全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 猿期摇 摇 圆园员源年 圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
灾后生态恢复评价研究进展 刘孝富袁王文杰袁李摇 京袁等 渊缘圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生态能量视角的我国小水电可持续性分析 庞明月袁张力小袁王长波 渊缘猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
北部湾北部海域夏季微型浮游动物对浮游植物的摄食压力 马摇 璐袁曹文清袁张文静袁等 渊缘源远冤噎噎噎噎噎噎
鲶鱼和胡子鲶的两性异形与雌性个体生育力 樊晓丽袁林植华袁丁先龙袁等 渊缘缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
环境温度对白头鹎代谢产热和蒸发失水的影响 林摇 琳袁曹梦婷袁胡益林袁等 渊缘远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
灌溉对沙拐枣幼苗生长及氮素利用的影响 黄彩变袁曾凡江袁雷加强袁等 渊缘苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
孕粤匀泽污染土壤植物修复对酶活性的影响 朱摇 凡袁洪湘琦袁闫文德袁等 渊缘愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于修正 砸陨杂运耘模型的重庆岩溶地区地下水脆弱性评价 魏兴萍袁蒲俊兵袁赵纯勇 渊缘愿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
排水沟蓄水条件下农田与排水沟水盐监测 潘延鑫袁罗摇 纨袁贾忠华袁等 渊缘怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
高寒退化草地不同海拔梯度狼毒种群分布格局及空间关联性 高福元袁赵成章袁卓马兰草 渊远园缘冤噎噎噎噎噎噎
捕食者对空心莲子草叶甲种群的生物胁迫 刘雨芳袁李摇 菲袁桂芳艳袁等 渊远员猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
夏尧冬季南海北部浮游植物群落特征 马摇 威袁孙摇 军 渊远圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
磨盘山天然次生林凋落物数量及动态 范春楠袁郭忠玲袁郑金萍袁等 渊远猿猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
持续干旱对樱桃根际土壤细菌数量及结构多样性影响 刘方春袁邢尚军袁马海林袁等 渊远源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
随机森林算法基本思想及其在生态学中的应用要要要以云南松分布模拟为例
张摇 雷袁王琳琳袁张旭东袁等 渊远缘园冤
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基于水文平衡的湿地退化驱动因子定量研究 侯摇 鹏袁申文明袁王摇 桥袁等 渊远远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
华北低丘山地人工林蒸散的控制因子 黄摇 辉袁孟摇 平袁张劲松袁等 渊远远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆天山高寒草原不同放牧管理下的 悦韵圆袁悦匀源和 晕圆韵通量特征 贺桂香袁李凯辉袁宋摇 韦袁等 渊远苑源冤噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
宁夏生态足迹影响因子的偏最小二乘回归分析 马明德袁马学娟袁谢应忠袁等 渊远愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率 董林林袁杨摇 浩袁于东升袁等 渊远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
自养微生物同化 悦韵圆的分子生态研究及同化碳在土壤中的转化 吴小红袁简摇 燕袁陈晓娟袁等 渊苑园员冤噎噎噎噎
资源与产业生态
基于能值分析法的矿区循环经济系统生态效率分析 孙玉峰袁 郭全营 渊苑员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 粤阅鄄粤杂模型的海岸带生态系统综合承载力评估要要要以舟山海岸带为例
苏盼盼袁叶属峰袁过仲阳袁等 渊苑员愿冤
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噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于增强回归树和 蕴燥早蚤泽贼蚤糟回归的城市扩展驱动力分析 李春林袁刘摇 淼袁胡远满袁等 渊苑圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
陕西省不同生态区大气氮素干湿沉降的时空变异 梁摇 婷袁同延安袁林摇 文袁等 渊苑猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同覆盖方式对旱地果园水热特征的影响 刘小勇袁李红旭袁李建明袁等 渊苑源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长白山苔原带土壤动物群落结构及多样性 王振海袁殷秀琴袁蒋云峰 渊苑缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
最大可允许填海面积模拟要要要厦门西海域案例研究 林琛琛袁 饶欢欢袁 刘摇 岩袁等 渊苑远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
圆园员猿年水文土壤学与自然资源可持续利用国际学术研讨会述评 张摇 骁袁赵文武 渊苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆缘圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园圆
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 云南松树冠要要要云南松为松科松属裸子植物袁多生长在海拔 员园园园要猿缘园园皂的高山袁喜光尧耐干旱尧耐瘠薄袁适应酸性
的红壤尧黄壤袁在其他树种不能生长的贫瘠石砾地或冲刷严重的荒山坡分布袁易于天然更新遥 主要分布于四川西南
部尧云南尧西藏东南部尧贵州西部尧广西西部袁常形成大面积纯林袁尤以云南分布最广袁故有云南松之称遥 云南松树高
可达 猿园皂袁胸径达 员皂袁树皮呈灰褐色袁叶通常 猿针一束袁鲜有两针袁球果圆锥状卵圆形袁种子近卵圆形或倒卵形遥 树干
通直袁木质轻软细密袁是优质造纸尧人造板原料袁富含松脂是云南松的重要特点之一遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 3 期
2014年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.3
Feb.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家重点基础研究发展计划“973冶资助项目(2010CB950702);中国科学院战略性先导科技专项资助项目(XDA05050507);博士后基
金资助项目(1202051C)
收稿日期:2012鄄11鄄05; 摇 摇 修订日期:2013鄄05鄄29
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: dshyu@ issas.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201211051537
董林林,杨浩,于东升,张海东,刘杨,史学正.引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率.生态学报,2014,34(3):690鄄700.
Dong L L, Yang H, Yu D S, Zhang H D, Liu Y, Shi X Z.Profile distribution patterns of soil organic carbon and the rate of carbon sequestration in Ningxia
Irrigation Zone.Acta Ecologica Sinica,2014,34(3):690鄄700.
引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率
董林林1,2,杨摇 浩2,于东升1,2,*,张海东1,刘摇 杨1,史学正1
(1. 中国科学院南京土壤研究所(土壤与农业可持续发展国家重点实验室),南京摇 210008;
2. 南京师范大学地理科学学院,南京摇 210097)
摘要:为揭示灌溉耕作对土壤有机碳密度剖面(0—100 cm)分布产生的影响,通过在宁夏引黄灌区进行实地调查与采样,以无
灌溉耕作的自然土壤作为对照,研究不同灌溉耕作时间序列下灌区土壤有机碳密度的剖面分布特征,并估算其平均固碳速率。
结果表明:灌区土壤有机碳含量具有随土层深度增加而下降的剖面分布特征,灌溉耕作对增加表层土壤有机碳含量作用最明
显;灌区土壤剖面碳密度与灌溉耕作时间和土壤类型均显著相关(P<0.01),相关系数分别为 0.63和 0.74,且因灌溉耕作时间和
土壤类型的不同,土壤有机碳密度差异性显著(P<0.05);灌溉耕作影响的土层深度及剖面土壤有机碳密度的增加量因灌溉耕
作时间长短的不同而异;引黄灌区 5类土壤的平均固碳速率为 0.53 MgC·hm-2·a-1。 引黄灌溉耕作在增加农田土壤固碳中发挥
着重要作用。
关键词:土壤有机碳;灌溉;剖面特征;固碳速率; 宁夏引黄灌区
Profile distribution patterns of soil organic carbon and the rate of carbon
sequestration in Ningxia Irrigation Zone
DONG Linlin1,2, YANG Hao2, YU Dongsheng1,2,*, ZHANG Haidong1, LIU Yang1, SHI Xuezheng1
1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
2 College of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China
Abstract: To reveal the effect of irrigation with sediment laden water from the Yellow River on soil organic carbon (SOC)
distribution in profile (0—100 cm), Ningxia Irrigation Zone was selected as the study area to carry out the research.
Totally, 40 soil profiles of five soil types (Irrigation鄄silted soils, Fluvo鄄aquic soils, Sierozem soil, Aeolian sandy soil and
Alluvial soils) were collected, including 34 cropland profiles with the irrigated durations ranged from 10 to 2200 years and 6
natural soil profiles never irrigated and cultivated, to analyze profile distribution patterns of SOC content and density under
different durations of irrigation and cultivation. The natural soil profiles were used as control profiles and their irrigation
duration were set to zero. Pearson correlation coefficients were calculated to determine relationships between SOC density
and irrigation durations and soil types. SOC content and density were subjected to analysis of variance (ANOVA) to test
difference of irrigation effects from irrigation years and soil types at 5% probability level, respectively. SOC sequestration
rate was also estimated by comparing irrigated soils with control ones.
Results indicated that SOC content of irrigated cropland showed a decreasing trend with the deepening of soil layers in
profile. SOC content of surface layer (0—20 cm) affected mainly by irrigation and cultivation increased more rapidly than
those of deeper layers affected mainly by soil parent material. When the irrigated duration was about 50 years, the SOC
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content showed the most significant difference among the five soil types. The irrigation鄄silted soil layer formed by irrigation
and cultivation activities, usually thicker than 50 cm, were found in those areas with such activities of 50 years over. The
depth influenced by irrigation and the increment of SOC density both are different due to the difference of irrigation
durations. SOC density was significantly related with irrigation durations and soil types, the correlation coefficients were
0郾 63 (P<0.01) and 0.74 (P<0.01), respectively. SOC density in the profile depth were significant different (P<0.05)
among varied irrigation durations and soil types. SOC density increment was significantly and positively correlated with
irrigation durations shorter than 50 years. On average, the SOC density increment of the cropland soils in depth of 0—20,
20—30, 30—60 and 60—100 cm were 14.69, 4.52, 9.84 and 9.52 Mg / hm2 more than the corresponding soil layers of
their control profiles. SOC density increment of irrigation鄄silted soils formed under the long鄄term alternate activities of
irrigation, manure addition, silting and cultivation, was more than other four soil types in Ningxia Irrigation Zone.
The linear relationships between SOC density increments and irrigation durations inferred that average SOC
sequestration rate reached 0.53 MgC·hm-2·a-1 from the five soil types in Ningxia Irrigation Zone. The SOC sequestration rate
varied among soil types.
Results discussion indicated, by stimulating plant and root growth as well as soil biotic activity, irrigation could
potentially enhance SOC sequestration of cultivated land in the arid and semi鄄arid area. In addition, irrigation with sediment
laden Yellow River water via sediment with organic matter silting, make the irrigation鄄silted soil layer thicker at the top of
profile, and SOC increased accordingly. Overall, irrigation by the Yellow River water plays an important role in increasing
SOC density.
Key Words: soils; organic carbon; irrigation; carbon sequestration rate; Ningxia Irrigation Zone
摇 摇 土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳库,
地表 0—100 cm土壤有机碳库储量约为 1 500 Pg C,
约为全球大气碳总量的 2 倍或植被碳总量的 3
倍[1]。 全球土壤(1 m土体内)中碳的年周转量大致
与年均人类活动排放的 CO2鄄C量相当,在过去的 100
a间,全球土壤有机碳的损失量占同期大气圈 CO2增
加量的 20%以上[2]。 土壤有机碳库在调节全球气候
变化中发挥着重要作用[3],其变化已成为目前国际
最为关注的研究热点之一[4鄄7]。
人类耕作活动对农田土壤产生强烈扰动,不同
的农业生产措施对土壤有机碳变化的影响具有明显
的差异[7鄄8]。 作为保障农业正常生产的重要措施,灌
溉能够促进农作物生长,产生更多的凋落物及根系
生物量,从而影响农田土壤有机碳投入[9鄄10]。 已有
研究显示,有机物投入的增加有利于土壤有机碳的
积累,而根系投入对增加土壤有机碳的效果更加显
著[11]。 可见,灌溉能够影响农田土壤有机碳投入,
是驱动土壤有机碳变化的重要因素之一。 Miyasaka
等在中国东北地区的研究表明,与非灌溉农田相比,
灌溉农田土壤的固碳效应更显著[12];Gwenzi 等在津
巴布韦的研究结果显示,灌溉后棉花—小麦轮作区
表层 0—30 cm 土壤有机碳增加了 71%—80%[13];
Masto等研究表明,污水灌溉 20 a后印度农业研究所
试验田表层 0—15 cm 土壤的有机碳含量增至
0郾 51%—0.86%[14];郭秉晨等的研究结果显示,1985
年至 2005 年宁夏引黄灌区耕层 0—20 cm 土壤有机
质的年均增幅为 0.4%[15];唐光木等研究表明,灌溉
耕作前 5 a,新疆绿洲灌区耕层 0—30 cm 土壤有机
碳含量增加迅速,10 a 后趋于平缓[16]。 然而,上述
研究均侧重于灌溉对表层 0—30 cm 土壤有机碳含
量变化的影响,而对剖面(0—100 cm)土壤有机碳含
量的变化还不十分清楚,对不同灌溉时间序列下土
壤有机碳的剖面分布特征及其差异性的研究则
更少。
在一定区域尺度上,土壤有机碳受控于土壤类
型[17鄄18]。 因此,在研究灌溉对土壤有机碳变化产生
的影响时,应考虑土壤类型对土壤有机碳及其差异
性的影响,但与此相关的研究中极少分析土壤类型
对其产生的影响。 本文以不同类型土壤的有机碳含
量变化对灌溉耕作的响应,及灌溉耕作时间对各类
型土壤有机碳剖面分布特征的影响为研究目的,以
宁夏引黄灌区为研究对象,分析不同灌溉时间序列
196摇 3期 摇 摇 摇 董林林摇 等:引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率 摇
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下 5种类型土壤的有机碳密度剖面分布特征及变
化,为精确估算土壤有机碳储量、选择合理有效的农
业措施、促进土壤固碳提供科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区域
宁夏回族自治区 ( E104毅 16忆55义—107毅 38忆53义,
N35毅14忆25义—39毅23忆10义),总面积 5.18伊104 km2,位于
其北部的引黄灌区,具有悠久的灌溉耕作历史。 引
黄灌区最早的灌溉农业始于秦朝,随着灌溉农业规
模的扩大,在不同历史时期修建了多条灌渠。 由于
修建时间不同,各灌渠所灌溉区域的灌溉历史也不
同(表 1)。 各灌渠自建成后持续使用至今,假设同
一渠道灌溉区域的灌溉时间相同,因此本研究根据
各灌渠的建成时间确定灌区土壤的灌溉耕作时间,
并构建引黄灌区的灌溉耕作时间序列。
表 1摇 宁夏引黄灌区不同土壤类型剖面样点分布数量
Table 1摇 Number of sample sites in different types of soil in irrigated area in Ningxia
灌渠名称
Irrigation channel
修建年代
Construction
time
灌溉时间
Irrigation
duration / a
各类型土壤剖面数目 /个
Number of profiles in different types of soil
灌淤土
Irrigation鄄silted
soils
潮土
Fluvo鄄aquic
soils
淡灰钙土
Sierozem
soil
风沙土
Aeolian
sandy soil
新积土
Alluvial soils
秦渠 公元前 214 约 2200 4
汉延渠 约公元 700 约 1300 3
惠农渠 1729 约 280 5 1
跃进渠 1958 约 52 5
西干渠 1960 约 50 2 2 1
东干渠 1975 约 30 1 1 1
固海灌区 1986 约 20 2 1
红寺堡灌区 1998 约 10 2 1 2
对照 Control 0 1 3 2
摇 摇 土壤类型名称为发生分类学名称,分别对应于世界土壤资源参比基础(WRB)划分的灌淤人为土、简育钙积土、干旱砂性土、石灰性冲积土、
石灰性冲积雏形土[19] ;灌渠建设时间参考文献[20鄄21] ,其中跃进渠和西干渠灌区的灌溉时间仅相差 2 a,在数据分析时均按约 50 a计
摇 摇 宁夏引黄灌区早期修建的灌渠主要分布在银川
平原地区,该区域是宁夏重要的水稻产区,受长期灌
溉、淤积和耕作的影响,耕作土壤主要为灌淤土(我
国西部灌溉农业区特有的土壤类型,它是因长期引
用含有泥沙的河水进行灌溉、耕作形成的具有一定
厚度的熟化土层的人为土壤),面积约占宁夏引黄灌
区的 40%。 在宁夏引黄灌区,最早修建的秦渠,距今
已有超过 2 000 a的历史。 随着灌溉技术的发展,在
引黄灌区的南部山区,新的灌渠不断建成,如红寺堡
扬水灌区,建成时间约 10 a(表 1),分布的土壤主要
是灰钙土(约占灌区土壤面积的 20%)、风沙土等,土
壤肥力较低,主要生产小麦、玉米等作物。 至本研究
采样时间,其灌溉时间可界定为 7 个时段,分别为:
10、20、30、50、280、1 300 和 2 200 a。 灌区采样点的
数量与分布见表 1和图 1。
1.2摇 样品采集
本研究共布设各类型土壤的剖面采样点 40 个。
其中,灌溉土壤样点 34 个,均为耕地,布点的原则
为:以灌区各类型土壤分布的面积大小为基础,结合
灌渠的灌溉历史及灌溉面积,沿灌渠布设样点;根据
灌区历史资料记载的地理环境特征,在无法开垦种
植的、未受灌溉耕作等人为扰动的长年荒地或河滩
地上布设 6个对照剖面,分别为 3 个淡灰钙土(本区
地带性土壤)、2 个风沙土和 1 个潮土剖面,对照剖
面的灌溉时间设为 0 a。 通过灌溉土壤与对照土壤
的比较,分析灌溉耕作引起的土壤有机碳含量及密
度的变化。 考虑到灌淤土和新积土是在淡灰钙土、
风沙土、潮土和河流冲积物的基础上,受人为耕作扰
动形成,因此这 3 类土壤的 6 个对照剖面也可作为
灌淤土和新积土的对照剖面。
采样时间为 2009 年 10 月底灌区冬季灌水之
前,土壤剖面采样深度为 1 m,按土壤发生和耕地土
壤特点将土壤剖面分为 4—5 个土层。 依据当地土
壤耕层及犁底层深度,统一划分表土层 0—20 cm 和
亚表层 20—30 cm,心土母质层 30—100 cm 则视各
剖面土壤自然发生情况分为 2—3 层。 每层自上而
296 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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下均匀采集土壤样品 1.00 kg,用环刀法测定土壤体 积质量(3个重复)。
图 1摇 宁夏引黄灌区剖面样点及灌渠分布
Fig.1摇 Distribution of sample sites and irrigation channel in Ningxia
A:跃进渠灌区 Area irrigated by Yuejin channel;B:西干渠灌区 Area irrigated by Xi Channel;C:汉延渠灌区 Area irrigated by Hanyan channel;D
秦渠灌区 Area irrigated by Qin Channel;E:唐徕渠灌区 Area irrigated by Tanglai Channel;F:惠农渠灌区 Area irrigated by Huinong Channel;G:固
海灌区 Guhai pumping鄄irrigation area;H:东干渠灌区 Area irrigated by Dong Channel;I红寺堡灌区:Hongsipu pumping鄄irrigation area
摇 摇 采集的土壤样品在室内预处理后采用重铬酸钾
(K2Cr2O7)氧化鄄滴定法测定土壤有机碳含量。
1.3摇 数据处理与统计分析
本研究是按自然发生学原理划分的土壤剖面层
次,为方便不同灌溉耕作时间下土壤剖面各层次之
间的比较,根据土壤剖面特征,利用土壤层厚度加权
平均法[22]计算土壤剖面 30—60和 60—100 cm的土
壤有机碳含量及密度;同一灌溉耕作时间下,同类土
壤相同深度土层的土壤有机碳含量及密度取其算术
平均值。 土壤有机碳密度 SOCD的计算公式如下[23]
SOCD =移
n
i = 1
(1 - 兹i%) 伊 籽i 伊 C i 伊 Ti / 10 (1)
式中,SOCD为土壤剖面有机碳密度(Mg / hm2);兹i、
籽i、C i、Ti分别为第 i 层粒径>2 mm 的砾石体积分数
(%)、土壤体积质量 ( g / cm3 )、土壤有机碳含量
(g / kg)及土层厚度(cm),n 为参与计算的土壤层次
总数。 由于全球 50%以上的土壤碳库储存在地表
100 cm深度土层内[24鄄25],且目前与此相关的研究中
多是以表层至 100 cm 作为土壤有机碳储量的估算
深度[25鄄27],因此本研究中土壤有机碳密度计算深度
为 100 cm。
土壤固碳速率反映了某一时间段内土壤有机碳
密度相对于时间的变化率,可表示为某一时间段内
土壤有机碳密度变化量与时间的比值:
V = 驻SOCD j / t (2)
式中,V为某一剖面样点的土壤固碳速率(MgC·hm-2·
a-1);t为灌溉耕作时间(a);驻SOCD j为某一深度内各
土层土壤有机碳密度变化量的总和;各土层土壤有
机碳密度的变化量为灌溉耕作土壤各土层 SOCD 相
对于同类土壤对照剖面相应土层 SOCD的变化量:
驻SOCD = SOCDi - SOCDick (3)
式中,驻SOCD 为第 i 层的土壤有机碳密度增加量
(Mg / hm2);若 驻SOCD为正值,则说明土壤有机碳密
度是增加的,为碳汇,若 驻SOCD为负值,则说明土壤
有机碳密度是减少的,为碳源;SOCDi为第 i 层土壤
有机碳密度(Mg / hm2);SOCDick为与 SOCDi同类型的
对照土壤剖面第 i层的土壤有机碳密度(Mg / hm2)。
运用单因素方差分析检验灌溉耕作时间和土壤
类型影响下土壤有机碳含量及密度差异性的显著程
度,并计算其 Pearson 简单相关系数,P<0.05。 数据
396摇 3期 摇 摇 摇 董林林摇 等:引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率 摇
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计算和统计分析工作运用 Excel和 SPSS软件完成。
2摇 结果与讨论
2.1摇 土壤有机碳含量剖面变化特征
总体上,灌区 5 类土壤的有机碳含量随土层深
度增加呈现下降的趋势(图 2),这种特征符合一般
耕作土壤 SOC 含量的剖面分布规律[14,16,28],灌溉耕
作并没有从根本上改变 SOC 剖面分布的一般规律,
但在土壤剖面不同深度处,灌溉耕作对其变化的影
响程度不同。
以灌淤土为例(图 2),其对照土壤表层 0—20
cm的 SOC 含量平均为 2.48 g / kg,经过 50—2 200 a
的灌溉耕作后,SOC含量平均为 9.22 g / kg,增加明显
(P<0.001);而在 60—100 cm处,SOC平均含量降至
3.02 g / kg,仍明显高于对照土壤 SOC 含量 0.8 g / kg
(P<0.05)。 可见,灌溉耕作影响下,土壤表层 SOC
含量增加比深层土壤更明显。 其他 4 类土壤的 SOC
含量随土层深度变化的规律,大体上与灌淤土相似
(图 2),不同的是,其他 4类土壤的 SOC含量变化主
要表现在受灌溉耕作影响强烈的表层及亚表层(0—
30 cm),30 cm 以下土层 SOC 含量增加不明显。 说
明灌溉耕作对 0—30 cm 土层 SOC 含量的变化影响
更强烈,而对更深土层 SOC含量变化的影响较弱,灌
溉耕作引起的 SOC含量的增加量呈现出与土层深度
成反比的规律,且不同土层间 SOC 含量差异显著
(P<0.05)。 与对照土壤相比,灌区土壤有机碳含量
随土层深度增加而降低的剖面分布规律更为明显。
图 2摇 不同灌溉耕作时间下各类型土壤的有机碳含量
Fig.2摇 Soil organic carbon of each soil type under different durations of irrigation
摇 摇 就某一类土壤而言,在相同深度处,灌溉耕作时
间长短对 SOC含量的变化产生重要影响。 以灌淤土
为例(图 2),当灌溉耕作时间为 50 a 时,表层 0—20
cm SOC 含量为 9. 57 g / kg,而当灌溉耕作时间为
2200 a时,表层 SOC 含量为 10.52 g / kg,除灌溉耕作
1300 a的土壤外,表层 SOC 含量有随灌溉耕作时间
的延长而增加的趋势;而对于 20—100 cm 各土层,
除灌溉耕作 1300 a的土壤外,各层次 SOC 含量随灌
溉耕作时间的延长呈现降低的趋势,这可能是因为
表层土壤对 SOC的拦截作用,致使表下层土壤得不
到充足的有机碳源补充,且灌溉耕作时间越长,土壤
中相对较早形成的有机碳分解的更多[29],再加上母
质中 SOC 较低所造成的。 受灌溉耕作影响的风沙
土,0—100 cm 各土层 SOC 含量高于对照土壤(图
2);灌溉耕作时间为 50 a 的风沙土在 60 cm 深度处
出现沙土层,因此其 SOC 含量略低于灌溉耕作时间
为 10、20 a的土壤;灌溉耕作 10 a的风沙土表层 0—
20 cm 的 SOC 含量略低于灌溉 20 a 的土壤,表层
SOC含量有随灌溉耕作时间延长而增加的趋势,但
是表层以下各深度处灌溉耕作 10 a 的 SOC 含量却
略高于灌溉耕作 20 a 的土壤,这可能是因为风沙土
分布的区域土壤 SOC 含量初始值存在差异所导致。
灌溉耕作后的淡灰钙土 0—60 cm 土层土壤 SOC 含
量均高于对照,且随灌溉耕作时间的延长呈增加的
趋势(图 2),表层增加最明显。 与对照土壤相比,受
灌溉耕作的影响,潮土各土层 SOC含量均有增加,且
灌溉耕作 280 a的土壤各层次 SOC 含量均高于灌溉
耕作 30 a的土壤(图 2)。 由于灌溉耕作 30 a的新积
土在 30—60 cm深度出现粗砂层,导致土壤 SOC 含
量低于灌溉耕作 10 a的土壤 SOC含量,也低于 60—
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100 cm土层的 SOC 含量,对其他各土层而言,灌溉
耕作 30 a的新积土 SOC 含量均高于灌溉耕作 10 a
的 SOC含量,也高于对照土壤(图 2)。
总体上,灌区 5 类土壤表层 SOC 含量受灌溉耕
作的影响变化最明显,且有随灌溉耕作时间延长而
增加的趋势,但由于表层 (0—20 cm)及表层以下
20—100 cm SOC 含量变化的不同步性,致使灌溉耕
作土壤表层与表下层之间 SOC含量差异明显。 单因
素方差分析的结果表明:不同的灌溉耕作时间下,表
层及亚表层 0—30 cm 深度内,SOC 含量差异显著,
而在 30cm以下深度,土壤有机碳变化受灌溉耕作时
间的影响并不显著。 这也说明,灌溉耕作对表层及
亚表层的 SOC 含量变化影响强烈(表 2),对更深层
次的土壤影响较弱。
表 2摇 土壤类型和灌溉时间对土壤有机碳含量的差异性影响分析
Table 2摇 Analysis of variance (ANOVA) tested for effects of irrigation duration and soil type
土层
Depth / cm
按灌溉时间进行方差分析
ANOVA tested by irrigation duration
P 显著性
按土壤类型进行方差分析
ANOVA tested by soil type
P 显著性
摇 0—20 0 显著 0 显著
20—30 0.002 显著 0 显著
30—60 0.091 不显著 0.001 显著
60—100 0.114 不显著 0.003 显著
摇 摇 表中 P为单因素方差分析的概率值
摇 摇 已有研究表明,土壤类型对 SOC 含量产生重要
影响[17鄄18]。 本研究以灌溉时间 10、30、50和 280 a为
例,比较分析不同类型的土壤在相同的灌溉耕作时
间下、相同深度处 SOC 含量之间的差异性。 结果显
示:当灌溉耕作时间为 10 a 时(图 2),0—20 cm 深
度,3类土壤 SOC 含量的大小顺序为:淡灰钙土>新
积土>风沙土;在 20—30 cm深度则是:新积土>淡灰
钙土>风沙土,保肥能力最差的风沙土,SOC 含量最
低;而在 30—100 cm 深度处则为:新积土>风沙土>
淡灰钙土,受母质影响更大,但在剖面各深度处,
SOC含量差别并不明显;当灌溉耕作时间为 30 a 时
(图 2),0—20 cm和 30—60 cm 深度处,3 类土壤的
SOC大小顺序均为:潮土>淡灰钙土>新积土,而在
20—30 cm处,则是潮土>新积土>淡灰钙土,母质层
(60—100 cm)SOC含量的大小顺序为:新积土>潮土
>淡灰钙土,潮土 0—30 cm 各土层均有较高的 SOC
含量;当灌溉耕作时间为 50 a 时(图 2),3 类土壤
0—30 cm 的 SOC 含量大小顺序为:灌淤土>淡灰钙
土>风沙土,因土壤类型的不同,差异明显,而 30—
100 cm处 SOC大小顺序为:灌淤土>风沙土>淡灰钙
土,灌淤土各土层 SOC含量最高;当灌溉耕作时间为
280 a(图 2),潮土各土层 SOC 含量略高于灌淤土,
但无明显差别。 灌淤土和潮土各层次的 SOC含量相
对较高(图 2),主要原因在于土壤成土母质不同使
得 SOC含量的初始值存在差异[30]。 特别是在 60—
100 cm深度,母质对土壤 SOC 含量的影响更明显,
灌区土壤母质主要是有机碳含量低的洪积物、冲积
物或沙性母质,且差异较大,由不同母质发育的土壤
其 SOC含量初始值就出现明显差异[11, 30]。
综上所述,不同类型的土壤其 SOC 含量在灌溉
耕作时间为 50 a 时,差异最明显。 当灌溉耕作时间
超过 50 a 时,灌区土壤以灌淤土为主,SOC 含量较
高;而当灌溉耕作时间少于 50 a 时,各土类间 SOC
含量差异并不明显。 与其他 4 类土壤相比,灌淤土
是在长期灌溉、淤积和耕作施肥交迭作用下形成的
人为土壤,受灌溉耕作的影响更强,土壤 SOC含量增
加更显著,特别是 0—20 cm 土壤。 若不考虑灌溉耕
作时间等因素的影响,因土壤类型的不同,灌区 5 类
土壤剖面各土层 SOC 含量差异显著(P<0.01) (表
2)。 可见,土壤类型是影响 SOC 含量的主要因素之
一,灌溉耕作并没有改变这种作用,即使是受灌溉耕
作影响最强烈的表层土壤也是如此。 灌区 5 类土壤
表层(0—20 cm)SOC含量存在差异的原因可能有两
个:一是受土壤类型的影响,土壤有机碳含量背景值
存在差异;二是不同类型的土壤灌溉耕作的时间长
短及方式不同。 灌淤土的灌溉耕作时间最长,主要
为自流灌溉,携带有机物的泥沙沉积较多,SOC 含量
较高;而淡灰钙土、风沙土及新积土等的灌溉时间
短,且多为扬水灌溉(对灌溉水源进行沉沙处理,减
少了携带有机物质的泥沙进入农田),灌溉耕作对增
加 SOC含量的影响不如灌淤土明显。 因此,在土壤
类型与灌溉耕作的双重影响下,灌区不同类型土壤
596摇 3期 摇 摇 摇 董林林摇 等:引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率 摇
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表层 SOC含量存在明显差异。 而引黄灌溉作为保障
灌区农业生产的重要措施,对改善土壤性状和增加
SOC含量作用明显,但对表层以下更深土层 SOC 含
量的影响远弱于母质。
2.2摇 土壤有机碳密度的剖面分布特征
宁夏灌区 5类土壤的有机碳密度随土层深度变
化的剖面分布特征如图 3 所示。 不同灌溉耕作时间
序列下,在剖面深度(0—100 cm)内,灌区土壤各土
层的 SOC密度均高于未受灌溉耕作影响的对照土
壤。 当灌溉耕作时间不足 50 a 时,灌溉耕作土壤的
有机碳密度较对照土壤增加不显著,而当灌溉耕作
时间超过 50 a时,灌溉耕作土壤与对照土壤相比,其
SOC密度明显增加(P<0.01) (图 3),且灌区 5 类土
壤的 SOC密度随灌溉耕作时间序列变化产生的差异
性显著(P<0.01)。 平均而言,灌溉耕作土壤 0—20、
20—30、30—60 和 60—100 cm 的 SOC 密度分别比
对照土壤相应层次的 SOC密度增加 14.69、4.52、9.84
和 9.52 Mg / hm2。 可见,灌溉耕作对提高 SOC 密度
的作用随土层深度的增加而减弱,而表层 SOC 密度
的增加又与灌溉耕作时间相关(P<0.05),可见,长期
的灌溉耕作对增加表层 SOC密度作用显著。
图 3摇 不同灌溉时间下的土壤有机碳密度
Fig.3摇 Soil organic carbon density of each type of soil under different durations of irrigation
**表示灌溉耕作土壤的有机碳密度相对于对照土壤在 P<0.01水平上差异性显著
摇 摇 灌淤土各土层 SOC密度在不同的灌溉耕作时间
下均比对照土壤有明显增加(P<0.01),但在灌溉耕
作时间为 50 a时,剖面 SOC密度最大(图 3);其他 4
类土壤的 SOC密度均表现出随灌溉耕作时间延长而
增加的趋势(图 3),具有与土壤有机碳含量相似的
变化趋势。 由表 3 可知,灌淤土 SOC 密度比其他类
型土壤的 SOC密度要高,增加也最多,且剖面各层次
SOC密度与对照土壤相比增加均显著(P<0.001);而
其他几类土壤仅表层 SOC 密度增加显著(P<0.05)
(表 3),表下层 SOC 密度变化存在较大差别。 这是
因为灌淤土的灌溉耕作时间最长,受其影响的土层
深度一般在 50 cm以上,SOC 含量相对较高,而其他
4类土壤灌溉耕作时间短,灌溉耕作仅对表层甚至亚
表层 SOC密度的变化产生影响,且 SOC 密度相对较
低,可见,灌区土壤各层次 SOC密度的变化因土壤类
型的不同而异。 另外,土壤类型也影响了灌区农作
物的种类,在灌溉耕作时间较长的灌区,以灌淤土为
主,便利的灌溉条件适宜水稻的大面积种植,也使土
壤水分条件得以改善,有利于土壤有机碳积累;而在
灌溉耕作时间较短的灌区,分布的主要是淡灰钙土、
风沙土和新积土,适宜小麦和玉米等耐旱作物的生
长,扬水灌渠的修建为灌区作物生长提供了可靠的
水源保障,但是这些区域土壤水分条件仍较差,不利
于土壤有机碳积累。
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灌溉耕作时间和土壤类型是影响灌区 SOC密度
的 2个重要因素,它们与灌区 5 类土壤剖面 SOC 密
度( 0—100 cm)之间的相关系数分别为 0. 63 和
0郾 74,均为显著相关(P<0.01),剖面 SOC 密度与土
壤类型之间的相关系数大于其与灌溉耕作时间之间
的相关系数,说明土壤类型对 SOC 密度的影响略强
于灌溉耕作时间,而且 30—100 cm SOC 含量受灌溉
耕作时间的影响不显著(表 2),说明土壤类型是影
响土壤有机碳密度更为主要的因素。
引用含有大量泥沙的黄河水进行灌溉,河水中
携带有机物质的泥沙随水流进入农田并不断沉积,
据估算[30],宁夏灌区农田每年的泥沙淤积量约为
10300—155400 kg / hm2,因此,灌溉时间不同,淤积的
土层厚度就不同,灌区 SOC 含量增加也不同。 灌淤
土的形成正是长期灌溉、淤积和耕作作用的结果。
从植被鄄土壤系统来讲,植被是影响 SOC 垂直分布的
决定性因素之一[21]。 植物根系、凋落物及有机肥是
SOC的主要物质来源,而植物碳投入的多少对 SOC
含量产生重要的影响[10鄄11]。 在干旱、半干旱地区,灌
溉是保证农业正常生产的重要措施,能够促进作物
生长,产生更多的凋落物。 就农田土壤而言,植物根
系是增加 SOC的重要物源,其根系生长的土层厚度
与耕作层厚度(约 20 cm)基本一致。 当作物收割
后,作物根系及残茬会保留在耕作层中[31],再加上
肥料特别是有机肥的施用,增加了 SOC投入,使表层
SOC含量比表下层增加更明显。 可见,灌溉耕作是
增加宁夏引黄灌区 SOC含量的重要因素。
表 3摇 灌区土壤不同深度处有机碳密度相对于对照土壤的变化
Table 3摇 Change of soil organic carbon density of irrigated soil compared with non鄄irrigated and non鄄cultivated soil
土壤类型
Soil type
样点数目
Profile
灌溉时间 / a
Irrigation duration
土壤有机碳密度 SOC density / (Mg / hm2)
土层深度 Depth / cm
0—20 20—30 30—60 60—100
灌淤土 Irrigation鄄silted soils 对照土壤 6 0 6.79 2.75 5.88 5.74
灌溉土壤 19 50、280、1300、2200 25.7*** 8.66*** 20.18*** 18.51***
新积土 Alluvial soils 灌溉土壤 3 10、30 11.34 4.77* 10.56 10.48*
淡灰钙土 Sierozem soil 对照土壤 3 0 8.01 3.67 7.09 7.32
灌溉土壤 7 10、20、30、50 15.54* 5.08 7.64 7.21
风沙土 Aeolian sandy soil 对照土壤 2 0 2.24 1.21 3.50 4.50
灌溉土壤 3 10、20、50 12.55** 4.51 8.55* 10.34
潮土 Fluvo鄄aquic soils 对照土壤 1 0 1.22 0.31 0.70 3.50
灌溉土壤 2 30、280 1.93 0.60 1.22 13.12
摇 摇 表中数据为各类型灌溉土壤不同层次土壤有机碳密度(Mg / hm2)的算术平均值;灌淤土和新积土的对照土壤为其余 3 类土壤 6个对照剖面
各层土壤有机碳密度的算术平均值;*,**,***分别表示在 0.05、0.01、0.001水平上差异显著
2.3摇 灌区土壤固碳速率
土壤固碳速率是衡量某一区域土壤有机碳储量
随时间尺度变化快慢的重要参数。 根据表 1 中各灌
区的灌溉时间,运用公式(2)、(3)计算宁夏灌区各
类型土壤(0—100 cm)在不同灌溉耕作时间下的固
碳速率如表 4。
表 4摇 宁夏灌区各类型土壤固碳速率
Table 4摇 Soil carbon sequestration rate of each type soil in Ningxia Irrigation Zone
统计参数
Parameters
各类土壤有机碳固碳速率
Carbon sequestration rate of each type soil / ( MgC·hm-2·a-1)
灌淤土
Irrigation鄄silted soils
潮土
Fluvo鄄aquic soils
淡灰钙土
Sierozem soil
风沙土
Aeolian sandy soil
新积土
Alluvial soils
最大值 maximum 2.11 0.75 3.07 1.86 2.26
最小值 minimum 0.01 0.21 0.15 0.74 0. 51
平均值 average 0.63 0.47 0.96 1.16 1.29
摇 摇 表中平均值为各类型土壤所有采样点剖面土壤固碳速率的算术平均值
摇 摇 剖面深度计算,灌区土壤的固碳速率因土壤类
型不同而异,其中,灌溉耕作时间最长的灌淤土和潮
土的固碳速率较小,最小值仅为 0.01 MgC·hm-2·a-1。
受长期灌溉的影响,灌水落淤形成的灌淤层不断加
厚,抬高了地面,为保证灌溉的正常进行,必须移走
部分灌淤层土壤以利于灌溉,因此土壤剖面 SOC 密
796摇 3期 摇 摇 摇 董林林摇 等:引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率 摇
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度的变化率并不能真实地反映长期灌溉耕作影响下
灌淤土的固碳速率。 前期的研究发现,由于泥沙沉
积致使灌区农田土壤每年增厚约 1 cm[30],若按此计
算,灌溉耕作 50 a 后,灌淤层的厚度约为 50 cm,但
是耕作层厚度仅约 20 cm 左右,灌溉和耕作过程中
产生的有机碳并不能输送至更深的土层,而使 50 cm
以下土壤处于碳释放状态,SOC 密度减小;就淡灰钙
土、风沙土和新积土而言,灌溉时间较短,且灌溉耕
作仅对 0—30 cm SOC 密度增加作用显著(表 2,图
3),表下层 SOC 含量则主要受母质的影响。 因此,
若按剖面 SOC 密度增加量来计算灌区土壤固碳速
率,就忽视了母质对其产生的影响,是不合理的。 因
此本研究通过计算灌溉耕作时间在 50 a 之内的土
壤,其 0—30 cm的 SOC 密度变化量,再进行线性拟
合来确定灌区 SOC 密度的平均提高速率,不同于已
有研究中 SOC含量提高速率(0—20或 0—30 cm)的
计算[24,32鄄33]。
通过绘制灌溉时间在 50 a 以内的各样点 0—30
cm SOC密度增加量随灌溉耕作时间变化的散点图,
来拟合灌区 5类土壤的 SOC密度随灌溉耕作时间变
化的线性方程,所得直线斜率即为灌区 5 类土壤的
平均固碳速率,如图 4。
图 4摇 宁夏引黄灌区土壤有机碳密度增加量随灌溉耕作时间的
变化趋势
Fig. 4 摇 Trend of soil organic carbon density increment of
irrigated soils changed under different irrigation durations in
Ningxia, China
图中数据点为相同灌溉耕作时间下各样点 0—30cm土壤有机碳
密度增量平均值; 公式中 y为土壤有机碳密度增加量;x为灌溉
时间,R2为决定系数
灌区 SOC 密度增加量与灌溉耕作时间显著相
关,相关系数为 0.96(P<0.01),图中直线的斜率即为
灌区土壤的平均固碳速率,为 0.53 MgC·hm-2·a-1。
灌溉耕作时间和土壤类型是影响灌区土壤固碳速率
的 2个重要因素,而灌区作物品种、种植方式、施肥
及灌溉河水中泥沙来源的不同也会影响灌区土壤的
固碳速率[11,30,33]。
3摇 结论
通过对宁夏引黄灌区不同灌溉耕作时间序列下
5种类型土壤的有机碳含量及密度的分析,可得出如
下结论:
(1)灌区 5种类型土壤的 SOC 含量均随土层深
度增加呈下降的规律,且表层(0—20 cm) SOC 含量
初始值越低,灌溉耕作时间越长,SOC 含量增加就越
显著,致使 SOC含量随土层深度增加而下降的规律
越明显。
(2)土壤类型和灌溉耕作时间与灌区 5 类土壤
的 SOC密度均显著相关(P<0.01),相关系数分别为
0郾 74和 0.63,可见,土壤类型和灌溉耕作时间是影响
灌区土壤有机碳密度差异的 2 个主要因素,且土壤
类型的影响略强于灌溉耕作时间。
(3)灌区土壤固碳速率因土壤类型不同而异。 5
类土壤中,灌溉耕作时间最长的灌淤土和潮土的固
碳速率较小,最小值仅为 0.01MgC·hm-2·a-1;灌溉时
间 50 a以内、0—30 cm土层的 SOC密度增加量随灌
溉耕作时间变化的拟合结果表明,灌区 SOC 密度增
加量与灌溉耕作时间显著相关,相关系数为 0. 96
(P<0.01),灌区土壤的平均固碳速率为 0.53 MgC·
hm-2·a-1。
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007 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
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学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
耘鄄皂葬蚤造院 泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶摇 网摇 摇 址院 憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶
编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 猿期摇 渊圆园员源年 圆月冤
粤悦栽粤 耘悦韵蕴韵郧陨悦粤 杂陨晕陨悦粤摇渊杂藻皂蚤皂燥灶贼澡造赠袁杂贼葬则贼藻凿 蚤灶 员怨愿员冤摇灾燥造郾 猿源摇 晕燥郾 猿 渊云藻遭则怎葬则赠袁 圆园员源冤
编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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