海拔梯度對川西高寒土壤輕組分有機碳動態影響研究

李 菊，王 琴，孫 輝

（四川大學 環境科學與工程系，成都610065）

近100年全球氣候正在經歷一場以變暖為主要特征的顯著變化［1］，全球平均地表溫度上升了0.74（0.56～0.92）℃［2］，北極和高海拔地帶增溫明顯，如歐洲阿爾卑斯山脈平均升溫速度是全球的2倍多（升高1.1～1.3℃）［3］，青藏高原平均升溫速度相當于全球平均增溫的3倍［4］。預測到21世紀末，全球地表平均氣溫可能升高1.1～6.4℃（與1980—1999年相比）［5］。土壤是陸地生態系統最大的碳庫，據估計土壤有機碳庫為1 115～2 220Gt，相當于陸地植被碳庫2～3倍和大氣碳庫2倍［6］。分布于高海拔／緯度（極地與高山）的季節性凍土和永凍土帶土壤碳庫儲碳200～500Gt，這些土壤碳庫對升溫具有正反饋響應［7］，在全球土壤碳循環乃至全球氣候變化中占有重要地位。同時這些土壤在全球變暖中增溫可能更加顯著［2］，因而土壤增溫可能對低溫土壤有機碳生態過程的影響更加明顯［8］，增溫背景下低溫土壤生態過程也成為全球變化的研究熱點之一。近年來，對青藏高原高寒土壤有機碳儲量與組分［9－12］、土壤酶活性及特征［12－13］、土壤微生物量［14］和土壤碳礦化［15］等進行的研究，逐步揭示了高寒低溫土壤生態系統土壤碳過程的有關特征。

全球土壤有機碳按照穩定性分為微團聚體有機碳、粉粒和黏粒保護有機碳、生化保護有機碳和非保護性有機碳四種形態［16］。其中，非保護性有機碳穩定性最低，主要是部分分解的與土壤礦質結合尚不緊密的新近凋落的植物殘體［16］，可通過輕組分有機碳或顆粒態有機碳來衡量。因此，輕組分有機碳被認為是土壤活性有機碳的重要表征，其主要來源于植物凋落物，化學組成上介于凋落物與腐殖化有機質之間，而且缺乏黏粒保護，與總有機碳相比具更高的礦化率和周轉率［17］。越來越多的研究將土壤LFOC作為表征土壤質量［18］、有 機 碳 庫 動 態 特 征［19］、土 壤 生 物 地 化 過程［20］、土壤碳穩定性機理［21－22］的特征指標，從目前的報道來看重點是對耕作土壤LFOC動態的研究，很少有對非耕作土壤的輕組分有機碳動態的研究。鑒于青藏高原面臨的可能的增溫效應［23］，以及高寒土壤生態過程對土壤增溫的敏感性［24，13］，研究高寒土壤輕組分有機碳的時間動態和在海拔梯度上的變化趨勢，對于揭示高寒土壤輕組分有機碳對土壤增溫的可能效應，以及土壤增溫對有機碳碳庫穩定性的影響，具有重要理論意義。

1 試驗材料和方法

1.1 研究地區概況

研究地點位于四川阿壩藏族羌族自治州小金縣夢筆山，它是由大雪山與邛崍山系交界北部地段數個海拔4 000m以上的高峰組成，研究區域內亞高山針葉林分布的海拔高度多為3 000～4 000m，其上為高山樹線、高山灌叢草地以及高山草甸。試驗點地處夢筆山西南坡，海拔3 200～3 900m，亞高山針葉林為紫果云杉（Picea purpureaMast.）成熟林，開闊地帶間有紅樺（Betula albo－sinensisBurk.）零星分布，灌層植物主要有多腺懸鉤子（Rubus phoenicolasiusMaxim.）、三顆針（Berberis diaphana）、高山櫟（Quercus semicarpifoliaSmith）、高山柳（Salix cuplaris.）等，草本層植物主要有鐵線蓮（Clematis floridaThunb.）、老鸛草（Geranium wilfordiiMaxim.）、蟹甲草（Parasenecio forrestiiJ.）、草玉梅（Anemone rivularis）等零星分布；其上的高山樹線為紫果云杉散生，杜鵑灌叢分布，高山灌叢草地主要是叢狀分布的高山杜鵑（Rhododendron lapponicum）、千里香杜鵑（Rhododendron thymifoliumMaxim.）灌叢。試驗樣地各海拔高度植被類型、溫度的基本情況見表1。

表1 高海拔梯度上土柱原位培養試驗樣地基本情況

1.2 試驗材料

2011年6月收集試驗點亞高山針葉林0—20cm深度的土壤，清除樹根和石塊，過5mm篩，并充分混合均勻制成土柱，以消除海拔梯度上土壤有機碳含量及組分的異質性給原位培養研究帶來的系統誤差。采混合樣測定土壤基本理化性質，其中有機碳為（341.14±3.08）g／kg，輕組分有機碳含量（212.71±1.12）g／kg，pH 為6.75±0.05。將混合均勻的土壤含水量調節至田間持水量的80%。

重裝土柱：將半徑15cm、長度20cm剖為兩半的PVC管用扎帶扎緊后按原體積質量（容重）重裝土柱（這樣便于從管中取出土柱時不破壞土柱的結構）。將重裝的土柱按照選取的特定海拔高度，埋入試驗點土壤中進行原位培養。土柱表面與土壤表面齊平，土柱間用森林土壤壓實填平。

1.3 樣方設置與采樣方法

在研究區域內坡向一致的坡面選擇5個不同海拔高度的試驗樣地（3 250m，3 438m，3 672m，3 852m和4 098m），作為一個海拔梯度系列進行土柱原位培養試驗。每個海拔高度土柱原位培養設置3個重復，即每個海拔分為3組土柱，一共15組土柱；每組土柱18個；每組內土柱間距離10cm，每組土柱間距離30cm。每個試驗樣地的土柱培養試驗埋設采用隨機化區組設計。

溫度計埋放：另裝5個土柱用于埋放紐扣溫度計，將5個土柱分別埋放在5個不同的海拔。在每個土柱表層即0cm，5cm，10cm，15cm和20cm處各埋放1個紐扣式溫度計，并設置每h記錄1次數據。

土壤采樣：土柱經過3個月原位培養后開始采樣。采樣時間分別為2011年9月2日，11月6日，2012年3月21日，5月15日和7月13日。每次采樣都是在每個海拔每個重復中隨機采集土柱，土柱收集后立即置于冰盒中帶回實驗室。將每個土柱分為0—10cm和10—20cm截開分裝后，過2mm篩在4℃保存或者立即分析。

1.4 樣品測定方法

輕組分有機碳（LFOC）：稱取10.0g左右（m1）過2mm篩的風干土樣，放入100ml離心管中，加入比重為1.7g±0.02g／cm3的 NaI溶液40ml；攪拌震蕩30s后，將附著在管壁和玻璃棒上的顆粒用NaI溶液洗入懸浮液中，在1 000rpm離心15min；然后取懸浮液利用微孔濾膜（waterman No.1濾紙）進行真空抽濾，在抽濾下用少量0.01MCaCl2溶液連續洗三次，再用少量去離子水洗3次，洗去剩余的NaI溶液，將濾紙及其上的物質放在70℃的烘箱中烘干17h；烘干后去掉濾紙質量得到LFOC質量（m2），將濾紙上的物質刮下研磨，過篩，重鉻酸鉀外加熱法測定其中總有機碳（TOC）含量，用 TOC乘以（m2／m1）即為輕組分有機碳含量［17，25］。

2 結果與分析

2.1 不同海拔梯度表層（0－10cm）土壤LFOC的時間動態

川西高寒土壤均質化原位培養后，不同海拔上表層土壤LFOC含量垂直分布的時間動態變化見圖1。在低溫季節前期（9—11月），各海拔上表層土壤LFOC含量均顯著增加；低溫季節中期（11月—翌年3月），除3 852m和4 098m上表層土壤LFOC含量有所增加外，其余各海拔均有所下降，其中3 250m和4 098m差異達到顯著水平；低溫季節后期（3—5月），各海拔上表層土壤LFOC含量均顯著增加；低溫季節結束后，除3 250m上表層土壤LFOC含量有所增加外，其余海拔均有所下降，其中3 852m和4 098m差異達到顯著水平。各海拔均在9月達到最低值，3 250m上表層土壤LFOC含量在7月達到峰值，其余海拔均在5月達到峰值，這表明低溫促進了高寒土壤LFOC的積累，而在相對高溫的季節（7月）LFOC則是分解減少的。此外，不論是低溫季節還是溫暖季節，土壤表層LFOC在海拔梯度上都是隨著海拔升高逐漸增加的。

2.2 不同海拔梯度表下層（10－20cm）土壤LFOC的時間動態

川西高寒土壤均質化原位培養后，不同海拔表下層土壤LFOC含量垂直分布的時間動態變化見圖2。在低溫季節前期（9—11月），除3 250m 和3 852m表下層土壤LFOC含量有所下降外，其余海拔均有所增加，但差異均未達到顯著水平；低溫季節中期（11月—翌年3月），各海拔表下層土壤LFOC含量均有所下降，其中3 250m，3 438m，3 672m 和4 098m差異達到顯著水平；低溫季節后期（3—5月），各海拔表下層土壤LFOC含量均顯著增加；低溫季節結束后，各海拔表下層土壤LFOC含量均有所下降，其中3 438m和4 098m差異達到顯著水平。各海拔均在3月達到最低值，在5月達到峰值。7月除3 250m外各海拔土壤LFOC含量均高于9月，其中3 852m和4 098m差異達到顯著水平。這表明低溫（3月）促進了高寒土壤LFOC的分解，而在相對高溫的季節（5—7月）LFOC則是相對增加的。此外，表下層土壤LFOC含量為171.78～241.98g／kg，這表明不同海拔LFOC在低溫季節存在不同變化趨勢。

圖1 亞高山－高山海拔梯度上土壤表層（0－10cm）LFOC的時間動態

2.3 不同海拔梯度表層與表下層土壤LFOC差異的時間動態

不同海拔梯度表層與表下層土壤LFOC差異的時間動態見表2。同一時間和海拔高度的情況下，土壤LFOC含量具有明顯的剖面分布規律。除9月外，各海拔的土壤LFOC含量隨土層加深而降低，其中11月和3月各海拔差異均達到顯著水平，5月3 852m和4 098m差異達到顯著水平；9月，除4 098m土壤LFOC含量隨著土層加深有所降低外，其余各海拔均隨著土層加深而有所增加，其中3 672m差異達到顯著水平。

不同海拔不同深度土壤LFOC差異顯著性持續時間均長達3個月。低溫季節，表層土壤LFOC是積累增加的，而表下層土壤LFOC是分解減少的；高溫季節，表層土壤LFOC是分解減少的，而表下層土壤LFOC是相對增加的。

表2 不同海拔0－10cm和10－20cm土壤輕組分有機碳含量的季節差異

圖2 亞高山－高山海拔梯度上土壤表下層（10－20cm）LFOC的時間動態

3 討 論

盡管土壤輕組僅占土壤質量的一小部分，但輕組的碳含量一般顯著高于全土。輕組物質的碳氮比高，周轉速度快，是易變有機碳的良好指標［26］。已有研究表明農耕地土壤輕組分一般具有明顯的季節變化［27］，并大部分聚集在土壤表層，隨土層深度的增加而下降。本研究在各個海拔高度的試驗結果也顯示高寒土壤輕組分有機碳含量存在顯著的季節差異，因此輕組分有機碳在高寒土壤中同樣也是短期變化敏感的有機碳組分。本研究利用均質化高寒森林土壤的原位培養，結果也是表層土壤輕組分有機碳高于表下層，這個結果暗示高寒土壤輕組分有機碳同樣主要分布在表層土壤中。高海拔土壤LFOC隨著海拔而升高，可能是因為海拔越高，低溫時間越長，積雪覆蓋的時間延長，導致雪霉等作用將土壤中的有機物料轉化為輕組分有機碳［28］，從而有利于LFOC的積累，不過高海拔土壤LFOC的積累與周轉是否受到低溫過程的影響，還需要更多的長期定位研究。

土壤總有機碳及各活性有機碳含量均隨海拔高度的升高而增加，隨土層的加深而下降［29］。森林土壤中的輕組分有機碳占總有機碳的比例為4%～63%［27］也表現出同樣的變化趨勢。動植物殘體輸入時間、輸入量和組成以及環境等因素會影響土壤輕組分有機物，同時輕組分有機物對土地利用方式、作物輪作制度、施肥等變化具有敏感響應［26，30］。不過，輕組分有機碳研究多是針對農業土壤，而對于高寒土壤的研究并不多。研究顯示在低溫和積雪覆蓋的環境下，雪霉等真菌的活性強烈［31］，促進有機物質的破碎化與分解，本研究中低溫季節輕組分有機碳的積累，其機理可能是因為在低溫季節，土壤中半分解有機質在雪霉等真菌的作用下將土壤中未分解的有機質進一步轉化為輕組分有機碳，而低溫又抑制了分解輕組分有機碳的細菌活性，導致了0—10cm的土壤輕組分有機碳高于10—20cm的土壤。在夏季，隨著溫度升高，0—10cm 土壤中微生物活性高于10—20 cm［32］，表層土壤輕組分有機碳分解逐漸快于下層土壤，這可能是導致0—10cm土壤輕組分有機碳最終在9月份低于10—20cm的原因，但是還需要對于微生物群落與土壤輕組分有機碳的相關性做更多的研究。

4 結 論

（1）原位土壤培養試驗表明，低溫季節是高寒土壤LFOC積累的主要時期，而生長季節是土壤LFOC消耗的時期。對于同一海拔高度，表層（0—10cm）和表下層（10—20cm）土壤LFOC含量均在5月達到最高值。

（2）在海拔梯度上，土壤LFOC含量隨著海拔升高而增加，顯示高海拔有利于土壤LFOC的積累，這也顯示了低溫有利于土壤LFOC積累。

（3）在同一采樣時間的同一海拔高度，表層（0—10cm）和表下層（10—20cm）土壤LFOC含量總體表現出隨深度增加而降低的規律，其中在低溫季節中后期的11月和3月均達到差異顯著水平。

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