若爾蓋地區(qū)主要覆被類型淺層土壤持水量和有機(jī)碳關(guān)系研究

付琳玉， 孫永玉， 胥汝宇， 劉文斗， 廖聲熙， 唐國勇,4*

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院高原林業(yè)研究所， 云南 昆明 650233； 2. 南京林業(yè)大學(xué)， 江蘇 南京 210037； 3. 國家林業(yè)局云南元謀荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站， 云南 昆明 650233； 4. 國家林業(yè)局云南建水荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站， 北京 100083)

水源涵養(yǎng)是林草生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)功能之一[1]。若爾蓋地區(qū)地處青藏高原東緣，是我國高寒草甸和高原泥炭典型分布區(qū)，也是黃河、長江重要的水源補(bǔ)給區(qū)，在土壤碳水固持方面發(fā)揮著重要作用[2-3]。資料顯示，若爾蓋地區(qū)水源涵養(yǎng)總量約為 6. 57億m3/年，向黃河補(bǔ)水 6.71±1.49億m3/年，徑流量與水源涵養(yǎng)量正相關(guān)關(guān)系[4-5]。近百年來人類活動和氣候變化等干擾，導(dǎo)致若爾蓋高寒草甸和濕地生態(tài)系統(tǒng)退化[6-7]。合理放牧、人工建植等恢復(fù)措施雖使水源涵養(yǎng)量呈上升趨勢，有機(jī)碳儲量顯著增加[4,8-9]，但為了更精準(zhǔn)判斷全球變化背景下區(qū)域碳水功能評估，明確該區(qū)域土壤持水量和有機(jī)碳關(guān)系這一議題應(yīng)該得到重視。

土壤持水能力是陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的重要指標(biāo)，在地表過程和水循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]，主要受土壤理化性質(zhì)的影響，如土壤容重、孔隙度、土壤粒度分布、土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)等[11]，其中，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤持水能力具有極強(qiáng)的相關(guān)性[12-14]。土壤有機(jī)質(zhì)積累可以通過改變土壤結(jié)構(gòu)，或通過改變土壤孔性而改善水結(jié)合和保水能力，從而提高土壤持水能力[13-14]，尤其是在土壤淺層[15]。Farley等[12]對厄瓜多爾帕拉莫原上的蒙特利松林分土壤研究表明，高土壤含水量可以延緩有機(jī)碳分解，提高碳儲量，增加土壤中孔和微孔量，從而提高土壤持水能力；相反土壤水損失會引起碳損失，從而又降低土壤持水能力。高寒草甸地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤孔性和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵建構(gòu)因子，對土壤持水性的影響大于土壤質(zhì)地的貢獻(xiàn)，是該地區(qū)水文模型的重要參數(shù)[13,16]，在估算地表土壤持水量中發(fā)揮重要作用[15]。前人研究了高寒草甸土壤持水能力和有機(jī)碳含量等諸多問題，然而，對這兩者具體的相關(guān)關(guān)系尚缺乏研究。本文選取四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣部分地區(qū)的草甸和天然林地作為研究對象，研究土壤持水量和有機(jī)碳關(guān)系，為更精準(zhǔn)判斷全球變化背景下若爾蓋地區(qū)碳水功能評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣部分地區(qū)作為研究區(qū)域，其平均海拔3 500 m，屬高原亞寒帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫 0.7℃，年均降水量 600～800 mm，其中85%降水量集中在5—9月，年均相對濕度69%，年均日照時數(shù)2 389 h。研究區(qū)主要土地類型是高寒草甸和天然針葉林，主要覆被為沼澤化草甸、非沼澤化草甸和天然林地，主要土壤類型為草甸土，有少量泥炭土、沼澤土和風(fēng)沙土，主要植物物種、洞穴和放牧情況如表1所示，由于自然差異極其顯著，可以推斷非沼澤化草甸鼠兔害和放牧強(qiáng)度明顯大于沼澤化草甸。

表1 若爾蓋地區(qū)主要覆被類型基本信息表

1.2 樣品采集

2020年8月(雨季中期)，根據(jù)研究區(qū)遙感影像和實(shí)地考察，并充分考慮海拔、坡度、坡位、坡向、覆被類型等生態(tài)因子，在研究區(qū)內(nèi)共設(shè)94個樣點(diǎn)，包括沼澤化草甸、非沼澤化草甸和天然林地3種主要覆被類型。每個樣點(diǎn)設(shè)5 m×5 m樣方，在樣方內(nèi)按五點(diǎn)法取2個淺層(0～20 cm)土壤混合樣(該地區(qū)沼澤化草甸雨季中期暫未淹水)，用于測定土壤有機(jī)碳含量；每個樣點(diǎn)在0～20 cm中部位置隨機(jī)取6個鋁盒樣品和6個100 cm3環(huán)刀樣品，用于測量土壤含水量、容重、孔隙度、持水量等指標(biāo)(參照《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——森林土壤分析方法》)，取平均值，并記錄樣點(diǎn)坐標(biāo)信息、覆被類型、植被狀況、海拔、坡度、坡向、坡位等基本信息。

1.3 室內(nèi)分析

將土壤混合樣風(fēng)干，研磨過篩(80目)。采用烘干法測量土壤自然含水量；環(huán)刀法測量土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及相關(guān)持水特征(田間持水量、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量)；重鉻酸鉀外加熱法測土壤有機(jī)碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用方差分析(ANOVA，LSD檢驗)比較不同覆被類型間土壤孔隙度、持水量、有機(jī)碳含量等理化參數(shù)差異的顯著性，用相關(guān)分析(Pearson檢驗)探究土壤孔性、持水量、有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性，用線性回歸分析探究土壤水碳相關(guān)特征。以上統(tǒng)計分析在SPSS 23.0上完成，圖表用Origin 2019和Excel 2007整理繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要覆被類型土壤持水能力特征

不同覆被類型淺層土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均具有顯著差異(P<0.05，圖1)。沼澤化草甸總孔隙度最大(88.4%)，分別是天然林地(82.2%)和非沼澤化草甸(64.6%)的1.1和1.4倍。沼澤化草甸土壤毛管孔隙度(56.1%)約是天然林地(49.3%)和非沼澤化草甸(47.1%)的1.2倍。天然林地非毛管孔隙度最大(32.8%)，其次為沼澤化草甸(32.3%)和非沼澤化草甸(17.4%)。

圖1 若爾蓋地區(qū)主要覆被類型淺層土壤孔隙度

雨季中期，不同覆被類型淺層土壤最大持水量具有顯著差異(P<0.05，圖2)，沼澤化草甸最大，達(dá)到2 465.40 g·kg-1，其次為天然林地(1 464.66 g·kg-1)，而非沼澤化草甸(613.52 g·kg-1)土壤最大持水量較低。不同覆被類型淺層土壤毛管持水量和田間持水量與最大持水量大小順序類似。沼澤化草甸土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量約為天然林地的1.7倍，約是其他3類草甸的4.0倍。

圖2 若爾蓋地區(qū)主要覆被類型淺層土壤持水量

2.2 主要覆被類型淺層土壤有機(jī)碳含量及相關(guān)性

不同覆被類型淺層土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05，圖3)，沼澤化草甸>天然林地>非沼澤化草甸，沼澤化草甸土壤有機(jī)碳含量約為約為非沼澤化草甸和天然林地的4.2和2.7倍。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重、有機(jī)碳含量、孔隙度、毛管持水量、田間持水量與土壤最大水量間相關(guān)性顯著(P<0.01)，土壤容重、孔隙度、最大持水量與土壤有機(jī)碳含量間相關(guān)性顯著(P<0.01，表2)。

表2 若爾蓋地區(qū)淺層土壤持水特征和有機(jī)碳相關(guān)性

圖3 若爾蓋地區(qū)主要覆被類型淺層土壤有機(jī)碳含量

2.3 主要覆被類型土壤持水量和有機(jī)碳含量

總體上(圖4a)，淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)(R2=0.92，P<0.01，n=94)，3種覆被類型淺層土壤兩者之間也有類似關(guān)系(R2=0.74～0.89，P<0.01，圖4b～d)。淺層土壤最大持水量和有機(jī)碳含量擬合曲線的斜率k可以反映土壤最大持水量對有機(jī)碳含量變化的敏感程度，k值越大，表示土壤最大持水量對有機(jī)碳含量變化越敏感。本研究區(qū)k值大小順序為：天然林地(7.43)>非沼澤化草甸(5.49)>沼澤化草甸(4.11)，表明天然林地土壤最大持水量對有機(jī)碳含量變化最敏感，而沼澤化草甸水碳關(guān)系相對穩(wěn)定。總體上土壤最大持水量和有機(jī)碳含量的擬合曲線斜率為5.79，介于沼澤化草甸和天然林地擬合曲線斜率之間，且與非沼澤化草甸接近。

圖4 若爾蓋地區(qū)淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量曲線擬合

3 討論

3.1 主要覆被類型淺層土壤持水和有機(jī)碳特征及其相關(guān)關(guān)系

土壤持水能力主要受土壤總孔隙度、毛管孔隙度、容重、有機(jī)質(zhì)、生物量、枯落物、腐殖質(zhì)層等的影響[11]。本研究天然林地淺層土壤總孔隙度顯著高于非沼澤化草甸(圖1)，可能是因為研究區(qū)天然林地通常位于坡頂或陡坡地段，土壤粒徑較粗，石礫含量也高，因此孔隙度較高，尤其是非毛管孔隙度(圖1)。有機(jī)碳與土壤顆粒相結(jié)合，形成不同粒級的團(tuán)聚體，增加了孔隙度、改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高土壤的持水量[17]，使天然林地土壤持水量顯著大于非沼澤化草甸土壤持水量(圖2)。天然林地和沼澤化草甸土壤總孔隙度差距不大，總孔隙度和最大持水量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，但是天然林地和沼澤化草甸最大持水量卻出現(xiàn)了1.7倍的差距，這有可能是因為：(1)若爾蓋地區(qū)沼澤化草甸土壤有機(jī)碳含量顯著高于天然林地(圖3)，土壤有機(jī)碳含量越高，持水能力越強(qiáng)[18-19]；(2)大量研究認(rèn)為，淺層土壤持水能力受控于土壤容重，而土壤有機(jī)碳含量與土壤容重之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[20-21]，與本研究結(jié)果一致(表2)，這也間接的反映若爾蓋地區(qū)天然林地相對于沼澤化草甸土壤更為緊實(shí)，不利于土壤水保持；(3)由天然林地和沼澤化草甸土壤毛管孔隙度具有顯著性差異造成(圖1)，然而由于缺乏土壤毛管孔隙度和持水量相關(guān)分析數(shù)據(jù)，該推測仍需進(jìn)一步分析論證。森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之針葉凋落物分解緩慢，大量養(yǎng)分元素累積于枯枝落葉，而沼澤化草甸會季節(jié)性滯水或淹水，土壤的空隙和氧氣含量降低，動植物腐殖質(zhì)殘體處于厭氧環(huán)境，從而抑制土壤微生物呼吸與氣體交換過程，土壤有機(jī)碳礦化速率減弱，使得更多有機(jī)碳積累于土壤中[22-24]，這可能是本研究天然林地土壤有機(jī)碳含量顯著低于沼澤化草甸的重要原因(圖3)。沼澤化草甸和非沼澤化草甸由于物種組成、凋落物量、凈初級生產(chǎn)力的差異以及放牧等因素，影響有機(jī)質(zhì)種類、性質(zhì)和輸入量，從而導(dǎo)致兩者土壤有機(jī)碳和水源涵養(yǎng)能力有所差異[25]。研究區(qū)沼澤化草甸微生物厭氧分解作用弱，有利于土壤有機(jī)碳的維持，非沼澤化草甸由于高強(qiáng)度放牧，牛羊牲畜反復(fù)踐踏壓實(shí)了淺層土壤，大幅降低了土壤孔隙度，尤其是非毛管孔隙度(圖1)。此外，非沼澤化草甸鼠兔害較沼澤化草甸嚴(yán)重，鼠兔類動物啃食地下根系，加之牲畜啃食地上植物，使得進(jìn)入土壤的枯落物減少，導(dǎo)致非沼澤化草甸淺層土壤有機(jī)碳含量顯著低于沼澤化草甸(圖3)。因此，應(yīng)該適度放牧，這樣才能維持高寒草甸土壤養(yǎng)分和水源涵養(yǎng)能力[26]。

本研究中，淺層土壤最大持水量與容重、孔隙度和有機(jī)碳含量顯著相關(guān)(表2)，因為土壤孔隙度和容重對有機(jī)質(zhì)高度依賴，有機(jī)質(zhì)很大程度影響了土壤持水能力，而土壤碳積累和礦化也離不開水的參與，因此土壤持水能力與碳固定是相互作用、相互影響[16]。Manns等[14]提出了線性模型解釋土壤有機(jī)碳和含水量之間的結(jié)合趨勢，并用偏最小二乘回歸、主成分分析和地統(tǒng)計學(xué)半變異函數(shù)檢驗了土壤有機(jī)碳和土壤水碳的線性關(guān)系。若爾蓋地區(qū)主要覆被類型淺層土壤最大持水量和有機(jī)碳含量表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(圖4)，這也證實(shí)了在若爾蓋高寒生態(tài)系統(tǒng)中存在這種水碳相互作用關(guān)系。若爾蓋高寒地區(qū)年降水量較大，沼澤化草甸土壤會出現(xiàn)季節(jié)性滯水。過高的土壤水分含量會抑制土壤有機(jī)質(zhì)礦化[22]，使土壤有機(jī)碳積累，而有機(jī)碳會促進(jìn)土壤穩(wěn)定團(tuán)聚體的形成，產(chǎn)生大量中孔和微孔，減少大孔隙的豐度，從而改善土壤孔性和結(jié)構(gòu)，容納更多毛細(xì)管水和吸濕水，又提高了土壤持水能力[27]，促進(jìn)了土壤水碳關(guān)系良性循環(huán)和生態(tài)功能提升演變。這種良性的正反饋現(xiàn)象，F(xiàn)arley等[12]在對帕拉莫草原上蒙特利松林分土壤研究時也得出類似結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加生物質(zhì)炭能夠顯著降低土壤容重、增加土壤孔隙度和飽和含水量等，從而提高土壤持水能力[28-29]。

3.2 淺層土壤最大持水量和有機(jī)碳含量關(guān)系

若爾蓋地區(qū)淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量擬合曲線斜率較大，且斜率差異明顯(圖4)，區(qū)域水平上擬合曲線斜率為5.79(圖4a)，與非沼澤化草甸擬合曲線斜率(5.49)接近(圖4d)。而分覆被類型其擬合曲線斜率在4.11～7.43之間，這意味著如果氣候或環(huán)境變化引起了土壤有機(jī)碳含量每變化1個單位，土壤最大持水量會相應(yīng)變化4.11～7.43個單位，表明土壤持水量變化幅度遠(yuǎn)高于有機(jī)碳含量的變化幅度。類似地，Gould[30]通過對美國密歇根州農(nóng)場土壤的研究也得出類似結(jié)論。

由于沼澤化草甸土壤季節(jié)性滯水或淹水，使得土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度高(礦化程度低)且性質(zhì)相對穩(wěn)定均一[22]，這可能導(dǎo)致與土壤持水能力相關(guān)的土壤孔性和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等理化性狀相對平衡，因而沼澤化草甸水碳關(guān)系相對穩(wěn)定。這也暗示，在氣候或環(huán)境變化導(dǎo)致土壤碳變化時，沼澤化草甸土壤持水能力的變化相對穩(wěn)定。但是倘若沼澤化草甸積水環(huán)境減弱，可能會演變成非沼澤化草甸類型，進(jìn)而顯著降低土壤有機(jī)碳含量和持水能力(圖3，圖4b)。研究區(qū)天然林地通常位于坡頂或陡坡，土壤粒徑較粗，石礫含量也高，因此與土壤持水能力相關(guān)的土壤孔性和結(jié)構(gòu)高度依賴于有機(jī)質(zhì)含量和性質(zhì)[16]，因而天然林地土壤最大持水量對有機(jī)碳含量變化最敏感。此外，天然林地土壤有機(jī)組分中疏水性強(qiáng)的胡敏酸和富里酸含量較高[31]，在若爾蓋高寒地區(qū)天然林地土壤長期浸潤背景下，土壤入滲速率隨有機(jī)質(zhì)含量提高而逐漸增大，其持水量變化明顯[32]。這也暗示，在氣候或環(huán)境變化導(dǎo)致土壤碳變化時，天然林地土壤持水能力的變化非常劇烈。若爾蓋地區(qū)非沼澤化草甸載畜量大、鼠兔害較嚴(yán)重，局部草場草種較差、退化裸露，淺層土壤有機(jī)物輸入量有限，這可能導(dǎo)致與土壤持水能力相關(guān)的土壤孔性和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等理化性狀相對較差[26]，因而非沼澤化草甸淺層土壤水碳關(guān)系相較于沼澤化草甸不穩(wěn)定。這也暗示，在氣候或環(huán)境變化導(dǎo)致土壤碳變化時，非沼澤化草甸淺層土壤持水能力可能會有較明顯的變化。

本研究結(jié)果表明，土壤持水量和有機(jī)碳含量關(guān)系在若爾蓋高寒林草生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中具有重要參考意義，其曲線擬合斜率宜納入高寒林草系統(tǒng)生態(tài)模型，為科學(xué)判斷全球變化背景下區(qū)域碳水功能評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

若爾蓋地區(qū)3種主要覆被類型中，沼澤化草甸淺層土壤持水能力和固碳能力均最強(qiáng)，其次為天然林地，非沼澤化草甸持水固碳能力較弱。若爾蓋地區(qū)淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其擬合曲線斜率在4.11～7.43之間，以天然林地最大，沼澤化草甸最小，表明天然林地土壤最大持水量對有機(jī)碳含量的變化最敏感，沼澤化草甸水碳關(guān)系較穩(wěn)定。