长江源区布曲流域土壤有机碳分布特征及其影响因素_张超飞.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY长江源区布曲流域土壤有机碳分布特征及其影响因素张超飞1，2，马素萍1，何晓波3，4，汪少勇3，5（1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 甘肃省油气资源研究重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学 地球与行星科学学院，北京 100049；3.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；4.中国科学院 西北生态环境资源研究院 内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃 兰州 730000；5.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049）摘要：基于长江源区布曲流域23个采样点的138个土壤样品，分析了土壤有机碳的分布特征，并探讨1 m以内土壤有机碳含量的影响因素。结果表明，长江源区布曲流域010 cm、1020 cm、2030 cm、3040 cm、4050 cm 和 50100 cm 的 6层土壤有机碳含量的平均值标准差分别为（10.234.84）g kg-1、（10.185.19）g kg-1、（9.345.20）g kg-1、（9.044.41）g kg-1、（8.014.74）g kg-1、（9.404.67）g kg-1，其随土壤深度增加而降低（R2=0.511）。研究区土壤有机碳含量与海拔并非线性相关（P0.05），而是在4 7005 100 m的海拔范围内，随海拔的升高而增加，然后在5 0005 100 m海拔处达到最大值后降低。土壤有机碳含量与pH值呈现极显著的负相关（P0.01），与碳氮比呈现极显著的正相关（P0.01），与体积含水量呈现显著的正相关关系（P0.05），表明长江源区布曲流域1 m以内土壤有机碳含量的主要相关因素是土壤的pH值、碳氮比和体积含水量。研究结果可以为长江源区布曲流域土壤碳循环的研究提供基础数据和科学依据。关键词：长江源区；布曲流域；多年冻土；有机碳；影响因素中图分类号：P593 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0233-100 引言 多年冻土是冰冻圈的重要组成部分，其是指温度低于0 时至少连续保存两年的岩土层1。多年冻土对气候变化的响应极为敏感2。在全球气候变暖的大背景下，目前多年冻土正在发生显著、快速和广泛的退化，主要表现有多年冻土面积减少和活动层厚度增加3，导致多年冻土区生物地球化学循环发生改变4，进而产生了一系列生态、水文和环境问题5-6。多年冻土退化会导致多年冻土区土壤中的大量有机碳分解释放，其通常以温室气体（如CO2和 CH4）的形式进入大气圈7，或以溶解性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）的形式进入水圈8，进而对气候变暖产生强烈的正反馈9。青藏高原是全球中低纬度高海拔冰冻圈分布的典型区，被称为世界的“第三极”10，其多年冻土主要分布在4 0005 500 m的海拔范围内，多年冻土实际分布面积约为115.02104 km2 11。目前青藏高原土壤在研究方法、尺度和深度上具有较大差异，这造成了对青藏高原多年冻土区土壤有机碳储量估算结果存在较大差异12。Mu等13评估青藏高原多年冻土区 025 m 深度土壤有机碳储量为（13277）Pg，Zhao等14评估青藏高原多年冻土区2 m以DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0007ZHANG Chaofei，MA Suping，HE Xiaobo，et al.Distribution characteristics and influencing factors of soil organic carbon in Buqu catchment in the source region of the Yangtze River，China J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：233-242.张超飞，马素萍，何晓波，等.长江源区布曲流域土壤有机碳分布特征及其影响因素 J.冰川冻土，2023，45（1）：233-242.收稿日期：2021-09-09；修订日期：2021-11-21基金项目：三江源国家公园联合研究专项（LHZX-2020-11-1；LHZX-2020-10-1）；中国水科院科研专项（HY110145B0012021）；冰冻圈科学国家重点实验室自主课题项目（SKLCS-ZZ-2022）资助作者简介：张超飞，硕士研究生，主要从事多年冻土碳循环研究.E-mail：zhang_通信作者：马素萍，副研究员，主要从事沉积地球化学研究.E-mail：45 卷冰川冻土内的土壤有机碳储量为17.07 Pg，Ding等15评估青藏高原多年冻土区 3 m 以内的土壤有机碳储量为34.238.9 Pg，Wang等16评估青藏高原多年冻土区土壤总有机碳储量为 35.7869.02 Pg，Wang 等17评估青藏高原多年冻土区3 m以内的土壤有机碳储量为21.69 Pg。从这些结果可以看出，青藏高原多年 冻 土 区 土 壤 碳 储 量 巨 大，但 是 不 确 定 范 围较大18。长江源区位于青藏高原腹地，是对全球气候变暖响应最为敏感的区域之一19，布曲流域是长江南源当曲流域内一条典型的多年冻土流域，受全球气候变暖的影响十分明显，由于其高海拔的地理位置和恶劣的气候条件，样品和数据获取难度较大，关于布曲流域土壤有机碳的研究相对匮乏。本研究通过在布曲流域实地挖取多年冻土剖面，进行土壤样品的采集，进而分析土壤有机碳的分布特征，在一定程度上弥补了布曲流域土壤有机碳数据的不足，为布曲流域多年冻土区土壤有机碳储量的估算和模拟提供基础数据。此外，探讨了布曲流域土壤有机碳的影响因素，以期为认识区域上多年冻土区碳循环及其对气候变暖的响应和反馈提供科学依据。1 研究区概况 研究区（9124 9220 E，3249 3338 N）位于长江源区的布曲流域（图1），该流域位于重要气 候 分 界 线 的 唐 古 拉 山 脉 中 段，流 域 面 积 为 4 504.72 km2，海拔处于4 7036 081 m之间，平均海拔为5 152 m。气候寒冷干燥，空气稀薄，属于典型的 高 原 亚 寒 带 半 干 旱 气 候，多 年 平 均 气 温 为 -6.0，多年平均降水为443 mm。流域内多年冻土广泛发育，其分布海拔范围为4 7005 300 m，土壤类型以沼泽土与高山草甸土为主。植被类型以高寒草甸（alpine meadow，AM）为主，AM种类组成较为丰富，主要是以莎草科为主的蒿草类和苔草类，如高山蒿草（Kobresia pygmae）、藏蒿草（Kobresia tibetica）、矮蒿草（Kobresia humilis）、青藏苔草（Carex moorcroftii）等，植被覆盖度为30%98%，生长最盛时高度为510 cm，根系深且发达20。2 材料与方法 2.1样品采集2020年08月中旬，在长江源区布曲流域进行土壤样品的采集（图1），参考唐古拉站气象、水文站点的分布，按照海拔的变化，共取23个采样点。采用五点混合取样法采集土壤样品，在每个样点取 010 cm、1020 cm、2030 cm、3040 cm、4050 cm和50100 cm的6层土壤样品，3次重复。首先随机选取10 m10 m的样区，将每个样区平均分为九格，然后在中间一格以及任意周边两格采集 3份土壤样品，然后将同层位的3份土壤样品混合均匀成一份总的土壤样品，编号后进行装袋。使用手持GPS记录经度（longitude，LON）、纬度（latitude，LAT）和高程（altitude，ALT）。土壤样品在阴凉处风干，并清除根系、石砾，然后在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室进行土壤理化性质的测定。实验室测定土壤样品的质地、pH 值、有机碳（soil organic carbon，SOC）、无机碳（total inorganic carbon，TIC）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、全钾（total kalium，TK）和阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC），同时用 200 cm3环刀取原状土用于测量土壤的容重（bulk density，BD）和体积含水量（volumetric water content，VWC）。2.2样品测定土壤SOC的测定方法为重铬酸钾-硫酸外加热容量法，土壤样品中的有机碳和过量的重铬酸钾-硫酸溶液发生氧化还原反应，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准液进行滴定，通过消耗的重铬酸钾量来计算土壤样品中的有机碳含量。TIC 的测定方法为气量法，TN 的测定方法为凯氏定氮法，碳氮比（C/N）通过SOC与TN的比值计算获得。土壤TP的测定采用碱熔-钼锑抗比色法，TK的测定方法为碱熔-火焰光度法，CEC的测定方法为乙酸铵法，pH值的测定方法为溶液-电极法。土壤质地的测定方法为筛分-沉降法，BD和VWC分别采用环刀法和图1研究区及采样点位置示意Fig.1Location of the study area and sampling sites2341 期张超飞等：长江源区布曲流域土壤有机碳分布特征及其影响因素烘干法测定21。2.3数据处理年均气温（mean annual air temperature，MAT）数 据 和 年 均 降 水 量（mean annual precipitation，MAP）数据分别来自于国家青藏高原科学数据中心（https：/ km分辨率逐月平均气温数据集（http：/ km分辨率逐月降水量数据集（http：/ ArcGIS 10.5 计算并提取每个采样点的MAT和MAP数据（表1）。使用Origin 2018软件制图。使用SPSS 25对土壤有机碳含量和密度以及其他理化性质进行描述性分析和单因素方差分析，对有机碳含量和气候因子进行线性回归分析，对有机碳含量和其他土壤理化性质进行皮尔逊相关分析。使用公式（1）计算有机碳存量15。SOCS=i=1nTi BDi SOCCi(1-Ci)100（1）式中：SOCS为有机碳存量（kg m-2）；Ti为第i层土壤的厚度（cm）；BDi为第 i 层土壤的容重（g cm-3）；SOCCi为第i层土壤有机碳含量（g kg-1）；Ci为第i层土壤中粒径大于2 mm的砾石所占的比率（%）。3 实验结果 3.1土壤有机碳分布特征3.1.1土壤有机碳在剖面中的分布特征在长江源区布曲流域 010 cm、1020 cm、2030 cm、3040 cm、4050 cm 和 50100 cm 的 6 个土层中，土壤有机碳含量的平均值标准差分别为（10.234.84）g kg-1、（10.185.19）g kg-1、（9.345.20）g kg-1、（9.044.41）g kg-1、（8.014.74）g kg-1、（9.404.67）g kg-1（图 2）。土壤有机碳含量的平均值虽然有着随土壤深度增加而降低的趋势（R2=0.511），但在剖面中的分布并没有显著差异（P0.05）。研究区 6层土壤有机碳存量的平均值 标准差分别为（0.760.38）kg m-2、（0.760.50）kg m-2、（0.600.41）kg m-2、（0.570.30）kg m-2、（0.530.37）kg m-2、（3.172.34）kg m-2，其 中50100 cm的土层因为厚度的增加而具有较大的土壤有机碳存量。在研究区 050 cm 内的 5 个土层中，土壤有机碳存量有随深度增加而降低的趋势（R2=0.893），而且 1020 cm、4050 cm 两个土层的有机碳存量呈现出显著的差异（P0.05）。在 4 7005 100 m的海拔范围内，研究区土壤的有机碳含量随着海拔的升高而增加，然后在5 0005 100 m海拔处达到最大值，而研究区在5 1005 250 m海拔处的土壤有机碳含量要低于5 0005 100 m海拔处。3.2土壤其他化学性质变化特征长江源区布曲流域1 m以内土壤pH值平均值的变化范围为7.457.70，表明研究区土壤以弱碱性为主，土壤pH值的平均值随土壤深度的增加而增加，010 cm与50100 cm土层的pH值存在显著的差异（P0.05）。3.3土壤物理性质变化特征长江源区布曲流域1 m以内土壤容重平均值的变化范围为 1.081.39 g cm-3，随深度的增加而增加，010 cm土层的容重与其他土层的容重具有显著差异（P0.05）。研究区 1 m 以内土壤的质图2土壤有机碳在剖面中的分布特征Fig.2Soil organic carbon contents and stocks in profiles图3土壤有机碳在海拔上的分布特征Fig.3Soil organic carbon contents at different altitudes2361 期张超飞等：长江源区布曲流域土壤有机碳分布特征及其影响因素地主要为砂土和壤质砂土，土壤的砂粒含量的平均值随深度的增加而增加，粉粒含量和黏粒含量的平均值随深度的增加而降低，而且各土层之间的砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量的差异并不显著（P0.05）。4 讨论 4.1土壤有机碳含量与植被的关系在自然条件下，土壤有机碳的输入主要来源于植被地表凋落物和细根系的周转24。已有研究表明，藏东南高寒草甸 80%的根系集中分布在 0 10 cm的土层中，植被的根系数量随着土壤深度的增加而减少25。随着土壤深度的增加，藏北高寒草甸的根系生物量也呈指数下降，而且其与土壤碳氮含量呈正相关，深层土壤的根系则分布较少且变化趋于平缓26。研究区土壤的有机碳含量和存量均有着随土壤深度的增加而降低的趋势，与前人在青藏高原其他地区的研究结果一致27-8。研究区较浅层的土壤具有较高的有机碳含量和存量，这可能与植被根系的数量和形态在土壤剖面中的分布有关。布曲流域主要植被类型为高寒草甸，其根系主要分布在浅层，这为表层土壤有机碳的积累提供了充足的物质来源。研究区 1 m 以内土壤的有机碳存量的平均值 标准差为（6.383.16）kg m-2。Zhao 等14评估青藏高原高寒草甸1 m深土壤的有机碳存量为14.07 kg m-2，也有研究表明青藏高原1 m深土壤的有机碳存量为（8.701.19）kg m-2 24。本研究的结果略低于前人的研究，这种差异可能是由于研究区域的差异导致的。4.2土壤有机碳含量与气候因子的关系气温与降水的差异是影响多年冻土区土壤有机碳分布的重要因素，低温有利于抑制微生物和酶的活性，减少有机碳的分解，高降水量则有利于提高土壤水分，促进植被生长和有机质的输入，从而有利于土壤有机碳的积累29。通过分析布曲流域1 m以内土壤的平均有机碳含量随年均气温和年均降水量的变化（图4），结果表明，研究区1 m以内土壤的平均有机碳含量与年均气温存在一定的负相关关系，与年均降水量存在一定的正相关关系，但是均不显著（P0.05）。已有前人研究表明，气候因子对土壤有机质分布的控制主要在土壤表层30，而深层土壤有机碳含量低且稳定性较强，土壤的缓冲能力也可以表2 土壤其他化学性质变化特征（平均值标准差）Table 2 Soil chemical properties variables in different soil layers（average standard deviation）土壤化学性质pH值全氮/gkg-1碳氮比全钾/gkg-1全磷/gkg-1阳离子交换量/cmolkg-1无机碳/gkg-1土壤剖面深度/cm0107.450.53b0.850.21ab12.356.14a9.792.22a0.500.14a8.673.42a14.653.96a10207.550.45ab0.890.23a11.646.20a9.602.16a0.500.09a8.123.21a14.604.37a20307.590.35ab0.820.20abc11.877.59a10.102.04a0.460.09a7.903.51a16.446.65a30407.650.40ab0.720.16c12.866.80a10.332.71a0.480.13a7.112.97a17.526.18a40507.660.40ab0.750.20bc11.587.93a10.192.35a0.470.12a7.053.35a16.356.17a501007.700.37a0.750.23bc12.966.99a10.081.95a0.470.12a7.853.29a16.514.98a注：小写字母表示不同土层间土壤理化性质的显著差异（P0.05）。Note：different lowercase letters indicate significant differences in soil physical and chemical properties among different soil layers based on the one-way ANOVA（with LSD test）at the level of P0.05.表3 土壤物理性质变化特征（平均值标准差）Table 3 Soil physical properties variables in different soil layers（average standard deviation）土壤物理性质容重/gcm-3体积含水量/gcm-3砂粒/%粉粒/%黏粒/%土壤剖面深度/cm0101.080.28b0.280.16a96.055.41a2.574.21a1.381.74a10201.250.23a0.230.10a96.635.05a2.363.75a1.011.52a20301.320.29a0.240.15a96.944.33a2.213.19a0.851.44a30401.390.28a0.220.11a98.482.29a1.021.44a0.501.18a40501.380.23a0.220.12a98.971.60a0.700.88a0.340.96a501001.390.28a0.210.11a99.191.42a0.721.13a0.080.38a注：小写字母表示不同土层间土壤理化性质的显著差异（P0.05）。4.3土壤有机碳含量与其理化性质的关系土壤的理化性质对土壤有机碳也有重要的影响32。在4 7005 100 m的海拔范围内，研究区土壤有机碳含量随海拔的升高而增加，然后在 5 000 5 100 m海拔处达到最大值后降低。Li等33研究表明，青藏高原土壤有机碳含量会随着海拔升高而增加，然后在 4 8004 950 m 海拔处达到最大值后减少。牟翠翠等34研究表明，由于微地形和土壤含水量的差异，祁连山区黑河流域俄博岭多年冻土区土壤有机碳含量也有着随海拔升高而增加，然后在 3 6003 650 m 海拔处达到最大值后减少的规律。为探讨布曲流域土壤理化性质对1 m以内土壤有机碳含量影响，将研究区土壤有机碳含量与土壤理化性质进行了皮尔逊相关分析（表4）。研究区土壤有机碳含量与pH值呈极显著负相关（P0.01），土壤pH值过低（8.5）都会抑制微生物的活性22，而研究区弱碱性的土壤为微生物提供了适宜的生存环境，从而促进微生物和酶对土壤有机碳的分解和转化35。研究区土壤有机碳含量与碳氮比呈极显著的正相关（P0.01），碳氮比是土壤腐殖质转化和矿化速度快慢的重要指标，碳氮比越高的土壤碳的分解程度较低23，也图4土壤有机碳含量与年均气温、年均降水的关系Fig.4Soil organic carbon content vs mean annual temperature and mean annual precipitation表4 土壤有机碳含量与其理化性质的关系（皮尔逊相关系数）Table 4 Soil organic carbon content vs soil physical and chemical properties（Pearson correlation coefficient）指标pH全氮碳氮比全磷全钾无机碳阳离子交换量容重体积含水量黏粒有机碳pH1.000-0.184-0.558*-0.172-0.3320.577*-0.2620.030-0.563*-0.454*-0.663*全氮1.000-0.1610.153-0.013-0.3860.428*-0.539*0.423*0.3520.383碳氮比1.000-0.2340.1940.0150.0110.468*0.197-0.1330.841*全磷1.0000.005-0.3430.073-0.3440.0950.430*-0.103全钾1.000-0.2590.2490.0440.022-0.0340.216无机碳1.000-0.4890.642*-0.458-0.607*-0.517阳离子交换量1.000-0.1360.3980.3400.273容重1.000-0.287-0.685*0.143体积含水量1.0000.461*0.439*黏粒1.0000.083有机碳1.000注：*表示P0.05；*表示P0.01。2381 期张超飞等：长江源区布曲流域土壤有机碳分布特征及其影响因素是土壤有机碳可以积累的重要特征。研究区土壤有机碳含量与体积含水量呈显著的正相关（P0.05），适量的土壤有机氮有利于促进植被生长与提高微生物活性39，过量氮输入可以改变土壤微生物特征，从而对土壤有机碳矿化存在抑制作用，然而这种抑制作用对连续多年冻土区土壤并不显著40。青藏高原冻土区的土壤普遍存在氮限制41，植被和微生物对土壤氮素存在竞争，而土壤氮素的分配可能优先供给植被进行生长繁殖42，从而有利于土壤有机碳的输入。已有研究表明，磷输入有利于高含水量土壤有机碳的矿化和可溶性碳淋失，对低含水量土壤的影响则不显著43。布曲流域土壤含水量较低，从而导致土壤有机碳含量与全磷的负相关关系不显著（P0.05）。青藏高原土壤无机碳含量随土壤深度的增加而降低44。布曲流域土壤无机碳含量在不同土层上分布的差异不显著（P0.05），研究区土壤温度虽然有着随深度增加而降低的趋势45，有利于深层土壤溶液中的无机碳析出为碳酸盐，但布曲流域降水量少且分布较为均匀，降水形式也大多为固态降水，从而导致研究区土壤淋溶作用差异较小。已有研究表明，土壤有机碳与无机碳之间存在相互补偿作用46，而研究区土壤有机碳含量与无机碳含量之间的负相关不显著（P0.05），表明研究区土壤有机碳与无机碳之间不存在相互补偿作用。土壤阳离子交换量具有缓冲土壤 pH 并保持土壤养分的作用47，而研究区土壤阳离子交换量对土壤有机碳的影响并不显著（P0.05），可能是因为pH值对土壤有机碳的影响更直接，从而掩盖了阳离子交换量对土壤有机碳含量的影响。土壤有机质的容重要小于矿物质48，布曲流域土壤的容重随深度的增加而降低，这是因为深层土壤有机质含量较低，而且深层土壤会受到上覆土层的压实作用49，从而导致其容重更大。研究区土壤容重与有机碳含量的负相关不显著（P0.05），可能是因为压实作用大于有机质对容重的影响。布曲流域气温低、降水量少且地形起伏相对较小，缺少风化作用，使得研究区土壤质地以砂土和壤质砂土为主。土壤粒径随深度的变化是由土壤发生层决定的，越接近母质层和基岩，风化程度越小，土壤粒径也就越大50。土壤黏粒对有机质具有一定的吸附作用，可以促进土壤有机质的沉积，已有研究表明，藏北表层土壤有机碳含量与黏粒含量存在显著的相关性，而15 cm以下土层的有机碳含量与黏粒含量不存在显著相关性51。布曲流域土壤质地以砂土和壤质砂土为主，黏粒含量低且差异不显著，因而对有机质的吸附作用有限且差异较小，从而导致研究区土壤黏粒含量对有机碳的影响不显著（P0.05）。因此，长江源区布曲流域1 m以内土壤有机碳含量的主要相关因素为土壤的 pH值、碳氮比和体积含水量。5 结论 多年冻土区土壤有机碳不仅是土壤肥力的物质基础，更对全球气候变化存在迅速而强烈的响应和反馈。通过研究长江源区布曲流域多年冻土有机碳在剖面内和海拔上的分布特征，并探讨1 m以内土壤有机碳含量的相关因素，可以获得以下认识：（1）在长江源区布曲流域 010 cm、1020 cm、2030 cm、3040 cm、4050 cm和50100 cm的6个土层中，土壤有机碳含量的平均值标准差分别为（10.234.84）g kg-1、（10.185.19）g kg-1、（9.345.20）g kg-1、（9.044.41）g kg-1、（8.014.74）g kg-1、（9.404.67）g kg-1，随土壤深度增加而降低（R2=0.511）。土壤有机碳含量与海拔并非线性相关（P0.05），而是在 4 7005 100 m 的海拔范围内，1 m以内土壤的平均有机碳含量先随海拔的升高而增加，然后在 5 0005 100 m 海拔处达到最大值后降低。（2）研究区1 m以内土壤有机碳含量与pH值呈极显著的负相关（P0.01），与碳氮比呈极显著的正相关（P0.01），与体积含水量呈显著的正相关关系（P0.05），表明长江源区布曲流域1 m以内土壤有机碳含量的主要相关因素为土壤的pH值、碳氮比和体积含水量。参考文献（References）：1Qin Dahe.Glossary of cryospheric science M.2nd ed.Beijing：China Meteorological Press，2016.秦大河.冰冻圈科学辞典 M.2版.北京：气象出版社，2016.2Wang Genxu，Yang Yan，Zhang Guangtao，et al.Cryosphere ecosystems：outpost and barrier in global change J.Bulletin of Chinese Academy of 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