青海湖2種高寒濕地土壤碳氮化學計量特征研究

劉 英，曹生奎,2，曹廣超,2，陳克龍,2，蘭 垚，漢光昭，楊羽帆，雷義珍

(1. 青海師范大學地理科學學院，青海 西寧 810008；2. 青海師范大學青海省自然地理與環境過程重點實驗室，青海 西寧 810008)

【研究意義】濕地是一個特殊的生態系統，介于陸地生態系統與水生生態系統之間，具有多樣的生態系統服務功能，濕地土壤作為碳氮的重要源匯，是全球最重要的生態系統，稱之為“地球之腎”[1-2]。濕地土壤碳含量及分布直接影響濕地生態系統的生產力及碳循環，氮素含量的高低與分布特征可以反映濕地的養分供給情況，影響著濕地生態系統的化學循環過程[3-4]。青藏高原海拔高、氣壓低、氣候變化復雜多樣，孕育著草甸、濕地等多種高寒生態系統[5-6]。隨著全球變暖對高寒區域的影響，各個生態系統土壤中所含碳、氮等元素含量將隨之發生改變，它對于全球變暖的響應、區域乃至全球的碳氮循環和氣候變化至關重要[7-10]。高寒濕地生態系統土壤退化、恢復與演替主要與土壤養分中的元素含量、環境因素之間的相關性有關[11-14]。青海湖高寒濕地生態系統因為其獨特的地理位置與復雜的環境條件，生態系統比較脆弱，且對于區域氣候變化與人類活動響應敏感[15-18]。【前人研究進展】近年來對于高寒濕地土壤碳氮分布特征及其循環過程研究已成為熱點，其中青海湖流域土壤養分的變化特征分析是眾學者研究的重點。曹生奎等[19-20]分析了青海湖高寒濕地土壤有機碳含量的變化特征以及草地退化對土壤碳密度的影響；劉文玲等[21]通過對青海湖流域定點采樣分析，揭示了高原鼠兔擾動對土壤養分及微生物量碳氮的影響；陳懂懂等[22]對青海湖農場退耕還林后的土壤碳氮進行研究。但以上研究中研究區選取多在非禁牧區域，不能排除人為干擾因素，研究重點是有機碳、氮分布特征和原因分析，而對全碳、全氮及其與土壤屬性之間相關性的研究較少。【本研究切入點】基于此，本研究選取禁牧區域作為研究區，在研究土壤碳氮分布特征的基礎上，分析了土壤碳氮與有機碳(SOC)、pH值、電導率(EC)、土壤含水量(SWC)、土壤容重和土層深度的相關性，以確定影響土壤碳氮最主要影響因子。【擬解決的關鍵問題】濕地是青海湖地區生態系統中的一個重要部分，而有關青海湖高寒濕地土壤碳氮計量特征鮮有研究，本研究以青海湖湖濱和河源兩種高寒濕地土壤為研究對象，對不同濕地土壤碳氮計量特征進行分析，揭示不同高寒濕地土壤碳氮分布及其計量特點。其研究結果可為濕地生態系統功能評價提供一定基礎，并對高寒濕地結構與功能、保護與管理具有重要意義。

1 研究區概況

本文選擇青海湖流域東部的湖濱濕地與北部的河源濕地作為研究對象。湖濱濕地位于青海湖湖東種羊場以北約10 km處的小泊湖，采樣點選擇在地形平坦的高寒濕地生態系統中(36°42′N，100°46′E，3228 m)，2017年年均氣溫2.60 ℃，年降水量275.59 mm，植被以多年生草本植物為主，主要優勢植物種為藏嵩草(Kobresiatibetica)。土壤成土母質主要是湖積物及風成沙，土壤類型主要以沼澤土和草甸土為主，土壤發育年輕，土層淺薄，有機質含量較高。河源濕地位于青海湖北部沙柳河河源區瓦顏山，采樣點選取距離剛察縣45 km的高寒濕地中(37°44′N，100°05′E，3753 m)，2017年年均氣溫-3.02 ℃，年降水量540.26 mm，植被以小嵩草植物為主，土壤為沼澤土和草甸土。該濕地生態系統表層廣泛分布有季節性凍土，深層為永久性凍土。

2 材料與方法

2.1 樣品采集及預處理

在研究區設置面積為20 m×20 m的標準樣地，在布設好的樣地中隨機設置0.5×0.5 m樣框，用直徑為5 cm的土鉆自表層向下采集土樣，0～30 cm每隔5 cm逐層采樣，30～50 cm每隔10 cm逐層采樣，采樣深度為50 cm，將采集好的土樣裝入自封袋，并記錄日期、鮮重及深度。采樣時間為2017年6-9月，共采集土壤樣品132個。將所采集的土樣帶回實驗室自然風干，除去草根及其他雜質并研磨，過200目篩，裝入自封袋標記備用。

2.2 方法與數據處理

測定采集樣品中的土壤全碳(TC)、全氮(TN)、有機碳(SOC)、pH值、電導率(EC)，并計算土壤含水量(SWC)、土壤容重。測定土壤TC、TN時用高精度天平稱取土樣重量，每個樣品重量為15.000 mg(誤差<0.003 mg)，TC、TN用元素分析儀(Costech ECS4010/4024，USA)測定，測定時需要用5個標準樣品(蛋氨酸Methionine)和兩個空白樣品進行校準。土壤有機質含量測定方法為油浴加熱——重鉻酸鉀容量法，然后除以“Van Bemmelen”換算系數1.724，得到土壤有機碳含量[23-24]。土壤pH值測定用臺式pH計(PHS-3C)測定，每個土樣重復測量3次取其平均值。土壤電導率用電導率快速測定儀(Direct·Soil·EC·Meter-2265FS)測定，測試精度為EC：±0.1 %，溫度：±0.5 ℃，在表盤數值保持不變時讀取數據。以上實驗均在青海省自然地理與環境過程重點實驗室完成。

本研究利用Microsoft Excel 2011、Origin Pro9.0軟件對全碳(TC)、全氮(TN)、土壤含水量(SWC)、容重、pH值、電導率(EC)數據進行前期處理和作圖，運用IBM SPSS Statistics 22對土壤化學計量特征與有機碳(SOC)、pH值、電導率(EC)、土壤含水量(SWC)、土壤容重和土層深度進行相關性分析。

3 結果與分析

3.1 不同季節的土壤全碳和全氮含量的垂直分布特征

湖濱濕地0～20 cm土層中TN含量7月呈遞減趨勢，其余月份變化趨勢基本一致；20～40 cm土層中，7和8月減小，6和9月增大(圖1a)；40～50 cm土層中8月增加，其余月份減少；從月份變化分析，6和9月的變化一致，7和8月變化一致。河源濕地(圖1b) 0～10 cm土層中，7-9月TN含量變化趨勢為遞減，但7月含量相對其余月份較低；10～20 cm土層中TN含量7月遞增，其余月份總體呈遞減趨勢；20～40 cm土層中，7月先增后減，8月與之相反；同一深度上，7、8月TN含量大于6、9月，8月為最低值。2種高寒濕地土壤TN含量在深度與月份上的變化特征基本相似，即隨深度的增加土壤TN含量遞減，湖濱濕地7、8月變化較河源濕地明顯且波動較大，9與6月變化趨勢較穩定。

土壤TC含量隨土層深度總體變化趨勢和TN有相似性。湖濱濕地(圖2a)0～15 cm土層中土壤TC含量變化趨勢基本一致，都為先增后減，6和7月含量較8和9月高；15～30 cm土層中土壤TC含量7月減小，其余月份增加；30～50 cm土層中變化趨勢為先增后減，其中9月含量最高；同一深度不同月份土壤TC相比較，7和8月土壤TC含量較高且變化較為平緩，6和9月波動較大。河源濕地土壤TC含量(圖2b)在0～15 cm土層中7月明顯低于6、8、9月；15～50 cm土層總體為遞減趨勢，其中8月TC含量在30 cm土層下減小幅度較大。兩種高寒濕地土壤TN含量變化趨勢隨土層深度遞減，但湖濱濕地在月上的變化特征比河源濕地明顯，且波動較大。

綜上，湖濱濕地與河源濕地在0～50 cm土層中TN、TC含量垂直變化特征一致，即隨著土層深度的增加呈遞減趨勢變化。0～10 cm土層中TN、TC含量最大，比較2種高寒濕地同一深度不同月份土壤TN、TC含量可知，湖濱濕地變化比河源濕地明顯，7和8月變化幅度較大。

圖1 2種高寒濕地土壤TN含量隨深度的變化Fig.1 Variation of TN content with depth in two alpine wetland soils

圖2 2種高寒濕地土壤TC含量隨深度的變化Fig.2 Variation of TC content with depth in two alpine wetland soils

表1 2種高寒濕地6-9月不同深度土壤全氮和全碳含量

注：土壤全氮(TN)，土壤全碳(TC)。

Note： Soil total nitrogen (TN), Soil total carbon (TC).

由表1可知，在0～50 cm土層中湖濱濕地與河源濕地土壤TN、TC平均含量分別為7.07、10.48和115.08、137.47 g·kg-1。6-9月湖濱濕地土壤TN、TC含量在月份上的變化特征為6月>9月>7月>8月，河源濕地為9月>6月>7月>8月。0～10、10～20 cm土層中湖濱濕地土壤TN含量最大值、最小值均在6和8月，最大值分別為9.74、8.79 g·kg-1，最小值為7.20、6.39 g·kg-1；河源濕地0～10 cm土層中TN含量最大值、最小值在9、7月，分別為16.76、7.00 g·kg-1，10～20 cm土層中最大值、最小值在8與6月；2種高寒濕地0～10 cm土層中TC、TN含量最高。

3.2 2種高寒濕地土壤C/N垂直分布特征

2種高寒濕地土壤C/N為遞增變化趨勢，在20 cm土層增幅加快，達到一定深度后趨于穩定。湖濱濕地(圖3a)7-9月0～20、40～50 cm土層土壤C/N穩定遞增且沒有明顯差異；20～40 cm土層土壤C/N 7、8月明顯增大，至40 cm后趨于穩定；7月土壤C/N變化較大，最大值和最小值均出現在7月。河源濕地土壤C/N(圖3b)變化趨勢為遞增；20～40 cm增幅加快，6月土壤C/N在20 cm后明顯增大并高于7、8、9月；6-9月土壤C/N在40 cm處達到最大值，其中6月土壤C/N最大。下文對影響土壤C/N的主要因子進行了相關性分析，并解釋了土壤C/N垂直方向的變化規律。

對2種高寒濕地在垂直方向土壤C/N變化特征和顯著性分析(表2)中可知：0～50 cm土層土壤C/N的差異性不顯著；以30 cm為界，上下土層之間差異性顯著，相鄰深度之間土壤C/N湖濱濕地差異性不顯著，河源濕地相對顯著；0～10 cm土層兩種濕地差異性對比顯著。隨深度增加土壤C/N含量遞增，湖濱濕地明顯高于河源濕地，其中湖濱濕地土壤C/N均值為17.82±1.19，河源濕地土壤C/N均值為13.42±0.62。

3.3 2種高寒濕地碳氮計量特征與土壤環境屬性的相關性

3.3.1 湖濱濕地土壤理化性質與土壤環境屬性的相關性分析 由表3可知，湖濱濕地土壤碳氮化學計量特征之間，土壤TC、TN、SOC與C/N之間皆為極顯著的負相關性(P<0.01)，其中土壤TN與土壤C/N之間的負相關性最高，為-0.9。TC、TN與SOC、TN之間具有極顯著正相關性(P<0.01)，與土壤C/N之間具有極顯著負相關性(P<0.01)；SOC與TC、TN之間具有極顯著正相關性(P<0.01)，與土壤C/N之間具有極顯著負相關性(P<0.01)。

圖3 2種高寒濕地土壤C/N垂直變化Fig.3 Vertical change of carbon to nitrogen ratio in two alpine wetland soils

表2 研究區2種高寒濕地土壤C/N值分析

注：表中數據為均值±標準差，同行不同字母表示差異顯著。

Note： The data in the table is the mean ± standard deviation, and the different letters in the peer indicate significant difference.

碳氮化學計量特征與實驗樣地環境屬性間也具有一定的相關性。土壤TC、TN、SOC與土層深度、土壤容重之間相關性為極顯著負相關性(P<0.01)，而土壤C/N與土層深度、土壤容重呈極顯著正相關性(P<0.01)；土壤TC、TN與SWC之間為極顯著正相關性(P<0.01)，土壤C/N與SWC之間為極顯著負相關性(P<0.01)；土壤TC、TN、C/N與土壤pH之間無相關性(P>0.05)，土壤TC、C/N與EC之間為負相關性(P<0.05)，而土壤TN與EC之間為正相關性(P<0.05)。

3.3.2 河源濕地土壤C/N與土壤環境屬性的相關性分析 由表4可知，河源濕地土壤化學計量特征之間的相關性分析中知，土壤TC、TN與C/N之間皆為極顯著的負相關(P<0.01)，與土壤SOC之間為極顯著的正相關(P<0.01)，土壤TN與土壤C/N之間的負相關性最高，為-0.64；土壤SOC與TN、TC之間具有極顯著正相關性(P<0.01)，而與土壤C/N之間無相關性(P>0.05)。

表3 湖濱濕地土壤碳氮化學計量特征與土壤環境屬性相關性分析

注：*表示2種因子的相關性達到顯著水平(P<0.05)；**表示2種因子的相關性達到極顯著水平(P<0.01)。

Note：*indicates significant correlation (P<0.05); ** indicates very significant correlation (P<0.01).

表4 河源濕地土壤碳氮化學計量特征與土壤環境屬性相關性分析

注：*表示2種因子的相關性達到顯著水平(P<0.05)；**表示2種因子的相關性達到極顯著水平(P<0.01)。

Note：*indicate significant correlation (P<0.05);** indicate very significant correlation (P<0.01).

碳氮化學計量特征與土壤環境之間也具有一定相關性，土壤TC、TN與SWC之間為極顯著正相關性(P<0.01)，與EC之間無相關性(P>0.05)，土層深度、土壤pH值、土壤容重之間的相關性皆為極顯著負相關性(P<0.01)；土壤C/N與土層深度之間相關性為極顯著正相關性(P<0.01)，與SWC、pH值之間為顯著正相關性(P<0.05)，而與EC、土壤容重之間無相關性(P>0.05)。即土壤C/N與土層深度、土壤含水量、土壤pH值有關，碳氮化學計量特征與EC之間均無相關性。

4 討 論

根據土壤化學計量特征與土壤環境屬性(深度、容重、SWC、EC與pH值)之間相關性分析，土層深度、容重、SWC是影響土壤碳氮含量垂直變化的因子，這與王建林、陳格君、王維奇等人研究結果一致[30-32]。土壤含水量會影響植被的生長狀況，從而直接或間接地影響微生物分解碳的速率，最終會影響土壤碳含量。土壤含水量高，土壤中的動植物殘體分解速度慢，碳含量較高[33]。水分含量的多少是土壤碳氮獲取的一個主要途徑，土壤中有部分碳是水溶性碳，氮也可以通過水分來輸入，所以SWC是影響土壤碳氮含量的主要因素。湖濱濕地土壤為堿性土；河源濕地土壤為中性土，土壤pH值通過影響土壤微生物的活性而顯著影響著土壤對碳氮的固定和累積能力，其中中性范圍內最適合微生物活動[34-36]，本研究pH值與河源濕地土壤碳氮有極顯著負相關性，這一結果與白軍紅等在研究霍林河流域濕地時得到的結果一致[34]。

湖濱濕地土壤平均C/N為17.82±1.19，河源濕地土壤平均C/N為13.42±0.62，均高于我國土壤平均C/N(11.9±0.1)，低于我國濕地土壤平均C/N(18.22±7.51)[37-39]，表明青海湖兩種高寒濕地微生物分解速率和土壤礦化速率均小于我國濕地，其中湖濱濕地微生物分解速率與土壤礦化速率小于河源濕地。一般來說，土壤中C/N的高低與土壤礦化速率的快慢、微生物分解速度成反比關系[40]。比較兩種高寒濕地，河源濕地土壤的C/N更接近于青藏高原典型高寒草甸區土壤C/N(14.3±0.5)和草地生態系統土壤C/N(13.8±0.4)[41]。

土壤碳氮化學計量特征既受氣候、海拔、植被等結構性因素的影響，也受人類活動等隨機性因素的影響，由于采樣區已禁牧故本研究未考慮人類活動的影響。本研究對青海湖兩種高寒濕地土壤碳氮化學計量特征影響因子的研究更多是從土壤屬性方面進行分析，而氣候、海拔、植被等因素對其的影響有待進一步探討、研究。

5 結 論

本文對青海湖2種高寒濕地土壤碳氮化學計量特征性進行了研究，主要結論如下。

(1)湖濱濕地與河源濕地土壤TC含量、TN含量隨土層深度增加土壤TC、TN遞減，土壤TC、TN最大值均出現表層土壤中。C/N變化趨勢與之相反，土壤C/N上層與下層之間差異性顯著。兩種高寒濕地土壤有碳多氮少的特征。

(2)湖濱濕地與河源濕地土壤TC平均含量分別為115.08和137.47 g·kg-1，土壤TN平均含量分別為7.07和10.48 g·kg-1，土壤C/N分別為16.95和13.42，湖濱濕地C、N略高于河源濕地。

(3)土層深度、土壤含水量、容重顯著影響著青海湖兩種高寒濕地土壤TC、TN、C/N，pH值對河源濕地碳氮含量有顯著影響，但對湖濱濕地影響較弱。