高寒區(qū)季節(jié)性凍土土壤有機(jī)碳含量及團(tuán)聚體分布特征

黃莎琳 喻武 丁宇浩 王君惠

(西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院/高寒水土保持研究中心，西藏 林芝 860000)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)中最基本的單元，其是土壤的重要組成部分，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，對土壤許多理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)都有重要的影響。土壤有機(jī)碳含量(SOC)是土壤肥力的指標(biāo)之一，對維持土壤養(yǎng)分含量和有效性、促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙系統(tǒng)的形成和穩(wěn)定具有重要作用[1]。Eliott等已經(jīng)證明，與大團(tuán)聚體有關(guān)的有機(jī)碳比微聚體中的有機(jī)碳更容易礦化[2]。Christensen認(rèn)為，影響土壤團(tuán)聚體的所有因素都會影響土壤碳含量[3]。馬和平等研究色季拉山北坡表層土壤有機(jī)碳的垂直分布特征[4]，結(jié)果表明，土壤總有機(jī)碳含量隨海拔增高呈上升趨勢。綜上，土壤固碳主要以團(tuán)聚體為載體進(jìn)行，有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化貫穿于團(tuán)聚體的形成、穩(wěn)定和周轉(zhuǎn)過程。

世界氣候變遷對未來自然環(huán)境的影響一直是中外學(xué)術(shù)界非常關(guān)心的熱點(diǎn)問題，而土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主要組成部分，在碳循環(huán)過程中起到了主要作用[7]。青藏高原對全球氣候變化最為敏感，凍土土壤有機(jī)碳儲量占全球土壤有機(jī)碳儲量的2.5%。凍土退化已導(dǎo)致土壤碳排放速率增加，氣候變暖很有可能會加快生物過程和生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)進(jìn)而加速碳循環(huán)，影響著全球碳循環(huán)和氣候變化[8-10]。因此對青藏高原季節(jié)性凍土土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳的相關(guān)研究具有非常重要的意義。色季拉山位于青藏高原東南部，具有獨(dú)特的自然環(huán)境。目前，關(guān)于色季拉山境內(nèi)土壤有機(jī)碳含量的報(bào)道較多，但大多數(shù)研究側(cè)重于團(tuán)聚體在不同條件下的穩(wěn)定機(jī)制和變化。因此，本文以藏東南色季拉山季節(jié)性凍土為研究對象，研究了不同植被帶土壤有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體分布，為評價(jià)高寒土壤碳源/匯、土壤肥力和土壤抗侵蝕能力提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

2020年8月在藏東南色季拉山季節(jié)性凍土區(qū)沿不同的植被帶隨機(jī)布設(shè)6個(gè)典型樣方，按照5點(diǎn)采樣法來采集土樣，并分0～20cm，20～40cm和40～60cm 3個(gè)土層。在每一層取3個(gè)環(huán)刀(100cm3)土樣，以測定物理性質(zhì)；原狀土300g左右，以測定土壤團(tuán)聚體以及SOC，各采樣點(diǎn)基本情況見表1。主要植被類型包括急尖長苞冷杉林(Abiesgeorgeivar.smithii)(AF)，低矮疏林和多種杜鵑(Rhododendron spp.)組成的高山灌叢(SRF)，最高處為高山草甸(AM)。

表1 各采樣點(diǎn)基本情況表

1.2 測定方法

將原狀土掰成約1cm的小土塊，并去除植物根系和小石子等，自然狀態(tài)風(fēng)干后，采用沙維諾夫法干篩和濕篩法[11]測定土壤各級粒徑含量。

SOC的測定采用重鉻酸鉀K2Cr2O7外加熱氧化-亞鐵滴定法(GB 9834-88)；參考林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤分析方法》測定和計(jì)算物理性質(zhì)。采用Van Bavel[12]提出的公式計(jì)算水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)，用其(表示為MMWD)來描述團(tuán)聚體[13]的穩(wěn)定性：

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)初步整理使用Excel，繪圖使用Origin 9.0軟件。采用SPSS 26.0進(jìn)行不同樣點(diǎn)的方差分析，均值的多重比較采用LSD檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體的分布

AF土壤中>5mm團(tuán)聚體在各土層中所占比例最大，分別為56.57%、69.53%和75.32%，說明AF土壤大小對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用。2～5mm粒含量分別占21.18%、14.91%和8.65%；0.25～0.5mm含量分別為3.88%、2.58%和1.93%。SRF和AM團(tuán)聚體的粒徑分布也表現(xiàn)出相似的分布特征。隨土層深度的增加各粒徑所占比例基本先減小后增大再減小。0～20cm土層中<1mm團(tuán)聚體的比例低于AF和SRF，而20～40cm土層中<5mm團(tuán)聚體的比例高于AF和SRF。這表明色季拉山山頂20～40cm土層土壤團(tuán)聚體的數(shù)量多，而0～20cm和40～60cm的數(shù)量較少。

2.2 土壤團(tuán)聚體中平均重量直徑的變化

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)通常用來反映土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[14]。一般來說，該值越大，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤抗侵蝕性越強(qiáng)[15,16]。由圖1可知，色季拉山季節(jié)性凍土土壤團(tuán)聚體主要分布在0～20cm、20～40cm和40～60cm 3個(gè)土層，AF各土層MWD分別為0.68mm、1.35mm和1.74mm，隨土層深度的增加而逐漸增大，且差異明顯。而SRF和AM的MWD在3個(gè)土層間的差異不明顯，0～20cm和20～40cm土層中差異分別為0.07mm和0.34mm，20～40cm和40～60cm差異分別為0.25mm和0.27mm。區(qū)域內(nèi)AF林下的凋落物以及腐殖質(zhì)層較厚，表土相對疏松，但藏東南高強(qiáng)度的降雨對土壤有較強(qiáng)的壓實(shí)作用，因此MWD高于AM，低于SRF。SRF以草本植物為主，根系主要集中在土壤表層，對下層土壤影響較小，因此上下土層MWD值差異較小。

圖1 不同植被帶土壤團(tuán)聚體平均重量直徑的變化

2.3 土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分布特征

由表2可知，AF、SRF和AM 0～20cm土層各個(gè)粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量基本高于20～40cm和40～60cm，且土壤中各粒級團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量隨土層深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢。SRF和AM團(tuán)聚體SOC最高的均為<0.25mm粒級，AF 0～20cm土層團(tuán)聚體SOC高于SRF,而在20～40cm和40～60cm土層，<0.25mm粒級的團(tuán)聚體SOC低于SRF。AF 0～20cm土層0.25～0.5mm粒級團(tuán)聚體SOC最高，為27.05g·kg-1，20～40cm土層<0.25mm粒級團(tuán)聚體SOC最高,為16.68g·kg-1，40～60cm土層>5mm粒級團(tuán)聚體SOC最高,為12.83g·kg-1。3種植被類型在0～20cm土層中，>5mm粒級的團(tuán)聚體SOC差異最大，且隨著團(tuán)聚體粒級的增大，差異逐漸減小。由此可見，不同植被帶團(tuán)聚體SOC對植被類型變化的響應(yīng)較為敏感。

表2 不同粒徑土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量

3 結(jié)論

AF、SRF和AM在0～20cm、20～40cm和40～60cm 3個(gè)土層土壤各粒級團(tuán)聚體均以>5mm和2～5mm為主。不同土層深度中各粒徑所占的比例，基本上是先減小再增大最后減小的變化趨勢。

AF土壤團(tuán)聚體在0～20cm、20～40cm和40～60cm 3個(gè)土層MWD隨土層深度的增加而逐漸增大，且差異明顯。

AF、SRF和AM在0～20cm土層中各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量基本高于20～40cm和40～60cm。