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納木錯(cuò)典型小流域土壤有機(jī)碳含量空間分布

2017-05-30 10:48:04鄭梓萱曾辰
關(guān)鍵詞:有機(jī)碳空間分布土壤

鄭梓萱 曾辰

摘要:【目的】探求青藏高原高寒草甸高山流域土壤有機(jī)碳含量的空間分布規(guī)律,為全球變化和退牧還草背景下區(qū)域有機(jī)碳含量估算及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)提供參考?!痉椒ā窟x取青藏高原中部納木錯(cuò)典型凍土小流域,在該流域不同海拔、坡向分別采集淺層(0~10 cm)和根系底層(20~30 cm)的土壤樣品,測(cè)定不同海拔、坡向和土層間的土壤有機(jī)碳含量,并分析其空間分布規(guī)律?!窘Y(jié)果】研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量介于0.95~47.28 g/kg,平均為13.44 g/kg,隨海拔升高呈降低趨勢(shì);不同坡向土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為北向坡最高(16.41 g&g),南向坡最低(8.47 g/kg),東向坡(12.10 g/kg)和西向坡(12.17 g/kg)居中且較接近;淺層(0~10 cm)土壤有機(jī)碳含量(20.01 g/kg)較根系底層(20~30 cm)土壤有機(jī)碳含量(6.88 g/kg)高?!窘Y(jié)論】納木錯(cuò)流域土壤有機(jī)碳含量與海拔、坡向和土層深度等因素顯著相關(guān),流域平均含量較青藏高原其他地區(qū)低。

關(guān)鍵詞:土壤;有機(jī)碳;空間分布;納木錯(cuò)流域

中圖分類(lèi)號(hào):S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-1191(2017)12-2152-05

0引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳不僅與地表植被密切相關(guān),還可通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響土壤水熱過(guò)程(Chen et al.,2012)和土壤可蝕性(張科利等,2007),是評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。青藏高原地區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占全國(guó)碳庫(kù)儲(chǔ)量的23%,占全球土壤碳庫(kù)總儲(chǔ)量的2%,在亞洲乃至全球氣候變化中扮演重要角色(王根緒等,2002)。受地形、植被和人類(lèi)活動(dòng)等因素影響,土壤有機(jī)碳具有強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性,使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)及相關(guān)的水文和土壤侵蝕等研究存在不確定性(陳飛,2016)。因此,以流域?yàn)榛締卧?,探索青藏高原典型小流域土壤有機(jī)碳空間分布特征及其含量估算方案,對(duì)全球變化和退牧還草工程背景下高原地區(qū)開(kāi)展生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】王根緒等(2002)報(bào)道了青海和西藏16種典型類(lèi)型土壤的有機(jī)碳平均含量,發(fā)現(xiàn)草甸土類(lèi)的土壤有機(jī)碳最豐富。田玉強(qiáng)等(2007)分析了高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的影響因子,發(fā)現(xiàn)降水和土壤黏粒對(duì)表層土壤有機(jī)碳分布的影響較大。吳雅瓊等(2008)對(duì)青藏高原土壤普查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,定量研究了青藏高原28個(gè)典型土壤類(lèi)型、14個(gè)主要生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型0~20、20~50和50~100 cm土層土壤有機(jī)碳密度的垂直分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)28個(gè)典型土壤類(lèi)型淺層(0~20 cm)有機(jī)碳密度平均值較深層(20~50和50~100 cm)高。蔡曉布和周進(jìn)(2009)分析了退化高寒草原土壤有機(jī)碳的時(shí)空變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)中度、重度退化草地土壤有機(jī)碳含量較低,但其損失速率較高。高俊琴等(2010)分析了諾爾蓋3種濕地的土壤有機(jī)碳分布特征,發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量與樣點(diǎn)的水分等環(huán)境條件相關(guān)。此外,李東等(2010)利用Century模型對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳變化規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。目前,針對(duì)土壤有機(jī)碳在小流域的空間分布特征研究,與黃土高原地區(qū)王東溝等小流域相關(guān)的報(bào)道較多(郭勝利等,2010;李林海等,2013),其研究結(jié)果表明,地貌單元對(duì)流域表層和深層土壤有機(jī)碳含量的分布影響顯著,土壤有機(jī)碳含量在空間上表現(xiàn)出中到高度的變異特征。【本研究切入點(diǎn)】受觀測(cè)條件限制和基礎(chǔ)觀測(cè)資料匱乏的影響,以青藏高原典型流域?yàn)榛締卧_(kāi)展的高寒草甸流域土壤有機(jī)碳空間調(diào)查的研究報(bào)道較少?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以青藏高原中部的納木錯(cuò)高寒草甸高山流域?yàn)檠芯繀^(qū),采樣并分析不同海拔、坡向、土層間土壤有機(jī)碳含量的空間分布規(guī)律,為全球變化和退牧還草背景下區(qū)域有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)評(píng)估及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原中部納木錯(cuò)流域(東經(jīng)89°30′~91°25′,北緯30°00′~31°10′,海拔3819~7124 m)。納木錯(cuò)流域呈東北一西南走向,南側(cè)為念青唐古拉山脈,地勢(shì)較高,坡向以北向或西北向?yàn)橹鳎愶w等,2015)。流域年均氣溫在0℃以下,年降水量為414.6 mm,呈單峰型,夏季降水量占全年降水量的90%以上(高壇光等,2009)。海拔5200 m以上植被較少,海拔5100~5200 m植被以高山蒿草草甸為主,海拔5000 m以下山麓附近植被以高寒草甸為主。流域土壤類(lèi)型較簡(jiǎn)單,土層較薄,20 cm以下土層土壤中石礫含量較高(俞潔輝等,2012)。

1.2樣品采集與分析

于2016年6月進(jìn)行采樣工作。根據(jù)研究區(qū)的地形特點(diǎn),分別在海拔5283 m至湖岸邊4748 m的北向坡、東向坡、西向坡和南向坡不同海拔處采集表層(0~10 cm)和根系分布區(qū)以下底層(20~30 cm)的土樣,每個(gè)樣點(diǎn)采集5組重復(fù)。海拔4740~4920 m的采樣點(diǎn)坡度在5。左右,海拔4920~5041 m的采樣點(diǎn)坡度在5~15°,海拔5041~5283 m的采樣點(diǎn)坡度在15~22°。在北向坡6個(gè)海拔采集60個(gè)土樣,在東向坡和西向坡3個(gè)海拔各采集30個(gè)土樣,在南向坡2個(gè)海拔采集20個(gè)土樣,共采集140個(gè)樣品。不同坡向采樣點(diǎn)具體海拔信息見(jiàn)表1。所有樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、過(guò)篩后利用日本島津公司TOC-VCPH型總有機(jī)碳分析儀測(cè)量土壤有機(jī)碳含量。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行整理;采用SPSS16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其中,采用Kolmogorov-Smimov進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)(K-S檢驗(yàn)),當(dāng)P大于0.05時(shí)表明數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2結(jié)果與分析

2.1研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量概況

由表2可知,研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量介于0.95~47.28 g/kg,平均為13.44/kg。從變異系數(shù)來(lái)看,該區(qū)域土壤有機(jī)碳含量呈中等變異強(qiáng)度(CV≤10%為弱變異性,10%0.05)。

2.2不同海拔土壤有機(jī)碳含量分布情況

由表3可知,研究區(qū)土壤有機(jī)碳平均含量隨海拔升高呈降低趨勢(shì)。方差分析結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳含量與海拔間呈極顯著相關(guān)(P<0.01,下同)。多重比較分析結(jié)果表明,海拔5037~5283 m與4748~4930 m的土壤有機(jī)碳含量存在極顯著差異,后者較前者高2-4倍;而海拔5037-5283間及4748 m與4930和4861 m的土壤有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05,下同)。

2.3不同坡向土壤有機(jī)碳含量分布情況

由表4可知,研究區(qū)不同坡向土壤有機(jī)碳含量差異明顯,表現(xiàn)為北向坡平均值最高(16.41 g/kg),南向坡最低(8.47 g/kg),東向坡(12.10/kg)和西向坡(12.17 g/kg)居中且較接近。東向坡和西向坡較南向坡高約50%,北向坡較南向坡高約1倍。方差分析結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳含量與坡向問(wèn)呈極顯著相關(guān)。多重比較分析結(jié)果表明,東向坡與西向坡的土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異,但其與北向坡和南向坡間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.4不同土層土壤有機(jī)碳含量分布情況

由表5可知,研究區(qū)不同土層土壤有機(jī)碳含量差異明顯,淺層(0~10 cm)土壤有機(jī)碳平均含量較高,為20.01 g/kg,約是根系底層(20~30 cm)土壤有機(jī)碳含量的3倍,與納木錯(cuò)周邊那曲地區(qū)的研究結(jié)果一致(zeng et al.,2013)。方差分析結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳含量與土層深度間極顯著相關(guān)。

2.5土壤有機(jī)碳含量與采樣點(diǎn)位置的相關(guān)性分析和多元回歸結(jié)果

將研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與采樣點(diǎn)位置進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),結(jié)果如表6所示。土壤有機(jī)碳含量與海拔、土層深度和坡向(坡向按北向坡、東西向坡、南向坡排序)均存在極顯著負(fù)相關(guān)性。為了服務(wù)相關(guān)的土壤凍融和侵蝕等模型的參數(shù)化方案,將研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量和采樣點(diǎn)位置進(jìn)行多元回歸,得到的回歸方程為:

SOC=-0.037Alt-0.033SD-0.004Dir+0.212

式中,SOC為研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量(g/kg);Alt為海拔高度(km),介于4.74~5.28;SD為土層深度(m),小于0.30;Dir為坡向,數(shù)值為1、2和3,其中1為北向坡,2為東向坡或西向坡,3為南向坡。

回歸方程的決定系數(shù)R2=0.801,回歸方程及各變量和常數(shù)的顯著水平均小于0.01。

3討論

3.1研究區(qū)土壤有機(jī)碳平均含量與其他高山流域?qū)Ρ?/p>

本研究結(jié)果表明,研究區(qū)所處的高寒草甸高山流域土壤有機(jī)碳平均含量為13.44 g/kg,0~10 cm土層有機(jī)碳平均含量為20.0 1 g/kg,20~30 cm土層有機(jī)碳平均含量為6.88 g/kg。與秦嘉海等(2013)對(duì)青藏高原周邊其他流域的研究結(jié)果相比,該區(qū)域土壤有機(jī)碳平均含量低于青海祁連山地區(qū)黑河冰溝流域的高山草甸土(43.60 g/kg)、高山灌叢草甸土(53.89g/kg)、森林灰褐土(76.22 g/kg)和山地栗鈣土(19.04 g/kg)的有機(jī)碳含量,也較若爾蓋高原濕地相應(yīng)土層的有機(jī)碳含量低(高俊琴等,2007)。王根緒等(2002)測(cè)定了青海和西藏10余種典型土壤的有機(jī)質(zhì)含量,結(jié)果表明,青海山地草甸土和平地草甸土的有機(jī)碳平均含量(換算系數(shù)為1.724)分別為39.10和37.88 g/kg,西藏的分別為13.86和30.57 g/kg。可見(jiàn),海拔相對(duì)較高地區(qū)的土壤有機(jī)碳含量相對(duì)偏低。在研究區(qū)高寒草甸高山流域內(nèi)部,海拔5037 m以上和4930 m以下的土壤有機(jī)碳含量具有顯著性差異,表現(xiàn)為較高海拔處土壤有機(jī)碳含量較低。此外,通常認(rèn)為土壤有機(jī)碳含量隨深度的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)(楊黎芳等,2007)。然而,由于草甸土根系分布較淺且多集中在淺層土壤中(zeng et al.,2013),這種關(guān)系并不適用。因此,利用傳統(tǒng)的采樣調(diào)查結(jié)果估算高寒草甸高山流域土壤有機(jī)碳的平均含量可能會(huì)存在較大誤差。

3.2研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量空間分布差異的原因

研究區(qū)植被類(lèi)型屬高寒草甸生態(tài)系統(tǒng),其海拔分布上限為5100-5200 m,且海拔越高,土壤水含量和溫度越低。俞潔輝等(2012)研究表明,研究區(qū)海拔5125 m處10 cm土層土壤溫度日最小值<5℃的天數(shù)為25 d,而4980 m處均在5℃以上。總之,流域較高海拔處積雪覆蓋時(shí)間較長(zhǎng),土壤水、熱條件差異明顯,以及不同海拔處植被條件和植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)短的差異是造成高寒草甸高山流域土壤有機(jī)碳含量具有顯著海拔差異的主要原因。

坡向影響地表接收的太陽(yáng)輻射量和水汽傳輸過(guò)程,進(jìn)而間接影響土壤的水熱條件(劉曼霞和王剛,2013)。本研究結(jié)果表明,不同坡向的土壤有機(jī)碳含量差異明顯,表現(xiàn)為北向坡平均值最高(16.41 g/kg),南向坡最低(8.47 g/kg),東向坡(12.10 g/kg)和西向坡(12.17 g/kg)居中且較接近。對(duì)于不同坡向問(wèn),受太陽(yáng)輻射角度和湖面水汽降水補(bǔ)給的差異,南向坡受強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和相對(duì)較弱的降水補(bǔ)給,土壤水分條件較差,植被較稀疏,此外土壤溫度較高,土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率較高;北向坡植被和土壤水分條件相對(duì)較好,土壤溫度相對(duì)較低;東、西向坡的土壤水分、溫度和植被條件處于南、北向坡之間。這些差異是引起北向坡土壤有機(jī)碳含量較高、南向坡含量較低、東西向坡含量居中,且不同坡向間具有顯著差異的主要原因。

本研究結(jié)果表明,不同土層的土壤有機(jī)碳含量差異極顯著,淺層(0~10 cm)土壤有機(jī)碳平均含量(20.01 g/kg)較高,約是根系底層(20~30 cm)土壤有機(jī)碳含量(6.88 g/kg)的3倍。對(duì)于不同土層問(wèn)的差異,周華坤等(2005)研究表明,高寒草甸根系生物量的90%主要集中在20 cm深度以?xún)?nèi)。Zeng等(2013)通過(guò)對(duì)那曲地區(qū)草甸土壤剖面進(jìn)行研究,也發(fā)現(xiàn)高寒草甸根系集中分布的20 cm深度以?xún)?nèi)的土壤水含量較高,土壤保水性較強(qiáng);在根系分布層以下土層中石礫含量較多,土壤透水性較高。不同土層間植被根系活動(dòng)的差異引起的有機(jī)碳累積及不同水熱條件引起的礦化過(guò)程差異可能是造成不同土層土壤有機(jī)碳含量差異的主要原因。

受條件限制,本研究?jī)H對(duì)高寒草甸高山流域土壤有機(jī)碳空間分布現(xiàn)狀進(jìn)行初步調(diào)查分析。然而,土壤有機(jī)碳是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,在不同因子影響下其變化趨勢(shì)和變化速率可能存在差異。因此,今后仍需對(duì)流域不同空間因子影響下的土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)進(jìn)行深入研究。

4結(jié)論

納木錯(cuò)典型小流域土壤有機(jī)碳平均含量較青藏高原其他地區(qū)偏低。土壤有機(jī)碳含量與海拔、坡向和土層等顯著相關(guān),主要表現(xiàn)為土壤有機(jī)碳含量隨海拔升高逐漸降低;北向坡最高,南向坡最低,東向坡和西向坡居中且較接近;表層土壤有機(jī)碳含量較根系底層土層高。

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