青海省高寒荒漠5 種類型土壤有機(jī)碳含量及影響因素對比研究

王定暉，王 新，王云英，裴薇薇，杜巖功

（1.青海省固體廢物污染防治中心，青海 西寧 810001；2.中國科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008）

土壤碳庫為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫最重要的組成部分，由于土壤有機(jī)碳的巨大庫容，土壤碳庫小幅變化即可能引起大氣CO2濃度較大變動(dòng)［1-2］。過去50 年以來，我國陸地生態(tài)系統(tǒng)年碳匯0.20～0.25 Pg，預(yù)估2060 年為0.15～0.52 Pg，荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有碳匯功能，但其強(qiáng)度和主要影響機(jī)制仍存在不確定性［1］。高寒荒漠是青藏高原及周邊高地高寒生境特有的一種荒漠類型，植物群落以耐寒耐旱的墊狀小半灌木為建群層片［3］，是青藏高原重要的生態(tài)安全屏障和活體基因庫，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，植被群落稀疏且生物量偏低，是全球氣候變化敏感區(qū)域［4］。

青藏高原土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量和碳密度分別為18.37 Pg 和7.2 kg/m2［5］，高寒草地土壤碳庫儲(chǔ)量達(dá)到7.4 Pg，土壤有機(jī)碳密度6.5 kg/m2，土壤類型主要包括高山草甸土和高山草原土，高山草甸土有機(jī)碳含量明顯高于高山草原土［6-7］。青海省土壤有機(jī)碳密度的分布呈現(xiàn)自東南向西北遞減的帶狀分布特征［5］，青海省高寒草地土壤碳增儲(chǔ)潛力為0.83 Pg［7］。高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量變化范圍0.50～40.20 g/kg，梭梭群落土壤有機(jī)碳含量最低［4］。柴達(dá)木盆地土壤有機(jī)碳含量0.55～1.95 g/kg，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量3.5～65.1 Tg［8］，但有研究發(fā)現(xiàn)柴達(dá)木盆地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和碳密度分別為0.063 Tg 和6.105 kg/m2［9］。土壤有機(jī)碳含量與容重和砂粒含量均顯著負(fù)相關(guān)［4-5］，但與土壤黏粒和粉粒含量顯著正相關(guān)［4］，土壤粗顆粒物質(zhì)是黑河中游荒漠植物土壤有機(jī)碳變異的主要解釋因素［10］。土壤有機(jī)碳含量受到植物凋落物輸入、碳礦化分解作用的共同影響［11］。土壤pH 值直接影響植物養(yǎng)分的可用性，土壤酸化改變土壤養(yǎng)分形態(tài)，造成土壤肥力下降和養(yǎng)分流失，影響植物生長和光合碳產(chǎn)物的輸入量［7-9］。

已有研究關(guān)注高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量和碳儲(chǔ) 量［4，8，12］，但 缺 少 有 關(guān) 不 同 土 壤 類 型 有 機(jī) 碳 含 量及影響因素等方面研究。該研究對比分析青海省高寒荒漠5 種土壤有機(jī)碳含量并探討其主要影響因素，以期為準(zhǔn)確評估高寒荒漠土壤碳儲(chǔ)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省高寒荒漠主要分布在柴達(dá)木盆地和共和盆地。柴達(dá)木盆地為高原型盆地，是我國三大內(nèi)陸盆地之一，位于青藏高原東北部，平均海拔3 000 m 以上，植物群落主要以木本豬毛菜（Salsola arbuscula）、鹽爪爪（Kalidium foliatum）、細(xì)枝鹽爪爪 （Kalidium gracile）、駝絨藜（Krascheninnikovia ceratoides）、柴 達(dá) 木 沙 拐 棗 （Calligonum zaidamense）、密花檉 柳（Tamarix arceuthoides）、梭梭 （Haloxylon ammodendron）、白 刺（Nitraria tanggutorum）、圓 頭 蒿（Artemisia sphaerocephala）、合 頭 藜（Sympegma regelii）、五 柱 紅 砂（Reaumuria kaschgarica）、胡 楊 （Populus euphratica）、蘆 葦（Phragmites australis）、白麻（Apocynum pictum）、芨芨草（Neotrinia splendens）、黃花補(bǔ)血草（Limonium aureum）為主要優(yōu)勢物種，隸屬高原大陸性氣候，多年平均氣溫和降雨量分別為-0.4～6.0 ℃和31～232 mm。共和盆地地處青藏高原東北邊緣，高原溫帶半干旱帶向干旱荒漠地帶過渡性氣候，隸屬高原大陸性氣候，多年平均氣溫和降雨量分別為1～5.2 ℃和311.1～402.1 mm。優(yōu)勢物種主要包括紫花針茅（Stipa purpurea）、青海固沙草（Orinus kokonorica）、短 花 針 茅（Stipa breviflora）、冷 蒿（Artemisia frigida）、毛刺錦雞兒（Caragana tibetica）、芨芨草、冰草（Agropyron cristatum）、狼 毒 （Stellera chamaejasme）、賴草（Leymus secalinus）、馬藺（Iris lactea）等。土壤類型主要為栗鈣土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品分析方法

2017 年和2018 年7—8 月期間，依據(jù)已有的1∶100 萬植被圖所描述的高寒荒漠植被主要分布區(qū)域，疊加主要公路網(wǎng)格圖，共設(shè)置221 個(gè)樣點(diǎn)，按照不同土壤類型采集母質(zhì)層以上土壤剖面樣品，各3 次重復(fù)。土壤樣品混合均勻后，運(yùn)送至室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過2 mm 土壤篩后進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量和pH 值測定，0～20 cm 地下生物量采用根鉆法調(diào)查。

依據(jù)全國第二次土壤普查調(diào)查數(shù)據(jù)，青海省土壤包括22 個(gè)類型，以高山草甸土和高山草原土為主，占總面積的55%［13］。采用土壤剖面特征野外調(diào)查，結(jié)合土壤分類采用發(fā)生分類系統(tǒng)，該研究221 個(gè)調(diào)查點(diǎn)土壤可以劃分為5 種類型：灰棕漠土、鹽土、栗鈣土、風(fēng)沙土和棕鈣土。該研究主要對比分析灰棕漠土（樣點(diǎn)數(shù)量n=55）、鹽土（n=16）、栗鈣土（n=12）、風(fēng)沙土（n=57）、棕鈣土（n=81）土壤有機(jī)碳含量。

土壤全碳、全氮和無機(jī)碳含量分別采用元素分析儀（PE 2400ⅡCHN）和氣量法進(jìn)行測定，有機(jī)碳含量通過全碳含量與無機(jī)碳含量的差值獲取。土壤pH 值采用土壤原位pH 計(jì)（IQ170）測定，水土比為2.5∶1。各研究樣點(diǎn)海拔和經(jīng)緯度采用GPS記錄，年均氣溫和降水量數(shù)據(jù)采用過去30 年平均數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km2（https：//worldclim.org/data/index.html）。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用箱式圖和單因素方差分析對5 種土壤類型有機(jī)碳、pH 值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)描述和顯著性檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和作圖分別采用SPSS 19.0 和Sigmaplot 12.0 軟件。高寒荒漠5 種土壤類型土壤有機(jī)碳和pH 值的主要影響過程采用結(jié)構(gòu)方程模型進(jìn)行分析，在R4.0.5 利用piecewiseSEM 實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用Fisher's C 模型進(jìn)行卡方檢驗(yàn)時(shí)要求P 值大于0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海省高寒荒漠5 種土壤類型有機(jī)碳含量對比分析

青海省高寒荒漠5 種類型土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)較強(qiáng)異質(zhì)性，由高到低順序依次為栗鈣土、鹽土、棕鈣土、灰棕漠土和風(fēng)沙土，有機(jī)碳含量分別為 （0.91±0.14）%、（0.75±0.10）%、（0.51±0.04）%、（0.42±0.04）%和（0.32±0.03）%，最高值為最低值的2.84 倍，平均值為（0.48±0.03）%。栗鈣土、鹽土有機(jī)碳含量顯著 （P＜0.05）高于其他3 種土壤類型，風(fēng)沙土有機(jī)碳含量最低，且顯著（P＜0.05）低于棕鈣土（見圖1）。

圖1 青海省高寒荒漠5 種類型土壤有機(jī)碳含量對比分析結(jié)果

2.2 青海省高寒荒漠5 種類型土壤pH 值對比分析

青海省高寒荒漠5 種類型土壤pH 值異質(zhì)性較弱，平均值為8.91±0.05（見圖2）。土壤pH 值從高到低順序依次為風(fēng)沙土、栗鈣土、棕鈣土、灰棕漠土和鹽土，pH 值分別為9.02±0.05、8.96±0.04、8.93±0.11、8.77±0.16 和8.75±0.09，最高值比最低值僅高3.09%，均為弱堿性土壤。風(fēng)沙土pH 值顯著（P＜0.05）高于鹽土。

圖2 青海省高寒荒漠5 種類型土壤pH 值對比分析

2.3 基于結(jié)構(gòu)方程模型揭示5 種類型土壤有機(jī)碳含量和pH 值的主要影響因素

結(jié)構(gòu)方程模型引入年均氣溫、降水量、海拔和土壤全氮含量，解析青海省高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量和pH 值的主要影響因素，各模型卡方檢驗(yàn)的P 值均大于0.05（見圖3），說明模型結(jié)果較好。

圖3 青海省高寒荒漠5 種類型土壤有機(jī)碳含量和pH 值的主要影響因素

灰棕漠土和風(fēng)沙土有機(jī)碳含量的主要影響因素為土壤全氮含量、降水量和年均氣溫（見圖3a、圖3d），其中，土壤全氮含量對灰棕漠土和風(fēng)沙土有機(jī)碳含量的直接作用系數(shù)分別為0.841 和0.920 且影響均為正效應(yīng)；降水量對灰棕漠土和風(fēng)沙土有機(jī)碳含量的直接作用系數(shù)分別為-0.487和-0.145 且影響均為負(fù)效應(yīng)，達(dá)到顯著性（P＜0.05）檢驗(yàn)水平。鹽土、棕鈣土有機(jī)碳含量的主要影響因素為土壤全氮含量和降水量（見圖3b、圖3e），全氮含量對鹽土、棕鈣土有機(jī)碳含量的影響均為正效應(yīng)，直接作用系數(shù)分別為0.959 和0.952；降雨量對鹽土、棕鈣土有機(jī)碳含量的直接作用系數(shù)分別為-0.289 和0.064。栗鈣土有機(jī)碳含量的主要影響因素為土壤全氮含量，直接作用系數(shù)為0.938（見圖3c）。僅鹽土有機(jī)碳含量受海拔的間接作用較強(qiáng)，間接作用系數(shù)約為-0.962，主要通過改變土壤全氮含量影響有機(jī)碳含量。青海省高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量主要受土壤全氮含量和降水量影響，直接作用系數(shù)分別為0.988 和-0.182 （見圖3f），降水量增加可能引起土壤有機(jī)碳含量降低。

栗鈣土pH 值主要受年均氣溫和海拔影響（見圖3c），風(fēng)沙土pH 值受年均氣溫和降水量影響，直接作用系數(shù)分別為0.608 和0.591（見圖3d）。綜合分析表明青海省高寒荒漠土壤pH 值主要受年均氣溫影響，作用系數(shù)為0.338（見圖3f）?；易啬?、鹽土、棕鈣土pH 值可能受多種因素共同影響。

2.4 根系生物量對高寒荒漠5 種類型土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳主要來源于根系碳輸入，該研究發(fā)現(xiàn)采用根系生物量均可以較好地?cái)M合青海省高寒荒漠5 種類型土壤有機(jī)碳含量，回歸系數(shù)R2介于0.35～0.87，栗鈣土和灰棕漠土有機(jī)碳含量擬合效果最優(yōu)，這也表明增加根系生物量可以顯著增加荒漠土壤有機(jī)碳含量（見表1）。

表1 青海省高寒荒漠5 種類型土壤有機(jī)碳和根系生物量耦合關(guān)系

3 討論

青藏高原高寒荒漠地帶土壤淺薄、多年凍土發(fā)育，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤基質(zhì)直接影響荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性［10，14］。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫，我國荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積約為1.65×106km2，占全國國土總面積的17%，荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有較大碳匯潛力［10，15］。吉林省西部荒漠地區(qū)土壤有機(jī)碳含量較高，為7.05 g/kg［8］。伊朗中部和印度鹽土荒漠有機(jī)碳含量分別為5.47、5.30 g/kg［16-17］。青藏高原墊狀駝絨藜高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量3.19～8.11 g/kg［3］，青海共和盆地高寒荒漠草原栗鈣土有機(jī)碳含量為4.32 g/kg［18］。內(nèi)蒙古阿拉善盟西部荒漠土壤有機(jī)碳含量和植被生境均呈現(xiàn)較強(qiáng)異質(zhì)性，檉柳與合頭藜群落有機(jī)碳含量最高，為3.62g/kg，顯著高于鹽爪爪等群落，含量平均值為1.00 g/kg［15］。甘肅省高臺(tái)縣半固定沙丘灰棕漠土有機(jī)碳含量為3.1 g/kg［19］。準(zhǔn)噶爾盆地梭梭荒漠土壤有機(jī)碳含量平均值為1.62 g/kg［12］，塔里木盆地荒漠土壤有機(jī)碳含量為1.56 g/kg［8］。河西走廊黑河中游區(qū)域土壤有機(jī)碳含量總體水平較低，土壤有機(jī)碳密度為0.42 kg/m2［10］。綜上，荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量存在較強(qiáng)異質(zhì)性。

該研究發(fā)現(xiàn)青海省高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量平均值亦相對較高，約為4.80 g/kg，栗鈣土和鹽土有機(jī)碳含量較高，分別為9.10 和7.5 g/kg，栗鈣土分布區(qū)域降水量較高，顯著（P＜0.05）高于其他土壤類型，鹽土主要分布在海拔較低區(qū)域且年均氣溫較高。該兩種類型土壤均有利于高寒荒漠植物生長，增加荒漠植物向土壤碳輸入量，引起土壤有機(jī)碳含量增加。該研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量主要受全氮和降水量影響。鹽土、棕鈣土、風(fēng)沙土和灰棕漠土有機(jī)碳含量的主要影響因素均為土壤全氮含量和降水量，土壤全氮含量對這4 種土壤類型有機(jī)碳含量的直接作用系數(shù)分別為0.959、0.952、0.920、0.841，降雨量對這4 種土壤類型有機(jī)碳含量的直接作用系數(shù)分別為-0.289、0.064、-0.145、-0.487。栗鈣土有機(jī)碳含量的主要影響因素為土壤全氮含量，直接作用系數(shù)為0.938，降水量對其影響較弱。青海省高寒荒漠栗鈣土分布區(qū)域年降雨量較高且氣溫較低，這可能是栗鈣土有機(jī)碳含量的主要影響因素與其他4 種土壤類型存在差異原因。

土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的重要基質(zhì)，高寒荒漠土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，土壤蓄水性和通氣性均較差［3］。全氮是影響祁連山區(qū)高山草甸土有機(jī)碳含量的主要影響因素［11］。圍欄促使祁連山高寒草地土壤有機(jī)碳、全氮含量顯著提高了16%～31%和15%～21%［20］，施用氮肥可顯著提高荒漠土壤有機(jī)碳含量［19］。本研究發(fā)現(xiàn)全氮含量是影響青海省高寒荒漠5 種不同類型土壤有機(jī)碳的主要因素。土壤氮素含量較高時(shí)，會(huì)顯著增加荒漠植被生長和根系碳輸入，這可能是全氮量增加可以提高荒漠土壤有機(jī)碳的重要原因。此外，土壤生態(tài)系統(tǒng)具有維持碳氮化學(xué)計(jì)量穩(wěn)定性機(jī)制［21］，增加土壤全氮含量，同樣可能引起土壤有機(jī)碳含量的增加。

氣候條件決定高寒荒漠植物所獲得的光熱和水等生長必需條件，土壤水分是荒漠植物生長的最大限制因子［10］。土壤水分含量的主要影響因素是土壤類型和植被因素［22-23］。氣溫和年均降雨量是影響祁連山高寒荒漠分布動(dòng)態(tài)變化及其空間差異的影響因子［24］，近30 年祁連山高寒荒漠呈萎縮變化趨勢。土壤含水率是梭梭荒漠土壤有機(jī)碳含量空間變異的主要影響因素［12］。過去50 年間，青藏高原氣候變化的暖濕化特征明顯［25］，結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明除栗鈣土、棕鈣土外，其余類型土壤及青海省高寒荒漠區(qū)域土壤有機(jī)碳受降雨量負(fù)向顯著影響，在干旱區(qū)降雨量增加會(huì)促進(jìn)荒漠植物生產(chǎn)，促使土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解，引起土壤有機(jī)碳含量降低，同時(shí)降水增加會(huì)加劇土壤有機(jī)碳淋溶損失，但栗鈣土分布區(qū)域土壤含水量相對高于其他土壤類型，因此降雨量對栗鈣土有機(jī)碳含量影響較弱，主要影響因素為全氮含量。棕鈣土分布區(qū)域棕鈣土的植被具有草原向荒漠過渡的特征，以草原土壤腐殖質(zhì)積累作用為主要成土過程，降水增加有利于增加棕鈣土有機(jī)碳含量。

4 結(jié)論

青海省高寒荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)較強(qiáng)異質(zhì)性，土壤pH 值呈弱堿性且變異性較弱。栗鈣土和鹽土有機(jī)碳含量相對較高，風(fēng)沙土有機(jī)碳含量最低但pH 值最高。高寒荒漠土壤有機(jī)碳含量主要受全氮和降水量影響，栗鈣土有機(jī)碳的主要影響因素為全氮，鹽土、棕鈣土有機(jī)碳的主要影響因素為全氮和降水量，灰棕漠土和風(fēng)沙土有機(jī)碳含量的主要影響因素為全氮、降水量和年均氣溫。土壤全氮含量和降水量主要通過增加地下根系生物量碳輸入，增加土壤有機(jī)碳含量。增加土壤全氮含量將顯著提升高寒荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳。