纳帕海不同土地利用方式下土壤有机碳分布特征

李璇 马旭晨

摘要 [目的]探讨纳帕海区域土壤有机碳（SOC）在不同土地利用方式下的剖面分布特征及其与土壤含水量、容重的相关关系，为该区域合理高效利用土地资源提供科学依据。[方法]对猪拱地、农田、灌丛和森林4种土地利用类型的SOC分布特征进行研究。[结果] 0～50 cm土层深度内，SOC含量由高到低依次为农田（26.43 g/kg）、猪拱地（20.95 g/kg）、灌丛（20.16 g/kg）、森林（17.25 g/kg）；猪拱地、农田、灌丛和森林均为0～10 cm土层SOC含量最高，是主要的碳储层，分别占0～50 cm土层的37.42%、28.07%、49.81%和30.10%，随土壤深度的加深，SOC含量呈减少趋势；SOC 密度与SOC储量呈基本一致的变化趋势；各样地表层SOC与土壤含水量呈显著正相关（R2=0.50，P<0.05），与土壤容重呈极显著负相关（R2=0.60，P<0.01）。[结论]不同土地利用类型其SOC含量在垂直方向上的分布不同，湿地的退化会不同程度地导致SOC流失，表层SOC含量很大程度上受土壤含水量和土壤容重的制约。

关键词 高原湿地；土壤有机碳；土地利用类型；纳帕海

中图分类号 S151；X171 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）07-0100-04

The Distribution Characteristics of Soil Organic Carbon under Different Land Uses Patterns in Napahai

LI Xuan， MA Xu-chen

（College of Environmental Science and Engineering， Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）

Abstract [Objective] To study the profile distribution characteristics of soil organic carbon （SOC） under different land use patterns and its correlation with soil water content and bulk density in Napahai plateau wetland in order to provide scientific basis for the rational and efficient use of land resource in the region. [Method]The pig arched meadow， farmland， shrub and forest were selected in this area and the study was carried out. [Result] In 0-50 cm soil depth， soil organic carbon content from high to low was farmland （26.43 g/kg）， pig arched meadow （20.95 g/kg）， shrub （20.16 g/kg）， forest （17.25 g/kg） in Napahai plateau wetland area. SOC content was the highest at 0-10 cm soil layer and which was the main SOC reservoir accounted for 37.42%， 28.07%， 49.81% and 30.10% of 0-50 cm soil depth， and the SOC content decreased with soil depth enhance. The SOC density and SOC reserves showed a consistent trend. According to the regression equation， the soil water content was positively correlated with SOC（R2=0.50，P<0.05）and the soil bulk density was negatively correlated with SOC （ R2=0.60，P<0.01）， and they all reached a significant level in the soil surface layer （P<0.05）. [Conclusion] Different land use patterns have different storage capacity for SOC in vertical direction， and the degradation of wetland will lead to the loss of SOC in varying degrees. The content of SOC in the surface is largely affected by soil water content and soil bulk density.

Key words Plateau wetland；Soil organic carbon；Land use types；Napahai

土壤是陸地生態系统中最大的有机碳库，据估算，全球1 m深度的土壤中贮存的有机碳量约为1 500 Gt，超过了植被与大气有机碳储量之和[1]，一方面为植被生长提供碳源，另一方面以CO2等温室气体的形式向大气释放碳，其微小波动将在很大程度上减缓或加剧大气CO2浓度升高，改变全球碳平衡格局[2-3]。土地利用/覆被变化（LUCC）对土壤有机碳（SOC）的贮量、性质、动态和稳定性有重大影响，具有源汇双重性[4]，是影响土壤碳库变化的主要驱动力之一[5]，也是影响地球陆地生态系统土气交换的关键因素[6]。

云南纳帕海地处青藏高原东南缘，横断山脉三江纵向岭谷区东部，属喀斯特型季节性高原沼泽湿地，高原湖泊湿地数量众多。与长江中下游湿地、北方平原湿地及若尔盖高原湿地不同，其面积较小，孤立分散，相互之间无水道相通，形成封闭或半封闭的湿地环境，具有敏感度高、空间转移能力强、稳定性差的特点[7-8]，是我国湿地的独特类型，其特殊的地理位置和独特的生态功能[9]，使其成为我国重要的生态功能区域及区域生态安全保障的关键区域。近年来，纳帕海高原湿地湖泊面积减小，景观格局变化明显，景观基质从沼泽或沼泽化草甸的湿地类型转化为以草甸景观为主导的非湿地类型，包括旅游、放牧和农业开垦在内的众多人类活动使得区域生态环境面临巨大外界压力，造成土壤有机碳大量流失[10-12]。

自20世纪 90年代以来，土地利用/覆被变化研究成为地理学和相关学科研究的热点，其对土壤碳储量的影响备受关注[13]。但由于气候、土壤、植被等自然因素和人为干扰的不同，LUCC对SOC的影响区域差异较大，而且较多的研究局限在单一生态系统[14-16]，对于农牧交错带这种景观高度破碎的敏感区却少有报道[17]，针对滇西北纳帕海高寒湿地区农牧交错带的研究更少。笔者针对纳帕海区域内受人类活动影响较大的4种土地利用类型，研究其土壤有机碳状况，以期為区域生态保护及生态安全构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

纳帕海位于云南省香格里拉市境内（99°37′～99°43′ E，27°49′～27°55′ N），横断山脉三江纵谷区东部，海拔3 260 m。该区域属亚热带西南季风气候，年平均气温5.4 ℃，年平均降水量619 mm[18]。区域内土壤为亚高山草甸土土属，根据土壤剖面性状、地表植被类型、水分状况等，可分为弃耕地-中生草甸土、中生草甸土、湿草甸土和沼泽土[19]。

纳帕海三面环山，湖滨区分布大面积的沼泽化草甸，周围面山上生长着以高山松（Pinus densata）为优势的针叶林，在接近湖盆的面山基部区域，因人类活动等因素的干扰，形成众多斑块状分布的灌丛化群落，以高山柏（Sabina squamata）为优势。湖泊周边的草甸群落，在家猪的啃食和践踏下，形成表层被一定程度剥离的斑块状裸地（猪拱地），土壤上翻裸露，土壤结构遭受严重破坏，而近村庄的区域多数被开垦为农田，以种植青稞（Hordeum vulgare Linn.var.nudum Hook.f.）为主。

1.2 研究方法

土壤样品的采集于2014年7月植被生长盛期进行。选取猪拱地、农田、高山灌丛和森林作为研究样地。在样地内，根据典型性和代表性原则，选取3个代表性的样方。在每个样地的3个小样方旁分别挖一个50 cm深的土壤剖面，分层（0～10、10～20、20～30、30～40 、40～50 cm）采集样品。土壤容重用100 cm3环刀采样测定，土壤含水量采用烘干法测定，SOC含量采用重铬酸钾氧化-外加热法[20]测定。SOC密度和单位面积一定深度下SOC储量按下式计算[21]：

Ci=Di×Wc×（1-Gi）（1）

Tc=ni=1（Ci×di）×0.1（2）

式中，Ci为有机碳密度，kg/m3；Di为土壤容重，g/cm3；Wc为SOC含量，g/kg；Gi為大于2 mm砾石所占百分比；Tc为单位面积0～50 cm深度SOC储量，kg/m2；di为第i层厚度，cm；n为层数，该研究中n=5。由于该研究区主要土壤类型为沼泽和沼泽化草甸泥炭土发展演化而来的草甸土，土层分布较厚（一般都在1 m以下），而该研究中所取样品深度为50 cm（主要受保护区内管理等限制），样品中基本无砾石或砾石含量极少。因此，在计算SOC密度时不再考虑砾石含量的比例。

1.3 数据分析

试验数据采用Excel 2003和SPSS 22.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型SOC含量剖面分布特征

由表1可知，纳帕海SOC含量在8.87～50.21 g/kg。各样地0～10 cm土层有机碳含量最高，30～40和40～50 cm土层含量相对较低，总体呈由地表向地下减少的特征，这与张文菊等[22]、曹生奎等[23]的研究结果一致。从表层至地下50 cm，猪拱地、农田、灌丛和森林有机碳分别减少了68.10%、56.09%、82.34%和42.84%。方差分析结果表明，土壤层次间，农田和灌丛均在表层0～10 cm与下层30～40 cm、40～50 cm呈显著差异（P<0.05），猪拱地与森林在各层次间均无显著差异；土地利用类型间，仅灌丛和森林在0～10 cm土层有显著差异（P<0.05）。

各样地之间，0～10 cm SOC以灌丛最高，达50.21 g/kg，其次为猪拱地和农田，分别为39.20和37.09 g/kg，最低的为森林，仅为25.96 g/kg。从不同土地利用类型平均值看，SOC含量由大到小依次为农田、猪拱地、灌丛、森林。

根据碳储层（SOC含量>30.00 g/kg的层次）的定义，农田土壤碳储层厚度为20 cm，灌丛为10 cm，森林SOC偏低，其他土壤剖面SOC均低于30.00 g/kg。从森林到灌丛，0～10 cm土层SOC含量显著增加。

2.2 不同土地利用类型SOC密度及储量剖面分布特征

由图1可知，SOC密度在各样地的垂向分布猪拱地、灌丛和森林表现为总体下降，农田则表现为先升后降的趋势。前者最大值均分布在0～10 cm土层，且其SOC密度显著高于其他土层，30～40 cm土层SOC密度处于较低水平，最高值是最低值的2～3倍。后者最高值出现在10～20 cm土层，30～40 cm土层SOC密度最低。

从5层土壤的平均值看，其SOC密度表现为农田最大，为36.83 kg/m3；其次为猪拱地，为36.07 kg/m3；森林最小，为26.81 kg/m3。

SOC密度随土层变化的幅度决定于SOC含量和土壤容重随土层变化的趋势。0～50 cm土层内的SOC储量与SOC密度在各样地间的变化趋势基本一致，表现为农田>猪拱地>灌丛>森林，分别为18.42、18.04、14.29和13.40 kg/m2（图1）。

2.3 不同土地利用类型土壤含水量和土壤容重剖面分布特征

由表2可知，猪拱地土壤含水量随土层深度的增加呈阶梯下降，灌丛总体也呈下降趋势。农田土壤含水量在0～20 cm土层上升，随后下降，30～50 cm土层持续上升，森林土壤含水量在0～30 cm土层变化不大，总体呈上升趋势。猪拱地和灌丛土壤表层含水量最高，分别为35.41%和31.49%。农田和森林的最高土壤含水量在40～50 cm土层分别为19.63%和27.16%。从5层土壤的平均值看，以猪拱地最高，农田最低，分别为30.27%和16.45%。方差分析结果表明，0～10 cm土层农田土壤含水量与猪拱地、灌丛、森林呈显著差异（P<0.05）；20～30 cm土层猪拱地土壤含水量与农田呈显著差异（P<0.05）。

纳帕海区域内，4个样地各层次的土壤容重在1.42～1.94 g/cm3，变幅达0.52 g/cm3。在30～40 cm土層，土壤容重在4个样地间的变化幅度最小，在40～50 cm土层变化幅度最大，各样地土壤容重大致呈深层>浅层的特征。各样地之间，灌丛平均值最低，为1.55 g/cm3，其次为森林和农田，分别为1.59和1.68 g/cm3，猪拱地最高，达1.80 g/cm3。猪拱地土壤容重在0～10和10～20 cm土层与灌丛呈显著差异（P<0.05），在30～40 cm土层与森林呈显著差异（P<0.05），在40～50 cm土层与其他各样地呈显著差异（P<0.05）。

2.4 SOC与土壤含水量、土壤容重的相关性

由表3可知，0～10 cm土层土壤含水量与SOC呈显著相关关系（R2=0.50，P<0.05）。SOC含量与土壤容重在不同土层的相关关系表现出与土壤含水量类似的结果。0～10 cm土层土壤容重与SOC达极显著相关（R2=0.60，P<0.01）。从拟合回归方程的斜率看，土壤容重对SOC含量具有较明显的负效应。

3 结论与讨论

在较大区域尺度上，SOC含量受气候、成土母质和水文条件等影响较大，该研究中农田在0～20 cm土层的SOC含量（34.47 g/kg）显著高于崇明岛（12.62 g/kg）[24]。小区域范围内的气候和母质基本一致，土层深度、植被类型、土壤含水量、土壤容重等因子会对SOC的积累造成很大影响[25-26]。同时，SOC的垂直分布在很大程度上受地表凋落物、植物根系分泌物、植被根系埋藏深度及微生物根际活动的影响[23，27-29]。SOC在不同土层和土地利用类型下的累积量不同，纳帕海高原湿地0～50 cm土层内，SOC含量由高到低依次为农田、猪拱地、灌丛、森林，0～10 cm土层SOC含量最为丰富，是主要的碳储层，占0～50 cm土壤剖面的28.07%～49.81%，且随土壤深度的加深SOC含量呈减少趋势。

湿地垦殖会减弱甚至阻止湿地土壤泥炭化和潜育化过程，改善通气性，加快有机质分解，降低微生物对碳源的利用效率，从而导致土壤碳损失，在沼泽湿地开垦初期SOC损失较快，随着开垦年限的增加而趋于平缓[30-32]。该研究中，农田SOC含量仅为天然沼泽和沼泽化草甸的39.58%和15.58%[33]，但由于围封的关系，农田相较于猪拱地几乎不受牲畜和游客的干擾，加之耕作技术和科学管理，使得土壤结构改善，主要是降低了土壤容重，促进土壤有机质的形成，增加了SOC含量[34-35]。猪拱地是靠近纳帕海水域的未围封草甸，因家猪频繁活动而形成了大面积的斑块状裸地。在此区域，由于草甸植被被啃食、生物量降低以及土壤被翻拱裸露，造成表层SOC大量散失在空气中，导致SOC相较于农田略低，且仅为天然沼泽和沼泽化草甸的31.53%和12.42%[36]，这主要是由于对草地的破坏使植被对地表土壤的保护弱化，加速了土壤的侵蚀和矿化作用，而植被退化使得输入到土壤中的有机质减少[37]。0～40 cm土壤深度内，纳帕海沼泽地开垦为农田导致高达60%以上的SOC损失，猪拱地的形成造成SOC损失在68%以上。在气候和人类活动等多种因素的干扰下，森林逐渐演化形成斑块状分布的灌丛化群落。在0～20 cm 土层，灌丛SOC含量较森林增加，尤其在表层，灌丛SOC含量几乎为森林的2倍。而在20～50 cm土层，灌丛SOC含量较森林有所下降，20～30、30～40和40～50 cm土层，灌丛SOC分别减少了4.05、1.49和5.97 g/kg。Berger等[38]研究发现，不同类型植被还会在表层形成特定的小气候，进而影响到SOC含量。该研究中，森林的SOC含量仅为17.25 g/kg，除根系较深外，冠层的遮阴和较大的蒸腾速率，使得其土壤表层干燥且温度低，从而造成地表凋落物的分解速率较低。不同土地利用类型其SOC含量在垂直方向上的分布不同，湿地的退化会不同程度地导致SOC流失。

作为土壤-植物-大气连续体的一个关键因子，土壤含水量对土壤特性和植物生长具有重要作用，甚至对植物分布和小气候变化也有着间接的影响[39]。土壤容重则是土壤紧实度的敏感性指标，也是表征土壤质量的重要参数[40]。湿地土壤水分含量的增加和土壤容重的降低有助于土壤有机质的积累，有机质增加又会进一步改善土壤结构，提高土壤的持水性能，二者相辅相成，对湿地土壤发挥碳“汇”和蓄持水功能具有重要作用[41]。土壤含水量在0～50 cm土层更易受外界环境的影响，为土壤水分活跃层[42]。该研究中，土壤含水量及土壤容重在土壤表层（0～10 cm）与SOC表现出显著或极显著相关关系，这与大多数研究结果一致。而赵慧等[43]对藏北盐化沼泽湿地进行研究，结果发现，SOC储量为无积水区>季节性积水区>常年积水区，说明水分在一定条件下又有可能变成SOC积累的限制性因素。另外，根据王元峰等[44]和蔡倩倩等[45]对尕海和若尔盖地区的相关研究可知，SOC在高原湿地区域的分布远不止50 cm，因此，针对该类地区土壤含水量和土壤容重对不同土层深度、不同植被覆盖类型的SOC影响机制还需进一步研究。该研究结果表明，纳帕海区域表层SOC含量很大程度上受土壤含水量和土壤容重的制约。

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