三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳及其氧化穩(wěn)定性特征

孫豐豪，張志春，蔣平安，楊 凱，周少龍

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001；3.青海大學(xué)，青海 西寧 810016）

0 引言

凍土是溫度低于0 ℃并出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象的土壤（或地表疏松層）?；顒訉觿t是隨季節(jié)轉(zhuǎn)換而發(fā)生周期性凍融的凍土類型，其年平均氣溫高于0 ℃，受土壤性質(zhì)影響較大［1-2］。三江源氣候?qū)偾嗖馗咴瓪夂蛳到y(tǒng)，年平均氣溫低，無明顯四季之分，淺層土壤（0～40 cm）是隨冷暖季節(jié)轉(zhuǎn)換而發(fā)生凍融的活動層。凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳的數(shù)量與質(zhì)量關(guān)系到季節(jié)轉(zhuǎn)換時土壤與大氣之間的熱量交換，影響著凍土的發(fā)育、保護(hù)和退化。土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性能夠反映成土條件及過程［3］，是衡量土壤有機(jī)碳抗氧化能力的重要指標(biāo)。氧化穩(wěn)定性系數(shù)（Kos）是土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的量化指標(biāo)，其數(shù)值越大土壤有機(jī)碳就越穩(wěn)定。土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的變化主要發(fā)生在易氧化分解的部分，不同氧化程度有機(jī)碳的占比能直觀地反映出土壤有機(jī)碳分解的難易程度［4］。根據(jù)土壤有機(jī)碳氧化的難易程度可劃分為四個不同組分（Fraction 1～4）：高氧化活性有機(jī)碳（F1）、中氧化活性有機(jī)碳（F2）、低氧化活性有機(jī)碳（F3）和難氧化活性有機(jī)碳（F4）［5］。各組分的多寡共同決定著土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的大小。

三江源平均海拔在4 000 m以上，凍土分布廣泛，自西向東土壤類型逐漸由草甸土轉(zhuǎn)變?yōu)椴菰?，土壤有機(jī)碳含量較高［6］，特殊的地理位置及氣候條件使得凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳對環(huán)境變化極為敏感［7-9］。復(fù)雜的大尺度區(qū)域研究，樣點稀疏且高寒地區(qū)惡劣的自然環(huán)境又加大了工作難度，使得土壤樣品采集困難且容易出現(xiàn)誤差，傳統(tǒng)土壤制圖難以對有機(jī)碳特征做出精準(zhǔn)反映［10］。數(shù)字土壤制圖基于環(huán)境協(xié)變量來定量土壤景觀模型和柵格數(shù)據(jù)，能克服傳統(tǒng)土壤調(diào)查制圖僅利用斑塊的局限性，多種因素綜合考慮，在一定程度上可弱化外界條件影響并減少誤差，較準(zhǔn)確反映出土壤性質(zhì)的變化，已在青藏高原農(nóng)耕區(qū)廣泛應(yīng)用于碳、氮分布等研究［11-16］。本文采用隨機(jī)森林模型對三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性分布特征進(jìn)行解析，探索其分布規(guī)律和對環(huán)境的響應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

三江源（31°39′～36°16′ N，89°24′～102°23′ E）總面積為36.37×104km2，季節(jié)凍土和多年凍土鑲嵌分布［7］。全區(qū)以山地地貌為主，最低海拔3 335 m，最高海拔6 564 m，平均海拔4 400 m左右，相對高差3 229 m［17］。全區(qū)平均植被覆蓋度為48.73%，自東南至西北遞減，草甸、高山亞高山草甸、平原草原、高山亞高山草原和荒漠草原的平均植被覆蓋度分別為59.86%、57.39%、39.50%、33.70%和14.13%［18］。

2011—2019 年間全區(qū)年均氣溫為0.9 ℃，年均降水量475.50 mm，年均日照時數(shù)為2 622.62 h，氣溫低、降水少但日照充足。年均氣溫、年均降水量呈自東南向西北逐漸降低的特征，年均日照時數(shù)呈自東南向西北逐漸升高的特征（圖1）。

圖1 2011—2019年三江源地區(qū)水熱、日照條件Fig.1 Water，heat and sunshine conditions in Three River Source Region from 2011 to 2019：average annual air temperature（a），precipitation（b）and sunshine hours（c）

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測定

采樣點布設(shè)以中國1∶1 000 萬凍土區(qū)劃及類型圖、1∶100 萬土壤圖、青海省土壤普查資料、青海省行政區(qū)劃圖和青海省交通圖為依據(jù)，在能代表當(dāng)?shù)丶爸脖活愋偷钠教沟貐^(qū)布設(shè)采樣點采樣，樣點共86個，間距在30～100 km之間（圖2）。

圖2 三江源地區(qū)土壤采樣點空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil sampling points in Three River Source Region

確定采樣點后，在能夠代表本地植被特征且相對平坦區(qū)域按100 m×100 m 的樣方布置樣點，按“X”形5 點采樣，采集0～40 cm 或至冰磧物的土壤。樣品撿去石塊等雜物后，用四分法保留1 kg 布袋封裝帶回實驗室陰涼處自然風(fēng)干。將風(fēng)干土再次混勻，以四分法分出150～200 g，仔細(xì)揀出枯枝落葉、礫石、植物根系等雜物后，研磨過0.25 mm 篩待測。

對于土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的測定，普遍采用強(qiáng)酸加不同濃度氧化劑分別在一定溫度下氧化土壤，由此來獲得有機(jī)碳不同的氧化量，常用的氧化劑有K2Cr2O7和KMnO4。本文采用不同濃度梯度的硫酸-重鉻酸鉀溶液在不同溫度下氧化土壤（對同一樣品分別稱取5 份相同的量）獲取相應(yīng)條件下土壤有機(jī)碳的氧化量，確定各級氧化活性組別的絕對量，據(jù)此計算各組別的相對含量和氧化穩(wěn)定性系數(shù)。用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示不同的氧化強(qiáng)度，序號越高氧化能力越弱［19］。不同的氧化強(qiáng)度條件如下：

定義高氧化活性有機(jī)碳F1=Ⅴ，中氧化活性有機(jī)碳F2=Ⅳ-Ⅴ，低氧化活性有機(jī)碳F3=Ⅲ-Ⅳ，難氧化活性有機(jī)碳F4=Ⅰ-Ⅲ［20-21］；土壤有機(jī)碳含量TOC=Ⅰ；氧化穩(wěn)定性系數(shù)Kos=（F3+F4）/（F1+F2）。

2.2 制圖參數(shù)

隨機(jī)森林是多個決策樹集成的機(jī)器算法，各決策樹之間沒有關(guān)聯(lián)，模型的最終輸出由每一棵決策樹共同決定［22-23］。模型采 用ruby 中 的Random Forest 實現(xiàn)，ntree（決策樹數(shù)量）為500，隨機(jī)抽樣選取70%為訓(xùn)練集，余下為測試集，預(yù)測結(jié)果采用自然裂隙法分階，利用ArcGIS 制圖［21］。本模型中2011—2019 年的年均降水量、日照時數(shù)、年均溫和采樣點海拔等環(huán)境變量數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心，DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn）。

2.3 結(jié)果評估

用goof 函數(shù)進(jìn)行交叉驗證驗證得出決定系數(shù)（R2）、一致性系數(shù)（CC）、平均誤差（ME）和均方根誤差（RMSE）作為模型預(yù)測結(jié)果評估指標(biāo)，公式［24］為

式中：N為建模樣點的個數(shù)；p(xi)為建模樣點的觀測值；v(xi)為建模樣點的模擬值；為樣點觀測值的均值；為模擬值的均值為建模樣點觀測值的方差為建模樣點模擬值的方差。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采樣結(jié)果表明，三江源凍土區(qū)TOC 在5.27～157.35 g·kg-1之間，均值為（33.00±17.51）g·kg-1。不同氧化程度有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05），均值F4 最高，F(xiàn)3 均值最低，分別為18.15 g·kg-1、3.88 g·kg-1，氧化穩(wěn)定性系數(shù)（Kos）在0.44～2.92之間，均值為1.41（表1）。

表1 采樣點土壤有機(jī)碳（TOC、F1～F4、Kos）Table 1 Soil organic carbon（TOC，F(xiàn)1～F4，Kos）at sampling points

3.2 環(huán)境變量相關(guān)性分析

除海拔與Kos間不相關(guān)外，環(huán)境各變量與土壤有機(jī)碳總量、不同氧化難易程度組分以及Kos間均具有相關(guān)性，據(jù)此在隨機(jī)森林建模時對Kos的預(yù)測剔除海拔變量，其余均作為協(xié)同變量對土壤有機(jī)碳進(jìn)行預(yù)測［25］（表2）。

表2 采樣點土壤有機(jī)碳（TOC、F1～F4、Kos）與環(huán)境變量的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between soil organic carbon（TOC，F(xiàn)1～F4，Kos）and environmental variables at sampling points

3.3 制圖結(jié)果評估

預(yù)測結(jié)果中決定系數(shù)（R2）均在0.54 以上，模型對上述六種有機(jī)碳屬性有54%的解釋度。一致性系數(shù)（CC）均大于0.58，預(yù)測值與實際值一致性較高。除TOC 預(yù)測結(jié)果均方根誤差（RMSE）為14.02、F4 預(yù)測結(jié)果均方根誤差（RMSE）為9.18 之外，其余預(yù)測結(jié)果均方根誤差皆小于2.90。隨機(jī)森林模型能較好地對土壤有機(jī)碳進(jìn)行預(yù)測，并對其變異性有較為精準(zhǔn)的反映（表3）。

表3 土壤有機(jī)碳（TOC、F1～F4、Kos）預(yù)測值交叉驗證結(jié)果Table 3 Cross-validation results of soil organic carbon（TOC，F(xiàn)1～F4，Kos）prediction values

3.4 土壤有機(jī)碳制圖結(jié)果

TOC 經(jīng)度地帶性特征明顯，高值區(qū)分布在三江源東部（100°00′～102°23′ E）和中部（96°30′～97°30′ E），西部（90°00′～95°00′ E）低值區(qū)分布廣泛。

F1相對含量（F1/TOC，下同）在9.75%～24.03%之間，高值區(qū)分布在東北一隅（34°50′～36°10′ N，100°00′～101°27′ E）并向西遞減至低值區(qū)（32°30′～33°25′ N，98°20′～101°27′ E），中 部（95°00′～97°30′ E）F1占比適中，在12.93%～19.27%之間，西部（90°00′～95°00′ E）多為低值區(qū)分布。

F2 相對含量在5.34%～30.62%之間，同F(xiàn)1 相近，高值區(qū)分布在東北一隅，但向西F2 占比降幅度小于F1，中部（95°00′～97°30′ E）F2 占比適中，西部偏低，自東向西逐漸遞減。

F3 相對含量在4.15%～30.21%之間，與F1、F2不同，西部（90°0′～94°40′ E）F3高值區(qū)廣泛分布，中部（94°40′～98°30′ E）低值區(qū)廣泛分布，中值區(qū)在東部（98°30′～101°27′ E）廣泛分 布且東 北一隅（34°50′～36°10′ N，100°00′～101°27′ E）F1、F2 的高值區(qū)反而是F3的中值區(qū)。

F4相對含量在34.71%～65.19%之間，同F(xiàn)1、F2相近，僅在東北一隅存在小范圍高值區(qū)，依次向西遞減，低值區(qū)分布廣泛。

Kos在0.77～2.60 之間，東 北一隅（32°30′～35°25′ N，100°20′～101°27′ E）和西北（34°30′～35°25′ N，92°30′～94°47′ E）存在部分高值區(qū)，低值區(qū)偏向南部分布。北高南低，地帶性特征并不突出（圖3）。

圖3 三江源土壤有機(jī)碳（TOC、F1/TOC～F4/TOC、Kos）空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon（TOC，F(xiàn)1/TOC～F4/TOC，Kos）in Three River Source Region

3.5 環(huán)境變量貢獻(xiàn)率分析

節(jié)點純度（IncNodePurity）是隨機(jī)森林用于回歸過程中殘差的平方和，定量地反映了環(huán)境因子在預(yù)測過程中所占權(quán)重，其數(shù)值越大貢獻(xiàn)率越高，越小則反之。

TOC、F1/TOC、F2/TOC、F4/TOC 節(jié)點純度中年均降水量最大，在預(yù)測過程中起主導(dǎo)作用，年均日照時數(shù)和年均溫次之。但F3/TOC 節(jié)點純度年均降水量次于海拔和年均日照時數(shù)、Kos節(jié)點純度年均日照時數(shù)超越了年均降水量成為主導(dǎo)因素?？梢姳M管土壤有機(jī)碳主要受溫度和降水的影響［18］，但本模型預(yù)測結(jié)果顯示，除了降水，日照時數(shù)也是影響其變化的主要因素之一，溫度反而略顯次要（圖4）。

圖4 土壤有機(jī)碳（TOC、F1～F4、Kos）預(yù)測結(jié)果的節(jié)點純度Fig.4 Nodal purity of soil organic carbon（TOC，F(xiàn)1～F4，Kos）prediction results

4 討論

根據(jù)研究對象的屬性確定模型、選定協(xié)同變量是數(shù)字化制圖的特點［26-27］。基于此，本模型在對Kos預(yù)測時選用了年均降水量、年均氣溫、年均光照時數(shù)三個環(huán)境變量，剔除了海拔變量?？紤]到水熱、光照等條件對土壤的影響是均質(zhì)單一的，而海拔不僅能對局部氣候造成影響，甚至能改變小尺度區(qū)域的土壤環(huán)境，進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)［28-30］，因此不能片面地認(rèn)為海拔對Kos沒有影響，僅能說明海拔對模型中Kos的預(yù)測結(jié)果貢獻(xiàn)有限。

溫度和降水是影響土壤有機(jī)碳變異的主要因素［31-34］。預(yù)測結(jié)果顯示，降水、日照時數(shù)對凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)更大，溫度卻略顯次要。其原因可能是研究區(qū)海拔較高、氣溫常年偏低、年際變化小，雖然內(nèi)部不同自然地帶間雖然溫度存在一定差異，但由于整體氣溫偏低，使得溫度不再是自然地帶性差異最顯著的氣候因子，而降水量和日照時數(shù)則通過影響植物的分布和生長而對土壤有機(jī)碳含量和氧化穩(wěn)定性產(chǎn)生間接影響［6］。

不同氧化難易程度組分影響著土壤有機(jī)碳的理化性質(zhì)，其與土壤有機(jī)碳含量的占比反映了土壤有機(jī)碳的組成和狀態(tài)［33-35］。與高寒地區(qū)低溫少雨特性有關(guān)，三江源凍土區(qū)淺層土壤難氧化活性有機(jī)碳組分占比（F4/TOC）最高，而低氧化活性有機(jī)碳組分占比（F3/TOC）最低，前者對土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性的影響最大，后者最小。全區(qū)自東南向西北隨著海拔升高、氣候的變化，土壤類型逐漸由草甸土向草原土過渡，植被覆蓋度也隨之降低，同時海拔等因素也對局部小氣候造成不可忽視的影響。在種種因素共同作用下，不同氧化難易程組分有著不同的分布特征。F1/TOC、F2/TOC、F4/TOC 自東向西遞減地帶性特征明顯，TOC 階梯性遞減，中部地區(qū)偶有升高；水熱光照條件良好且草甸土廣泛分布的東北一隅不僅是TOC 的高值區(qū)，也是F1/TOC、F2/TOC 和F4/TOC 較高的區(qū)域。氣候寒冷干燥、植被覆蓋度低且以草原土為主導(dǎo)的西部地區(qū)TOC、F1/TOC、F2/TOC 和F4/TOC 都較低，F(xiàn)3/TOC 卻較高。中部TOC 高值區(qū)有機(jī)碳組分分布表現(xiàn)出了較大差異（F3 相對含量更低），其原因可能是中部高寒草甸、草原鑲嵌分布，植被種類相對豐富，加快了低氧化活性有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化，也正是這種各組分間的分布差異導(dǎo)致了Kos和TOC 在大尺度范圍內(nèi)變異性的產(chǎn)生。

作為具有較為綜合性質(zhì)的土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性系數(shù)（Kos），數(shù)字制圖結(jié)果顯示全區(qū)Kos處于較高水平。三江源低溫少雨的氣候特征導(dǎo)致土壤有機(jī)碳活性較低、分解較慢，同時也意味著冷、干的環(huán)境有利于凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳的長期賦存。

與中國以水熱為主要成土條件的地帶性土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性由南到北升高的情形類似［36-37］，三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性基本呈現(xiàn)北高南低的分布特征。隨著年均降水和氣溫自東南向西北的逐漸降低和日照時數(shù)的逐漸增加，Kos的經(jīng)向地帶性特征不及不同氧化難易程度組分（F1、F2、F3 和F4）的分異明顯，這應(yīng)當(dāng)是三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性對環(huán)境的客觀響應(yīng)，也是土壤有機(jī)碳受不同氧化穩(wěn)定性組分協(xié)同影響的具體體現(xiàn)。

5 結(jié)論

基于實驗數(shù)據(jù)與2011—2019 年氣候資料，采用隨機(jī)森林模型對三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性進(jìn)行了多要素數(shù)字化制圖，得出以下結(jié)論：

（1）三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳受降水和日照時數(shù)影響較大，溫度對其作用有限。

（2）三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳不同氧化難易程度組分分布各異，除低氧化活性有機(jī)碳組分（F3）外，其余組分隨水熱條件的地帶性變化而變化。

（3）三江源凍土區(qū)淺層土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性系數(shù)總體呈北高南低的特征，其地帶性特征表征力度不及各不同氧化難易程度組分。