增溫對森林土壤有機碳含量的影響

馬勝蘭，吳鵬飛

(西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041)

【研究意義】土壤有機碳是土壤碳庫的主要成分，土壤有機碳的積累和分解的速率決定著土壤碳庫儲量[1-2]。據(jù)估算全球約有1500 Gt碳是以有機質(zhì)形態(tài)儲存于地球土壤中[3]。由于其儲量巨大，土壤碳循環(huán)過程以及土壤有機碳的微小幅度變化對全球變暖的反饋作用非常明顯[4]。森林土壤是生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳庫，儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)地上部分80 %和地下部分40 %的有機碳[5]。因此，研究森林土壤有機碳含量及其分布狀況、變化規(guī)律和主要影響因素對評估土壤碳儲量具有重要意義[6]。【前人研究進(jìn)展】已有研究表明全球氣候變暖，土壤微生物的活動增強有機質(zhì)分解速率提高[7]。溫度每升高1 ℃，全球?qū)⒎纸?1～34 Gt土壤有機碳，釋放出更多的CO2，從而又加劇了全球變暖[8-9]。在不同的生物氣候條件和人類擾動下，土壤有機碳積累的數(shù)量存在很大差異[10]。我國學(xué)者也對不同地區(qū)的土壤有機碳密度進(jìn)行了大量研究表明土壤有機碳分布與地形、植被和土壤理化因子之間存在密切關(guān)系[11]。鑒于土壤有機碳在全球碳循環(huán)中的重要地位，每年均有大量的土壤有機碳的研究報道，但不同生態(tài)系統(tǒng)和不同的研究方法，導(dǎo)致最終結(jié)果可比性較低[12]。【本研究切入點】青藏高原被國際生物圈(IBP)研究計劃列為全球氣候變化的敏感區(qū)域，貢嘎山位于其東緣是研究森林土壤有機碳對增溫響應(yīng)與適應(yīng)機制的天然實驗室[13]。因此本文在貢嘎山東坡利用土柱移植法模擬增溫，研究森林土壤有機碳儲量對氣候變暖的響應(yīng)。【擬解決的關(guān)鍵問題】旨在查明不同增溫條件下森林土壤有機碳含量對全球變暖響應(yīng)趨勢。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貢嘎山(29 20′～30 20′ N,101 30′～102 15′E)位于青藏高原與四川盆地過渡帶屬于高山峽谷類型，主峰海拔7556 m，是橫斷山系的最高峰[14]。貢嘎山位于中國東部亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)與青藏高寒冷氣候區(qū)的過渡帶上，受亞熱帶季風(fēng)氣候和高山氣候的影響，氣候溫暖潮濕年均氣溫4.3 ℃，年最高氣溫為23.2 ℃，年最低溫度為-14.0 ℃。年均降水量約1900 mm,主要集中在6-12月；年蒸發(fā)量小于300 mm[15]。貢嘎山東坡巨大谷嶺高差達(dá)6400 m，導(dǎo)致水熱條件分布不均。貢嘎山海拔每升高100 m，氣溫降低0.67 ℃，降雨量增加67.5 mm[16]。隨著海拔上升水熱因子等條件的改變[17]，貢嘎山的植被分布形成其獨特的垂直地帶性，從低海拔到高海拔形成了亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶、寒帶和冰雪帶6個垂直氣候帶，對應(yīng)的形成了次生闊葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、針闊混交林、暗針葉林、亞高山灌叢及亞高山草甸，具有十分典型的自然垂直帶譜[18]。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗設(shè)計 2014年11月在貢嘎山東坡根據(jù)不同海拔的植被、氣候類型等具體自然地理環(huán)境選擇了5個海拔梯度，從上到下依次為3200、2800、2400、2000、1600 m，分別以E0、E1、E2、E3、E4編號。在3200 m(E0)處選擇5個3 m×3 m的樣方，水平間距5 m，避開林窗、滑坡、亂石、枯倒木等。用內(nèi)徑30 cm、高45 cm的PVC管在每個樣方內(nèi)采集40個土柱，一共200個土柱，保留土壤的原始狀態(tài)和原有植物。PVC管下端與土柱下端平齊，并用30目的濾網(wǎng)封閉式包裹，上端高出土柱5 cm。然后，從每個樣方中分別取4個土柱，組成一個有20個土柱的混合組，共10個混合土柱組。把其中的2個混合土柱組仍埋置在3200 m(E0) 處的暗針葉林中，其余的8個土柱組分成4組分別埋置在2800(E1)、2400(E2)、2000(E3)、1600(E4)4個海拔梯度。每個梯度設(shè)置不控制降水和凋落物(T1)和控制降水和凋落物(T2)2個處理組，每個梯度每組各5個土柱。T2處理組上方1.5 m處用透明玻璃遮擋凋落物和降水。每月用來自E0的降水對T2中的各土柱采用點滴輸液方式進(jìn)行澆水，補水量為E0處的等量降水；此外用在E0處收集的凋落物添加到T2處理組各土柱，按照單位面積收集的凋落物進(jìn)行等量添加。

1.2.2 土壤樣品采集 于2014、2015和2016年的11月對每個梯度的T1和T2 處理組的土壤樣品進(jìn)行采集，每個梯度每種處理各取5個土柱。另外，在每個梯度旁的林地內(nèi)也取5個土樣作為對照。土樣帶回實驗室后，自然風(fēng)干后、研磨，用于測定土壤有機碳含量。有機碳(soil organic matter)的測定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-容量法[19]。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用重復(fù)測量方差分析(Repeated measures ANOVA)對5個移植梯度3個年份有機碳含量差異性進(jìn)行檢驗。利用單因素方差分析(One-Way ANOVA )檢驗了不同移植梯度有機碳含量差異。并用最小顯著差異法(LSD)(方差齊性) Tamhane法 (方差不具齊性)進(jìn)行多重比較。以上分析與作圖的完成使用了IBM SPSS 20.0和Excel2010等軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 各移植梯度的土壤溫度

如圖1所示,隨移植梯度的下降，土壤溫度呈明顯上升趨勢，E0

圖1 不同移植梯度3年平均土壤溫度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Average soil temperature of different transplantation gradients in three years

2.2 森林土壤有機碳含量沿移植梯度變化特征

不同移植梯度的土壤有機碳含量表現(xiàn)出一定的梯度分布模式，并且沿移植梯度的變化呈現(xiàn)出顯著不同的特征。

T1處理組3年有機碳含量隨著移植梯度的下降升高(圖2 c、e)，3年有機碳含量都在E4處達(dá)到最高為36.89、44.45、42.44 g/kg，E1處含量最低為21.41、33.20、29.24 g/kg。單因素方差分析結(jié)果表明，3年間不同移植梯度之間有機碳含量都具有極顯著差異(P<0.001)，且E4梯度有機碳含量顯著高于其他移植梯度。

T2處理組2014和2016年有機碳含量變化趨勢一致，即有機碳含量隨移植梯度下降先増加，在E2處達(dá)到最高，之后下降(圖2 b、f)；2015年有機碳含量呈先上升后下降的波動性變化。單因素方差分析結(jié)果表明2014和2016年的有機碳含量在不同的移植梯度間有顯著差異(P<0.05，圖2 b、f)，2015年有機碳含量無顯著差異(P>0.05, 圖2d)。

2.3 土壤有機碳含量年間變化

不同移植梯度有機碳含量的年間變化趨勢有所不同(圖3，表1)。T1處理組各移植梯度中有機碳含量均表現(xiàn)為2015>2016>2014，且年間差異顯著(P<0.001，表1)。進(jìn)一步的分析表明E1和E2梯的年間差異不顯著(P>0.05)，E0、E3和E4梯度上的年間差異顯著(P<0.05，圖3)。表明年間變化對不同梯度土壤有機碳含量影響不同。T2處理組各移植梯度的有機碳含量具有顯著年間差異(P<0.05，表1)，但年間變化趨勢在各梯度間不同(圖3)。E0、E1和E4梯度有機碳含量2015年最高分別為39.72、39.84、39.47 g/kg，2014年最低；E2梯度2016年有機碳含量顯著高于2014和2015年，分別高出12.7 %和9.9 %；E3梯度2016年有機碳含量顯著高于2014年。年間變化與海拔的交互作用僅對T2處理組的有機碳含量有顯著影響(P<0.05，表1)。

3 結(jié)論與討論

3.1 增溫對土壤有機碳含量的影響

研究結(jié)果表明隨移植梯度的下降，土壤溫度逐漸升高，T1處理組有機碳含量隨移植梯度的下降增加，且梯度間有顯著差異。有機碳主要來源于植物的凋落物、根系分泌物、土壤的腐殖質(zhì)和微生物的代謝[20]，植物及其凋落物是土壤有機碳輸入的最主要來源，是除了氣候條件外影響上壤有機碳儲量的重要因素[21]。在貢嘎山東坡不同海拔高度水熱條件差異很大，植物群落也呈垂直地帶性分布[22]。不同植物群落結(jié)構(gòu)和功能有著明顯不同，凋落物的數(shù)量和成分差異很大[23]。E0、E1梯度土壤有機碳含量較低，可能是由于該處為冷杉林(Abiesfaxoniana)群落，冷杉林凋落物占凋落物總量的74.84 %，針葉樹的凋落物難以降解，向土壤歸還的有機碳等物質(zhì)數(shù)量較少[24]。E2、E3、E4梯度有機碳含量隨著移植梯度的下降逐漸升高，可能是因為隨海拔降低，闊葉樹逐漸增加，闊葉樹種凋落物的分解要快于針葉樹[25]，土壤有機碳輸入量較大，而且這種輸入的土壤有機碳量超過溫度升高而導(dǎo)致的有機碳分解量。除了植物群落的差異，溫度是植物生長的限制因子，溫度升高可提高初級生產(chǎn)力[26]，能夠增加土壤有機碳儲量。其它學(xué)者也認(rèn)為土壤有機碳儲量與溫度升高提升了植被初級凈生產(chǎn)力相關(guān)[27]。

圖中相同條形柱上，帶有相同字母的表示差異不顯著(P>0.05)，下同圖2 不同移植梯度的有機碳含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Organic carbon content of different elevation gradient(Mean±SE)

表1 有機碳含量差異重復(fù)測量方差分析Table 1 Variance analysis of organic carbon content

T2處理組土壤有機碳含量隨移植梯度下降呈先上升后下降的波動性變化，并以E2梯度有機碳含量最大，但各梯度間差異不顯著。這可能是因為T2處理組各梯度等量添加了來自E0梯度的凋落物。雖然各梯度的溫度存在差異，但在短期內(nèi)對針葉樹凋落物的分解影響較弱，所以各梯度間土壤有機碳差異不顯著。

3.2 森林土壤有機碳含量的年間變化差異

本研究中2種處理組的土壤有機碳含量均存在年間差異，且在不同梯度的年間變化趨勢不同。T1處理組的E0、E3、E4梯度的有機碳含量均呈2015>2016>2014的變化趨勢，且差異顯著，但E1和E2梯度的年間差異不顯著。已有研究表明土壤有機碳含量的年間和季節(jié)變化與土壤溫濕度、大氣降水、微生物活性等有關(guān)[28]。本研究中2015年土壤有機碳含量最高，可能由于溫度和降水與其他兩年有差異。不同梯度土壤有機碳年間變化的差異可能是各梯度的氣候不同造成。貢嘎山東坡不同海拔高度水熱條件差異很大，山腳下是干熱河谷，在海拔3000 m年平均降水量達(dá)1930 mm[29]。E3和E4梯度由于林下小氣候干燥，所以影響E3、E4梯度年間差異可能與降雨的年份變化有關(guān)。E0梯度高寒地區(qū)年間差異顯著可能由于溫度的年間差異。

T2處理組的有機碳含量也存在顯著的年間差異，其中E2和E3梯度有機碳含量在2016年最高，其他梯度的有機碳含量變化趨勢為2015>2016>2014；而T1組有機碳含量均在2015年最高，且顯著高于其他年份。2個處理組的年間變化不同的主要原因可能是實驗控制處理不同。本研究中，T1組接受來自移植梯度的降水和凋落物，因此T1組土壤有機碳含量的年間變化受土壤溫濕度、降水、凋落物數(shù)量與質(zhì)量的年間差異等影響[30]。T2處理組由于采用玻璃控制了自然降水和凋落物，各梯度的降水和凋落物均來自E0且等量，所以該組的土壤有機碳年間差異受各梯度的降水、凋落物數(shù)量與質(zhì)量影響較弱。因此，T1組和T2組的土壤有機碳含量年間變化趨勢存在差異。

數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同大寫字母表示不同移植梯度的有機碳含量差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母代表同一海拔不同年份間有機碳差異顯著(P<0.05)圖3 不同移植梯度的有機碳含量年間變化動態(tài)Fig.3 Changes of organic carbon content in different transplant gradient years