海拔梯度对川西高寒土壤轻组分有机碳动态影响研究

李 菊，王 琴，孙 辉

（四川大学 环境科学与工程系，成都610065）

近100年全球气候正在经历一场以变暖为主要特征的显著变化［1］，全球平均地表温度上升了0.74（0.56～0.92）℃［2］，北极和高海拔地带增温明显，如欧洲阿尔卑斯山脉平均升温速度是全球的2倍多（升高1.1～1.3℃）［3］，青藏高原平均升温速度相当于全球平均增温的3倍［4］。预测到21世纪末，全球地表平均气温可能升高1.1～6.4℃（与1980—1999年相比）［5］。土壤是陆地生态系统最大的碳库，据估计土壤有机碳库为1 115～2 220Gt，相当于陆地植被碳库2～3倍和大气碳库2倍［6］。分布于高海拔／纬度（极地与高山）的季节性冻土和永冻土带土壤碳库储碳200～500Gt，这些土壤碳库对升温具有正反馈响应［7］，在全球土壤碳循环乃至全球气候变化中占有重要地位。同时这些土壤在全球变暖中增温可能更加显著［2］，因而土壤增温可能对低温土壤有机碳生态过程的影响更加明显［8］，增温背景下低温土壤生态过程也成为全球变化的研究热点之一。近年来，对青藏高原高寒土壤有机碳储量与组分［9－12］、土壤酶活性及特征［12－13］、土壤微生物量［14］和土壤碳矿化［15］等进行的研究，逐步揭示了高寒低温土壤生态系统土壤碳过程的有关特征。

全球土壤有机碳按照稳定性分为微团聚体有机碳、粉粒和黏粒保护有机碳、生化保护有机碳和非保护性有机碳四种形态［16］。其中，非保护性有机碳稳定性最低，主要是部分分解的与土壤矿质结合尚不紧密的新近凋落的植物残体［16］，可通过轻组分有机碳或颗粒态有机碳来衡量。因此，轻组分有机碳被认为是土壤活性有机碳的重要表征，其主要来源于植物凋落物，化学组成上介于凋落物与腐殖化有机质之间，而且缺乏黏粒保护，与总有机碳相比具更高的矿化率和周转率［17］。越来越多的研究将土壤LFOC作为表征土壤质量［18］、有 机 碳 库 动 态 特 征［19］、土 壤 生 物 地 化 过程［20］、土壤碳稳定性机理［21－22］的特征指标，从目前的报道来看重点是对耕作土壤LFOC动态的研究，很少有对非耕作土壤的轻组分有机碳动态的研究。鉴于青藏高原面临的可能的增温效应［23］，以及高寒土壤生态过程对土壤增温的敏感性［24，13］，研究高寒土壤轻组分有机碳的时间动态和在海拔梯度上的变化趋势，对于揭示高寒土壤轻组分有机碳对土壤增温的可能效应，以及土壤增温对有机碳碳库稳定性的影响，具有重要理论意义。

1 试验材料和方法

1.1 研究地区概况

研究地点位于四川阿坝藏族羌族自治州小金县梦笔山，它是由大雪山与邛崃山系交界北部地段数个海拔4 000m以上的高峰组成，研究区域内亚高山针叶林分布的海拔高度多为3 000～4 000m，其上为高山树线、高山灌丛草地以及高山草甸。试验点地处梦笔山西南坡，海拔3 200～3 900m，亚高山针叶林为紫果云杉（Picea purpureaMast.）成熟林，开阔地带间有红桦（Betula albo－sinensisBurk.）零星分布，灌层植物主要有多腺悬钩子（Rubus phoenicolasiusMaxim.）、三颗针（Berberis diaphana）、高山栎（Quercus semicarpifoliaSmith）、高山柳（Salix cuplaris.）等，草本层植物主要有铁线莲（Clematis floridaThunb.）、老鹳草（Geranium wilfordiiMaxim.）、蟹甲草（Parasenecio forrestiiJ.）、草玉梅（Anemone rivularis）等零星分布；其上的高山树线为紫果云杉散生，杜鹃灌丛分布，高山灌丛草地主要是丛状分布的高山杜鹃（Rhododendron lapponicum）、千里香杜鹃（Rhododendron thymifoliumMaxim.）灌丛。试验样地各海拔高度植被类型、温度的基本情况见表1。

表1 高海拔梯度上土柱原位培养试验样地基本情况

1.2 试验材料

2011年6月收集试验点亚高山针叶林0—20cm深度的土壤，清除树根和石块，过5mm筛，并充分混合均匀制成土柱，以消除海拔梯度上土壤有机碳含量及组分的异质性给原位培养研究带来的系统误差。采混合样测定土壤基本理化性质，其中有机碳为（341.14±3.08）g／kg，轻组分有机碳含量（212.71±1.12）g／kg，pH 为6.75±0.05。将混合均匀的土壤含水量调节至田间持水量的80%。

重装土柱：将半径15cm、长度20cm剖为两半的PVC管用扎带扎紧后按原体积质量（容重）重装土柱（这样便于从管中取出土柱时不破坏土柱的结构）。将重装的土柱按照选取的特定海拔高度，埋入试验点土壤中进行原位培养。土柱表面与土壤表面齐平，土柱间用森林土壤压实填平。

1.3 样方设置与采样方法

在研究区域内坡向一致的坡面选择5个不同海拔高度的试验样地（3 250m，3 438m，3 672m，3 852m和4 098m），作为一个海拔梯度系列进行土柱原位培养试验。每个海拔高度土柱原位培养设置3个重复，即每个海拔分为3组土柱，一共15组土柱；每组土柱18个；每组内土柱间距离10cm，每组土柱间距离30cm。每个试验样地的土柱培养试验埋设采用随机化区组设计。

温度计埋放：另装5个土柱用于埋放纽扣温度计，将5个土柱分别埋放在5个不同的海拔。在每个土柱表层即0cm，5cm，10cm，15cm和20cm处各埋放1个纽扣式温度计，并设置每h记录1次数据。

土壤采样：土柱经过3个月原位培养后开始采样。采样时间分别为2011年9月2日，11月6日，2012年3月21日，5月15日和7月13日。每次采样都是在每个海拔每个重复中随机采集土柱，土柱收集后立即置于冰盒中带回实验室。将每个土柱分为0—10cm和10—20cm截开分装后，过2mm筛在4℃保存或者立即分析。

1.4 样品测定方法

轻组分有机碳（LFOC）：称取10.0g左右（m1）过2mm筛的风干土样，放入100ml离心管中，加入比重为1.7g±0.02g／cm3的 NaI溶液40ml；搅拌震荡30s后，将附着在管壁和玻璃棒上的颗粒用NaI溶液洗入悬浮液中，在1 000rpm离心15min；然后取悬浮液利用微孔滤膜（waterman No.1滤纸）进行真空抽滤，在抽滤下用少量0.01MCaCl2溶液连续洗三次，再用少量去离子水洗3次，洗去剩余的NaI溶液，将滤纸及其上的物质放在70℃的烘箱中烘干17h；烘干后去掉滤纸质量得到LFOC质量（m2），将滤纸上的物质刮下研磨，过筛，重铬酸钾外加热法测定其中总有机碳（TOC）含量，用 TOC乘以（m2／m1）即为轻组分有机碳含量［17，25］。

2 结果与分析

2.1 不同海拔梯度表层（0－10cm）土壤LFOC的时间动态

川西高寒土壤均质化原位培养后，不同海拔上表层土壤LFOC含量垂直分布的时间动态变化见图1。在低温季节前期（9—11月），各海拔上表层土壤LFOC含量均显著增加；低温季节中期（11月—翌年3月），除3 852m和4 098m上表层土壤LFOC含量有所增加外，其余各海拔均有所下降，其中3 250m和4 098m差异达到显著水平；低温季节后期（3—5月），各海拔上表层土壤LFOC含量均显著增加；低温季节结束后，除3 250m上表层土壤LFOC含量有所增加外，其余海拔均有所下降，其中3 852m和4 098m差异达到显著水平。各海拔均在9月达到最低值，3 250m上表层土壤LFOC含量在7月达到峰值，其余海拔均在5月达到峰值，这表明低温促进了高寒土壤LFOC的积累，而在相对高温的季节（7月）LFOC则是分解减少的。此外，不论是低温季节还是温暖季节，土壤表层LFOC在海拔梯度上都是随着海拔升高逐渐增加的。

2.2 不同海拔梯度表下层（10－20cm）土壤LFOC的时间动态

川西高寒土壤均质化原位培养后，不同海拔表下层土壤LFOC含量垂直分布的时间动态变化见图2。在低温季节前期（9—11月），除3 250m 和3 852m表下层土壤LFOC含量有所下降外，其余海拔均有所增加，但差异均未达到显著水平；低温季节中期（11月—翌年3月），各海拔表下层土壤LFOC含量均有所下降，其中3 250m，3 438m，3 672m 和4 098m差异达到显著水平；低温季节后期（3—5月），各海拔表下层土壤LFOC含量均显著增加；低温季节结束后，各海拔表下层土壤LFOC含量均有所下降，其中3 438m和4 098m差异达到显著水平。各海拔均在3月达到最低值，在5月达到峰值。7月除3 250m外各海拔土壤LFOC含量均高于9月，其中3 852m和4 098m差异达到显著水平。这表明低温（3月）促进了高寒土壤LFOC的分解，而在相对高温的季节（5—7月）LFOC则是相对增加的。此外，表下层土壤LFOC含量为171.78～241.98g／kg，这表明不同海拔LFOC在低温季节存在不同变化趋势。

图1 亚高山－高山海拔梯度上土壤表层（0－10cm）LFOC的时间动态

2.3 不同海拔梯度表层与表下层土壤LFOC差异的时间动态

不同海拔梯度表层与表下层土壤LFOC差异的时间动态见表2。同一时间和海拔高度的情况下，土壤LFOC含量具有明显的剖面分布规律。除9月外，各海拔的土壤LFOC含量随土层加深而降低，其中11月和3月各海拔差异均达到显著水平，5月3 852m和4 098m差异达到显著水平；9月，除4 098m土壤LFOC含量随着土层加深有所降低外，其余各海拔均随着土层加深而有所增加，其中3 672m差异达到显著水平。

不同海拔不同深度土壤LFOC差异显著性持续时间均长达3个月。低温季节，表层土壤LFOC是积累增加的，而表下层土壤LFOC是分解减少的；高温季节，表层土壤LFOC是分解减少的，而表下层土壤LFOC是相对增加的。

表2 不同海拔0－10cm和10－20cm土壤轻组分有机碳含量的季节差异

图2 亚高山－高山海拔梯度上土壤表下层（10－20cm）LFOC的时间动态

3 讨 论

尽管土壤轻组仅占土壤质量的一小部分，但轻组的碳含量一般显著高于全土。轻组物质的碳氮比高，周转速度快，是易变有机碳的良好指标［26］。已有研究表明农耕地土壤轻组分一般具有明显的季节变化［27］，并大部分聚集在土壤表层，随土层深度的增加而下降。本研究在各个海拔高度的试验结果也显示高寒土壤轻组分有机碳含量存在显著的季节差异，因此轻组分有机碳在高寒土壤中同样也是短期变化敏感的有机碳组分。本研究利用均质化高寒森林土壤的原位培养，结果也是表层土壤轻组分有机碳高于表下层，这个结果暗示高寒土壤轻组分有机碳同样主要分布在表层土壤中。高海拔土壤LFOC随着海拔而升高，可能是因为海拔越高，低温时间越长，积雪覆盖的时间延长，导致雪霉等作用将土壤中的有机物料转化为轻组分有机碳［28］，从而有利于LFOC的积累，不过高海拔土壤LFOC的积累与周转是否受到低温过程的影响，还需要更多的长期定位研究。

土壤总有机碳及各活性有机碳含量均随海拔高度的升高而增加，随土层的加深而下降［29］。森林土壤中的轻组分有机碳占总有机碳的比例为4%～63%［27］也表现出同样的变化趋势。动植物残体输入时间、输入量和组成以及环境等因素会影响土壤轻组分有机物，同时轻组分有机物对土地利用方式、作物轮作制度、施肥等变化具有敏感响应［26，30］。不过，轻组分有机碳研究多是针对农业土壤，而对于高寒土壤的研究并不多。研究显示在低温和积雪覆盖的环境下，雪霉等真菌的活性强烈［31］，促进有机物质的破碎化与分解，本研究中低温季节轻组分有机碳的积累，其机理可能是因为在低温季节，土壤中半分解有机质在雪霉等真菌的作用下将土壤中未分解的有机质进一步转化为轻组分有机碳，而低温又抑制了分解轻组分有机碳的细菌活性，导致了0—10cm的土壤轻组分有机碳高于10—20cm的土壤。在夏季，随着温度升高，0—10cm 土壤中微生物活性高于10—20 cm［32］，表层土壤轻组分有机碳分解逐渐快于下层土壤，这可能是导致0—10cm土壤轻组分有机碳最终在9月份低于10—20cm的原因，但是还需要对于微生物群落与土壤轻组分有机碳的相关性做更多的研究。

4 结 论

（1）原位土壤培养试验表明，低温季节是高寒土壤LFOC积累的主要时期，而生长季节是土壤LFOC消耗的时期。对于同一海拔高度，表层（0—10cm）和表下层（10—20cm）土壤LFOC含量均在5月达到最高值。

（2）在海拔梯度上，土壤LFOC含量随着海拔升高而增加，显示高海拔有利于土壤LFOC的积累，这也显示了低温有利于土壤LFOC积累。

（3）在同一采样时间的同一海拔高度，表层（0—10cm）和表下层（10—20cm）土壤LFOC含量总体表现出随深度增加而降低的规律，其中在低温季节中后期的11月和3月均达到差异显著水平。

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