基于穩定碳同位素分析寧夏典型林分土壤有機碳分布格局及影響因素

劉麗貞，陳 林，龐丹波，吳夢瑤，劉 波，祝忠有，李學斌*

(1 寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021; 2 寧夏大學 西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021)

土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)是土壤碳庫的重要組成部分，在全球碳循環和氣候變化中發揮著重要作用。在100 cm深度的土壤中有機碳儲量約為1 500～1 600 Pg[1]，而土壤有機碳是大氣二氧化碳的潛在來源，了解有機碳分布格局是預測未來土壤碳動態的關鍵。穩定碳同位素技術是了解陸地生態系統碳循環的主要工具之一，其中土壤穩定碳同位素豐度特征可用于描述有機碳分布[2-6]。因此，可利用穩定同位素技術研究土壤有機碳δ13C豐度的變化規律，分析有機碳動態，闡釋有機碳的循環與周轉特征。在穩定碳同位素研究中，將SOC含量的對數和δ13C之間的線性回歸斜率定義為β，該值可作為有機碳分解速率的代表，且β值越小，有機碳分解速率越快[4, 7]。氣候條件、土壤特征和植被類型的異質性會導致土壤有機碳分解速率變化，進而影響SOC分布規律。因此，研究土壤有機碳對氣候條件、土壤特征和植被類型的響應規律，對于了解有機碳分布的控制因素具有重要意義，并能更準確地量化土壤有機碳的動態變化。

寧夏回族自治區是中國典型的少林省區，其森林資源多分布在賀蘭山、羅山和六盤山等林區[8]。賀蘭山林區位于寧夏西北部，是中國西北干旱風沙區典型的森林生態系統，可阻擋沙漠入侵、涵養水源，被稱為銀川平原的天然屏障[9]。羅山林區位于寧夏中部干旱帶，是中國西北部溫帶草原和荒漠地區的交界線[10]。六盤山林區位于寧夏南部，是重要的水源涵養林地，對寧南山區的氣候調節意義重大[11]。因此，研究寧夏山地森林土壤有機碳分布情況與分解速率對于了解氣候變化下西北寧夏山地生態系統碳循環具有重要意義。

北半球中高緯度干旱和半干旱地區的亞高山山地生態系統通常被認為是對氣候變化最敏感和脆弱的生態系統，是研究氣候變化下有機碳循環的理想地區[12]。降水量變化可改變土壤有機碳分布格局、土壤肥力和植被組成。在黃土丘陵區，土壤有機碳含量隨降水量的增加(368～591 mm)而顯著增加[13]。降水量與β值的關系則較為復雜，有研究表明在降水量3 000 mm處發現了β值的拐點；降水量大于3 000 mm的地區，降水量與β值呈負相關；而降水量小于3 000 mm的地區，降水量與β值呈正相關[14]。此外，在夏威夷森林生態系統中，葉和根的分解率隨著降水量的增加(2 020～3 000 mm)而顯著下降[15]。然而，在半干旱地區，影響山地森林生態系統土壤有機碳分布的主要化學因素還不清楚。因此，本研究以寧夏山地生態系統針葉林地土壤為對象，分析不同山地類型下土壤有機碳分布格局的變化，探討土壤化學因素對山地生態系統土壤有機碳分布的影響，對于提高干旱半干旱區域山地生態系統土壤碳匯能力及應對全球氣候變化具有重要理論意義。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區的賀蘭山、羅山和六盤山，自北向南涉及銀川市賀蘭縣、吳忠市同心縣、吳忠市紅寺堡區和固原市隆德縣。賀蘭山海拔為2 275～2 434 m，年降水量為240～350 mm；羅山海拔為2 350～2 567 m，年降水量為400～600 mm；六盤山海拔為2 209～2 805 m，年降水量為638～676 mm。三山均位于中國西北部(37.28°～38.78°N, 106.09°～106.28°E)，它們優勢種均有青海云杉(Piceacrassifolia)、油松(Pinustabuliformis)、山楊(Populusdavidiana)、杜松(Juniperusrigida)、小葉金露梅(Potentillaparvifolia)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、白樺(Betulaplatyphylla)等，土壤類型均以灰褐土為主，且土壤pH均偏堿性。

表1 采樣區基本概況

1.2 研究方法與實驗設計

2019年8月進行野外采樣，根據山地類型變化和土壤類型，選擇賀蘭山(HL)、羅山(LS)和六盤山(LP)為研究區。選擇三山共有青海云杉純林和油松純林，每個林分隨機設置3個20 m×20 m樣方(表1)，利用GPS(G307，Garmin，USA)測量各點的坐標和高程。使用直徑為3 cm的土鉆在每個樣方取3個土芯，分層(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm)采集土壤樣品，并將同一土層的3個土芯樣品混合作為一個混合樣品。將樣品帶回實驗室預處理，每個土壤樣品均過2 mm篩，去除根和凋落物等雜質。部分篩分土樣用于測定土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全鹽(S)、速效磷(AP)、堿解氮(AN)和速效鉀(AK)。用球磨機將土壤樣品研磨至均勻，以進行SOC和δ13C的測定。

土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鹽(S)、速效磷(AP)、堿解氮(AN)和速效鉀(AK)的測定參考張義凡[15]和Gao等[16]的方法。在進行穩定碳同位素分析之前，選取2 g土壤樣品，用1 mol·L-1HCl溶液預處理24 h，以除去碳酸鹽。再使用同位素質譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，Inc.，USA)測定穩定碳同位素(δ13C)，該儀器的測量精度為0.1‰。碳穩定同位素值(δ13C)和PDB(Pee-Dee-Belennite)進行對比，用標準δ(δ)表示。

1.3 計算和統計分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)，分別比較賀蘭山、羅山和六盤山相同植被類型不同土層和相同土層不同植被類型有機碳含量、有機碳δ13C的差異顯著性，相同林分不同山地類型中β的差異顯著性，以及相同林分不同山地類型間和相同山地類型不同林分間的土壤C/N、全氮(TN)、全磷(TP)、全鹽(S)速效磷(AP)、堿解氮(AN)和速效鉀(AK)的差異顯著性。采用Canoco 5.0軟件進行蒙特卡洛分析并繪制冗余分析圖，分析三山青海云杉與油松土壤有機碳特征與土壤化學性質之間的關系。采用SPSS 22.0和Origin 2019進行統計分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同山地類型下青海云杉和油松立地土壤化學特征

土壤化學特征測定結果(表2)顯示，青海云杉立地土壤C/N、全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、堿解氮(AN)和速效鉀(AK)含量在山地類型間存在顯著差異(P< 0.05)，油松土壤C/N、TN、TP、全鹽(S)和AP含量在不同山地類型間也存在顯著差異。同時，賀蘭山土壤C/N、S和AP含量，羅山土壤TN和S含量，以及六盤山土壤TN、TP、S、AP和AN含量在兩種典型林分間均存在顯著差異。總的來說，青海云杉立地土壤C/N，以及青海云杉和油松立地土壤全鹽含量均表現為賀蘭山>羅山>六盤山，呈現隨降水量增多逐漸減小趨勢；青海云杉土壤全氮含量、青海云杉土壤堿解氮含量均表現為六盤山>羅山>賀蘭山，即呈現隨降水量增多逐漸增加趨勢；土壤全磷、堿解氮含量均表現為青海云杉大于油松，土壤速效鉀含量均表現為油松大于青海云杉。

2.2 不同山地類型下青海云杉和油松立地土壤有機碳特征

圖1顯示，青海云杉和油松立地0～100 cm土壤剖面有機碳含量和δ13C在不同山地類型間均存在顯著性差異(P< 0.05)。其中，有機碳含量在3個山地中均隨土層的加深而降低，且3個山地中均表現為青海云杉林土壤有機碳含量高于油松林；青海云杉林地有機碳含量在 0～10 cm土層表現為羅山>賀蘭山>六盤山，在其余土層大多表現為賀蘭山>六盤山>羅山；油松林地有機碳含量在 0～10 cm土層表現為賀蘭山<六盤山<羅山，在其他層均表現為賀蘭山<羅山<六盤山(圖1，Ⅰ)。土壤δ13C在3個山地中均呈現隨土層加深而增加的趨勢，且在3個山地中均為青海云杉林低于油松林；土壤δ13C僅在油松林地0～10 cm土層表現為六盤山顯著高于賀蘭山、羅山，在其余林分土層山地類型間均差異不顯著(圖1，Ⅱ)。另外，在不同山地類型下，青海云杉土壤β值表現為羅山>六盤山>賀蘭山，且其間差異不顯著；油松土壤β值在表現為賀蘭山>羅山>六盤山，且其間差異顯著(圖2)。在三山0～100 cm剖面內每層土壤有機碳含量均表現為青海云杉高于油松，而土壤δ13C均表現為青海云杉低于油松。

表2 不同山地類型典型林分土壤化學指標(平均值±標準差)

不同大寫字母表示相同林分內不同土層的顯著差異(P<0.05)圖1 不同山地類型青海云杉(Pc)和油松(Pt)林地土壤SOC和δ13C值變化特征Different capital letters indicate the significant differences among different soil layers in the same stand (P < 0.05)Fig.1 Changes of SOC and δ13C value in forest land of Picea crassifolia(Pc) and Pinus tabuliformis(Pt) from different mountains

2.3 林地土壤化學特征與其有機碳含量的關系

寧夏賀蘭山、羅山和六盤山青海云杉、油松土壤有機碳特征(土壤有機碳含量、δ13C和β值)與土壤化學指標之間的冗余分析結果如圖3所示。在青海云杉林地中，7個土壤化學指標在第一、二軸的解釋量分別為42.03%、4.75%，由此表明前兩軸能夠反映土壤有機碳特征與土壤化學指標關系的大部分信息，且主要由第一軸決定。其中，S、AN和AP的箭頭連線最長，表明這三者能夠較好地解釋土壤有機碳特征的差異；AK、AN、AP、TN和TP含量與有機碳含量的夾角小且方向一致，呈顯著正相關關系，而S含量與有機碳含量呈顯著負相關關系。同時，S含量與δ13C夾角小且方向一致，呈顯著正相關關系；C/N與β夾角小且方向一致，呈顯著正相關關系，AK、AN、AP、TN和TP含量與δ13C和β呈負相關關系。

方框顯示數據的上下四分位數圖2 不同山地類型青海云杉(Pc)與油松(Pt) 土壤β值變化特征The boxes show the upper and lower quartiles of the dataFig.2 Changes of β value of Picea crassifolia (Pc) and Pinus tabuliformis(Pt) from different mountains

在油松林地中，7個土壤化學指標在第一、二軸的解釋量分別為49.12%、4.41%，由此表明前兩軸能夠反映土壤有機碳特征與土壤化學指標關系的大部分信息，且主要由第一軸決定。其中，AN、AP和TP含量與有機碳含量的夾角小且方向一致，呈顯著正相關關系，S含量和有機碳含量呈顯著負相關關系；S含量與δ13C夾角小且方向一致，呈顯著正相關關系；S含量和C/N與β夾角小且方向一致，呈顯著正相關關系，而AN、AP、TN和TP含量與δ13C和β呈負相關關系。

通過對土壤化學指標進行蒙特卡洛檢驗排序，研究土壤化學指標對土壤有機碳特征影響的重要程度。表3顯示，青海云杉林各土壤指標對其土壤有機碳特征影響重要性由大到小為AN>S>C/N>AP>>TNAK>TP，其中AN對土壤有機碳特征的影響達到極顯著水平(P< 0.01)，S對土壤有機碳特征的影響達到顯著水平(P< 0.05)，兩者對土壤有機碳特征差異性大小的解釋量分別達到35.1%和5.2%。油松林各土壤指標對土壤有機碳特征影響重要性由大到小為AN>TN>C/N>AK>AP>TP>S，其中AN對土壤有機碳特征的影響也達到極顯著水平(P< 0.01)，TN對土壤有機碳特征的影響達到顯著水平(P< 0.05)，兩者對土壤有機碳特征差異性大小的解釋量分別達到36.6%和5.0%。

SOC.有機碳含量；δ. 穩定碳同位素組成(δ13C)圖3 青海云杉(Pc)與油松(Pt)土壤有機碳特征與土壤化學性質的冗余分析圖SOC. Soil organic carbon content；δ. Stable carbon isotope composition(δ13C)Fig.3 Redundancy analysis of soil carbon and soil properties of Picea crassifolia (Pc)and Pinus tabuliformis(Pt)

表3 土壤特征解釋的重要性排序和顯著性檢驗

3 討 論

本研究中寧夏賀蘭山、羅山和六盤山青海云杉、油松土壤有機碳含量均隨土層的加深顯著減小，分析其原因可能是因為：一方面大多數SOC輸入發生在土壤表層[2]，同時集中在土壤0～20 cm的細根可儲存大量有機碳[17-18];另一方面隨土層加深微生物的數量和活動減少，有機質分解作用減少導致產生的有機碳減少，從而使得表層土壤有機碳含量高于深層土壤[19]。本研究區土壤δ13C隨土層加深逐漸偏正，與前人對土壤δ13C垂直變化研究結果相似[2, 4, 17]。δ13C隨土壤深度變化可能與Suess效應有關[4]，還可能與C的化學鍵有關，在酶催化反應中12C的化學鍵較13C化學鍵更易斷裂分解，難分解的13C隨土壤深度逐漸累積導致δ13C值在深層土壤中升高[20]。

降水可能通過多種機制影響土壤有機碳的分解作用，例如，通過影響微生物活動、養分的可用性、細根和凋落物的C輸入等[4, 14]。有研究發現，隨降水量的增加，植被凋落物和根系的分解率顯著下降[14]，而植被凋落物和根系是土壤碳的主要來源，土壤碳輸入減少，δ13C值較小。本研究中賀蘭山、羅山和六盤山年均降水量呈現逐漸增大的趨勢，結果表明隨著降水量的增加，0～100 cm深度土壤13C含量顯著減小，這與Amundson等[21]在墨西哥加利福尼亞的研究結果一致。本研究區土壤 δ13C平均值是-24.91‰，相比年均降水量1 050 mm的美國肯塔基州(-25.88‰)和年均降水量為1 220 mm的阿巴拉契亞山脈(-27.08‰)溫帶森林的結果偏正[7, 22]。較高降水量導致酶活性減弱，土壤有機碳分解速率緩慢，而SOC含量較高[17, 23]。相關研究表明，β值越小表示土壤有機碳的分解速率越快[7]。本研究中，隨著賀蘭山、羅山和六盤山年均降水量的增加，SOC含量顯著增加而β顯著減小，該結果與成熟山毛櫸林土壤有機碳的變化規律一致[24]。本研究中青海云杉林地的年均降水量和海拔均高于油松林，青海云杉林土壤有機碳分解速率受高濕、低溫的影響，微生物活力減弱，有機質的消耗減少，分解速率較油松林土壤慢。本研究發現青海云杉林土壤有機碳含量較油松林高，土壤δ13C低于油松林。因此，我們認為青海云杉的固碳潛力優于油松林。

降水和植被類型對土壤有機碳特征的影響普遍存在[23]，而土壤化學特征決定土壤有機碳分布的空間差異[4]。有研究發現有機碳含量與全鹽含量負相關[17]，是因為較高的鹽分可以在一定程度上增加微生物的分解并降低SOC含量[17, 25]。本研究中，土壤鹽分含量與土壤有機碳含量呈負相關關系，與δ13C呈正相關關系，這可能歸因于高鹽分增加微生物分解速率造成土壤有機碳消耗，而微生物會優先利用12C[20]，導致土壤13C比例增加。相反，土壤鹽分含量與β呈正相關關系，分析其原因可能是受土壤性質綜合影響[25]。研究表明氮磷元素加劇微生物分解，加速對有機碳的利用，這可能是由于微生物分解受到底物質量的限制[26]，土壤養分高，微生物的分解速度較快[16]。本研究中土壤全氮和全磷與δ13C、β均呈負相關關系，與前人研究結果相似[14]。本研究結果表明速效磷和速效鉀與有機碳含量呈正相關關系，與δ13C、β呈負相關關系。其原因可能是土壤速效養分含量高，土壤肥力高，導致基質質量增加，微生物分解速率加快。堿解氮來源于土壤有機質中易堿解的氮素，通過微生物分解作用影響有機碳的累積與消耗[27]。本研究中，堿解氮對土壤有機碳特征的影響達到極顯著水平(P< 0.01)，對土壤有機碳特征差異性大小的解釋量達到34.7%。堿解氮與有機碳含量呈顯著正相關關系，與之前研究結果相似[28-29]。土壤C/N是土壤基質質量的一個指標，可通過影響土壤微生物分解活動，進而影響土壤有機碳分布情況[30]。Zhao等[4]與Acton等[20]的研究均發現高C/N土壤的碳分解速率較低，土壤有機碳δ13C值較小。本研究中C/N與有機碳含量和δ13C相關性均不顯著，而全氮與表征土壤氮素供應情況的堿解氮均與有機碳含量呈正相關關系，可能由于干旱半干旱區土壤貧瘠且受較大的水分限制，養分元素如氮素的固持能力受到干擾，最終導致元素之間的耦合失衡。

4 結 論

寧夏賀蘭山、羅山和六盤山森林土壤有機碳含量和δ13C隨土層深度均發生了顯著變化，SOC含量隨土層深度的增加而下降，而δ13C隨土層深度的增加而增加。三山中兩種針葉林SOC含量和β值均表現為青海云杉高于油松，δ13C表現青海云杉低于油松。隨降水量增加，青海云杉和油松林地SOC含量均逐漸增加，而其δ13C逐漸減少。總體而言，青海云杉比油松更有利于土壤有機碳的累積；不同山地類型下青海云杉與油松土壤有機碳含量變化均主要受堿解氮的影響。β值可指征有機碳分解速率，但β值僅能定性地說明生態系統土壤有機碳分解動態快慢，并不能量化有機碳分解速率大小。因此，應謹慎使用β值作為土壤有機碳分解指標，未來應結合13C示蹤技術來深入理解土壤有機碳的分解轉化機制。