青海湖流域季節(jié)性凍土區(qū)坡面土壤有機(jī)碳分布特征及其影響因素

潘蕊蕊,李小雁,*,胡廣榮,石芳忠,魏俊奇,丁夢凱,王 雷

1 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院, 北京 100875 3 青海省三角城種羊場, 海北 812300

土壤是地球表層系統(tǒng)最大的碳庫,是陸地碳循環(huán)的關(guān)鍵組成部分[1-2]。有機(jī)碳作為土壤碳庫中對(duì)全球氣候變化敏感的主要因子,其較小的變化將會(huì)引起大氣CO2濃度的大幅改變[3-4]。土壤有機(jī)碳含量變化受多因素綜合影響,包括氣候、植被、地形和土地利用方式等[5-8]。坡面是最基本的地貌單元[9],坡向和坡位通過控制水分和光照因子在坡面上的分布，改變局地水熱條件，從而形成不同的植被及土壤類型，影響土壤有機(jī)碳的輸入與礦化[11-12]。目前關(guān)于坡面土壤有機(jī)碳的分布特征已有較多的研究,但主要集中在低山丘陵區(qū)[13-15]、黃土高原區(qū)[8,16]、喀斯特地區(qū)[17-18]、東北黑土區(qū)[19]和部分祁連山草原草甸帶[20-22]等。綜合已有研究發(fā)現(xiàn)不同氣候區(qū)坡面土壤有機(jī)碳在不同坡向和坡位的分布具有很大異質(zhì)性。大部分研究認(rèn)為在同一坡位不同坡向上,有機(jī)碳分布特征一般表現(xiàn)為陰坡>半陰坡>半陽坡>陽坡[16,21],但也有研究發(fā)現(xiàn)川西山地小流域由于熱量的限制,其陽坡有機(jī)碳含量稍高于陰坡[23]；另外,在同一坡向不同坡位上,有機(jī)碳分布特征一般表現(xiàn)為下坡位>中坡位>上坡位[12-13],但也有研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣南部低地上坡位由于生物量高、凋落物分解率低等原因,其有機(jī)碳含量大于下坡位[24]。魏孝榮和邵明安[25]通過對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同坡位土壤有機(jī)碳含量的研究表明,坡位對(duì)有機(jī)碳分布的影響還與土壤侵蝕和水土流失相聯(lián)系,土壤有機(jī)碳易隨坡面物質(zhì)和坡地徑流發(fā)生坡面再分布。這與陸銀梅[26]、花可可等[27]在南方丘陵區(qū)坡地有機(jī)碳分布的研究結(jié)果一致。

目前對(duì)青藏高原高海拔地區(qū)坡面有機(jī)碳分布的研究仍然相對(duì)較少,例如王根緒等[28]研究了青藏高原草地土壤有機(jī)碳庫及其全球意義,發(fā)現(xiàn)青藏高原有機(jī)碳儲(chǔ)量占我國有機(jī)碳儲(chǔ)量的23.44%；馬素輝等[29]研究了祁連山黑河上游多年凍土區(qū)不同植被類型土壤有機(jī)碳密度的分布特征；李娜等[30]在青藏高原腹地的風(fēng)火山地區(qū)模擬了增溫對(duì)高寒草甸土壤有機(jī)碳含量變化的影響；牟翠翠等[31]比較了多年凍土區(qū)不同海拔活動(dòng)層內(nèi)的碳儲(chǔ)量。以上研究揭示了青藏高寒地區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量、不同土地利用/植被覆蓋下土壤有機(jī)碳分布、碳庫變化趨勢等特點(diǎn),且集中在多年凍土區(qū)。高寒地區(qū)陰、陽坡由于水熱條件的差異,分布有不同的植被和土壤類型[10,32]；同時(shí)在季節(jié)性凍土融化期,陰、陽坡存在不同的產(chǎn)流模式[33]。Hu等[33]發(fā)現(xiàn)青海湖流域陰坡以壤中流為主,占總徑流量的94.5%；陽坡以地表徑流為主,占總徑流量的97.9%。此外,季節(jié)性凍融作用還會(huì)引起土壤的上下蠕動(dòng)、植被根系的破壞和土壤碳的釋放[34]。在這多種因素影響下,季節(jié)性凍土區(qū)土壤有機(jī)碳的空間分布特征較為復(fù)雜,不同坡向、坡位的不同深度土壤有機(jī)碳如何分布？其控制因子都還不明確,亟需深入研究。因此,本研究選取青海湖流域季節(jié)性凍土區(qū)陰、陽坡土壤為研究對(duì)象,利用實(shí)地觀測和取樣分析數(shù)據(jù),分析坡面不同坡向、坡位土壤有機(jī)碳的分布特征及其影響因素,旨在為高寒季節(jié)性凍土區(qū)土壤碳水過程及土壤碳庫研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海湖流域位青藏高原東北部(圖1),地處36°15′—38°20′N,97°50′—101°20′E,東西長106 km,南北寬63 km,周長約360 km,海拔3194—5174 m,流域面積為29661 km2。流域?qū)儆诟吆敫珊禋夂?常年較低的年平均溫度限制了土壤有機(jī)質(zhì)的分解,造成了土壤碳的大量累積[35]。流域內(nèi)廣泛分布著多年凍土(12748 km2)和季節(jié)性凍土(12651 km2),是世界上低緯度高海拔凍土集中分布區(qū)[36-37]。隨著全球氣候變暖,多年凍土發(fā)生退化[38],逐漸向季節(jié)性凍土轉(zhuǎn)化。研究區(qū)位于青海湖第二大入湖河流—沙柳河流域的支流上游,處于河谷東側(cè),海拔高度介于3565—3716 m,海拔落差151 m,地理坐標(biāo)為 37°25′N,100°15′E,屬于季節(jié)性凍土區(qū)；據(jù)剛察縣氣象觀測資料顯示,該流域多年平均氣溫為-0.5℃,極端高溫為25℃,極端低溫為-31℃,多年平均降水量為370.3 mm,主要集中在6—9月份,年蒸發(fā)量為607.4 mm[39]。根據(jù)地形特點(diǎn),將本研究區(qū)劃分為陰坡、陽坡和溝底3種地形單元；流域內(nèi)植被覆蓋情況良好,植被類型具有明顯的山地特征。其中陰坡植被類型為高寒灌叢,優(yōu)勢種為毛枝山居柳灌叢和金露梅灌叢；陽坡植被類型為高寒草甸,優(yōu)勢種為高山嵩草和矮嵩草。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

本研究選擇一個(gè)集水區(qū)的兩個(gè)坡面作為研究區(qū),通過坡面實(shí)地調(diào)查,按照不同坡向(陰坡、陽坡)和坡位(坡上、坡中、坡下)選擇六個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣,分別是S1、S2、S3、N1、N2、N3(圖1)。陽坡土壤類型為高山草甸土,土層較薄,0—10 cm為草氈層(As),10—25 cm為腐殖質(zhì)層(O),25—50 cm為淋溶淀積層(AB),50 cm以下為巖石層；陰坡土壤類型為亞高山草甸土,土層厚度大約為70 cm,0—13 cm為草氈層(As),13—40 cm為腐殖質(zhì)層(O),40—70 cm為淋溶淀積層(AB),70 cm以下出現(xiàn)巖石。陰、陽坡統(tǒng)一采樣深度為0—10、10—20、20—30、30—50 cm,分別于2018年7、8、9、10月份用土鉆各采集一次,共獲取96個(gè)土壤樣品,以測土壤有機(jī)碳和含水量。另外,在每個(gè)樣點(diǎn)附近各選擇3個(gè)1 m×1 m的樣方,齊地剪取樣方內(nèi)所有植物以計(jì)算地上生物量。樣點(diǎn)基本信息如表1所示,其中年均溫、飽和導(dǎo)水率和坡地徑流引自Hu等的坡面水文觀測數(shù)據(jù)[33]。

表1 采樣點(diǎn)基本信息

1.2.2樣品處理與分析

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后立即利用烘干法(105℃)測定土壤含水量,然后將測定土壤有機(jī)碳的土壤置于通風(fēng)室內(nèi)自然風(fēng)干。經(jīng)自然風(fēng)干后的土壤挑去枯枝落葉、根系和礫石,研磨過0.149 mm篩,裝袋備用。取35 mg樣品放入銀舟內(nèi),加25%磷酸,待反應(yīng)完全后,置于80℃烘箱4小時(shí)。將去除無機(jī)碳后的樣品,利用總有機(jī)碳分析儀(vario TOC select)上機(jī)測定土壤有機(jī)碳含量,并采用國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品作質(zhì)量控制。用刈割法獲取地上生物量,將植物放入烘箱內(nèi),先105℃殺青30 min,然后把烘箱的溫度降到65℃,烘干至恒重,稱重。

1.2.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用 Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后,用SPSS 24.0對(duì)7、8、9、10四個(gè)月的有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明差異不顯著,因此將四個(gè)月數(shù)據(jù)一起統(tǒng)計(jì)分析。首先按照不同深度、不同坡向坡位對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)特征包括極值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、K-S檢驗(yàn)結(jié)果等。然后采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同坡向和坡位下的土壤有機(jī)碳各層間的差異。最后用一般線性模型(GLM)的方差成分分析計(jì)算了各因子及其交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳含量變異性的貢獻(xiàn)[16]。所有圖采用Origin 8.5軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深度土層的土壤有機(jī)碳分布

將陰坡、陽坡所有樣點(diǎn)土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)按照不同深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到研究區(qū)不同土層土壤有機(jī)碳分布特征(表2)。由表2可知,研究區(qū)0—10、10—20、20—30、30—50 cm土層平均有機(jī)碳含量分別為102.41、77.78、61.02、46.47 g/kg,所有土層平均有機(jī)碳含量為71.92 g/kg,總體水平較高。隨土壤深度增加,土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢,且各土層差異顯著(P<0.05)。下降幅度達(dá)到55%,這表明該區(qū)域植被和地形對(duì)有機(jī)碳影響顯著的深度至少達(dá)到50 cm。變異系數(shù)CV的大小決定著隨機(jī)變量的變異程度,即決定土壤有機(jī)碳空間差異性的大小。一般認(rèn)為CV≤15%時(shí)為弱變異性,16%≤CV≤35%時(shí)為中等變異性,CV≥36%時(shí)為強(qiáng)變異性[40]。由表2可以看出,該區(qū)域0—10、10—20、20—30 cm土壤有機(jī)碳為中等變異,30—50 cm土壤有機(jī)碳為高度變異。

表2 不同土層土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征

2.2 不同坡向土壤有機(jī)碳分布

通過對(duì)不同坡向土壤有機(jī)碳進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知(表3),陰坡土壤有機(jī)碳含量在43.55—157.21 g/kg之間,平均有機(jī)碳含量為81.99 g/kg,有機(jī)碳含量變異系數(shù)為29%,屬于中等變異。陽坡土壤有機(jī)碳含量在23.44—129.09 g/kg之間,平均有機(jī)碳含量為61.84 g/kg,有機(jī)碳含量變異系數(shù)為43%,屬于高度變異。

表3 不同坡向土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征

由不同坡向土壤有機(jī)碳分布圖(圖2)可看出,隨土壤深度增加,陰坡和陽坡土壤有機(jī)碳均呈下降趨勢,且各土層差異顯著(P<0.05)。但陰坡和陽坡降低幅度不同,陰坡降低幅度為44%,陽坡降低幅度達(dá)到64%。同一土層深度,不同坡向土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為陰坡大于陽坡。

圖2 不同坡向土壤有機(jī)碳分布特征

2.3 不同坡位土壤有機(jī)碳分布

陰坡不同坡位土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征如表4所示,坡上、坡中、坡下有機(jī)碳含量分別在43.55—108.35、46.16—157.21、62.94—119.73 g/kg,平均有機(jī)碳含量分別為69.87、86.52、89.60 g/kg,即坡下>坡中>坡上(P<0.05)；有機(jī)碳含量變異系數(shù)分別為30%、33%、19%,均屬于中等變異。

表4 陰坡不同坡位土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征

由陰坡不同坡位土壤有機(jī)碳分布(圖3)可看出,同一坡位,不同深度土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為淺層大于深層,且各土層間差異性顯著(P<0.05)；同一深度,不同坡位土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為坡下和坡中大于坡上,但在各深度不同坡位的差異性不同。其中,0—10 cm和10—20 cm土層各坡位差異性不顯著(P>0.05),20—30 cm和30—50 cm土層坡上與坡中、坡下差異顯著(P<0.05)。上述結(jié)果表明,陰坡坡位對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳含量影響程度不同,對(duì)深層土壤有機(jī)碳的影響要大于淺層。

圖3 陰坡不同坡位土壤有機(jī)碳分布特征

陽坡不同坡位土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征如表5所示,坡上、坡中、坡下有機(jī)碳含量分別在27.86—98.92、24.59—96.77、23.44—129.09 g/kg。平均有機(jī)碳含量分別為65.71、58.39、61.42 g/kg,即坡上>坡下>坡中,差異不顯著(P>0.05)；有機(jī)碳含量變異系數(shù)分別為33%、41%、54%,其中坡上屬于中等變異,坡中和坡下屬于高度變異。

表5 陽坡不同坡位土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征

由陽坡不同坡位土壤有機(jī)碳分布(圖4)可看出,同一坡位,不同深度土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為淺層大于深層,且各土層間差異性顯著(P<0.05)；同一深度,不同坡位土壤有機(jī)碳含量差異性不同。其中,10—20、20—30、30—50 cm土層的有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為坡上>坡中>坡下,而0—10 cm土層的有機(jī)碳含量為坡上<坡中<坡下,與陽坡各坡位平均有機(jī)碳分布特征不符,這可能是因?yàn)殛柶卤韺油寥烙袡C(jī)碳在坡面易發(fā)生搬運(yùn)與再分布。上述結(jié)果表明,陽坡坡位對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳含量影響程度不同,對(duì)淺層土壤有機(jī)碳的影響要大于深層。

圖4 陽坡不同坡位土壤有機(jī)碳分布

2.4 坡面土壤有機(jī)碳分布的影響因素

用一般線性模型的方差成分分析計(jì)算了各因子及其交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳變異性的貢獻(xiàn)(表6)。結(jié)果表明,坡面土壤有機(jī)碳含量主要受土層和坡向的影響(P<0.001),解釋率分別是60.35%和14.17%；坡位對(duì)坡面土壤有機(jī)碳的解釋率為1.41%(P<0.05),坡向×坡位解釋了4.46%(P<0.001),坡向×土層解釋了2.21%(P<0.05),坡位×土層僅解釋了0.46%(P>0.05),最后坡向×坡位×土層解釋了2.28%(P>0.05)。

表6 不同因子與土壤有機(jī)碳含量的一般線性模型(GLM)結(jié)果

3 討論

3.1 坡向與土壤有機(jī)碳分布

本文研究結(jié)果表明,陰坡平均有機(jī)碳含量(81.99 g/kg)顯著高于陽坡(61.84 g/kg),不同深度土壤有機(jī)碳含量也均表現(xiàn)為陰坡大于陽坡且差異性顯著(P<0.05)。這與朱猛等[21]在祁連山森林草原帶坡面土壤有機(jī)碳分布的研究結(jié)果較為一致,他的研究表明土壤有機(jī)碳濃度為北坡>西坡>西南坡>南坡。這是因?yàn)椴煌孪蛩?qū)動(dòng)的水熱條件和植被差異是影響坡面土壤有機(jī)碳積累的主要因素[10,41]。據(jù)實(shí)際觀測結(jié)果表明,本研究區(qū)陰、陽坡年均溫的差異達(dá)2.8℃,陰坡0—50 cm土壤平均含水量是陽坡的1.46倍。這種水熱差異導(dǎo)致陰陽坡發(fā)育不同的植被類型,其中陽坡植被類型為高寒草甸,陰坡植被類型為高寒灌叢。據(jù)實(shí)地調(diào)查,在生長季旺期,陰坡地上生物量(390.5 g/m2)遠(yuǎn)大于陽坡(152.22 g/m2),其有機(jī)質(zhì)的輸入量也大于陽坡,因此植被類型在很大程度上影響了土壤有機(jī)碳的富集程度[42]。于順龍[43]的研究也表明,坡向通過影響生物量的大小來影響有機(jī)質(zhì)的輸入量。雖然本研究未對(duì)地下生物量進(jìn)行測定,但大量野外調(diào)查結(jié)果顯示高寒灌叢的地下生物量大于高寒草甸。如陶貞等[44]發(fā)現(xiàn)青藏高原東北隅祁連山東段的高寒灌叢的地下生物量為27947 kg/hm2,高寒草甸地下生物量為25745 kg/hm2。此外,不同坡向水熱條件的差異還會(huì)影響土壤有機(jī)碳的礦化[45]。馬文瑛[46]等在祁連山天老池小流域不同地形條件土壤有機(jī)碳的研究中發(fā)現(xiàn),陰坡和半陰坡的土壤有機(jī)碳礦化速率小于陽坡。這主要是因?yàn)殛幤聺窭涞乃疅釥顩r降低了微生物活性和土壤呼吸速率[47],減緩了土壤有機(jī)碳的礦化,長期作用下導(dǎo)致了陰陽坡有機(jī)碳積累的差異。

陰坡和陽坡剖面土壤有機(jī)碳含量存在顯著的表層聚集性,均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加,土壤有機(jī)碳含量逐漸降低,且差異顯著(P<0.05)。這是因?yàn)?表層土壤有機(jī)碳主要來自于植物殘?bào)w和根系的直接輸入,隨著土壤深度增加,地表植物殘?bào)w輸入和根系分布均減少[48]。但陰坡和陽坡土壤有機(jī)碳隨土層下降的幅度不同,陽坡降低幅度(64%)大于陰坡(44%)。這與楊帆[32]等在祁連山中段高寒山區(qū)陰、陽坡地形序列下有機(jī)碳垂直分布的研究結(jié)果較一致,他的研究結(jié)果顯示陽坡下降的速率(66%—91%)明顯高于陰坡(31%—77%)。這可能與陰陽坡的植被類型及土壤發(fā)生層厚度有關(guān)[49]。本研究區(qū)陽坡的高寒草甸下發(fā)育的土壤類型為高山草甸土,土層薄,一般為30—50 cm。最上層為草氈層(0—10 cm),腐殖質(zhì)層厚10—20 cm,向下迅速過渡到母質(zhì)層；除草氈層外,剖面礫石含量較高,地下根生物量主要分布在0—20 cm[50-51]。因此整個(gè)剖面有機(jī)碳含量高度變異,變異系數(shù)CV高達(dá)43%。陰坡的高寒灌叢下發(fā)育的土壤為亞高山草甸土,土壤剖面構(gòu)型與草甸土相同,但具有大量發(fā)達(dá)的地下根系,腐殖質(zhì)層較厚,深度可達(dá)到30—40 cm,打鉆至50 cm未見礫石層,地下根生物量主要分布在0—50 cm土層。何俊齡[52]對(duì)青藏高原金露梅灌叢土壤養(yǎng)分的研究中指出植物根系分布較深將導(dǎo)致土壤養(yǎng)分隨土壤深度呈較均勻變化。因此陰坡有機(jī)碳分布比較均勻,隨土層下降的幅度小于陽坡。

3.2 坡位與土壤有機(jī)碳分布

土壤有機(jī)碳的坡位分布因坡向而異。陰坡不同坡位土壤有機(jī)碳平均含量差異顯著(P<0.05),表現(xiàn)為坡下(89.60 g/kg)>坡中(86.52 g/kg)>坡上(69.87 g/kg),這與汝海麗等[8]在黃土丘陵區(qū)坡面、樊紅柱等[13]在紫色土丘陵區(qū)坡面的研究結(jié)果均一致。這一方面是因?yàn)殛幤缕律媳绕孪陆邮艿墓庹斩?蒸發(fā)量大,土壤含水量較低,從而有利于有機(jī)質(zhì)的分解,所以土壤有機(jī)碳含量小于坡下[53]；另一方面可能是由于土壤有機(jī)碳在坡面發(fā)生搬運(yùn)遷移到坡下所造成的[26]。陸銀梅[26]和花可可等[27]對(duì)南方紅壤和紫色土坡面有機(jī)碳的研究中發(fā)現(xiàn),坡地徑流(地表徑流和壤中流)對(duì)坡面土壤有機(jī)碳的沖刷與運(yùn)移,可使坡下成為坡上的一個(gè)碳匯。本研究區(qū)雖處于高寒半干旱區(qū)，但生長季期間6—9月份降水量約占全年總降水量的90%，這一段時(shí)期正好是季節(jié)性凍土的融化期。李元壽等[54]在青藏高原典型高寒草甸區(qū)土壤有機(jī)碳氮異質(zhì)性的研究中發(fā)現(xiàn),在高寒地區(qū)凍土活動(dòng)層的融化期,土壤有機(jī)碳和全氮很容易被淋溶流失。這是因?yàn)榧竟?jié)性凍融作用能夠破壞土壤結(jié)構(gòu)[55],暴露出有機(jī)碳庫中各種形態(tài)的碳[56-57]；再加上凍結(jié)期凍土的保水性[58-59],在季節(jié)性凍土融化時(shí),土壤含水量急劇增加,坡地徑流發(fā)育[60],從而造成土壤有機(jī)碳隨水分的遷移而流失。由Hu等[33]對(duì)該研究區(qū)坡地徑流的實(shí)際觀測結(jié)果可知,2018年7—10月份陰坡的總徑流量(5.30 mm)是陽坡(0.57 mm)的9.30倍,因此陰坡土壤有機(jī)碳更易受坡地徑流的影響在坡下發(fā)生積累匯聚。這可能也是導(dǎo)致陽坡坡位土壤有機(jī)碳分布特征和陰坡不同的原因[26],研究結(jié)果表明,陽坡不同坡位土壤有機(jī)碳平均含量表現(xiàn)為坡上(65.71 g/kg)>坡下(61.42 g/kg)>坡中(58.39 g/kg),差異不顯著(P>0.05)。這與朱猛等[21]在祁連山森林草原帶的研究結(jié)果較為一致,其研究發(fā)現(xiàn)在北坡(陽坡),坡肩及坡腳有機(jī)碳濃度無顯著差異,坡肩某些深度有機(jī)碳濃度稍高于坡腳。這可能是因?yàn)殛柶虏煌挛唤邮艿奶栞椛浣咏黐21],水分是其植物生長及有機(jī)碳分解的限制因子。由實(shí)測數(shù)據(jù)可知,本研究區(qū)陽坡土壤含水量為坡下(39.50%)<坡中(42.03%)<坡上(54.85%),因此陽坡坡上土壤有機(jī)碳含量積累量高于坡下和坡中(P<0.05)。

此外本研究發(fā)現(xiàn),坡位對(duì)不同深度土壤有機(jī)碳的影響也因坡向而異。對(duì)于陽坡,雖然不同坡位土壤有機(jī)碳平均含量表現(xiàn)為坡上>坡下>坡中(P>0.05),但表層(0—10cm)土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為坡上<坡下<坡中(P<0.05)；對(duì)于陰坡,淺層(0—10、10—20cm)土壤有機(jī)碳各坡位間差異性不顯著(P>0.05),而深層(20—30、30—50 cm)土壤有機(jī)碳各坡位間差異顯著(P<0.05)。上述結(jié)果表明,陽坡坡位對(duì)淺層土壤有機(jī)碳的影響大于深層,而陰坡坡位對(duì)深層土壤有機(jī)碳的影響大于淺層。這可能與陰坡和陽坡不同的徑流形式(地表徑流和壤中流)對(duì)土壤有機(jī)碳的沖刷有關(guān)[27,61]。李太魁等[61]對(duì)川西丘陵區(qū)紫色土坡面有機(jī)碳的研究中發(fā)現(xiàn),紫色土由于土質(zhì)疏松、孔隙度大、入滲能力強(qiáng)等特點(diǎn),壤中流比較發(fā)育,從而導(dǎo)致坡面土壤有機(jī)碳隨壤中流大量淋失。Hu等[33]對(duì)該研究區(qū)坡地徑流的實(shí)際觀測結(jié)果可知,陰坡壤中流量占總徑流量的94.5%,陽坡地表徑流量占總徑流量的97.9%。因此,陰坡的深層土壤有機(jī)碳易在壤中流的影響下從坡上遷移到坡下,陽坡的表層土壤有機(jī)碳易在地表徑流的影響下從坡上遷移到坡下。這種坡地徑流的差異與陰陽坡的植被類型和土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)[61-63]。陰坡植被以高寒灌叢為主,植被覆蓋度高,冠層截留降雨能力較強(qiáng),可以有效地減緩地表徑流[64]；再加上草皮層較薄且松軟,土壤飽和導(dǎo)水率高,土層深厚,有利于雨水向土壤更深層次入滲[65],所以陰坡坡地徑流以壤中流為主。而陽坡植被以高寒草甸為主,根系密集,形成的草氈層結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)硬,飽和導(dǎo)水率較低,不利于水分向土壤深層下滲[33],因此陽坡坡地徑流以地表徑流為主。此外,坡面的坡度不同,形成的坡地徑流也存在差別[66-67]。研究發(fā)現(xiàn),土壤的入滲率隨著坡度的增大而減小,從而增大地表產(chǎn)流量[66]。何淑勤等[67]通過對(duì)長江上游紫色土丘陵區(qū)坡面徑流特征的研究發(fā)現(xiàn),不同坡度,壤中流徑流量表現(xiàn)為10°>15°>20°,地表徑流徑流量表現(xiàn)為20°>15°>10°。據(jù)實(shí)地測量,本研究陰坡坡度(30°)小于陽坡(35°),所以陰坡的土壤入滲率大于陽坡,這在一定程度上也決定了陰坡以壤中流為主、陽坡以地表徑流為主的產(chǎn)流模式。從而導(dǎo)致陰坡的深層土壤有機(jī)碳和陽坡的淺層土壤有機(jī)碳分別隨著壤中流和地表徑流在坡面上發(fā)生遷移淋失。

3.3 不確定性分析

本研究基于不同坡面土壤有機(jī)碳測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)坡向?qū)ζ旅嫱寥烙袡C(jī)碳的解釋率為14.17%(P<0.05),而坡位對(duì)坡面土壤有機(jī)碳的解釋率僅為1.41%(P<0.05),這可能與坡面海拔落差較小導(dǎo)致的各坡位距離較短有關(guān)。有研究結(jié)果表明[25,68-69],海拔落差越大,坡面越長,各個(gè)坡位的水熱條件差異就越顯著,從而增大土壤有機(jī)碳的空間異質(zhì)性。李龍等[68]在赤峰市小流域地形因子對(duì)土壤有機(jī)碳的影響中發(fā)現(xiàn),在較大海拔落差下,高程是影響土壤有機(jī)碳分布的第一因子,其次是坡度和坡向。本研究區(qū)陰坡和陽坡立地條件存在巨大差異,但海拔落差較小,因此坡向是影響土壤有機(jī)碳分布的第一因子,而高程對(duì)土壤有機(jī)碳影響不顯著。未來需進(jìn)一步深入研究較大海拔差異下高寒區(qū)陰坡和陽坡土壤有機(jī)碳的空間分布規(guī)律。此外,本研究綜合了2018年生長季期間7—10月份的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù),由于4個(gè)月份之間土壤有機(jī)碳差異不顯著,因此未考慮土壤有機(jī)碳的季節(jié)變化。有研究表明季節(jié)對(duì)土壤有機(jī)碳含量的變化也有較大的影響[70-72]。如苗蕾等[70]研究發(fā)現(xiàn)太行山南麓土壤有機(jī)碳含量呈顯著的季節(jié)變化,表現(xiàn)為夏秋季>冬春季?？党煞嫉萚71]研究發(fā)現(xiàn)川西高寒山地灌叢草甸有機(jī)碳礦化的季節(jié)動(dòng)態(tài)中表現(xiàn)出夏季最高,春季此之,秋季最小。本研究區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū),非生長季長達(dá)200多天,全年有超過一半時(shí)間土壤處于凍結(jié)和積雪覆蓋狀態(tài)。在凍結(jié)期,土壤微生物活性和有機(jī)碳礦化速率等受到抑制[73-74],土壤水熱特征與生長季相比存在巨大差異[75]；且在初冬和初春,表層土壤還會(huì)經(jīng)歷頻繁的凍融循環(huán)[76],這些都將直接或間接地影響土壤有機(jī)碳含量的變化。而目前關(guān)于坡面土壤有機(jī)碳分布特征在生長季和非生長季的比較研究還較為缺乏,未來還需我們進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

本文以青海湖流域季節(jié)性凍土區(qū)陰、陽坡土壤為研究對(duì)象,在坡面尺度下分析了不同坡向、坡位土壤有機(jī)碳的空間分布特征及其影響因素,初步獲得以下結(jié)論：

(1)該研究區(qū)平均土壤有機(jī)碳含量為71.92 g/kg,總體水平較高。其中0—10、10—20、20—30 cm土層有機(jī)碳含量為中等變異,30—50 cm土壤有機(jī)碳含量為高度變異；

(2)陰、陽坡有機(jī)碳含量均隨土壤深度增加而下降,但陽坡下降的幅度(64%)明顯高于陰坡(44%)；

(3)不同坡向,土壤有機(jī)碳平均含量表現(xiàn)為陰坡(81.99 g/kg)>陽坡(61.84 g/kg)；不同坡位,土壤有機(jī)碳含量分布因坡向而異。其中陰坡土壤有機(jī)碳平均含量表現(xiàn)為坡下(89.60 g/kg)>坡中(86.52 g/kg)>坡上(69.87 g/kg),陽坡土壤有機(jī)碳平均含量表現(xiàn)為坡上(65.71 g/kg)>坡下(61.42 g/kg)>坡中(58.39 g/kg)；

(4)坡位對(duì)不同深度土壤有機(jī)碳的影響程度存在差異。陰坡坡位對(duì)深層土壤有機(jī)碳影響顯著,而陽坡坡位對(duì)淺層土壤有機(jī)碳影響顯著；

(5)一般線性模型結(jié)果表明,坡面土壤有機(jī)碳含量主要受土層和坡向的影響,可解釋74.52%的變異性(P<0.001)。因此,坡向是影響該區(qū)域土壤有機(jī)碳垂直分布的重要因素。