海拔梯度上川西高山土壤有機碳穩(wěn)定性研究

劉 楊, 李 菊, 孫 輝, 陳玉雯, 李 鑫

(1.四川大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系, 成都 610065; 2.四川省土壤環(huán)境保護工程技術(shù)中心, 成都 610065)

土壤是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大碳庫，全球約1 400～1 500 Gt的C以有機質(zhì)形式儲存于土壤中[1],土壤碳儲量相當(dāng)于大氣碳庫2倍、植被碳庫3倍[2]，對大氣CO2濃度和全球碳循環(huán)有巨大影響。土壤有機碳(SOC)是地球表層系統(tǒng)中最大且最具有活性的碳庫之一，由于氣候變暖及土地利用變化等影響，全球土壤有機碳庫在不斷地減小[3]，因此，土壤有機碳已經(jīng)成為全球碳循環(huán)領(lǐng)域研究熱點。Melillo等[4]持續(xù)26 a的土壤增溫試驗表明，增溫可致土壤有機碳減少和向大氣中排放CO2增加。在全球尺度上，升溫通過改變植被及微生物過程，改變土壤中有機物分解轉(zhuǎn)化，進而影響土壤有機質(zhì)中活性與組分，改變土壤碳庫穩(wěn)定性[5]。土壤有機碳庫匯/源功能轉(zhuǎn)換對維持全球碳循環(huán)平衡，減緩溫室效應(yīng)意義重大[6]。高寒土壤因其具有較高碳密度而在全球碳估算中不容忽視，在全球土壤有機碳庫中占有重要地位，如青藏高原高寒草地有機碳密度為26.86萬kg/hm2，土壤有機碳儲量達21.52 Gt[7]。

由于土壤有機質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及賦存形式復(fù)雜，關(guān)于土壤有機碳穩(wěn)定性的研究一般從土壤有機碳不同活性的組分分級入手，有機質(zhì)中不同活性組分的構(gòu)成不一樣，活性則不一樣。從已有研究來看，土壤有機碳組分分級方法主要包括物理分級、化學(xué)分級和物理—化學(xué)聯(lián)合分級方法。物理—化學(xué)聯(lián)合分級方法因其綜合考慮土壤有機碳不同穩(wěn)定機制，因而可盡量體現(xiàn)對總有機碳中不同活性組分的響應(yīng)特征，近年來受到越來越多的應(yīng)用。國內(nèi)對高寒土壤碳研究，主要集中于青藏高原及周邊區(qū)域、天山、祁連山等高海拔土壤及東北等高緯度土壤有機碳變化及特征，包括土壤中有機碳密度與儲量[7]、有機碳轉(zhuǎn)化礦化與排放[8]、有機碳動態(tài)[9]、有機碳剖面分布與空間特征[10-11]、全球變化背景下的有機碳效應(yīng)[12]等方面。土壤有機碳(SOC)的穩(wěn)定性特征研究，是認(rèn)識土壤碳庫對全球變化響應(yīng)的基本問題，而有機碳不同活性組分研究是認(rèn)識有機碳穩(wěn)定性特征的基礎(chǔ)。高寒土壤有機碳積累和動態(tài)因海拔導(dǎo)致環(huán)境因子變化的影響而分異，對海拔梯度上土壤有機碳組分特征及分布格局進行定量分析研究，有助于增進對高寒土壤碳庫特征及賦存形式的了解。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品制備

采樣點地處夢筆山，土壤為山地棕色針葉林土至高寒草甸土高寒土壤海拔梯度系列(4 100，3 800，3 600，3 400 m)，地理位置為102.313°—102.377°E，31.707°—31.597°N。未分解生物質(zhì)主要為石粒及枯枝落葉等，高山土壤經(jīng)反復(fù)凍融后團聚體結(jié)構(gòu)差，>2 mm的土粒并不多見，因此對分析結(jié)果無顯著性影響。每個海拔高度選擇3個相鄰相似樣帶作為重復(fù)，每個樣帶帶長約20 m，在每個樣帶隨機采取15個樣點凋落物腐殖層(或草黏層)之下0—20 cm的土壤，混勻成一個土樣。土樣冷藏帶回實驗室，快速風(fēng)干，剔除礫石、樹根草根和凋落物，過2 mm篩后密閉保存以待測定。

1.2 研究方法

采用連續(xù)提取方法對川西高寒土壤有機碳分級，進行有機碳組分分離和測定，從而確定海拔梯度上高寒土壤有機碳穩(wěn)定性的特征。連續(xù)提取是根據(jù)有機碳活性強度或與礦質(zhì)結(jié)合強度不同，通過利用不同化學(xué)試劑(特定化學(xué)試劑對應(yīng)土壤有機碳特定組分和強度)按照有機碳活性由強到弱的順序，對土壤中有機碳組分進行分步順序提取[13]，并根據(jù)實際情況進行改進。樣品中固體碳含量采用元素分析儀(型號Vario EL/micro cube，德國elementar)測定，提取液樣品中碳含量用TOC/TN分析儀(型號Milti N/C 2100S，德國Jena)分析。

1.2.1 有機碳的物理分級 采回的土壤風(fēng)干混勻并過2 mm篩，分為有機物碎片(0.25～2 mm，0.05～0.25 mm，0.02～0.05 mm)及有機礦質(zhì)復(fù)合體(<0.02 mm)，將分級土壤稱重并記錄。

1.2.2 有機碳的化學(xué)分級

(1) 稱取2 g<0.02 mm土樣放入高型燒杯，加入去離子水定容至1 L，再加入3 ml飽和硫酸鋁鉀(AlKSO4)作為絮凝劑，混合均勻，置于4℃低溫培養(yǎng)箱冷藏靜置。2天后取出燒杯，利用虹吸法收集上清液，余下部分轉(zhuǎn)入離心管離心15 min，取出上清液，將上述上清液混勻得CF1，余下沉淀為有機-無機復(fù)合體。

(2) 向上一步裝有沉淀的離心管中加入30 ml的0.5 mol/L的硫酸鉀(K2SO4)溶液振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml的0.5 mol/L的K2SO4溶液振蕩混合1 h，離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF2。

(3) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入30 ml的pH值為9.7的0.1 mol/L的無水四硼酸鈉(Na2B4O7)緩沖液，振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml上述溶液振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF3。

(4) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入30 ml的pH值為10.2濃度為0.1 mol/L的焦磷酸鈉(Na4P2O7)緩沖液，振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml該溶液振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF4。

(5) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入30 ml濃度為0.1 mol/L的氫氧化鈉(NaOH)溶液，振蕩浸提16 h之后離心15 min，取上清液；再加入30 ml該溶液振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF5。

(6) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入5 ml的5℃的0.33 mol/L的硫酸(H2SO4)酸化10 min至pH值為1.5后加入30 ml濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩16 h后離心15 min，取上清液；再加入30 ml濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩混合1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF6。

(7) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入20 ml新配置的pH值為8，濃度為0.1 mol/L的連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)溶液處理10 min，加入15 ml濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提16 h后離心15 min，取上清液；再加入30 ml的0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提1 h后離心15 min，取上清液；將兩次所得上清液混合均勻得CF7。然后加入30 ml去離子水振蕩浸提1 h離心15 min，為洗去殘留Na2S2O4。

(8) 向上一步所剩沉淀的離心管中加入20 ml的8 mol/L的氫氟酸(HF)溶液處理10 min后，加入15 ml的0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提16 h后離心15 min，取上清液；再加入30 ml的0.1 mol/L的NaOH溶液，振蕩浸提1 h后離心15 min，取上清液；將兩次上清液混合滴加0.1 mol/L的NaOH溶液至中和得CF8。沉淀用40 ml去離子水振蕩浸提1 h后離心15 min去除上清液，為洗出殘留氫氟酸。

(9) 將上一步離心管中的沉淀用玻璃濾紙進行抽濾，得到的固體為胡敏素碳，烘干稱重得CF9。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析采用Microsoft Office Excel 2010和IBM SPSS Statistics 19.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 高山土壤不同粒級重量百分比分布特征

f1表示0.25～2 mm粒級，f2表示0.05～0.25 mm粒級，f3表示0.02～0.05 mm粒級，f4表示<0.02 mm粒級。由圖1可以看出，川西高山土壤組成以粗顆粒為主，比例隨著粒級減小而顯著降低。不同粒級土壤重量百分比都表現(xiàn)為f1>f2>f3>f4，且隨粒級的減小占比顯著降低，f1，f2粒級含量遠(yuǎn)高于f3，f4粒級。對比同一粒級不同海拔土壤重量百分比發(fā)現(xiàn)，隨著海拔升高，f1，f3粒級土壤重量百分比呈現(xiàn)降低趨勢，f2，f4粒級土壤重量百分比卻呈升高趨勢。其中f2粒級相比f1粒級占比大幅降低，f3粒級與f2粒級相比降低明顯，f3粒級與f4粒級相比降低相對不明顯。f1，f2和f4粒級的土壤重量百分比差異均達到顯著性水平。

2.2 高山土壤有機碳物理分級特征

高山土壤不同粒級有機碳含量見圖2。該區(qū)域有機碳含量較高，不同粒級土壤有機碳含量都呈顯著性差異，可能土壤有機質(zhì)分解相對較活躍。f2粒級在3 800 m處的有機碳含量最高達151.76 g/kg，f4粒級在3 400 m處有機碳含量最低也有43.82 g/kg。對比不同一海拔上同一粒級土壤，土壤有機碳含量都是f2粒級最高，f4粒級最低。海拔梯度上各粒級有機碳含量分布相對均勻，不同海拔土壤粒級變化都表現(xiàn)為隨著粒級的減小，有機碳含量先升高后降低?？赡苁且蚝０紊?，溫度降低，微生物的活動減弱，對土壤碳庫中碳的釋放能力并不高，這并不違背秦紀(jì)洪等[9]得出的高海拔有利于碳的固存的結(jié)論。在4 100 m處各粒級土壤有機碳含量變化明顯，可能是由于該處土壤植被類型、生物積累量、碳的釋放能力等因素的變化導(dǎo)致土壤有機碳含量隨海拔升高而降低。

注：條形圖上標(biāo)注的字母為Duncan法進行多重比較的結(jié)果。小寫字母不同者表示海拔梯度上不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤在同一粒級上的重量百分比差異達到顯著性水平(p<0.05)，ns表示該海拔梯度上不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤在同一粒級上的重量百分比差異不顯著(p>0.05)，下圖同。

圖1 川西高山海拔梯度上土壤不同粒級重量百分比

圖2 川西高山海拔梯度上不同粒級土壤有機碳的含量

2.3 高山土壤有機碳化學(xué)分級特征

粒徑<0.02 mm高山海拔梯度上化學(xué)分級土壤有機碳含量見圖3(CF1為水溶性有機碳，CF2為可溶性有機碳，CF3為土壤礦物弱固持有機碳，CF4為陽離子固持有機碳，CF5為大量有機碳，CF6為碳酸鹽閉蓄有機碳，CF7為土壤礦物強固持有機碳，CF8為土壤礦物強固持有機碳，CF9為胡敏素碳)?；瘜W(xué)分離可提取小于0.02 mm粒級總有機碳含量的60%～70%，余下的則以胡敏素碳的形態(tài)存在。

圖3 川西高山海拔梯度上土壤有機碳化學(xué)分級各組分含量

土壤有機碳含量CF9組分最高，CF2組分最低。CF1，CF2，CF8組分有機碳含量變化范圍相同，不同組分間相同位置有機碳含量于4 100，3 800，3 600，3 400 m都呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢，但具體海拔變化又有所差別。CF3，CF5，CF9組分有機碳含量在相同變化范圍內(nèi)，不同組分間相同位置有機碳含量于4 100，3 800，3 400 m呈現(xiàn)出逐漸升高的變化趨勢，3 600 m呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢，不同組分間不同位置有機碳含量變化趨勢CF3，CF5，CF9組分表現(xiàn)為3 800 m>3 600 m>4 100 m>3 400 m。CF4，CF6，CF7組分有機碳含量在相同變化范圍內(nèi)，不同組分間相同位置有機碳含量4 100，3 800，3 600，3 400 m都呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢，只是CF4組分和CF6，CF7組分內(nèi)不同位置有機碳含量變化趨勢有所差別。

2.4 高山土壤海拔梯度上有機碳的穩(wěn)定性分析

從表1可以看出，大多數(shù)土壤有機碳存在于粗顆粒之中，粒徑>0.02 mm的顆粒態(tài)有機碳(POC)占總有機碳比例最大，均達98%左右，其中粒徑0.25～2 mm的有機碳基本占到了50%以上。粗有機碳是土壤有機碳中的不穩(wěn)定組分，其大部分是新近加入土壤的植物生物量[14]?；钚宰罡叩乃苄杂袡C碳(CF1)和可溶性有機碳(CF2)有機碳含量極低，最多不超過1%，在此進行合并分析。有機礦質(zhì)復(fù)合體有機碳含量極低，粒徑<0.02 mm的化學(xué)分級有機碳含量不足2%，化學(xué)分級有機碳占比最大的為組分CF9，占比達到了1.03%。

表1 各組分有機碳占總有機碳百分比 %

在含量為2%左右的有機—無機復(fù)合體有機碳組分(化學(xué)分級組分)構(gòu)成中(表2)，活性最高的可溶性有機碳組分(CF1，CF2)占比很低?；钚宰畹偷慕M分CF9(胡敏素碳)占比最高，達26%～49%，盡管如此，也只占總有機碳的0.3%～1.0%，有機碳主要以活性高的顆粒態(tài)有機碳形式存在，說明川西高山土壤碳庫活性很高，較不穩(wěn)定。

表2 化學(xué)分級中各組分有機碳占比 %

3 討 論

土壤有機碳動態(tài)過程主要包括兩方面，一方面土壤有機碳通過礦化變成CO2，另一方面是通過腐殖化過程變成更加穩(wěn)定的部分。高海拔地區(qū)的土壤有機碳儲量顯著高于低海拔地區(qū)[16-17]，因此揭示高海拔土壤有機碳在海拔梯度上的分布格局及其影響機理，在全球氣候變化研究中具有重要意義。本文研究結(jié)果顯示，在海拔梯度上土壤有機碳隨著海拔增加呈現(xiàn)先升高再降低，這與當(dāng)?shù)剌^低海拔(3 400 m以下)土壤有機碳受人類活動頻度影響較高，植被為高寒次生林，有機碳儲量較低；在一定海拔高度區(qū)間，高寒針葉林為主，土壤有機碳儲量最高；到樹線交錯帶以上(3 800～4 000 m)，隨著溫度降低，植被類型逐漸轉(zhuǎn)為高山灌叢和灌叢草地，生物量和凋落物積累隨之降低有關(guān)。這與李丹維等[18]對太白山土壤有機碳研究發(fā)現(xiàn)其在海拔梯度上的分布規(guī)律具有相似性。

大于20 μm有機碳被稱為顆粒態(tài)有機碳(POC，particulate organic carbon)，被認(rèn)為是土壤中未受到土壤結(jié)構(gòu)性保護的有機碳，活性比有機—無機復(fù)合體中的有機碳高[19]，因此，POC占總有機碳比例可以作為衡量有機碳活性(穩(wěn)定性)的一個指標(biāo)[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，川西高海拔地區(qū)土壤有機碳含量非常高，但是主要以POC形式儲存(98%左右)，這證實了川西高寒土壤有機碳庫不穩(wěn)定性非常高，這與很多高海拔地區(qū)土壤有機碳穩(wěn)定性的研究結(jié)論是一致的[9-21]。盡管胡敏素碳含量隨海拔升高逐漸增加，顯示有機碳化學(xué)保護組分的腐殖化過程隨著海拔梯度有所升高，但是這部分占總有機碳比例極低，因此腐殖化過程并不是高寒土壤有機碳的主要過程。

4 結(jié) 論

(1) 高寒土壤有機碳物理組分主要集中在不穩(wěn)定粗顆粒土壤中，存在形式主要為POC，占總有機碳98%左右。其中不同海拔梯度上0.05～0.25 mm粒級土壤有機碳含量最高，<0.02 mm粒級處最低。隨著海拔升高土壤有機碳含量先增加后減少，同一粒級不同海拔梯度上土壤重量百分比和有機碳含量差異顯著，在3 800 m處土壤有機碳含量最高達151.76 g/kg，最低在3 400 m為43.82 g/kg，顯示土壤有機碳庫活性高。

(2) 海拔梯度上土壤化學(xué)分級有機碳含量占總有機碳的2%左右，腐殖化有機質(zhì)比例極低，且主要集中在低活性的腐殖質(zhì)(胡敏素碳)中，隨海拔升高有增加的趨勢，但在4 100 m海拔處顯著降低，顯示隨著海拔的升高土壤腐殖化程度有降低的可能，川西高寒土壤有機碳不穩(wěn)定性較高。如果土壤溫度隨氣候變暖而升高，高海拔梯度土壤有機碳的礦化速率將加快。