新疆天山北麓中段不同植被类型下土壤有机碳组分特征及其影响因素

2022-08-10马辉英李昕竹马鑫钰贡璐

生态环境学报 2022年6期

马辉英，李昕竹，马鑫钰，贡璐 *

1.新疆大学生态与环境学院，新疆乌鲁木齐 830017；2.绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830017；3.新疆精河温带荒漠生态系统教育部野外科学观测研究站，新疆乌鲁木齐 830017

土壤是陆地生态系统中储量最大的有机碳库，储存着约1550 Pg有机碳，分别是生物碳库的3倍和大气碳库的2倍，其细微的变化将会引起大气中CO2浓度的改变，进而对全球变暖产生正、负反馈效应（Lal，2004；余健等，2014）。土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）来自地上植物残体输入和根系周转，并在土壤生物作用下以CO2输出，实现大气-植被-土壤碳库间的循环（Sollins et al.，1996；Hanson et al.，2000；Davidson et al.，2006）。土壤碳循环过程受植被类型、土壤理化性质和土壤微生物群落结构等多种因素影响（徐广平等，2019）。不同植被类型下土壤有机碳在土壤中输入、分解、转化、输出等过程存在差异（Lewis，2006；Wei et al.，2014）。探讨不同植被类型下土壤有机碳库特征及其影响因素对深入陆地生态系统碳循环研究及碳汇管理有重要的科学意义。

国内外学者针对土壤有机碳库开展了广泛的研究，学者们以热带雨林（张梦歌等，2020）、常绿阔叶林（黄桥明等，2020）、落叶阔叶林（Bowden et al.，2014）和针叶林（楚珺尧等，2014）等不同类型森林为研究对象，系统研究了有机碳的时空分布规律，从植被类型（Jobbagy et al.，2000）、气候（Pisani et al.，2015）、土壤环境（Amend et al.，2015）等多角度探讨了碳库变化的驱动机制。现有研究集中于季风气候区域的森林分布区（习丹等，2019），对地处内陆干旱区的森林生态系统涉及相对较少，且多以有机碳库整体的质量分数（肖烨等，2015）、储量特征（胡宗达等，2020）为主，对碳库组分特征的研究不足。天山处于中亚腹地，其森林生态系统是中国西北干旱区重要的碳库组成。在内陆区气候条件下，天山森林土壤碳库呈现出相应的分异规律（王慧杰等，2017），但其组分特征尚不明晰。本研究以天山中段森林生态系统中云杉林、灌丛地、草地3种植被类型下的土壤为研究对象，分析土壤有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）、轻组分有机碳（LFOC）和微生物生物量碳（MBC）等土壤有机碳组分质量分数特征，探讨有机碳组分质量分数与其环境因子的相关关系，为评估天山森林土壤固碳效应提供科学根据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区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，处于温带大陆性气候，年均气温为 2—3 ℃，历年最高气温为30.5 ℃，最低气温为-30.2 ℃，年均降水量400—600 mm，雨季集中在6—8月，年蒸发量150—980 mm，年平均相对湿度65%，干燥度1.4，无霜期89 d，积温1170.5 ℃，最大积雪深度为65 cm。森林土壤类型是以灰褐色森林土为主。植被垂直地带性分布明显，从高海拔到低海拔依次分布着亚高山草甸、森林、草原等植被类型。主要森林类型为北方温带针叶林，其中该地区数量最大、范围最广的物种是雪岭云杉（Piceaschrenkiana），主要分布在中高海拔地区的背阴面，分布较为广泛。天山主要灌木植物有黑果小檗（Berberisheteropoda）、红果小檗（Berberisnummularia）、天山花楸（Sorbus tianschanica）、黑果荀子（Cotoneaster melanocarpus）、蔷薇（RosamultifoloraThunb.）等，主要草本植物有绣线菊（Spiraeahypericifolia）、忍冬（LonicerajaponicaThunb.）、老鹳草（Geranium wilfordiiMaxim.）、天山羽衣草（Alchemilla tianschanica）、羊角芹（Aegopodiumpodagraria）、婆婆纳（VeronicaciliataFish）、青兰（Dracocephalum moldavica）、鹿蹄草（Pyrolacalliantha）、千叶草（Mnehlenbeclciacomplere）等。

其中，云杉林样地以雪岭云杉（Picea schrenkiana）为主，林下分布少量植物；灌丛样地分布有黑果小檗（Berberisheteropoda）、红果小檗（Berberisnummularia）、天山花楸（Sorbus tianschanica）等；草地分布有绣线菊、天山羽衣草（Alchemillatianschanica）、羊角芹（Aegopodium podagraria）等。林下土壤类型均为灰褐色森林土。

1.2 野外采样

在天山选取植被面积较大、植物长势较为一致的区域，依据不同植被类型云杉林、灌丛、草地设3处各土壤类型均包含的典型样地，各样地地理位置相近，其水平距离相距不超过1 km，海拔高度不超过20 m（表1）。每个样地随机选取3块5 m×5 m样方，且样方间隔不小于10 m，于2017年8月开展采样工作。每个样方按S形采集5个样点，利用土柱法在每个样点采集0—10 cm和10—20 cm深度的土样，同层土样五点混合带回实验室。将一部分土样4 ℃冷藏保存，过2 mm孔径筛用于测定土壤DOC与MBC质量分数。另一部分风干处理，过筛装袋保存，用于测定SOC和LFOC质量分数、pH值、电导率等。每个指标均测定3个重复。

表1 不同植被类型样地基本情况Table 1 Basic information of sample sites of different vegetation types

1.3 实验方法

本研究测试的指标有土壤有机碳质量分数、可溶性有机碳质量分数、轻组分有机碳质量分数、微生物生物量碳质量分数、含水量、pH值、电导率、容重、全氮和全磷。

土壤总有机碳质量分数根据国家标准GB 7857—1987（刘光崧，1996）与LY/T 1237—1999使用重铬酸钾氧化−外加热法重铬酸钾氧化-外加热法，测定土壤可溶性有机碳质量分数采用 Jones et al.（2006）的方法进行测定，土壤轻组分有机碳质量分数采用Janzen et al.（1992）的方法分离测定，土壤微生物量碳质量分数采用氯仿熏蒸提取法测定，其中转化系数为0.33。土壤含水量采用烘干法测定，土壤pH值采用电位法测定，土壤电导率采用电导仪测定法测定（鲍士旦，2000）。

1.4 数据处理

数据分析及图表制作应用Excel 2007和SPSS 17.0软件，各土壤有机碳及其组分质量分数的结果均用算术平均值来表示。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较不同植被类型、和土层深度土壤有机碳及其组分质量分数特征的差异。应用Canoco 4.5进行冗余分析，对土壤有机碳各组分间及其与土壤环境因子之间的相关性进行研究。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下土壤有机碳组分质量分数统计学分析

对研究区3种不同植被类型下土壤有机碳及其组分质量分数特征进行经典统计学分析，结果如表2所示。SOC质量分数在研究区内变化较大，均值为92.26 g·kg-1，最大值出现在云杉林，为 115.66 g·kg-1，最小值出现在草地，为76.27 g·kg-1；DOC质量分数和LFOC质量分数的变化较小，均值分别为3.97、8.88 g·kg-1；MBC的质量分数变化幅度在260.89—324.34 mg·kg-1之间，其均值为 293.93 mg·kg-1。SOC、DOC、LFOC和MBC的质量分数在3种植被类型下均呈现云杉林>灌丛地>草地的趋势。

表2 不同植被类型下土壤有机碳及其组分质量分数的统计学分析Table 2 Descriptive statistical analysis of soil organic carbon fractions in different vegetation types

分析各参数变异系数可知，数值均在12.88%—60.39%之间，即SOC、DOC、LFOC和MBC在全部植被类型皆呈现中等变异。

2.2 不同植被类型下土壤有机碳组分质量分数差异性

不同土层云杉林、灌丛地和草地土壤有机碳组分质量分数见图1。在表层（0—10 cm）和下层（10—20 cm）土壤中，各植被类型下土壤活性有机碳质量分数差异均较显著（P<0.05），总体趋势表现为云杉林>灌丛地>草地，在同一土层不同植被类型之间SOC、DOC、LFOC和MBC质量分数差异显著（P<0.05）。

图1 不同植被类型下土壤有机碳组分质量分数Figure 1 Soil organic carbon components under different vegetation types

同一植被类型下SOC、DOC、LFOC和 MBC的质量分数随着土层深度增加而呈降低趋势，且表层（0—10 cm）质量分数显著高于下层（10—20 cm），其中 SOC、LFOC、MBC在3种植被的不同土层中质量分数差异均显著（P<0.05），而DOC质量分数差异性仅在草地（P=0.031<0.05）的不同土层之间表达为差异显著，而在云杉林（P=0.060>0.05）和灌丛（P=0.109>0.05）中表现为无显著差异。

2.3 土壤有机碳组分的协同效应分析

土壤有机碳组分质量分数受植被类型和土层深度的影响，协同效应分析见表 3。土层深度与植被类型对土壤有机碳各组分质量分数的影响均达到极显著性水平（P<0.01），其中植被类型影响效果最明显，其SOC、DOC、LFOC和MBC的离差平方和分别达到 5148.741、0.052、13.709和5291.743。以上两种因素对有机碳组分质量分数总体变异的贡献大小次序是植被类型>土层深度。

表3 土层深度和植被类型对土壤有机碳组分的协同效应分析Table 3 Analysis of synergistic effects of soil depth and vegetation type on soil organic carbon components

2.4 土壤有机碳组分质量分数与土壤环境因子的相关性

2.4.1 土壤有机碳组分质量分数与土壤环境因子的Pearson相关性

土壤有机碳组分质量分数与土壤环境因子的相关性见表4。结果表明，在有机碳组分质量分数间，SOC与LFOC呈显著正相关关系（P<0.05），且SOC与DOC、MBC相关性不明显；土壤LFOC与DOC、MBC呈显著负相关关系（P<0.05）；土壤DOC与MBC间呈现相同的变化趋势（P<0.05）。在有机碳组分质量分数与土壤环境间，DOC和MBC与含水量呈显著正相关关系（P<0.05），SOC各组分质量分数均未与pH值和电导表现出明显的相关关系。以上结果说明，植被类型和土层深度等均是各有机碳质量分数的显著性影响因子。土壤可溶性有机碳与微生物生物量碳间呈极显著正相关关系，表明两者主要碳源大致相同。同时，LFOC与DOC、MBC呈极显著负相关，说明各活性碳相互之间关系密切，且均从不同角度反映了土壤有机碳的动态特征。SOC各组分质量分数均受到土壤水分不同程度的影响，大部分表现为正相关性，表明水分的升高有利于凋落物分解、有机碳矿化和微生物活性的提高，从而导致有机碳活性组分质量分数的增加。

表4 各植被类型土壤表层有机碳及其组分质量分数与土壤环境因子的关系Table 4 Relationship between the content of surface organic carbon and its components in soils of various vegetation types and soil environmental factors

对土壤有机碳组分质量分数和经过变异膨胀因子筛选后的 4个环境因子进行 RDA，获得这 4个环境因子对土壤有机碳组分质量分数的解释，见表 5。有机碳组分质量分数在第Ⅰ轴、第Ⅱ轴的解释量分别为89.6%和1.5%，累计解释的有机碳组分质量分数信息量为91.1%，对有机碳组分质量分数和土壤环境因子的关系累计解释量达 100%。据此可知前两轴能够较好地反映土壤有机碳组分质量分数与环境因子的关系，且是由第Ⅰ 轴决定的。

表5 土壤有机碳组分质量分数的变化解释变量冗余分析Table 5 RDA of Soil organic carbon fractions content

进一步得到有机碳组分质量分数与环境因子关系的二维排序图，如图 2。土壤有机碳组分用蓝色线条表示，环境因子用红色线条表示。从图2可知，土壤电导率、pH值和土壤容重这3条线的箭头连线相对较长，说明土壤电导率、pH值和土壤容重对土壤有机碳组分质量分数的差异性起到很好的解释。说明土壤含水量和土壤容重与土壤有机碳组分之间均呈正相关，而土壤电导率和土壤pH值与土壤有机碳组分均为负相关，并且土壤有机碳组分之间也为正相关。

图2 土壤有机碳组分质量分数与环境因子关系的冗余分析二维排序图Figure 2 Bidimensional ordering chart of the RDA of relationships of soil organic carbon fractions content with their environmental factors

根据上述研究结果，说明土壤环境因子对土壤有机碳组分的影响存在差异。对4个环境因子进行蒙特卡洛检验，得到环境因子变量的重要性排序，如表 6。土壤环境因子对土壤有机碳组分影响的重要性由大到小依次为土壤电导率、土壤容重、土壤pH值、土壤含水量，并且 4种环境因子对土壤有机碳组分征的影响均为极显著（P<0.01）。土壤电导率、土壤容重、土壤pH值和土壤含水量的解释量占所有环境因子解释量的比例分别 87.7%、79.4%、67.9%和35.8%，说明土壤电导率、土壤容重、土壤pH值和土壤含水量都对土壤有机碳组分有重要影响。

表6 土壤环境因子解释的重要性排序和显著性检验的结果Table 6 Importance sequencing and Duncan test of soil environmental factors

3 讨论

3.1 不同植被类型下土壤有机碳组分质量分数特征

土壤有机碳主要来自于植物凋落物元素归还和根系分泌物代谢过程（倪惠菁等，2019）。相关研究发现，SOC质量分数主要会受气候、植被类型、植被龄级等综合作用的影响，其中植被类型起主要影响（Jobbagy et al.，2000；Wang et al.，2004）。本研究中不同植被类型土壤总SOC、DOC、LFOC和MBC质量分数均表现为云杉林>灌丛>草地，植被类型对土壤有机碳组分在土壤中的分布影响显著，这与胡尧等（2018）的研究相似。微生物生物量碳、轻组碳和可溶性碳与总有机碳表现一致，这是可能因为轻组碳、微生物生物量碳、可溶性碳可能是微生物分解的底物。雪岭云杉林作为天山森林的建群种，其林下大量植物凋落物和根系分泌物为土壤提供了丰富的碳源，同时，雪岭云杉林可以有效地吸收并固定大气中的CO2，一部分以SOC的形式贮留在土壤中；灌丛中黑果小檗等生长繁密，植被覆盖度也相对较高，地下细根比例高且周转速率快，土壤有机碳质量分数仅次于森林；草地植被根系浅，凋落物等外源碳输入物质相对云杉林和灌丛较少，因此其土壤有机碳质量分数最低（陈心桐等，2019）。

3.2 不同土层间土壤有机碳组分质量分数特征

土壤中 SOC质量分数反映了进入土壤的、以植物为主的生物残体等有机物质输入与土壤微生物分解作用为主的有机物质输出之间的动态平衡（向成华等，2010）。本研究中，天山云杉林、灌丛、草地的土壤有机碳质量分数呈现出随着土层深度的增加而降低的趋势，这与武小钢等（2014）、张莎莎等（2020）、王浩等（2022）的研究相类似。0—10 cm土层的SOC质量分数占总SOC质量分数50%以上，并且与土层深度呈反比。DOC、MBC和LFOC也均表现出随土层深度逐渐降低的趋势。天山森林生态系统受人为干扰相对较少，表层土壤被枯枝落叶覆盖，营养源充足、温度和通气条件良好，有利于土壤中细菌、真菌、藻类等微生物生长繁殖；另一方面，表层土壤植物细根分布相较集中，有机质输入量高，溶解在土壤溶液中的各类有机碳质量分数高，从而影响土壤中DOC、MBC的分布（Jobbagy et al.，2000；苗娟等，2014）。土壤表层生境条件较好、土壤通气状况好、有机物的输入和分解速率较高都是影响LFOC的主要原因（侯翠翠等，2011）。

3.3 土壤有机碳组分与土壤环境因子的关系

影响土壤有机碳组分质量分数的因子较多，本研究通过进一步对植被类型和土层深度的协同效应处理研究发现，植被类型和土层深度均是有机碳组分质量分数的显著性影响因子，其中植被类型影响最为显著。同时，不同土层深度对 SOC各组分质量分数的显著影响更进一步解释了 SOC的表聚现象。对土壤有机碳组分的相关分析表明不同组分间的有机碳质量分数存在相互影响与联系，SOC、DOC、LFOC和MBC之间均呈正相关关系，这与姜培坤等（2007）的研究结果一致，说明了土壤中各碳组分之间关系密切。对环境因子和土壤有机碳组分进行冗余分析后发现，环境因子当中，土壤电导率、土壤pH值是土壤有机碳组分影响的重要因子，其次是土壤容重和土壤含水量。本研究中，土壤电导率和土壤 pH值与土壤有机碳组分均为负相关。较大的土壤 pH值和全盐会对微生物活性、植物生长和土壤养分有效性等有负面影响（祖元刚等，2011）。土壤含水量和土壤容重与土壤有机碳组分之间均呈正相关，而充足的水分为凋落物分解、有机碳矿化等生态过程提供了有力的条件，并使得微生物保持良好的活性，从而促进土壤有机碳积累，这与大多学者的研究结果相一致（Fernández et al.，2021；Wang et al.，2021）。土壤容重直接影响到孔隙度，大部分研究表明土壤容重与有机碳呈现负相关系（张勇等，2008；盛茂银等，2013）。而本研究中，云杉纯林林下的土壤容重较高，但其有机碳质量分数也较高，因此呈现正相关关系。