高寒人工草地不同植被類型下表層土壤有機碳和無機碳變化及土壤理化因子

摘要：為深入了解高寒人工草地土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）、無機碳（Soil inorganic carbon，SIC）含量在不同植被類型下的差異性以及土壤有機碳、無機碳含量與土壤理化因子的相關關系。本研究選取高寒人工草地一年生單播小黑麥（HM）、一年生禾、豆混播（HB）以及多年生垂穗披堿草（PJC）植被類型為研究對象，測定并分析3種植被類型下土壤有機碳和無機碳含量變化特征。結果表明：土壤有機碳和無機碳含量在3種植被類型下均表現出顯著的差異性。土壤鎂離子濃度、全氮（Total nitrogen，TN）含量、土壤pH是影響該區域土壤有機碳和無機碳含量的主要因素。本研究結果為推行適宜高寒人工草地最佳的植被類型提供區域數據和科學參考。

關鍵詞：土壤有機碳；土壤無機碳；高寒人工草地；植被類型

中圖分類號：S154.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2023）08-2361-08

Variation of Organic and Inorganic Carbon in Topsoil and Physicochemical

Factors under Different Artificial Grasslands in Alpine Region

LI Na1，2， ZHAO Na1， WANG Ya-lin1，2， WEI Lin1，2， ZHANG Qian1，2，

GUO Tong-qing1，2， WANG Xun-gang1， XU Shi-xiao1*

（1. Northwest Plateau Institute of Biology， Chinese Academy of Sciences， Xining， Qinghai Province 810001， China;

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：To gain a deeper understanding of the differences in organic and inorganic carbon content in the soil of alpine artificial grasslands under different vegetation types，as well as the relationship between soil carbon content and soil physicochemical factors，the three different artificial alpine grasslands：annual Triticale Wittmack artificial grassland，annual grass—bean mixed artificial grassland and Elymus nutans Griseb. artificial grassland were chosen in this study. The soil organic and inorganic carbon content were measured and their changes analyzed. The results showed that there were significant differences in soil organic and inorganic carbon content among the three artificial grasslands. Soil magnesium ion concentration，total nitrogen content，and soil pH value were the main influencing factors on soil organic and inorganic carbon content in the study area. The results of this study provided a regional data and scientific reference for promoting the most suitable artificial grasslands in alpine region.

Key words：Soil organic carbon;Soil inorganic carbon;Alpine artificial grassland;Vegetation type

全球和區域碳循環過程是當前全球變化研究的焦點問題，土壤碳庫作為陸地生態系統碳的主要載體［1］，約儲存了2 500 Pg的碳，是植物碳庫的3～4倍，大氣碳庫的2～3倍［2］，土壤碳庫的微小變化足夠對大氣CO2濃度產生劇烈作用，因此研究土壤碳來解決氣候變化問題具有潛在的重要意義［3］。土壤碳包括土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）和土壤無機碳（Soil inorganic carbon，SIC）兩種存在形式［4］。一直以來土壤有機碳都是全球變化和土壤學領域研究的前沿和重點科學問題［5］，例如氣候［6］、土地利用變化［7］等諸多自然因素和人為因素對土壤有機碳影響的相關研究已經具有一定的基礎工作，而有關無機碳的研究較少且研究結果存在較大的差異性。土壤無機碳是無機化合物的總稱，由于固態碳酸鹽數量大于其他形態，一般認為土壤中的無機碳是指固態碳酸鹽［8］，包括原生碳酸鹽（Lithogenic inorganic carbonate，LIC）和次生碳酸鹽（Pedogenic inorganic carbonate，PIC）［9］。有研究發現形成次生碳酸鹽的過程中會截存大氣CO2，土壤無機碳作為有效的CO2封存路徑，在陸地生態系統碳循環過程中具有重要作用［10-11］。因此對于土壤碳的研究，同時關注土壤有機碳和無機碳將有利于人們更加科學、客觀的評價土壤碳庫對氣候變化的響應。

人工草地的建植是緩解青藏高原地區天然草地畜牧壓力的重要手段之一，同時具有巨大的土壤碳匯潛力。植被類型的改變是影響土壤有機碳和無機碳變化的重要因素，土壤碳輸入、輸出過程在不同植被類型下產生差異性［12-13］。國內外學者對土壤有機碳、無機碳展開了廣泛的研究，例如，Wang等［14］以降水梯度變化為基礎，研究從溫帶森林至溫帶荒漠5個土地利用類型下土壤有機碳和無機碳的變化，研究結果的差異性很好地表征了不同植被覆蓋通過影響土壤條件進而對土壤有機碳和無機碳庫儲量影響的普遍規律。李雄等［15］研究不同氣候區、不同土地利用變化、不同土層深度的土壤有機碳和無機碳比例變化，發現不同條件下二者比值存在顯著差異。張力［16］以耕地、林地、灌木地、草地為研究對象，結合土壤有機碳、無機碳和土壤理化性質，闡明了不同類型植被恢復后土壤有機碳和無機碳的動態變化特征。植被類型通過影響土壤理化性質、微生物群落結構以及環境條件等因素從而改變有機碳和無機碳庫及周轉動態。盡管目前關于植被類型的改變對土壤碳的影響有一定的研究，但是關于高寒地區人工草地不同植被類型下土壤有機碳和無機碳的變化特征仍相對有限，這極大限制了我們對植被類型的改變對陸地生態系統尤其是高寒地區生態系統碳循環影響的認識。

基于此，本研究以一年生小黑麥（Triticale Wittmack）地、一年生禾、豆混播地及多年生垂穗披堿草（Elymus nutans Griseb.）地為研究對象，在系統分析高寒人工草地不同植被類型下土壤有機碳、無機碳及土壤理化因子的差異性的基礎上，采用相關分析研究土壤有機碳和無機碳含量與土壤各個理化因子間的相關性，并對土壤理化因子進行重要性排序。深入理解土壤有機碳和無機碳與環境因子間的作用機理，為推行適宜高寒人工草地最佳的植被類型提供理論基礎，為全球氣候變化政策調控提供區域數據分析。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青海省海南藏族自治州貴南縣，100°13′～101°33′E，35°09′～36°08′N。地處祁連山邊緣至昆侖山的過渡地帶，西頃山和黃河之間，屬于共和盆地。境內地勢自東南向西北傾斜，平均海拔3 100 m，山地、灘地、谷地交錯分布，形成貴南縣半農半牧的經濟格局。該區為典型的高原大陸性氣候特點，冬長夏短，太陽輻射強，年平均日照時數2 738 h，降水時空分布不均，主要集中在5—9月。土壤質地均為壤土，以草甸土、栗鈣土為主，由于地勢的復雜性在發育的過程中表現出不同的特性，多呈微堿性或堿性。

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣品采集 選取貴南縣人工草地中一年生小黑麥地、一年生禾、豆混播地、多年生垂穗披堿草地3種植被類型樣地作為研究對象。一年生小黑麥地和一年生禾、豆混播地于2022年5月進行播種，同年9月下旬收割。一年生小黑麥地一畝播種小黑麥20 kg。一年生禾、豆混播地包括蠶豆（Vicia faba L.）、箭筈豌豆（Vicia sativa L.）、毛苕子（Vicia villosa Roth.）3種豆科植物以及禾本科植物小黑麥，一畝地播種3種豆科各2.5 kg，小黑麥15 kg。多年生垂穗披堿草地于2019年5月進行播種，2022年8月下旬收割。本研究于2022年8月進行樣品采集，在每種植被類型中采用50 cm×50 cm的樣方框隨機選取5個重復處理，齊地面刈割去除地表植物以及凋落物。在每個樣方內對角線法用3.5 cm的土鉆取3鉆0～20 cm土層的土壤，共獲取了45個土壤樣品。將采集的土壤樣品過2 mm篩，揀去肉眼可見的石礫、動植物殘體等，將根系洗至無泥土后放置65℃烘干箱烘至恒重稱量其干重，土壤經風干研磨后測定分析理化指標。

1.2.2 樣品分析 包括土壤有機碳含量、土壤無機碳含量、土壤容重（Bulk density，BD）、土壤pH、土壤全氮（Total nitrogen，TN）含量、土壤鈣離子濃度、土壤鎂離子濃度、土壤含水量（Soil water content，SWC）。土壤樣品參照《土壤農化分析》［17］，全碳和全氮使用碳氮分析儀測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀法外加熱法測定；無機碳含量為全碳含量值減去有機碳含量；土壤容重用環刀法測定；土壤pH采用電位法測定；土壤鈣離子、鎂離子濃度測定采用原子吸收光譜法；土壤含水量測定采用烘干法。

1.2.3 數據處理與分析 使用Excel 2021進行基本統計處理，利用SPSS 21.0軟件中的Shapiro-Wilk檢驗法驗證數據正態性。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD法檢驗不同植被類型下土壤有機碳、無機碳和各個理化因子的差異性。利用Pearson相關性分析（Pearson correlation analysis）對土壤有機碳、無機碳含量和各個理化因子進行相關性分析。基于Python的Sikit-learn拓展包中的隨機森林回歸模塊對土壤理化因子進行重要性排序，進一步利用Origin 2021繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳、無機碳含量及差異性分析

如圖1所示，土壤有機碳含量在3種植被類型下呈現出顯著的差異性，具體表現為：多年生垂穗披堿草地（28.02 g·kg-1）gt;一年生禾、豆混播地（23.61 g·kg-1）gt;一年生小黑麥地（16.20 g·kg-1）。土壤無機碳含量與有機碳呈完全相反的動態變化特征，一年生小黑麥地最高，達9.65 g·kg-1，多年生垂穗披堿草地最低，4.52 g·kg-1。

2.2 土壤理化因子及差異性分析

土壤容重、土壤pH值、土壤全氮含量和土壤鈣鎂離子濃度在3種植被類型下表現出顯著差異性（Plt;0.05）（圖2）。土壤容重一年生禾、豆混播地最高，其次是多年生垂穗披堿草地，一年生小黑麥地最低（圖2a）。土壤pH數值范圍為7.69～8.10，一年生小黑麥地最高，多年生垂穗披堿草地最低（圖2b）。土壤全氮含量在不同植被類型下表現為：多年生垂穗披堿草地gt;一年生禾、豆混播地gt;一年生小黑麥地（圖2c）。3種植被類型中土壤中鈣離子濃度差異性顯著，一年生禾、豆混播地gt;一年生小黑麥地gt;多年生垂穗披堿草地，其值分別為：143.30 mg·kg-1，121.22 mg·kg-1，78.60 mg·kg-1（圖2 d）。研究區內以一年生小黑麥地鎂離子濃度最高（17.85 mg·kg-1），一年生禾、豆混播地次之（12.07 mg·kg-1），多年生垂穗披堿草地最低（7.62 mg·kg-1）（圖2e）。土壤含水量在一年生小黑麥地和多年生垂穗披堿草地之間無顯著性差異，一年生禾、豆混播地土壤含水量顯著低于其他2種植被類型（圖2f）。

2.3 土壤有機、無機碳含量與理化因子的相關關系

為了能夠更好地揭示土壤有機碳和無機碳含量與土壤理化因子的相關關系，本研究采用Pearson相關性分析對各個變量組進行分析。

圖3是土壤有機碳、無機碳含量和土壤理化因子相關性分析得到的相關系數矩陣熱圖。全氮與無機碳相關系數為—0.89，與有機碳相關系數為0.99，表明全氮與有機、無機碳均表現出極顯著的相關關系，但與無機碳呈極顯著負相關，與有機碳呈極顯著正相關。土壤容重與無機碳相關系數為—0.79，具有極顯著的負相關關系，與有機碳相關系數為0.63，呈顯著正相關關系。Ca2+濃度與有機碳呈現出顯著的正相關關系，與無機碳具有正相關關系。Mg2+濃度與無機碳呈極顯著正相關，與有機碳呈極顯著負相關。土壤pH與無機碳呈極顯著正相關，與有機碳呈極顯著負相關。土壤含水量與無機碳呈正相關，與有機碳呈負相關，但相關性均不顯著。

利用隨機森林回歸法進一步分析土壤理化因子對土壤有機碳和無機碳的影響，結果如圖4顯示，各理化因子對土壤有機碳含量影響的重要排序為：Mg2+gt;TNgt;pHgt;BDgt;Ca2+gt;SWC（圖4a），對無機碳含量影響的重要排序為：pHgt;TNgt;Mg2+gt;BDgt;Ca2+gt;SWC（圖4b）。不同植被類型下土壤有機碳和無機碳含量重要性前三的影響因子均包括土壤鎂離子濃度、全氮含量以及土壤pH。

3 討論

3.1 不同植被類型對土壤有機、無機碳含量的影響

人為干擾下的植被類型變化是影響土壤碳庫變化的重要驅動因素，通過干擾植被覆蓋和土壤各理化因子，間接導致土壤有機碳和無機碳含量產生差異性［18］。本研究中土壤有機碳含量以多年生垂穗披堿草地最高，可能是由于其根系發達，地表凋落物量豐富［19］，輸入并固定到土壤中的有機碳顯著高于其他2種植被類型。一年生小黑麥地最低，一方面每年播種期耕作的過程中改善了土壤的通透性，土壤呼吸作用加強，導致土壤有機碳的分解速率加快［24］；另一方面秋收期地表植被收割帶走，進入土壤中的有機碳數量減少。一年生禾、豆混播地有機碳含量如圖1所示，雖然低于多年生垂穗披堿草地，但顯著高于單播的一年生小黑麥地。這可能是由于一方面豆科與禾本科混播豐富草地物種多樣性、優化群落結構的穩定性、提高土地資源利用率和草地生產力，比單播禾本科牧草更加有利于土壤有機碳的固定和蓄積［20］，例如，鞏建峰［21］研究不同作物系統表層土壤有機碳含量，結果顯示單播牧草中混播其他牧草尤其是豆科類牧草對土壤有機碳固定有積極影響。另一方面土壤有機碳和全氮間有著良好的相關性，土壤有機碳含量增加的同時伴隨著氮素的累積。本研究中土壤有機碳與全氮含量呈極顯著正相關關系，在禾本科牧草中混播豆科植物能夠增加土壤氮的有效性，達到增氮固碳的效果，從而促進有機碳在土壤中累積［22］。此外禾本科、豆科牧草混播能夠充分利用豆科植物的生物固氮作用來滿足植物的生長需要［23-24］，有研究顯示豆科植物每年的固氮量達到500 kg·hm-2 N［25］，有效降低外源化肥的施用量，減輕人工草地發展對生態環境的負面效應，是建植高效可持續發展人工草地的有效措施［26］。以上在一定程度說明了選擇多年生牧草或禾本科、豆科混播有利于土壤有機碳的累積，該區域高寒人工草地植被類型的選擇上要充分考慮多年生草本植物的碳匯能力和豆科植物的固氮作用。

本研究3種植被類型中一年生小黑麥地無機碳含量最高，造成這種現象可能是由于土壤有機碳和無機碳有著緊密的關聯，有機碳的分解會影響碳酸鹽的溶解和淀積［27］。以CaCO3為例其基本過程如下：

一年生小黑麥地每年深耕翻作過程促進土壤有機碳的礦化作用產生更多的CO［28］2，土壤中CO2含量升高促使反應式（1）向右進行產生HCO-3和H+［26］，HCO-3與Ca2+反應繼續促使反應式（2）向右進行，從而產生碳酸鹽淀積在土壤中。其次是一年生禾、豆混播地，該植被類型下的土壤雖然每年深耕翻作能夠增加無機碳含量，但根據離子交換法則，豆科植物將空氣中游離態氮轉化為植物能夠直接利用的銨根離子，植物吸收銨根離子會釋放出等量的氫離子來保持系統電荷的穩定［29-30］。過高的H+濃度會促使碳酸鹽的溶解，從而導致反應式（2）向左側CaCO3減少的方向進行，不利于無機碳的形成。多年生垂穗披堿草地根系相比一年生人工草地粗壯發達，根系能分泌有機酸等化合物［31］在土壤中形成酸性環境造成碳酸鹽的溶解，此外還可能是多年生草地受到人為活動干擾程度小于一年生草地，土壤有機碳礦化作用弱，致使SOC→CO2→HCO-3→CaCO3過程難以實現，因此土壤無機碳含量小于其他2種一年生的植被類型。

3.2 理化因子對土壤有機、無機碳含量的影響

土壤有機碳和無機碳含量與土壤理化因子密切相關。本研究依據土壤有機碳、無機碳含量與土壤理化因子的相關系數矩陣熱圖（圖3）和土壤理化因子重要性排序結果（圖4）來看，土壤鎂離子濃度、全氮含量、土壤pH對土壤有機碳和無機碳含量有重要影響。在高寒地區建植人工草地時應充分考慮土壤理化性質及養分條件對土壤有機碳和無機碳含量的影響。

鈣、鎂是植物生長發育以及生理代謝過程中的重要營養元素，土壤中的鈣作為鹽基離子影響土壤的酸堿度［32］。土壤中偏高的pH值、較高的Ca2+，Mg2+濃度等條件有利于碳酸鹽的淀積，而碳酸鹽的溶解發生在相反的條件下［33］。本研究中Mg2+對有機碳和無機碳的重要性分別為0.32，0.22，是碳含量的重要影響因子，且與有機碳呈極顯著負相關關系與無機碳呈極顯著正相關關系。造成這一結果的原因可能是研究區內土壤發育于富含碳酸鹽的第四紀黃土母質［34］，在較高Ca2+，Mg2+等鹽基離子濃度的土壤中，鹽基離子能夠促進碳酸鹽沉淀的形成［31］。土壤中的氮素主要依賴于有機質的積累和分解，有機碳又是有機質的重要組成成分，二者均受到有機質動態變化的影響，與土壤有機質關系密切［35］。本研究中全氮是土壤有機碳和無機碳的重要影響因子，與土壤有機碳呈極顯著正相關關系，與無機碳呈極顯著負相關。這與宋佳坤等［36］在內蒙古河套灌區研究結果一致。土壤pH通過影響微生物活動、群落結構，間接對土壤碳的累積和分解產生作用［37-38］。本研究土壤pH對有機碳的重要性為0.23，是土壤有機碳的重要影響因子，且與有機碳呈極顯著負相關性，即隨著土壤pH值增大有機碳含量下降，這與寧夏天然草地表層土壤有機碳和pH相關性研究結果具有一致性［39］。一定程度堿化的土壤環境會抑制微生物活性，使得有機質分解速率降低，但這反而有利于無機碳的累積［39］。土壤容重是衡量土壤結構的重要參數，其大小影響著土壤有機碳的含量［40］。本研究中土壤容重對有機碳和無機碳含量的重要性均較小，和有機碳呈顯著正相關，和無機碳呈極顯著負相關。新疆艾比湖濕地研究結果表明土壤容重與無機碳表現出負相關，且土層越深負相關性越強［41］，與本研究結果具有相似性。但也有研究結果表明土壤容重和有機碳表現有顯著的負相關關系［42］或者與無機碳呈正相關關系［43］，這可能是由于研究區域、取樣深度以及受人類活動影響程度不同造成的結果。土壤含水量是限制微生物活性和有機質分解的重要因素，水分通過改變土壤氧氣條件從而對微生物活性產生影響，最終影響土壤有機碳的礦化作用［44］。本研究土壤含水量對有機碳和無機碳的重要性僅為0.04，0.02，與有機碳呈負相關，與無機碳呈正相關，但相關性均不顯著。張雪妮等［41］研究結果顯示土壤無機碳與土壤含水量呈正相關關系，與本研究結果相反，但其研究結果也顯示出在0～20 cm土層二者的相關性并不顯著，與本研究結果具有一定的相似性。說明土壤碳含量與土壤含水量的相關性受到土層深度的影響。也有研究結果表明土壤含水量與有機碳呈負相關，與無機碳呈正相關。沙國良等［45］在黃土高原丘陵區研究退耕植被恢復對土壤碳庫的影響時發現土壤含水量與有機碳含量表現出顯著的負相關關系。張謙等［46］研究不同咸水滴灌下土壤有機碳和無機碳垂直分布特征，發現土壤含水量與無機碳含量呈正相關關系。研究區域不同將會影響各因素間的相互作用，因此有待更多區域尺度的研究。

4 結論

有機碳和無機碳含量在高寒人工草地3種植被類型下具有顯著的差異性。土壤有機碳含量在多年生植被類型下最高，無機碳則在一年生單播植被類型下累積效果最好。土壤有機碳和無機碳含量影響重要性前三的因子均為土壤鎂離子濃度、全氮含量、土壤pH，說明該研究區土壤鎂離子濃度、全氮含量、土壤pH是影響土壤有機碳和無機碳含量的主要因素。因此，選擇多年生或禾本科、豆科混播植被類型有利于土壤有機碳的累積，而單播一年生牧草對無機碳蓄積效果更佳。且在高寒地區建植人工草地時應充分考慮土壤理化性質及養分條件對土壤有機碳和無機碳的影響。

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（責任編輯 彭露茜）

收稿日期：2023-01-11；修回日期：2023-03-15

基金項目：青海省應用基礎研究項目（2023-ZJ-767）、中國科學院西部之光跨學科創新團隊項目（CASLWC-2021）、國家重點研發計劃（2021YFD1600205）、第二次青藏高原綜合科學考察研究（2019QZKK040104）資助

作者簡介：李娜（1999-），女，漢族，山西永濟人，碩士研究生，主要從事草地生態研究，Email：lina211@mails.ucas.ac.cn;*通信作者Author for correspondence，E-mail：sxxu@nwipb.cas.cn