青海省高寒荒漠5 种类型土壤有机碳含量及影响因素对比研究

王定晖，王 新，王云英，裴薇薇，杜岩功

（1.青海省固体废物污染防治中心，青海 西宁 810001；2.中国科学院西北高原生物研究所，青海 西宁 810008）

土壤碳库为陆地生态系统碳库最重要的组成部分，由于土壤有机碳的巨大库容，土壤碳库小幅变化即可能引起大气CO2浓度较大变动［1-2］。过去50 年以来，我国陆地生态系统年碳汇0.20～0.25 Pg，预估2060 年为0.15～0.52 Pg，荒漠生态系统具有碳汇功能，但其强度和主要影响机制仍存在不确定性［1］。高寒荒漠是青藏高原及周边高地高寒生境特有的一种荒漠类型，植物群落以耐寒耐旱的垫状小半灌木为建群层片［3］，是青藏高原重要的生态安全屏障和活体基因库，生态系统脆弱，植被群落稀疏且生物量偏低，是全球气候变化敏感区域［4］。

青藏高原土壤有机碳总储量和碳密度分别为18.37 Pg 和7.2 kg/m2［5］，高寒草地土壤碳库储量达到7.4 Pg，土壤有机碳密度6.5 kg/m2，土壤类型主要包括高山草甸土和高山草原土，高山草甸土有机碳含量明显高于高山草原土［6-7］。青海省土壤有机碳密度的分布呈现自东南向西北递减的带状分布特征［5］，青海省高寒草地土壤碳增储潜力为0.83 Pg［7］。高寒荒漠土壤有机碳含量变化范围0.50～40.20 g/kg，梭梭群落土壤有机碳含量最低［4］。柴达木盆地土壤有机碳含量0.55～1.95 g/kg，土壤有机碳储量3.5～65.1 Tg［8］，但有研究发现柴达木盆地土壤有机碳储量和碳密度分别为0.063 Tg 和6.105 kg/m2［9］。土壤有机碳含量与容重和砂粒含量均显著负相关［4-5］，但与土壤黏粒和粉粒含量显著正相关［4］，土壤粗颗粒物质是黑河中游荒漠植物土壤有机碳变异的主要解释因素［10］。土壤有机碳含量受到植物凋落物输入、碳矿化分解作用的共同影响［11］。土壤pH 值直接影响植物养分的可用性，土壤酸化改变土壤养分形态，造成土壤肥力下降和养分流失，影响植物生长和光合碳产物的输入量［7-9］。

已有研究关注高寒荒漠土壤有机碳含量和碳储 量［4，8，12］，但 缺 少 有 关 不 同 土 壤 类 型 有 机 碳 含 量及影响因素等方面研究。该研究对比分析青海省高寒荒漠5 种土壤有机碳含量并探讨其主要影响因素，以期为准确评估高寒荒漠土壤碳储量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

青海省高寒荒漠主要分布在柴达木盆地和共和盆地。柴达木盆地为高原型盆地，是我国三大内陆盆地之一，位于青藏高原东北部，平均海拔3 000 m 以上，植物群落主要以木本猪毛菜（Salsola arbuscula）、盐爪爪（Kalidium foliatum）、细枝盐爪爪 （Kalidium gracile）、驼绒藜（Krascheninnikovia ceratoides）、柴 达 木 沙 拐 枣 （Calligonum zaidamense）、密花柽 柳（Tamarix arceuthoides）、梭梭 （Haloxylon ammodendron）、白 刺（Nitraria tanggutorum）、圆 头 蒿（Artemisia sphaerocephala）、合 头 藜（Sympegma regelii）、五 柱 红 砂（Reaumuria kaschgarica）、胡 杨 （Populus euphratica）、芦 苇（Phragmites australis）、白麻（Apocynum pictum）、芨芨草（Neotrinia splendens）、黄花补血草（Limonium aureum）为主要优势物种，隶属高原大陆性气候，多年平均气温和降雨量分别为-0.4～6.0 ℃和31～232 mm。共和盆地地处青藏高原东北边缘，高原温带半干旱带向干旱荒漠地带过渡性气候，隶属高原大陆性气候，多年平均气温和降雨量分别为1～5.2 ℃和311.1～402.1 mm。优势物种主要包括紫花针茅（Stipa purpurea）、青海固沙草（Orinus kokonorica）、短 花 针 茅（Stipa breviflora）、冷 蒿（Artemisia frigida）、毛刺锦鸡儿（Caragana tibetica）、芨芨草、冰草（Agropyron cristatum）、狼 毒 （Stellera chamaejasme）、赖草（Leymus secalinus）、马蔺（Iris lactea）等。土壤类型主要为栗钙土。

1.2 试验设计与样品分析方法

2017 年和2018 年7—8 月期间，依据已有的1∶100 万植被图所描述的高寒荒漠植被主要分布区域，叠加主要公路网格图，共设置221 个样点，按照不同土壤类型采集母质层以上土壤剖面样品，各3 次重复。土壤样品混合均匀后，运送至室内实验室经自然风干、研磨、过2 mm 土壤筛后进行土壤有机碳含量和pH 值测定，0～20 cm 地下生物量采用根钻法调查。

依据全国第二次土壤普查调查数据，青海省土壤包括22 个类型，以高山草甸土和高山草原土为主，占总面积的55%［13］。采用土壤剖面特征野外调查，结合土壤分类采用发生分类系统，该研究221 个调查点土壤可以划分为5 种类型：灰棕漠土、盐土、栗钙土、风沙土和棕钙土。该研究主要对比分析灰棕漠土（样点数量n=55）、盐土（n=16）、栗钙土（n=12）、风沙土（n=57）、棕钙土（n=81）土壤有机碳含量。

土壤全碳、全氮和无机碳含量分别采用元素分析仪（PE 2400ⅡCHN）和气量法进行测定，有机碳含量通过全碳含量与无机碳含量的差值获取。土壤pH 值采用土壤原位pH 计（IQ170）测定，水土比为2.5∶1。各研究样点海拔和经纬度采用GPS记录，年均气温和降水量数据采用过去30 年平均数据产品，空间分辨率为1 km2（https：//worldclim.org/data/index.html）。

1.3 数据统计分析

采用箱式图和单因素方差分析对5 种土壤类型有机碳、pH 值分别进行统计学描述和显著性检验。统计学分析和作图分别采用SPSS 19.0 和Sigmaplot 12.0 软件。高寒荒漠5 种土壤类型土壤有机碳和pH 值的主要影响过程采用结构方程模型进行分析，在R4.0.5 利用piecewiseSEM 实现，应用Fisher's C 模型进行卡方检验时要求P 值大于0.05。

2 结果与分析

2.1 青海省高寒荒漠5 种土壤类型有机碳含量对比分析

青海省高寒荒漠5 种类型土壤有机碳含量呈现较强异质性，由高到低顺序依次为栗钙土、盐土、棕钙土、灰棕漠土和风沙土，有机碳含量分别为 （0.91±0.14）%、（0.75±0.10）%、（0.51±0.04）%、（0.42±0.04）%和（0.32±0.03）%，最高值为最低值的2.84 倍，平均值为（0.48±0.03）%。栗钙土、盐土有机碳含量显著 （P＜0.05）高于其他3 种土壤类型，风沙土有机碳含量最低，且显著（P＜0.05）低于棕钙土（见图1）。

图1 青海省高寒荒漠5 种类型土壤有机碳含量对比分析结果

2.2 青海省高寒荒漠5 种类型土壤pH 值对比分析

青海省高寒荒漠5 种类型土壤pH 值异质性较弱，平均值为8.91±0.05（见图2）。土壤pH 值从高到低顺序依次为风沙土、栗钙土、棕钙土、灰棕漠土和盐土，pH 值分别为9.02±0.05、8.96±0.04、8.93±0.11、8.77±0.16 和8.75±0.09，最高值比最低值仅高3.09%，均为弱碱性土壤。风沙土pH 值显著（P＜0.05）高于盐土。

图2 青海省高寒荒漠5 种类型土壤pH 值对比分析

2.3 基于结构方程模型揭示5 种类型土壤有机碳含量和pH 值的主要影响因素

结构方程模型引入年均气温、降水量、海拔和土壤全氮含量，解析青海省高寒荒漠土壤有机碳含量和pH 值的主要影响因素，各模型卡方检验的P 值均大于0.05（见图3），说明模型结果较好。

图3 青海省高寒荒漠5 种类型土壤有机碳含量和pH 值的主要影响因素

灰棕漠土和风沙土有机碳含量的主要影响因素为土壤全氮含量、降水量和年均气温（见图3a、图3d），其中，土壤全氮含量对灰棕漠土和风沙土有机碳含量的直接作用系数分别为0.841 和0.920 且影响均为正效应；降水量对灰棕漠土和风沙土有机碳含量的直接作用系数分别为-0.487和-0.145 且影响均为负效应，达到显著性（P＜0.05）检验水平。盐土、棕钙土有机碳含量的主要影响因素为土壤全氮含量和降水量（见图3b、图3e），全氮含量对盐土、棕钙土有机碳含量的影响均为正效应，直接作用系数分别为0.959 和0.952；降雨量对盐土、棕钙土有机碳含量的直接作用系数分别为-0.289 和0.064。栗钙土有机碳含量的主要影响因素为土壤全氮含量，直接作用系数为0.938（见图3c）。仅盐土有机碳含量受海拔的间接作用较强，间接作用系数约为-0.962，主要通过改变土壤全氮含量影响有机碳含量。青海省高寒荒漠土壤有机碳含量主要受土壤全氮含量和降水量影响，直接作用系数分别为0.988 和-0.182 （见图3f），降水量增加可能引起土壤有机碳含量降低。

栗钙土pH 值主要受年均气温和海拔影响（见图3c），风沙土pH 值受年均气温和降水量影响，直接作用系数分别为0.608 和0.591（见图3d）。综合分析表明青海省高寒荒漠土壤pH 值主要受年均气温影响，作用系数为0.338（见图3f）。灰棕漠土、盐土、棕钙土pH 值可能受多种因素共同影响。

2.4 根系生物量对高寒荒漠5 种类型土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳主要来源于根系碳输入，该研究发现采用根系生物量均可以较好地拟合青海省高寒荒漠5 种类型土壤有机碳含量，回归系数R2介于0.35～0.87，栗钙土和灰棕漠土有机碳含量拟合效果最优，这也表明增加根系生物量可以显著增加荒漠土壤有机碳含量（见表1）。

表1 青海省高寒荒漠5 种类型土壤有机碳和根系生物量耦合关系

3 讨论

青藏高原高寒荒漠地带土壤浅薄、多年冻土发育，生态环境脆弱，土壤基质直接影响荒漠生态系统稳定性［10，14］。土壤是陆地生态系统最重要的碳库，我国荒漠生态系统面积约为1.65×106km2，占全国国土总面积的17%，荒漠生态系统具有较大碳汇潜力［10，15］。吉林省西部荒漠地区土壤有机碳含量较高，为7.05 g/kg［8］。伊朗中部和印度盐土荒漠有机碳含量分别为5.47、5.30 g/kg［16-17］。青藏高原垫状驼绒藜高寒荒漠土壤有机碳含量3.19～8.11 g/kg［3］，青海共和盆地高寒荒漠草原栗钙土有机碳含量为4.32 g/kg［18］。内蒙古阿拉善盟西部荒漠土壤有机碳含量和植被生境均呈现较强异质性，柽柳与合头藜群落有机碳含量最高，为3.62g/kg，显著高于盐爪爪等群落，含量平均值为1.00 g/kg［15］。甘肃省高台县半固定沙丘灰棕漠土有机碳含量为3.1 g/kg［19］。准噶尔盆地梭梭荒漠土壤有机碳含量平均值为1.62 g/kg［12］，塔里木盆地荒漠土壤有机碳含量为1.56 g/kg［8］。河西走廊黑河中游区域土壤有机碳含量总体水平较低，土壤有机碳密度为0.42 kg/m2［10］。综上，荒漠生态系统土壤有机碳含量存在较强异质性。

该研究发现青海省高寒荒漠土壤有机碳含量平均值亦相对较高，约为4.80 g/kg，栗钙土和盐土有机碳含量较高，分别为9.10 和7.5 g/kg，栗钙土分布区域降水量较高，显著（P＜0.05）高于其他土壤类型，盐土主要分布在海拔较低区域且年均气温较高。该两种类型土壤均有利于高寒荒漠植物生长，增加荒漠植物向土壤碳输入量，引起土壤有机碳含量增加。该研究同时发现高寒荒漠土壤有机碳含量主要受全氮和降水量影响。盐土、棕钙土、风沙土和灰棕漠土有机碳含量的主要影响因素均为土壤全氮含量和降水量，土壤全氮含量对这4 种土壤类型有机碳含量的直接作用系数分别为0.959、0.952、0.920、0.841，降雨量对这4 种土壤类型有机碳含量的直接作用系数分别为-0.289、0.064、-0.145、-0.487。栗钙土有机碳含量的主要影响因素为土壤全氮含量，直接作用系数为0.938，降水量对其影响较弱。青海省高寒荒漠栗钙土分布区域年降雨量较高且气温较低，这可能是栗钙土有机碳含量的主要影响因素与其他4 种土壤类型存在差异原因。

土壤有机碳是土壤养分循环转化的重要基质，高寒荒漠土壤有机质含量偏低，土壤蓄水性和通气性均较差［3］。全氮是影响祁连山区高山草甸土有机碳含量的主要影响因素［11］。围栏促使祁连山高寒草地土壤有机碳、全氮含量显著提高了16%～31%和15%～21%［20］，施用氮肥可显著提高荒漠土壤有机碳含量［19］。本研究发现全氮含量是影响青海省高寒荒漠5 种不同类型土壤有机碳的主要因素。土壤氮素含量较高时，会显著增加荒漠植被生长和根系碳输入，这可能是全氮量增加可以提高荒漠土壤有机碳的重要原因。此外，土壤生态系统具有维持碳氮化学计量稳定性机制［21］，增加土壤全氮含量，同样可能引起土壤有机碳含量的增加。

气候条件决定高寒荒漠植物所获得的光热和水等生长必需条件，土壤水分是荒漠植物生长的最大限制因子［10］。土壤水分含量的主要影响因素是土壤类型和植被因素［22-23］。气温和年均降雨量是影响祁连山高寒荒漠分布动态变化及其空间差异的影响因子［24］，近30 年祁连山高寒荒漠呈萎缩变化趋势。土壤含水率是梭梭荒漠土壤有机碳含量空间变异的主要影响因素［12］。过去50 年间，青藏高原气候变化的暖湿化特征明显［25］，结构方程模型结果表明除栗钙土、棕钙土外，其余类型土壤及青海省高寒荒漠区域土壤有机碳受降雨量负向显著影响，在干旱区降雨量增加会促进荒漠植物生产，促使土壤有机质矿化分解，引起土壤有机碳含量降低，同时降水增加会加剧土壤有机碳淋溶损失，但栗钙土分布区域土壤含水量相对高于其他土壤类型，因此降雨量对栗钙土有机碳含量影响较弱，主要影响因素为全氮含量。棕钙土分布区域棕钙土的植被具有草原向荒漠过渡的特征，以草原土壤腐殖质积累作用为主要成土过程，降水增加有利于增加棕钙土有机碳含量。

4 结论

青海省高寒荒漠生态系统土壤有机碳含量呈现较强异质性，土壤pH 值呈弱碱性且变异性较弱。栗钙土和盐土有机碳含量相对较高，风沙土有机碳含量最低但pH 值最高。高寒荒漠土壤有机碳含量主要受全氮和降水量影响，栗钙土有机碳的主要影响因素为全氮，盐土、棕钙土有机碳的主要影响因素为全氮和降水量，灰棕漠土和风沙土有机碳含量的主要影响因素为全氮、降水量和年均气温。土壤全氮含量和降水量主要通过增加地下根系生物量碳输入，增加土壤有机碳含量。增加土壤全氮含量将显著提升高寒荒漠生态系统土壤有机碳。