增溫對藏北高寒草甸土壤有機(jī)碳含量的影響

王威威 薛會英 袁 敏

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室，西藏 林芝 860000；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000）

0 引言

近50 a來，青藏高原的氣溫每10 a升高0.3～0.4 ℃，2000 年以后氣溫升高趨勢愈加明顯。與此同時，青藏高原是全球?qū)夂蜃兓蠲舾械膮^(qū)域之一。土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主要部分，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中約2/3 的碳是以土壤有機(jī)碳庫的形式貯存。土壤有機(jī)碳庫細(xì)微的變化就會引起大氣中CO含量明顯變化，從而對氣溫產(chǎn)生顯著的影響，是氣候調(diào)控的關(guān)鍵。

目前，雖然學(xué)界在增溫對藏北高寒草甸有機(jī)碳的影響方面已有許多研究成果，但研究內(nèi)容主要集中在不同海拔、不同草地類型土壤有機(jī)碳含量變化和高寒草原土壤有機(jī)碳空間分布等方面。目前，溫度變化如何影響藏北高寒草甸土壤有機(jī)碳沒有明確的定論，而針對同一地點和草地類型有機(jī)碳含量與溫度變化的關(guān)系研究相對較少。筆者通過開頂式氣室（Open Top Chamber，OTC）模擬氣候變暖，研究不同深度、不同季節(jié)、不同年份高寒草甸土壤有機(jī)碳組分及土壤理化性質(zhì)，以期揭示溫度變化對藏北高寒草甸土壤有機(jī)碳含量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

樣地設(shè)置在西藏自治區(qū)那曲市德吉鄉(xiāng)克瑪村，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所西藏那 曲 站（31 ° 31 ′ 38 ″ ～ 31 ° 32 ′ 02 ″ N，92° 04′03″～92° 04′16″E），海拔4 596 m。研究區(qū)屬高原亞寒帶季風(fēng)半濕潤氣候。樣地氣溫低、空氣稀薄、晝夜溫差大、土壤凍結(jié)期較長，僅7—9月為高原植被生長期。此區(qū)域土壤為高山草甸土，高寒草甸植被以高山嵩草（）、矮生嵩草（）、西藏嵩草（）等耐寒的多年生草本植物為主。

1.2 樣品采集

以站內(nèi)高寒草甸土為研究對象，采用開頂式氣室法開展試驗。試驗分增溫組和對照組，樣地內(nèi)設(shè)置3個OTC 平行裝置，中間位置未做任何處理的為對照組。OTC 間距約100 m，OTC 為六面體，內(nèi)部面積為4 m，高約為2 m。由于溫室的阻擋作用，空氣湍流減弱，增溫棚室內(nèi)風(fēng)速降低，熱量不易散失，土壤溫度有所上升。

用土溫度計法測土壤溫度，用105 ℃烘干法測土壤含水量，用pH 計測土壤pH 值；分別用KCrO-HSO容量法、氧化法和TOC 分析儀測土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳含量；采用擴(kuò)散法、熔融法和擴(kuò)散法分別測全氮、全磷和堿解氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

筆者采用IBM Statistics SPSS 23.0、Origin 2018和R3.6.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及作圖。采用單因素方差分析（LSD 法）比較不同土層間的土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳含量是否存在顯著差異；采用獨立樣本檢驗分析OTC 增溫處理與對照組土壤碳組分和土壤性質(zhì)差異。使用R3.6.0 corrplot 包繪制土壤理化性質(zhì)和土壤碳組分的Pearson 相關(guān)性；使用Vegan 包繪制冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）排序圖，用于進(jìn)一步分析土壤性質(zhì)對土壤碳組分的整體影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒草甸土壤各土層有機(jī)碳含量年度變化

2018 年和 2019 年土壤各土層（0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～15、15 ～20、20 ～25 cm）有機(jī)碳含量年度變化情況如圖 1 所示。2018 年，0 ～20 cm 土層，對照樣地土壤有機(jī)碳含量大于OTC，但沒有達(dá)到顯著性差異水平（＞ 0.05）；20 ～ 25 cm 土層，對照樣地土壤有機(jī)碳含量小于OTC，差異性不顯著（＞0.05）。2019 年，0 ～5 cm 土層對照樣地的土壤有機(jī)碳小于OTC樣地，5～25 cm土層對照樣地均大于OTC樣地，差異性均不顯著（＞0.05）。

圖1 高寒草甸土壤有機(jī)碳含量年際變化

高原草甸土壤活性有機(jī)碳含量在2018 年和2019 年各土層（0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15、15 ～ 20、20 ～25 cm）的年度變化情況如圖2 所示。在垂直空間分布上，土壤活性有機(jī)碳隨深度下降明顯。兩年內(nèi)對照樣地土壤活性有機(jī)碳含量均大于OTC 樣地，且二者在0 ～10 cm 土層活性有機(jī)碳含量差別不大，在10 ～25 cm 土層含量差別變大。2018 年，對照條件下的5 ～15 cm 土層，土壤活性有機(jī)碳含量差別不大。2019 年，0 ～5 cm 土層對照和OTC 樣地的土壤活性有機(jī)碳含量差別不大。

圖2 高寒草甸土壤活性有機(jī)碳含量年際變化

土壤可溶性有機(jī)碳含量在2018 年和2019 年各土層（0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15、15 ～ 20、20 ～ 25 cm）的年度變化情況如圖3 所示。對照樣地和OTC樣地的土壤可溶性有機(jī)碳含量均不存在顯著性差異（＞ 0.05）。在 0 ～ 5 cm 和 20 ～ 25 cm 土層的土壤可溶性有機(jī)碳含量較高。在0 ～5 cm 和15 ～20 cm土層，對照樣地土壤可溶性有機(jī)碳含量小于OTC 樣地；在10 ～20 cm 土層，對照樣地土壤可溶性有機(jī)碳含量大于OTC 樣地。

圖3 高寒草甸土壤可溶性有機(jī)碳含量年際變化

如表1 所示，在春季，對照樣地和OTC 樣地土壤有機(jī)碳含量出現(xiàn)顯著性差異（=0.031）；在夏季和秋季，對照和OTC 樣地土壤有機(jī)碳含量均沒有顯著差

表1 高寒草甸土壤有機(jī)碳含量季節(jié)變化 g/kg

注：表中小寫字母表示相同樣地不同季節(jié)的差異，大寫字母表示相同季節(jié)不同樣地的差異，不同字母表示差異性顯著（＜0.05），表2 和表3 相同。異（＞0.05）。在相同樣地，不同季節(jié)土壤有機(jī)碳含量之間不存在顯著性差異（＞0.05）。

如表2 所示，在季節(jié)變化上，對照樣地土壤活性有機(jī)碳含量大于OTC 樣地。對照樣地的土壤活性有機(jī)碳含量在8 月份出現(xiàn)顯著性差異（=0.033），且對照樣地的活性有機(jī)碳含量在8 月出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，但在5 月和10 月差異不明顯。夏秋季節(jié)，對照樣地和3 個OTC 樣地土壤活性有機(jī)碳含量存在著顯著差異（<0.05）。

表2 高寒草甸土壤活性有機(jī)碳含量季節(jié)變化 g/kg

如表3 所示，不同季節(jié)的對照樣地土壤可溶性有機(jī)碳含量不存在顯著差異（＞0.05）。在夏季，3 個OTC樣地的土壤可溶性有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出極顯著性差異（＜0.01）。春季和秋季，對照與OTC 樣地的土壤可溶性有機(jī)碳含量均不存在顯著性差異（＞0.05）。

表3 高寒草甸土壤可溶性有機(jī)碳含量的季節(jié)變化 g/kg

2.2 土壤碳含量變化與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

OTC 增溫對土壤理化性質(zhì)的影響如圖4 所示，土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳含量均與全氮、堿解氮和全鉀呈顯著正相關(guān)（＜0.05）。土壤有機(jī)碳與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05），而可溶性有機(jī)碳含量與土壤水分和土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（＜0.01）。

圖4 土壤有機(jī)碳組分與理化性質(zhì)的相關(guān)性熱圖

如圖5 所示，結(jié)果表明堿解氮、全氮、土壤溫度和土壤全鉀是影響土壤碳組分最顯著因素，土壤溫度與土壤有機(jī)氮呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤可溶性碳正相關(guān)，全氮、堿解氮和全鉀也和土壤有機(jī)碳正相關(guān)。

圖5 土壤有機(jī)碳組分與理化性質(zhì)的冗余分析圖

3 討論

3.1 增溫對土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳含量的影響

利用OTC 增溫試驗研究增溫對高寒草地土壤有機(jī)碳含量的影響，結(jié)果表明2 a 內(nèi)增溫試驗對土壤有機(jī)碳含量影響不顯著，與NIU 等研究結(jié)果一致。這可能是因為增溫年限過短，年內(nèi)季節(jié)變化對土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生的波動使增溫對總體有機(jī)碳含量影響不明顯。在高寒地區(qū)增溫會促進(jìn)植物光合作用，增加生物量，秋冬季枯落物也相應(yīng)增加，有利于土壤有機(jī)碳積累。但增溫會加快微生物代謝，提高土壤礦化速率使土壤CO釋放加快，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量降低。趙雙等研究發(fā)現(xiàn)，增溫顯著降低了土壤有機(jī)碳含量，可能是增溫年限較長和增溫幅度大所致。衡濤等研究證明短期增溫對土壤有機(jī)碳含量影響不顯著，需較長的模擬時間才能檢測到增溫對有機(jī)碳影響的顯著性。

在年際變化上，2019 年的土壤活性有機(jī)碳含量大于2018 年，達(dá)到了顯著性相關(guān)（=0.033）。對照樣地的土壤活性有機(jī)碳含量大于3 個OTC 樣地，達(dá)到了顯著性相關(guān)（＜0.05），即增溫會導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳含量減少。對照樣地土壤活性有機(jī)碳含量在夏季存在著顯著差異（=0.033），試驗結(jié)果與ZHOU等結(jié)果一致。然而，此次試驗在 5 ～ 15 cm 土層土壤活性有機(jī)碳含量變化不顯著，可能中長期的增溫試驗才會對土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生顯著影響。

研究發(fā)現(xiàn)，在年際變化上，對照樣地和OTC 樣地的土壤可溶性有機(jī)碳含量均不存在顯著性差異（＞0.05），在 0 ～ 5 cm 和 20 ～ 25 cm 土層的土壤可溶性有機(jī)碳含量較高。其原因可能是一年的增溫試驗不足以使土壤可溶性有機(jī)碳含量發(fā)生顯著變化，連續(xù)2 a 的增溫試驗才使可溶性有機(jī)碳含量出現(xiàn)顯著變化。茍小林研究也發(fā)現(xiàn)，短期的增溫試驗不足以引起土壤可溶性有機(jī)碳含量的變化，而長期的增溫試驗才會引起土壤可溶性有機(jī)碳的變化。

3.2 土壤理化性質(zhì)與有機(jī)碳組分的關(guān)系

土壤理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳密切相關(guān)。冗余分析結(jié)果表明，全氮、堿解氮、全鉀和溫度均對土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳含量有顯著影響。上述結(jié)果均說明，增溫過程對高寒草甸的土壤生物化學(xué)和物理過程產(chǎn)生了重要的影響，進(jìn)而對土壤碳組分產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

全氮、堿解氮和全鉀均對土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳有顯著影響。戴輝等通過模擬氮添加試驗，發(fā)現(xiàn)氮含量的增加對有機(jī)碳組成產(chǎn)生了巨大的影響。因為碳循環(huán)不是一個獨立封閉的系統(tǒng)，其和氮循環(huán)密切相關(guān)，氮在碳循環(huán)中的作用很大，可以說與氮循環(huán)是相互交織、高度耦連的，因此，土壤碳含量的變化可以追溯到土壤氮含量的變化。

土壤溫度與土壤有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)，但與可溶性有機(jī)碳含量呈正相關(guān)。ZHOU 等對草甸生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究后認(rèn)為，土壤溫度升高導(dǎo)致土壤微生物生理活性的增加，從而加快土壤有機(jī)質(zhì)庫的分解速率。土壤溫度的升高往往伴隨著含水率的升高，土壤含水率能反映出可溶性有機(jī)碳含量的變化。未來，相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)土壤碳組分對長期增溫的響應(yīng)研究，從而深入了解增溫對有機(jī)碳組分的影響機(jī)制。