太行山区不同海拔梯度土壤有机碳库及组分变化特征

加鹏华,李春雨,尹海魁,2,许皞,3

(1 河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000； 2 河北工程大学 地球科学与工程学院，河北 邯郸 056038；3 河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

土壤有机碳库作为地球陆地生态系统中最大且活跃的碳库之一，对土壤肥力的作用处于核心地位、对农业的可持续发展起基础作用，同时在碳循环中发挥着不可替代的作用[1]。它的形成主要取决于植物向土壤中碳的输入，输入源主要有植物地上凋落物、根系脱落物和根系分泌物等[2]。土壤有机碳库的变化主要是其中的土壤活性有机碳库发生变化而引起的[3]，土壤活性有机碳是指土壤有机碳(TOC)的活性部分，具有周转速率快、稳定性差、有效性较高等特点[4]，是土壤圈中一种十分活跃的重要化学物质，虽然只占TOC的较小部分，但它们可以在TOC变化之前反映土壤微小的变化，从而影响土壤的固碳能力，进而影响全球气候的变化[5-6]。对于调节土壤营养元素的生物地球化学过程、土壤微生物活动以及其他土壤化学、物理和生物学等过程具有重要意义[7-8]。近些年来，土壤活性有机碳组分研究已成为土壤、环境和生态科学领域所关注的焦点和研究的热点之一。国内外学者对土壤活性有机碳开展的大量研究，主要集中在不同土地利用方式、不同植被类型，不同海拔、生态修复等方面对土壤有机碳库的影响，通常土壤活性有机碳的表征包括微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROC)、可溶性有机碳(DOC)[9-14]。

山地占到地球整个陆地的30%，山地构建的生态系统是陆地生态系统重要的组成部分，山地土壤有机碳库的差异主要体现在随海拔梯度引起的温度、水分、植被类型、土壤类型等要素的显著改变[15]。海拔梯度是一个复杂的环境因子，不同的海拔梯度，它的微气候表现出不同的状态，从而在不同程度上影响到植被的组成类型、土壤的性质变化、土壤微生物的构成以及土壤有机碳分解，它们都可能显著影响土壤碳库的动态变化[16-19]。国内外学者对海拔梯度下山地自然土壤有机碳的研究主要集中在有机碳随海拔的变化特征以及影响因素上。所采用方法不同，研究结果差异也较大。土壤有机碳含量随海拔梯度的变化都有显著的变化，但不同研究区域变化规律不一。如周焱针对武夷山不同海拔碳库变化研究，发现土壤有机碳库随海拔梯度呈上升趋势[8]，而Kobler等对位于阿尔卑斯山北部的研究结果却相反[20]。宋立倩针对青藏高原不同海拔有机碳含量进行研究，发现土壤有机碳含量随海拔梯度上升表现出先上升后下降的趋势[21]。朱凌宇针对祁连山不同海拔有机碳库研究与宋立倩保持一致，祁连山土壤总有机碳库在海拔高度上表现为中高海拔>高海拔>中低海拔，随着海拔梯度呈“增加-减少-增加-减少”的变化趋势[22]。不同学者研究土壤有机碳库随海拔变化的主导因子也有所不同。如吴雅琼认为温度和水分是调控其在海拔高度上变化的主导因子[23]。张鹏针对祁连山土壤碳库研究，发现引起土壤有机碳在不同海拔下有显著变化的主导因子是气候、植被和利用方式[24]。孙慧兰针对伊犁山不同海拔土壤有机碳分布研究，发现引起土壤有机碳垂直变化显著的主导因子是植被类型分布和人类活动[25]。

太行山脉位于黄土高原与华北平原之间，绵延400余公里。是中国东部一条重要的地理界线，植被、土壤垂直带特征都存在着明显差异。从低海拔到高海拔有多种土壤类型，分布多种植被。因此，本研究以太行山区阜平县大沙河-北流河流域为研究区，海拔梯度在219～2 000 m之间，以6个海拔梯度下常见典型植被类型的土壤为研究对象，分析了在不同海拔下0～40 cm剖面土壤有机碳及碳组分的变化特征，以期揭示在太行山区不同海拔梯度下土壤活性有机碳的变化规律，提高不同海拔下土壤碳库循环机制以及阜平生态环境响应的评价准确度，为阜平县在保护生态环境的前提下建立合理土地利用管理、退耕还林等政策以及太行山区植被恢复与碳库保护提供科学依据。同时对于认识山地生态系统碳汇功能，为整个华北地区山区生态环境的保护，以及作为碳源或碳汇的潜在能力作理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样品采集

研究区位于河北省太行山阜平县主条带大沙河-北流河流域。此流域贯穿阜平东西，海拔落差在190～2 286 m之间，保定市最高峰坐落于阜平县西边，与山西毗邻。气候为大陆性季风气候，暖温带半湿润地区，冬季寒冷、干燥、少雪，春季多干热风，夏季高温、高湿、降水集中，秋季秋高气爽。年均气温为12.6 ℃。年均降水量为550～790 mm；无霜期140～190 d，地方小气候特征明显。研究区植被分布受到水热状况影响，垂直梯度变化明显，从下到上依次为丘陵灌草丛区、中低山疏林灌丛区、中山阔叶林区、针阔混交林区、亚高山针叶林区、亚高山草甸区。综合考虑不同土壤类型、植被类型和海拔，最终在海拔梯度上选择6个梯度，20个采样点，由于土壤类型不同导致有效土层厚度不同，综合选择0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层，每层取3个环刀土用于土壤容重测定，另外进行土样采集，将相同层次多点取样土壤充分混合，除去植物根系、动植物残体及大的石块，采用四分法分保留土样1 kg左右装入样品袋并进行编号，低温保鲜运回实验室，将土样风干处理后进行研磨、过筛和测定。

1.2 测定方法

土壤有机碳(TOC)采用重铬酸钾-外加热法外加热法测定；土壤易氧化有机碳(ROC)采用KMnO4氧化比色法测定[26]；土壤可溶性有机碳(DOC)采用振荡浸提，所有上清液经过滤。将0.45 μm滤膜进行过滤分析，过滤液用LiquicTOCII有机碳分析仪测定[27]；土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[28]。

1.3 数据处理

土壤碳库管理指数(CMI)参照Blair[26]等提出的方法计算得出，以250 m海拔下的土壤为参考土壤，非活性有机碳含量通过(TOC-ROC)得出。

碳库活度(L)=活性有机碳含量(LOC)/非活性有机碳含量(NLOC)

碳库活度指数(LI)=碳库活度(L)/参考土壤碳库活度(L参)

碳库指数(CPI)=土壤有机碳(TOC)/参考土壤有机碳(TOC参)

土壤碳库管理指数(CMI)=碳库指数(CPI)×碳库活度指数(LI)×100

土壤各层的碳储量计算公式[29]为

式中:SOCs为特定深度的土壤有机碳储量 (t/hm)；Ci为第i层土的有机碳含量 (g/kg)；ρi为第i层土壤容重 (g/cm3)；Ti为第i层土壤厚度 (cm)；θi为第i层>2 mm 砾石含量 (体积%)；n为参与计算的土壤层次总数。研究区中大于2 mm砾石含量极少，故忽略不计。

采用SPSS 22.0软件进行数据的统计分析，方差分析运用ANOVA。在Excel 2010软件中完成数据整理和制图，显著性水平α=0.05。所有数据均为5次重复的平均值，结果为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 不同海拔高度下土壤有机碳含量分布特征

不同海拔高度土壤有机碳的测定结果如图1所示。

注：不同小写字母表示同一土层深度不同植被类型间差异显著(P<0.05)，( )中不同小写字母表示同一植被类型不同土层深度间差异显著(P<0.05)，下同。图1 各海拔下不同土层土壤TOC的分布特征Figure 1 Distribution characteristics of soil TOC in different soil layers at different altitudes

由于研究区海拔跨度大，太行山区阜平县不同海拔梯度下土壤有机碳分布具有明显的规律性，从图1可以看出，不同海拔高度植被土壤中，土壤各土层有机碳含量大小均为2 000 m>1 800 m>1 400 m>1 000 m>700 m>250 m(P<0.05)，且有机碳含量差异显著；在同一海拔不同土层中，均为0～10 cm>10～20 cm>20～40 cm(P<0.05)，除在700 m海拔土壤10～20 cm与20～40 cm有机碳含量差异不显著之外，其余差异均显著。2 000 m海拔0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层的土壤总有机碳含量依次为51.74 g/kg、38.35 g/kg、23.68 g/kg，分别为1 800 m海拔对应土层的2.12、1.86、1.38倍，1 400 m海拔的2.86、2.83、2.34倍，1 000 m海拔的4.44、5.12、4.70倍，700 m海拔的5.13、7.04、5.55倍和250 m海拔的7.77、8.48、6.10倍。

2.2 不同海拔高度下土壤微生物量碳分布特征

不同海拔高度土壤微生物量碳的测定结果如图2所示。

图2 各海拔不同土层MBC的含量Figure 2 The content of MBC in different soil layers at different altitudes

从图2可以看出，土壤微生物生物量碳与总有机碳的趋势相同，均呈现随海拔高度的上升而增加的趋势，2 000 m>1 800 m>1 400 m>1 000 m>700 m>250 m，250 m海拔和700 m海拔不同土层对比，差异均不显著。250 m、700 m和1 000 m海拔下的20～40 cm土层相互间差异同样不显著，其余土壤MBC的含量在不同海拔高度不同土层间有显著差异(P<0.05)；在同一海拔下，土壤MBC含量随着土层深度的增加而减小，差异显著(P<0.05)； 2 000 m海拔0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm 土层的MBC分别为 661.74 mg/kg、460.51 mg/kg和119.07 mg/kg，为1 800 m海拔对应土层的1.93、1.76、0.88倍，1 400 m的2.55、4.24、1.91倍，1 000 m海拔的3.29、5.93、3.20倍，700 m海拔的4.24、8.69、3.14倍和250 m海拔下的5.16、7.82、3.03倍。

2.3 不同海拔高度下土壤易氧化有机碳含量分布特征

不同海拔高度土壤易氧化有机碳的测定结果如图3所示。

图3 各海拔不同土层ROC的含量Figure 3 The content of ROC in different soil layers at different altitudes

土壤ROC含量均呈现随海拔高度的上升而增加的趋势，2 000 m>1 800 m>1 400 m>1 000 m>700 m>250 m，在0～20 cm土层，除250 m和700 m 海拔下土壤ROC含量差异不显著外，土壤ROC的含量在其余海拔高度下有显著差异(P<0.05)，在20～40 cm土层间，2 000 m与1 800 m间、1 000 m与1 400 m海拔间、700 m与250 m海拔间差异显著(P<0.05)；在同一海拔下，ROC含量随着土层深度的增加而减小，差异显著(P<0.05)；2 000 m 海拔0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层的ROC为6.6 g/kg、2.39 g/kg和1.08 g/kg，分别为1 800 m海拔对应土层2.32、1.22、1.03倍，1 400 m海拔的3.41、2.33、2.54倍，1 000 m海拔的5.00、4.17、3.41倍，700 m海拔的11.42、10.03、8.16倍和250 m海拔的13.04、11.42、11.03倍。

2.4 不同海拔高度下土壤可溶性有机碳含量分布特征

不同海拔高度土壤可溶性有机碳的测定结果如图4所示。

图4 各海拔不同土层可溶性有机碳的含量Figure 4 The content of DOC in different soil layes at different altitudes

土壤可溶性有机碳含量均呈现随海拔高度的上升而增加的趋势，2 000 m>1 800 m>1 400 m>1 000 m>700 m>250 m，除在10～20 cm土层，700 m和1 000 m海拔下DOC含量差异不显著外，土壤DOC的含量在其余海拔高度均有显著差异(P<0.05)，且在同一海拔下，DOC含量随着土层深度的增加而减小，差异显著(P<0.05)；2 000 m海拔下0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层的DOC为79.16 mg/kg、67.46 mg/kg和46.90 mg/kg，分别为1 800 m海拔对应土层1.37、1.30、1.21倍，1 400 m海拔的1.71、3.35、3.31倍，1 000 m海拔的2.15、4.05、4.01倍，700 m的3.17、4.19、4.93倍和250 m海拔的5.53、8.13、9.16倍。

2.5 不同海拔高度土壤活性有机碳占总有机碳的比率

在不同海拔高度下，土壤活性有机碳组分占总有机碳的比率见表1。

表1 土壤活性有机碳占总有机碳比率Table 1 The percentages of LOC to TOC %

活性有机碳占土壤总有机碳比率较活性有机碳含量更能体现土壤活性有机碳库的状况，土壤有机碳中活性有机碳所占比例越高，说明土壤有机碳的活性越强，稳定性越差。从表2中可以看出土壤的MBC/TOC值变化区间在0.23%～1.38%之间。在同一海拔不同土层下，10～20 cm土层MBC/TOC值均高于其他土层，除250 m海拔土壤10～20 cm与20～40 cm土层比值差异不显著之外，其余MBC/TOC值均有显著性差异(P<0.05)。在同一土层间不同海拔下，MBC/TOC值变化并没有明显的规律，250 m海拔土壤MBC/TOC值均大于其余海拔植被类型；ROC/TOC值变化在2.52～13.90%之间。在同一海拔下，除1 800 m海拔土壤在不同土层之间ROC/TOC值差异不显著，其余海拔下不同土层差异均显著，且均为0～10 cm>10～20 cm>20～40 cm土层。在同一土层不同海拔下，ROC/TOC值没有明显的变化规律，在0～10 cm土层间，2 000 m海拔土壤ROC/TOC值最高，为13.90%，在10～20 cm土层间，1 800 m 海拔ROC/TOC值最高，为9.50%，在20～40 cm土层间，1 000 m海拔ROC/TOC值最高，为6.24%；DOC/TOC值变化区间在0.14～0.32 %之间，在同一海拔下，均为0～10cm土层DOC/TOC值最大，除2 000 m海拔土壤不同土层间DOC/TOC值有显著性差异(P<0.05)，其余海拔0～10 cm与20～40 cmDOC/TOC值有显著性差异(P<0.05)，但均与10～20 cmDOC/TOC值差异不显著。

2.6 不同海拔下土壤有机碳储量及碳库质量变化特征

在不同海拔高度下土壤有机碳储量及碳库质量各指标见表2。

表2 不同海拔下土壤有机碳储量及碳库质量的变化Table 2 Changes of soil organic carbon storage and carbon pool quality at different altitudes

由表2可得，土壤SOCs、CMI、CPI整体变化趋势保持一致，均呈现随海拔高度的上升而增加的趋势，2 000 mSOCs、CMI、CPI值均为最高，分别为207.07、1 287.22、7.55。除CMI值在250 m和700 m海拔下变化差异不显著外，其余SOCs、CMI、CPI值变化在不同海拔下差异均显著(P<0.05)；L值变化无明显的变化规律，1 800 m 海拔下L值表现最高，为10.04%，且除与2 000 m 海拔L值差异不显著外，与250 m、700 m、1 000 m、1 400 m 海拔L值差异均显著(P<0.05)。250 m海拔下L值最低，为4.67 %，与700 m海拔L值差异不显著，与其余L值差异均显著(P<0.05)；LI值整体表现随海拔升高而升高的趋势，但1 800 mLI值最高，为1.86，与2 000 mLI值差异不显著，1 400 m和1 000 m、700 m和250 mLI值差异不显著，但250 m、700 m与1 000 m、1 400 m与1 800 m、2 000 m海拔下土壤LI值差异均显著(P<0.05)。

3 结论与讨论

本研究中，土壤有机碳含量随着海拔高度的升高而递增。具体表现为2 000 m>1 800 m>1 400 m>1 000 m>700 m>250 m。研究区内不同的海拔下，植被分布有明显的垂直差异，不同植被类型下枯落物的数量、组成及其分解行为等均有不同。土壤有机碳输入的最主要来源是植被及枯落物，因而植被类型是除了气候条件外影响土壤有机碳的重要影响因素[6,30-31]。其中研究区内亚高山草甸植被土壤有机碳含量最高，这可能是因为山地草甸主要由草本植物组成，生长旺盛，且草本植物的根系生命周期短，微生物活动强，每年死亡的根系都会给土壤提供大量的有机质，而且在高海拔地区，相对的低温条件和较高的降雨量(最高海拔年降雨量比最低海拔高约240 mm)同时有利于有机质的累积[8,32]。低海拔荒草地植被土壤的有机碳含量及各活性有机碳含量最低，这可能是因为低海拔区域位于河流冲积地带，且成土母岩以花岗岩为主，化学分化作用强，地表上植被及枯落物稀少，植被覆盖度低，同时有相对最高的温度和适宜的降雨量也加速了有机质的分解。700 m、1 000 m、1 400 m和1 800 m海拔下土壤有机碳含量介于2者之间，同一海拔梯度内随着土层的加深，有机碳含量显著降低，这一明显的“表聚”现象与很多已有研究一致[6,8,11,24,30-31]。这可能是因为一方面植被凋落物主要集中在表层，且表层土壤的温度、湿度、土壤质地等环境因子更有利枯落物腐殖化过程的进行，使得表层有机碳不断累积，而下层土壤质地变得紧实，不利于微生物的生存，使得表层土壤有机质等物质向下输送受到限制，从而导致下层受地表凋落物影响小，所以表层TOC含量更高[11,33]。

本研究中不同海拔高度土壤各活性有机碳含量均随着海拔的升高而递增，且同一海拔梯度随着土层的加深，含量显著减少，与TOC随海拔变化和土层的趋势保持一致，这与许多学者研究的结果一致[6,8,34]，这主要是因为土壤活性有机碳含量的大小在很大程度上取决于土壤总有机碳含量[35]。MBC是土壤生态系统中衡量土壤生物肥力的关键因子，土壤有机碳是土壤微生物生长代谢的底物，微生物的数量会因植被类型和土壤养分的不同而有所差异，其中土壤pH作为影响MBC含量的重要因子之一,pH对微生物的活性、有机质的分解起重要作用，影响土壤养分元素的释放，固定和迁移等，整体来说，大多数土壤养分元素pH在6.5附近时，有效性比较高，本研究得出，在高海拔区域，pH呈现弱酸性(6.65～6.71)，有利于微生物的分解转化，进而增加土壤MBC的含量[36]；ROC是土壤TOC中易氧化、易分解的活性有机碳组分，能够敏感地反映土壤有机碳库的动态变化，它主要是受植被凋落物、根系分泌物分布的影响[37]，本研究发现表层ROC含量要显著高于深土层，与多位学者[6,37]研究一致，这主要因为随着土层深度的增加，凋落物、根系等外源很难输入到深土层，且微生物活跃性降低。DOC的含量变化与TOC、ROC、MBC。整体保持一致，且DOC有明显的“表聚”现象。这可能是因为DOC具有一定溶解性、并与TOC、ROC、MBC均受植物和微生物影响强烈，而且DOC存在的多少与土壤中的氧化物和黏土矿物对之的吸附作用有很强的相关性。本研究中，2 000 m海拔DOC含量明显高于其他植被类型，2 000 m植被多为一年生植物，生命周期短，凋落物注入到土壤中的周期短。表明各活性有机碳组分与总有机碳有很强烈的相关性，与前人的研究吻合[6,8,10,12,34,37]。

本研究中，各活性有机碳所占比例明显不同，造成这种现象主要是因为不同方法测得的各活性有机碳的绝对大小在机制上是不同的，土壤各活性有机碳占TOC的比率大小依次为ROC>MBC>DOC，ROC所占TOC比例较高，这与许多研究者保持一致[8,38]。这可能是ROC不仅仅包含生物学上的活性有机碳库，而MBC和DOC没有包含土壤里的所有活性有机碳库，仅占其中的一小部分。在同一海拔梯度内ROC/TOC随着土层加深逐渐降低，这与张仕吉研究一致[37]，而MBC/TOC、DOC/TOC并没有表现出明显的规律，这可能是因为研究区内土层有效厚度较浅，随着土层加深，土壤质地越来越紧实，阻碍了枯落物向下迁移，土壤ROC含量变化比TOC变化更为剧烈。

土壤碳库管理指数可以系统的反映土壤有机碳的变化，它受土壤碳库指数与碳库活度指数的共同影响，耿其明通过对唐县坡改梯不同土地利用方式研究得出，不同年限以及不同利用方式均影响着整个土壤剖面下CMI、CPI、LI的变化[10]。本研究中，CMI随着海拔不断升高保持而递增，CMI值越大，表明土壤肥力越高，更适合植被生长。有机碳储量的分布规律与TOC保持一致，随海拔增长不断而递增的趋势。表明，亚高山2 000 m更适合TOC的储存。

综上所述，太行山内219～2 000 m海拔区间内不同海拔下土壤TOC、MBC、ROC、DOC、CMI、CPI、LI均表现出随着海拔不断递增的趋势，在不同土层内，均表现出随土层加深明显下降的规律。0～40 cm土层内，TOC、ROC、MBC和DOC的平均含量在5.02～37.93 g/kg、0.27～3.55 g/kg、9.24～64.51 mg/kg和75.46～413.78 mg/kg，均为亚高山草甸最高，荒草地最低；MBC/TOC、DOC/TOC没有表现出明显的规律，ROC/TOC随着土层加深逐渐降低，其中2 000 m 海拔下0～10 cmROC/TOC比值最高。表明亚高山草甸养分循环速率快，有利于有机碳的积累。在今后的太行山区，高海拔区域的植被应该进一步加强对它们的保护，稳定碳库，低海拔区域应该进行人工植树、退耕还林等措施来固碳。