、灌 草（10．54g／kg）治理措施的SOC分別是草本治理措施（9．08g／kg）的1．34，1．56，1．16倍；在10—20cm土層，灌木（9．50g／kg）、喬木（8．30g／kg）、灌草（8．53 g／kg）治理措施的SOC分別是草本治理措施（7．57 g／kg）的1．26，1．10，1．13倍；在20—100cm土層，灌木（4．01～6．78g／kg）、喬木（3．76～6．43g／kg）、灌草（3．13～6．92g／kg）治理措施的SOC分別是草本治理措施（2．15～2．97g／kg）的1．56～2．28，1．47～2．16，1．45～2．33倍。

在0—100cm剖面內(nèi)，不同治理措施下的細(xì)根密度呈現(xiàn)出喬木＞灌木＞灌草＞草本的趨勢(shì)（p＜0．05）。以草本治理措施為對(duì)照，在0—10cm土層，灌木 （1．78mg／cm3）、喬 木 （1．92mg／cm3）、灌 草（1．03mg／cm3）治理措施的細(xì)根密度分別是草本治理措施（1．30mg／cm3）的1．37，1．48，0．79倍；在10—20 cm土層，灌木（1．57mg／cm3）、喬木（1．95mg／cm3）、灌草（1．06mg／cm3）治理措施的細(xì)根密度分別是草本治理措施（0．33mg／cm3）的4．76，5．91，3．21倍；在20—100cm土層，灌木（0．18～1．08mg／cm3）、喬木（0．33～0．89mg／cm3）、灌草（0．16～0．57mg／cm3）治理措施的細(xì)根密度分別是草本治理措施（0．04～0．17mg／cm3）的1．96～7．09，4．00～8．13，1．45～5．00倍。

2．2 不同治理措施下SOC和根系的垂直分異

表2給出了不同治理措施下植被群落的SOC和細(xì)根密度在1m土層范圍內(nèi)的垂直分布情況。SOC和細(xì)根生物量都隨土層深度的增加呈對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)（圖1），但同一土層SOC和細(xì)根生物量的分布不一致。

圖1 SOC和根系密度與土層深度的關(guān)系

在剖面內(nèi)，以40—100cm土層的SOC和細(xì)根生物量為對(duì)照，在0—10cm土層，灌木、喬木、灌草和草本治理措施的SOC和細(xì)根生物量分別為底層（40—100cm）的2．69倍和2．00倍、3．40倍和1．55倍、2．72倍和1．50倍以及3．59倍和5．91倍；在10—20 cm土層，灌木、喬木、灌草和草本治理措施的SOC和細(xì)根生物量分別為底層（40—100cm）的2．11倍和1．76倍、2．02倍和1．58倍、2．20倍和1．55倍以及2．99倍和1．50倍；在20—40cm土層，灌木、喬木、灌草和草本治理措施的SOC和細(xì)根生物量分別為底層（40—100cm）的1．50倍和1．21倍、1．56倍和0．72倍、1．78倍和0．82倍以及1．17倍和0．77倍。

在0—10cm土層，灌木、喬木、灌草和草本治理措施的SOC和細(xì)根生物量分別占整個(gè)剖面的29%和33%，34%和32%，28%和31%以及38%和64%；在10—20cm土層，灌木、喬木、灌草和草本治理措施的SOC和細(xì)根生物量分別占整個(gè)剖面的23%和30%，20%和33%，23%和32%以及28%和16%；在20—40cm土層，灌木、喬木、灌草和草本治理措施的SOC和細(xì)根生物量分別占整個(gè)剖面的16%和20%，16%和15%，18%和17%以及11%和8%；但在40—100 cm土層，灌木、喬木、灌草和草本治理措施的SOC和細(xì)根生物量分別占整個(gè)剖面的32%和17%，30%和21%，31%和21%以及28%和11%。

表2 不同土層有機(jī)碳和根系的差異

3 討 論

3．1 根系生物量對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

植被根系一方面能減少水土流失［14－15］，另一方面顯著地影響土壤中有機(jī)碳的累積，根系對(duì)SOC的影響主要表現(xiàn)在：不同植被治理措施歸還到土壤中的根系生物量不同，在0—100cm剖面內(nèi)，灌木、喬木以及灌草恢復(fù)措施的根系生物量分別是草本恢復(fù)措施根系生物量的4．3倍、5．2倍以及3．1倍（表2），這與已有的研究結(jié)果類似［6－7］；不同根系的生物化學(xué)性狀不同，從而使得有機(jī)物的分解速率不同［16－17］。例如，林草地根系的降解性要難于農(nóng)田，因?yàn)榈蚵湮锓纸獾碾y易程度與自身的C∶N呈反相關(guān)［16］；地下根系的生化特征會(huì)因植被類型的改變而發(fā)生顯著的變化，例如，玉米根系中的纖維素和木質(zhì)數(shù)含量分別為49%和12%，黑麥草中則分別為30%和9%［17］。根系分泌物和細(xì)根的周轉(zhuǎn)是SOC的主要來(lái)源［16，18］，但不是唯一的來(lái)源，同時(shí)土壤中的有機(jī)碳的累積還受其他環(huán)境因素和生物因素的制約，這可以從根系生物量與SOC的對(duì)數(shù)關(guān)系得到驗(yàn)證（圖2）［19］，即隨著根系密度的增加土壤有機(jī)碳呈對(duì)數(shù)增加趨勢(shì)，但不同植被恢復(fù)措施的增加程度不同，且呈現(xiàn)出喬木措施（單位根系密度的轉(zhuǎn)化系數(shù)為4．38）＞灌草措施（單位根系密度的轉(zhuǎn)化系數(shù)3．91）＞灌木措施（單位根系密度的轉(zhuǎn)化系數(shù)為2．87）＞草本措施（單位根系密度的轉(zhuǎn)化系數(shù)2．33）的趨勢(shì)。隨著根系輸入到土壤中的有機(jī)物質(zhì)增加，SOC不斷積累，越利于植被的生長(zhǎng)，從而能更有效地減少水土流失和改善生態(tài)環(huán)境，特別在水土流失嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境惡化的黃土高原地區(qū)顯得尤為重要。

3．2 土壤有機(jī)碳和根系的垂直分異

根系作為SOC的主要來(lái)源［18］，其在剖面的分布及數(shù)量決定著SOC的分布以及數(shù)量，但根系生物量不是決定SOC分布以及數(shù)量的唯一因素，因而研究發(fā)現(xiàn)SOC和根系在剖面的分布并不一致（表1），例如，Weaver等［20］發(fā)現(xiàn)，在0—15cm的土層中有機(jī)質(zhì)含量占整個(gè)剖面（0—100cm）的40%，但相應(yīng)土層中的根系生物量卻占整個(gè)剖面生物量的70%；同時(shí)Gill［21］研究也發(fā)現(xiàn)，在0—100cm 的剖面中，根系生物量的75%處于0—15cm處，而相應(yīng)的有機(jī)質(zhì)卻只占23%；盡管根系與SOC在剖面的分布并不一致，但王一冬［19］在我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)研究得出，在0—300cm的土壤剖面中，根系生物量密度與SOC含量呈正的線性相關(guān)（R2＝0．62），但與SIC呈負(fù)的指數(shù)相關(guān)；但也有學(xué)者研究得出土壤有機(jī)碳在剖面內(nèi)的分布不僅決定著根系的分布［20］，植被類型的自身性質(zhì)或者降水也可以決定其分布［19］。已有的研究表明植被的根系分布比土壤有機(jī)碳的分布淺［13］。

無(wú)論是SOC還是根系生物量，均呈現(xiàn)出上層（0—20cm）大于下層（20—100cm）的趨勢(shì)，這與許多研究者得出的結(jié)論一致［22］，這可能與剖面內(nèi)微生物的分布、數(shù)量、結(jié)構(gòu)有關(guān)，還有可能與剖面內(nèi)土壤中的養(yǎng)分狀況以及水分可利用性密切相關(guān)，但具體原因有待進(jìn)一步研究。

圖2 SOC和根系密度的關(guān)系

根系生物量和SOC在不同植被治理措施下呈現(xiàn)出明顯差異，無(wú)論是根系生物量還是SOC均呈現(xiàn)出表層大于深層的趨勢(shì)，且均隨土層深度的增加呈對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)；SOC和根系在剖面的分布不一致，并且根系比SOC的分布淺，但二者呈對(duì)數(shù)增加趨勢(shì)。

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