不同植被类型土壤有机碳变化
DOI：10.14088/jki.issn0439-8114.2015.11.009
Changes of Soil Organic Carbon Content under Different Vegetation Types
ZHANG Wen-hea，ZHA Xiang-haoa，YI Hai-yanb，XU An-yanga （a.Department of Chemistry and Environmental Sciences；
b. Department of Biologic and Geographic Sciences，Kashgar Teachers College， Kashgar 844006，Xinjiang，China）
： Taking the Kashgar city different vegetation types （shrub，forest，grass land and bare land） as the research objects， the organic carbon contents and the organic carbon density of the soil in the soil profile at 0～20 cm depth were analyzed. The research results showed that the average organic carbon contents and the average organic carbon density of the soil in the soil profile at 0～20 cm depth were grass land （10.130 810 g/kg，3.021 713 kg/m2）> shrub（8.775 414 g/kg，2.590 197 kg/m2）> forest（7.853 428 g/kg，2.383 278 kg/m2）>bare land（6.364 066 g/kg，1.925 676 kg/m2）. The distributions in soil profiles of the
organic carbon contents and the organic carbon density under each vegetation type were similar but differed in amplitude of variation. Vegetation construction on city would contribute to soil carbon sequestration and the grass land and shrub communities had better effects. Strong human disturbance should be reduced or avoided to prevent the change of carbon in shallow soil layers and to keep the stability of the soil carbon pool.
近年来，随着城市化进程的加快，有关城市土壤有机质的研究逐渐受到重视。中国已经开展大量的土壤有机碳密度与储量的研究，这些多集中于全球尺度[1，2]、国家或省域尺度[3-7]，重点是针对森林、农田、草地系统内的土壤碳进行研究，目前对城市土壤碳的研究相对欠缺[8-10]。城市土壤是城市生态系统的重要组成部分[11]，受植被覆盖、利用方式、人工管理等因素的影响显著[12]。土壤作为一种不可再生的自然资源，是人类社会生存与发展不可缺少的物质基础，也是支撑城市发展的空间和生态基础[13，14]。由于缺乏与城市土壤的普查或剖面数据，土壤碳的估算受到很大的限制。而且，城市土壤碳的空间差异显著，是自然因素与人为因素共同作用的结果，给研究带来了一定的难度。
本研究以喀什市为例，统计分析喀什市不同植被类型土壤有机碳变化情况。自喀什被确立为经济开发区后，外来人员不断增
加，对于喀什市土壤环境的影响也日益加剧，为了确保喀什市在今后的发展中较为科学、合理地使用土地资源，确保土壤环境得到可持续发展，基于目前国内外一些较为成熟的研究技术方法，通过对喀什市现有植被类型的土壤有机碳含量以及土壤有机碳
密度的测量，从而了解不同植被类型土壤有机碳含量及密度的早期分布特征，较为准确地预测出喀什市未来环境的变化趋势，为喀什市不同植被类型土壤后续土地可持续开发提供科学性指导，确保喀什市在今后的发展、建设中能够继续保护和改善环境，合理利用土壤资源，切实做好可持续发展土壤资源的工作，提供科学的、切合实际的理论依据及建议。 1 材料与方法
1.1 研究区概况
喀什市位置坐标为东经73°20′-79°57′、北纬
35°20′-40°18′，位于新疆南部塔里木盆地边缘，帕米尔高原东北麓，塔克拉玛干沙漠西部，东西部与疏附县接壤，北倚古玛塔格山与克孜勒苏柯尔克孜自治州阿图市毗邻，南面与疏勒县相接，总面积554.8 km2。喀什市总体的地形特点是北高南低，海拔最高点1 502 m，最低点1 264 m，平均海拔高度1 289.5 m。地貌上则属于喀什噶尔河流域冲积平原，有克孜勒河、吐曼河等水系。气候上属于温带大陆性干旱气候，四季分明，夏无酷热，冬无严寒，年平均气温11.7 ℃，由于光照充足，喀什无霜期长达220 d左右，年平均降雨量30～60 mm，年有效积温可达4 200 ℃，昼夜温差大，具有良好的自然条件。
1.2 研究方法
1.2.1 样地的选取采样前必须了解采样地区的自然条件、土壤特征、是否受到污染及污染的历史与现状等情况。由于城市不同植被类型土壤形成发育过程和有机碳积累状况是不同的，可以根据人类活动性质和强度的差异将喀什市按照网格法划分为9个小网格（A-L），具体见图1。
1.2.2 样品采集与处理 2013年3月在各个植被类型样地内进行采样，由于不同网格区土壤本身的理化性质及分布区域的差异，所以在每个网格区内不同地理位置上选取有代表性的土壤布设4个（乔木，灌木，草丛，裸地）采样点进行随机采样。挖取土壤剖面之前，先将土体表面枯枝落叶除掉，取样深度在0～20 cm，各样地采样量约为1.0 kg。同时用环刀法测定土壤容重，各3个重复。将所采的土壤在实验室内进行自然风干后，去除样品中的植物根系等杂物，然后通过直径为2 mm筛；采用四分法取适量土壤样品，用小球磨仪把土样磨碎，再过孔径为0.25 mm 筛。土壤有机碳含量（SOC）采用重铬酸钾氧化-分光光度法（HJ615-2011）测定；土壤容重采样环刀法测定（NY/T
1121.4-2006）；土壤有机碳密度（kg/m2）的计算公式[15，16]为：土壤有机碳密度=有机碳含量×土壤容重×土层厚度。采样点应覆盖城市的整体区域及同一网格区的各地理位置具有代表
性的区域，体现出实验的严谨性。此次研究共采集72个土壤样品，其中36个土壤环刀样品。
1.3 数据处理
将试验所得的数据用Excel图表处理软件及DPS统计分析软件进行数据处理分析。对不同植被类型、不同采样区域和同一采样区域不同采样点的土壤有机碳含量，土壤有机碳密度差异性进行比较分析。
2 结果与分析
2.1 不同功能区土壤有机碳含量的变化
不同功能区土壤有机碳含量的变化如图2。9个不同采样区域中A区、E区、L区各不同植被类型土壤有机碳含量均较其他区域高。这可能是因为A区靠近乡村道路，其道路车流量比较大，且大部分为施工车辆，经常有扬尘、飞灰、沙石落下；E区、L 区为公园，平常人流量大，人为干扰因素高（如经常割草、施肥、灌溉等）。H区不同植被类型土壤有机碳含量较其他区最低。这可能是由于该区有农牧民在里面放牧，各植被类型土壤都遭到不同程度的破坏，且在挖取土壤剖面时发现该区土样中有生活垃圾、塑料、杂物等。A区、E区、L区各不同植被类型土壤有机碳含量分别比H区高2.67倍、3.27倍、2.51倍。其他区域不同植被类型SOC无显著差异。
综合上述结果，喀什市的不同功能区土壤有机碳含量的变化既表现出一定的差异性，也表现出某些相似性。原因可能是不同植被类型的凋落物量、植被根系分布的不均匀、人为活动影响以及不同植被形成的特定群落微环境综合作用的结果。
2.2 不同植被类型土壤有机碳含量的变化
同一地区不同的林分类型则因地表植被覆盖度、枯落物分解程度、人为干扰程度、水土流失程度以及土壤微生物的分解作用等不同影响土壤有机物质的输入和输出，进而影响土壤有机碳含量[17]。如表1各植被类型表层0～20 cm深度的平均土壤有机碳含量变化为草丛>乔木>灌木>裸地。在所有植被类型中，表层0～20 cm深度的平均土壤有机碳含量草丛比裸地高出62.8%；乔木与灌木平均土壤有机碳含量无显著差异，裸地表层0～20 cm 深度的平均土壤有机碳含量最低。喀什市表层0～20 cm深度的土壤不同植被类型平均土壤有机碳差异为草丛和乔木较高分别
为10.130 810、8.775 414 g/kg、灌木次之（7.853 428 g/kg）、裸地最低（6.364 066 g/kg）。这可能主要是城市绿地大部分都是草坪，草丛土壤有机碳的来源主要是植物凋落物的输入，人为影响比较大（如经常割草、施肥、灌溉等），所以草丛平均土壤有机碳含量最高；裸地由于植被覆盖度很低，由植被输入土壤的有机质极少，地表凋落物易被风移走，且由于人为干扰少，土地压实比较严重，因此其平均土壤有机碳含量相比于草丛表现为最低。
2.3 不同植被类型土壤有机碳密度的变化
各植被类型的土壤有机碳密度大小由其各自的土壤有机碳
含量和土壤容重（表2）共同决定。基于野外土壤采样数据，分析不同植被类型对土壤有机碳密度的变化差异。如表3各植被类
型表层0～20 cm深度的平均土壤有机碳密度其大小依次为：草丛>乔木>灌木>裸地。喀什市的草丛平均土壤有机碳密度比裸地平均土壤有机碳密度高63.7%，本地的乔木与灌木平均土壤有机碳密度之间无显著的差异。喀什市裸地的平均土壤有机碳密度最低，大小为1.925 676 kg/m2 。一般而言，在城市建设过程中，由于大型机器对城市土壤挖掘、搬运、堆积、混合和大量城市产生的废弃物填充，土壤腐殖质层被剥离或者被埋藏，加上原生态植被遭到清除或破坏，土壤有机质明显减少，土壤碳的流失及新筑土壤的贫瘠致使土壤有机碳密度相对较低。本项研究研究表明灌木的土壤有机碳密度较其平均土壤有机碳含量变化幅大，其他植被类型的土壤有机碳密度均较其平均土壤有机碳含量变化不大，此种现象是由于灌木较其他植被类型的平均土壤容重大。
3 结论与讨论
研究结果表明，喀什市不同植被类型的土壤有机碳含量、密度不同，土壤表层0～20 cm深度范围内的平均土壤有机碳含量与平均土壤有机碳密度的大小顺序关系均为草丛（10.130 810 g/kg，3.021 713 kg/m2）>乔木（8.775 414 g/kg，2.590 197 kg/m2）>灌木（7.853 428 g/kg，2.383 278 kg/m2）>裸地（6.364 066 g/kg，1.925 676 kg/m2）。各植被类型土壤有机碳密度和有机碳含量的变化幅度大小不同：灌木的土壤有机碳密度较平均土壤有机碳含量的变化幅度相比其他的类型是比较大的，反之，其他植被类型的土壤有机碳密度均较其平均土壤有机碳含量的
变幅较小。不同功能区土壤有机碳含量的变化既表现出差异性，也表现出某些相似性。九个不同采样区域中A区、E区、L区各不同植被类型土壤有机碳含量均较其他区域高。H区不同植被类型土壤有机碳含量较其他区最低。在城市中建设植被有助于土壤固碳，几种不同植被类型中，草丛和乔木的固碳效果比较好。应当尽可能加强裸地的植被建设，增加裸地土壤的固碳能力；尽量减少和避免外界强烈的人为干扰，防止浅层土壤有机碳的损失，以维持土壤碳库稳定。
不同的植被类型对土壤有机碳库的影响比较复杂，目前，学者对森林、草地和农田及其相互转化对土壤有机碳的影响做了大量的研究。而城市内不同植被类型对土壤有机碳的影响因素研究相对较少[18]。因城市本身发展程度的不同，人为作用的方式、强度的不同，土壤有机碳和土壤密度含量在城市不同植被类型之间表现出变异性。
研究表明，城市内不同植被类型之间土壤有机碳含量和土壤有机碳密度均表现出差异。喀什市的研究区内各植被类型表层0～20 cm深度的土壤平均有机碳密度和平均土壤有机碳含量大小关系均为：草丛>乔木>灌木>裸地。喀什市内草丛土壤有机碳的来源主要是植物凋落物的输入，其大小取决于凋落物输入量和土壤有机质的分解释放量。而裸地由于植被覆盖度很低，由植被输入土壤的有机质比较少，且地表凋落物易被风力搬运，因此裸地土壤平均有机碳密度和平均土壤有机碳含量最低。研究区内的
乔木已经发展稳定，植被郁闭度大，土壤环境得到较好的改善，适宜微生物活动。另外调查发现地表凋落物也较多，大大增加了土壤有机质的输入量，因此其土壤平均有机碳含量和密度的大小表现为中间类型。研究区内的灌木虽然发展较稳定，但比乔木相的植被盖度较低，凋落物量相对较少且易移动，土壤环境比较差，因此灌木的土壤平均有机碳含量/密度也表现为中间类型。
城市土壤中有机碳的变化显然与其特殊的环境和有机碳来
源有关，城市土壤中有机碳的输入为多源性特点。城市土壤有机物质除少量来自其上生长的植物（包括枯枝落叶和杂草）外，主要由外界的人为输入，城市内高度密集的人口和大量的生活垃圾混入是城市土壤有机碳的主要来源，这些城市垃圾包括食物的残余物以及燃料的残余物。另外，城市工业企业排放的有机废弃物也是城市土壤有机碳的主要来源之一。开封市不同功能区的土壤有机碳含量变化的研究表明，工业区内土壤SOC最大的，其次是休闲娱乐区土壤的SOC[19]。城市土壤较为坚实，土壤孔隙度较小，并且城市土壤不以生产为目的，土壤有机碳分解较慢、有机质的消耗较少，促进了土壤有机碳的积累。