陆地生态系统碳循环是全球碳循环中的重要环节, 在全球气候变化中扮演着重要角色^[1]。湿地是碳的储存库, 碳库的变化对全球气候变暖、维护湿地生态平衡有着及其重要的意义。关于湿地碳蓄积量的研究, 国外学者做了很多^[2-6]。土壤有机碳含量的估算研究主要集中在土壤上层1m以内的深度, 这是因为土壤有机碳主要分布在上层1m以内^[7]。1951年美国学者Rubey综合以往研究者发表的美国9个土壤剖面有机碳含量研究成果, 推算出全球土壤有机碳存量约为710PgC^[8]。1976年Bohn利用土壤分布图及相关土壤分类的有机碳含量, 估算出全球土壤碳库为2949Gt^[9]；1982年Bohn又根据相对较完整的“联合国粮食与农业组织”发布的187个剖面土壤碳密度值, 重新估算的全球土壤碳库为2200Gt^[10]。90年代以来国际上对全球土壤有机碳储量的研究结果集中在1500PgC—1600PgC之间^[11]。在研究方法方面, 随着遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)技术的发展, 为全球土壤碳库的研究提供了新的技术和方法^[12]。

国内关于土壤碳储量方面的研究起步于20世纪80年代, 主要研究内容为土壤有机碳储量及其空间分布特征等。王绍强等2000年估算中国陆地土壤总有机碳库储量约为92.4PgC, 其空间分布总体上是东部地区随着纬度的增加而增加, 西部地区则随着纬度的减小而增加^[13]。潘根兴1999年计算出中国土壤有机碳储量为50PgC, 无机碳库储量为60PgC, 主要分布在西北和华北地区^[14]。中国地质调查局于2002年的地质调查结果为深入研究我国陆地土壤碳库的空间分布特征、影响因素、碳循环规律、圈定我国土壤碳源碳汇区提供了重要的数据保障^[15]。近年来, 也有一些学者对不同区域进行了土壤碳库的相关研究：张天琴^[16]直接调用预先建立好的数据库中的数据文件, 对吉林西部县域1996年、2000年、2004年以及2008年4a的土壤碳储量进行估算, 分析其时空变化。张立^[17]在松嫩平原南部地区范围内开展了土壤0—1.8m深度全碳储量的研究, 结果为26.6431亿t, 单位面积全碳储量为32125t/km², 测区土壤0—1.8m深度有机碳储量为16.7629亿t, 单位面积有机碳储量为20212t/km²。Tan^[18]等对中国黄土高原不同土壤类型的无机碳蓄积量进行了研究。除了对平原区进行了碳储量的研究以外, 关于湿地碳储量的研究也有很多, 如黄昕琦等对内蒙古乌梁素海湿地土壤有机碳组成与碳储量进行了定量研究, 结果表明沼泽化将会大大降低该湿地的碳储量^[19]；马维伟等对尕海湿地生态系统土壤有机碳储量和碳密度分布进行了分析, 结果显示尕海湿地4种类型湿地土壤的总有机碳储量约为9.5×10⁶t^[20]。综上, 国内外对碳储量进行了大量研究, 仍存在如下不足, 如因土壤的系统分类不统一和采用的不同计算方法导致土壤碳库估算结果差异很大；对区域单元小范围地球的土壤碳储量研究相对较少, 特别是对高盐湖泊湿地的研究少见报道。

新疆的艾比湖是一个典型的干旱区高盐湿地, 关于该湿地的土壤理化特性研究内容比较丰富^[21-24]。然而, 针对高盐湖泊湿地土壤中有机碳的赋存量、影响因素及未来发展趋势, 却少有关注。为了探寻干旱区湖泊湿地有机碳的蓄积量及固碳机制, 本文在艾比湖湿地布设107个土壤剖面, 对艾比湖不同土壤类型1m深度的土壤有机碳储量进行分层定量测算后统计湿地的总碳库量, 为新疆干旱区湿地生态系统恢复、保护与科学管理提供科技支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

艾比湖湿地位于新疆精河县西北、准噶尔盆地西南(44°30′—45°09′N, 82°36′—83°50′E)，是这一区域的汇水中心, 主要补给河流为博尔塔拉河、精河、阿奇克苏河。西北面是著名的风口—阿拉山口, 艾比湖周边年平均大风(17 m/s)日数多达164 d, 最多185 d, 瞬间最大风速55 m/s。北侧为天山最北支阿拉套南坡, 南侧为北天山西段北坡, 是国内最具代表性的温带干旱区湿地荒漠生态系统, 是天山北坡地区绿洲与荒漠化共同演进的中心, 在调节气候、维持区域生态平衡等方面有着十分重要的作用。艾比湖所在区域干燥少雨多风, 年平均气温5 ℃, 降水量年内分配不均匀, 多年平均降水量为105.17 mm, 蒸发量为1315 mm。区内典型地带性土壤为灰漠土、灰棕漠土和风沙土, 隐域性土壤为盐(盐渍化) 土、草甸土和沼泽土。

1.2 土壤样品的采集及处理

根据艾比湖湿地周边环境, 按照代表性原则, 在艾比湖湿地七种植被类型覆盖条件下(盐化草甸、小乔木荒漠、寒湿性针叶林、干涸湖底、盐生灌丛、荒漠河岸林、灌木荒漠)共设土壤剖面107个, 用不锈钢螺旋土钻, 采样深度100 cm, 按0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm 5个深度分层采集土样, 每层约2 kg, 带回实验室分析。采样时间为2011、2012、2013年5月, 采样同时进行GPS定位, 并详细记录采样点的植被类型、土壤类型、土地利用方式、经纬度坐标及高程等相关信息。野外采回的土样经自然风干、研磨、过筛, 进行土壤理化指标的测定。

1.3 样品的测定方法及数据处理

(1) 有机碳测定采用重铬酸钾法。(2) 利用统计软件SPSS17.0进行数据分析。(3) 土壤有机碳密度及有机碳需计量估算方法：土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的含量, 其计算公式为：

式中, SOCD_i为第i层土壤有机碳密度(kg/m²)；C_i为第i层土壤有机碳含量(g/kg)；ρ_i为第i层土壤容重(g/cm³)；H_i为剖面深度(cm)；10^-2为单位转换系数。

土壤有机碳储量(SOC_storage)可以用以下公式求得:

式中, S为研究区面积。

2 结果与讨论 2.1 艾比湖湿地不同植被类型土壤有机碳统计特征

表 1为7种植被类型不同土层深度有机碳统计分析, 由表可以看出, 荒漠河岸林土壤有机碳含量分布在3.52—8.42 g/kg之间, 0—20 cm土层有机碳含量的变异系数为80.39%, 属于中等变异, 其他4层变异系数均超过了100%, 属于强变异性；盐生灌丛土壤有机碳含量处于3.65—8.53 g/kg之间, 0—20 cm土层有机碳含量的变异系数为114.06%, 属于强变异, 其他4层变异系数均介于10%—100%之间, 属于中等变异；盐化草甸土壤有机碳含量处于37.24—57.77 g/kg之间, 该土壤类型每个土层有机碳含量的变异系数均大于100%, 属于强变异；灌木荒漠土壤有机碳含量处于2.31—8.11 g/kg之间, 0—20 cm土层有机碳含量的变异系数为130.20%, 属于强变异, 其他4层变异系数均超介于10%—100%, 属于中等变异性；寒湿性针叶林土壤有机碳含量处于3.08—11.16 g/kg之间, 0—20 cm土层有机碳含量的变异系数为123.20%, 属于强变异, 其他4层变异系数均超介于10%—100%, 属于中等变异性；小乔木荒漠土壤有机碳含量处于11.93—19.44 g/kg之间, 0—80 cm的4个土层有机碳含量的变异系数均大于100%, 属于强变异, 80—100 cm的土层有机碳变异系数为77.60%, 属于中等变异性；干涸湖底土壤有机碳含量处于3.82—8.75 g/kg之间, 0—100 cm的5个土层有机碳含量的变异系数均介于10%—100%, 属于中等变异性。

2.2 艾比湖湿地不同植被类型土壤有机碳空间分异特征 2.2.1 艾比湖湿地不同植被类型土壤有机碳垂直分布特征

由于艾比湖湿地植被类型不同, 气候因子和环境条件造成地上植被生物量积存量有差异, 向地下转移的有机碳量也有区别, 同时气候因子也会对地下有机碳的矿化速率产生影响, 具体表现为气温在降低的条件下, 有机碳矿化速率也会减小, 土壤中有机碳积累会增加。由图 2可以看出, 艾比湖湿地7种主要类型土壤有机碳含量垂直分异规律很明显, 即随剖面深度的增加, 含量依次递减, 但是减少的程度有差异。其中盐化草甸覆盖下的土层自上而下, 土壤有机碳含量减少的幅度最大, 由57.77 g/kg减少到37.24 g/kg；小乔木荒漠土壤有机碳含量变化由19.44 g/kg减少到11.93 g/kg, 其变化幅度较大；其它几种类型土壤有机碳含量随土层深度的增加而减少, 其变化趋势基本一致, 变幅不明显。在湿地表层土(0—20 cm)中, 盐化草甸覆盖条件下的土壤有机碳含量最大, 是其它类型土壤有机碳含量的6—7倍, 尤其是表层土壤含量差异非常明显。20—100 cm土层, 七种类型土壤有机碳含量的差异逐渐变小。通过上述分析知道, 土壤有机碳含量的差异在0—20 cm土层表现的最明显。

2.2.2 艾比湖湿地不同植被类型土壤有机碳含量比较

由图 3可以看出, 在0—20 cm土层, 有机碳含量大小规律为盐化草甸>小乔木荒漠>寒湿性针叶林>干涸湖底>盐生灌丛>荒漠河岸林>灌木荒漠；20—40 cm土层, 有机碳含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>寒湿性针叶林>干涸湖底>荒漠河岸林>灌木荒漠>盐生灌丛；40—60 cm土层, 有机碳含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>寒湿性针叶林>干涸湖底>灌木荒漠>荒漠河岸林>盐生灌丛；60—80 cm土层, 有机碳含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>盐生灌丛>荒漠河岸林>干涸湖底>寒湿性针叶林>灌木荒漠；80—100 cm土层, 有机碳含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>干涸湖底>盐生灌丛>荒漠河岸林>寒湿性针叶林>灌木荒漠。7种类型土壤有机碳均随土层深度的增加而减少。土壤有机碳分布规律为浅表层(0—20 cm)集中, 40 cm以下分布较为均匀, 变化不显著。

由图 4可以看出, 艾比湖湿地七种类型的土壤在不同层次分配比例的差异。干涸湖底和灌木荒漠表现的特征一致, 0—60 cm的土层自上而下依次递减, 在60—80 cm, 80—100 cm分配比例相同, 其中干涸湖底表层(0—20 cm)占到30%、20—40 cm比例为23%、40—60 cm为21%、60—80 cm、80—100 cm均为13%, 灌木荒漠表层(0—20 cm)占到34%、20—40 cm比例为26%、40—60 cm为21%、60—80 cm、80—100 cm均为10%；荒漠河岸林和盐化草甸土表现的特征一致, 0—100 cm的土层自上而下依次递减, 其中荒漠河岸林表层(0—20 cm)占到31%、20—40 cm比例为25%、40—60 cm为16%、60—80 cm为14%、80—100 cm为13%, 盐化草甸表层(0—20 cm)占到25%、20—40 cm比例为21%、40—60 cm为20%、60—80 cm为18%、80—100 cm为16%；盐生灌丛、寒湿性针叶林、小乔木荒漠3种类型的土壤表现规律各有不同, 其中盐生灌丛表层(0—20 cm)占到33%、20—40 cm比例为23%、40—60 cm为14%、60—80 cm为15%、80—100 cm为14%；寒湿性针叶林表层(0—20 cm)占到36%、20—40 cm比例为24%、40—60 cm为21%、60—80 cm为9%、80—100 cm为10%；小乔木荒漠表层(0—20 cm)占到26%、20—40 cm比例为19%、40—60 cm为19%、60—80 cm为20%、80—100 cm为16%。上述分布规律表明, 腐殖质的累积多在土壤浅表层, 因此有机碳积累的也比较多。因为土壤有机碳库受到初级生产量的输入过程与分解过程的制约, 土壤有机碳含量也会随土壤剖面深度的增加而降低^[25]。艾比湖湿地不同植被类型间土壤有机碳含量的差异主要表现在0—20 cm土壤层, 在这一土层植物凋落物会比较多, 使得土壤有机碳积累量增大。此外, 植物的根系也大部分分布在土壤的浅表层, 随着土层剖面加深, 植物根系分布量逐渐减少, 有机碳来源自然变少, 有机碳含量递减, 与前人的研究结果一致^[26]。通过上述分析可以看出, 土壤有机碳含量在剖面上的这种分布格局, 主要与地上枯落物、植物地上地下物质分配、根系深度和根生物量等诸多因素密切相关, 因为土壤有机碳的主要来源有两种, 即枯落物和根系分解所产生的有机碳, 所以它们的变化对于土壤有机碳输入的模式、速度、质量和数量都会产生很大影响。

2.3 艾比湖湿地土壤有机碳密度分布特征

土壤有机碳密度被定义为单位面积一定深度土层中土壤有机碳的储量, 因为排除了面积因素的影响而以土体体积为计算基础, 土壤碳密度已经成为评价和衡量土壤中有机碳储量的一个极其重要的指标^[27]。由图 5可以看出, 在0—20 cm土层, 有机碳密度含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>寒湿性针叶林>干涸湖底>荒漠河岸林>盐生灌丛>灌木荒漠；20—40 cm土层, 有机碳密度含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>寒湿性针叶林>荒漠河岸林>干涸湖底>灌木荒漠>盐生灌丛；40—60 cm土层, 有机碳密度含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>寒湿性针叶林>干涸湖底>灌木荒漠>荒漠河岸林>盐生灌丛；60—80 cm土层, 有机碳密度含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>荒漠河岸林>盐生灌丛>干涸湖底>寒湿性针叶林>灌木荒漠；80—100 cm土层, 有机碳密度含量规律为盐化草甸>小乔木荒漠>寒湿性针叶林>荒漠河岸林>盐生灌丛>干涸湖底>灌木荒漠。不同土壤类型有机碳密度的变化表现出随土壤剖面深度的增加而减少的趋势。这种变化趋势的形成, 主要由有机碳含量和土壤容重共同决定。此外, 可能的原因还有湿地地表的植物种类变化, 因地上植被复杂多样, 因此土壤有机碳密度也呈现出差异性。

2.4 艾比湖湿地土壤有机碳储量估算

表 2结果是艾比湖湿地不同植被类型覆盖条件下土壤有机碳不同土层的蓄积量。干涸湖底不同土层蓄积量区间为43777.74—129991.39 kgC, 累计蓄积量为387752.7 kgC, 占湿地总蓄积量为5.47%；荒漠河岸林不同土层蓄积量区间为13196.55—35437.49 kgC, 累计蓄积量为109787.5 kgC, 占湿地总蓄积量为1.55%；盐生灌丛不同土层蓄积量区间为39561.67—98656.73 kgC, 累计蓄积量为286648.3 kgC, 占湿地总蓄积量为4.04%；盐化草甸不同土层蓄积量区间为284030.50—561827.18 kgC, 累计蓄积量为2206621 kgC, 占湿地总蓄积量为31.14%；灌木荒漠不同土层蓄积量区间为34080.88—111209.44 kgC, 累计蓄积量为344856.2 kgC, 占湿地总蓄积量为4.87%；寒湿型针叶林不同土层蓄积量区间为654.40—2771.11 kgC, 累计蓄积量为7679.44 kgC, 占湿地总蓄积量为0.11%；小乔木荒漠不同土层蓄积量区间为618405.40—943376.73 kgC, 累计蓄积量为3743517 kgC, 占湿地总蓄积量为52.82%。蓄积量排序依次为小乔木荒漠>盐化草甸>干涸湖底>灌木荒漠>盐生灌丛>荒漠河岸林>寒湿性针叶林。7种0不同类型土壤类型的有机碳蓄积总量为7086862.83 kgC。从结果中可以看出, 不同类型植被覆盖的土壤碳储量变化差异很大, 原因可能为：植物根系的分布直接影响到土壤有机碳的垂直分布^[28], 因为大量的死根腐解, 为土壤提供了丰富的碳源；另一方面, 地表大量的枯枝落叶也是表层土壤有机碳的重要来源^[29], 导致不同层次土壤碳储量差异显著。

3 结论

(1) 艾比湖湿地7种不同植被覆盖类型的土壤有机碳含量垂直分布特征为：随土壤剖面深度的增加而减少, 但是变化幅度不同。在表层(0—20 cm), 盐化草甸覆盖条件下的土壤有机碳含量最大, 是其它类型土壤有机碳含量的6—7倍。20—100 cm土层, 7种类型土壤有机碳含量的差异逐渐变小。七种不同类型土壤有机碳的垂直空间变异性差异明显, 其中荒漠河岸林、盐化草甸、小乔木荒漠大多属于强变异, 而其它植被覆盖的土壤类型多属于中等变异。

(2) 艾比湖湿地7种不同植被类型土壤有机碳含量在相同土层的分布特征为：每种植被覆盖条件下的有机碳均集中分布在浅表层(0—20 cm), 从40 cm以下分配比例逐渐减小。不同植被类型土壤有机碳在不同土层的分配比例差异也很明显, 表层(0—20 cm)多在30%以上, 碳密度分布规律与其基本一致。

(3) 艾比湖湿地土壤有机碳储量排序依次为小乔木荒漠>盐化草甸>干涸湖底>灌木荒漠>盐生灌丛>荒漠河岸林>寒湿性针叶林。7种不同类型土壤类型的有机碳蓄积总量为7086862.83 kgC。