祁連山區成土過程驅動的土壤地形序列土壤有機碳固存特征①

谷 俊，楊 飛，李德成，宋效東，張甘霖,4*

祁連山區成土過程驅動的土壤地形序列土壤有機碳固存特征①

谷 俊1,2，楊 飛1,3，李德成1，宋效東1，張甘霖1,2,4*

(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049；3 青海師范大學/青海省自然地理與環境過程重點實驗室，西寧 810008；4 中國科學院南京地理與湖泊研究所/流域地理學重點實驗室，南京 210008)

土壤有機碳(SOC)含量和動態是有機碳輸入輸出平衡和土壤固持能力共同作用的結果，前者主要受生物氣候條件控制，而后者則主要受黏粒及無機礦物等土壤理化屬性的影響。本研究通過沿海拔梯度選擇表土地形序列作為“自然試驗場”，探究祁連山區SOC含量及組分變化的控制因素。研究發現：該地形序列土壤母質主要來源于黃土沉積，土壤黏土礦物以綠泥石和水云母為主，指示該區域的整體弱風化特征。在巨大的水熱梯度影響下，地形序列內土壤成土強度差異明顯，低海拔地區土壤含有碳酸鹽，隨著海拔上升，碳酸鹽物質逐漸淋失，SOC和鐵鋁氧化物含量增加。進一步分析發現，鐵鋁氧化物是SOC含量及組分方差的主要解釋變量。偏相關分析顯示，當控制鐵鋁氧化物后，氣候對SOC含量及組分的影響不顯著。這表明氣候對SOC的影響可能主要通過影響土壤屬性，造成鐵鋁氧化物等屬性的差異，間接影響SOC的長期固存，且該機制主要作用于礦物結合態有機碳(MOC)組分。本研究對理解SOC固存及其對氣候變化的動態響應有重要啟示。

土壤地形序列；土壤有機碳；鐵鋁氧化物；祁連山

土壤有機碳(SOC)庫作為最大的陸地碳庫，其微小變化會引起大氣中二氧化碳濃度的明顯變化[1]，并可能導致全球變暖與陸地碳循環之間的正反饋[2]。高寒草甸、高寒草原等草地是青藏高原主要的生態系統，占總面積的60% 以上，共儲存了約2.32×1010t有機碳[3]。巨大的碳儲量及對氣候變化的敏感性，使青藏高原在全球陸地生態系統碳循環中扮演重要角色[4]。關于氣候和生物因素對SOC含量的單一和交互影響已有大量研究[5-7]。但目前對SOC動態變化的預測仍存在不確定性，主要原因是對SOC含量的控制因素，尤其是土壤因素了解不全面[8]。

目前，土壤增溫試驗和不同階段碳庫調查結果被用于探究青藏高原SOC對氣候變化的響應。Yang等[9]通過對比1980—2004年間青藏高原SOC含量變化發現，氣候變暖導致生物量輸入增加，引起SOC含量增加。通過增溫試驗發現，升溫導致土壤中不穩定SOC含量降低[10-12]。盡管增溫試驗和區域時序對比試驗為理解SOC在短時間尺度的氣候響應提供了有力證據[13]，但目前關于氣候在長時間尺度對SOC的影響仍缺乏系統認識。通過自然氣候梯度研究可以彌補這一缺陷，海拔梯度是研究生態系統對氣候變化響應的“自然試驗(natural experiment)”之一[14]。隨海拔升高，氣候、植被發生改變，這不僅直接造成SOC的來源差異，還導致成土過程及土壤理化屬性發生變化[15-16]，并進一步對SOC的分解與固存產生影響。如海拔上升導致降水增加，加速礦物鹽基離子流失，土壤pH下降，酸性至中性且濕潤的成土環境加速土壤礦物風化，促進土壤發育[15]。Torn等[17]發現，隨著土壤發育程度增加，土壤中非晶質礦物會先增加后減少，而非晶質礦物具有較強吸附力和較大比表面積是SOC重要的固定機制之一[18]。總體而言，目前關于土壤發生過程如何影響SOC固存的系統研究十分匱乏。

將SOC分成不同碳池有助于深刻理解SOC的動態變化。Lavallee等[19]研究表明，將SOC分成顆粒態有機碳(POC)和礦物結合態有機碳(MOC)能簡單有效地概念化土壤有機質。兩種組分代表不同周轉時間和穩定機制的碳池，通常POC是游離的碳，屬于不穩定、周轉速率快的碳池，而MOC是與黏粉粒級礦物顆粒結合的碳，相對穩定[20]。區分不同SOC組分對各影響因子的響應有助于更好地評估SOC動態變化及其對環境變化的響應。

本研究在祁連山地區沿海拔梯度采集地形序列土壤，分析區域成土特征及其對環境梯度變化的響應規律，并進一步通過研究SOC及其組分(POC和MOC)與土壤要素及氣候要素的關系，揭示成土環境及成土過程對SOC的影響與機制，以更好地理解寒旱區SOC固存特征及其對氣候變化的潛在響應機制。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青藏高原東北緣的祁連山區，該區具有典型大陸性氣候和高原氣候特征，地形是造成該地區氣候及景觀差異的主要因素。受高原隆升影響，該地區存在巨大海拔梯度，海拔由5 500 m以上的高山區向北迅速降至2 000 m以下的山前地帶。海拔是導致區域氣候變化的主要驅動因素，隨海拔升高，年均溫下降，年均降水增加。同時該區域屬于東亞季風影響區的末端，降水呈現由東向西減少的趨勢，年平均降水量為300 mm，年均溫小于4 ℃。自然景觀為從干旱地區的荒漠草原到亞高山地區的草原或針葉林以及高山環境中的草甸或灌木林地。

1.2 樣品采集與測定

在研究區布設29個采樣點(圖1A)，海拔跨度為1 800 ～ 3 800 m，年均降水量沿海拔從200 mm增加到600 mm，年均溫從6.5 ℃降至–3 ℃。景觀類型包括荒漠草原和亞高山草原、高山草甸和高山灌叢草甸(圖1B)。每個采樣點取3個位置0 ～ 15 cm的表層土樣混合成1個土壤樣品。

樣品前處理及實驗室土壤理化屬性測定參考《土壤調查實驗室分析方法》[21]。將土壤樣品風干，除去根系和礫石，研磨過10目篩后，再分別研磨過60目、100目篩備用。使用激光衍射粒度儀(LS230，Beckman Coulter)分析土壤粒度分布；重鉻酸鉀–硫酸消化法測定總有機碳含量(SOC)；水土質量比為2.5∶1的混合液使用pH計(pHS-3C， Shanghai REX Instrument Factory，China)測定土壤pH；氣量法測定土壤碳酸鈣相當物含量；檸檬酸三鈉、碳酸氫鈉和連二硫酸鈉(DCB法)提取游離態鐵鋁氧化物(Ald、Fed)，草酸–草酸銨溶液提取結晶度較差的非晶質鐵鋁氧化物(Feo、Alo)，以上步驟所得到的上清液使用ICP-AES(Optima 8000，PerkinElmer)測定溶液中鐵鋁含量，鐵氧化物的結晶度用Feo/Fed衡量； X射線衍射(XRD)儀(日本理學 Ultima Ⅳ全自動 X射線衍射儀)測定礦物組成。

圖1 土壤樣點分布(A)與代表性樣點地形地貌及對應的土壤剖面(B)

SOC分組采用濕篩法[22]，具體為：10 g風干土加入30 mL 5 g/L六偏磷酸鈉溶液中，振蕩15 h，將得到的混合液過300目篩，將未通過篩的顆粒(POC組分)和通過篩(MOC組分)的泥漿在45 ℃下烘干并稱重，得到不同組分的質量。干燥后的樣品研磨并分析其中有機碳含量，不同組分測得的有機碳含量分別乘以其質量，并除以總土樣質量(10 g)，得到顆粒態有機碳含量(POC，g/kg)和礦物結合態有機碳含量(MOC，g/kg)。

1.3 環境數據獲取

本研究獲取的氣候數據包括年均氣溫(MAT)和年均降水量(MAP)，數據來自中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所中國生態環境背景層面建造項目完成的柵格數據(分辨率1 000 m)，為1980—1999年的逐月平均值計算生成。歸一化植被指數(NDVI)來自于青藏高原科學數據中心，為2013—2018年多年NDVI平均值。

1.4 數據處理

采用R軟件進行數據處理、統計分析和圖表制作，使用偏相關分析和方差分解量化氣候、土壤因素對SOC含量及組分的影響。

2 結果與分析

2.1 土壤粒度分布與礦物組成

土壤粒度分布曲線顯示，研究區地形序列內土壤樣品具有較高的粒度分布一致性，大部分樣品在30 ～ 40 μm處存在主要的粒徑峰值，個別樣品峰值出現在70 ～ 80 μm(圖2)。研究區土壤粉粒含量高，質地大多為粉壤質，個別為壤質，土壤質地較均一。在土壤地形序列內按海拔梯度選擇10個土壤樣品進行土壤礦物鑒定，XRD圖譜(圖3) 顯示，序列內土壤原生礦物以石英和長石為主，黏土礦物以水云母和綠泥石為主，表明研究區土壤化學風化程度較弱。序列內僅碳酸鹽礦物表現出較高的差異性，在海拔2 600 m及以下的表土中，方解石與白云石普遍大量存在(圖3)。

圖2 全部樣品粒度分布 (n=29)

圖3 地形序列土壤的X射線衍射圖譜(n=10)

2.2 土壤理化屬性變異特征及其水熱驅動

不同于地形序列內土壤質地及礦物組成的相對一致性，研究區土壤pH、碳酸鈣含量、鐵鋁氧化物含量、SOC含量及組分在地形序列內表現出較高的空間變異性，其土壤基本理化屬性見表1。其中，SOC含量為(40.0 ± 22.7) g/kg，POC和MOC含量分別為(12.8 ± 9.0) g/kg和(26.9 ± 14.4) g/kg，可見，在本研究區MOC是SOC主要存在形式。土壤pH呈中性至石灰性，最高為8.9。土壤中Fed含量變化范圍為5.5 ～ 14.8 g/kg，Feo含量變化范圍為0.7 ～ 4.1 g/kg，鐵活化度Feo/Fed變化范圍為9% ～ 32%，表明本地區鐵的活化度較高。主成分分析可以進一步表征土壤屬性的整體變異特征，結果顯示，研究區地形序列內氣候尤其是MAP、碳酸鈣含量、海拔與鐵鋁氧化物含量和SOC含量及組分表現出較高的協變關系(圖4)，表明隨著海拔上升，降水增加，土壤中碳酸鈣被淋洗，鐵鋁氧化物含量增加，土壤整體發育強度增加(圖5)。

表1 土樣基本理化屬性

圖4 主成分分析(PCA)：16個變量特征值的荷載圖

2.3 環境因子對土壤有機碳含量及組分的影響

相關分析結果顯示，研究區SOC及其組分碳含量均與MAP呈極顯著正相關，與MAT呈極顯著負相關(表2)。SOC及MOC與氣候因子的相關系數接近，均高于POC與氣候因子的相關性。SOC及其組分碳含量與海拔、NDVI呈極顯著正相關。SOC及其組分碳含量與土壤pH呈顯著負相關，與土壤黏粒含量呈極顯著正相關，而與砂粒、粉粒含量的相關性不顯著。不同形態的鐵鋁氧化物均與SOC、POC和MOC呈顯著或極顯著相關性。MOC與不同形態鐵鋁氧化物相關性均高于SOC，而POC與不同鐵鋁氧化物相關性均低于SOC。對于各形態鐵鋁氧化物，Ald和Alo與SOC、MOC和POC相關系數最高。

偏相關分析顯示，當控制土壤pH、質地和鐵鋁氧化物之后，MAT、MAP與SOC及其組分之間的相關系數大幅降低(表3)。在所有變量中Ald、Alo最為重要，具體表現為控制Ald、Alo后，SOC及其組分與氣候因子之間偏相關系數下降最為劇烈。POC、MOC與MAT呈極顯著負相關，但在控制Ald后，相關系數降低為–0.34和–0.27。POC、MOC與MAP呈極顯著正相關，但在控制Alo后，相關系數分別降低為0.35和0.26。

方差分解(圖6)結果顯示，氣候、質地和鐵鋁氧化物對于SOC及其組分的重要性有明顯差異。對于SOC及其組分，質地的重要性最低，與僅有氣候和質地變量的模型相比，加入鐵鋁氧化物變量之后，模型對SOC、POC和MOC含量的解釋能力均增加，分別達到71.2%、47.5%、78.6%，其中對MOC的方差解釋力增加最大；鐵鋁氧化物的單獨解釋能力在SOC和POC、MOC中分別為5.8%、3.1%、15.5%，在MOC中解釋力最高，表明該部分碳庫受到土壤礦物影響更大。雖然鐵鋁氧化物的單獨解釋力大于氣候因子，但氣候因子與鐵鋁氧化物的共同作用不可忽視，鐵鋁氧化物與氣候因子共同解釋力在SOC、POC和MOC分別達到了21.3%、21.5%、17.7%，意味著鐵鋁氧化物與氣候因子對SOC具有強烈的共同作用。

3 討論

3.1 土壤母質來源一致性與區域弱風化特征

土壤粒度特征對判斷土壤母質來源有較好的指示作用，尤其對于風積物。本研究中，土壤粒徑峰值大多在30 ～ 40 μm，與典型黃土接近，少量樣品粒徑峰值在70 ～ 80 μm，為砂質黃土特征[23]。粒度分布特征指示本研究涉及的表層土壤均為風積物發育，這與前人在該地區的研究結論相一致[24]。本地區黏土礦物以水云母和綠泥石為主，揭示區域土壤整體風化程度較弱的特點，這主要是由于高山區冰凍期長，年均溫低，而祁連山北麓山前地區氣候干旱，土壤化學風化受干冷氣候限制。另外，本地區土壤(表層)均為全新世以來的黃土沉積[25]，土壤發育時間較短。成土母質、氣候與成土時間共同決定了序列土壤質地均一、黏粒含量較低且黏土礦物類型相對一致的特點。

圖5 土壤屬性與MAP關系的散點圖

表2 土壤有機碳不同組分與環境變量的相關性(n=29)

注：*、**、***分別代表在<0.05、<0.01、<0.001水平顯著相關；下同。

表3 土壤有機碳不同組分與氣候因子之間的偏相關系數(n=29)

注：零階代表零階偏相關系數；All代表控制所有土壤變量后的偏相關系數。

3.2 環境梯度下的成土強度分異

雖然區域內序列表土主要起源于黃土母質，但不同于干旱環境中成土強度低的典型黃土。本區域跨巨大的環境梯度，高程差超過2 000 m，水熱條件差異顯著，土壤屬性在空間上有較強的分異。隨海拔上升，MAP升高，MAT下降，有利于SOC積累和碳酸鹽礦物的溶解及淋洗。山前地區SOC含量低，碳酸鈣含量高，而隨著海拔上升，土壤類型由山前鈣積土向高山草甸土轉變，高山草甸土已經完成淋溶脫鈣過程，表層土壤碳酸鈣含量低，并開始土壤交換性鹽基的淋溶酸化過程，土壤pH由弱堿性降至中性或弱酸性。游離態鐵鋁氧化物與非晶質態鐵鋁氧化物的豐度是成土強度的良好指標[26]。本研究中，游離態鐵鋁(Fed、Ald)和非晶質鐵鋁(Feo、Alo)均與MAP表現出顯著相關性(圖5)，表明水分條件是序列內驅動土壤母質風化與成土強度分異的主要因素。

(氣候因子包括MAT、MAP；質地因子包括砂粒、粉粒、黏粒；鐵鋁氧化物因子包括Fed、Ald、Feo、Alo、Feo/Fed)

3.3 鐵鋁氧化物主控有機碳變異

盡管相關分析顯示氣候因子與SOC及其組分有較高相關性(表2)，但根據偏相關分析的結果，發現控制土壤變量后，氣候因子與SOC及其組分間的相關性有不同程度下降，尤其是控制鐵鋁氧化物時，相關系數下降最為顯著(表3)。這表明氣候因子對SOC及其組分的影響更多是通過影響土壤屬性間接影響，尤其是受水熱條件控制的鐵鋁氧化物。這與Doetterl等[27]跨氣候帶研究發現地球化學特征與氣候因子交互作用控制SOC儲量的結論一致。方差分解也進一步表明，氣候因子和鐵鋁氧化物的共同作用在解釋SOC的方差變化中占據重要地位。

鐵鋁氧化物具有較高的比表面積和帶電表面，能夠吸附SOC的官能團，并形成有機–黏土礦物復合物[28]，減緩SOC的礦化分解[29]。此外，鐵鋁氧化物參與團聚體的形成[30]，通過物理保護減少SOC與微生物的接觸，間接增強SOC的穩定性。這些機制共同作用抑制了SOC的分解，使得SOC更加穩定。von Fromm等[31]也發現，土壤中的鐵鋁氧化物是預測大陸尺度SOC儲量的最重要因子，其中非晶質鐵鋁氧化物尤為重要。同樣，其他學者在青藏高原的研究也強調了土壤鐵鋁氧化物對草地SOC儲量的重要影響[32-33]。

與鐵鋁氧化物相比，本研究中土壤質地對SOC的影響較弱。這主要是由于序列表土均發育于黃土母質，顆粒組成相對均一，且受氣候及成土時間的制約，整體處于較弱的風化階段，黏土礦物類型以水云母和綠泥石為主。母質的同源性及黏土礦物的一致性決定了質地對SOC及其組分含量的影響有限。Six等[34]的研究表明，當黏粒含量變化幅度足夠大時，黏粒在預測SOC方面具有重要作用。而本研究的黏粒含量整體水平較低，且變異程度低(8.1% ～ 16.5%)，因此方差分解結果顯示質地對解釋SOC的方差變異不起作用。該結果與Percival等[35]在新西蘭草原的研究結果一致，黏土含量與長期SOC積累的關系不大，而其他地球化學特征(如鐵鋁等)具有更高的解釋力。

3.4 不同有機碳組分影響因素差異揭示固碳機制

通過進一步分析SOC及兩種碳組分(POC和MOC)的影響因素發現，MOC與SOC行為表現較為接近，即各影響要素與SOC、MOC的相關系數和偏相關系數較接近，而POC與上述二者存在較大差別，這可能指示各要素對SOC的影響主要是通過影響MOC的途徑實現。由于POC是未受到保護或僅僅被保護在大團聚體中，其含量主要取決于生物量的輸入與微生物分解之間的平衡；而MOC經微生物加工后具有更多的吸附點位且富有易與金屬氧化物結合的官能團，這使得MOC與鐵鋁氧化物更容易結合，形成有機–無機聚合物或被吸附在礦物表面，或被保護在團聚體內部[30]，這解釋了土壤礦物對POC的影響要弱于MOC。POC一般穩定性較差，易受氣候、生物等要素影響[36]，不易在土壤中長期存在。與POC相比，MOC與鐵鋁氧化物(尤其是Ald、Alo)的相關性更高，且地形序列土壤中MOC占比超過一半，因此鐵鋁氧化物與MOC的結合可能是SOC固存的主要機制。氣候對SOC水平的直接影響有限，更多是通過影響鐵鋁氧化物等土壤屬性影響MOC水平，進而在長時間尺度影響SOC存量。

4 結論

通過對祁連山地區發育于全新世黃土母質的土壤地形序列進行研究，發現受成土環境與成土時間影響，序列內表土質地及黏土礦物類型保持相對一致，而土壤碳酸鹽、pH、鐵鋁氧化物等土壤理化屬性隨海拔/降水表現出高度相關性，指示巨大的高程差造成的水熱梯度驅動成土過程差異。偏相關分析及方差分解分析揭示，氣候對SOC的作用主要通過影響鐵鋁氧化物等土壤屬性介導，且主要通過影響其中的MOC組分影響SOC存量。因此，本研究結果揭示土壤發生過程/強度驅動了祁連山地區SOC的長期固存。

盡管本研究利用均一母質(黃土)與海拔–氣候梯度構建的地形序列屬于控制變量的自然試驗，但考慮黃土母質在全球分布的廣泛性及組成均一性，本研究對理解不同地區黃土母質發育土壤SOC長期固存及動態周轉有重要啟示意義，即不同發育階段的土壤SOC固存機制存在差異，其對氣候因子變化的響應很大程度上依賴于SOC的存在形態。

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Soil Organic Carbon Sequestration Driven by Pedogenesis Along Soil Toposequence in Qilian Mountains

GU Jun1,2, YANG Fei1,3, LI Decheng1, SONG Xiaodong1, ZHANG Ganlin1,2,4*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Qinghai Province Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process, Qinghai Normal University, Xining 810008, China; 4 Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Storage and dynamics of soil organic carbon (SOC) are the results of input-output balance and soil retention capacity for SOC, which are mainly controlled by bio-climatic conditions, and by soil physiochemical properties such as clay content and soil minerals, respectively. A soil toposequence along an altitudinal gradient was constructed as a natural experiment, aiming to explore the controlling factors for SOC and its fractions in the Qilian Mountains. It is found that soil parent material of this topographic sequence is mainly derived from loess deposits. Chlorite and hydromica are the dominant clay minerals, pointing to the relatively weak chemical weathering intensity of the study region. Meanwhile, the large hydrothermal gradient drives the differences in pedogenic intensities within the topographic sequence. Carbonates exist in soils from the low altitude area; with the rise of altitude, the carbonate is leached away while the contents of iron and aluminum oxide and SOC increase. Further analysis revealed that Al/Fe- oxide was the main explanatory variable for the variance of SOC and its fractions. Partial correlation analysis showed that once the effect of Al/Fe- oxides was controlled, the effects of climate on SOC and its fractions were insignificant. This indicated that the effect of climate on SOC took place mainly via its influence on soil properties, resulting in differences in properties such as Fe and Al oxides. This mechanism mainly occurs in mineral-associated organic carbon (MOC) fraction and make an influence on long-term sequestration of SOC. This study has great implications for understanding the preservation of SOC as well as its responses to climate changes.

Soil toposequence; Soil organic carbon; Al/Fe - oxides; Qilian Mountains

S159.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.021

谷俊, 楊飛, 李德成, 等. 祁連山區成土過程驅動的土壤地形序列土壤有機碳固存特征. 土壤, 2023, 55(4): 871–879.

第二次青藏高原綜合科學考察研究項目(2019QZKK0306-02)和國家自然科學基金項目(42007001) 資助。

(glzhang@issas.ac.cn)

谷俊 (1995—)，男，安徽馬鞍山人，博士研究生，主要從事土壤有機碳方面研究。E-mail: gujun@issas.ac.cn