天山北坡土壤有机碳δ13C组成随海拔梯度的变化

许文强，罗格平，陈　曦，冯异星，李超凡

(1.中国科学院 新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐　830011;2.贵州省黔南州国土资源储备局，贵州 都匀　558000;3.中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京　210008)



天山北坡土壤有机碳δ13C组成随海拔梯度的变化

许文强1，罗格平1，陈曦1，冯异星2，李超凡3

(1.中国科学院 新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐830011;2.贵州省黔南州国土资源储备局，贵州 都匀558000;3.中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京210008)

摘要：本文选择天山北坡三工河流域作为研究区，基于碳稳定同位素技术，分析土壤有机碳(SOC)δ13C值随降雨量的变化，研究不同海拔梯度土壤剖面δ13C值随采样深度的变化。结果显示，三工河流域降雨量在300 mm以下的采样点，SOC δ13C值随降雨量的增加呈递减趋势(R2=0.97)，而降雨量在300 mm～500 mm的采样点，δ13C值随降雨量变化不明显(R2=0.04)；三工河流域纯C3植物采样点土壤剖面δ13C值随采样深度呈现明显的富集效应，即土壤剖面下层δ13C值大于上层，其平均差值为1.01‰，与其他相关区域研究结果一致；而沙质荒漠和土质荒漠采样点剖面下层与上层SOC δ13C平均差值为4.33‰，其变化趋势与纯C3植物采样点相反，且其表层δ13C值接近C4植物来源，底层接近C3植物来源，推断其地上历史植被可能经历了由C3到C4的演替过程。

关键词：碳同位素；δ13C值；C3和C4植物；δ13C富集效应；三工河流域

土壤有机碳(SOC)的同位素组成取决于其地表植被特征和气候状况，而SOC库综合了数年到数万年植被的演替信息，是对区域生物量碳同位素组成变化的最佳记录[1-3]。因此，利用土壤碳同位素技术提取当时地表植被及气候的信息成为全球变化研究的重要手段之一[4]。陆生植物主要包括C3和C4两种光合途径，其中C3途径(Calvin cycle)植物的δ13C值处于-35‰～-20‰之间，平均值为-27‰；C4途径(Hatch-Slack)植物的δ13C值更高，处于-19‰～-9‰之间，平均值为-13‰[2, 5]。土壤中的SOC主要来自于陆生高等植物，由于SOC分解过程中的同位素分馏作用比植物光合作用固定碳时小，SOC中的δ13C值与作为该有机碳来源植被的δ13C值基本一致，反映局部地区植被碳固定过程的同位素组成特征[1, 6]。可利用SOC的δ13C差异计算土壤或其组分中不同植物来源有机碳的比例和数量，重建地表植被的演替过程[5-7]。研究显示，C3植物的δ13C值随降雨量的增加显著减小，其中Liu等[8]在中国西北部的研究发现，降雨量每增加100 mm，C3植物的δ13C值减小1.1‰，研究也发现SOCδ13C值随剖面深度呈现明显的富集效应，其富集机制一直是研究重点和争论的热点[9-10]。中国西部干旱区生态系在陆地生态系统碳循环过程中起着重要的作用[8-9]，对干旱区碳元素在大气-陆地生态系统储存库间的定量迁移转化关系研究有待加强。因此，发现干旱区环境因素、植被和土壤有机碳间δ13C值的响应特征，探讨“干旱区土壤-植被生态系统碳来源与转化”是干旱区碳循环研究的重要领域和前沿，值得深入研究[11-12]。本研究选择干旱区天山北坡的三工河流域作为研究区，围绕干旱区生态系统土壤和植被δ13C的富集机制及其环境条件问题，分析SOCδ13C值随降雨量的变化，研究不同海拔梯度SOCδ13C组成变化，为干旱区植被保护和区域碳循环提供依据。

1　资料与方法

1.1研究区概况

天山北坡三工河流域位于天山博格达山北坡及准噶尔盆地南缘，流域面积约2 000 km2。自上游冰雪带至下游沙漠区的直线距离约80 km，水平距离最宽约35 km，垂直高差约5 000 m。流域内随着海拔高度的不同，温度、降水等差异显著。南部山区海拔大于700 m，位于海拔1 800 m的天池气象站观测资料显示年均降水量约525 mm，年均温度2.2 ℃；中部平原区海拔500 m～700 m，位于海拔550 m的阜康市气象站观测资料显示年均降雨量220 mm，年均温度6.9 ℃；北部沙漠区海拔小于500 m，位于海拔480 m的中国科学院阜康荒漠站观测资料显示年均降雨量160 mm，年均温度6.6 ℃。

三工河流域植被和土壤分布具有明显的垂直地带性。根据植被与土壤形成的关系，可划分为6个带，其中高山寒漠带主要土壤类型为高山石质土和高山漠土，高山亚高山草甸带土壤类型为高山亚高山草甸土，中山森林草原带土壤类型为山地灰褐土和黑钙土，半干旱草原带土壤类型为栗钙土和棕钙土，荒漠草原带土壤类型为灰漠土，沙质荒漠草原带土壤类型为风沙土和盐化风沙土。

1.2数据采集与分析

在三工河流域海拔3 130 m的高山草甸、2 390 m的山地草原、2 035 m的中山森林、1 717 m的半干旱草原、1 100 m的干旱草原、483 m的土质荒漠灌丛和439 m的沙质荒漠灌丛共7个采样点各采集一个土壤剖面(表1)，剖面深度为1 m，每个剖面分5层采集土壤样品，每层采集3个土壤样品，采样深度分别为0 cm～10 cm、10 cm～30 cm、30 cm～50 cm、50 cm～70 cm和70 cm～100 cm。土壤样品经自然风干、研磨和过2 mm筛处理后，送实验室分析。同时，在每个剖面位置采集地上植被优势种的新鲜枝叶样品各1个(表1)，经自然风干和研磨后送实验室分析。

土壤样品分析项目包括SOC含量和SOC的δ13C值，植物样品分析项目为植物有机碳(OC)的δ13C值。SOC用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定；利用土壤和植物样品制备的CO2气体，采用德国生产的Finnigan MAT Delta Plus XP同位素比例质谱仪测定土壤SOC和植物OC的δ13C值。其中土壤SOC样品先经H3PO4反应移除无机碳，再通过高温燃烧产生气态CO2并纯化后进行SOC的δ13C值测定；植物OC样品经研磨后通过高温燃烧产生气态CO2并纯化后进行植物OC的δ13C值测定。所有同位素样品测定均在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室完成。同位素样品分析采用PDB标准，表达为δ13C‰。文中不同海拔高度的降雨量数据由流域内气象站点数据进行插值获得。所有数据的汇总与分析通过数理统计分析软件SPSS 11.5进行。

表1　三工河流域采样点信息描述Table 1　Sample site characteristics of Sangong river watershed

2　结果

2.1流域土壤和植被中δ13C均值变化

三工河流域不同海拔梯度土壤SOC和SOCδ13C值变化显著(表2，P<0.01)。土壤SOC随海拔高度升高先增加后降低，中山带森林土壤SOC含量最高；土壤SOCδ13C值与海拔高度具有很好的线性负相关性(R2=0.88)。三工河流域植被样品δ13C分析结果显示，土质荒漠和沙质荒漠中的梭梭为C4植物，其他采样点均为C3植物。

2.2土壤有机碳稳定同位素随降雨量的变化

三工河流域不同垂直梯度采样点整个剖面SOCδ13C平均值变化范围为-21.07‰～-26.77‰(表2)，随降雨量的变化趋势有一定的差异。降雨量在300 mm以下的采样点，土壤SOCδ13C值随降雨量的增加呈递减趋势(R2=0.97)，而降雨量在300 mm～500 mm的采样点，SOCδ13C值随降雨量变化不明显(R2=0.04)(图1)，这与wang等[4]在中国北方不同降雨量的温带干旱区、半干旱区和半湿润区的研究结果和Stevenson等[13]在美国西部华盛顿州的研究结果一致，可能与地上植被是否受干旱水分胁迫影响有关[14]。降雨量在300 mm～500 mm的采样点植被对降雨量变化的响应并不敏感，而降雨量在300 mm以下的采样点植被受水分胁迫的影响，植被气孔导度减小，胞间CO2分压增加，导致植被δ13C值增加，最终使得降雨量越小的采样点SOCδ13C值越大[4,15-16]。

表2　三工河流域不同海拔梯度土壤属性均值统计Table 2　Descriptive statistics of soil properties along a vertical gradient in the Sangong river watershed

注：1)P<0.01

图1　三工河流域不同海拔梯度SOC δ13C值随降雨量的变化Fig.1　Variations of SOC δ13C with the annual precipitation along a vertical gradient in the Sangong river watershed

2.3土壤有机碳δ13C值随深度的变化

在三工河流域，不同海拔梯度植被类型SOC含量随深度变化差异较大(图2a)。沙质荒漠和土质荒漠采样点SOC含量较低，为1.65 g/kg和2.66 g/kg，且随采样深度变化不明显；干旱草原采样点SOC含量不高(4.94 g/kg)，但随采样深度的增加呈小幅递减的趋势；其他剖面SOC含量均随采样深度的增加呈明显递减趋势，中山森林剖面SOC含量随深度递减幅度最大。沙质荒漠、土质荒漠和干旱草原采样点SOC含量不高主要因为干旱气候环境使地上植被生物量很小，致使SOC含量在整个剖面上都较低。

在干旱区三工河流域，干旱草原、半干旱草原、中山森林、山地草原和高山草甸采样点植被类型为纯C3植物，沙质荒漠和土质荒漠采样点灌丛梭梭为C4植物，其下生长的一年生草本植物为C3植物。半干旱草原、中山森林和山地草原采样点SOCδ13C值随采样深度的变化趋势相似，即随采样深度呈增加趋势，其中在0 cm～50 cm SOCδ13C值增加幅度较大(-25.51±0.95)‰，50 cm～100 cm增幅较小(-25.15±0.58)‰；高山草甸采样点SOCδ13C值变化较小，50 cm～100 cmδ13C值略低于表层土壤，可能是由于高山草甸下层土壤中砾石较多，SOCδ13C值受岩石风化物及土壤母质影响所致；干旱草原采样点SOCδ13C值随采样深度递增明显，增幅为0.25‰/10 cm(图2b)；干旱草原、半干旱草原、中山森林、山地草原和高山草甸采样点土壤剖面SOCδ13C值总的变化范围为-26.95‰～-22.10‰，验证了SOCδ13C为地表纯C3植物来源。沙质荒漠和土质荒漠采样点SOCδ13C值变化趋势与其他采样点相反，即δ13C值随采样深度递减明显，变化范围分别为-20.19‰～-22.69‰和-18.01‰～-24.16‰(图2b)，说明剖面表层土壤SOCδ13C值接近C4植物来源，而底层接近C3植物来源。

图2　研究区土壤SOC(a)和δ13C值(b)随土壤剖面深度的变化Fig.2　Variations in SOC (a) and δ13C (b) values with depth of soil profile in study area

3　讨论

在三工河流域，纯C3植物采样点土壤剖面SOCδ13C值随深度呈现明显的富集效应，即土壤剖面下层SOCδ13C值大于上层，其差值在干旱草原、半干旱草原、中山森林、山地草原和高山草甸采样点分别为2.50‰、1.27‰、0.95‰、0.22‰和0.08‰，平均值为1.01‰。Wang等[9]在新疆焉耆盆地的研究显示土壤剖面上下层土壤SOCδ13C差异为2‰，而相关研究显示，干旱半干旱区土壤剖面下层与上层土壤SOCδ13C值差异为1‰～3‰[4, 9, 17]，与研究结果一致。

与研究区纯C3植物采样点土壤SOCδ13C的富集效应相比，以C4植物(梭梭)为主的沙质荒漠和土质荒漠采样点土壤SOCδ13C值具有相反的变化趋势，即土壤剖面下层SOCδ13C值小于上层，其差值分别为2.50‰和6.15‰，平均值为4.33‰。基于以上结果，认为该采样点SOCδ13C值的变化除了受SOCδ13C富集机制的影响外，更重要的影响可能来自地上C3和C4植物的变化。沙质荒漠和土质荒漠采样点土壤剖面SOCδ13C变化范围分别为-20.19‰～-22.69‰和-18.01‰～-24.16‰，其表层SOCδ13C值接近C4植物来源，而底层接近C3植物来源，推断其地上历史植被可能经历了由C3到C4的演替过程，该推断也与研究区相关植被演替的结论一致[18-19]。研究显示，准噶尔盆地南缘干旱区历史植被演替可能存在草地生态系统被灌木生态系统所取代的过程，即C3草地演替为C4灌丛的过程，该现象已经在世界其他干旱区得到验证，如美国Chihuahuan和Mojave沙漠、非洲稀树草原等[19-20]，但在中国西部准噶尔盆地南缘还需要从不同学科进行验证。本研究将为证实这一现象的存在提供碳同位素生态学证据。

4　结论

通过分析三工河流域不同海拔梯度降雨量与土壤有机碳δ13C值的变化，发现研究区降雨量在300 mm以下的采样点土壤SOCδ13C值随降雨量的增加呈递减趋势(R2=0.97)，而降雨量在300 mm～500 mm的采样点变化不显著R2=0.04。通过研究三工河流域不同海拔梯度剖面SOCδ13C值随深度的变化，发现研究区纯C3植物采样点土壤剖面SOCδ13C值随深度呈现明显的富集效应；而沙质荒漠和土质荒漠采样点土壤剖面下层与上层SOCδ13C平均差值为4.33‰，根据其变化范围可知其表层SOCδ13C值接近C4植物来源，底层接近C3植物来源，因此推断其地上历史植被可能经历了由C3到C4的演替过程。本文阐明了我国西北干旱区典型流域不同海拔梯度土壤剖面有机碳和地上植物有机碳δ13C与降水量和C3到C4植被演替的关系，可为干旱区植被保育与区域碳循环研究提供基础案例。

参考文献：

[1]袁红朝,李春勇,简燕,等. 稳定同位素分析技术在农田生态系统土壤碳循环中的应用[J]. 同位素,2014,27(3):170-178.

Yuan Hongzhao, Li Chunyong, Jian Yan, et al. Stable isotope technique in the soil carbon cycling research of agricultural ecosystems[J]. Journal of Isotopes, 2014, 27(3): 170-178(in Chinese).

[2]Balieiro F C, Benites V M, Caiafa A N, et al. Vegetation influence on organic matter source of black soils from high altitude rocky complexes traced by13C and15N isotopic techniques[J]. Catena, 2012, 99: 97-101.

[3]禹朴家,徐海量,王炜,等. 荒漠草地植物稳定性氮同位素对水分变化的响应[J]. 干旱区研究,2012,29(2):347-351.

Yu Pujia, Xu Hailiang, Wang Wei, et al. Response ofδ15N isotope in plant to water change in desert grassland[J]. Arid Zone Research, 2012, 29(2): 347-351(in Chinese).

[4]Wang G, Feng X, Han J, et al. Paleovegetation reconstruction usingδ13C of soil organic matter[J]. Biogeosciences, 2008, 5: 1 325-1 337.

[5]Cerling T E, Solomon D K, Quade J, et al. On the isotopic composition of carbon in soil carbon dioxide[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 1991, 55(11): 3 403-3 405.

[6]于贵瑞,王绍强,陈泮勤,等. 碳同位素技术在土壤碳循环研究中的应用[J]. 地球科学进展,2005,20(5):568-577.

Yu Guirui, Wang Shaoqiang, Chen Panqin, et al. Isotope tracer approaches in soil organic carbon cycle research[J]. Adcances in Earth Science, 2005, 20(5): 568-577(in Chinese).

[7]吴志芳,刘锡明,张玉爱. 同位素应用的现状和新进展[J]. 同位素,2012,25(2):117-123.

Wu Zhifang, Liu Ximing, Zhang Yuai. Current situation and progress on isotope application[J]. Journal of Isotopes, 2012, 25(2): 117-123(in Chinese).

[8]Liu W G, Feng X H, Ning Y F, et al.δ13C variation of C3 and C4 plants across an Asian monsoon rainfall gradient in arid northwestern China[J]. Global Change Biology, 2005, 11: 1 094-1 100.

[9]Wang J P, Wang X J, Zhang J, et al. Soil organic and inorganic carbon and stable carbon isotopes in the Yanqi Basin of northwestern China[J]. European Journal of Soil Science, 2015, 66: 95-103.

[10]Feng Z D, Wang L X, Ji Y H, et al. Climatic dependency of soil organic carbon isotopic composition along the S-N Transect from 34°N to 52°N in central-east Asia[J]. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 2008, 257: 335-343.

[11]Schlesinger W, Belnap J, Marion G. On carbon sequestration in desert ecosystems[J]. Global Change Biology, 2009, 15: 1 488-1 490.

[12]许文强,陈曦,罗格平,等. 土壤碳循环研究进展及干旱区土壤碳循环研究展望[J]. 干旱区地理,2011,34 (4):614-620.

Xu Wenqiang, Chen Xi, Luo Geping, et al. Progress of research on soil carbon cycle and perspectives of soil carbon cycle in arid region[J]. Arid Land Geography, 2011, 34 (4): 614-620(in Chinese).

[13]Stevenson B A, Kelly E F, McDonald E V, et al. The stable carbon isotope composition of soil organic carbon and pedogenic carbonates along bioclimatic gradient in the Palouse region, Washington State, USA[J]. Geoderma, 2005, 124: 37-47.

[14]殷树鹏,张成君,郭方琴,等. 植物碳同位素组成的环境影响因素及在水分利用效率中的应用[J]. 同位素,2008,21(1):46-53.

Yin Shupeng, Zhang Chengjun, Guo Fangqin, et al. Effect of environmental factors on stable carbon isotopes composition of plants and application in water use efficiency[J]. Journal of Isotopes, 2008, 21(1): 46-53(in Chinese).

[15]Farquhar G D, Richards R A. Isotopic composition of plant carbon correlates with water-use efficiency of wheat genotypes[J]. Australian Journal of Plant Physiology, 1984, 11: 539-552.

[16]Read J J, Johnson D A, Asay K H, et al. Carbon isotope discrimination, gas exchange, and water-use efficiency in Crested Wheatgrass clones[J]. Crop Science, 1991, 31: 1 203-1 208.

[17]刘卫国,宁有丰,安芷生,等. 黄土高原现代土壤和古土壤有机碳同位素对植被的响应[J]. 中国科学(D辑),2002,32(10):830-836.

Liu Weiguo, Ning Youfeng, An Zhisheng, et al. Modern soil and paleosol organic carbon isotope response to vegetation of Chinese Loess Plateau[J]. Science in China (Series D), 2002, 32(10): 830-836(in Chinese).

[18]许文强,陈曦,罗格平. 干旱区绿洲-荒漠过渡带灌丛土壤属性研究[J]. 应用生态学报,2006,17(4):583-586.

Xu Wenqiang, Chen Xi, Luo Geping. Study on soil properties under shrub in the arid region of the Oasis-Desert transition belt[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2006, 17(4): 583-586(in Chinese).

[19]Schlesinger W H, Raikes J A, Hartley A E, et al. On the spatial pattern of soil nutrients in desert ecosystems[J]. Ecology, 1996, 77: 364-374.

[20]Wezel A, Rajot J L, Herbrig C. Influence of shrubs on soil characteristics and their function in Sahelian agro-ecosystems in semi-arid Niger[J]. J Arid Environ, 2000, 44: 383-398.

收稿日期：2015-11-30;修回日期：2016-04-28

基金项目：国家自然科学基金项目(41271323)；中国科学院特色研究所主要服务项目5课题2(TSS-2015-014-FW-5-2)

作者简介：许文强(1979—)， 男， 甘肃高台人，副研究员(博士)，主要从事干旱区碳循环研究

中图分类号：S153;TL99

文献标志码：A

文章编号：1000-7512(2016)03-0140-06

doi：10.7538/tws.2016.29.03.0140

Soil Organicδ13C Change Along a Vertical Gradient

in the Northern Slop of Tianshan Mountains

XU Wen-qiang1, LUO Ge-ping1, CHEN Xi1, FENG Yi-xing2, LI Chao-fan3

(1.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,

ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;

2.BureauofLandandResourcesReserveofQiannanState,Duyun558000,China;3.InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)

Abstract:Soil organic carbon (SOC) pool integrated the vegetation succession information from several years to thousands of years scales. It is an ideal tool to understand carbon isotope composition change and terrestrial ecosystem pathways. In this study, the Sangong river watershed was taken as a case. We had estimated the change of vegetation and soil organic along a vertical gradient using the carbon isotopic method, and analyzed the variations of mean SOC δ13C values with the annual precipitation, and researched the variations in SOC and δ13C values with profile depth in the study area. The results showed that the SOC δ13C decreased significantly with the increasing annual precipitation (R2=0.97) where the annual precipitation was less than 300 mm. When the annual precipitation was 300 mm～500 mm, the SOC δ13C was not significant changed with the increasing annual precipitation (R2=0.04). The enrichment effect of SOC δ13C with depth was significant in the sample site of pure C3 vegetation, that means lower layer SOC δ13C of profile was greater than the upper layer. The average difference of SOC δ13C between lower layer and upper layer was 1.01‰. The opposite trend of SOC δ13C was presented in the Desert and Shrubland sites. And that, the SOC δ13C value of upper layer closed to C4 vegetation source, and the lower layer closed to C3 vegetation source. Therefore, we can infer that the vegetation may have experienced from C3 to C4 in the sandy desert and terrene desert sites.

Key words：carbon isotope; δ13C value; C3 and C4 vegetation; enrichment effect of δ13C; Sangong river watershed