黃河源區(qū)高寒草甸凸斑地對土壤團(tuán)聚體固碳效應(yīng)的影響

馬占明，張永坤，李希來

(1.青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海 西寧 810016； 2.省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海大學(xué)，青海 西寧 810016； 3.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

在全球變暖的氣候背景下，面積廣大且凍土廣布的青藏高原是全球氣候變暖的敏感區(qū)，并成為研究全球碳排放的熱點與關(guān)鍵區(qū)域[1]。因土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)儲量最大的活躍碳庫，高寒草甸又是青藏高原的主要生態(tài)類型，高寒草甸土土壤碳排放成為科研工作者的研究重點[2]。又因土壤團(tuán)聚體對土壤碳具有物理保護(hù)機(jī)制[3]，研究高寒草甸退化對土壤團(tuán)聚體固碳效應(yīng)的影響成為闡釋高寒草甸土壤碳排放機(jī)制不可或缺的環(huán)節(jié)。在青藏高原地區(qū)，針對高寒草甸退化對土壤固碳效應(yīng)的研究僅分布在川西北的若爾蓋高寒草地[4-6]和藏北高原地區(qū)[7]。江仁濤等[4]和陳秋捷等[5]在川西北若爾蓋高寒草地僅針對土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨高寒草地退化，土壤大團(tuán)聚體減少，土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑降低，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，但關(guān)于土壤團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制并未提及。蔡曉布等[7]在藏北高寒草原針對土壤團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨高寒草地退化，不同團(tuán)聚體粒級的土壤有機(jī)碳濃度顯著下降，但未對土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性進(jìn)行研究。不同粒級土壤團(tuán)聚體比例與團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的耦合關(guān)系是土壤固碳能力研究的一個關(guān)鍵方面，上述研究并未對二者進(jìn)行系統(tǒng)研究。黃河源區(qū)高寒草甸分布廣泛，關(guān)于高寒草甸退化對土壤團(tuán)聚體固碳效應(yīng)的研究尚未發(fā)現(xiàn)，更未見不同粒級土壤團(tuán)聚體比例與團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的耦合關(guān)系研究。

黃河源區(qū)是三江源區(qū)中草地退化最為嚴(yán)重的區(qū)域[8～9]。高寒草甸是黃河源區(qū)草地退化的主要植被類型[10-13]。斑塊化是黃河源區(qū)草地退化的主要空間特征[9]。相較于連片的極度退化的黑土灘，凸斑地在高寒草甸上的鑲嵌分布是更普遍更廣泛的空間分布形式[14]。因此，本研究以高寒草甸凸斑地為研究對象，分析高寒草甸凸斑地對土壤團(tuán)聚體分布特征、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳濃度和儲量的影響，借此明晰高寒草甸凸斑地對土壤團(tuán)聚體固碳效應(yīng)的影響機(jī)制，以期為青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)機(jī)理提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地位于青海省黃南藏族自治州河南蒙古族自治縣。該縣地理坐標(biāo)位置為北緯34°05′52″～34°56′36″，東經(jīng) 100°53′06″～102°16′12″。全縣海拔3 600～4 200 m，地形東北高、西南低，主要包括灘地、丘陵、低山與高山4類地貌類型。氣候類型為高原大陸性氣候，每年5～10月份溫暖、多雨，11月至翌年4月寒冷、干燥、多大風(fēng)天氣。年均氣溫-1.3～1.6 ℃，年降水量597.1～615.5 mm。

該區(qū)域主要植被類型為以嵩草屬為主的高寒草甸，原生植被主要為矮嵩草(Kobresiahumilis)、線葉嵩草(Kobresiacapillifoliae)和高山嵩草(Kobresiapygmaea)等[15]。土壤類型以高寒草甸土為主，土壤中有機(jī)質(zhì)含量豐富、土壤潛在肥力高，但因高寒缺氧，土壤微生物活動微弱，營養(yǎng)物質(zhì)流轉(zhuǎn)率低，周轉(zhuǎn)時間長，供肥效能差[15]。研究區(qū)分布大量的高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)和高原鼢鼠(Eospalaxbaileyi)。因高原鼠兔和高原鼢鼠等多圍繞其洞穴采食與活動，導(dǎo)致該地區(qū)高寒草甸出現(xiàn)大量的裸土斑塊[14](圖1)。

圖1 凸斑地在高寒草甸上的鑲嵌分布(35 m×45 m航拍照片)Fig.1 Mosaic distribution of bare soil patches on alpine meadow(35 m×45 m aerial photo)

1.2 樣品采集

由圖1可知，凸斑地在高寒草甸上呈鑲嵌分布。圖2為凸斑地示意圖。本研究中，在200 m×200 m 的高寒草甸樣方內(nèi)，隨機(jī)選取30個裸土斑塊布設(shè)樣點，樣點設(shè)于裸土斑塊中心，并在裸土斑塊外2 m處的天然高寒草甸設(shè)置18個樣點作為對照，共48個樣點。每個樣點分0～20 cm和20～40 cm土層采集土壤樣品，共96個樣品，樣品供測定土壤團(tuán)聚體。此外，在以上相同位置，用環(huán)刀采集土樣測定土壤容重，共96個環(huán)刀土樣。其中，團(tuán)聚體樣品的采集利用根鉆法[16]，根鉆內(nèi)徑為9 mm；容重樣品采集通過環(huán)刀法，環(huán)刀體積為100 cm3。

圖2 凸斑地示意圖Fig.2 Schematic diagram of bare soil patch

1.3 指標(biāo)測定

利用濕篩法[16]對土壤團(tuán)聚體進(jìn)行測定。團(tuán)聚體分級標(biāo)準(zhǔn)參考研究土壤團(tuán)聚體的國際知名學(xué)者SIX的權(quán)威分類標(biāo)準(zhǔn)[17]，將土壤團(tuán)聚體分為>0.25 mm的大團(tuán)聚體、0.053～0.25 mm的微團(tuán)聚體和<0.053 mm的粉黏粒。具體方法：稱取過8 mm篩的風(fēng)干土樣100 g，將樣品放置于孔徑自上而下為0.25 mm和0.053 mm的套篩上，先用水緩慢濕潤后，再放入水中，在整個套篩處于最下端時，最頂層篩的上邊緣保持低于水面，豎直上下振蕩5 min；收集各級篩層團(tuán)聚體并分別轉(zhuǎn)移至鋁盒中，由于>2 mm和0.25～2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中含有較多的根系，在烘干前仔細(xì)剔除可見根系，然后，以40 ℃烘干稱重，計算得到各級團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比。土壤有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀外加熱氧化法。土壤有機(jī)碳供測土樣為通過濕篩>0.25 mm的大團(tuán)聚體、0.053～0.25 mm的微團(tuán)聚體和<0.053 mm的粉黏粒。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性 水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性主要通過平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)表征，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

1.4.2 各粒級團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳儲量 在0～20 cm和20～40 cm土層，大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒組分有機(jī)碳儲量的計算公式如下：

Stocks ofOCi=Mi×OCi

(4)

(5)

其中：Mi表示單位面積內(nèi)第i團(tuán)聚體組分土壤的質(zhì)量(kg/m2)，OCi表示第i團(tuán)聚體組分土壤有機(jī)碳的濃度(g/kg)，D表示土層厚度(cm)，BD表示土壤容重(g/cm3)，wi是第i級團(tuán)聚體占所有團(tuán)聚體質(zhì)量之和的比例(%)。

統(tǒng)計分析采用SPSS 22.0進(jìn)行，作圖利用Origin 16.0進(jìn)行。使用雙因素方差分析檢測土層深度和高寒草甸退化程度對土壤團(tuán)聚體含量、土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度和儲量的主體和交互效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體分布特征

由圖3可知，在0～20 cm土層，天然高寒草甸的平均土壤大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒的質(zhì)量分配比例依次為70.1%、19.4%和6.9%，凸斑地依次為62.0%、25.2%和9.3%。與天然高寒草甸相比，凸斑地導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體減少，土壤微團(tuán)聚體和粉黏粒顯著增加(P<0.05)；在20～40 cm土層，凸斑地對土壤團(tuán)聚體含量的影響呈現(xiàn)類似的規(guī)律，但土壤微團(tuán)聚體和粉黏粒含量的增加趨勢并不存在顯著水平(P>0.05)。由表1可知，不考慮其他因素，土層深度和高寒草甸凸斑地的出現(xiàn)均可以對土壤大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒分配質(zhì)量、分配比例產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)，且土壤深度和高寒草甸的退化對土壤大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒含量存在交互效應(yīng)(P<0.05)。

圖3 高寒草甸凸斑地引起的土壤團(tuán)聚體分布特征變化Fig.3 Distribution characteristics of soil aggregates induced by bare soil patches in alpine meadow

表1 土壤團(tuán)聚體與團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的雙因素方差分析Tab.1 Two-way ANOVA of soil aggregates and organic carbon in aggregates

表1(續(xù))

2.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

圖4為高寒草甸凸斑化后MWD、GMD和D的變化情況。

圖4高寒草甸凸斑化帶來的團(tuán)聚體MWD、GMD和D的變化Fig.4Variations of MWD,GMD and D of soil aggregates induced by bare soil patches in alpine meadow

隨高寒草甸退化為凸斑地，在0～20 cm土層，土壤團(tuán)聚體的MWD由1.94 mm降至1.73 mm，呈顯著降低趨勢(P<0.05)(圖4a)；而在20～40 cm土層，MWD由1.92 mm降至1.83 mm，降幅略小于0～20 cm的表土層，但仍呈顯著下降趨勢(P<0.05)(圖4b)。在0～20 cm土層，天然高寒草甸與凸斑地的GMD分別為1.07 mm和0.81 mm，二者存在顯著差異(P<0.05)；在20～40 cm土層，天然高寒草甸與凸斑地的GMD分別為1.02 mm和0.88 mm，降幅雖減少，但仍呈顯著水平(P<0.05)(圖4c和4d)。0～20 cm土層天然高寒草甸的平均土壤團(tuán)聚體D由2.46上升至2.54，并呈顯著水平(P<0.05)(圖4e)；而20～40 cm土層，天然高寒草甸與凸斑地的平均土壤團(tuán)聚體D并不存在顯著差異(P>0.05)(圖4f)。

2.3 土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳濃度

由圖5可知，在相同土層，無論天然高寒草甸還是凸斑地，其土壤大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒的有機(jī)碳濃度均無顯著差異(P>0.05)。并且天然高寒草甸和凸斑地同一粒級團(tuán)聚體組分同樣不存在有機(jī)碳濃度的差異(P>0.05)。但是，天然和退化高寒草甸的有機(jī)碳濃度存在顯著的土層差異(P<0.05)(表1)。0～20 cm土層大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒平均有機(jī)碳濃度分別是40.9、39.5、32.0 g/kg；20～40 cm土層，三者的平均有機(jī)碳濃度依次是20.3、18.3、17.8 g/kg。

圖5 天然高寒草甸與凸斑地土壤有機(jī)碳濃度的差異比較Fig.5 Comparison of concentration of soil organic carbon between natural alpine meadow and bare soil patches in alpine meadow

2.4 土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳儲量

由圖6可知，在0～20 cm土層，隨天然高寒草甸退化為凸斑地，大團(tuán)聚體內(nèi)平均有機(jī)碳儲量由51.1 g/m2降至46.3 g/m2，并存在顯著差異(P<0.05)；微團(tuán)聚體和粉黏粒內(nèi)平均有機(jī)碳儲量分別由11.6 、3.9 g/m2升至 18.1、5.3 g/m2，并呈顯著上升水平(P<0.05)；而對于20～40 cm土層，大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒的平均有機(jī)碳儲量并未隨凸斑地存在顯著變化(P>0.05)。由表1可知，土層對大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒的有機(jī)碳儲量具有極顯著的影響(P<0.05)，而高寒草甸凸斑地的出現(xiàn)對微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體的有機(jī)碳儲量具有顯著影響(P<0.05)。

圖6 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳儲量隨高寒草甸退化為凸斑地的變化Fig.6 Variations of organic carbon storage of soil aggregate with the degradation of alpine meadow to bare soil patches

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性

與天然高寒草甸相比，凸斑地導(dǎo)致>0.25 mm 土壤大團(tuán)聚體顯著減少，<0.25 mm土壤微團(tuán)聚體和粉黏粒顯著增加(P<0.05)。該結(jié)果與川西北高寒草地的相關(guān)研究結(jié)果較為接近,說明川西北天然高寒草地與黃河源區(qū)天然高寒草甸的土壤團(tuán)聚體分布特征基本一致。隨高寒草甸退化為凸斑地，20～40 cm土層中，>0.25 mm土壤大團(tuán)聚體和<0.25 mm土壤微團(tuán)聚體、粉黏粒的變化規(guī)律與0～20 cm表層土一致，基本不呈顯著水平。該結(jié)果表明，在20～40 cm土層，高寒草甸凸斑地僅輕微影響土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分配比例，影響并不顯著。但在川西北高寒草地的研究中，即使高寒草地的輕度退化也已經(jīng)顯著影響了20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體的分布，并且導(dǎo)致20～40 cm土層土壤大團(tuán)聚體的占比由58.75%～58.83%降至25.48%～28.49%[4-5]。由于土壤團(tuán)聚體MWD和GMD是表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，在0～20 cm土層，隨高寒草甸退化為凸斑地，土壤團(tuán)聚體的MWD由1.94 mm降至1.73 mm，呈顯著降低趨勢(P<0.05)，這表明天然高寒草甸具有更高的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。在川西北若爾蓋高寒草地的研究同樣體現(xiàn)了這一點[5]。在由天然草地向極度退化草地的轉(zhuǎn)變過程中，MWD顯著下降。對比二者可知，黃河源區(qū)高寒草甸和凸斑地的MWD明顯高于川西北若爾蓋高寒草地[5]。這可能與兩地土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異有關(guān)。因為土壤有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成的關(guān)鍵膠結(jié)劑，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，越有利于土壤團(tuán)聚體的形成，越易于提高土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑，從而提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[17]。在20～40 cm土層，天然高寒草甸和凸斑地的GMD分別為1.02 mm和0.88 mm，降幅減少但仍呈顯著水平。這可能是因為相較于0～20 cm表土層，高寒草甸凸斑化對20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響程度已經(jīng)相對較弱。此外，隨高寒草甸退化為凸斑地，0～20 cm土層高寒草甸的平均土壤團(tuán)聚體D由2.46上升至2.54，并呈顯著水平。在川西北高寒草地[6]的研究中，隨高寒草地退化，平均土壤團(tuán)聚體D同樣保持顯著上升趨勢，但具有更高的上升幅度。

3.2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度與儲量

在相同土層，針對土壤大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒組分，天然高寒草甸與凸斑地的有機(jī)碳濃度均無顯著差異。針對若爾蓋高寒草地的研究相關(guān)發(fā)現(xiàn)，無論天然還是重度退化高寒草地，其不同粒級土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳濃度均存在顯著差異[6]。并且天然高寒草甸和凸斑地同一團(tuán)聚體組分同樣不存在有機(jī)碳濃度的顯著差異，這說明高寒草甸凸斑地的出現(xiàn)并未引起土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳濃度的變化。在若爾蓋高寒草地的研究中發(fā)現(xiàn)，高寒草地退化導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度顯著降低[6]。而在西藏高寒草原的研究發(fā)現(xiàn)，相較于天然高寒草原，嚴(yán)重退化的高寒草原各個團(tuán)聚體組分的有機(jī)碳濃度均出現(xiàn)顯著下降[7]。這可能是因為在本研究中，凸斑地鑲嵌分布在高寒草甸中，并未形成成片的黑土灘，因此草甸退化并未發(fā)展到極端退化的程度。本研究還發(fā)現(xiàn)，各團(tuán)聚體組分的有機(jī)碳濃度存在顯著的土層差異。這主要是因為不同土層根系分布差異明顯，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳輸入源的差異[18]。在0～20 cm土層，隨天然高寒草甸退化為凸斑地，>0.25 mm土壤大團(tuán)聚體內(nèi)平均有機(jī)碳儲量顯著下降；而<0.25 mm土壤微團(tuán)聚體和粉黏粒平均有機(jī)碳儲量顯著上升。而對于20～40 cm土層，大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒的平均有機(jī)碳儲量并未隨草甸退化為凸斑地存在顯著變化。這主要取決于伴隨高寒草甸退化為凸斑地，土壤團(tuán)聚體分配比例和各組分團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳濃度的變化[18]。本研究中，鑒于土壤各團(tuán)聚體組分的有機(jī)碳濃度并未伴隨草甸退化發(fā)生顯著變化(P>0.05)，決定土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳儲量的主導(dǎo)因素是各組分土壤團(tuán)聚體的占比變化。0～20 cm土層土壤大團(tuán)聚體顯著增加，土壤微團(tuán)聚體和粉黏粒顯著減少；20～40 cm土層土壤大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏?；緹o顯著變化。

綜上所述，相較于連片的極度退化的高寒草甸黑土灘，凸斑地在高寒草甸上的鑲嵌分布是高寒草甸退化空間上更為普遍和廣泛的退化形式，因而，其對土壤團(tuán)聚體固碳效應(yīng)的影響同樣不可忽視和低估。本研究發(fā)現(xiàn)，隨高寒草甸凸斑地的出現(xiàn)，高寒草甸土的土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑顯著降低(P<0.05)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。與天然高寒草甸相比，凸斑地的大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉黏粒的有機(jī)碳濃度并無顯著差異(P>0.05)。凸斑地對土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳儲量的影響基本局限在0～20 cm土層，對20～40 cm土層的影響并不顯著(P>0.05)。而土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳儲量主要受到土壤團(tuán)聚體粒級分布的影響。