黑龍江省鹽堿地土壤無機碳分布特征

李德文　唐中華　劉英等

摘要 采用原位測定、室內實驗相結合的方法，研究黑龍江省重度鹽堿地土壤無機碳的形態、分布規律，并且探討黑龍江省鹽堿土無機碳的密度。不同植被類型顯著影響土壤無機碳分布，羊草草地土壤空氣中CO2含量明顯高于虎尾草草地，而HCO-3/ CO-23含量和土壤表層CaCO3含量低于虎尾草草地。鹽堿裸地中以CO2、HCO-3及CaCO3等形式存在的無機碳儲量隨著土層深度增加均無顯著變化。以土壤碳酸鹽含量為基礎，估算土壤無機碳密度，發現羊草及虎尾草草地表層土壤（0～10 cm）無機碳密度顯著低于鹽堿裸地（P<005），底層土壤無機碳密度差異不顯著；鹽堿裸地土壤無機碳密度為101.4 ～124.8 Mg/hm2。

關鍵詞 松嫩平原；鹽堿地；無機碳

中圖分類號 S151.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-085-03

Distribution Characteristics of Soil Inorganic Carbon of Salinealkaline Land in Heilongjiang Province

LI Dewen1， TANG Zhonghua1， LIU Ying1， WEI Xiaoxue2* et al

（1. Key Laboratory of Forest Plant Ecology of the Ministry of Education， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2 Institute of Volcanoes and Mineral Springs， Heilongjiang Academy of Science， Wudalianchi， Heilongjiang 164155）

Abstract The morphologies and distribution of soil inorganic carbon of salinealkaline land in Heilongjiang Province were studied， with the methods of field monitoring and laboratory analysis. The contents of soil CO2， HCO-3/CO2-3， and carbonate were significantly effected by vegetation types. Leymus chinensis grassland had higher soil CO2 concentrations， but lower contents of HCO-3/ CO2-3 and CaCO3 than Chloris virgata grassland. For barren sites， the soil inorganic carbon had no significant change at different soil depths. Based on soil carbonate， the density of soil inorganic carbon was estimated. The results showed that the density were lower in Chloris virgata or Leymus chinensis grassland than barren sites （101.4 -124.8 Mg/hm2） in upper horizon （0-10 cm） （P< 0.05）， however， no evident difference was found in deep layers.

Key words Songnen Plain； Salinealkaline land； Inorganic carbon

土壤碳庫包括土壤有機碳庫和土壤無機碳庫。前者是濕潤、半濕潤地區碳庫的主要形式，而后者是干旱、半干旱地區土壤碳庫的主要形式，一般比土壤有機碳庫大2～5倍。有學者估算，全球土壤無機碳庫為700～1 000 Pg[1-3]。黑龍江省的鹽堿地面積為11 640 km2，占全省總土地面積的3%，主要分布在黑龍江省重要農區和牧區之一的松嫩平原，其中近1/3為含鹽量超過1%的重度鹽堿地，目前對其土壤碳庫還缺乏深入了解。土壤無機碳的剖面分布與母質、氣候、地貌、生物群落以及人為活動等密切相關[4-7]。目前，國內外對土壤無機碳庫的研究主要集中在草原和灌溉地區的農田，對各種陸地生態系統中土壤無機碳的轉化、運移機理及碳庫貯量還知之甚少。近年來，土壤碳儲庫日益受到關注，且有許多研究試圖闡明土壤對全球碳循環的影響。盡管已對土壤有機碳庫在全球碳循環中的作用進行深入研究，但對土壤無機碳尤其是呈土壤發生性次生碳酸鹽形式存在的無機碳的研究相對較少，目前對無機碳在陸地碳循環過程中的意義及其對地球表層系統碳截存中的作用還不甚了解[8]。

黑龍江省鹽漬土地區以水為驅動力，以碳為承載體，以鹽為表征物的“水-碳-鹽”動力系統，在生物和化學的協同作用下，積極參與全球碳循環，成為大氣CO2源匯的重要環節[9]。圖1為黑龍江省重度鹽堿土地區“水-碳-鹽”動力系統模式圖。松嫩平原地區母質土壤為鈣成土，潛水中含有較多的游離鈣離子，由于水的濃縮和pH的升高，水中的重碳酸鈣和部分碳酸根以碳酸鈣鹽的形態沉淀下來，成為土壤中的碳酸鈣[10]。碳酸鹽礦物的溶蝕及侵蝕后再結晶是碳庫與大氣CO2之間物質交流的重要過程。土壤中的CO2通過控制土壤pH和碳酸鈣的溶解性來影響其淀積過程。土壤碳循環過程是鹽堿地生態系統的重要內容。碳轉化過程導致土壤陽離子交換量的變化，從而影響土壤鹽分的動態變化。

鹽堿土無機碳以CO2、HCO-3、CO-23及碳酸鹽形式存在于土壤中，其中碳酸鹽為土壤無機碳庫的主要存在形式，其具體表現形式為CaCO3、CaMg（CO3）2和FeCO3。1 m深的土壤以碳酸鹽形式儲存的無機碳為930 ～ 1 738 Pg C。碳酸鹽對全球碳循環具有重要意義，即影響大氣、海洋、陸地生態系統間的碳庫變化；通過形成次生碳酸鹽，進而影響土壤碳截獲量。目前對各種類型土壤不同深度無機碳庫儲量的了解還很缺乏。研究不同類型土壤特別是鹽堿地土壤無機碳的形成機制對于降低大氣CO2濃度具有重要的現實意義。James等[11]認為，灌溉使得美國蛇河平原干旱區的大氣CO2可以無機碳固定。不同土地利用方式對土壤無機碳庫具有顯著影響。無機碳在1 m以下土層具有明顯的累積層[12]。俄羅斯黑鈣土2 m以上土層無機碳含量的順序為耕作土壤>休耕>草地>割草地。重碳酸鹽向地下水的淋溶是土壤無機碳截獲的一個重要機制。通過該途徑，每年有0.25 ～ 1.00 Mg/hm2 C被固定。Lal[13]提出，干旱和半干旱地區土壤每年以次生碳酸鹽截獲的碳可達0.006 9 ～ 0.265 9 Pg。但是，也有研究認為灌溉將導致農業土壤向大氣釋放CO2。我國鹽堿地面積為9 913萬hm2，其形成大部分與土壤中碳酸鹽的累積有關，因此深入研究鹽堿地土壤無機碳分布規律、轉換過程及其對土壤截獲的貢獻等將具有重要的現實意義。筆者采用原位測定及室內實驗相結合的方法，研究了黑龍江省重度鹽堿土無機碳的形態及分布規律。

圖1 重度鹽堿地“水-碳-鹽”動力系統模式

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

該研究在肇東市進行。該研究地位于黑龍江省西南部，松嫩平原中部，屬寒溫帶，平均積溫為2 772 ℃，其氣候特點是春季多風、少雨，干旱，夏季酷熱、多雨，秋季涼爽，易發生早霜，冬季寒冷、干燥。全年無霜期較短，平均在140 d左右。年降水量293～656 mm，降水極不均勻，夏季最多，秋季次之，春季最少。自然植被主要有羊草草地、虎尾草草地、羊草虎尾草草地及鹽堿裸地。肇東市鹽堿土的土壤容重為1.42 g/cm3，pH>9，電導率為1 350 ～1 500 μS/cm。選取羊草草地、虎尾草草地和研究裸地3種主要的植被類型為研究對象，對其土壤無機碳分布特征進行研究。

1.2 研究方法

在2008年10月下旬，在各采樣點分別挖取1 m × 1 m × 1 m的土壤剖面坑，按照不同深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm）采集土樣，測得土壤無機碳（SIC）剖面分布曲線，加權換算得到單位面積1 m土體內SIC儲量。采用雙指示劑中和滴定法，測定土壤樣品的HCO-3和CO-23的含量，同時測定土壤碳酸鹽含量。

將自制土壤空氣采樣器埋入土壤中，穩定半個月后用Li6400便攜式光合作用測定系統（美國LICOR公司）測定土壤各深度（0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm）CO2濃度。

1.3 數據處理

用Microsoft Excel和SPSS 11.5分別對各項指標進行顯著性差異分析（Oneway ANOVA）及相關分析（Bivariate correlation）。

2 結果與分析

2.1 鹽堿地土壤剖面CO2濃度 由圖2可知，鹽堿裸地土壤剖面CO2隨深度變化不大，虎尾草和羊草草地土壤剖面CO2含量隨深度增加而增加，羊草土壤剖面CO2濃度與土層深度顯著相關（P<0.05）。

圖2 黑龍江省鹽堿地不同深度土壤CO2濃度

試驗結果還表明，在一定范圍內，隨土層深度增加，土壤CO2濃度增加。有報道稱，在加拿大重黏黑鈣土上，生長季前期上層（15 ～ 30 cm）土壤CO2濃度最高，隨著深度的增加緩慢降低，隨生長季節的推進，最大CO2濃度就出現在較深土層，秋季時最高CO2濃度出現在120 ～150 cm土層。戴萬宏[14]研究了土壤CO2濃度對小麥和玉米生長的影響，發現土壤CO2濃度對小麥生長無明顯影響，對玉米具有顯著影響；補充土壤CO2濃度可降低玉米植株高度、植株干重、根系干重，增加冠/根比，且土壤CO2濃度對玉米根系的影響比對地上植株的影響大。碳酸鹽的溶解與再沉淀隨著土壤水分狀態、pH的變化在時間、空間上都會可逆發生。當土壤水分增加時，土壤CO2與水易生成碳酸，pH降低，CaCO3易生成Ca（HCO3）2；而當土壤水分降低時，Ca（HCO3）2 因失水易分解，沉淀生成CaCO3，釋放出CO2，pH隨之升高；另外，微生物在新陳代謝過程中所產生的有機酸和無機酸可溶解部分CaCO3，釋放出CO2。因此，黑龍江鹽堿地土壤CaCO3因環境的變化易釋放或吸收CO2氣體，改變土壤呼吸的大小，對CO2氣體的排放具有緩沖作用。一般認為，在沖、洪積平原的母質中含有較多的碳酸鈣，易形成土壤鈣積層，具有隔水性能和保水性能，從而影響土壤呼吸。朱宏等[15]研究表明，干旱區荒漠灌木林地土壤碳酸鈣含量與土壤呼吸的相關性較好，相關系數為0.93，在干旱半干旱區土壤碳酸鈣對灌（叢）木林地土壤呼吸有明顯的影響。

松嫩平原地區土壤富含碳酸鈣，其交換性復合體幾乎全為Ca2+所飽和。土壤表層的Ca2+與來自土壤空氣CO2溶解或植物殘體分解時產生的碳酸相結合，形成重碳酸鈣，在雨季向下移動，淀積于剖面中部下部，形成鈣積層。在降水量大于蒸發量的氣候條件下，土壤中的碳酸鈣將轉變為重碳酸鈣，從土體中淋失；當蒸發量大于降水量時，毛管水轉變為上升方向，從溫度低的下層土壤向溫度較高的上層土壤移動，釋放CO2，使得重碳酸鹽變為碳酸鈣，并且沉積[16]。

2.2 鹽堿地土壤HCO-3和CO-23的分布 由表1可知，不同植被類型土壤HCO-3含量變化趨勢不同，如虎尾草和羊草草地土壤HCO-3含量由表層到底層呈先增加后降低的趨勢，而鹽堿裸地土壤各深度HCO-3含量變化不大。表層土壤HCO-3含量大小順序為裸地>虎尾草≈羊草；稀根區（20 ～ 30 cm）和無根區（30 cm以下）含量大小順序為虎尾草>羊草>裸地；底層土壤HCO-3含量基本相同。不同植被類型土壤CO-23含量均較低，稀根區和無根區土壤CO-23含量順序依然為虎尾草>羊草>裸地。相關性分析結果表明，虎尾草和羊草草地土壤HCO-3和CO-23含量均呈顯著相關關系（P<0.05）。

HCO-3和CO-23是鹽堿地陰離子的重要成分，其含量變化與鹽堿化程度密切相關。肇東市鹽堿土HCO-3和CO-23的含量分別為1.25 ～ 92.04和 0.51 ～ 2.81 mg/L。張巍等[17]發現輕度鹽堿土的HCO-3濃度略高于中度鹽堿土，并且提出僅靠pH或電導率來判斷土壤的鹽堿化程度是不充分的。

2.3 鹽堿地土壤碳酸鹽含量 由圖3可知，土壤CaCO3含量隨深度的變化與植被根系分布狀況相關性較大，一般根系分布密集區土壤CaCO3含量較低，如羊草的密根區為0 ～20 cm，該土層CaCO3含量約為2%，遠低于稀根區和無根區。鹽堿裸地土壤CaCO3含量主要受降水淋溶作用的影響，土壤各層CaCO3含量范圍為7%～9%，隨深度變化不大。植被類型明顯影響表層土壤CaCO3含量。統計分析結果表明，0～10 cm土層羊草草地、虎尾草草地及鹽堿裸地土壤CaCO3含量顯著不同（P<0.05）。以土壤碳酸鹽含量為基礎，估算出土壤無機碳密度。由圖4可知，羊草草地表層土壤（0 ～10 cm）無機碳密度顯著低于鹽堿裸地（P<0.05），底層土壤無機碳密度差異不顯著；鹽堿裸地土壤無機碳密度為101.4 ～124.8 Mg/hm2。

土壤發生性碳酸鹽是干旱、半干旱地區的主要土壤成分。目前，在研究土壤碳庫及其對地球表層生態系統過程中碳循環及大氣CO2濃度的影響時，并沒有考慮到這類碳酸鹽。土壤無機碳含量及密度隨著降水量的減少呈增加趨勢，空間變異性大于有機碳；草地開墾為農田后無機碳含量升高，而放牧使無機碳的含量降低。Sahravat[18]研究了灌溉對干旱和半干旱地區農業土壤碳庫的影響，發現在土壤表層（30 cm）土壤有機碳占83%，而在150 cm以下深度土壤無機碳占70%。在印度中央平原地區，其氣候類型促進有機碳的分解以及無機碳的累積。在一般情況下，近表層土壤具有相對脫鈣現象，在40～80 cm處達到最大值，隨后無機碳含量減小。該研究表明，輕度鹽堿地土壤表層碳酸鈣含量較低，在植物無根區具有明顯的鈣積層。楊黎芳等[8]發現，不同土地利用方式鈣積層的剖面主要出現在40～80 cm處，鈣積層數大小順序依次為耕地>退耕地>干旱半干旱草原>典型草原，而且典型草原在140～180 cm處仍具有較高的無機碳含量（> 10 g/kg），但是只有典型草原的0～100 cm無機碳密度>有機碳密度，其余對應層位均為有機碳密度>無機碳密度。大多數剖面母質碳酸鹽含量少，因而無機碳密度較低，而母質碳酸鹽含量高的剖面無機碳密度則相對較高。在充足鈣源條件下，隨著有機碳的增加，無機碳累積增加。這說明有機碳對于無機碳的驅動效應以及人類活動可以顯著改變土壤碳含量。

3 結論與討論

（1）鹽堿裸地土壤剖面CO2濃度隨深度變化不大，虎尾草和羊草草地土壤剖面CO2濃度隨深度增加而增加，羊草土壤剖面CO2濃度與土層深度顯著相關（P<0.05）。

（2）不同植被類型土壤HCO-3含量變化趨勢不同。虎尾草和羊草草地土壤HCO-3含量由表層到底層呈先增加后降低的趨勢，而鹽堿裸地土壤各深度HCO-3含量變化不大。虎尾草和羊草草地土壤HCO-3和CO-23含量顯著相關（P<0.05）。

（3）植被類型顯著影響表層土壤CaCO3含量（P<005）；土壤CaCO3含量隨深度的變化與植被根系分布狀況相關性較大，一般根系分布密集區土壤CaCO3含量較低。鹽堿裸地土壤CaCO3含量主要受降水淋溶作用的影響，土壤各層CaCO3含量范圍為7%～ 9%，隨深度變化不大。

（4）虎尾草、羊草草地表層土壤無機碳密度顯著低于鹽堿裸地（P<0.05），底層土壤無機碳密度差異不顯著；鹽堿裸地土壤無機碳密度為101.4～124.8 Mg/hm2。

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