納木錯典型小流域土壤有機碳含量空間分布

鄭梓萱　曾辰

摘要：【目的】探求青藏高原高寒草甸高山流域土壤有機碳含量的空間分布規律，為全球變化和退牧還草背景下區域有機碳含量估算及生態環境評價提供參考。【方法】選取青藏高原中部納木錯典型凍土小流域，在該流域不同海拔、坡向分別采集淺層（0～10 cm）和根系底層（20～30 cm）的土壤樣品，測定不同海拔、坡向和土層間的土壤有機碳含量，并分析其空間分布規律。【結果】研究區土壤有機碳含量介于0.95～47.28 g/kg，平均為13.44 g/kg，隨海拔升高呈降低趨勢；不同坡向土壤有機碳含量表現為北向坡最高（16.41 g&g），南向坡最低（8.47 g/kg），東向坡（12.10 g/kg）和西向坡（12.17 g/kg）居中且較接近；淺層（0～10 cm）土壤有機碳含量（20.01 g/kg）較根系底層（20～30 cm）土壤有機碳含量（6.88 g/kg）高。【結論】納木錯流域土壤有機碳含量與海拔、坡向和土層深度等因素顯著相關，流域平均含量較青藏高原其他地區低。

關鍵詞：土壤；有機碳；空間分布；納木錯流域

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）12-2152-05

0引言

【研究意義】土壤有機碳不僅與地表植被密切相關，還可通過改變土壤結構進而影響土壤水熱過程（Chen et al.，2012）和土壤可蝕性（張科利等，2007），是評價區域生態環境質量的重要指標之一。青藏高原地區的土壤有機碳儲量占全國碳庫儲量的23%，占全球土壤碳庫總儲量的2%，在亞洲乃至全球氣候變化中扮演重要角色（王根緒等，2002）。受地形、植被和人類活動等因素影響，土壤有機碳具有強烈的空間異質性，使得區域生態環境評價及相關的水文和土壤侵蝕等研究存在不確定性（陳飛，2016）。因此，以流域為基本單元，探索青藏高原典型小流域土壤有機碳空間分布特征及其含量估算方案，對全球變化和退牧還草工程背景下高原地區開展生態環境評價具有重要意義。【前人研究進展】王根緒等（2002）報道了青海和西藏16種典型類型土壤的有機碳平均含量，發現草甸土類的土壤有機碳最豐富。田玉強等（2007）分析了高寒生態系統土壤有機碳的影響因子，發現降水和土壤黏粒對表層土壤有機碳分布的影響較大。吳雅瓊等（2008）對青藏高原土壤普查數據進行整理分析，定量研究了青藏高原28個典型土壤類型、14個主要生態系統類型0～20、20～50和50～100 cm土層土壤有機碳密度的垂直分布規律，發現28個典型土壤類型淺層（0～20 cm）有機碳密度平均值較深層（20～50和50～100 cm）高。蔡曉布和周進（2009）分析了退化高寒草原土壤有機碳的時空變化規律，發現中度、重度退化草地土壤有機碳含量較低，但其損失速率較高。高俊琴等（2010）分析了諾爾蓋3種濕地的土壤有機碳分布特征，發現土壤有機碳含量與樣點的水分等環境條件相關。此外，李東等（2010）利用Century模型對高寒草甸生態系統土壤有機碳變化規律進行動態模擬。目前，針對土壤有機碳在小流域的空間分布特征研究，與黃土高原地區王東溝等小流域相關的報道較多（郭勝利等，2010；李林海等，2013），其研究結果表明，地貌單元對流域表層和深層土壤有機碳含量的分布影響顯著，土壤有機碳含量在空間上表現出中到高度的變異特征。【本研究切入點】受觀測條件限制和基礎觀測資料匱乏的影響，以青藏高原典型流域為基本單元開展的高寒草甸流域土壤有機碳空間調查的研究報道較少。【擬解決的關鍵問題】以青藏高原中部的納木錯高寒草甸高山流域為研究區，采樣并分析不同海拔、坡向、土層間土壤有機碳含量的空間分布規律，為全球變化和退牧還草背景下區域有機碳含量變化趨勢評估及生態環境評價提供參考。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于青藏高原中部納木錯流域（東經89°30′～91°25′，北緯30°00′～31°10′，海拔3819～7124 m）。納木錯流域呈東北一西南走向，南側為念青唐古拉山脈，地勢較高，坡向以北向或西北向為主（陳飛等，2015）。流域年均氣溫在0℃以下，年降水量為414.6 mm，呈單峰型，夏季降水量占全年降水量的90%以上（高壇光等，2009）。海拔5200 m以上植被較少，海拔5100～5200 m植被以高山蒿草草甸為主，海拔5000 m以下山麓附近植被以高寒草甸為主。流域土壤類型較簡單，土層較薄，20 cm以下土層土壤中石礫含量較高（俞潔輝等，2012）。

1.2樣品采集與分析

于2016年6月進行采樣工作。根據研究區的地形特點，分別在海拔5283 m至湖岸邊4748 m的北向坡、東向坡、西向坡和南向坡不同海拔處采集表層（0～10 cm）和根系分布區以下底層（20～30 cm）的土樣，每個樣點采集5組重復。海拔4740～4920 m的采樣點坡度在5。左右，海拔4920～5041 m的采樣點坡度在5～15°，海拔5041～5283 m的采樣點坡度在15～22°。在北向坡6個海拔采集60個土樣，在東向坡和西向坡3個海拔各采集30個土樣，在南向坡2個海拔采集20個土樣，共采集140個樣品。不同坡向采樣點具體海拔信息見表1。所有樣品在實驗室風干、過篩后利用日本島津公司TOC-VCPH型總有機碳分析儀測量土壤有機碳含量。

1.3統計分析

試驗數據采用Excel 2007進行整理；采用SPSS16.0進行統計分析，其中，采用Kolmogorov-Smimov進行數據正態性檢驗（K-S檢驗），當P大于0.05時表明數據服從正態分布。

2結果與分析

2.1研究區土壤有機碳含量概況

由表2可知，研究區土壤有機碳含量介于0.95～47.28 g/kg，平均為13.44/kg。從變異系數來看，該區域土壤有機碳含量呈中等變異強度（CV≤10%為弱變異性，10%0.05）。

2.2不同海拔土壤有機碳含量分布情況

由表3可知，研究區土壤有機碳平均含量隨海拔升高呈降低趨勢。方差分析結果表明，土壤有機碳含量與海拔間呈極顯著相關（P<0.01，下同）。多重比較分析結果表明，海拔5037～5283 m與4748～4930 m的土壤有機碳含量存在極顯著差異，后者較前者高2-4倍；而海拔5037-5283間及4748 m與4930和4861 m的土壤有機碳含量差異不顯著（P>0.05，下同）。

2.3不同坡向土壤有機碳含量分布情況

由表4可知，研究區不同坡向土壤有機碳含量差異明顯，表現為北向坡平均值最高（16.41 g/kg），南向坡最低（8.47 g/kg），東向坡（12.10/kg）和西向坡（12.17 g/kg）居中且較接近。東向坡和西向坡較南向坡高約50%，北向坡較南向坡高約1倍。方差分析結果表明，土壤有機碳含量與坡向問呈極顯著相關。多重比較分析結果表明，東向坡與西向坡的土壤有機碳含量無顯著差異，但其與北向坡和南向坡間的差異均達顯著水平（P<0.05）。

2.4不同土層土壤有機碳含量分布情況

由表5可知，研究區不同土層土壤有機碳含量差異明顯，淺層（0～10 cm）土壤有機碳平均含量較高，為20.01 g/kg，約是根系底層（20～30 cm）土壤有機碳含量的3倍，與納木錯周邊那曲地區的研究結果一致（zeng et al.，2013）。方差分析結果表明，土壤有機碳含量與土層深度間極顯著相關。

2.5土壤有機碳含量與采樣點位置的相關性分析和多元回歸結果

將研究區土壤有機碳含量與采樣點位置進行相關性檢驗，結果如表6所示。土壤有機碳含量與海拔、土層深度和坡向（坡向按北向坡、東西向坡、南向坡排序）均存在極顯著負相關性。為了服務相關的土壤凍融和侵蝕等模型的參數化方案，將研究區土壤有機碳含量和采樣點位置進行多元回歸，得到的回歸方程為：

SOC=-0.037Alt-0.033SD-0.004Dir+0.212

式中，SOC為研究區土壤有機碳含量（g/kg）；Alt為海拔高度（km），介于4.74～5.28；SD為土層深度（m），小于0.30；Dir為坡向，數值為1、2和3，其中1為北向坡，2為東向坡或西向坡，3為南向坡。

回歸方程的決定系數R²=0.801，回歸方程及各變量和常數的顯著水平均小于0.01。

3討論

3.1研究區土壤有機碳平均含量與其他高山流域對比

本研究結果表明，研究區所處的高寒草甸高山流域土壤有機碳平均含量為13.44 g/kg，0～10 cm土層有機碳平均含量為20.0 1 g/kg，20～30 cm土層有機碳平均含量為6.88 g/kg。與秦嘉海等（2013）對青藏高原周邊其他流域的研究結果相比，該區域土壤有機碳平均含量低于青海祁連山地區黑河冰溝流域的高山草甸土（43.60 g/kg）、高山灌叢草甸土（53.89g/kg）、森林灰褐土（76.22 g/kg）和山地栗鈣土（19.04 g/kg）的有機碳含量，也較若爾蓋高原濕地相應土層的有機碳含量低（高俊琴等，2007）。王根緒等（2002）測定了青海和西藏10余種典型土壤的有機質含量，結果表明，青海山地草甸土和平地草甸土的有機碳平均含量（換算系數為1.724）分別為39.10和37.88 g/kg，西藏的分別為13.86和30.57 g/kg。可見，海拔相對較高地區的土壤有機碳含量相對偏低。在研究區高寒草甸高山流域內部，海拔5037 m以上和4930 m以下的土壤有機碳含量具有顯著性差異，表現為較高海拔處土壤有機碳含量較低。此外，通常認為土壤有機碳含量隨深度的增加呈指數下降趨勢（楊黎芳等，2007）。然而，由于草甸土根系分布較淺且多集中在淺層土壤中（zeng et al.，2013），這種關系并不適用。因此，利用傳統的采樣調查結果估算高寒草甸高山流域土壤有機碳的平均含量可能會存在較大誤差。

3.2研究區土壤有機碳含量空間分布差異的原因

研究區植被類型屬高寒草甸生態系統，其海拔分布上限為5100-5200 m，且海拔越高，土壤水含量和溫度越低。俞潔輝等（2012）研究表明，研究區海拔5125 m處10 cm土層土壤溫度日最小值<5℃的天數為25 d，而4980 m處均在5℃以上。總之，流域較高海拔處積雪覆蓋時間較長，土壤水、熱條件差異明顯，以及不同海拔處植被條件和植被生長季長短的差異是造成高寒草甸高山流域土壤有機碳含量具有顯著海拔差異的主要原因。

坡向影響地表接收的太陽輻射量和水汽傳輸過程，進而間接影響土壤的水熱條件（劉曼霞和王剛，2013）。本研究結果表明，不同坡向的土壤有機碳含量差異明顯，表現為北向坡平均值最高（16.41 g/kg），南向坡最低（8.47 g/kg），東向坡（12.10 g/kg）和西向坡（12.17 g/kg）居中且較接近。對于不同坡向問，受太陽輻射角度和湖面水汽降水補給的差異，南向坡受強烈的太陽輻射和相對較弱的降水補給，土壤水分條件較差，植被較稀疏，此外土壤溫度較高，土壤有機質礦化速率較高；北向坡植被和土壤水分條件相對較好，土壤溫度相對較低；東、西向坡的土壤水分、溫度和植被條件處于南、北向坡之間。這些差異是引起北向坡土壤有機碳含量較高、南向坡含量較低、東西向坡含量居中，且不同坡向間具有顯著差異的主要原因。

本研究結果表明，不同土層的土壤有機碳含量差異極顯著，淺層（0～10 cm）土壤有機碳平均含量（20.01 g/kg）較高，約是根系底層（20～30 cm）土壤有機碳含量（6.88 g/kg）的3倍。對于不同土層問的差異，周華坤等（2005）研究表明，高寒草甸根系生物量的90%主要集中在20 cm深度以內。Zeng等（2013）通過對那曲地區草甸土壤剖面進行研究，也發現高寒草甸根系集中分布的20 cm深度以內的土壤水含量較高，土壤保水性較強；在根系分布層以下土層中石礫含量較多，土壤透水性較高。不同土層間植被根系活動的差異引起的有機碳累積及不同水熱條件引起的礦化過程差異可能是造成不同土層土壤有機碳含量差異的主要原因。

受條件限制，本研究僅對高寒草甸高山流域土壤有機碳空間分布現狀進行初步調查分析。然而，土壤有機碳是一個動態變化過程，在不同因子影響下其變化趨勢和變化速率可能存在差異。因此，今后仍需對流域不同空間因子影響下的土壤有機碳變化趨勢進行深入研究。

4結論

納木錯典型小流域土壤有機碳平均含量較青藏高原其他地區偏低。土壤有機碳含量與海拔、坡向和土層等顯著相關，主要表現為土壤有機碳含量隨海拔升高逐漸降低；北向坡最高，南向坡最低，東向坡和西向坡居中且較接近；表層土壤有機碳含量較根系底層土層高。