祁連山大野口流域典型灌叢土壤有機(jī)碳含量分布特征

趙晶忠，馬 劍，高 媛，敬文茂，趙維俊，武秀榮，馬雪娥，王榮新，賀永巖

（1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 張掖 734000；3.甘肅祁連山森林生態(tài)監(jiān)測與評估國際科技合作基地，甘肅 張掖 734000；4.甘肅祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 張掖 734000；5.甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心，甘肅 張掖 734000）

土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）在全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用[1]，不僅可以為植物的生長提供各種營養(yǎng)物質(zhì)，還可以保持良好的土壤物理結(jié)構(gòu)[2]，而土壤有機(jī)碳儲量在陸地生態(tài)系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位，其值的高低將會改變大氣中CO2濃度的大小，從而直接影響土壤質(zhì)量、產(chǎn)量、生態(tài)環(huán)境和氣候變化[3-5]。全球氣候和生態(tài)環(huán)境變化已成為人們關(guān)注的重點和熱點，同時土壤有機(jī)碳的分布也成為全球碳循環(huán)研究的熱點[6-7]。

灌叢群落是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)類型，占我國陸地面積的20%[8]，具有種類多、生命力強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點，在群落演替、區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和替代能源等方面發(fā)揮著極其重要的作用，其碳匯約占我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的30%，僅次于森林碳匯[9]。此外，灌木群落在中國西北干旱地區(qū)的水源保護(hù)中發(fā)揮著重要作用[10-12]。截至目前，已有許多的專家和學(xué)者對祁連山灌叢群落進(jìn)行了研究，如灌叢群落生態(tài)水文功能[13]、典型灌叢生物量分配[14]、土壤物理性質(zhì)[15-16]和土壤微生物[17]等方面，而對于土壤有機(jī)碳的研究，朱猛等[18]研究了不同海拔草地土壤有機(jī)碳受不同環(huán)境因子影響下的分布特征，弓文艷等[19]研究了遼東大伙房水庫不同林分下0～40 cm 土壤剖面上土壤有機(jī)碳、全氮和有機(jī)碳儲量的分布，趙維俊等[20]探討了青海云杉Picea crassifolia林土壤有機(jī)碳含量及其與土壤pH 值、全氮等影響因子之間的關(guān)系，曾立雄等[21]探討了青海云杉林的生物量和土壤有機(jī)碳含量隨不同海拔梯度而發(fā)生的變化特征，徐耀文等[22]在珠海淇澳島研究了不同林齡群落區(qū)0～30 cm 深度土壤有機(jī)碳含量。在中國西北干旱陸地生態(tài)系統(tǒng)中，由于受氣候環(huán)境影響，土地退化嚴(yán)重導(dǎo)致碳損失加快，而灌叢在碳儲量和碳交換研究中占有重要地位[23]，開展以祁連山大野口流域內(nèi)5 種典型灌叢土壤有機(jī)碳為研究對象，分析5 種典型灌叢0～60 cm 土壤有機(jī)碳含量分布特征及其影響因素，將有助于揭示祁連山大野口流域不同典型灌叢土壤剖面有機(jī)碳垂直分布格局及土壤理化特性對土壤有機(jī)碳變化的影響，為改善該地生態(tài)系統(tǒng)碳匯管理提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于祁連山北麓中段西水林區(qū)大野口流域（100°15'E，38°31'N），總面積73.32 km2，海拔2 590～4 645 m[24]，年均氣溫-0.6～2.0℃，年降水量433.6 mm，蒸發(fā)量1 081.7 mm，年均相對濕度60%[25]。該流域內(nèi)喬木以青海云杉為主要建群種，呈斑塊狀或條狀分布在陰坡和半陰坡，灌木主要有分布在低海拔的干性灌叢甘青錦雞兒Caragana tangutica、鮮黃小檗Berberis diaphana和金露梅Potentilla fruticosa，以及分布在高海拔的濕性灌叢吉拉柳Salix gilashanica和鬼箭錦雞兒Caragana jubata，草本主要有針茅Stipa、珠芽蓼Polygonum viviparum和披針葉苔草Cavex lanceolate等，土壤主要包括亞高山灌叢草甸土、山地森林灰褐土、山地栗鈣土等[26]。

1.2 樣品采集及分析

2020年8月12—25日，在祁連山大野口流域海拔2 600～3 300 m 區(qū)域內(nèi)，選取5 種立地條件相對一致的典型灌叢15 個樣地為研究對象，樣地面積為5 m×5 m，并對樣地基本信息和群落學(xué)進(jìn)行調(diào)查，樣地基本情況見表1，在樣地內(nèi)挖取一個深度60 cm、大小為1 m×1 m的矩形剖面，按照0～10、10～20、20～30、30～40 和40～60 cm分層取樣，每層3 個重復(fù)。用200 cm3環(huán)刀取土，用于測定土壤含水量、容重、總孔隙度，同時，對同一灌叢采集的相同土層土壤進(jìn)行殘根、石塊剔除后混合，用塑料袋密封帶回實驗室，等待土壤樣品風(fēng)干后，過2 mm 土壤篩，用于測定土壤有機(jī)碳含量、pH 值。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)碳含量，并采用灰色關(guān)聯(lián)法對5 種典型灌叢土壤理化指標(biāo)與土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析及排序[28]。

表1 樣地基本情況Table 1 The general characteristics of sample plots

將5 種典型灌叢0～10、10～20、20～30、30～40 和40～60 cm 土層中土壤有機(jī)碳含量列為參考序列X0，將五種典型灌叢的土壤理化性質(zhì)列為比較序列Xi，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，并在分析之前將數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理。計算公式如下：

式（1）～（2）中：av(x0)為參考序列X0的平均值，av(xi)為比較序列Xi的平均值。

關(guān)聯(lián)系數(shù)計算如下：

式（3）中：ρ為分辨系數(shù)，一般ρ的取值區(qū)間為(0,1)，取ρ=0.5，Δi(k)為X0與Xi的絕對差值。

求關(guān)聯(lián)度ri：

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與繪圖采用Excel 2016 和SPSS 19.0 軟件完成。

2 研究結(jié)果

2.1 土壤有機(jī)碳含量及分布特征

對祁連山大野口流域5 種典型灌叢的土壤有機(jī)碳特征進(jìn)行了統(tǒng)計（表2）。0～60 cm 土壤有機(jī)碳含量在9.17～81.56 g·kg-1之間變化。有機(jī)碳平均含量由大到小表現(xiàn)為吉拉柳（74.93 g·kg-1）＞金露梅（62.05 g·kg-1）＞鬼箭錦雞兒（41.02 g·kg-1）＞鮮黃小檗（34.71 g·kg-1）＞甘青錦雞兒（13.74 g·kg-1），其中吉拉柳灌叢約為甘青錦雞兒灌叢的5.45 倍。這可能因為吉拉柳灌叢主要分布于較高海拔，較其他幾種灌叢的土質(zhì)更疏松、林木根系更發(fā)達(dá)，郁閉度較大，枯落物更容易分解。5 種典型灌叢土壤有機(jī)碳含量空間變異系數(shù)由大到小表現(xiàn)為：金露梅（24.74%）＞甘青錦雞兒（20.74%）＞鮮黃小檗（17.72%）＞鬼箭錦雞兒（10.95%）＞吉拉柳（2.88%），金露梅灌叢土壤有機(jī)碳平均含量的變異程度更加劇烈。

表2 不同灌叢土壤有機(jī)碳數(shù)量特征Table 2 Quantitative characteristics of soil organic carbon in different shrubs

5 種典型灌叢土壤有機(jī)碳含量分布存在差異，其中甘青錦雞兒灌叢土壤有機(jī)碳含量為9.17～17.50 g·kg-1，鮮黃小檗灌叢土壤有機(jī)碳含量為25.67～41.21 g·kg-1，金露梅灌叢土壤有機(jī)碳含量為44.31～81.56 g·kg-1，鬼箭錦雞兒灌叢土壤有機(jī)碳含量為35.30～48.40 g·kg-1，吉拉柳灌叢土壤有機(jī)碳含量為71.72～78.17 g·kg-1（圖1）。0～60 cm 土層土壤有機(jī)碳含量隨土層的加深逐漸減小，最大值均出現(xiàn)在0～10 cm，除吉拉柳灌叢外，其余4 種灌叢0～10 cm 土壤有機(jī)碳含量均與40～60 cm 土壤有機(jī)碳含量之間存在差異顯著（P＜0.05），而在0～10 cm 相同土層下，有機(jī)碳含量由大到小表現(xiàn)為金露梅（81.56 g·kg-1）＞吉拉柳（78.17 g·kg-1）＞鬼箭錦雞兒（48.40 g·kg-1）＞鮮黃小檗（41.21 g·kg-1）＞甘青錦雞兒（17.50 g·kg-1），甘青錦雞兒、鮮黃小檗、鬼箭錦雞兒分別與金露梅和吉拉柳灌叢之間差異顯著（P＜0.05）。說明5 種典型灌叢土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出表層富集現(xiàn)象，其中金露梅和吉拉柳灌叢表層富集現(xiàn)象更加明顯。這可能與5 種典型灌叢下凋落物和根系分布有關(guān)。

圖1 不同灌叢土壤有機(jī)碳含量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil organic carbon in different shrubs

由圖2可見，同一灌叢類型下，隨著土層深度加深，土壤有機(jī)碳含量所占比重逐漸減小。5 種灌叢有機(jī)碳含量在0～10 cm 土層所占整個剖面的20%以上（20.86%～26.29%），具體表現(xiàn)為：金露梅（26.29%）＞甘青錦雞兒（25.48%）＞鮮黃小檗（23.74%）＞鬼箭錦雞兒（23.60%）＞吉拉柳（20.86%）。在0～60 cm 全剖面土層中，甘青錦雞兒灌叢各層土壤有機(jī)碳含量所占比重為13.35%～25.48%，變化幅度相對較大；吉拉柳灌叢各層土壤有機(jī)碳含量所占比重為19.14%～20.86%，變化幅度相對較小。

圖2 不同灌叢類型各土層有機(jī)碳含量占全剖面 (0～60 cm) 有機(jī)碳含量的比例Fig.2 Percentages of soil organic carbon content in the whole profile (0-60 cm) in different shrubs

2.2 土壤有機(jī)碳影響因素分析

灰色系統(tǒng)理論是在數(shù)據(jù)不對稱的情況下，根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或者相異程度來衡量因素間的關(guān)聯(lián)程度，為系統(tǒng)的發(fā)展和變化提供定量的衡量標(biāo)準(zhǔn)[28]。本研究中，通過計算參考數(shù)列（土壤有機(jī)碳含量）與比較數(shù)列（pH 值、土壤密度、總孔隙度和含水量）之間的關(guān)聯(lián)度，并對同一灌叢不同影響因子關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序（表3），用于衡量兩者之間的相似或相異程度，關(guān)聯(lián)度的數(shù)值越大，則表明兩者之間發(fā)展趨勢相似度越高，越密切[29]。5 種典型灌叢不同土壤理化因子與土壤有機(jī)碳含量關(guān)聯(lián)度在0.42～0.92 之間變化，說明土壤理化因子與土壤有機(jī)碳含量較為密切[30]，經(jīng)分析，不同灌叢土壤有機(jī)碳含量與不同土壤理化因子關(guān)聯(lián)度不同，具體表現(xiàn)出為：甘青錦雞兒灌叢土壤有機(jī)碳含量與土壤密度存在較高關(guān)聯(lián)度（0.73），鮮黃小檗灌叢土壤有機(jī)碳含量與pH 值、含水量較高關(guān)聯(lián)度（0.69），金露梅灌叢土壤有機(jī)碳含量與總孔隙度存在較高關(guān)聯(lián)度（0.63），鬼箭錦雞兒灌叢土壤有機(jī)碳含量與pH 值存在較高關(guān)聯(lián)度（0.86），吉拉柳灌叢土壤有機(jī)碳含量與pH 值存在較高關(guān)聯(lián)度（0.92），除此之外，5 種灌叢土壤有機(jī)碳含量與其他土壤理化因子均存在中等及以上關(guān)聯(lián)度。

表3 不同灌叢土壤理化因子與土壤有機(jī)碳的關(guān)聯(lián)程度及排序Table 3 Relationship between soil physical and chemical factors and soil organic carbon content in different shrubs

3 結(jié)論與討論

通過研究發(fā)現(xiàn)，祁連山北麓5 種典型灌叢類型的表土具有豐富的土壤有機(jī)碳，但不同植被類型土壤有機(jī)碳含量存在較大差異，均值由大到小表現(xiàn)為吉拉柳（74.93 g·kg-1）＞金露梅（62.05 g·kg-1）＞鬼箭錦雞兒（41.02 g·kg-1）＞鮮黃小檗（34.71 g·kg-1）＞甘青錦雞兒（13.74 g·kg-1），其中在0～10 cm 相同土層下，甘青錦雞兒、鮮黃小檗、鬼箭錦雞兒與金露梅和吉拉柳灌叢之間差異顯著（P＜0.05）。這是因為吉拉柳灌叢主要分布于較高海拔，土質(zhì)疏松、林木根系發(fā)達(dá)，郁閉度較大，枯落物容易分解，相反，甘青錦雞兒和鮮黃小檗灌叢分布在低海拔，土壤濕度相對較低，容重較大，加之枯落物不易分解，造成土壤有機(jī)碳含量相對較小。在0～60 cm 整個剖面中，土層土壤有機(jī)碳含量隨土層的加深逐漸減小，最大值均出現(xiàn)在0～10 cm，除吉拉柳灌叢外，其余4 種灌叢0～10 cm 土壤有機(jī)碳含量均與40～60 cm 土壤有機(jī)碳含量之間存在差異顯著（P＜0.05），且5 種灌叢類型0～10 cm 土層有機(jī)碳含量占整個剖面的20%以上（20.86%～26.29%），土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出表層富集現(xiàn)象，這與多數(shù)研究結(jié)果相同[31-32]。這可能與5種典型灌叢下凋落物和根系分布有關(guān)，隨著土層越深，凋落物和根系數(shù)量減少，限制了水分和養(yǎng)分向土壤深層傳輸，土壤容重增加、透氣性降低，微生物分解活動性減弱，造成了土壤有機(jī)碳含量下降[33]，這也說明，在下同土層厚度下，不同植被類型、土壤質(zhì)地、根系分布和數(shù)量的不同，土壤有機(jī)碳含量也不同。

在祁連山草地土壤有機(jī)碳影響研究中發(fā)現(xiàn)，土壤含水量與土壤有機(jī)碳關(guān)系密切[18]。在不同林分下土壤有機(jī)碳研究中發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量的大小對土壤毛管孔隙度和土壤密度變化產(chǎn)生影響[34]。土壤pH 值的大小會直接影響土壤微生物的活動，對土壤有機(jī)碳的分解速率產(chǎn)生抑制作用[35]。本研究通過灰色關(guān)聯(lián)法，對土壤有機(jī)碳影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)pH 值與鮮黃小檗灌叢、鬼箭錦雞兒灌叢、吉拉柳灌叢為較高關(guān)聯(lián)度，土壤密度與甘青錦雞兒灌叢為較高關(guān)聯(lián)度，含水量與鮮黃小檗灌叢為較高關(guān)聯(lián)度，總孔隙度與金露梅灌叢為較高關(guān)聯(lián)度。本研究中只是對土壤理化特性進(jìn)行測定，未涉及土壤養(yǎng)分含量測定，因此，土壤養(yǎng)分與土壤有機(jī)碳之間會有怎樣的關(guān)聯(lián)，有待進(jìn)一步深入研究。

總體而言，5 種典型灌叢不同土壤理化因子與土壤有機(jī)碳含量具有中等或以上的關(guān)聯(lián)度。因此，在研究祁連山排露溝流域灌叢土壤有機(jī)碳環(huán)境變化時，也應(yīng)將不同植被類型和土壤理化因子作為影響土壤有機(jī)碳含量的主要因素進(jìn)行測定和分析。