北京溫榆河流域周邊河岸帶景觀結構與土壤碳儲量響應

孫榮凱，陳智慧

(北京農學院園林學院，北京 102206)

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北京溫榆河流域周邊河岸帶景觀結構與土壤碳儲量響應

孫榮凱，陳智慧

(北京農學院園林學院，北京 102206)

摘要[目的]研究北京溫榆河流域周邊河岸帶景觀結構與土壤碳儲量響應，為岸邊帶生態系統的恢復重建提供科學依據。[方法]以位于北京城郊區的溫榆河昌平段為研究區，分別采集岸邊帶自然植被、半自然植被、人工植被3種植被類型0～20、20～40、40～60 cm的土層土樣，研究土壤有機碳垂直分布特征。[結果] 0～20 cm土壤有機碳密度為1.842 0 kg/m2，20～40 cm為1.691 2 kg/m2，40～60 cm為1.460 2 kg/m2。自然植被0～20 cm土壤有機碳密度為2.326 4 kg/m2，20～40 cm為2.413 3 kg/m2，40～60 cm為1.377 4 kg/m2；半自然植被0～20 cm土壤有機碳密度為1.673 6 kg/m2，20～40 cm為1.545 1 kg/m2，40～60 cm為1.360 4 kg/m2；人工植被0～20 cm土壤有機碳密度為1.751 5 kg/m2，20～40 cm為1.430 6 kg/m2，40～60 cm為1.394 7 kg/m2。[結論]溫榆河河岸帶土壤 0～60 cm的碳含量隨著土壤深度的增加呈垂直變化，各土層土壤碳含量從大到小依次為0～20、20～40、40～60 cm；各植被類型的土壤碳含量由大到小依次為自然植被、半自然植被、人工植被。

關鍵詞河邊帶；土壤有機碳；空間分布；植被類型

河邊帶是水陸生態系統的交錯帶，具有重要的生態功能[1-4]，同時也面臨著強烈的人類活動干擾[5-8]。土壤碳循環和碳儲量研究是當前陸地生態系統碳循環以及全球變化研究的熱點[9-10]。土壤有機碳庫儲量是全球溫室氣體的一個主要源和匯，同時土壤作為人類生存和發展的基底環境，易受到人類活動的影響，土壤碳庫的輕微變動有可能引起大氣環境和陸地生態系統的迅速響應[11-15]。土壤作為岸邊帶環境的主要載體，其環境承載能力不僅關系著岸邊帶的健康，還與河流水環境密切相關[16-21]。筆者以北京城郊區溫榆河昌平段為研究區，研究了河岸帶景觀結構與土壤碳儲量響應，旨在為岸邊帶生態系統的保護、恢復和重建提供決策依據。

1材料與方法

圖1　溫榆河分布區域Fig.1　Distribution of Wenyu River

1.1研究區概況溫榆河位于北京市東北部，是北運河水系上游干流河道，全長47.5km，流域面積4 293km2。溫榆河上游為昌平區沙河鎮沙河水庫，該水庫由北沙河、東沙河與南沙河匯集形成。沙河水庫以下區域稱為溫榆河，河道經過北京5個區(包括昌平、順義、海淀、朝陽、通州)(圖1)，匯集于北關閘，沿途支流分布有藺溝河、壩河、清河以及小中河。在昌平段內，溫榆河始于沙河閘，止于魯疃閘，主河道長約19.2km，流域面積達到1 237km2。昌平段作為典型的城鄉結合區，岸邊帶受人類活動干擾嚴重，且每年有大量未經處理的農村生活污水、養殖廢水和農田地表徑流排入溫榆河，使溫榆河水體受到嚴重威脅。昌平區位于北京市西北部，地理坐標為115°50′17″～116°29′49″E，40°2′18″～40°23′13″N，北與延慶、懷柔相連，東鄰順義，南與朝陽、海淀毗鄰，西與門頭溝、河北懷來接壤。全區總面積1 352km2，耕地面積420萬hm2，山區、半山區總面積占全縣的2/3。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均日照時數2 684h，年均氣溫11.8 ℃，年均降水量550.3mm。由于地理形勢優越，土地肥沃，自然資源豐富，旅游業、房地產業、商業發展迅速，成為該區的三大優勢產業。同時該區農業、工業發展迅速，觀光旅游和民俗旅游經營成果顯著，工業企業產品產量大幅增加，如汽車、水泥、耐火材料制品、鮮冷藏肉、玻璃保溫容器等已成為促進昌平經濟發展的支柱產業。

1.2樣地選取樣地的選取主要依據距離岸邊帶遠近、岸邊帶植被類型分布，采集地點分布情況見表1。根據人為景觀干擾梯度的不同，可以分為3種植被類型。第1類植被類型為自然植被(N)，主要為草灌型(GW)和草本型(G)；第2類植被類型為半自然植被(S)，包括草本型(G)、喬林型(F)、灌喬草(GWF)、草喬型(GF)和喬草型(FG)；第3類植被類型為人工植被(A)，包括農田型(A)、草坪(G)、荷花(F)。

表1　樣品采集地點分布

1.3樣品采集于2011年8月(雨季)采集樣品，在每條樣帶內根據植被類型的不同設置樣方(10m×10m)，并在樣方內采集土壤。其中，采用傳統隨機取樣法采集土壤樣品，在每個樣方內按照“S”型布點，用土鉆分別采取0～20、20～40、40～60cm3個土層深度的土樣5個，將同層的5個樣品均勻混合為1個樣，裝入自封帶內，共采集混合土樣159份。沉積物樣品采集時，在相應土壤樣方近岸沿平行河流方向10m長度范圍內，隨機采取0～10cm深度沉積物5次進行混合，記為1個樣品，共采集25個樣地。將采集的樣品剔除植物殘體和石塊，分別裝入聚乙烯封口袋中登記編號，帶回實驗室，置于通風陰涼處晾干，待測。野外采樣時，使用GPS定位系統在每個樣方的中間位置進行定位，記錄采樣點位置。土壤總有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[22-24]。

圖2　不同土層土壤碳含量Fig.2　Soil carbon content in different soil layers

2結果與分析

2.1不同土層土壤碳含量從圖2可以看出，溫榆河河岸帶土壤 0～60cm的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現出垂直的變化。隨著土壤深度的增加，土壤有機碳密度呈減少趨勢，0～20cm土壤有機碳密度為1.842 0kg/m2，20～40cm土壤有機碳密度為1.691 2kg/m2，40～60cm土壤有機碳密度為1.460 2kg/m2。0～20、20～40、40～60cm層土壤有機碳密度變異系數分別為69.95%、55.62%和70.23%，變異系數為10%～100%，為中等強度變異。由差異分析結果可知，0～20、20～40、40～60cm層土壤有機碳密度差異顯著(P<0.05)。

2.2不同植被類型對土壤碳含量的影響

2.2.10～20cm不同植被類型碳含量分布特征。從圖3可以看出，0～20cm土層土壤有機碳含量表現出自然植被(N)高于半自然植被(S)和人工植被(A)。其中，自然植被的土壤碳密度為2.326 4kg/m2，半自然植被為1.673 6kg/m2，人工植被為1.751 5kg/m2。差異分析結果顯示，自然植被0～20cm土壤碳密度與半自然植被和人工植被相比差異顯著(P<0.05)，而半自然植被和人工植被相比差異不顯著(P>0.05)。

圖3　不同土層各植被類型土壤碳含量Fig.3　Soil carbon content of different vegetation types in each soil layers

2.2.220～40cm不同植被類型碳含量分布特征。從圖3可以看出，20～40cm土層的土壤碳含量表現為自然植被高于半自然植被和人工植被，半自然植被稍高于人工植被。其中，自然植被的土壤碳密度為2.413 3kg/m2，半自然植被為1.545 1kg/m2，人工植被為1.430 6kg/m2。差異分析結果顯示，自然植被在20～40cm土壤碳密度與半自然植被和人工植被相比差異顯著(P<0.05)，而半自然植被和人工植被相比差異不顯著(P>0.05)。

2.2.340～60cm不同植被類型碳含量分布特征。從圖3可以看出，3種植被40～60cm土層的土壤有機碳含量差異不大。其中 ，自然植被的土壤碳密度為1.377 4kg/m2，半自然植被為1.360 4kg/m2，人工植被為1.394 7kg/m2。差異分析結果顯示，自然植被、半自然植被、人工植被40～60cm土層的碳密度差異均不顯著(P>0.05)。

2.3不同植被類型土壤碳含量垂直分布特征

2.3.1自然植被有機碳含量垂直分布特征。從圖4可以看出，溫榆河河岸帶自然植被 0～60cm土層的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現出垂直變化，0～20、20～40cm的土壤有機碳密度高于40～60cm，即隨著土壤深度的增加土壤有機碳密度呈減少趨勢。根據統計分析可知，自然植被0～20cm土壤有機碳密度為2.326 4kg/m2，20～40cm為2.413 3kg/m2，40～60cm為1.377 4kg/m2。由差異分析可知，自然植被0～20、20～40cm土壤有機碳密度與40～60cm層土壤有機碳密度差異顯著(P<0.05)，0～20cm土壤有機碳密度與20～40cm相比差異不顯著(P>0.05)。

2.3.2半自然植被有機碳含量垂直分布特征。從圖4可以看出，溫榆河河岸帶土壤半自然植被0～60cm土層的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現出垂直變化，碳儲量從大到小依次為淺層土壤(0～20cm)、中層土壤(20～40cm)、深層土壤(40～60cm)，即隨著土壤深度的增加，土壤有機碳密度呈減少趨勢。根據統計分析可知，半自然植被0～20cm土壤有機碳密度為1.673 6kg/m2，20～40cm為1.545 1kg/m2，40～60cm為1.360 4kg/m2。由差異分析可知，自然植被0～20、20～40、40～60cm土壤有機碳密度達顯著差異(P<0.05)。

2.3.3人工植被有機碳含量垂直分布特征。從圖4可以看出，溫榆河河岸帶土壤人工植被 0～60cm的碳儲量隨著土壤深度的增加呈現出垂直變化，0～20cm的土壤有機碳密度明顯高于20～40、40～60cm。人工植被0～20cm土壤有機碳密度為1.690 0kg/m2，20～40cm為1.430 6kg/m2，40～60cm為1.424 8kg/m2。由差異分析可知，人工植被0～20cm土壤有機碳密度分別與20～40、40～60cm差異顯著(P<0.05)，20～40cm土壤有機碳密度與40～60cm相比差異不顯著(P>0.05)。

3結論與討論

(1)從總體趨勢來看，隨著土層深度的增加，有機碳儲量隨之減小，呈垂直變化。土壤有機碳密度以0～20cm層最大，表現出有機碳在土壤中的表聚作用，這與許多學者的研究結果[25-29]一致。

(2)不同植被類型的土壤有機碳含量有差異。各土層的有機碳含量由大到小依次為自然植被、半自然植被、人工植被，原因可能是自然植被受人類活動的干擾較少，土壤碳含量較高。

(3)溫榆河河岸帶土壤自然植被、半自然植被和人工植被 0～60cm的碳儲量隨著土壤深度的增加均呈現出垂直變化，0～20、20～40cm的土壤有機碳密度高于40～60cm，即隨著土壤深度的增加，土壤有機碳密度呈減少趨勢。

圖4　不同植被類型土壤碳含量垂直分布特征Fig.4　Vertical distribution characteristics of soil carbon content under different vegetation types

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作者簡介孫榮凱(1988- )，男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：園林植物栽培生理與生態。

收稿日期2016-03-29

中圖分類號S 153.6

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-207-04

StructureandSoilCarbonReservesResponseofRiparianZoneLandscapeSurroundingBeijingWenyuRiverBasin

SUNRong-kai,CHENZhi-hui

(CollegeofLandscapeArchitecture,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing102206)

Abstract[Objective] To research the structure and soil carbon reserves response of riparian zone landscape surrounding Beijing Wenyu River Basin, and to provide scientific basis for the reconversion of shore zone ecosystem. [Method] With Changping section of Wenyu River in Beijing suburb as the research region, soil samples at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were collected from three vegetation types of natural vegetation, seminatural vegetation and artificial vegetation. Vertical distribution characters of soil organic carbon were researched. [Result] Organic carbon densities at 0-20, 20-40 and 40-60 cm soils was 1.842 0, 1.691 2 and 1.460 2 kg/m2, respectively. Soil organic carbon densities of natural vegetation at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were 2.326 4, 2.413 3 and 1.377 4 kg/m2, respectively. Soil organic carbon densities of seminatural vegetation at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were 1.673 6, 1.545 1 and 1.360 4 kg/m2, respectively. Soil organic carbon densities of artificial vegetation at 0-20, 20-40 and 40-60 cm were 1.751 5, 1.430 6 and 1.394 7 kg/m2, respectively. [Conclusion] Soil carbon content at 0-60 cm in riparian zone of Wenyu River Basin shows vertical change with the increase of soil depth. Carbon content in different soil layers from big to small is in the order of 0-20, 20-40 and 40-60 cm. Soil carbon content of different vegetation types from big to small is in the order of natural vegetation, seminatural vegetation and artificial vegetation.

Key wordsRiparian zone; Soil carbon; Spatial distribution; Vegetation type