新疆天山北麓中段不同植被類型下土壤有機碳組分特征及其影響因素

馬輝英 ，李昕竹 ，馬鑫鈺 ，貢璐 *

1.新疆大學生態與環境學院，新疆 烏魯木齊 830017；2.綠洲生態教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830017；3.新疆精河溫帶荒漠生態系統教育部野外科學觀測研究站，新疆 烏魯木齊 830017

土壤是陸地生態系統中儲量最大的有機碳庫，儲存著約1550 Pg有機碳，分別是生物碳庫的3倍和大氣碳庫的2倍，其細微的變化將會引起大氣中CO2濃度的改變，進而對全球變暖產生正、負反饋效應（Lal，2004；余健等，2014）。土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）來自地上植物殘體輸入和根系周轉，并在土壤生物作用下以CO2輸出，實現大氣-植被-土壤碳庫間的循環（Sollins et al.，1996；Hanson et al.，2000；Davidson et al.，2006）。土壤碳循環過程受植被類型、土壤理化性質和土壤微生物群落結構等多種因素影響（徐廣平等，2019）。不同植被類型下土壤有機碳在土壤中輸入、分解、轉化、輸出等過程存在差異（Lewis，2006；Wei et al.，2014）。探討不同植被類型下土壤有機碳庫特征及其影響因素對深入陸地生態系統碳循環研究及碳匯管理有重要的科學意義。

國內外學者針對土壤有機碳庫開展了廣泛的研究，學者們以熱帶雨林（張夢歌等，2020）、常綠闊葉林（黃橋明等，2020）、落葉闊葉林（Bowden et al.，2014）和針葉林（楚珺堯等，2014）等不同類型森林為研究對象，系統研究了有機碳的時空分布規律，從植被類型（Jobbagy et al.，2000）、氣候（Pisani et al.，2015）、土壤環境（Amend et al.，2015）等多角度探討了碳庫變化的驅動機制。現有研究集中于季風氣候區域的森林分布區（習丹等，2019），對地處內陸干旱區的森林生態系統涉及相對較少，且多以有機碳庫整體的質量分數（肖燁等，2015）、儲量特征（胡宗達等，2020）為主，對碳庫組分特征的研究不足。天山處于中亞腹地，其森林生態系統是中國西北干旱區重要的碳庫組成。在內陸區氣候條件下，天山森林土壤碳庫呈現出相應的分異規律（王慧杰等，2017），但其組分特征尚不明晰。本研究以天山中段森林生態系統中云杉林、灌叢地、草地3種植被類型下的土壤為研究對象，分析土壤有機碳（SOC）、可溶性有機碳（DOC）、輕組分有機碳（LFOC）和微生物生物量碳（MBC）等土壤有機碳組分質量分數特征，探討有機碳組分質量分數與其環境因子的相關關系，為評估天山森林土壤固碳效應提供科學根據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆天山北坡中段，地理位置43°26′N，87°11′E，海拔 1300—4200 m，處于溫帶大陸性氣候，年均氣溫為 2—3 ℃，歷年最高氣溫為30.5 ℃，最低氣溫為-30.2 ℃，年均降水量400—600 mm，雨季集中在6—8月，年蒸發量150—980 mm，年平均相對濕度65%，干燥度1.4，無霜期89 d，積溫1170.5 ℃，最大積雪深度為65 cm。森林土壤類型是以灰褐色森林土為主。植被垂直地帶性分布明顯，從高海拔到低海拔依次分布著亞高山草甸、森林、草原等植被類型。主要森林類型為北方溫帶針葉林，其中該地區數量最大、范圍最廣的物種是雪嶺云杉（Piceaschrenkiana），主要分布在中高海拔地區的背陰面，分布較為廣泛。天山主要灌木植物有黑果小檗（Berberisheteropoda）、紅果小檗（Berberisnummularia）、天山花楸（Sorbus tianschanica）、黑果荀子（Cotoneaster melanocarpus）、薔薇（RosamultifoloraThunb.）等，主要草本植物有繡線菊（Spiraeahypericifolia）、忍冬（LonicerajaponicaThunb.）、老鸛草（Geranium wilfordiiMaxim.）、天山羽衣草（Alchemilla tianschanica）、羊角芹（Aegopodiumpodagraria）、婆婆納（VeronicaciliataFish）、青蘭（Dracocephalum moldavica）、鹿蹄草（Pyrolacalliantha）、千葉草（Mnehlenbeclciacomplere）等。

其中，云杉林樣地以雪嶺云杉（Picea schrenkiana）為主，林下分布少量植物；灌叢樣地分布有黑果小檗（Berberisheteropoda）、紅果小檗（Berberisnummularia）、天山花楸（Sorbus tianschanica）等；草地分布有繡線菊、天山羽衣草（Alchemillatianschanica）、羊角芹（Aegopodium podagraria）等。林下土壤類型均為灰褐色森林土。

1.2 野外采樣

在天山選取植被面積較大、植物長勢較為一致的區域，依據不同植被類型云杉林、灌叢、草地設3處各土壤類型均包含的典型樣地，各樣地地理位置相近，其水平距離相距不超過1 km，海拔高度不超過20 m（表1）。每個樣地隨機選取3塊5 m×5 m樣方，且樣方間隔不小于10 m，于2017年8月開展采樣工作。每個樣方按S形采集5個樣點，利用土柱法在每個樣點采集0—10 cm和10—20 cm深度的土樣，同層土樣五點混合帶回實驗室。將一部分土樣4 ℃冷藏保存，過2 mm孔徑篩用于測定土壤DOC與MBC質量分數。另一部分風干處理，過篩裝袋保存，用于測定SOC和LFOC質量分數、pH值、電導率等。每個指標均測定3個重復。

表1 不同植被類型樣地基本情況Table 1 Basic information of sample sites of different vegetation types

1.3 實驗方法

本研究測試的指標有土壤有機碳質量分數、可溶性有機碳質量分數、輕組分有機碳質量分數、微生物生物量碳質量分數、含水量、pH值、電導率、容重、全氮和全磷。

土壤總有機碳質量分數根據國家標準GB 7857—1987（劉光崧，1996）與LY/T 1237—1999使用重鉻酸鉀氧化?外加熱法重鉻酸鉀氧化-外加熱法，測定土壤可溶性有機碳質量分數采用 Jones et al.（2006）的方法進行測定，土壤輕組分有機碳質量分數采用Janzen et al.（1992）的方法分離測定，土壤微生物量碳質量分數采用氯仿熏蒸提取法測定，其中轉化系數為0.33。土壤含水量采用烘干法測定，土壤pH值采用電位法測定，土壤電導率采用電導儀測定法測定（鮑士旦，2000）。

1.4 數據處理

數據分析及圖表制作應用Excel 2007和SPSS 17.0軟件，各土壤有機碳及其組分質量分數的結果均用算術平均值來表示。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同植被類型、和土層深度土壤有機碳及其組分質量分數特征的差異。應用Canoco 4.5進行冗余分析，對土壤有機碳各組分間及其與土壤環境因子之間的相關性進行研究。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型下土壤有機碳組分質量分數統計學分析

對研究區3種不同植被類型下土壤有機碳及其組分質量分數特征進行經典統計學分析，結果如表2所示。SOC質量分數在研究區內變化較大，均值為92.26 g·kg-1，最大值出現在云杉林，為 115.66 g·kg-1，最小值出現在草地，為76.27 g·kg-1；DOC質量分數和LFOC質量分數的變化較小，均值分別為3.97、8.88 g·kg-1；MBC的質量分數變化幅度在260.89—324.34 mg·kg-1之間，其均值為 293.93 mg·kg-1。SOC、DOC、LFOC和MBC的質量分數在3種植被類型下均呈現云杉林>灌叢地>草地的趨勢。

表2 不同植被類型下土壤有機碳及其組分質量分數的統計學分析Table 2 Descriptive statistical analysis of soil organic carbon fractions in different vegetation types

分析各參數變異系數可知，數值均在12.88%—60.39%之間，即SOC、DOC、LFOC和MBC在全部植被類型皆呈現中等變異。

2.2 不同植被類型下土壤有機碳組分質量分數差異性

不同土層云杉林、灌叢地和草地土壤有機碳組分質量分數見圖1。在表層（0—10 cm）和下層（10—20 cm）土壤中，各植被類型下土壤活性有機碳質量分數差異均較顯著（P<0.05），總體趨勢表現為云杉林>灌叢地>草地，在同一土層不同植被類型之間SOC、DOC、LFOC和MBC質量分數差異顯著（P<0.05）。

圖1 不同植被類型下土壤有機碳組分質量分數Figure 1 Soil organic carbon components under different vegetation types

同一植被類型下SOC、DOC、LFOC和 MBC的質量分數隨著土層深度增加而呈降低趨勢，且表層（0—10 cm）質量分數顯著高于下層（10—20 cm），其中 SOC、LFOC、MBC在3種植被的不同土層中質量分數差異均顯著（P<0.05），而DOC質量分數差異性僅在草地（P=0.031<0.05）的不同土層之間表達為差異顯著，而在云杉林（P=0.060>0.05）和灌叢（P=0.109>0.05）中表現為無顯著差異。

2.3 土壤有機碳組分的協同效應分析

土壤有機碳組分質量分數受植被類型和土層深度的影響，協同效應分析見表 3。土層深度與植被類型對土壤有機碳各組分質量分數的影響均達到極顯著性水平（P<0.01），其中植被類型影響效果最明顯，其SOC、DOC、LFOC和MBC的離差平方和分別達到 5148.741、0.052、13.709和5291.743。以上兩種因素對有機碳組分質量分數總體變異的貢獻大小次序是植被類型>土層深度。

表3 土層深度和植被類型對土壤有機碳組分的協同效應分析Table 3 Analysis of synergistic effects of soil depth and vegetation type on soil organic carbon components

2.4 土壤有機碳組分質量分數與土壤環境因子的相關性

2.4.1 土壤有機碳組分質量分數與土壤環境因子的Pearson相關性

土壤有機碳組分質量分數與土壤環境因子的相關性見表4。結果表明，在有機碳組分質量分數間，SOC與LFOC呈顯著正相關關系（P<0.05），且SOC與DOC、MBC相關性不明顯；土壤LFOC與DOC、MBC呈顯著負相關關系（P<0.05）；土壤DOC與MBC間呈現相同的變化趨勢（P<0.05）。在有機碳組分質量分數與土壤環境間，DOC和MBC與含水量呈顯著正相關關系（P<0.05），SOC各組分質量分數均未與pH值和電導表現出明顯的相關關系。以上結果說明，植被類型和土層深度等均是各有機碳質量分數的顯著性影響因子。土壤可溶性有機碳與微生物生物量碳間呈極顯著正相關關系，表明兩者主要碳源大致相同。同時，LFOC與DOC、MBC呈極顯著負相關，說明各活性碳相互之間關系密切，且均從不同角度反映了土壤有機碳的動態特征。SOC各組分質量分數均受到土壤水分不同程度的影響，大部分表現為正相關性，表明水分的升高有利于凋落物分解、有機碳礦化和微生物活性的提高，從而導致有機碳活性組分質量分數的增加。

表4 各植被類型土壤表層有機碳及其組分質量分數與土壤環境因子的關系Table 4 Relationship between the content of surface organic carbon and its components in soils of various vegetation types and soil environmental factors

對土壤有機碳組分質量分數和經過變異膨脹因子篩選后的 4個環境因子進行 RDA，獲得這 4個環境因子對土壤有機碳組分質量分數的解釋，見表 5。有機碳組分質量分數在第Ⅰ軸、第Ⅱ軸的解釋量分別為89.6%和1.5%，累計解釋的有機碳組分質量分數信息量為91.1%，對有機碳組分質量分數和土壤環境因子的關系累計解釋量達 100%。據此可知前兩軸能夠較好地反映土壤有機碳組分質量分數與環境因子的關系，且是由第Ⅰ 軸決定的。

表5 土壤有機碳組分質量分數的變化解釋變量冗余分析Table 5 RDA of Soil organic carbon fractions content

進一步得到有機碳組分質量分數與環境因子關系的二維排序圖，如圖 2。土壤有機碳組分用藍色線條表示，環境因子用紅色線條表示。從圖2可知，土壤電導率、pH值和土壤容重這3條線的箭頭連線相對較長，說明土壤電導率、pH值和土壤容重對土壤有機碳組分質量分數的差異性起到很好的解釋。說明土壤含水量和土壤容重與土壤有機碳組分之間均呈正相關，而土壤電導率和土壤pH值與土壤有機碳組分均為負相關，并且土壤有機碳組分之間也為正相關。

圖2 土壤有機碳組分質量分數與環境因子關系的冗余分析二維排序圖Figure 2 Bidimensional ordering chart of the RDA of relationships of soil organic carbon fractions content with their environmental factors

根據上述研究結果，說明土壤環境因子對土壤有機碳組分的影響存在差異。對4個環境因子進行蒙特卡洛檢驗，得到環境因子變量的重要性排序，如表 6。土壤環境因子對土壤有機碳組分影響的重要性由大到小依次為土壤電導率、土壤容重、土壤pH值、土壤含水量，并且 4種環境因子對土壤有機碳組分征的影響均為極顯著（P<0.01）。土壤電導率、土壤容重、土壤pH值和土壤含水量的解釋量占所有環境因子解釋量的比例分別 87.7%、79.4%、67.9%和35.8%，說明土壤電導率、土壤容重、土壤pH值和土壤含水量都對土壤有機碳組分有重要影響。

表6 土壤環境因子解釋的重要性排序和顯著性檢驗的結果Table 6 Importance sequencing and Duncan test of soil environmental factors

3 討論

3.1 不同植被類型下土壤有機碳組分質量分數特征

土壤有機碳主要來自于植物凋落物元素歸還和根系分泌物代謝過程（倪惠菁等，2019）。相關研究發現，SOC質量分數主要會受氣候、植被類型、植被齡級等綜合作用的影響，其中植被類型起主要影響（Jobbagy et al.，2000；Wang et al.，2004）。本研究中不同植被類型土壤總SOC、DOC、LFOC和MBC質量分數均表現為云杉林>灌叢>草地，植被類型對土壤有機碳組分在土壤中的分布影響顯著，這與胡堯等（2018）的研究相似。微生物生物量碳、輕組碳和可溶性碳與總有機碳表現一致，這是可能因為輕組碳、微生物生物量碳、可溶性碳可能是微生物分解的底物。雪嶺云杉林作為天山森林的建群種，其林下大量植物凋落物和根系分泌物為土壤提供了豐富的碳源，同時，雪嶺云杉林可以有效地吸收并固定大氣中的CO2，一部分以SOC的形式貯留在土壤中；灌叢中黑果小檗等生長繁密，植被覆蓋度也相對較高，地下細根比例高且周轉速率快，土壤有機碳質量分數僅次于森林；草地植被根系淺，凋落物等外源碳輸入物質相對云杉林和灌叢較少，因此其土壤有機碳質量分數最低（陳心桐等，2019）。

3.2 不同土層間土壤有機碳組分質量分數特征

土壤中 SOC質量分數反映了進入土壤的、以植物為主的生物殘體等有機物質輸入與土壤微生物分解作用為主的有機物質輸出之間的動態平衡（向成華等，2010）。本研究中，天山云杉林、灌叢、草地的土壤有機碳質量分數呈現出隨著土層深度的增加而降低的趨勢，這與武小鋼等（2014）、張莎莎等（2020）、王浩等（2022）的研究相類似。0—10 cm土層的SOC質量分數占總SOC質量分數50%以上，并且與土層深度呈反比。DOC、MBC和LFOC也均表現出隨土層深度逐漸降低的趨勢。天山森林生態系統受人為干擾相對較少，表層土壤被枯枝落葉覆蓋，營養源充足、溫度和通氣條件良好，有利于土壤中細菌、真菌、藻類等微生物生長繁殖；另一方面，表層土壤植物細根分布相較集中，有機質輸入量高，溶解在土壤溶液中的各類有機碳質量分數高，從而影響土壤中DOC、MBC的分布（Jobbagy et al.，2000；苗娟等，2014）。土壤表層生境條件較好、土壤通氣狀況好、有機物的輸入和分解速率較高都是影響LFOC的主要原因（侯翠翠等，2011）。

3.3 土壤有機碳組分與土壤環境因子的關系

影響土壤有機碳組分質量分數的因子較多，本研究通過進一步對植被類型和土層深度的協同效應處理研究發現，植被類型和土層深度均是有機碳組分質量分數的顯著性影響因子，其中植被類型影響最為顯著。同時，不同土層深度對 SOC各組分質量分數的顯著影響更進一步解釋了 SOC的表聚現象。對土壤有機碳組分的相關分析表明不同組分間的有機碳質量分數存在相互影響與聯系，SOC、DOC、LFOC和MBC之間均呈正相關關系，這與姜培坤等（2007）的研究結果一致，說明了土壤中各碳組分之間關系密切。對環境因子和土壤有機碳組分進行冗余分析后發現，環境因子當中，土壤電導率、土壤pH值是土壤有機碳組分影響的重要因子，其次是土壤容重和土壤含水量。本研究中，土壤電導率和土壤 pH值與土壤有機碳組分均為負相關。較大的土壤 pH值和全鹽會對微生物活性、植物生長和土壤養分有效性等有負面影響（祖元剛等，2011）。土壤含水量和土壤容重與土壤有機碳組分之間均呈正相關，而充足的水分為凋落物分解、有機碳礦化等生態過程提供了有力的條件，并使得微生物保持良好的活性，從而促進土壤有機碳積累，這與大多學者的研究結果相一致（Fernández et al.，2021；Wang et al.，2021）。土壤容重直接影響到孔隙度，大部分研究表明土壤容重與有機碳呈現負相關系（張勇等，2008；盛茂銀等，2013）。而本研究中，云杉純林林下的土壤容重較高，但其有機碳質量分數也較高，因此呈現正相關關系。

4 結論

本研究選擇天山中段3種不同植被類型的土壤作為研究對象，分析了云杉林、灌叢地、草地3種植被類型的土壤有機碳組分質量分數特征，探討了土壤有機碳組分質量分數特征與其影響因素的相關性。得出以下結論：

（1）不同植被類型下土壤有機碳、可溶性有機碳、輕組分有機碳和微生物生物量碳質量分數均具有一定差異。總體趨勢表現為云杉林>灌叢地>草地，并且土壤表層有機碳組分質量分數高于下層。

（2）土壤有機碳組分之間均呈正相關關系且具有相同的變化趨勢。土壤環境因子對土壤有機碳組分影響的重要性由大到小依次為土壤電導率、土壤pH值、土壤容重、土壤含水量，并且4種環境因子對土壤有機碳組分征的影響均為極顯著。