天山北坡土壤有機(jī)碳δ13C組成隨海拔梯度的變化

許文強(qiáng)，羅格平，陳　曦，馮異星，李超凡

(1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊　830011;2.貴州省黔南州國土資源儲備局，貴州 都勻　558000;3.中國科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京　210008)

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天山北坡土壤有機(jī)碳δ13C組成隨海拔梯度的變化

許文強(qiáng)1，羅格平1，陳曦1，馮異星2，李超凡3

(1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊830011;2.貴州省黔南州國土資源儲備局，貴州 都勻558000;3.中國科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京210008)

摘要：本文選擇天山北坡三工河流域作為研究區(qū)，基于碳穩(wěn)定同位素技術(shù)，分析土壤有機(jī)碳(SOC)δ13C值隨降雨量的變化，研究不同海拔梯度土壤剖面δ13C值隨采樣深度的變化。結(jié)果顯示，三工河流域降雨量在300 mm以下的采樣點，SOC δ13C值隨降雨量的增加呈遞減趨勢(R2=0.97)，而降雨量在300 mm～500 mm的采樣點，δ13C值隨降雨量變化不明顯(R2=0.04)；三工河流域純C3植物采樣點土壤剖面δ13C值隨采樣深度呈現(xiàn)明顯的富集效應(yīng)，即土壤剖面下層δ13C值大于上層，其平均差值為1.01‰，與其他相關(guān)區(qū)域研究結(jié)果一致；而沙質(zhì)荒漠和土質(zhì)荒漠采樣點剖面下層與上層SOC δ13C平均差值為4.33‰，其變化趨勢與純C3植物采樣點相反，且其表層δ13C值接近C4植物來源，底層接近C3植物來源，推斷其地上歷史植被可能經(jīng)歷了由C3到C4的演替過程。

關(guān)鍵詞：碳同位素；δ13C值；C3和C4植物；δ13C富集效應(yīng)；三工河流域

土壤有機(jī)碳(SOC)的同位素組成取決于其地表植被特征和氣候狀況，而SOC庫綜合了數(shù)年到數(shù)萬年植被的演替信息，是對區(qū)域生物量碳同位素組成變化的最佳記錄[1-3]。因此，利用土壤碳同位素技術(shù)提取當(dāng)時地表植被及氣候的信息成為全球變化研究的重要手段之一[4]。陸生植物主要包括C3和C4兩種光合途徑，其中C3途徑(Calvin cycle)植物的δ13C值處于-35‰～-20‰之間，平均值為-27‰；C4途徑(Hatch-Slack)植物的δ13C值更高，處于-19‰～-9‰之間，平均值為-13‰[2, 5]。土壤中的SOC主要來自于陸生高等植物，由于SOC分解過程中的同位素分餾作用比植物光合作用固定碳時小，SOC中的δ13C值與作為該有機(jī)碳來源植被的δ13C值基本一致，反映局部地區(qū)植被碳固定過程的同位素組成特征[1, 6]。可利用SOC的δ13C差異計算土壤或其組分中不同植物來源有機(jī)碳的比例和數(shù)量，重建地表植被的演替過程[5-7]。研究顯示，C3植物的δ13C值隨降雨量的增加顯著減小，其中Liu等[8]在中國西北部的研究發(fā)現(xiàn)，降雨量每增加100 mm，C3植物的δ13C值減小1.1‰，研究也發(fā)現(xiàn)SOCδ13C值隨剖面深度呈現(xiàn)明顯的富集效應(yīng)，其富集機(jī)制一直是研究重點和爭論的熱點[9-10]。中國西部干旱區(qū)生態(tài)系在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中起著重要的作用[8-9]，對干旱區(qū)碳元素在大氣-陸地生態(tài)系統(tǒng)儲存庫間的定量遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系研究有待加強(qiáng)。因此，發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)環(huán)境因素、植被和土壤有機(jī)碳間δ13C值的響應(yīng)特征，探討“干旱區(qū)土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)碳來源與轉(zhuǎn)化”是干旱區(qū)碳循環(huán)研究的重要領(lǐng)域和前沿，值得深入研究[11-12]。本研究選擇干旱區(qū)天山北坡的三工河流域作為研究區(qū)，圍繞干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤和植被δ13C的富集機(jī)制及其環(huán)境條件問題，分析SOCδ13C值隨降雨量的變化，研究不同海拔梯度SOCδ13C組成變化，為干旱區(qū)植被保護(hù)和區(qū)域碳循環(huán)提供依據(jù)。

1　資料與方法

1.1研究區(qū)概況

天山北坡三工河流域位于天山博格達(dá)山北坡及準(zhǔn)噶爾盆地南緣，流域面積約2 000 km2。自上游冰雪帶至下游沙漠區(qū)的直線距離約80 km，水平距離最寬約35 km，垂直高差約5 000 m。流域內(nèi)隨著海拔高度的不同，溫度、降水等差異顯著。南部山區(qū)海拔大于700 m，位于海拔1 800 m的天池氣象站觀測資料顯示年均降水量約525 mm，年均溫度2.2 ℃；中部平原區(qū)海拔500 m～700 m，位于海拔550 m的阜康市氣象站觀測資料顯示年均降雨量220 mm，年均溫度6.9 ℃；北部沙漠區(qū)海拔小于500 m，位于海拔480 m的中國科學(xué)院阜康荒漠站觀測資料顯示年均降雨量160 mm，年均溫度6.6 ℃。

三工河流域植被和土壤分布具有明顯的垂直地帶性。根據(jù)植被與土壤形成的關(guān)系，可劃分為6個帶，其中高山寒漠帶主要土壤類型為高山石質(zhì)土和高山漠土，高山亞高山草甸帶土壤類型為高山亞高山草甸土，中山森林草原帶土壤類型為山地灰褐土和黑鈣土，半干旱草原帶土壤類型為栗鈣土和棕鈣土，荒漠草原帶土壤類型為灰漠土，沙質(zhì)荒漠草原帶土壤類型為風(fēng)沙土和鹽化風(fēng)沙土。

1.2數(shù)據(jù)采集與分析

在三工河流域海拔3 130 m的高山草甸、2 390 m的山地草原、2 035 m的中山森林、1 717 m的半干旱草原、1 100 m的干旱草原、483 m的土質(zhì)荒漠灌叢和439 m的沙質(zhì)荒漠灌叢共7個采樣點各采集一個土壤剖面(表1)，剖面深度為1 m，每個剖面分5層采集土壤樣品，每層采集3個土壤樣品，采樣深度分別為0 cm～10 cm、10 cm～30 cm、30 cm～50 cm、50 cm～70 cm和70 cm～100 cm。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、研磨和過2 mm篩處理后，送實驗室分析。同時，在每個剖面位置采集地上植被優(yōu)勢種的新鮮枝葉樣品各1個(表1)，經(jīng)自然風(fēng)干和研磨后送實驗室分析。

土壤樣品分析項目包括SOC含量和SOC的δ13C值，植物樣品分析項目為植物有機(jī)碳(OC)的δ13C值。SOC用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；利用土壤和植物樣品制備的CO2氣體，采用德國生產(chǎn)的Finnigan MAT Delta Plus XP同位素比例質(zhì)譜儀測定土壤SOC和植物OC的δ13C值。其中土壤SOC樣品先經(jīng)H3PO4反應(yīng)移除無機(jī)碳，再通過高溫燃燒產(chǎn)生氣態(tài)CO2并純化后進(jìn)行SOC的δ13C值測定；植物OC樣品經(jīng)研磨后通過高溫燃燒產(chǎn)生氣態(tài)CO2并純化后進(jìn)行植物OC的δ13C值測定。所有同位素樣品測定均在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室完成。同位素樣品分析采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，表達(dá)為δ13C‰。文中不同海拔高度的降雨量數(shù)據(jù)由流域內(nèi)氣象站點數(shù)據(jù)進(jìn)行插值獲得。所有數(shù)據(jù)的匯總與分析通過數(shù)理統(tǒng)計分析軟件SPSS 11.5進(jìn)行。

表1　三工河流域采樣點信息描述Table 1　Sample site characteristics of Sangong river watershed

2　結(jié)果

2.1流域土壤和植被中δ13C均值變化

三工河流域不同海拔梯度土壤SOC和SOCδ13C值變化顯著(表2，P<0.01)。土壤SOC隨海拔高度升高先增加后降低，中山帶森林土壤SOC含量最高；土壤SOCδ13C值與海拔高度具有很好的線性負(fù)相關(guān)性(R2=0.88)。三工河流域植被樣品δ13C分析結(jié)果顯示，土質(zhì)荒漠和沙質(zhì)荒漠中的梭梭為C4植物，其他采樣點均為C3植物。

2.2土壤有機(jī)碳穩(wěn)定同位素隨降雨量的變化

三工河流域不同垂直梯度采樣點整個剖面SOCδ13C平均值變化范圍為-21.07‰～-26.77‰(表2)，隨降雨量的變化趨勢有一定的差異。降雨量在300 mm以下的采樣點，土壤SOCδ13C值隨降雨量的增加呈遞減趨勢(R2=0.97)，而降雨量在300 mm～500 mm的采樣點，SOCδ13C值隨降雨量變化不明顯(R2=0.04)(圖1)，這與wang等[4]在中國北方不同降雨量的溫帶干旱區(qū)、半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)的研究結(jié)果和Stevenson等[13]在美國西部華盛頓州的研究結(jié)果一致，可能與地上植被是否受干旱水分脅迫影響有關(guān)[14]。降雨量在300 mm～500 mm的采樣點植被對降雨量變化的響應(yīng)并不敏感，而降雨量在300 mm以下的采樣點植被受水分脅迫的影響，植被氣孔導(dǎo)度減小，胞間CO2分壓增加，導(dǎo)致植被δ13C值增加，最終使得降雨量越小的采樣點SOCδ13C值越大[4,15-16]。

表2　三工河流域不同海拔梯度土壤屬性均值統(tǒng)計Table 2　Descriptive statistics of soil properties along a vertical gradient in the Sangong river watershed

注：1)P<0.01

圖1　三工河流域不同海拔梯度SOC δ13C值隨降雨量的變化Fig.1　Variations of SOC δ13C with the annual precipitation along a vertical gradient in the Sangong river watershed

2.3土壤有機(jī)碳δ13C值隨深度的變化

在三工河流域，不同海拔梯度植被類型SOC含量隨深度變化差異較大(圖2a)。沙質(zhì)荒漠和土質(zhì)荒漠采樣點SOC含量較低，為1.65 g/kg和2.66 g/kg，且隨采樣深度變化不明顯；干旱草原采樣點SOC含量不高(4.94 g/kg)，但隨采樣深度的增加呈小幅遞減的趨勢；其他剖面SOC含量均隨采樣深度的增加呈明顯遞減趨勢，中山森林剖面SOC含量隨深度遞減幅度最大。沙質(zhì)荒漠、土質(zhì)荒漠和干旱草原采樣點SOC含量不高主要因為干旱氣候環(huán)境使地上植被生物量很小，致使SOC含量在整個剖面上都較低。

在干旱區(qū)三工河流域，干旱草原、半干旱草原、中山森林、山地草原和高山草甸采樣點植被類型為純C3植物，沙質(zhì)荒漠和土質(zhì)荒漠采樣點灌叢梭梭為C4植物，其下生長的一年生草本植物為C3植物。半干旱草原、中山森林和山地草原采樣點SOCδ13C值隨采樣深度的變化趨勢相似，即隨采樣深度呈增加趨勢，其中在0 cm～50 cm SOCδ13C值增加幅度較大(-25.51±0.95)‰，50 cm～100 cm增幅較小(-25.15±0.58)‰；高山草甸采樣點SOCδ13C值變化較小，50 cm～100 cmδ13C值略低于表層土壤，可能是由于高山草甸下層土壤中礫石較多，SOCδ13C值受巖石風(fēng)化物及土壤母質(zhì)影響所致；干旱草原采樣點SOCδ13C值隨采樣深度遞增明顯，增幅為0.25‰/10 cm(圖2b)；干旱草原、半干旱草原、中山森林、山地草原和高山草甸采樣點土壤剖面SOCδ13C值總的變化范圍為-26.95‰～-22.10‰，驗證了SOCδ13C為地表純C3植物來源。沙質(zhì)荒漠和土質(zhì)荒漠采樣點SOCδ13C值變化趨勢與其他采樣點相反，即δ13C值隨采樣深度遞減明顯，變化范圍分別為-20.19‰～-22.69‰和-18.01‰～-24.16‰(圖2b)，說明剖面表層土壤SOCδ13C值接近C4植物來源，而底層接近C3植物來源。

圖2　研究區(qū)土壤SOC(a)和δ13C值(b)隨土壤剖面深度的變化Fig.2　Variations in SOC (a) and δ13C (b) values with depth of soil profile in study area

3　討論

在三工河流域，純C3植物采樣點土壤剖面SOCδ13C值隨深度呈現(xiàn)明顯的富集效應(yīng)，即土壤剖面下層SOCδ13C值大于上層，其差值在干旱草原、半干旱草原、中山森林、山地草原和高山草甸采樣點分別為2.50‰、1.27‰、0.95‰、0.22‰和0.08‰，平均值為1.01‰。Wang等[9]在新疆焉耆盆地的研究顯示土壤剖面上下層土壤SOCδ13C差異為2‰，而相關(guān)研究顯示，干旱半干旱區(qū)土壤剖面下層與上層土壤SOCδ13C值差異為1‰～3‰[4, 9, 17]，與研究結(jié)果一致。

與研究區(qū)純C3植物采樣點土壤SOCδ13C的富集效應(yīng)相比，以C4植物(梭梭)為主的沙質(zhì)荒漠和土質(zhì)荒漠采樣點土壤SOCδ13C值具有相反的變化趨勢，即土壤剖面下層SOCδ13C值小于上層，其差值分別為2.50‰和6.15‰，平均值為4.33‰?；谝陨辖Y(jié)果，認(rèn)為該采樣點SOCδ13C值的變化除了受SOCδ13C富集機(jī)制的影響外，更重要的影響可能來自地上C3和C4植物的變化。沙質(zhì)荒漠和土質(zhì)荒漠采樣點土壤剖面SOCδ13C變化范圍分別為-20.19‰～-22.69‰和-18.01‰～-24.16‰，其表層SOCδ13C值接近C4植物來源，而底層接近C3植物來源，推斷其地上歷史植被可能經(jīng)歷了由C3到C4的演替過程，該推斷也與研究區(qū)相關(guān)植被演替的結(jié)論一致[18-19]。研究顯示，準(zhǔn)噶爾盆地南緣干旱區(qū)歷史植被演替可能存在草地生態(tài)系統(tǒng)被灌木生態(tài)系統(tǒng)所取代的過程，即C3草地演替為C4灌叢的過程，該現(xiàn)象已經(jīng)在世界其他干旱區(qū)得到驗證，如美國Chihuahuan和Mojave沙漠、非洲稀樹草原等[19-20]，但在中國西部準(zhǔn)噶爾盆地南緣還需要從不同學(xué)科進(jìn)行驗證。本研究將為證實這一現(xiàn)象的存在提供碳同位素生態(tài)學(xué)證據(jù)。

4　結(jié)論

通過分析三工河流域不同海拔梯度降雨量與土壤有機(jī)碳δ13C值的變化，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)降雨量在300 mm以下的采樣點土壤SOCδ13C值隨降雨量的增加呈遞減趨勢(R2=0.97)，而降雨量在300 mm～500 mm的采樣點變化不顯著R2=0.04。通過研究三工河流域不同海拔梯度剖面SOCδ13C值隨深度的變化，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)純C3植物采樣點土壤剖面SOCδ13C值隨深度呈現(xiàn)明顯的富集效應(yīng)；而沙質(zhì)荒漠和土質(zhì)荒漠采樣點土壤剖面下層與上層SOCδ13C平均差值為4.33‰，根據(jù)其變化范圍可知其表層SOCδ13C值接近C4植物來源，底層接近C3植物來源，因此推斷其地上歷史植被可能經(jīng)歷了由C3到C4的演替過程。本文闡明了我國西北干旱區(qū)典型流域不同海拔梯度土壤剖面有機(jī)碳和地上植物有機(jī)碳δ13C與降水量和C3到C4植被演替的關(guān)系，可為干旱區(qū)植被保育與區(qū)域碳循環(huán)研究提供基礎(chǔ)案例。

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收稿日期：2015-11-30;修回日期：2016-04-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41271323)；中國科學(xué)院特色研究所主要服務(wù)項目5課題2(TSS-2015-014-FW-5-2)

作者簡介：許文強(qiáng)(1979—)， 男， 甘肅高臺人，副研究員(博士)，主要從事干旱區(qū)碳循環(huán)研究

中圖分類號：S153;TL99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-7512(2016)03-0140-06

doi：10.7538/tws.2016.29.03.0140

Soil Organicδ13C Change Along a Vertical Gradient

in the Northern Slop of Tianshan Mountains

XU Wen-qiang1, LUO Ge-ping1, CHEN Xi1, FENG Yi-xing2, LI Chao-fan3

(1.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,

ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;

2.BureauofLandandResourcesReserveofQiannanState,Duyun558000,China;3.InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)

Abstract:Soil organic carbon (SOC) pool integrated the vegetation succession information from several years to thousands of years scales. It is an ideal tool to understand carbon isotope composition change and terrestrial ecosystem pathways. In this study, the Sangong river watershed was taken as a case. We had estimated the change of vegetation and soil organic along a vertical gradient using the carbon isotopic method, and analyzed the variations of mean SOC δ13C values with the annual precipitation, and researched the variations in SOC and δ13C values with profile depth in the study area. The results showed that the SOC δ13C decreased significantly with the increasing annual precipitation (R2=0.97) where the annual precipitation was less than 300 mm. When the annual precipitation was 300 mm～500 mm, the SOC δ13C was not significant changed with the increasing annual precipitation (R2=0.04). The enrichment effect of SOC δ13C with depth was significant in the sample site of pure C3 vegetation, that means lower layer SOC δ13C of profile was greater than the upper layer. The average difference of SOC δ13C between lower layer and upper layer was 1.01‰. The opposite trend of SOC δ13C was presented in the Desert and Shrubland sites. And that, the SOC δ13C value of upper layer closed to C4 vegetation source, and the lower layer closed to C3 vegetation source. Therefore, we can infer that the vegetation may have experienced from C3 to C4 in the sandy desert and terrene desert sites.

Key words：carbon isotope; δ13C value; C3 and C4 vegetation; enrichment effect of δ13C; Sangong river watershed