海拔對藏東南山地土壤有機碳垂直分布格局的影響分析

黃莎琳，李 晶，楊文姬，林田苗，喻 武

（1.西藏農牧學院資源與環(huán)境學院/高寒水土保持研究中心，西藏 林芝 860000；2.水利部沙棘開發(fā)管理中心/水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，北京 100038;3.山合林（北京）水土保持技術有限公司，北京 100038）

【研究意義】土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)2/3 的碳庫，是陸地植物的3 倍、大氣的2 倍，其含量的變化對大氣中的CO2濃度、碳源和碳匯轉化、全球碳循環(huán)以及植被的凈初級生產力具有重要影響［1］。土壤碳庫可視為大氣CO2的重要源和匯，其儲量的任何變化都會在很大程度上改變大氣CO2濃度和影響全球碳平衡［2］?！厩叭搜芯窟M展】為了解海拔對SOC 垂直分布格局的影響，連玉珍等［3］對色季拉山北坡表層SOC 的垂直分布特征進行了研究，結果表明，土壤總有機碳含量隨海拔升高呈增加趨勢，而隨土層深度增加呈減少趨勢，其中以林芝云杉林的SOC 含量最低（5.223 mg/kg），高山草甸的SOC 含量最高（12.867 mg/kg）。胡宗達等［4］研究表明，表土的總有機碳含量隨海拔升高呈現(xiàn)從低到高再下降的趨勢，而下層土壤的總有機碳含量則隨著海拔升高而增加。王根緒等［5］研究了青藏高原草地土壤有機碳庫及其全球意義，發(fā)現(xiàn)青藏高原有機碳儲量占我國有機碳儲量的23.44%。Yang 等［6］通過對青藏高原高寒草甸、草原采樣測定，計算出高寒草地0～100 cm 土壤中有機碳儲量約為7.4×109t，有機碳密度平均為6.5 kg/m2，且呈現(xiàn)出從東南向西北減少的趨勢。吳雅瓊等［7］通過整理青藏高原土壤普查數據，發(fā)現(xiàn)青藏高原土壤有機碳庫具有顯著的土壤-植被地帶性分布特征。向成華等［8］認為，高海拔地區(qū)的植被類型在土壤中活性炭的含量和分布比例較高。還有研究者報道了長白山森林SOC 含量不隨海拔梯度而變化，但高海拔森林的土壤水溶性碳、微生物碳和易氧化碳含量卻顯著大于中間海拔梯度森林［9］。因此關于不同海拔影響下SOC 的垂直分布格局受到了研究者的廣泛關注。

【本研究切入點】土壤碳儲量是全球土壤碳庫（1 500 Gt）的2.6%或2.4%，在全球變化研究中占有特殊地位［10］。青藏高原是全球氣候變化的敏感地區(qū)，其擁有世界上海拔最高、面積最大和獨特的生態(tài)系統(tǒng)［11］。該地區(qū)森林資源豐富，約占全國的7.08%，主要分布在東南部的高山地區(qū)。西藏東南部海拔落差大，氣候寒冷，植被垂直帶譜清晰，有較強的空間異質性。青藏高原是全球氣候變化的重要調節(jié)器，在固碳釋氧方面發(fā)揮著巨大作用，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，一旦發(fā)生水土流失很難自然恢復［12-14］。近年來，隨著全球氣候的變化，對藏東南海拔梯度上土壤碳庫分布、組成和變化等的研究逐漸增多。國內外眾多學者的研究表明，海拔梯度上降水、溫度等環(huán)境因素的變化影響著陸地植被的類型和土壤生物的分布結構，導致土壤理化性質和有機碳垂直梯度的差異［15-17］。目前對西藏東南部山地海拔梯度上的土壤研究主要集中在土壤抗蝕性和土壤呼吸速率等方面，SOC 的研究多集中在土壤表層［18］，很少有研究報道復雜地形下不同海拔對SOC 垂直分布的影響，還未搞清影響有機碳空間分布格局的因素?！緮M解決的關鍵問題】本研究以藏東南具有典型山地垂直地帶性的色季拉山為研究區(qū)，以不同海拔高度和土層深度的土壤為研究對象，分析其土壤物理性質和SOC 的垂直空間分布差異，以期為我國藏東南乃至全國土壤碳匯能力提高以及可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

色季拉山位于西藏自治區(qū)林芝市境內（29°35′～29°57′N，94°25′～94°45′E），屬于念青唐古拉山脈，是尼洋河流域和帕隆藏布江的分水嶺，其主峰海拔高度為5 200 m［19］。該地區(qū)屬典型的亞高山溫帶半濕潤氣候，冬溫夏涼，干濕季節(jié)比較明顯，降水主要集中在每年4—10月、降水量875～1 350 mm，約占全年降水量的80.0%；年平均氣溫-0.7 ℃，7 月為最暖月、平均氣溫9.2 ℃，1 月為最冷月、平均氣溫-14.0 ℃；土壤以山地棕壤和酸性棕壤為主［20］。擁有藏東南部典型的高山生態(tài)系統(tǒng)和垂直植被帶分布特征［21-23］，主要森林植被類型為山地溫帶暗針葉林，以急尖長苞冷杉（Abies georgeivar.smithii）為建群種，并有林芝云杉林（Picea likiangensisvar.nyingchiensis）、云冷杉混交林及冷杉（Abies fabriCraib）、方枝柏（Sabina saltuaria）混交林等。

1.2 土壤樣品采集

于2020 年8 月，在野外考察的基礎上，根據土地利用、地形、土壤特征等因素，選擇坡度較緩、植被類型連續(xù)的區(qū)域作為研究區(qū)。從色季拉山西坡海拔約3 400～4 600 m 范圍，以200 m 為一個海拔間隔進行采樣，在7 個海拔處進行土壤樣品的采集，各采樣點的海拔、地理位置、氣候條件及植被類型見表1。采樣時在每個海拔間隔，沿水平方向隨機選取3 個采樣樣方（森林10 m×10 m，灌叢5 m×5 m，草甸1 m×1 m），3 個樣方之間相隔不小于100 m；在每個采樣樣方中隨機挖取3個土壤剖面（0～60 cm），先除去土壤表面的凋落物，之后將剖面分為 0～20、20～40、40～60 cm 3 層，用環(huán)刀采集各層土樣，3次重復，共63個土壤樣品，并采集每一層土壤剖面的原狀土帶回室內備用，以測定土壤的理化指標。

表1 色季拉山各采樣點基本信息Table 1 Basic information of each sampling point in Sejila Mountain

1.3 土壤樣品處理與測定

土壤樣品帶回實驗室后立即利用烘干法（105℃）測定土壤含水量，用環(huán)刀法（環(huán)刀體積為100 m3）測定土壤容重，并計算毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度；將未受干擾的原狀土樣放置在通風的室內自然風干。將烘干的土樣挑去枯枝落葉、根系和礫石，研磨過0.149 mm 篩，裝袋備用。各物理性質的測定和計算參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《森林土壤分析方法》，SOC 含量采用重鉻酸鉀高溫外加熱氧化－亞鐵滴定法（GB 9834－88）測定，每次測3 個平行樣；使用TPF-100團粒分析儀分析土壤團粒結構組成；使用激光粒度儀（Bettersize 2000，丹東百特儀器有限公司）分析土壤機械組成，根據美國農業(yè)部（USDA）分類標準（表2）進行劃分［24-28］。

表2 供試土壤機械組成Table 2 Mechanical composition of test soil

1.4 土壤有機碳的計算

土壤有機碳密度計算公式為：

式中，SOCD為特定深度的土壤碳密度（kg/m2），Ci為第i層土壤碳含量（g/kg），BDi為第i層土壤容重（g/cm3），hi為第i層土壤厚度（cm），n為土層數。

不同層次土壤有機碳量含量平均值，采用加權平均法計算，即：

式中，Ci為某一層土壤有機碳含量（%），Hi為該層土壤厚度（cm）。

SOC 儲量計算公式［29］為：

SOCS=Si×SOCD

式中，Si為第i層植被帶的面積。

SOC 富集系數（%）=某一土層有機碳含量/整個土壤剖面有機碳平均含量×100［30］。

試驗數據采用Excel 2020 和SPSS 26.0 軟件進行處理。根據不同土層深度和不同海拔高度，使用單因素方差分析（one—Way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同剖面層之間的SOC差異，采用Origin 2019 軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質垂直空間分布差異分析

由圖1 可知，不同海拔的土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度變化范圍分別為0.72±0.84～1.08±0.75 g/cm3、51.76（±3.65）%～67.06（±3.97）%、47.11（±7.5）%～58.03（±3.97）%和9.03（±0.78）%～11.04（±1.46）%，其中不同海拔的土壤容重從大到小依次為海拔4 000、4 255、3 393、3 633、4 618、4 394、3 800 m；總孔隙度由大到小依次為海拔4 394、3 800、4 618、3 633、4 255、3 393、4 000 m；毛管孔隙度由大到小依次為海拔4 394、3 800、3 633、3 393、4 255、4 000、4 618 m；非毛管孔隙度由大到小依次為海拔3 393、4 618、3 800、3 633、4 255、4 000、4 394 m。隨著土層的加深，土壤容重呈增加趨勢，總孔隙度和毛管孔隙度均呈減小趨勢，而非毛管孔隙度不隨土層增加呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。

圖1 不同海拔土壤物理性質趨勢圖Fig.1 Trend map of soil physical properties at different altitudes

2.2 SOC 含量垂直空間分布差異分析

SOC 含量與儲量整體上呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，但由于不同海拔植被帶分布的面積以及植被類型的差異，加之計算公式所涉及的影響因素不同，因而有必要分別分析。SOC 含量主要涉及土壤中有機質的含量，SOC儲量涉及到容重、植被帶面積。

在色季拉山不同海拔梯度上，SOC 含量隨著土層深度增加呈下降趨勢（圖2）。在土壤表層0～20 cm，SOC 含量整體呈現(xiàn)隨海拔升高而增加的特征，以海拔4 618 m 高寒草甸的SOC 含量最高、為8.24（±0.58）%，是其他海拔的1.76～3.07 倍，其次是海拔4 000 m 急尖長苞冷杉林7.14（±0.42）%、4 394 m（6.84%±0.43%）和4 255 m（6.54%±0.45%）的杜鵑林、3 800 m（5.38%±0.34%）、3 633 m（3.25%±0.31%）和3 393 m（2.68%±0.27%）；在土層剖面20～60 cm，SOC 含量表現(xiàn)出隨海拔升高呈單峰曲線的分布特征。在海拔相對較低的急尖長苞冷杉林，SOC 含量隨土層深度增加而普通遞減，其中40～60 cm 土層的SOC 含量比0～20 cm 降低54%～71%；而在海拔4 618 m 的高寒草甸，SOC含量隨土層深度增加急劇下降，40～60 cm 土層的SOC 含量比0～20 cm 降低76%。

圖2 不同海拔SOC 含量的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of SOC content at different altitudes

SOC 富集系數是某一土層有機碳含量與整個土壤剖面有機碳平均含量的比值［30］。由圖3 可知，色季拉山SOC 富集系數隨土層深度增加而逐漸減小，其中土壤上層（0～20 cm）的SOC 含量顯著高于其下各層（P＜0.01），為其他土層深度的1.5～2 倍，富集系數為1.57，而20～60 cm 土層的SOC 富集系數均小于1，表明色季拉山的SOC具有明顯的表層富集性。

圖3 色季拉山各土層SOC 富集系數Fig.3 Enrichment coefficient of SOC in each soil layer of Sejila Mountain

2.3 SOC 儲量垂直空間分布差異分析

由圖4 可知，不同海拔顯著影響色季拉山0～60 cm 土層的SOC 儲量，整體上呈現(xiàn)單峰曲線變化趨勢。色季拉山0～60 cm 土層的SOC 儲量范圍為117.14（±10.24）～220.63（±11.63）t/hm2，其中海拔4 255 m 的SOC 儲量顯著高于其他海拔高度，相當于海拔3 393 m SOC 儲量的2 倍。

圖4 色季拉山不同海拔SOC 儲量Fig.4 SOC reserves at different altitudes in Sejila Mountain

不同海拔梯度土壤剖面（0～60 cm）的SOC儲量分布（表3）表明，隨著海拔的變化，SOC儲量從高到低依次為海拔4 255、3 800、4 000、4 394、4 618、3 633、3 393 m。其中，土壤表層0～20 cm 的SOC 儲量〔60.35（±5.38）～98.74（±3.65）t/hm2〕隨著海拔增高不斷上升，而隨著土層深度增加逐漸降低，最高值出現(xiàn)在海拔4 255 m 的杜鵑林，最低值則在海拔3 393 m 的急尖長苞冷杉林；在土層20～40 cm〔32.46（±3.02）～68.24（±3.51）t/hm2〕和40～60 cm〔24.33（±1.84）～59.83（±3.27）t/hm2〕，隨著海拔增高SOC 儲量均呈現(xiàn)單峰曲線變化趨勢。

表3 不同土層不同海拔梯度的SOC 儲量Table 3 SOC reserves at different altitude gradients in different soil layers

在不同海拔梯度，SOC 儲量（占比）隨土層深度增加而顯著降低，其中土壤表層0～20 cm 的SOC 儲量占整個剖面SOC 總儲量的50%左右，以海拔4 618 m 高寒草甸表層0～20 cm 的SOC 儲量最高、占總儲量的56.63%，分別為20～40、40～60 cm 土層的2.93、2.35 倍。海拔4 394、4 255 m 杜鵑林0～20 cm 土層的SOC 儲量分別占總儲量的49.90% 和44.76%，分別為20～40、40～60 cm 土層的1.95、1.45 倍和2.04、1.84 倍；海拔4 000、3 800、3 633、3 393 m 急尖長苞冷杉林0～20 cm 土層的SOC 儲量分別占總儲量的41.74%、41.08%、46.91% 和51.52%，分別為20～40、40～60 cm 土層的1.40、1.36、1.57、1.86倍和1.47、1.43、2.03、2.48 倍。

3 討論

在高寒山地生態(tài)系統(tǒng)中，太陽輻射會隨著海拔的升高而增加，同時，溫度會隨著海拔的升高而降低，導致SOC 循環(huán)速率降低，這可能使SOC含量隨海拔的升高而增加。本研究以200 m 為一個海拔梯度間隔進行連續(xù)采樣，發(fā)現(xiàn)色季拉山的SOC 含量在不同海拔高度變化較大，總體上呈現(xiàn)出隨海拔升高而先升高后降低的變化特征。這與其自然環(huán)境密不可分，該地區(qū)位于藏東南腹地，處于濕潤和半濕潤區(qū)的交界處，受印度洋濕潤季風流的影響，雨量充沛，氣候垂直分異明顯。研究區(qū)域海拔3 393～4 618 m 之間，由于急尖長苞冷杉林廣泛分布，樹木繁茂，地面的凋落物較厚，林下植被種類相對單一。在海拔4 000～4 300 m 之間，分布著急尖長苞冷杉、杜鵑和方枝柏以及其他雜木的混交林，植被多樣性豐富，林內濕度高，其中在海拔4 300 m 至林線以下，主要為杜鵑和方枝柏的混交林；在林線以上則分布著高寒灌木，隨著海拔的升高，出現(xiàn)高山草甸。由于海拔較高，氣候寒冷干燥，因此在惡劣的環(huán)境中這些凋落物不容易分解，導致地表有一層較厚的凋落物堆積。

本研究采樣的7 個海拔梯度中，海拔4 255 m土層的SOC 儲量明顯大于其他海拔梯度，而海拔3 393 m 土層的SOC 儲量最小，這與土壤碳氮含量由暖區(qū)向冷區(qū)增加，并隨著有效水分增加而增加的趨勢一致。其原因可能是森林土壤有機質輸入量大、分解速度快，而高海拔有機質輸入量多、分解速度慢造成的。此外色季拉山的SOC 具有明顯的地表富集現(xiàn)象，這可能是由于凋落物分布在土壤表層，分解速度快、根系分布較多、土壤結構疏松，有利于表層SOC 的積存。這與柯嫻氡［21］對粵北亞熱帶山地森林的研究、史飛［10］對色季拉山西坡的研究結果相似。這表明，某個指標的海拔分布特征可能不唯一，但會受到采樣間隔梯度、采樣點數和采樣海拔范圍的影響。因此，為驗證結果的科學性，下一步有必要在采樣海拔盡可能覆蓋高山生態(tài)系統(tǒng)所有植被類型的情況下，加強大尺度上SOC含量的研究，擴大具有典型山地垂直地帶性的山體土壤樣品的采集范圍，如米拉山、德姆拉山等，適當縮小采樣間隔梯度、增加采樣點數，有助于更加準確地反映高寒區(qū)SOC的垂直分布格局，為防治該地區(qū)的水土流失奠定基礎。

4 結論

本研究結果表明，色季拉山土壤各物理性質指標間存在較大的空間異質性。在不同海拔高度（3 400～4 600 m），土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的變化范圍分別為0.72～1.08 g/cm3、51.76%～67.06%、47.11%～58.03%和9.03%～11.04%。隨著土層加深，土壤容重有增加的趨勢，總孔隙度和毛管孔隙度均有減小趨勢，而非毛管孔隙度不隨土層增加呈現(xiàn)一定變化規(guī)律。

色季拉山不同海拔梯度土壤的SOC 含量（1.57%～8.24%）隨著土層深度的增加呈下降的趨勢。在土壤表層0～20 cm，SOC 含量整體呈現(xiàn)出隨海拔升高而增加的特征，以海拔4 618 m 高寒草甸的SOC 含量最高，為其他海拔的1.76～3.07 倍。

色季拉山0～60 cm 土層的SOC 儲量范圍為117.14～220.63 t/hm2，不同海拔顯著影響色季拉山0～60 cm 土層的SOC 儲量，整體上呈現(xiàn)單峰曲線變化趨勢，以海拔4 255 m 的SOC 儲量顯著高于其他海拔高度，相當于海拔3 393 m 的2 倍。