海拔梯度上川西高山土壤有機碳穩定性研究

劉 楊, 李 菊, 孫 輝, 陳玉雯, 李 鑫

(1.四川大學 環境科學與工程系, 成都 610065; 2.四川省土壤環境保護工程技術中心, 成都 610065)

土壤是全球陸地生態系統中最大碳庫，全球約1 400～1 500 Gt的C以有機質形式儲存于土壤中[1],土壤碳儲量相當于大氣碳庫2倍、植被碳庫3倍[2]，對大氣CO2濃度和全球碳循環有巨大影響。土壤有機碳(SOC)是地球表層系統中最大且最具有活性的碳庫之一，由于氣候變暖及土地利用變化等影響，全球土壤有機碳庫在不斷地減小[3]，因此，土壤有機碳已經成為全球碳循環領域研究熱點。Melillo等[4]持續26 a的土壤增溫試驗表明，增溫可致土壤有機碳減少和向大氣中排放CO2增加。在全球尺度上，升溫通過改變植被及微生物過程，改變土壤中有機物分解轉化，進而影響土壤有機質中活性與組分，改變土壤碳庫穩定性[5]。土壤有機碳庫匯/源功能轉換對維持全球碳循環平衡，減緩溫室效應意義重大[6]。高寒土壤因其具有較高碳密度而在全球碳估算中不容忽視，在全球土壤有機碳庫中占有重要地位，如青藏高原高寒草地有機碳密度為26.86萬kg/hm2，土壤有機碳儲量達21.52 Gt[7]。

由于土壤有機質組成、結構及賦存形式復雜，關于土壤有機碳穩定性的研究一般從土壤有機碳不同活性的組分分級入手，有機質中不同活性組分的構成不一樣，活性則不一樣。從已有研究來看，土壤有機碳組分分級方法主要包括物理分級、化學分級和物理—化學聯合分級方法。物理—化學聯合分級方法因其綜合考慮土壤有機碳不同穩定機制，因而可盡量體現對總有機碳中不同活性組分的響應特征，近年來受到越來越多的應用。國內對高寒土壤碳研究，主要集中于青藏高原及周邊區域、天山、祁連山等高海拔土壤及東北等高緯度土壤有機碳變化及特征，包括土壤中有機碳密度與儲量[7]、有機碳轉化礦化與排放[8]、有機碳動態[9]、有機碳剖面分布與空間特征[10-11]、全球變化背景下的有機碳效應[12]等方面。土壤有機碳(SOC)的穩定性特征研究，是認識土壤碳庫對全球變化響應的基本問題，而有機碳不同活性組分研究是認識有機碳穩定性特征的基礎。高寒土壤有機碳積累和動態因海拔導致環境因子變化的影響而分異，對海拔梯度上土壤有機碳組分特征及分布格局進行定量分析研究，有助于增進對高寒土壤碳庫特征及賦存形式的了解。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品制備

采樣點地處夢筆山，土壤為山地棕色針葉林土至高寒草甸土高寒土壤海拔梯度系列(4 100，3 800，3 600，3 400 m)，地理位置為102.313°—102.377°E，31.707°—31.597°N。未分解生物質主要為石粒及枯枝落葉等，高山土壤經反復凍融后團聚體結構差，>2 mm的土粒并不多見，因此對分析結果無顯著性影響。每個海拔高度選擇3個相鄰相似樣帶作為重復，每個樣帶帶長約20 m，在每個樣帶隨機采取15個樣點凋落物腐殖層(或草黏層)之下0—20 cm的土壤，混勻成一個土樣。土樣冷藏帶回實驗室，快速風干，剔除礫石、樹根草根和凋落物，過2 mm篩后密閉保存以待測定。

1.2 研究方法

采用連續提取方法對川西高寒土壤有機碳分級，進行有機碳組分分離和測定，從而確定海拔梯度上高寒土壤有機碳穩定性的特征。連續提取是根據有機碳活性強度或與礦質結合強度不同，通過利用不同化學試劑(特定化學試劑對應土壤有機碳特定組分和強度)按照有機碳活性由強到弱的順序，對土壤中有機碳組分進行分步順序提取[13]，并根據實際情況進行改進。樣品中固體碳含量采用元素分析儀(型號Vario EL/micro cube，德國elementar)測定，提取液樣品中碳含量用TOC/TN分析儀(型號Milti N/C 2100S，德國Jena)分析。

1.2.1 有機碳的物理分級 采回的土壤風干混勻并過2 mm篩，分為有機物碎片(0.25～2 mm，0.05～0.25 mm，0.02～0.05 mm)及有機礦質復合體(<0.02 mm)，將分級土壤稱重并記錄。

1.2.2 有機碳的化學分級

(1) 稱取2 g<0.02 mm土樣放入高型燒杯，加入去離子水定容至1 L，再加入3 ml飽和硫酸鋁鉀(AlKSO4)作為絮凝劑，混合均勻，置于4℃低溫培養箱冷藏靜置。2天后取出燒杯，利用虹吸法收集上清液，余下部分轉入離心管離心15 min，取出上清液，將上述上清液混勻得CF1，余下沉淀為有機-無機復合體。

(2) 向上一步裝有沉淀的離心管中加入30 ml的0.5 mol/L的硫酸鉀(K2SO4)溶液振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml的0.5 mol/L的K2SO4溶液振蕩混合1 h，離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF2。

(3) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入30 ml的pH值為9.7的0.1 mol/L的無水四硼酸鈉(Na2B4O7)緩沖液，振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml上述溶液振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF3。

(4) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入30 ml的pH值為10.2濃度為0.1 mol/L的焦磷酸鈉(Na4P2O7)緩沖液，振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml該溶液振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF4。

(5) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入30 ml濃度為0.1 mol/L的氫氧化鈉(NaOH)溶液，振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml該溶液振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF5。

(6) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入5 ml的5℃的0.33 mol/L的硫酸(H2SO4)酸化10 min至pH值為1.5后加入30 ml濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩16 h后離心15 min，取上清液；再加入30 ml濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF6。

(7) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入20 ml新配置的pH值為8，濃度為0.1 mol/L的連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)溶液處理10 min，加入15 ml濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提16 h后離心15 min，取上清液；再加入30 ml的0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF7。然后加入30 ml去離子水振蕩浸提1 h離心15 min，為洗去殘留Na2S2O4。

(8) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入20 ml的8 mol/L的氫氟酸(HF)溶液處理10 min后，加入15 ml的0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提16 h后離心15 min，取上清液；再加入30 ml的0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提1 h后離心15 min，取上清液；將兩次上清液混合滴加0.1 mol/L的NaOH溶液至中和得CF8。沉淀用40 ml去離子水振蕩浸提1 h后離心15 min去除上清液，為洗出殘留氫氟酸。

(9) 將上一步離心管中的沉淀用玻璃濾紙進行抽濾，得到的固體為胡敏素碳，烘干稱重得CF9。

1.3 數據統計分析

數據統計與分析采用Microsoft Office Excel 2010和IBM SPSS Statistics 19.0完成。

2 結果與分析

2.1 高山土壤不同粒級重量百分比分布特征

f1表示0.25～2 mm粒級，f2表示0.05～0.25 mm粒級，f3表示0.02～0.05 mm粒級，f4表示<0.02 mm粒級。由圖1可以看出，川西高山土壤組成以粗顆粒為主，比例隨著粒級減小而顯著降低。不同粒級土壤重量百分比都表現為f1>f2>f3>f4，且隨粒級的減小占比顯著降低，f1，f2粒級含量遠高于f3，f4粒級。對比同一粒級不同海拔土壤重量百分比發現，隨著海拔升高，f1，f3粒級土壤重量百分比呈現降低趨勢，f2，f4粒級土壤重量百分比卻呈升高趨勢。其中f2粒級相比f1粒級占比大幅降低，f3粒級與f2粒級相比降低明顯，f3粒級與f4粒級相比降低相對不明顯。f1，f2和f4粒級的土壤重量百分比差異均達到顯著性水平。

2.2 高山土壤有機碳物理分級特征

高山土壤不同粒級有機碳含量見圖2。該區域有機碳含量較高，不同粒級土壤有機碳含量都呈顯著性差異，可能土壤有機質分解相對較活躍。f2粒級在3 800 m處的有機碳含量最高達151.76 g/kg，f4粒級在3 400 m處有機碳含量最低也有43.82 g/kg。對比不同一海拔上同一粒級土壤，土壤有機碳含量都是f2粒級最高，f4粒級最低。海拔梯度上各粒級有機碳含量分布相對均勻，不同海拔土壤粒級變化都表現為隨著粒級的減小，有機碳含量先升高后降低?？赡苁且蚝０紊?，溫度降低，微生物的活動減弱，對土壤碳庫中碳的釋放能力并不高，這并不違背秦紀洪等[9]得出的高海拔有利于碳的固存的結論。在4 100 m處各粒級土壤有機碳含量變化明顯，可能是由于該處土壤植被類型、生物積累量、碳的釋放能力等因素的變化導致土壤有機碳含量隨海拔升高而降低。

注：條形圖上標注的字母為Duncan法進行多重比較的結果。小寫字母不同者表示海拔梯度上不同生態系統類型土壤在同一粒級上的重量百分比差異達到顯著性水平(p<0.05)，ns表示該海拔梯度上不同生態系統類型土壤在同一粒級上的重量百分比差異不顯著(p>0.05)，下圖同。

圖1 川西高山海拔梯度上土壤不同粒級重量百分比

圖2 川西高山海拔梯度上不同粒級土壤有機碳的含量

2.3 高山土壤有機碳化學分級特征

粒徑<0.02 mm高山海拔梯度上化學分級土壤有機碳含量見圖3(CF1為水溶性有機碳，CF2為可溶性有機碳，CF3為土壤礦物弱固持有機碳，CF4為陽離子固持有機碳，CF5為大量有機碳，CF6為碳酸鹽閉蓄有機碳，CF7為土壤礦物強固持有機碳，CF8為土壤礦物強固持有機碳，CF9為胡敏素碳)?；瘜W分離可提取小于0.02 mm粒級總有機碳含量的60%～70%，余下的則以胡敏素碳的形態存在。

圖3 川西高山海拔梯度上土壤有機碳化學分級各組分含量

土壤有機碳含量CF9組分最高，CF2組分最低。CF1，CF2，CF8組分有機碳含量變化范圍相同，不同組分間相同位置有機碳含量于4 100，3 800，3 600，3 400 m都呈現出先降低后升高的變化趨勢，但具體海拔變化又有所差別。CF3，CF5，CF9組分有機碳含量在相同變化范圍內，不同組分間相同位置有機碳含量于4 100，3 800，3 400 m呈現出逐漸升高的變化趨勢，3 600 m呈現出先降低后升高的變化趨勢，不同組分間不同位置有機碳含量變化趨勢CF3，CF5，CF9組分表現為3 800 m>3 600 m>4 100 m>3 400 m。CF4，CF6，CF7組分有機碳含量在相同變化范圍內，不同組分間相同位置有機碳含量4 100，3 800，3 600，3 400 m都呈現逐漸升高的變化趨勢，只是CF4組分和CF6，CF7組分內不同位置有機碳含量變化趨勢有所差別。

2.4 高山土壤海拔梯度上有機碳的穩定性分析

從表1可以看出，大多數土壤有機碳存在于粗顆粒之中，粒徑>0.02 mm的顆粒態有機碳(POC)占總有機碳比例最大，均達98%左右，其中粒徑0.25～2 mm的有機碳基本占到了50%以上。粗有機碳是土壤有機碳中的不穩定組分，其大部分是新近加入土壤的植物生物量[14]。活性最高的水溶性有機碳(CF1)和可溶性有機碳(CF2)有機碳含量極低，最多不超過1%，在此進行合并分析。有機礦質復合體有機碳含量極低，粒徑<0.02 mm的化學分級有機碳含量不足2%，化學分級有機碳占比最大的為組分CF9，占比達到了1.03%。

表1 各組分有機碳占總有機碳百分比 %

在含量為2%左右的有機—無機復合體有機碳組分(化學分級組分)構成中(表2)，活性最高的可溶性有機碳組分(CF1，CF2)占比很低?；钚宰畹偷慕M分CF9(胡敏素碳)占比最高，達26%～49%，盡管如此，也只占總有機碳的0.3%～1.0%，有機碳主要以活性高的顆粒態有機碳形式存在，說明川西高山土壤碳庫活性很高，較不穩定。

表2 化學分級中各組分有機碳占比 %

3 討 論

土壤有機碳動態過程主要包括兩方面，一方面土壤有機碳通過礦化變成CO2，另一方面是通過腐殖化過程變成更加穩定的部分。高海拔地區的土壤有機碳儲量顯著高于低海拔地區[16-17]，因此揭示高海拔土壤有機碳在海拔梯度上的分布格局及其影響機理，在全球氣候變化研究中具有重要意義。本文研究結果顯示，在海拔梯度上土壤有機碳隨著海拔增加呈現先升高再降低，這與當地較低海拔(3 400 m以下)土壤有機碳受人類活動頻度影響較高，植被為高寒次生林，有機碳儲量較低；在一定海拔高度區間，高寒針葉林為主，土壤有機碳儲量最高；到樹線交錯帶以上(3 800～4 000 m)，隨著溫度降低，植被類型逐漸轉為高山灌叢和灌叢草地，生物量和凋落物積累隨之降低有關。這與李丹維等[18]對太白山土壤有機碳研究發現其在海拔梯度上的分布規律具有相似性。

大于20 μm有機碳被稱為顆粒態有機碳(POC，particulate organic carbon)，被認為是土壤中未受到土壤結構性保護的有機碳，活性比有機—無機復合體中的有機碳高[19]，因此，POC占總有機碳比例可以作為衡量有機碳活性(穩定性)的一個指標[20]。本研究發現，川西高海拔地區土壤有機碳含量非常高，但是主要以POC形式儲存(98%左右)，這證實了川西高寒土壤有機碳庫不穩定性非常高，這與很多高海拔地區土壤有機碳穩定性的研究結論是一致的[9-21]。盡管胡敏素碳含量隨海拔升高逐漸增加，顯示有機碳化學保護組分的腐殖化過程隨著海拔梯度有所升高，但是這部分占總有機碳比例極低，因此腐殖化過程并不是高寒土壤有機碳的主要過程。

4 結 論

(1) 高寒土壤有機碳物理組分主要集中在不穩定粗顆粒土壤中，存在形式主要為POC，占總有機碳98%左右。其中不同海拔梯度上0.05～0.25 mm粒級土壤有機碳含量最高，<0.02 mm粒級處最低。隨著海拔升高土壤有機碳含量先增加后減少，同一粒級不同海拔梯度上土壤重量百分比和有機碳含量差異顯著，在3 800 m處土壤有機碳含量最高達151.76 g/kg，最低在3 400 m為43.82 g/kg，顯示土壤有機碳庫活性高。

(2) 海拔梯度上土壤化學分級有機碳含量占總有機碳的2%左右，腐殖化有機質比例極低，且主要集中在低活性的腐殖質(胡敏素碳)中，隨海拔升高有增加的趨勢，但在4 100 m海拔處顯著降低，顯示隨著海拔的升高土壤腐殖化程度有降低的可能，川西高寒土壤有機碳不穩定性較高。如果土壤溫度隨氣候變暖而升高，高海拔梯度土壤有機碳的礦化速率將加快。