增溫對(duì)森林土壤有機(jī)碳含量的影響

馬勝蘭，吳鵬飛

(西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041)

【研究意義】土壤有機(jī)碳是土壤碳庫的主要成分，土壤有機(jī)碳的積累和分解的速率決定著土壤碳庫儲(chǔ)量[1-2]。據(jù)估算全球約有1500 Gt碳是以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)存于地球土壤中[3]。由于其儲(chǔ)量巨大，土壤碳循環(huán)過程以及土壤有機(jī)碳的微小幅度變化對(duì)全球變暖的反饋?zhàn)饔梅浅Ｃ黠@[4]。森林土壤是生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫，儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)地上部分80 %和地下部分40 %的有機(jī)碳[5]。因此，研究森林土壤有機(jī)碳含量及其分布狀況、變化規(guī)律和主要影響因素對(duì)評(píng)估土壤碳儲(chǔ)量具有重要意義[6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】已有研究表明全球氣候變暖，土壤微生物的活動(dòng)增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)分解速率提高[7]。溫度每升高1 ℃，全球?qū)⒎纸?1～34 Gt土壤有機(jī)碳，釋放出更多的CO2，從而又加劇了全球變暖[8-9]。在不同的生物氣候條件和人類擾動(dòng)下，土壤有機(jī)碳積累的數(shù)量存在很大差異[10]。我國學(xué)者也對(duì)不同地區(qū)的土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行了大量研究表明土壤有機(jī)碳分布與地形、植被和土壤理化因子之間存在密切關(guān)系[11]。鑒于土壤有機(jī)碳在全球碳循環(huán)中的重要地位，每年均有大量的土壤有機(jī)碳的研究報(bào)道，但不同生態(tài)系統(tǒng)和不同的研究方法，導(dǎo)致最終結(jié)果可比性較低[12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】青藏高原被國際生物圈(IBP)研究計(jì)劃列為全球氣候變化的敏感區(qū)域，貢嘎山位于其東緣是研究森林土壤有機(jī)碳對(duì)增溫響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制的天然實(shí)驗(yàn)室[13]。因此本文在貢嘎山東坡利用土柱移植法模擬增溫，研究森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量對(duì)氣候變暖的響應(yīng)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在查明不同增溫條件下森林土壤有機(jī)碳含量對(duì)全球變暖響應(yīng)趨勢(shì)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貢嘎山(29 20′～30 20′ N,101 30′～102 15′E)位于青藏高原與四川盆地過渡帶屬于高山峽谷類型，主峰海拔7556 m，是橫斷山系的最高峰[14]。貢嘎山位于中國東部亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)與青藏高寒冷氣候區(qū)的過渡帶上，受亞熱帶季風(fēng)氣候和高山氣候的影響，氣候溫暖潮濕年均氣溫4.3 ℃，年最高氣溫為23.2 ℃，年最低溫度為-14.0 ℃。年均降水量約1900 mm,主要集中在6-12月；年蒸發(fā)量小于300 mm[15]。貢嘎山東坡巨大谷嶺高差達(dá)6400 m，導(dǎo)致水熱條件分布不均。貢嘎山海拔每升高100 m，氣溫降低0.67 ℃，降雨量增加67.5 mm[16]。隨著海拔上升水熱因子等條件的改變[17]，貢嘎山的植被分布形成其獨(dú)特的垂直地帶性，從低海拔到高海拔形成了亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶、寒帶和冰雪帶6個(gè)垂直氣候帶，對(duì)應(yīng)的形成了次生闊葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、針闊混交林、暗針葉林、亞高山灌叢及亞高山草甸，具有十分典型的自然垂直帶譜[18]。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 2014年11月在貢嘎山東坡根據(jù)不同海拔的植被、氣候類型等具體自然地理環(huán)境選擇了5個(gè)海拔梯度，從上到下依次為3200、2800、2400、2000、1600 m，分別以E0、E1、E2、E3、E4編號(hào)。在3200 m(E0)處選擇5個(gè)3 m×3 m的樣方，水平間距5 m，避開林窗、滑坡、亂石、枯倒木等。用內(nèi)徑30 cm、高45 cm的PVC管在每個(gè)樣方內(nèi)采集40個(gè)土柱，一共200個(gè)土柱，保留土壤的原始狀態(tài)和原有植物。PVC管下端與土柱下端平齊，并用30目的濾網(wǎng)封閉式包裹，上端高出土柱5 cm。然后，從每個(gè)樣方中分別取4個(gè)土柱，組成一個(gè)有20個(gè)土柱的混合組，共10個(gè)混合土柱組。把其中的2個(gè)混合土柱組仍埋置在3200 m(E0) 處的暗針葉林中，其余的8個(gè)土柱組分成4組分別埋置在2800(E1)、2400(E2)、2000(E3)、1600(E4)4個(gè)海拔梯度。每個(gè)梯度設(shè)置不控制降水和凋落物(T1)和控制降水和凋落物(T2)2個(gè)處理組，每個(gè)梯度每組各5個(gè)土柱。T2處理組上方1.5 m處用透明玻璃遮擋凋落物和降水。每月用來自E0的降水對(duì)T2中的各土柱采用點(diǎn)滴輸液方式進(jìn)行澆水，補(bǔ)水量為E0處的等量降水；此外用在E0處收集的凋落物添加到T2處理組各土柱，按照單位面積收集的凋落物進(jìn)行等量添加。

1.2.2 土壤樣品采集 于2014、2015和2016年的11月對(duì)每個(gè)梯度的T1和T2 處理組的土壤樣品進(jìn)行采集，每個(gè)梯度每種處理各取5個(gè)土柱。另外，在每個(gè)梯度旁的林地內(nèi)也取5個(gè)土樣作為對(duì)照。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，自然風(fēng)干后、研磨，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。有機(jī)碳(soil organic matter)的測(cè)定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-容量法[19]。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用重復(fù)測(cè)量方差分析(Repeated measures ANOVA)對(duì)5個(gè)移植梯度3個(gè)年份有機(jī)碳含量差異性進(jìn)行檢驗(yàn)。利用單因素方差分析(One-Way ANOVA )檢驗(yàn)了不同移植梯度有機(jī)碳含量差異。并用最小顯著差異法(LSD)(方差齊性) Tamhane法 (方差不具齊性)進(jìn)行多重比較。以上分析與作圖的完成使用了IBM SPSS 20.0和Excel2010等軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 各移植梯度的土壤溫度

如圖1所示,隨移植梯度的下降，土壤溫度呈明顯上升趨勢(shì)，E0

圖1 不同移植梯度3年平均土壤溫度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Average soil temperature of different transplantation gradients in three years

2.2 森林土壤有機(jī)碳含量沿移植梯度變化特征

不同移植梯度的土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出一定的梯度分布模式，并且沿移植梯度的變化呈現(xiàn)出顯著不同的特征。

T1處理組3年有機(jī)碳含量隨著移植梯度的下降升高(圖2 c、e)，3年有機(jī)碳含量都在E4處達(dá)到最高為36.89、44.45、42.44 g/kg，E1處含量最低為21.41、33.20、29.24 g/kg。單因素方差分析結(jié)果表明，3年間不同移植梯度之間有機(jī)碳含量都具有極顯著差異(P<0.001)，且E4梯度有機(jī)碳含量顯著高于其他移植梯度。

T2處理組2014和2016年有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)一致，即有機(jī)碳含量隨移植梯度下降先増加，在E2處達(dá)到最高，之后下降(圖2 b、f)；2015年有機(jī)碳含量呈先上升后下降的波動(dòng)性變化。單因素方差分析結(jié)果表明2014和2016年的有機(jī)碳含量在不同的移植梯度間有顯著差異(P<0.05，圖2 b、f)，2015年有機(jī)碳含量無顯著差異(P>0.05, 圖2d)。

2.3 土壤有機(jī)碳含量年間變化

不同移植梯度有機(jī)碳含量的年間變化趨勢(shì)有所不同(圖3，表1)。T1處理組各移植梯度中有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為2015>2016>2014，且年間差異顯著(P<0.001，表1)。進(jìn)一步的分析表明E1和E2梯的年間差異不顯著(P>0.05)，E0、E3和E4梯度上的年間差異顯著(P<0.05，圖3)。表明年間變化對(duì)不同梯度土壤有機(jī)碳含量影響不同。T2處理組各移植梯度的有機(jī)碳含量具有顯著年間差異(P<0.05，表1)，但年間變化趨勢(shì)在各梯度間不同(圖3)。E0、E1和E4梯度有機(jī)碳含量2015年最高分別為39.72、39.84、39.47 g/kg，2014年最低；E2梯度2016年有機(jī)碳含量顯著高于2014和2015年，分別高出12.7 %和9.9 %；E3梯度2016年有機(jī)碳含量顯著高于2014年。年間變化與海拔的交互作用僅對(duì)T2處理組的有機(jī)碳含量有顯著影響(P<0.05，表1)。

3 結(jié)論與討論

3.1 增溫對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

研究結(jié)果表明隨移植梯度的下降，土壤溫度逐漸升高，T1處理組有機(jī)碳含量隨移植梯度的下降增加，且梯度間有顯著差異。有機(jī)碳主要來源于植物的凋落物、根系分泌物、土壤的腐殖質(zhì)和微生物的代謝[20]，植物及其凋落物是土壤有機(jī)碳輸入的最主要來源，是除了氣候條件外影響上壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的重要因素[21]。在貢嘎山東坡不同海拔高度水熱條件差異很大，植物群落也呈垂直地帶性分布[22]。不同植物群落結(jié)構(gòu)和功能有著明顯不同，凋落物的數(shù)量和成分差異很大[23]。E0、E1梯度土壤有機(jī)碳含量較低，可能是由于該處為冷杉林(Abiesfaxoniana)群落，冷杉林凋落物占凋落物總量的74.84 %，針葉樹的凋落物難以降解，向土壤歸還的有機(jī)碳等物質(zhì)數(shù)量較少[24]。E2、E3、E4梯度有機(jī)碳含量隨著移植梯度的下降逐漸升高，可能是因?yàn)殡S海拔降低，闊葉樹逐漸增加，闊葉樹種凋落物的分解要快于針葉樹[25]，土壤有機(jī)碳輸入量較大，而且這種輸入的土壤有機(jī)碳量超過溫度升高而導(dǎo)致的有機(jī)碳分解量。除了植物群落的差異，溫度是植物生長的限制因子，溫度升高可提高初級(jí)生產(chǎn)力[26]，能夠增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。其它學(xué)者也認(rèn)為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與溫度升高提升了植被初級(jí)凈生產(chǎn)力相關(guān)[27]。

圖中相同條形柱上，帶有相同字母的表示差異不顯著(P>0.05)，下同圖2 不同移植梯度的有機(jī)碳含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Organic carbon content of different elevation gradient(Mean±SE)

表1 有機(jī)碳含量差異重復(fù)測(cè)量方差分析Table 1 Variance analysis of organic carbon content

T2處理組土壤有機(jī)碳含量隨移植梯度下降呈先上升后下降的波動(dòng)性變化，并以E2梯度有機(jī)碳含量最大，但各梯度間差異不顯著。這可能是因?yàn)門2處理組各梯度等量添加了來自E0梯度的凋落物。雖然各梯度的溫度存在差異，但在短期內(nèi)對(duì)針葉樹凋落物的分解影響較弱，所以各梯度間土壤有機(jī)碳差異不顯著。

3.2 森林土壤有機(jī)碳含量的年間變化差異

本研究中2種處理組的土壤有機(jī)碳含量均存在年間差異，且在不同梯度的年間變化趨勢(shì)不同。T1處理組的E0、E3、E4梯度的有機(jī)碳含量均呈2015>2016>2014的變化趨勢(shì)，且差異顯著，但E1和E2梯度的年間差異不顯著。已有研究表明土壤有機(jī)碳含量的年間和季節(jié)變化與土壤溫濕度、大氣降水、微生物活性等有關(guān)[28]。本研究中2015年土壤有機(jī)碳含量最高，可能由于溫度和降水與其他兩年有差異。不同梯度土壤有機(jī)碳年間變化的差異可能是各梯度的氣候不同造成。貢嘎山東坡不同海拔高度水熱條件差異很大，山腳下是干熱河谷，在海拔3000 m年平均降水量達(dá)1930 mm[29]。E3和E4梯度由于林下小氣候干燥，所以影響E3、E4梯度年間差異可能與降雨的年份變化有關(guān)。E0梯度高寒地區(qū)年間差異顯著可能由于溫度的年間差異。

T2處理組的有機(jī)碳含量也存在顯著的年間差異，其中E2和E3梯度有機(jī)碳含量在2016年最高，其他梯度的有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)為2015>2016>2014；而T1組有機(jī)碳含量均在2015年最高，且顯著高于其他年份。2個(gè)處理組的年間變化不同的主要原因可能是實(shí)驗(yàn)控制處理不同。本研究中，T1組接受來自移植梯度的降水和凋落物，因此T1組土壤有機(jī)碳含量的年間變化受土壤溫濕度、降水、凋落物數(shù)量與質(zhì)量的年間差異等影響[30]。T2處理組由于采用玻璃控制了自然降水和凋落物，各梯度的降水和凋落物均來自E0且等量，所以該組的土壤有機(jī)碳年間差異受各梯度的降水、凋落物數(shù)量與質(zhì)量影響較弱。因此，T1組和T2組的土壤有機(jī)碳含量年間變化趨勢(shì)存在差異。

數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同大寫字母表示不同移植梯度的有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母代表同一海拔不同年份間有機(jī)碳差異顯著(P<0.05)圖3 不同移植梯度的有機(jī)碳含量年間變化動(dòng)態(tài)Fig.3 Changes of organic carbon content in different transplant gradient years