祁连山大野口流域典型灌丛土壤有机碳含量分布特征

赵晶忠，马 剑，高 媛，敬文茂，赵维俊，武秀荣，马雪娥，王荣新，贺永岩

（1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；2.甘肃省祁连山森林生态系统野外科学观测研究站，甘肃 张掖 734000；3.甘肃祁连山森林生态监测与评估国际科技合作基地，甘肃 张掖 734000；4.甘肃祁连山森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃 张掖 734000；5.甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心，甘肃 张掖 734000）

土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）在全球气候变化中发挥着重要作用[1]，不仅可以为植物的生长提供各种营养物质，还可以保持良好的土壤物理结构[2]，而土壤有机碳储量在陆地生态系统中占有主导地位，其值的高低将会改变大气中CO2浓度的大小，从而直接影响土壤质量、产量、生态环境和气候变化[3-5]。全球气候和生态环境变化已成为人们关注的重点和热点，同时土壤有机碳的分布也成为全球碳循环研究的热点[6-7]。

灌丛群落是陆地生态系统中重要的生态类型，占我国陆地面积的20%[8]，具有种类多、生命力强、适应性广等特点，在群落演替、区域生态环境保护和替代能源等方面发挥着极其重要的作用，其碳汇约占我国陆地生态系统碳汇的30%，仅次于森林碳汇[9]。此外，灌木群落在中国西北干旱地区的水源保护中发挥着重要作用[10-12]。截至目前，已有许多的专家和学者对祁连山灌丛群落进行了研究，如灌丛群落生态水文功能[13]、典型灌丛生物量分配[14]、土壤物理性质[15-16]和土壤微生物[17]等方面，而对于土壤有机碳的研究，朱猛等[18]研究了不同海拔草地土壤有机碳受不同环境因子影响下的分布特征，弓文艳等[19]研究了辽东大伙房水库不同林分下0～40 cm 土壤剖面上土壤有机碳、全氮和有机碳储量的分布，赵维俊等[20]探讨了青海云杉Picea crassifolia林土壤有机碳含量及其与土壤pH 值、全氮等影响因子之间的关系，曾立雄等[21]探讨了青海云杉林的生物量和土壤有机碳含量随不同海拔梯度而发生的变化特征，徐耀文等[22]在珠海淇澳岛研究了不同林龄群落区0～30 cm 深度土壤有机碳含量。在中国西北干旱陆地生态系统中，由于受气候环境影响，土地退化严重导致碳损失加快，而灌丛在碳储量和碳交换研究中占有重要地位[23]，开展以祁连山大野口流域内5 种典型灌丛土壤有机碳为研究对象，分析5 种典型灌丛0～60 cm 土壤有机碳含量分布特征及其影响因素，将有助于揭示祁连山大野口流域不同典型灌丛土壤剖面有机碳垂直分布格局及土壤理化特性对土壤有机碳变化的影响，为改善该地生态系统碳汇管理提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于祁连山北麓中段西水林区大野口流域（100°15'E，38°31'N），总面积73.32 km2，海拔2 590～4 645 m[24]，年均气温-0.6～2.0℃，年降水量433.6 mm，蒸发量1 081.7 mm，年均相对湿度60%[25]。该流域内乔木以青海云杉为主要建群种，呈斑块状或条状分布在阴坡和半阴坡，灌木主要有分布在低海拔的干性灌丛甘青锦鸡儿Caragana tangutica、鲜黄小檗Berberis diaphana和金露梅Potentilla fruticosa，以及分布在高海拔的湿性灌丛吉拉柳Salix gilashanica和鬼箭锦鸡儿Caragana jubata，草本主要有针茅Stipa、珠芽蓼Polygonum viviparum和披针叶苔草Cavex lanceolate等，土壤主要包括亚高山灌丛草甸土、山地森林灰褐土、山地栗钙土等[26]。

1.2 样品采集及分析

2020年8月12—25日，在祁连山大野口流域海拔2 600～3 300 m 区域内，选取5 种立地条件相对一致的典型灌丛15 个样地为研究对象，样地面积为5 m×5 m，并对样地基本信息和群落学进行调查，样地基本情况见表1，在样地内挖取一个深度60 cm、大小为1 m×1 m的矩形剖面，按照0～10、10～20、20～30、30～40 和40～60 cm分层取样，每层3 个重复。用200 cm3环刀取土，用于测定土壤含水量、容重、总孔隙度，同时，对同一灌丛采集的相同土层土壤进行残根、石块剔除后混合，用塑料袋密封带回实验室，等待土壤样品风干后，过2 mm 土壤筛，用于测定土壤有机碳含量、pH 值。采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量，并采用灰色关联法对5 种典型灌丛土壤理化指标与土壤有机碳含量进行关联度分析及排序[28]。

表1 样地基本情况Table 1 The general characteristics of sample plots

将5 种典型灌丛0～10、10～20、20～30、30～40 和40～60 cm 土层中土壤有机碳含量列为参考序列X0，将五种典型灌丛的土壤理化性质列为比较序列Xi，进行关联度分析，并在分析之前将数据进行均值化处理。计算公式如下：

式（1）～（2）中：av(x0)为参考序列X0的平均值，av(xi)为比较序列Xi的平均值。

关联系数计算如下：

式（3）中：ρ为分辨系数，一般ρ的取值区间为(0,1)，取ρ=0.5，Δi(k)为X0与Xi的绝对差值。

求关联度ri：

数据统计分析与绘图采用Excel 2016 和SPSS 19.0 软件完成。

2 研究结果

2.1 土壤有机碳含量及分布特征

对祁连山大野口流域5 种典型灌丛的土壤有机碳特征进行了统计（表2）。0～60 cm 土壤有机碳含量在9.17～81.56 g·kg-1之间变化。有机碳平均含量由大到小表现为吉拉柳（74.93 g·kg-1）＞金露梅（62.05 g·kg-1）＞鬼箭锦鸡儿（41.02 g·kg-1）＞鲜黄小檗（34.71 g·kg-1）＞甘青锦鸡儿（13.74 g·kg-1），其中吉拉柳灌丛约为甘青锦鸡儿灌丛的5.45 倍。这可能因为吉拉柳灌丛主要分布于较高海拔，较其他几种灌丛的土质更疏松、林木根系更发达，郁闭度较大，枯落物更容易分解。5 种典型灌丛土壤有机碳含量空间变异系数由大到小表现为：金露梅（24.74%）＞甘青锦鸡儿（20.74%）＞鲜黄小檗（17.72%）＞鬼箭锦鸡儿（10.95%）＞吉拉柳（2.88%），金露梅灌丛土壤有机碳平均含量的变异程度更加剧烈。

表2 不同灌丛土壤有机碳数量特征Table 2 Quantitative characteristics of soil organic carbon in different shrubs

5 种典型灌丛土壤有机碳含量分布存在差异，其中甘青锦鸡儿灌丛土壤有机碳含量为9.17～17.50 g·kg-1，鲜黄小檗灌丛土壤有机碳含量为25.67～41.21 g·kg-1，金露梅灌丛土壤有机碳含量为44.31～81.56 g·kg-1，鬼箭锦鸡儿灌丛土壤有机碳含量为35.30～48.40 g·kg-1，吉拉柳灌丛土壤有机碳含量为71.72～78.17 g·kg-1（图1）。0～60 cm 土层土壤有机碳含量随土层的加深逐渐减小，最大值均出现在0～10 cm，除吉拉柳灌丛外，其余4 种灌丛0～10 cm 土壤有机碳含量均与40～60 cm 土壤有机碳含量之间存在差异显著（P＜0.05），而在0～10 cm 相同土层下，有机碳含量由大到小表现为金露梅（81.56 g·kg-1）＞吉拉柳（78.17 g·kg-1）＞鬼箭锦鸡儿（48.40 g·kg-1）＞鲜黄小檗（41.21 g·kg-1）＞甘青锦鸡儿（17.50 g·kg-1），甘青锦鸡儿、鲜黄小檗、鬼箭锦鸡儿分别与金露梅和吉拉柳灌丛之间差异显著（P＜0.05）。说明5 种典型灌丛土壤有机碳表现出表层富集现象，其中金露梅和吉拉柳灌丛表层富集现象更加明显。这可能与5 种典型灌丛下凋落物和根系分布有关。

图1 不同灌丛土壤有机碳含量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil organic carbon in different shrubs

由图2可见，同一灌丛类型下，随着土层深度加深，土壤有机碳含量所占比重逐渐减小。5 种灌丛有机碳含量在0～10 cm 土层所占整个剖面的20%以上（20.86%～26.29%），具体表现为：金露梅（26.29%）＞甘青锦鸡儿（25.48%）＞鲜黄小檗（23.74%）＞鬼箭锦鸡儿（23.60%）＞吉拉柳（20.86%）。在0～60 cm 全剖面土层中，甘青锦鸡儿灌丛各层土壤有机碳含量所占比重为13.35%～25.48%，变化幅度相对较大；吉拉柳灌丛各层土壤有机碳含量所占比重为19.14%～20.86%，变化幅度相对较小。

图2 不同灌丛类型各土层有机碳含量占全剖面 (0～60 cm) 有机碳含量的比例Fig.2 Percentages of soil organic carbon content in the whole profile (0-60 cm) in different shrubs

2.2 土壤有机碳影响因素分析

灰色系统理论是在数据不对称的情况下，根据因素之间发展态势的相似或者相异程度来衡量因素间的关联程度，为系统的发展和变化提供定量的衡量标准[28]。本研究中，通过计算参考数列（土壤有机碳含量）与比较数列（pH 值、土壤密度、总孔隙度和含水量）之间的关联度，并对同一灌丛不同影响因子关联度进行排序（表3），用于衡量两者之间的相似或相异程度，关联度的数值越大，则表明两者之间发展趋势相似度越高，越密切[29]。5 种典型灌丛不同土壤理化因子与土壤有机碳含量关联度在0.42～0.92 之间变化，说明土壤理化因子与土壤有机碳含量较为密切[30]，经分析，不同灌丛土壤有机碳含量与不同土壤理化因子关联度不同，具体表现出为：甘青锦鸡儿灌丛土壤有机碳含量与土壤密度存在较高关联度（0.73），鲜黄小檗灌丛土壤有机碳含量与pH 值、含水量较高关联度（0.69），金露梅灌丛土壤有机碳含量与总孔隙度存在较高关联度（0.63），鬼箭锦鸡儿灌丛土壤有机碳含量与pH 值存在较高关联度（0.86），吉拉柳灌丛土壤有机碳含量与pH 值存在较高关联度（0.92），除此之外，5 种灌丛土壤有机碳含量与其他土壤理化因子均存在中等及以上关联度。

表3 不同灌丛土壤理化因子与土壤有机碳的关联程度及排序Table 3 Relationship between soil physical and chemical factors and soil organic carbon content in different shrubs

3 结论与讨论

通过研究发现，祁连山北麓5 种典型灌丛类型的表土具有丰富的土壤有机碳，但不同植被类型土壤有机碳含量存在较大差异，均值由大到小表现为吉拉柳（74.93 g·kg-1）＞金露梅（62.05 g·kg-1）＞鬼箭锦鸡儿（41.02 g·kg-1）＞鲜黄小檗（34.71 g·kg-1）＞甘青锦鸡儿（13.74 g·kg-1），其中在0～10 cm 相同土层下，甘青锦鸡儿、鲜黄小檗、鬼箭锦鸡儿与金露梅和吉拉柳灌丛之间差异显著（P＜0.05）。这是因为吉拉柳灌丛主要分布于较高海拔，土质疏松、林木根系发达，郁闭度较大，枯落物容易分解，相反，甘青锦鸡儿和鲜黄小檗灌丛分布在低海拔，土壤湿度相对较低，容重较大，加之枯落物不易分解，造成土壤有机碳含量相对较小。在0～60 cm 整个剖面中，土层土壤有机碳含量随土层的加深逐渐减小，最大值均出现在0～10 cm，除吉拉柳灌丛外，其余4 种灌丛0～10 cm 土壤有机碳含量均与40～60 cm 土壤有机碳含量之间存在差异显著（P＜0.05），且5 种灌丛类型0～10 cm 土层有机碳含量占整个剖面的20%以上（20.86%～26.29%），土壤有机碳表现出表层富集现象，这与多数研究结果相同[31-32]。这可能与5种典型灌丛下凋落物和根系分布有关，随着土层越深，凋落物和根系数量减少，限制了水分和养分向土壤深层传输，土壤容重增加、透气性降低，微生物分解活动性减弱，造成了土壤有机碳含量下降[33]，这也说明，在下同土层厚度下，不同植被类型、土壤质地、根系分布和数量的不同，土壤有机碳含量也不同。

在祁连山草地土壤有机碳影响研究中发现，土壤含水量与土壤有机碳关系密切[18]。在不同林分下土壤有机碳研究中发现，土壤有机碳含量的大小对土壤毛管孔隙度和土壤密度变化产生影响[34]。土壤pH 值的大小会直接影响土壤微生物的活动，对土壤有机碳的分解速率产生抑制作用[35]。本研究通过灰色关联法，对土壤有机碳影响因素进行分析，发现pH 值与鲜黄小檗灌丛、鬼箭锦鸡儿灌丛、吉拉柳灌丛为较高关联度，土壤密度与甘青锦鸡儿灌丛为较高关联度，含水量与鲜黄小檗灌丛为较高关联度，总孔隙度与金露梅灌丛为较高关联度。本研究中只是对土壤理化特性进行测定，未涉及土壤养分含量测定，因此，土壤养分与土壤有机碳之间会有怎样的关联，有待进一步深入研究。

总体而言，5 种典型灌丛不同土壤理化因子与土壤有机碳含量具有中等或以上的关联度。因此，在研究祁连山排露沟流域灌丛土壤有机碳环境变化时，也应将不同植被类型和土壤理化因子作为影响土壤有机碳含量的主要因素进行测定和分析。