藏東南色季拉山西坡土壤有機(jī)碳庫研究

馬和平，郭其強(qiáng)，劉合滿，錢登鋒

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 860000;2.西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 860000)

土壤有機(jī)碳(SOC)是土壤植物生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對土壤物理、化學(xué)和生物特征的變換起著關(guān)鍵作用。土壤有機(jī)碳庫由連續(xù)的不同分解階段的有機(jī)物組成，包括已經(jīng)完全分解的腐殖質(zhì)、半分解有機(jī)殘?bào)w和微生物及其分泌物［1］。土壤活性有機(jī)碳庫是指受植物和微生物影響強(qiáng)烈，具有一定溶解性、移動(dòng)較快且容易礦化的那一部分土壤碳素。近年來，土壤有機(jī)碳研究受到人們普遍關(guān)注，已成為全球變化研究的三大熱點(diǎn)之一［2-10］。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力最強(qiáng)的碳庫，其碳吸收特征與環(huán)境控制機(jī)制的研究已經(jīng)成為全球氣候變化研究的焦點(diǎn)問題［11-13］。森林土壤有機(jī)碳庫在維持森林立地生產(chǎn)力以及全球碳平衡過程中起著重要的作用［14-15］。隨著全球?qū)ν寥蕾|(zhì)量的日益關(guān)注，土壤有機(jī)碳作為衡量土壤質(zhì)量高低的重要指標(biāo)，已成為進(jìn)行森林可持續(xù)可參考的重要依據(jù)之一［16-17］。

青藏高原因海拔高、氣候寒冷，稱為世界第三極，被認(rèn)為是氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)［18］。高原四周存在對比強(qiáng)烈的氣候和植被地帶［19］。而位于西藏東南部林芝縣境內(nèi)的色季拉山是念青唐古拉山余脈與喜馬拉雅山東部向北發(fā)展的山系結(jié)合部。近10年來，我國對土壤有機(jī)碳的研究日益增多，但是對西藏色季拉山的土壤有機(jī)碳的研究幾乎是空白。本文選定西藏色季拉山不同植被類型(高山灌叢、杜鵑林、冷杉林和林芝云杉林)生態(tài)系統(tǒng)中土壤為對象，測定分析了不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳，旨在揭示亞高山寒溫帶地區(qū)不同植被類型土壤質(zhì)量影響的機(jī)理，同時(shí)，也可為系統(tǒng)認(rèn)識亞高山寒溫帶不同生態(tài)系統(tǒng)森林土壤碳匯提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

色季拉山位于西藏東南部林芝縣境內(nèi)，位于29°10'—30°15'N，93°12'—95°35E，是念青唐古拉山余脈與喜馬拉雅山東部向北發(fā)展的山系結(jié)合部，處于半濕潤區(qū)與濕潤區(qū)的過渡地帶，海拔2200—5300m，面積約2300km2。本研究位于色季拉山西坡，約在29°38'N，94°43'E，海拔3600—4400m地帶，平均坡度35°左右。由于雅魯藏布江的水氣通道作用，該區(qū)域受印度洋暖濕季風(fēng)的影響，為亞高山寒溫帶半濕潤區(qū)，年均溫－0.73℃，最暖月(7月)平均氣溫為 9.8℃，最冷月(1月)平均氣溫為 －13.8℃;年降水量 1134mm;蒸發(fā)量554mm，占全年降水的30%;年平均相對濕度78%。

色季拉山土壤以山地棕壤和酸性棕壤為主。但由于不同坡向和不同海拔高度而形成的綜合生態(tài)環(huán)境的差異，致使林下土壤的發(fā)生層次和理化性狀差別顯著，主要表現(xiàn)在發(fā)生層中有無灰化層、凋落層厚度、土壤含水率、有機(jī)質(zhì)含量等幾個(gè)方面。根據(jù)土壤形成環(huán)境與土壤性狀及兩者相互作用的綜合特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)的土壤可劃分為以下幾種類型:海拔4800m以上的高山寒漠土、林線以上的高山草甸土、高山灌叢下的亞高山灌叢草甸土、高海拔冷杉林下的山地漂灰土、針闊混交林下的山地暗棕壤，土層平均厚度60cm，母巖以花崗巖為主。

在色季拉亞高山地帶，急尖長苞冷杉在喬木層中占絕對優(yōu)勢，是構(gòu)成群落外貌的主要建群種。該區(qū)域現(xiàn)有植被屬于原始森林，在3300—3600m海拔范圍內(nèi)以林芝云杉原始森林為主，郁閉度0.7—0.8，川滇高山櫟多為伴生樹種，林下灌木以杜鵑、忍冬主。在3700—4300m海拔范圍內(nèi)，廣布著急尖長苞冷杉原始森林，林下多為杜鵑屬灌木，郁閉度隨海拔高度增加而減小，林線處郁閉度只有0.2;在林線(4340m)處，為高山灌叢，郁閉度較大，可達(dá)0.8。

1.2 樣地設(shè)置

本研究在色季拉山西坡，從海拔3600—4360m選擇高山灌叢(Alpine shrub，AS)、杜鵑林(Rhododendron forest，RF)、急尖長苞冷杉林(Abies georgei var.smithii forest，AGSF)和林芝云杉林(Picea likiangensis var.linzhiensis forest，PLLF)4種典型森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，在每種生態(tài)系統(tǒng)類型中設(shè)置了3個(gè)20m×30m的固定樣地進(jìn)行研究。對樣地內(nèi)≥1.5m的喬木樹種進(jìn)行每木檢尺，實(shí)測其胸徑、樹高、冠幅、郁閉度等指標(biāo);下木、活地被物的調(diào)查樣地按對角線法設(shè)置(2m×2m)，調(diào)查每個(gè)樣方中高度＜1.5m的喬木樹種幼樹、幼苗數(shù)量及高度、地徑，并用輪枝法查數(shù)幼樹年齡;統(tǒng)計(jì)灌木、草本(包括蕨類植物)和層間植物的種類、株數(shù)(或叢數(shù))、高度、蓋度。表1列出這些固定樣地的立地狀況和植被組成。

1.3 土壤樣品的采集與處理

2011年7月，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地有代表性的部位，分別挖取3個(gè)土壤剖面。觀察剖面特征后，用100cm3環(huán)刀測定土壤容重，按0—10cm、10—20cm和20—40cm深度采集土壤約200g，分別裝入自封袋中并做好標(biāo)記。土樣采集后，由于樣品個(gè)數(shù)多，按每個(gè)樣品進(jìn)行單一測定，需要的時(shí)間較長，并且較多的樣品不能在同一個(gè)培養(yǎng)箱中容納，為了克服因處理時(shí)間差異和培養(yǎng)箱的不同而造成的較大誤差，根據(jù)混合土樣采集測定中關(guān)于混合土樣采樣單元不少于5個(gè)及樣點(diǎn)差異與統(tǒng)計(jì)分析的要求，采取多點(diǎn)混合土樣樣品處理法。高山灌叢樣地內(nèi)土樣按土層每4個(gè)點(diǎn)混合為1份，山地森林中土樣按土層每5個(gè)點(diǎn)混合為1份，均為3次重復(fù)。揀除石塊等雜物后，每份土樣又均勻分成兩部分，一部分放入冰箱(溫度4℃)用于測定土壤微生物和活性;另一部分裝在土樣袋中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干用于測定土壤有機(jī)碳和全氮。

1.4 室內(nèi)分析指標(biāo)及分析方法

土壤總有機(jī)碳的測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，土壤顆粒有機(jī)碳的測定參考Garten等的測定方法［20］，土壤易氧化碳的測定采用徐明崗等的測定方法［21］。

微生物量碳測定方法:稱取20 g鮮土于50 mL的燒杯中，將其放置于真空干燥器中，并放入裝有去乙醇的氯仿(約2/3燒杯)的50 mL燒杯，燒杯內(nèi)放入少量沸石，用真空泵抽真空使氯仿沸騰5 min。關(guān)閉真空干燥器閥門，在室溫避光下熏蒸24 h。熏蒸結(jié)束后，打開真空干燥器的閥門，取出盛有氯仿的燒杯，然后用真空泵抽空3—4次，使?jié)B透到土樣中的氯仿全部被排除。熏蒸結(jié)束后將土樣轉(zhuǎn)移到250 mL的三角瓶中，加入80 mL 0.5mol/L K2SO4震蕩1 h。用中速定量濾紙過濾。濾液用Multi C/N 3100分析。未熏蒸的樣品提取和分析方法與上同。熏蒸和未熏蒸的有機(jī)碳的差值除以系數(shù)0.45得到微生物量有機(jī)碳。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel和SPSS11.5 For windows統(tǒng)計(jì)軟件對測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型生態(tài)系統(tǒng)土壤容重和pH的變化

不同植被類型各森林生態(tài)系統(tǒng)土壤在0—40 cm之間，pH逐漸升高，土壤容重也隨之增加。從土壤溶液pH值的變化來看，隨著海拔高度的降低，土壤的pH值逐漸增高。另外，本研究表明土壤容重隨土壤深度的增加而增大，其總體平均值變化范圍為0.12—0.94 g/cm3。

2.2 不同植被類型土壤有機(jī)碳含量和和全氮含量的變化

本研究表明，在剖面垂直分布上，在同一生態(tài)系統(tǒng)中，SOC含量在(0—10cm)有機(jī)碳含量最多，并隨土壤深度的增加有機(jī)碳含量遞減，可見，土壤深度對有機(jī)碳含量具有顯著的影響。這與以前的研究結(jié)果相符［22-24］。究其原因，殘枝落葉分解后輸入土壤的有機(jī)碳都聚集在土壤表層，土壤有機(jī)碳的表聚性較明顯，說明植被類型的差異對該變化影響較大。

土壤TN含量因土壤類型和植被類型不同而不同，同一土壤類型上不同植被類型間，以及相同植被類型在不同土壤類型間的TN含量差異與SOC含量差異基本一致。由于不同植被類型下枯落物的數(shù)量和組分不同，不同土壤類型上的枯落物的分解速率不同，因此植被類型和土壤類型會(huì)造成進(jìn)入土壤有機(jī)碳和總氮有所差異。

表1 樣地立地狀況和植被組成Table 1 Site characteristics and vegetation composition of the sample plots

表2 樣地土壤的基本性質(zhì)Table 2 Basic characters of soil

表3 不同植被下土壤有機(jī)碳和全氮含量Table 3 Soil organic carbon(SOC)and total N content under different vegetation types

4種植被的不同土層總有機(jī)碳和全氮含量、土壤碳氮比不同(表3)。就土壤總有機(jī)碳和全氮含量，AS、RF、AGSF和PLLF隨土層加深而下降;隨著海拔的升高而增大。在不同土壤層次，土壤總有機(jī)碳表現(xiàn)在0—10cm均差異顯著;在10—20cm AS與RF差異顯著，而AGSF與PLLF差異不顯著;在20—40cm AS與RF差異不顯著，而AGSF與PLLF差異顯著(P＜0.05)。土壤全氮表現(xiàn)在0—10cm AS均差異顯著，而RF、AGSF和PLLF差異不顯著;在10—20cm AS、RF、AGSF與 PLLF均相差顯著;在20—40cm AS、RF、AGSF與 PLLF均相差不顯著(P＜0.05)。土壤碳氮比均表現(xiàn)為:AS、RF大于AGSF、PLLF，且AGSF和PLLF差異不顯著。這一方面是PLLF處在較低海拔，溫度相對較高，但降水量低而土壤可能較干旱，使土壤微生物活動(dòng)受到限制;而AS土壤濕度雖然較大，但地處較高海拔而溫度較低也不利于微生物的活動(dòng);BR和AGSF森林中溫濕度都較為適宜，所以有利于有機(jī)質(zhì)積累。另一方面是低海拔森林土壤有機(jī)質(zhì)輸入量高，但是分解速率快，而高海拔有機(jī)質(zhì)輸入多，而分解慢。這也符合從較溫暖地區(qū)到寒冷地帶土壤中碳氮含量呈現(xiàn)增加并且隨有效水分增加而增加的趨勢。

另外，在0—10cm 土層中，土壤總有機(jī)碳含量 AS比 RF、AGSF、PLLF分別高出 15.5%、37.0%和118.7%，全氮含量AS比RF、AGST、PLLF分別高出36.5%、51.9%和78.0%。在10—20cm中總有機(jī)碳 RF比 AS、AGSF、PLLF 分別高出21.9%、74.1%和89.9%，而全氮 AS 比 RF、AGST、PLLF 分別高出7.0%、36.5%和63.1%。在20—40cm 土層中總有機(jī)碳 RF比 AS、AGSF、PLLF分別高出9.0%、56.8%和164.1%，全氮20—40cm 土層中 AS 比 RF、AGST、PLLF 分別高出0.9%、28.4%和33.5%。

2.3 不同植被類型下土壤微生物量碳氮特征

本研究表明，土壤微生物量碳含量與土壤總有機(jī)碳含量關(guān)系密切，呈顯著的正相關(guān)。土壤微生物生物量氮含量和比例隨微生物生物量碳含量和比例增加而增加，且隨土層加深而下降。不同植被類型土壤微生物生物量碳含量在20—40cm土層中最低，在0—10cm和10—20cm，AS與RF、AGSF差異顯著，而RF與AGSF差異不顯著，與PLLF差異顯著;在20—40cm AS差異顯著，而RF、AGSF、PLLF差異不顯著(P＜0.05，表4)。土壤微生物量氮含量也隨土層加深而下降。在0—10cm，AS與RF、AGSF差異顯著，而AGSF與PLLF差異不顯著;在10—20cm AS、RF、AGSF與PLLF差異顯著;在20—40cm AS與RF差異不顯著，而AGSF與PLLF差異顯著(P ＜0.05，表4)。

表4 不同植被下土壤微生物量碳氮、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳Table 4 Microbial biomass carbon(SMBC)、nitrogen(SMBN)、particulate organic carbon(POC)and readily oxidizable organic carbon(ROC)content under different vegetation types

就土壤微生物量碳而言，在0—10cm、10—20cm和20—40cm土層中，均為AS＞RF＞AGSF＞PLLF。其中，在0—10cm，AS比 RF、AGSF、PLLF 分別高出27.6%、32.9%和46.9%。在10—20cm 中 RF 比AS、AGSF、PLLF分別高出115.5%、161.5%和169.3%。在20—40cm 土層中 RF比 AS、AGSF、PLLF分別高出41.7%、168.5%和177.8%。就全氮含量，在0—10cm AS＞RF＞AGST＞PLLF。而在10—20cm和20—40cm土層中為其中AS＞RF＞PLLF＞AGST。在0—10cm土層中AS比 RF、AGST、PLLF分別高出21.5%、79.7%和121.6%。在10—20cm土層中AS比RF、PLLF、AGST分別高出30.2%、110.5%和246.9%。而在20—40cm土層中 AS 比 RF、PLLF、AGST 分別高出 21.5%、96.5%和142.9%。

2.4 不同植被類型生態(tài)系統(tǒng)土壤活性有機(jī)碳含量與總有機(jī)碳的相關(guān)性

從表4可以看出，在AS中，土壤顆粒有機(jī)碳含量占土壤總有機(jī)碳含量的比率為0.20—0.56，易氧化有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳含量的比率為0.10—0.31，隨土壤深度的增加其比率減小。在0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm 土層中，POC 占 TOC 分別為 56.77%、23.01%、20.16%，ROC 占 TOC 分別為 31.80%、12.61%、10.54%。同理，在RF中0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm土層中，POC占TOC分別為12.28%、24.23%、20.29%，ROC 占TOC 分別為22.68%、10.64%、8.43%。在AGSF 中0—10 cm、10—20 cm 和20—40 cm 土層中，POC 占 TOC 分別為31.31%、27.23%、13.87%，ROC 占 TOC 分別為 21.32%、9.70%、7.00%。在 PLLF中0—10 cm、10—20 cm 和20—40 cm 土層中，POC 占TOC 分別為30.59%、27.47%、17.34%，ROC 占TOC 分別為 19.90%、7.9%、6.7%。

本研究表明，在不同植被類型的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物量碳含量與土壤總有機(jī)碳含量關(guān)系密切，呈顯著的正相關(guān)。這與前人的研究結(jié)果相一致［25］。不同植被類型土壤總有機(jī)碳含量、土壤顆粒有機(jī)碳和土壤易氧化碳含量均呈現(xiàn)出隨土層深度增加而遞減的變化趨勢。土壤顆粒有機(jī)碳含量和土壤易氧化有機(jī)碳含量與土壤總有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平，土壤顆粒有機(jī)碳含量和土壤易氧化有機(jī)碳含量的相關(guān)性在不同土層表現(xiàn)出顯著性。這表明土壤總有機(jī)碳含量的變化制約著土壤活性有機(jī)碳含量的變化。

3 結(jié)論

(1)在AS、RF、AGSF、PLLF0—40 cm之間，pH逐漸升高，土壤容重也隨之增加。隨著海拔高度的降低，土壤的pH值逐漸增高。不同土層總有機(jī)碳和全氮含量、土壤碳氮比不同，均表現(xiàn)為:AS、RF大于AGSF、PLL。

(2)在色季拉山(西坡)，土壤微生物量碳含量與土壤總有機(jī)碳含量關(guān)系密切，呈顯著的正相關(guān)。土壤微生物量氮含量變化趨勢與土壤微生物量碳含量變化一致。土壤顆粒有機(jī)碳含量和土壤易氧化有機(jī)碳含量與土壤總有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平。

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