基于稳定碳同位素分析宁夏典型林分土壤有机碳分布格局及影响因素

刘丽贞，陈 林，庞丹波，吴梦瑶，刘 波，祝忠有，李学斌*

(1 宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室, 银川 750021; 2 宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地, 银川 750021)

土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)是土壤碳库的重要组成部分，在全球碳循环和气候变化中发挥着重要作用。在100 cm深度的土壤中有机碳储量约为1 500～1 600 Pg[1]，而土壤有机碳是大气二氧化碳的潜在来源，了解有机碳分布格局是预测未来土壤碳动态的关键。稳定碳同位素技术是了解陆地生态系统碳循环的主要工具之一，其中土壤稳定碳同位素丰度特征可用于描述有机碳分布[2-6]。因此，可利用稳定同位素技术研究土壤有机碳δ13C丰度的变化规律，分析有机碳动态，阐释有机碳的循环与周转特征。在稳定碳同位素研究中，将SOC含量的对数和δ13C之间的线性回归斜率定义为β，该值可作为有机碳分解速率的代表，且β值越小，有机碳分解速率越快[4, 7]。气候条件、土壤特征和植被类型的异质性会导致土壤有机碳分解速率变化，进而影响SOC分布规律。因此，研究土壤有机碳对气候条件、土壤特征和植被类型的响应规律，对于了解有机碳分布的控制因素具有重要意义，并能更准确地量化土壤有机碳的动态变化。

宁夏回族自治区是中国典型的少林省区，其森林资源多分布在贺兰山、罗山和六盘山等林区[8]。贺兰山林区位于宁夏西北部，是中国西北干旱风沙区典型的森林生态系统，可阻挡沙漠入侵、涵养水源，被称为银川平原的天然屏障[9]。罗山林区位于宁夏中部干旱带，是中国西北部温带草原和荒漠地区的交界线[10]。六盘山林区位于宁夏南部，是重要的水源涵养林地，对宁南山区的气候调节意义重大[11]。因此，研究宁夏山地森林土壤有机碳分布情况与分解速率对于了解气候变化下西北宁夏山地生态系统碳循环具有重要意义。

北半球中高纬度干旱和半干旱地区的亚高山山地生态系统通常被认为是对气候变化最敏感和脆弱的生态系统，是研究气候变化下有机碳循环的理想地区[12]。降水量变化可改变土壤有机碳分布格局、土壤肥力和植被组成。在黄土丘陵区，土壤有机碳含量随降水量的增加(368～591 mm)而显著增加[13]。降水量与β值的关系则较为复杂，有研究表明在降水量3 000 mm处发现了β值的拐点；降水量大于3 000 mm的地区，降水量与β值呈负相关；而降水量小于3 000 mm的地区，降水量与β值呈正相关[14]。此外，在夏威夷森林生态系统中，叶和根的分解率随着降水量的增加(2 020～3 000 mm)而显著下降[15]。然而，在半干旱地区，影响山地森林生态系统土壤有机碳分布的主要化学因素还不清楚。因此，本研究以宁夏山地生态系统针叶林地土壤为对象，分析不同山地类型下土壤有机碳分布格局的变化，探讨土壤化学因素对山地生态系统土壤有机碳分布的影响，对于提高干旱半干旱区域山地生态系统土壤碳汇能力及应对全球气候变化具有重要理论意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区的贺兰山、罗山和六盘山，自北向南涉及银川市贺兰县、吴忠市同心县、吴忠市红寺堡区和固原市隆德县。贺兰山海拔为2 275～2 434 m，年降水量为240～350 mm；罗山海拔为2 350～2 567 m，年降水量为400～600 mm；六盘山海拔为2 209～2 805 m，年降水量为638～676 mm。三山均位于中国西北部(37.28°～38.78°N, 106.09°～106.28°E)，它们优势种均有青海云杉(Piceacrassifolia)、油松(Pinustabuliformis)、山杨(Populusdavidiana)、杜松(Juniperusrigida)、小叶金露梅(Potentillaparvifolia)、辽东栎(Quercusliaotungensis)、白桦(Betulaplatyphylla)等，土壤类型均以灰褐土为主，且土壤pH均偏碱性。

表1 采样区基本概况

1.2 研究方法与实验设计

2019年8月进行野外采样，根据山地类型变化和土壤类型，选择贺兰山(HL)、罗山(LS)和六盘山(LP)为研究区。选择三山共有青海云杉纯林和油松纯林，每个林分随机设置3个20 m×20 m样方(表1)，利用GPS(G307，Garmin，USA)测量各点的坐标和高程。使用直径为3 cm的土钻在每个样方取3个土芯，分层(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm)采集土壤样品，并将同一土层的3个土芯样品混合作为一个混合样品。将样品带回实验室预处理，每个土壤样品均过2 mm筛，去除根和凋落物等杂质。部分筛分土样用于测定土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全盐(S)、速效磷(AP)、碱解氮(AN)和速效钾(AK)。用球磨机将土壤样品研磨至均匀，以进行SOC和δ13C的测定。

土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全盐(S)、速效磷(AP)、碱解氮(AN)和速效钾(AK)的测定参考张义凡[15]和Gao等[16]的方法。在进行稳定碳同位素分析之前，选取2 g土壤样品，用1 mol·L-1HCl溶液预处理24 h，以除去碳酸盐。再使用同位素质谱仪(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，Inc.，USA)测定稳定碳同位素(δ13C)，该仪器的测量精度为0.1‰。碳稳定同位素值(δ13C)和PDB(Pee-Dee-Belennite)进行对比，用标准δ(δ)表示。

1.3 计算和统计分析

采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)，分别比较贺兰山、罗山和六盘山相同植被类型不同土层和相同土层不同植被类型有机碳含量、有机碳δ13C的差异显著性，相同林分不同山地类型中β的差异显著性，以及相同林分不同山地类型间和相同山地类型不同林分间的土壤C/N、全氮(TN)、全磷(TP)、全盐(S)速效磷(AP)、碱解氮(AN)和速效钾(AK)的差异显著性。采用Canoco 5.0软件进行蒙特卡洛分析并绘制冗余分析图，分析三山青海云杉与油松土壤有机碳特征与土壤化学性质之间的关系。采用SPSS 22.0和Origin 2019进行统计分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同山地类型下青海云杉和油松立地土壤化学特征

土壤化学特征测定结果(表2)显示，青海云杉立地土壤C/N、全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、碱解氮(AN)和速效钾(AK)含量在山地类型间存在显著差异(P< 0.05)，油松土壤C/N、TN、TP、全盐(S)和AP含量在不同山地类型间也存在显著差异。同时，贺兰山土壤C/N、S和AP含量，罗山土壤TN和S含量，以及六盘山土壤TN、TP、S、AP和AN含量在两种典型林分间均存在显著差异。总的来说，青海云杉立地土壤C/N，以及青海云杉和油松立地土壤全盐含量均表现为贺兰山>罗山>六盘山，呈现随降水量增多逐渐减小趋势；青海云杉土壤全氮含量、青海云杉土壤碱解氮含量均表现为六盘山>罗山>贺兰山，即呈现随降水量增多逐渐增加趋势；土壤全磷、碱解氮含量均表现为青海云杉大于油松，土壤速效钾含量均表现为油松大于青海云杉。

2.2 不同山地类型下青海云杉和油松立地土壤有机碳特征

图1显示，青海云杉和油松立地0～100 cm土壤剖面有机碳含量和δ13C在不同山地类型间均存在显著性差异(P< 0.05)。其中，有机碳含量在3个山地中均随土层的加深而降低，且3个山地中均表现为青海云杉林土壤有机碳含量高于油松林；青海云杉林地有机碳含量在 0～10 cm土层表现为罗山>贺兰山>六盘山，在其余土层大多表现为贺兰山>六盘山>罗山；油松林地有机碳含量在 0～10 cm土层表现为贺兰山<六盘山<罗山，在其他层均表现为贺兰山<罗山<六盘山(图1，Ⅰ)。土壤δ13C在3个山地中均呈现随土层加深而增加的趋势，且在3个山地中均为青海云杉林低于油松林；土壤δ13C仅在油松林地0～10 cm土层表现为六盘山显著高于贺兰山、罗山，在其余林分土层山地类型间均差异不显著(图1，Ⅱ)。另外，在不同山地类型下，青海云杉土壤β值表现为罗山>六盘山>贺兰山，且其间差异不显著；油松土壤β值在表现为贺兰山>罗山>六盘山，且其间差异显著(图2)。在三山0～100 cm剖面内每层土壤有机碳含量均表现为青海云杉高于油松，而土壤δ13C均表现为青海云杉低于油松。

表2 不同山地类型典型林分土壤化学指标(平均值±标准差)

不同大写字母表示相同林分内不同土层的显著差异(P<0.05)图1 不同山地类型青海云杉(Pc)和油松(Pt)林地土壤SOC和δ13C值变化特征Different capital letters indicate the significant differences among different soil layers in the same stand (P < 0.05)Fig.1 Changes of SOC and δ13C value in forest land of Picea crassifolia(Pc) and Pinus tabuliformis(Pt) from different mountains

2.3 林地土壤化学特征与其有机碳含量的关系

宁夏贺兰山、罗山和六盘山青海云杉、油松土壤有机碳特征(土壤有机碳含量、δ13C和β值)与土壤化学指标之间的冗余分析结果如图3所示。在青海云杉林地中，7个土壤化学指标在第一、二轴的解释量分别为42.03%、4.75%，由此表明前两轴能够反映土壤有机碳特征与土壤化学指标关系的大部分信息，且主要由第一轴决定。其中，S、AN和AP的箭头连线最长，表明这三者能够较好地解释土壤有机碳特征的差异；AK、AN、AP、TN和TP含量与有机碳含量的夹角小且方向一致，呈显著正相关关系，而S含量与有机碳含量呈显著负相关关系。同时，S含量与δ13C夹角小且方向一致，呈显著正相关关系；C/N与β夹角小且方向一致，呈显著正相关关系，AK、AN、AP、TN和TP含量与δ13C和β呈负相关关系。

方框显示数据的上下四分位数图2 不同山地类型青海云杉(Pc)与油松(Pt) 土壤β值变化特征The boxes show the upper and lower quartiles of the dataFig.2 Changes of β value of Picea crassifolia (Pc) and Pinus tabuliformis(Pt) from different mountains

在油松林地中，7个土壤化学指标在第一、二轴的解释量分别为49.12%、4.41%，由此表明前两轴能够反映土壤有机碳特征与土壤化学指标关系的大部分信息，且主要由第一轴决定。其中，AN、AP和TP含量与有机碳含量的夹角小且方向一致，呈显著正相关关系，S含量和有机碳含量呈显著负相关关系；S含量与δ13C夹角小且方向一致，呈显著正相关关系；S含量和C/N与β夹角小且方向一致，呈显著正相关关系，而AN、AP、TN和TP含量与δ13C和β呈负相关关系。

通过对土壤化学指标进行蒙特卡洛检验排序，研究土壤化学指标对土壤有机碳特征影响的重要程度。表3显示，青海云杉林各土壤指标对其土壤有机碳特征影响重要性由大到小为AN>S>C/N>AP>>TNAK>TP，其中AN对土壤有机碳特征的影响达到极显著水平(P< 0.01)，S对土壤有机碳特征的影响达到显著水平(P< 0.05)，两者对土壤有机碳特征差异性大小的解释量分别达到35.1%和5.2%。油松林各土壤指标对土壤有机碳特征影响重要性由大到小为AN>TN>C/N>AK>AP>TP>S，其中AN对土壤有机碳特征的影响也达到极显著水平(P< 0.01)，TN对土壤有机碳特征的影响达到显著水平(P< 0.05)，两者对土壤有机碳特征差异性大小的解释量分别达到36.6%和5.0%。

SOC.有机碳含量；δ. 稳定碳同位素组成(δ13C)图3 青海云杉(Pc)与油松(Pt)土壤有机碳特征与土壤化学性质的冗余分析图SOC. Soil organic carbon content；δ. Stable carbon isotope composition(δ13C)Fig.3 Redundancy analysis of soil carbon and soil properties of Picea crassifolia (Pc)and Pinus tabuliformis(Pt)

表3 土壤特征解释的重要性排序和显著性检验

3 讨 论

本研究中宁夏贺兰山、罗山和六盘山青海云杉、油松土壤有机碳含量均随土层的加深显著减小，分析其原因可能是因为：一方面大多数SOC输入发生在土壤表层[2]，同时集中在土壤0～20 cm的细根可储存大量有机碳[17-18];另一方面随土层加深微生物的数量和活动减少，有机质分解作用减少导致产生的有机碳减少，从而使得表层土壤有机碳含量高于深层土壤[19]。本研究区土壤δ13C随土层加深逐渐偏正，与前人对土壤δ13C垂直变化研究结果相似[2, 4, 17]。δ13C随土壤深度变化可能与Suess效应有关[4]，还可能与C的化学键有关，在酶催化反应中12C的化学键较13C化学键更易断裂分解，难分解的13C随土壤深度逐渐累积导致δ13C值在深层土壤中升高[20]。

降水可能通过多种机制影响土壤有机碳的分解作用，例如，通过影响微生物活动、养分的可用性、细根和凋落物的C输入等[4, 14]。有研究发现，随降水量的增加，植被凋落物和根系的分解率显著下降[14]，而植被凋落物和根系是土壤碳的主要来源，土壤碳输入减少，δ13C值较小。本研究中贺兰山、罗山和六盘山年均降水量呈现逐渐增大的趋势，结果表明随着降水量的增加，0～100 cm深度土壤13C含量显著减小，这与Amundson等[21]在墨西哥加利福尼亚的研究结果一致。本研究区土壤 δ13C平均值是-24.91‰，相比年均降水量1 050 mm的美国肯塔基州(-25.88‰)和年均降水量为1 220 mm的阿巴拉契亚山脉(-27.08‰)温带森林的结果偏正[7, 22]。较高降水量导致酶活性减弱，土壤有机碳分解速率缓慢，而SOC含量较高[17, 23]。相关研究表明，β值越小表示土壤有机碳的分解速率越快[7]。本研究中，随着贺兰山、罗山和六盘山年均降水量的增加，SOC含量显著增加而β显著减小，该结果与成熟山毛榉林土壤有机碳的变化规律一致[24]。本研究中青海云杉林地的年均降水量和海拔均高于油松林，青海云杉林土壤有机碳分解速率受高湿、低温的影响，微生物活力减弱，有机质的消耗减少，分解速率较油松林土壤慢。本研究发现青海云杉林土壤有机碳含量较油松林高，土壤δ13C低于油松林。因此，我们认为青海云杉的固碳潜力优于油松林。

降水和植被类型对土壤有机碳特征的影响普遍存在[23]，而土壤化学特征决定土壤有机碳分布的空间差异[4]。有研究发现有机碳含量与全盐含量负相关[17]，是因为较高的盐分可以在一定程度上增加微生物的分解并降低SOC含量[17, 25]。本研究中，土壤盐分含量与土壤有机碳含量呈负相关关系，与δ13C呈正相关关系，这可能归因于高盐分增加微生物分解速率造成土壤有机碳消耗，而微生物会优先利用12C[20]，导致土壤13C比例增加。相反，土壤盐分含量与β呈正相关关系，分析其原因可能是受土壤性质综合影响[25]。研究表明氮磷元素加剧微生物分解，加速对有机碳的利用，这可能是由于微生物分解受到底物质量的限制[26]，土壤养分高，微生物的分解速度较快[16]。本研究中土壤全氮和全磷与δ13C、β均呈负相关关系，与前人研究结果相似[14]。本研究结果表明速效磷和速效钾与有机碳含量呈正相关关系，与δ13C、β呈负相关关系。其原因可能是土壤速效养分含量高，土壤肥力高，导致基质质量增加，微生物分解速率加快。碱解氮来源于土壤有机质中易碱解的氮素，通过微生物分解作用影响有机碳的累积与消耗[27]。本研究中，碱解氮对土壤有机碳特征的影响达到极显著水平(P< 0.01)，对土壤有机碳特征差异性大小的解释量达到34.7%。碱解氮与有机碳含量呈显著正相关关系，与之前研究结果相似[28-29]。土壤C/N是土壤基质质量的一个指标，可通过影响土壤微生物分解活动，进而影响土壤有机碳分布情况[30]。Zhao等[4]与Acton等[20]的研究均发现高C/N土壤的碳分解速率较低，土壤有机碳δ13C值较小。本研究中C/N与有机碳含量和δ13C相关性均不显著，而全氮与表征土壤氮素供应情况的碱解氮均与有机碳含量呈正相关关系，可能由于干旱半干旱区土壤贫瘠且受较大的水分限制，养分元素如氮素的固持能力受到干扰，最终导致元素之间的耦合失衡。

4 结 论

宁夏贺兰山、罗山和六盘山森林土壤有机碳含量和δ13C随土层深度均发生了显著变化，SOC含量随土层深度的增加而下降，而δ13C随土层深度的增加而增加。三山中两种针叶林SOC含量和β值均表现为青海云杉高于油松，δ13C表现青海云杉低于油松。随降水量增加，青海云杉和油松林地SOC含量均逐渐增加，而其δ13C逐渐减少。总体而言，青海云杉比油松更有利于土壤有机碳的累积；不同山地类型下青海云杉与油松土壤有机碳含量变化均主要受碱解氮的影响。β值可指征有机碳分解速率，但β值仅能定性地说明生态系统土壤有机碳分解动态快慢，并不能量化有机碳分解速率大小。因此，应谨慎使用β值作为土壤有机碳分解指标，未来应结合13C示踪技术来深入理解土壤有机碳的分解转化机制。