新疆阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳特征及其环境影响因素分析

doi:10.11686/cyxb2020389

草业学报 ›› 2021, Vol. 30 ›› Issue (10): 41-52.DOI: 10.11686/cyxb2020389

新疆阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳特征及其环境影响因素分析

刘慧霞¹(), 董乙强¹^,³^,⁴, 崔雨萱¹, 刘星宏¹, 何盘星¹, 孙强²(), 孙宗玖¹^,³^,⁴()

^1.新疆农业大学草业学院，新疆乌鲁木齐 830052
^2.新疆维吾尔自治区草原总站，新疆乌鲁木齐 830049
^3.新疆草地资源与生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052
^4.西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052

收稿日期:2020-08-19 修回日期:2020-10-26 出版日期:2021-09-16 发布日期:2021-09-16
通讯作者: 孙强,孙宗玖
作者简介:Corresponding author. E-mail： nmszj@21cn.com
Corresponding author. E-mail： 549136952@qq.com
刘慧霞（1995-），女，新疆博乐人，在读硕士。E-mail： 158755032@qq.com
基金资助:
国家基础资源调查专项(2017FY100200);国家自然科学基金项目(32060408);新疆农业大学研究生科研创新项目(XJAUGRI2021003);新疆维吾尔自治区草原总站项目(XJCYZZ2020003)

Environmental factors influencing soil organic carbon and its characteristics in desert grassland in Altay， Xinjiang

Hui-xia LIU¹(), Yi-qiang DONG¹^,³^,⁴, Yu-xuan CUI¹, Xing-hong LIU¹, Pan-xing HE¹, Qiang SUN²(), Zong-jiu SUN¹^,³^,⁴()

^1.College of Grassland Science，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China
^2.Grassland Station of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830049，China
^3.Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology，Urumqi 830052，China
^4.Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Western Arid Region，Ministry of Education，Urumqi 830052，China

Received:2020-08-19 Revised:2020-10-26 Online:2021-09-16 Published:2021-09-16
Contact: Qiang SUN,Zong-jiu SUN

摘要/Abstract

摘要：

为探究新疆阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳空间分布特征，采用路线调查和典型样地布设相结合的方法确定104个样地，对0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm土层土壤有机碳含量进行测定，同时运用数量生态学和地统计学方法，揭示荒漠土壤有机碳含量及密度空间变异的影响因素。结果表明：0~20 cm荒漠土壤有机碳含量为0.98~11.80 g·kg^-1、平均值为3.79 g·kg^-1，土壤有机碳密度为257.57~2904.19 g·m^-2、平均值为1057.49 g·m^-2；随土层深度的增加，土壤有机碳含量（0~5 cm，5~10 cm，10~20 cm）及土壤有机碳密度（0~10 cm，10~20 cm）呈现降低趋势。高值区均主要集中在富蕴县北部地区，低值区主要分布在哈巴河县、布尔津县和福海县南部地区；在0~20 cm土层中，不同荒漠亚类土壤有机碳含量及密度均表现为土质荒漠>砾砂质荒漠>砾石质荒漠>沙质荒漠，且土质荒漠土壤有机碳含量、有机碳密度分别是沙质荒漠土壤的1.74、1.72倍（P<0.05）；从冗余分析结果来看，各环境因子对土壤有机碳的实际解释总量为30.93%，其中植被覆盖度、土石比、根部土壤湿度是引起阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳变化的主导因素。总之，研究结果更新与补充了阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳库数据，初步阐明了有机碳变化的主导因素，为荒漠草地管理和可持续利用及碳预算提供资料支撑。

关键词: 土壤有机碳, 荒漠草地, 阿勒泰地区, 冗余分析, 影响因子

Abstract:

The aim of this research was to explore the spatial distribution characteristics of soil organic carbon in desert grassland in the Altay region of Xinjiang. We investigated 104 sampling plots using a combination of transect surveys and conventional plot layouts in August 2018， and collected soil samples for 0-5 cm， 5-10 cm and 10-20 cm soil depths in the centre of the sample plots. The factors influencing the content and spatial variation of soil organic carbon density were evaluated using quantitative ecology and geostatistics methodologies. It was found that the range for desert soil organic carbon content was 0.98-11.80 g·kg^-1in the 0-20 cm layer， with an average value of 3.79 g·kg^-1. The soil organic carbon density was 257.57-2904.19 g·m^-2 in 0-20 cm layer， with an average value of 1057.49 g·m^-2. With increasing soil depth， the soil organic carbon content （0-5 cm，5-10 cm，10-20 cm） and density （0-10 cm，10-20 cm） decreased. Localities with high soil C values were mainly concentrated in the northern part of Fuyun County， while areas with low soil C were mainly distributed in Habahe County， Burqin County and southern Fuhai County. In different desert subtypes， the content and density of organic carbon ranked： soil desert>gravel sandy desert>gravelly desert>sandy desert. The values for organic carbon content and organic carbon density in soil of the soil desert soil were， respectively 1.74 and 1.72 times those of the sandy desert soil （P<0.05）. From the results of redundancy analysis， the proportion of variation in soil organic carbon by various environmental factors was 30.93%， with the leading explanatory factors being vegetation cover， soil∶rock ratio， and soil moisture level in the root zone. This study has updated and expanded the available data on soil organic carbon pools in desert grassland in the Altay area and clarified the leading factors of organic carbon change， and has provided data support for desert grassland management， sustainable utilization and carbon budgeting.

Key words: soil organic carbon, desert grassland, Altay region, redundancy analysis, factors influencing soil C

刘慧霞, 董乙强, 崔雨萱, 刘星宏, 何盘星, 孙强, 孙宗玖. 新疆阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳特征及其环境影响因素分析[J]. 草业学报, 2021, 30(10): 41-52.

Hui-xia LIU, Yi-qiang DONG, Yu-xuan CUI, Xing-hong LIU, Pan-xing HE, Qiang SUN, Zong-jiu SUN. Environmental factors influencing soil organic carbon and its characteristics in desert grassland in Altay， Xinjiang[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2021, 30(10): 41-52.

图/表 9

图1 阿勒泰地理位置、样点分布及样方布设

Fig. 1 Geographical location， sample point distribution and sample layout of Altay

表1 阿勒泰地区荒漠草地表层土壤有机碳含量及密度的描述性统计

Table 1 Descriptive statistics of soil organic carbon content and density of desert grassland in Altay region

土层 Soil layer （cm）	变量 Variable	均值 Mean	中位数 Median	标准差 Standard deviation	偏度 Skewness	峰度 Kurtosis	最小值 Min	最大值 Max	变异系数 Coefficient of variation （%）	P值 P-value
0~5	SOC （g·kg^-1）	4.43	3.83	2.55	1.59	3.68	0.89	15.51	57.56	0.16
0~5	SOCD （g·m^-2）	313.07	261.36	168.74	1.18	1.22	80.03	820.88	53.90	0.06
5~10	SOC （g·kg^-1）	3.71	3.16	2.11	1.64	3.65	0.50	11.68	56.87	0.11
5~10	SOCD （g·m^-2）	265.35	232.09	143.11	1.35	2.21	44.81	796.13	53.93	0.10
10~20	SOC （g·kg^-1）	3.51	3.16	1.87	1.08	1.48	0.92	10.00	53.28	0.10
10~20	SOCD （g·m^-2）	479.07	421.25	259.45	1.09	1.13	99.06	1287.17	54.16	0.06
0~20	SOC （g·kg^-1）	3.79	3.64	1.99	1.44	3.05	0.98	11.80	52.51	0.17
0~20	SOCD （g·m^-2）	1057.49	945.87	534.91	1.19	1.53	257.57	2904.19	50.58	0.19

图2 不同地区土壤有机碳含量及密度分布特征不同字母表示不同地区间差异显著（P<0.05），下同。ALT：阿勒泰市；BEJ：布尔津县；HBH：哈巴河县；FH：福海县；FY：富蕴县；JMN：吉木乃县；QH：青河县。 Different letters indicate significant differences among different regions （P<0.05），the same below. ALT： Altay City； BEJ： Burjin County； HBH： Habahe County； FH： Fuhai County； FY： Fuyun County； JMN： Jeminay County； QH： Qinghe County.

Fig. 2 Distribution characteristics of soil organic carbon content and density in different regions

图3 阿勒泰地区荒漠草地0~20 cm土壤有机碳含量及密度空间分布

Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon content and density in desert grassland at 0-20 cm in Altay region

图4 0~20 cm土壤有机碳含量及密度预测值与实测值线性相关性分析

Fig. 4 Linear correlation analysis between predicted and measured values of soil organic carbon content and density in 0-20 cm soil

图5 不同荒漠亚类土壤有机碳含量及密度分布

Fig. 5 Distribution of soil organic carbon content and density in different desert subtypes

表2 土壤有机碳含量及密度与环境因子的RDA二维排序结果

Table 2 RDA ranking results of soil organic carbon content， density and environmental factors

项目 Item	统计量 Statistic		0~5 cm		5~10 cm		10~20 cm		0~20 cm
项目 Item	统计量 Statistic		第1轴Axis1	第2轴Axis2	第1轴Axis1	第2轴Axis2	第1轴Axis1	第2轴Axis2	第1轴Axis1	第2轴Axis2
冗余分析RDA	特征值Characteristic value		0.32	0.03	0.29	0.03	0.24	0.08	0.26	0.05
	解释量 Explain content （%）		32.01	34.69	29.39	32.74	24.07	31.79	25.59	30.93
	变量-环境因子关系Variable-environment correlations		0.57	0.95	0.55	0.95	0.51	0.93	0.52	0.97
	累计解释量 Cumulative interpretation （%）		92.28	100.00	89.75	100.00	75.72	100.00	82.73	100.00
置换检验 Displacement	所有轴 All axis	F	3.1		2.9		2.7		2.6
置换检验 Displacement	所有轴 All axis	P	0.002		0.002		0.002		0.002

图6 土壤有机碳含量及密度与环境因子冗余分析实心箭头代表各土层的有机碳含量及密度，SOC：土壤有机碳含量，SOCD：土壤有机碳密度；空心箭头代表各环境因子， AT：≥10 ℃年积温；MAP：年均降水；MAT：年均温度；BD：土壤容重；SRR：土石比；Cov：植被覆盖度；ABG：地上生物量；GSP：生长季降水；GST：生长季温度；Eva：蒸散发；SSM：表层土壤湿度；RSM：根部土壤湿度；SIF：平均叶绿素荧光； EC：电导率。下同。The solid arrows represdfdent the organic carbon content and density of each soil layer， SOC： Soil organic carbon content， SOCD： Soil organic carbon density； The hollow arrows represent various environmental factors， AT： ≥10 ℃ annual accumulated temperature； MAP： Average annual precipitation； MAT： Average annual temperature； BD： Soil bulk density； SRR： Soil-rock ratio； Cov： Vegetation coverage； ABG： Above-ground biomass； GSP： Growing season precipitation； GST： Growing season temperature； Eva： Evapotranspiration； SSM： Surface soil temperature； RSM： Root soil moisture； SIF： Annual average chlorophyll fluorescence value；EC： Electrical conductivity. The same below.

Fig.6 Redundant analysis of soil organic carbon content， carbon density， and environmental factors

图7 环境因子偏冗余分析*表示各环境因子的蒙特卡罗置换检验结果P<0.05，达显著水平。* Indicates the Monte Carlo permutation test results of each environmental factor P<0.05， reaching a significant level.

Fig.7 Partial redundancy analysis of influence factors

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新疆阿勒泰地区荒漠草地土壤有机碳特征及其环境影响因素分析

Environmental factors influencing soil organic carbon and its characteristics in desert grassland in Altay， Xinjiang

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图/表 9

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