刘慧霞， 孙宗玖， 石宇堃， 武文超， 郑丽， 艾提剑

(新疆农业大学草业学院，乌鲁木齐830052)

荒漠生态系统是我国干旱区典型的生态系统之一，具有独特的特征和功能[1]。梭梭(Haloxylonammodendron)和白梭梭(Haloxylonpersicum)是荒漠生态区重要的优势物种[2-3]，主要分布于我国西北地区，其中以准噶尔盆地古尔班通古特沙漠分布范围最为广泛，占我国梭梭荒漠总面积的68%，占新疆梭梭荒漠总面积的94%，对维护荒漠区生态环境稳定具有十分重要的作用[4-6]。古尔班通古特沙漠生态系统极其脆弱，在梭梭荒漠的防护下，表层细粒物质的积累使风沙土得到固定、土壤有机碳含量得到提高，风沙土的营养成分得到改善[7]，由此表明，梭梭荒漠能够较好地起到防风固沙的作用。然而，研究表明，准噶尔盆地天然梭梭荒漠近年来出现大规模退化现象，严重影响了梭梭荒漠的固碳能力[6]。为更好地了解梭梭荒漠的固碳现状，定量准确评估其土壤有机碳含量以及查明其影响因素至关重要。

土壤有机碳库不仅影响土壤的物理、化学和生物特性，同时也会影响土壤肥力和植物的生产力[8]。目前，有关土壤有机碳的研究多集中在湿润、半湿润地区的森林、草地等生态系统[9-12]，而干旱区沙质荒漠生态系统土壤有机碳的研究，往往因其植被类型单一、分布稀疏而被忽略。有学者认为沙质荒漠土壤碳密度几乎为零[13]；但也有一些学者认为天然梭梭荒漠群落覆盖度虽较低，但其分布范围较广，而土壤有机碳储量取决于植被生长状况，因此不能被忽略[14-15]。吉小敏等[14]指出，新疆甘家湖自然保护区梭梭土壤有机碳平均含量为1.79～4.17 g·kg-1；牛攀新等[15]指出，准噶尔盆地梭梭0—100 cm各土层土壤有机碳含量为0.08～0.67 g·kg-1。前人研究多集中于样点及样线尺度，在区域尺度上研究不足，同时对梭梭荒漠生态系统土壤有机碳含量与植被、土壤、气候、地理等因子间相互关系的研究相对缺乏。因此，研究荒漠生态系统中土壤有机碳含量与环境因子间的关系以及环境因子对梭梭荒漠土壤有机碳含量的影响具有重要科学意义。本研究以准噶尔盆地梭梭沙质荒漠为对象，采用路线调查和典型样地布设相结合方法，通过对不同区域典型梭梭群落土壤有机碳含量进行测定，运用统计学和数量生态学分析方法，研究土壤有机碳含量与环境因子之间的内在联系，以期为退化梭梭荒漠的治理及可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于为准噶尔盆地，地理位置处于N 44.24°—46.70°，E 82.68°—91.23°，海拔224～964 m，年均降水小于200 mm，年均温度6.09～31.79 ℃，≥10 ℃年积温3 000～3 500 ℃，气候干旱，属于典型的温带荒漠气候。试验区植被群落盖度小于30%，土壤质地为沙质，植被以梭梭(H.ammodendron)、白梭梭(H.persicum)为建群种，沙拐枣(Calligonummongolicum)、驼绒藜(Ceratoideslatens)、沙漠绢蒿(Seriphidiumsantolinum)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、琵琶柴(Reaumuriasongonica)、假木贼(Anabasissp.)等为伴生种，同时也混有一些短命、类短命植物。沙质荒漠草地研究区样点基本概况详见表1。

续表Continued

1.2 研究方法

1.2.1样地选取及野外取样 2018年8—9月，在阿勒泰地区、昌吉回族自治州、克拉玛依市、博尔塔拉蒙古自治州及塔城地区布设梭梭荒漠典型样点20个(表1和图1)。每个样点内设置1个100 m×100 m的样地，样地内等距离布设5个10 m×10 m的灌木样方，分物种收获当年新生枝条的生物量，装袋标记并称重；同时等距离布设3条平行样线，每条样线等距离布设3个1 m×1 m的草本样方，齐地分种刈割样方内所有物种的生物量，同时收集样方内所有地上凋落物，装袋标记并称重。完成地上植被测定后，在样地中心挖取面积为1 m×1 m的土壤剖面，采用切土块法，在3个垂直剖面上采用固定深度法获取0—5、5—10、10—20、20—30、30—50、50—70、70—100 cm土层的土壤样品，用于土壤养分分析；同时采用环刀法进行土壤容重的测定，分装带回实验室进行室内分析。

图1 研究区概况及样点布设图

1.2.2室内分析 土壤样品在剔除可见植物根系、动物粪便等杂物后，室内阴干将土样混匀，过0.25 mm筛用于土壤有机碳的测定；过1 mm筛用于土壤pH及电导率的测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法进行测定，pH采用水土比5∶1酸度计法进行测定，电导率采用水土比5∶1电导法进行测定，容重采用105 ℃、24 h烘干法进行测定[16]。

1.3 环境因素数据获取

通过国家气象台站点(www.cnern.org.cn)下载近60 a的气象数据，以平均值为基准提取各气象站点的气象数据，利用ArcGIS 10.2中克里金插值法获取各采样点≥10 ℃的年积温、年均温度、年均降水量等气象数据，以表示实际采样点的气候条件。经纬度、海拔采用手持GPS测定仪进行实地测定。以2000—2018年GLEAM V3数据集(www.GLEAM.eu)卫星观测陆地蒸发量和根区土壤湿度数据为基准，根据研究区的矢量数据对影像进行裁剪，按照采样点地理坐标反演得到土壤湿度和蒸散发量[17]。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2013和 SPSS 20.0 对数据进行统计分析，采用单因素方差、独立样本t检验分析土壤有机碳含量间的差异，多重比较采用Duncan方法检验显著性。采用Canoco 5.0进行冗余分析，利用偏冗余分析进一步得出各环境因子的解释率。数据可视化在 Origin 9.0下完成。

2 结果与分析

2.1 梭梭荒漠土壤有机碳总体体征

沙质荒漠草地不同土层土壤有机碳含量结果(表2)表明，0—100 cm土层有机碳含量平均为1.62 g·kg-1，最小值为0.00 g·kg-1，最大值为11.46 g·kg-1，变异系数为81.67%，呈中等变异水平[18]。0—5、5—10、10—20、20—30、30—50、50—70、70—100 cm土壤有机碳含量依次为2.32、1.76、1.62、1.58、1.43、1.35、1.26 g·kg-1，变异系数为64.33%～87.07%，均呈中等变异水平。其中，0—5 cm土壤有机碳含量显著高于5—100 cm土层。对土壤有机碳含量与土层深度进行相关分析表明(图2)，土壤有机碳含量与土层深度极显著相关，即随着土层深度的增加，土壤有机碳含量逐渐降低。

表2 不同土层的土壤有机碳含量

注：不同小写字母代表不同土层间差异在P<0.05水平显著。

2.2 两种类型梭梭荒漠土壤有机碳比较

不同植被类型土壤有机碳含量及密度剖面分布特征结果(图3)表明，白梭梭荒漠与梭梭荒漠间0—100 cm土壤有机碳含量呈极显著差异(P<0.01)；随土层深度增加，白梭梭荒漠与梭梭荒漠土壤的有机碳含量均呈降低趋势，且0—5 cm土层有机碳含量均显著高于10—100 cm土层。其中，梭梭荒漠的土壤有机碳含量(1.74 g·kg-1)是白梭梭荒漠土壤有机碳含量(1.25 g·kg-1)的1.40倍；具体分析两种植被下不同土层的有机碳含量表明，仅10—20 cm和20—30 cm土层梭梭荒漠土壤的有机碳含量显著高于白梭梭荒漠。与白梭梭荒漠相比，梭梭荒漠土壤有机碳含量从0—5 cm到5—10 cm土层的降幅更明显。

注：不同小写字母代表不同土层土壤有机碳含量差异在P<0.05水平显著；*表示不同植被类型间差异在P<0.05水平显著。

2.3 海拔对土壤有机碳的影响

土壤有机碳含量随海拔高度变化结果(表3)表明，不同海拔梯度0—100 cm土层土壤有机碳含量的平均值间存在差异。500～700 m海拔间的土壤有机碳含量最低，为1.09 g·kg-1，显著低于其他海拔(43.12%～79.82%)，且各土层均表现为海拔500～700 m土壤有机碳含量最低；而海拔<300 m或>700 m 以及300～500 m的土壤有机碳含量间差异不显著。对同一海拔下不同土层的土壤有机碳含量进行比较发现，在海拔<300 m和>700 m条件下，各土层间土壤有机碳含量差异不显著；海拔300～500 m下，0—5 cm土层土壤的有机碳含量较10—100 cm各土层显著增加55.67%～114.18%；海拔500～700 m下，0—5 cm土层较其余各土层土壤有机碳含量显著增加72.27%～200.00%。

表3 不同海拔梯度不同土层的土壤有机碳含量

2.4 环境因素对土壤有机碳含量的影响

对土壤有机碳含量与环境因子进行冗余分析，如图4所示，实心箭头代表响应变量，空心箭头代表环境因子，实心箭头与空心箭头夹角的余弦值代表土壤有机碳含量及密度与环境因子间的相关性，箭头长度反映了环境因子对响应变量的解释量[19]。从箭头夹角的余弦值可以看出(图4A)，土壤有机碳含量与土壤pH、土壤含水率、根部土壤湿度、表层土壤湿度、纬度、植被覆盖度、凋落物生物量、土壤电导率、土壤容重、海拔、年均降水量及≥10 ℃年积温均呈正相关关系，与年均温度、地上生物量、经度、土壤蒸散发量呈负相关关系。根据偏冗余进一步分析结果(图4B)表明，单个环境因子对土壤有机碳含量的解释能力依次为土壤pH(28.1%)>植被覆盖度(20.5%)>土壤含水率(14.8%)>年均降水量(10.3%)>土壤蒸散发量(7.7%)>表层土壤湿度(5.7%)>年均温度(3.9%)>土壤电导率(2.3%)>海拔(1.8%)>≥10 ℃年积温(1.4%)>纬度(1.1%)>经度(1.0%)>凋落物生物量(0.9%)>地上生物量(0.3%)>根部土壤湿度(0.2%)。其中，土壤pH、植被覆盖度和土壤含水率达显著水平(P<0.05)。综上所述，引起土壤有机碳含量空间变异的主要影响因素是土壤pH、植被覆盖度和土壤含水率，其他环境因子对土壤有机碳含量的影响相对较弱。

注：A：冗余分析；B：偏冗余分析。SOC—土壤有机碳含量；SOCD—土壤有机碳密度； Long—经度；Lat—纬度；Ele—海拔；≥10 ℃AT—≥10 ℃年积温；MAP—年均降水；MAT—年均温度；BD—土壤容重；SWC—土壤含水率；EC—电导率；Cov—植被覆盖度；AGB—地上生物量；Litter—凋落物生物量；Evap—蒸散发；SSM—表层土壤湿度；RSM—根部土壤湿度。

3 讨论

梭梭荒漠生态系统虽然土壤肥力较低，植被稀疏，但植被在防风固沙方面的作用不可忽视。本研究中0—30 cm土层土壤有机碳含量为1.82 g·kg-1，低于世界干旱区平均水平[20]。一方面与古尔班通古特沙漠气候极端干旱，蒸发大、降水少、植被类型及凋落物分解产生的差异有强烈关系；另一方面与人类频繁的干扰行为(如过牧、采挖、开垦等)有关。有研究指出，梭梭保护区土壤有机碳含量在高盖度下为7.70 g·kg-1，而古尔班通古特沙漠南缘(退化梭梭荒漠)土壤有机碳含量仅为0.31 g·kg-1[14-15]。因此，必需对古尔班通古特沙漠南缘退化的天然梭梭荒漠实施保护措施，提高梭梭荒漠土壤有机碳含量，对梭梭沙质荒漠土壤恢复及土壤固碳能力的提升具有重要意义。

本研究表明，梭梭沙质荒漠土壤有机碳集中于表层土壤，垂直分布表现为随土层深度的增加逐渐降低，且深层土壤有机碳含量趋于稳定。这可能是由于表层土壤通气状况较好，植物残体中各种有机物都能被快速氧化，微生物在通气良好的土壤中也能加速对腐殖质的分解消耗[21]；而深层土壤紧实、孔隙少，凋落物等外源物质的输入较少，土壤温度低，微生物数量及活性也较低，进而造成深层土壤有机碳含量显著低于表层[22]。梭梭群落土壤的有机碳含量显著高于白梭梭群落土壤，这可能是由于梭梭普遍生长于沙丘间低地，而白梭梭普遍生长于半流动沙丘和固定沙丘[23]。与沙丘相比，丘间低地受到风蚀的现象较弱[24]，风力作用对地表凋落物的再分配影响也较小[25]，进而导致沙质草地土壤有机碳含量出现较大的异质性。

此外，本研究还发现，不同土层土壤有机碳含量在不同海拔范围间差异较小，但最低值均出现在500～700 m海拔范围内。经调查发现，该海拔范围的区域降水较少，梭梭群落总盖度仅为11.27%，有的地区梭梭盖度仅为2%，因此，大面积的地表裸露使风蚀作用加剧、土壤粗粒化，导致土壤中砂粒含量骤增，造成对土壤有机碳的累积量逐渐减少；草本稀疏使得降水不能有效储存，水土流失严重；且500～700 m海拔范围内地上凋落物的固存量也显著低于平均水平，导致有机质的输入量较少，因此，土壤有机碳含量较低[26]。除>700 m海拔外，其他海拔梯度土壤的有机碳含量均随土层深度的增加呈现降低趋势，且变化浮动较小，这可能是由于土壤中新的有机质输入较少、微生物降解基质不足、土壤基质较为均匀所致。当海拔>700 m时，土壤有机碳含量在10—20 cm土层出现最大值，这可能是凋落物受风力作用的掩埋、稳定堆积后的结果[27]，随着时间的延长，凋落物在土壤微生物的作用下缓慢分解，将有机碳固定在土壤中。虽然不同海拔梯度土壤有机碳含量随土层的分布状况不尽相同，但均表现为0—30 cm土层土壤的有机碳含量较高，与前人研究结果相一致[28]。

土壤有机碳的输入与输出受多种环境因子调控，且有机碳在土壤中的积累存在较大的空间异质性[29]。冗余分析表明，土壤pH、土壤含水率和植被覆盖度是驱动土壤有机碳含量产生变异的主要因素。本研究中植被覆盖度与土壤有机碳含量呈显著正相关。植被覆盖度不仅可以反映生物量的高低，还可以减缓土壤水分的蒸发速度，有利于土壤有机碳的积累。除植被覆盖度外，土壤pH与土壤有机碳含量也呈正相关，与张磊等[30]研究结果一致，可能是由于适度的碱性土壤有利于土壤中硝化细菌的硝化作用，进而有利于荒漠植物对土壤中氮素的利用，促进植物生长[31]。土壤含水率与土壤有机碳含量显著正相关，荒漠区植被对水分的需求远高于其他生境中的植被[30]，光合作用的产物大部分被用于地下根系的生长，根系不断向下以获取更多的水资源用于维持植株的生长，进而促进土壤有机碳的积累。但本研究发现，地上生物量与土壤有机碳含量表现为负相关关系，这可能是由于地上生物量虽然较多，但地表的固定凋落物较少，地表凋落物受强烈风力作用再分配的影响[25]，导致地上生物量对土壤有机碳含量的变化响应不敏感。本研究区域梭梭群落总植被的覆盖度均小于30%，土壤有机碳含量平均值为1.62 g·kg-1，均低于甘家湖梭梭自然保护区[14]。高植被覆盖度可以减轻风力作用，使凋落物能够更好地被植物截获，促进风沙土区域植被的正向演替[32]，由此表明，天然梭梭荒漠草地具有巨大的碳汇潜力。