三江源凍土區淺層土壤有機碳及其氧化穩定性特征

孫豐豪，張志春，蔣平安，楊 凱，周少龍

（1.新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052；2.青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧 810001；3.青海大學，青海 西寧 810016）

0 引言

凍土是溫度低于0 ℃并出現凍結現象的土壤（或地表疏松層）。活動層則是隨季節轉換而發生周期性凍融的凍土類型，其年平均氣溫高于0 ℃，受土壤性質影響較大［1-2］。三江源氣候屬青藏高原氣候系統，年平均氣溫低，無明顯四季之分，淺層土壤（0～40 cm）是隨冷暖季節轉換而發生凍融的活動層。凍土區淺層土壤有機碳的數量與質量關系到季節轉換時土壤與大氣之間的熱量交換，影響著凍土的發育、保護和退化。土壤有機碳氧化穩定性能夠反映成土條件及過程［3］，是衡量土壤有機碳抗氧化能力的重要指標。氧化穩定性系數（Kos）是土壤有機碳氧化穩定性的量化指標，其數值越大土壤有機碳就越穩定。土壤有機碳氧化穩定性的變化主要發生在易氧化分解的部分，不同氧化程度有機碳的占比能直觀地反映出土壤有機碳分解的難易程度［4］。根據土壤有機碳氧化的難易程度可劃分為四個不同組分（Fraction 1～4）：高氧化活性有機碳（F1）、中氧化活性有機碳（F2）、低氧化活性有機碳（F3）和難氧化活性有機碳（F4）［5］。各組分的多寡共同決定著土壤有機碳氧化穩定性的大小。

三江源平均海拔在4 000 m以上，凍土分布廣泛，自西向東土壤類型逐漸由草甸土轉變為草原土，土壤有機碳含量較高［6］，特殊的地理位置及氣候條件使得凍土區淺層土壤有機碳對環境變化極為敏感［7-9］。復雜的大尺度區域研究，樣點稀疏且高寒地區惡劣的自然環境又加大了工作難度，使得土壤樣品采集困難且容易出現誤差，傳統土壤制圖難以對有機碳特征做出精準反映［10］。數字土壤制圖基于環境協變量來定量土壤景觀模型和柵格數據，能克服傳統土壤調查制圖僅利用斑塊的局限性，多種因素綜合考慮，在一定程度上可弱化外界條件影響并減少誤差，較準確反映出土壤性質的變化，已在青藏高原農耕區廣泛應用于碳、氮分布等研究［11-16］。本文采用隨機森林模型對三江源凍土區淺層土壤有機碳氧化穩定性分布特征進行解析，探索其分布規律和對環境的響應。

1 研究區概況

三江源（31°39′～36°16′ N，89°24′～102°23′ E）總面積為36.37×104km2，季節凍土和多年凍土鑲嵌分布［7］。全區以山地地貌為主，最低海拔3 335 m，最高海拔6 564 m，平均海拔4 400 m左右，相對高差3 229 m［17］。全區平均植被覆蓋度為48.73%，自東南至西北遞減，草甸、高山亞高山草甸、平原草原、高山亞高山草原和荒漠草原的平均植被覆蓋度分別為59.86%、57.39%、39.50%、33.70%和14.13%［18］。

2011—2019 年間全區年均氣溫為0.9 ℃，年均降水量475.50 mm，年均日照時數為2 622.62 h，氣溫低、降水少但日照充足。年均氣溫、年均降水量呈自東南向西北逐漸降低的特征，年均日照時數呈自東南向西北逐漸升高的特征（圖1）。

圖1 2011—2019年三江源地區水熱、日照條件Fig.1 Water，heat and sunshine conditions in Three River Source Region from 2011 to 2019：average annual air temperature（a），precipitation（b）and sunshine hours（c）

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測定

采樣點布設以中國1∶1 000 萬凍土區劃及類型圖、1∶100 萬土壤圖、青海省土壤普查資料、青海省行政區劃圖和青海省交通圖為依據，在能代表當地及植被類型的平坦地區布設采樣點采樣，樣點共86個，間距在30～100 km之間（圖2）。

圖2 三江源地區土壤采樣點空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil sampling points in Three River Source Region

確定采樣點后，在能夠代表本地植被特征且相對平坦區域按100 m×100 m 的樣方布置樣點，按“X”形5 點采樣，采集0～40 cm 或至冰磧物的土壤。樣品撿去石塊等雜物后，用四分法保留1 kg 布袋封裝帶回實驗室陰涼處自然風干。將風干土再次混勻，以四分法分出150～200 g，仔細揀出枯枝落葉、礫石、植物根系等雜物后，研磨過0.25 mm 篩待測。

對于土壤有機碳氧化穩定性的測定，普遍采用強酸加不同濃度氧化劑分別在一定溫度下氧化土壤，由此來獲得有機碳不同的氧化量，常用的氧化劑有K2Cr2O7和KMnO4。本文采用不同濃度梯度的硫酸-重鉻酸鉀溶液在不同溫度下氧化土壤（對同一樣品分別稱取5 份相同的量）獲取相應條件下土壤有機碳的氧化量，確定各級氧化活性組別的絕對量，據此計算各組別的相對含量和氧化穩定性系數。用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示不同的氧化強度，序號越高氧化能力越弱［19］。不同的氧化強度條件如下：

定義高氧化活性有機碳F1=Ⅴ，中氧化活性有機碳F2=Ⅳ-Ⅴ，低氧化活性有機碳F3=Ⅲ-Ⅳ，難氧化活性有機碳F4=Ⅰ-Ⅲ［20-21］；土壤有機碳含量TOC=Ⅰ；氧化穩定性系數Kos=（F3+F4）/（F1+F2）。

2.2 制圖參數

隨機森林是多個決策樹集成的機器算法，各決策樹之間沒有關聯，模型的最終輸出由每一棵決策樹共同決定［22-23］。模型采 用ruby 中 的Random Forest 實現，ntree（決策樹數量）為500，隨機抽樣選取70%為訓練集，余下為測試集，預測結果采用自然裂隙法分階，利用ArcGIS 制圖［21］。本模型中2011—2019 年的年均降水量、日照時數、年均溫和采樣點海拔等環境變量數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心，DEM 數據來源于地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn）。

2.3 結果評估

用goof 函數進行交叉驗證驗證得出決定系數（R2）、一致性系數（CC）、平均誤差（ME）和均方根誤差（RMSE）作為模型預測結果評估指標，公式［24］為

式中：N為建模樣點的個數；p(xi)為建模樣點的觀測值；v(xi)為建模樣點的模擬值；為樣點觀測值的均值；為模擬值的均值為建模樣點觀測值的方差為建模樣點模擬值的方差。

3 結果與分析

3.1 樣品數據統計

采樣結果表明，三江源凍土區TOC 在5.27～157.35 g·kg-1之間，均值為（33.00±17.51）g·kg-1。不同氧化程度有機碳含量差異顯著（P＜0.05），均值F4 最高，F3 均值最低，分別為18.15 g·kg-1、3.88 g·kg-1，氧化穩定性系數（Kos）在0.44～2.92之間，均值為1.41（表1）。

表1 采樣點土壤有機碳（TOC、F1～F4、Kos）Table 1 Soil organic carbon（TOC，F1～F4，Kos）at sampling points

3.2 環境變量相關性分析

除海拔與Kos間不相關外，環境各變量與土壤有機碳總量、不同氧化難易程度組分以及Kos間均具有相關性，據此在隨機森林建模時對Kos的預測剔除海拔變量，其余均作為協同變量對土壤有機碳進行預測［25］（表2）。

表2 采樣點土壤有機碳（TOC、F1～F4、Kos）與環境變量的相關系數Table 2 Correlation coefficient between soil organic carbon（TOC，F1～F4，Kos）and environmental variables at sampling points

3.3 制圖結果評估

預測結果中決定系數（R2）均在0.54 以上，模型對上述六種有機碳屬性有54%的解釋度。一致性系數（CC）均大于0.58，預測值與實際值一致性較高。除TOC 預測結果均方根誤差（RMSE）為14.02、F4 預測結果均方根誤差（RMSE）為9.18 之外，其余預測結果均方根誤差皆小于2.90。隨機森林模型能較好地對土壤有機碳進行預測，并對其變異性有較為精準的反映（表3）。

表3 土壤有機碳（TOC、F1～F4、Kos）預測值交叉驗證結果Table 3 Cross-validation results of soil organic carbon（TOC，F1～F4，Kos）prediction values

3.4 土壤有機碳制圖結果

TOC 經度地帶性特征明顯，高值區分布在三江源東部（100°00′～102°23′ E）和中部（96°30′～97°30′ E），西部（90°00′～95°00′ E）低值區分布廣泛。

F1相對含量（F1/TOC，下同）在9.75%～24.03%之間，高值區分布在東北一隅（34°50′～36°10′ N，100°00′～101°27′ E）并向西遞減至低值區（32°30′～33°25′ N，98°20′～101°27′ E），中 部（95°00′～97°30′ E）F1占比適中，在12.93%～19.27%之間，西部（90°00′～95°00′ E）多為低值區分布。

F2 相對含量在5.34%～30.62%之間，同F1 相近，高值區分布在東北一隅，但向西F2 占比降幅度小于F1，中部（95°00′～97°30′ E）F2 占比適中，西部偏低，自東向西逐漸遞減。

F3 相對含量在4.15%～30.21%之間，與F1、F2不同，西部（90°0′～94°40′ E）F3高值區廣泛分布，中部（94°40′～98°30′ E）低值區廣泛分布，中值區在東部（98°30′～101°27′ E）廣泛分 布且東 北一隅（34°50′～36°10′ N，100°00′～101°27′ E）F1、F2 的高值區反而是F3的中值區。

F4相對含量在34.71%～65.19%之間，同F1、F2相近，僅在東北一隅存在小范圍高值區，依次向西遞減，低值區分布廣泛。

Kos在0.77～2.60 之間，東 北一隅（32°30′～35°25′ N，100°20′～101°27′ E）和西北（34°30′～35°25′ N，92°30′～94°47′ E）存在部分高值區，低值區偏向南部分布。北高南低，地帶性特征并不突出（圖3）。

圖3 三江源土壤有機碳（TOC、F1/TOC～F4/TOC、Kos）空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon（TOC，F1/TOC～F4/TOC，Kos）in Three River Source Region

3.5 環境變量貢獻率分析

節點純度（IncNodePurity）是隨機森林用于回歸過程中殘差的平方和，定量地反映了環境因子在預測過程中所占權重，其數值越大貢獻率越高，越小則反之。

TOC、F1/TOC、F2/TOC、F4/TOC 節點純度中年均降水量最大，在預測過程中起主導作用，年均日照時數和年均溫次之。但F3/TOC 節點純度年均降水量次于海拔和年均日照時數、Kos節點純度年均日照時數超越了年均降水量成為主導因素。可見盡管土壤有機碳主要受溫度和降水的影響［18］，但本模型預測結果顯示，除了降水，日照時數也是影響其變化的主要因素之一，溫度反而略顯次要（圖4）。

圖4 土壤有機碳（TOC、F1～F4、Kos）預測結果的節點純度Fig.4 Nodal purity of soil organic carbon（TOC，F1～F4，Kos）prediction results

4 討論

根據研究對象的屬性確定模型、選定協同變量是數字化制圖的特點［26-27］。基于此，本模型在對Kos預測時選用了年均降水量、年均氣溫、年均光照時數三個環境變量，剔除了海拔變量。考慮到水熱、光照等條件對土壤的影響是均質單一的，而海拔不僅能對局部氣候造成影響，甚至能改變小尺度區域的土壤環境，進而影響土壤理化性質［28-30］，因此不能片面地認為海拔對Kos沒有影響，僅能說明海拔對模型中Kos的預測結果貢獻有限。

溫度和降水是影響土壤有機碳變異的主要因素［31-34］。預測結果顯示，降水、日照時數對凍土區淺層土壤有機碳的貢獻更大，溫度卻略顯次要。其原因可能是研究區海拔較高、氣溫常年偏低、年際變化小，雖然內部不同自然地帶間雖然溫度存在一定差異，但由于整體氣溫偏低，使得溫度不再是自然地帶性差異最顯著的氣候因子，而降水量和日照時數則通過影響植物的分布和生長而對土壤有機碳含量和氧化穩定性產生間接影響［6］。

不同氧化難易程度組分影響著土壤有機碳的理化性質，其與土壤有機碳含量的占比反映了土壤有機碳的組成和狀態［33-35］。與高寒地區低溫少雨特性有關，三江源凍土區淺層土壤難氧化活性有機碳組分占比（F4/TOC）最高，而低氧化活性有機碳組分占比（F3/TOC）最低，前者對土壤有機碳的氧化穩定性的影響最大，后者最小。全區自東南向西北隨著海拔升高、氣候的變化，土壤類型逐漸由草甸土向草原土過渡，植被覆蓋度也隨之降低，同時海拔等因素也對局部小氣候造成不可忽視的影響。在種種因素共同作用下，不同氧化難易程組分有著不同的分布特征。F1/TOC、F2/TOC、F4/TOC 自東向西遞減地帶性特征明顯，TOC 階梯性遞減，中部地區偶有升高；水熱光照條件良好且草甸土廣泛分布的東北一隅不僅是TOC 的高值區，也是F1/TOC、F2/TOC 和F4/TOC 較高的區域。氣候寒冷干燥、植被覆蓋度低且以草原土為主導的西部地區TOC、F1/TOC、F2/TOC 和F4/TOC 都較低，F3/TOC 卻較高。中部TOC 高值區有機碳組分分布表現出了較大差異（F3 相對含量更低），其原因可能是中部高寒草甸、草原鑲嵌分布，植被種類相對豐富，加快了低氧化活性有機碳的轉化，也正是這種各組分間的分布差異導致了Kos和TOC 在大尺度范圍內變異性的產生。

作為具有較為綜合性質的土壤有機碳氧化穩定性系數（Kos），數字制圖結果顯示全區Kos處于較高水平。三江源低溫少雨的氣候特征導致土壤有機碳活性較低、分解較慢，同時也意味著冷、干的環境有利于凍土區淺層土壤有機碳的長期賦存。

與中國以水熱為主要成土條件的地帶性土壤有機碳氧化穩定性由南到北升高的情形類似［36-37］，三江源凍土區淺層土壤有機碳氧化穩定性基本呈現北高南低的分布特征。隨著年均降水和氣溫自東南向西北的逐漸降低和日照時數的逐漸增加，Kos的經向地帶性特征不及不同氧化難易程度組分（F1、F2、F3 和F4）的分異明顯，這應當是三江源凍土區淺層土壤有機碳氧化穩定性對環境的客觀響應，也是土壤有機碳受不同氧化穩定性組分協同影響的具體體現。

5 結論

基于實驗數據與2011—2019 年氣候資料，采用隨機森林模型對三江源凍土區淺層土壤有機碳氧化穩定性進行了多要素數字化制圖，得出以下結論：

（1）三江源凍土區淺層土壤有機碳受降水和日照時數影響較大，溫度對其作用有限。

（2）三江源凍土區淺層土壤有機碳不同氧化難易程度組分分布各異，除低氧化活性有機碳組分（F3）外，其余組分隨水熱條件的地帶性變化而變化。

（3）三江源凍土區淺層土壤有機碳氧化穩定性系數總體呈北高南低的特征，其地帶性特征表征力度不及各不同氧化難易程度組分。