全 文 ：第 35卷 第 2期 生 态 科 学 35(2): 123127
2016 年 3 月 Ecological Science Mar. 2016

收稿日期: 2013-00-00; 修订日期: 2014-00-00
基金项目: 甘肃省自然科学基金项目(1308RJZG163)
作者简介: 张宏斌(1966—), 男, 高级工程师, 主要从事湿地生态学和生物多样性等方面的研究, E-mail: shyzhanghb1788@126.com
*通信作者: 孟好军(1964—), 男, 高级工程师, 主要研究方向为湿地生态学和生物多样性等, E-mail: shymenghj5619@126.com

张宏斌, 孟好军, 赵维俊, 等. 黑河流域中游芦苇湿地土壤碳垂直分布特征[J]. 生态科学, 2016, 35(2): 123127.
ZHANG Hongbin, MENG Haojun, ZHAO Weijun, et al. Vertical distribution characteristic of soil carbon of reed wetland in middle
region of Heihe Basin[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 123127.

黑河流域中游芦苇湿地土壤碳垂直分布特征
张宏斌 1, 孟好军 1,*, 赵维俊 1, 高慧娟 2, 赵永宏 3
1. 甘肃省祁连山水源涵养林研究院, 甘肃 张掖 734000
2. 河西学院农业与生物技术学院, 甘肃 张掖 734000
3. 甘肃农业大学林学院, 甘肃 兰州 730070

【摘要】 黑河流域是中国的第二大内陆河流域, 在该流域中游分布的湿地面积有 170411.2 hm2, 其中水陆交错带芦苇湿地面积
30000 hm2。以黑河流域中游芦苇湿地为例, 探讨了其土壤剖面中碳的垂直变化规律。结果表明, 土壤剖面 0—20 cm 土层的容
重较小, 容重均值为 0.365 g·cm3, 在 20—50 cm 容重均值急剧升高; 50 cm 以下, 容重均值均在 1.29 g·cm3以上, 容重随土壤
深度增加呈“S”型增长; 土壤有机碳主要集中在土壤表层 0—40 cm 处, 40 cm 以下不同土层有机碳含量之间无显著性差异
(p<0.01), 土壤有机碳随土层深度的增加呈指数下降趋势; 土壤有机碳含量和土壤容重之间存在显著的相关性。

关键词：芦苇湿地; 土壤剖面; 有机碳; 垂直分布; 黑河流域
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.019 中图分类号：S153 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2016)02-123-05
Vertical distribution characteristic of soil carbon of reed wetland in middle
region of Heihe Basin
ZHANG Hongbin1, MENG Haojun1, ZHAO Weijun1, GAO Huijuan2, ZHAO Yonghong3
1. Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China
2. College of Agriculture and Biology Technology, Hexi University, Zhangye 734000, Gansu, China
3. College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China
Abstract: Heihe Basin is the second continental river basin in china, having a wetland area of 170411.2 hm2 in the middle
region distribution, and water-land ecotone reed wetland of 30000 hm2. It takes the reed wetland in the middle of Heihe River
Basin as an example, and discusses the vertical variation of carbon in soil profile. The results show that bulk density of soil
profile in 0-20 cm is lesser, and the mean is 0.365 g·cm3. Soil bulk density sharply rises in 20-50 cm. Soil bulk density under
50 cm is greater than 1.29 g·cm3. Soil bulk density is in “S” type of growth with the increase of soil depth. The difference of
soil organic carbon is mainly concentrated in the surface (0-40 cm), and there is no significant difference between the soil
organic carbon content under 40cm (p<0.01). Soil organic carbon declined exponentially with the increase of soil depth;
there is significant correlation between soil organic carbon and soil bulk density.
Key words: reed wetland; soil profile; organic carbon; radical distribution; Heihe Basin
1 前言
湿地作为地球表层的一个界面, 是岩石圈、生
物圈、水圈、大气圈和人类圈相互联系的重要纽带
和多种运动形态物质体系的交汇场所, 承担着碳氮
磷的源、汇或转化器的功能[1]。湿地土壤有机碳是
124 生 态 科 学 35 卷

气候变化的一种敏感指示物, 能用来指示对气候变
化的响应[2]。我国对天然湿地的历史成因、地理分
布和气候及水文条件等方面开展了大量研究[3–4]。湿
地系统处于常年积水或季节性积水状态, 积累了更
多的土壤活性有机碳, 加之极高的碳密度, 湿地土
壤碳库对气候变化更加敏感, 因而成为全球碳循环
研究的重要部分和湿地生态学研究的热点[5–6]。目前
国内诸多研究者在三江平原湿地、若尔盖湿地、长
江中下游胡泊湿地、河口湿地、滨海湿地等区域针对
土壤有机碳、生源要素对土壤碳矿化的影响、温室气
体排放等方面开展了相关研究, 取得了大量的研究
成果[7–12]; 在芦苇湿地土壤碳汇研究方面也已有很多
报道[13–18]; 对于中国第二大内流河流域—黑河流域
碳氮循环的研究主要集中在不同土地利用类型土壤
碳储量和空间变化、土壤有机碳含量变化的主要影响
因素, 土壤有机碳变化机制和景观格局下的土壤碳
与氮源关系等方面[19–24]; 而相对黑河流域中游水陆
交错带芦苇湿地土壤碳方面的研究则鲜见报道。
黑河流域(N 38°—42°, E98°—101°30)属西北
干旱半干旱区的内陆河流域, 是中国第二大内陆河
流域, 位于甘肃河西走廊中部, 流域面积约14.29×
104 km2, 跨甘肃、青海和内蒙古三省(区), 上游属青
海省祁连县, 中游属甘肃省山丹、民乐、甘州、临
泽、高台、肃南和肃州等县(区), 下游属甘肃省金塔
县和内蒙古自治区额济纳旗。由于受大陆性气候和
青藏高原的祁连山—青海湖气候区影响, 中下游的
走廊平原及阿拉善高原属中温带甘—蒙气候区。黑
河流域中游分布有170411.2 hm2的湿地, 其中水陆
交错带分布的芦苇湿地面积为30000 hm2, 占湿地资
源总面积的17.6%。该区相关湿地方面的研究主要集
中在湿地资源分布、湿地植被恢复、动物多样性、
湿地功能评价、芦苇种群特征等方面[25–29]。因此, 本
研究选择黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地作为研
究区域, 通过野外调查, 基于不同层次土壤碳的测
定分析, 研究芦苇湿地土壤碳的垂直分布特征, 为
进一步深入探讨干旱半干旱区内陆河流域湿地土壤
有机碳循环研究提供参考依据。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
试验区地理位置 E100°06—100°54′, N38°32′—
39°24′。地势由南向北倾斜。多年平均气温为 7 ℃,
历年最高气温为 37.4 ℃, 最低气温为–28 ℃; ≥0℃
积温 3 388 ℃, ≥10 ℃积温 2 896.6 ℃, 无霜期 153 d,
年日照时数为3085 h; 盛行西北风, 年均风速2 m·s–1,
最大风速 36 m·s–1, 年降雨量仅 129 mm, 在时间分
布上, 多集中在 6—9 月份, 约占全年总量的 71.9%,
春季降水仅占 14%, 年内降水分布很不均匀, 年际
变化较大; 蒸发强烈, 全区年平均蒸发量 2 047 mm,
干旱指数高达 10.3, 大气干燥度为 4.9。湿地区内农
田、沼泽、内陆盐沼镶嵌分布, 地下水位较高, 湿地
分布植物主要有水生和湿生两大类 45 科 124 属 195
种, 栖息动物隶属于 3纲 23目 39科 74属 116种, 是
生物多样性最丰富的地带。黑河中游水陆交错带芦
苇湿地分布面积 3×104 hm2。
2.2 研究方法
2014 年 5 月 15 日、7 月 15 日、8 月 15 日与 10
月 15 日, 在黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地随机
布点, 每次取 3 个采样点。采样时, 先除去地面凋落
物, 用土壤钻(直径 4 cm)钻取 0—10 cm、10—20 cm、
20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm、50—60 cm、
60—70 cm、70—80 cm 和 80—100 cm 共 9 层取样,
每个采样点 2 个重复, 去除石砾、植被残根等杂物,
混合均匀后用密封塑料袋带回实验室, 共计采集土
样 216 个, 样品自然风干后, 过 100 目筛, 测定土壤
有机碳。
土壤有机碳的测定方法采用重铬酸钾容量法测
定[30]。
土壤容重按下式计算:
r=(w1w2)/v
式中: r—容重(g·cm3), w1—环刀+土重(g), w2—环刀
重(g), v—环刀体积(cm3) 。
对不同月份土壤剖面中碳含量测定值进行方差
分析(ANOVA)来检验它们之间的差异显著性; 运用
Excel 2000 对数据进行统计分析及绘图。
3 结果与讨论
3.1 土壤容重的垂直分布特征
土壤容重是表征土壤肥瘦和耕作质量的重要指
标, 土壤容重高说明土壤紧实, 孔隙数量少, 土壤
的水分、空气、热量状况相对较差。黑河流域中游
水陆交错带芦苇湿地土壤剖面土壤容重随剖面深度
变化趋势如图 1 所示, 从图 1 可以看出, 0—20 cm土
2 期 张宏斌, 等. 黑河流域中游芦苇湿地土壤碳垂直分布特征 125


图 1 黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地土壤剖面容重分布
特征
Fig. 1 Distribution characteristics of soil profile bulk
density of reed wetland in water-land ecotone of middle
region in Heihe Basin
层的容重较小, 0—10 cm 和 10—20 cm 容重平均值
分别为 0.34 g·cm3 和 0.39 g·cm3; 在 20—50 cm
土壤容重发生急剧变化, 土壤容重平均值明显增加,
从 0.39 g·cm3 增加到 1.29 g·cm3; 50 cm 以下, 土壤
容重均值均在 1.29 g·cm3 以上。
黑河流域水陆交错带芦苇湿地土壤剖面表层容
重较小, 而且随深度增加而逐渐增大的趋势, 这与
美国北卡罗来纳河口沼泽中规律性淹水沼泽土壤剖
面容重变化规律有很好的一致性[31]。这是因为芦苇
湿地剖面上层, 积累着诸多植物残体和枯枝落物,
结构松散, 因而土壤容重较小, 相反随着土层的深
入, 土壤中的植物根系逐渐减少, 有机质含量降低,
加上机械压力等是土壤容重增大的主要原因。
3.2 土壤有机碳的垂直分布特征
天然有机质的输出量主要包括分解和侵蚀损
失[3233]。黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地土壤有
机碳含量随土层深度的变化趋势并不相同, 但总体
上呈下降趋势。其中, 40 cm 以下土壤有机碳的变化
趋势相似(图 2)。不同月份土壤有机碳的最大值及最
小值出现的深度各不相同 , 5 月份最高值处在
10—20 cm 和 20—30 cm, 且有机碳含量显著高于其
他土层(p<0.01), 这是因为在土壤深层解冻期(5 月份)
的有机碳含量主要源于上一年份的累积, 且冻融作
用有助于有机碎屑的分解和碳矿化过程[34]; 7、8 月
份由于土壤温度升高, 土壤微生物活性增强, 导致
土壤有机质分解加速, 且碳消耗量增加[35], 7 月份最
高值处在 10—20 cm 和 20—30 cm, 8 月最高值处在
10—20 cm、20—30 cm 和 30—40 cm; 10 月份随着土
壤温度的逐渐降低, 土壤微生物活性减弱, 有机质
分解速度减缓, 相应碳的消耗量减少, 土壤有机碳
含量在不同土层中的差异性不显著(p>0.01)。芦苇湿
地土壤有机碳含量在时间分布上表现出垂直分异规
律, 其最高值和最低值所在层次并不一致, 但从取样
分析的对应月 5、7、8、10 月来看, 土壤有机碳集中
分布在 0—40 cm 土层中。这主要是由于 0—40 cm 是
芦苇根系的集中分布区。
湿地土壤有机碳含量随剖面深度的变化与当地
气候和环境变化密切相关。黑河流域由于独特的气
候条件, 气温变化总的特征是日温差变幅大, 早晚
气温低, 中午气温高。但 7、8 月份气温的变幅相对是
比较小的, 致使 7 和 8 月份芦苇湿地表层(0—10 cm)
与相应月份其它各层相比, 土壤有机碳含量最低;
10 月份芦苇湿地表层(0—10 cm)与相应月份的表层
相比, 有机碳含量最高。这主要是因 7 和 8 月份土

图 2 不同月份芦苇湿地土壤有机碳垂直分布
Fig. 2 Vertical distribution of soil organic carbon of reed wetland in different months
126 生 态 科 学 35 卷

壤地表温度相对较高, 而土壤呼吸与地表温度成正
比[36], 同时陈庆美等研究发现[37], 土壤有机碳密度
与温度呈负相关, 也说明了土壤呼吸的加强可能是
造成土壤表层有机碳含量低的原因之一。Jobbagy
等指出[38], 植物根系的分布直接影响到土壤有机碳
的垂直分布, 因为大量的死根腐解, 为土壤提供了
丰富的碳源。同时地表枯枝落叶也会为表层土壤有
机碳的提供补给。温度和土壤水分是土壤呼吸的主
要限制因子[39], 这也进一步说明水陆交错带芦苇湿
地土壤有机碳垂直分布的差异可能土层温度与含水
量随时间变化产生的干湿交替所造成的。
3.3 土壤有机碳与土层深度的关系
利用实测数据, 用不同形式的非线性(包括线性)
方程对每一个土壤剖面的有机碳垂直分布都单独进
行回归拟合, 选取一种确定系数 R 最大的拟合方
程。结果表明, 黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地
土壤有机碳含量与土层深度均呈极显著的指数关系,
且有机碳含量随土壤深度增加而下降。利用 5、7、
8、10 四个月的资料分别不同形式非线性回归分析
获知, 以指数形式拟合相关系数最大, 研究结果与
ARROUAYS D, PELISSIER P.所取得的研究结论是
一致的, 即: 在垂直方向上, 土壤有机碳含量与土
层深度密切相关, 随深度的增加呈指数下降趋势[40],
土壤有机碳(y)与土层深度(x)具有显著的相关性(p<
0.01), 相关系数可达 0.890 9。其拟合回归方程如下:
y=2.8369e0.0611x(R2=0.8909)
3.4 土壤容重与有机碳的关系
黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地土壤表层(0—
30 cm)中有机碳的平均含量很高, 平均的土壤容重为
0.503 g·cm3, 30 cm以下土壤的容重大于1.000 g·cm3。
回归分析表明, 水陆交错带芦苇湿地土壤容重与土
壤有机碳含量呈显著的指数关系(p＜0.01)(图 3), 这

图 3 土壤容重与有机碳的关系
Fig. 3 Relationship of soil bulk density and soil organic
carbon
与张文菊等[41]研究洞庭湖湿地有机碳和容重所取得
的研究结果是一致的。由此可见, 在不同区域的湿
地中, 土壤有机碳含量和土壤容重之间均存在显著
的相关性。
4 结论
(1) 黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地土壤容
重受植被和土壤性质的影响, 土壤容重在不同深度
间隔土层中变化较为明显, 随土层深度增加, 容重
不断增加, 在 0—20 cm 土层容重均值变化较小, 在
20—50 cm土层容重均值急剧增加, 在 50 cm以下土
层容重均值变化较为缓和。
(2) 黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地土壤有
机碳 5、7、8、10 月份等 4 个月土壤有机碳含量沿
剖面的分布特征不同, 各月份有机碳含量总体变化
呈下降趋势, 40 cm 以下土壤有机碳含量之间无显著
差异(p>0.01)。芦苇湿地 7 月份和 8 月份土壤表层
(0—10 cm)有机碳含量低于 5 月份和 10 月份土壤表
层有机碳含量。
(3) 黑河流域中游水陆交错带芦苇湿地土壤剖
面有机碳含量随土层深度的增加呈指数下降趋势
(p<0.01), 不同土层土壤容重和有机碳含量之间亦
呈显著的指数关系(p<0.01)。
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