高寒山区地形序列土壤有机碳和无机碳垂直分布特征及其影响因素_赵玉国

210008）
地形、生物气候条件具有明显差异的青藏高原约占我国陆地面积的五分之一，
开展该地区土壤有机碳和无机碳分布特征的研究对于理解青藏高原土壤碳循环过程与陆地碳库 的精确预测以及应对全球气候变化具有重要意义。研究选取位于祁连山中段的阴、阳坡地形序 列土壤，分析了不同坡向间以及同一坡向内随海拔高度变化土壤有机碳和无机碳的垂直分布特 征及其影响因素。结果表明：阴、阳坡有机碳含量均随土壤深度增加而下降，但阳坡下降的速 率（66%～91%）明显高于阴坡（31%～77%） ；阴坡土壤中碳酸钙基本淋失，通体无机碳含量较 低（< 5.0 g kg-1） ，阳坡 B 层土壤无机碳含量是 A 层的 2 倍，表现为明显富集。阴坡和阳坡 1 m 土体总碳密度相当 （分别为 16.1～33.9 kg m-2 和 11.8～32.8 kg m-2） ， 其中， 阴坡以有机碳为主 （占 总碳密度的 82%～99%） ， 而阳坡有机碳和无机碳密度变化均较大 （分别占总碳密度的 27%～81% 和 19%～73%） 。因此，坡向是影响高寒山区土壤碳垂直分布和组成的重要因素。此外，降雨量 和植被类型对地形序列土壤有机碳和无机碳含量的空间变异也具有重要影响：降雨量每增加 1 mm，表层（0～20 cm）土壤有机碳含量增加 0.4 g kg-1，而淀积层（40～80 cm）土壤无机碳含 量下降 0.2 g kg-1；植被类型在一定程度上影响了土壤有机碳的富集程度。本研究揭示了青藏高 寒山区土壤碳循环及其碳库预测应充分考虑微地形对坡面尺度下土壤碳垂直分布、碳库组成和 空间变异的影响。 关键词 中图分类号 祁连山；地形序列；有机碳；碳酸钙；垂直分布；碳密度；降雨量 153.6 文献标识码 A

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区均得到了广泛应用。 此外， 关于土壤中有机碳和无机碳的来源及其相互耦合关系已有详细 [19-20] 论述 。尽管前人在不同空间（全球、区域、流域、田块、样点）和时间尺度（几十年至 百年）下对土壤碳循环作了大量研究，揭示了剖面分布特征[21-22]、时空变异及其影响因素[11, 23] ，估算了不同尺度下土壤碳库储量[2, 6, 19, 24]。但关于地形、生物气候条件具有明显差异的 青藏高寒山区土壤有机碳和无机碳分布特征研究较少。 青藏高寒山区约占我国陆地面积的五分之一， 因其独特的地理环境和生态系统对全球变 化极为敏感， 加强该地区土壤碳储量及其分布特征研究对于陆地碳库的精确预测和应对全球 气候变化具有重要意义[25-28]。过去的研究表明，青藏高原高山草甸土、亚高山草甸土以及亚 高山草原土有机碳密度显著高于我国其他区域[29]。Fang 等[30]估算了整个青藏高原土壤有机 碳库为 38.4 Gt（平均深度 72 cm） ，约占中国土壤有机碳库的 21%；而草地生态系统 1m 土 体无机碳库为 15.2 Gt，约占中国土壤无机碳库的 28.5%[31]。这些研究在区域尺度上揭示了 青藏高原土壤碳储量分布特征，然而在较小尺度下（如坡面尺度）土壤有机碳和无机碳的分 布特征及其影响因素的研究较少。青藏高寒山区由于受海拔高度、地形、水汽输送条件等因 素的影响，阴、阳坡成土微气候环境（水热条件）和植被类型具有明显差异[32-33]，这些因素 如何影响坡面尺度下土壤碳循环及其碳库的组成和分布目前还不清楚。 土壤地形序列为研究 [34] 山区土壤发育、演替和土壤属性变异提供了有效的手段 。 本研究选取位于祁连山中段的阴、 阳坡土壤地形序列， 分析了不同坡向间以及同一坡向 内随海拔高度变化土壤有机碳和无机碳的剖面分布特征， 探讨了地形、 生物气候条件差异对 较小区域内土壤碳分布的影响， 以期为青藏高寒山区土壤碳库的精确预测和应对全球气候变 化提供理论依据。

土 壤 学 报 ACTA PEDOLOGICA SINICA S3、S4、S5，图 1） 。阴坡植被生长状况好，气温低（< 2.0 ℃） ，生物分解弱，土壤腐殖质 积累程度高，B 层发育弱，土体较浅薄。随海拔升高，土壤类型依次为钙积暗沃寒冻雏形土 （N5） 、普通寒性干润均腐土（N4） 、普通暗沃寒冻雏形土（N3、N2）和普通简育寒冻雏形 土（N1） 。阳坡土体较深厚，碳酸钙发生季节性淋溶，淀积在土体下部形成钙积层（Bk，表 1） 。 随海拔升高， 土壤类型依次为钙积简育寒冻雏形土 （S5、 S4） 、 钙积暗沃寒冻雏形土 （S3、 S2）和钙积草毡寒冻雏形土（S1） 。研究区年均降雨量（mean annual precipitation，MAP） 和年均温度（mean annual temperature，MAT）数据来自中国科学院寒区旱区环境与工程研 究所野外台站祁连站葫芦沟流域标准气象站。 土壤剖面挖至 1.2 m 或砾石（d > 2 mm）含量（体积百分数）> 80%的土层，野外调查 和土壤描述参照《土壤发生与系统分类》[38]，按发生层采集样品并记录砾石含量，共计采 集 40 个土壤样品和 120 个环刀样品（3 次重复） 。土壤颜色（干态和润态）采用中国标准土 壤色卡比对。 土壤样品经室内自然风干后，挑去枯枝落叶、根系和砾石，按照细土样品标准制备方法 分别过 10 目、60 目和 100 目筛[39]。土壤容重采用环刀法，有机碳采用重铬酸钾-硫酸消化 容量法，无机碳和碳酸钙相当物采用气量法，pH 采用水土比 2.5:1 浸提电位法，颗粒组成采 用激光粒度仪法（Beckman Coulter LS230）[39]。全部测定指标均作全程空白实验，并采用 国家标准土壤样品（GSS-3、GSS-5 和 GSS-8）作为质量控制。
* 国家自然科学基金项目（41130530，41371224，91325301）资助 † 通讯作者，E-mail: glzhang@ 作者简介：杨 帆（1984―） ，男，四川岳池人，博士研究生，主要从事土壤地理研究。E-mail: alexyang@ 收稿日期：2015-04-22；收到修改稿日期：2015-08-17
植被类型 Vegetation 高山柳、嵩草 金露梅、嵩草 锦鸡儿、嵩草 青海云杉 嵩草、珠芽蓼 珠芽蓼 珠芽蓼、狼毒
土壤有机碳和无机碳对土壤的物理、化学和生物学性质有重要的影响[1]，在维持和改良 土壤肥力，协调土壤水、气关系，增加土壤持水性能和提高土壤生产力等方面起着重要作用 [2-4] 。同时，土壤碳库还是陆地碳库的主要组成，土壤中有机碳的封存、分解与释放以及无 机碳的积累和淋失对全球碳循环与气候变化具有重要影响[5-6]。研究表明全球 1 m 土体碳储 量约为 2 500 Gt（1 Gt = 1015 g） ，其中土壤有机碳占 60%以上（1 550 Gt）[6]。不同地区（如 热带和温带）或不同土地利用方式（如农田、森林和草地）下土壤碳储量及其剖面分布具有 明显差异[2, 7-10]，并且随着时间的演变土壤碳库及其固碳潜力也会发生变化[11-13]。土壤碳储 量及其分布受自然环境条件 （如温度、 降水、 植被类型、 土壤母质、 地形等） 和人为活动 （开 [7, 12, 14-16] 垦、放牧、烧荒、施肥、灌溉等）共同影响 。目前已经建立了多种土壤碳循环和碳 动态变化模型，如 CENTURY、ROTHC、CANDY、DNDC、DAISY 等[17-18]，并且在不同地
图 1 祁连山中段阴坡葫芦沟流域和阳坡石头沟流域土壤地形序列示意图 Fig. 1 Schematic of soil toposequences on the north slope (the Hulugou watershed) and the south slope (the Shitougou watershed) of the middle Qilian Mountains 表 1 祁连山中段阴坡葫芦沟流域和阳坡石头沟流域土壤地形序列采样信息 Table1 Information of soil sampling along the soil toposequences in the Hulugou watershed (north slope, N) and the Shitougou watershed (south slope, S) in the middle Qilian Mountains 剖面 Soil profile N1 N2 N3 N4 N5 S1 S2 海拔 Elevation (m) 3 682 3 539 3 304 3 264 3 008 3 498 3 257 年均降雨量 MAP (mm) 524 506 478 473 442 476 449 年均温度 MAT (℃ ) -2.1 -1.2 0.1 1.4 1.8 -1.0 0.4
1 材料与方法
1.1 研究区概况 研究区位于青藏高原东北缘黑河大峡谷两岸葫芦沟流域（ 38°12′14″ ～ 38° 16′23″ N ， 99° 50′37″～99° 53′54″ E， 阴坡） 和石头沟流域 （38° 15′59″～38° 17′12″ N， 99° 53′11″～99° 54′11″ [35-36] E，阳坡） 。两个流域的地形和生态景观差异很大。葫芦沟流域地质构造属于晚近运动 强烈隆升区，地层由第四系松散地层和前新生界基岩组成，上覆薄层残坡积物，山前平原以 上更新统冲洪积砂砾石层为主，主导坡向为阴坡。多年平均温度为-3.1～3.6 ℃，昼夜温差 大，年均降雨量为 430～650 mm，属大陆性高寒山区气候[35-36]。植被类型随海拔高度由低 至高依次为山地森林草原带（2 980～3 300 m） 、亚高山灌丛草甸带（3 300～3 、寒漠带和冰川（> 4 000 m） 。乔木树种主要为青海云杉（Picea crassiflolia Kom.） ，灌丛包括鬼箭锦鸡儿（Caragana jubata (Pall.) Poir.） 、金露梅（Potentilla fruticosa L.） 、银露梅（Potentilla glabra Lodd.）和高山柳（Salix cupularis Rehd.）等，草本 包括线叶嵩草 （Kobresia capillifolia (Decne.) C. B. Clarke.） 、 珠芽蓼 （Polygonum viviparum L.） 等（表 1） 。阳坡石头沟流域，多年平均温度为-2.0～4.5 ℃，年均降雨量为 380～550 mm， 海拔介于 2 950～3 600 m 之间为稀疏干草原，高于 3600 m 为陡峭山体。植被类型主要包括 甘青针茅（Stipa przewalskyi Roshev.） 、狼毒（Stellera chamaejasme L.） 、珠芽蓼和线叶嵩草 [37] 等（表 1） 。研究区成土母质包括黄土、残坡积物和洪积物等 。 1.2 样品采集与分析 2012 年 8 月， 考察了研究区的地形、 地貌和植被类型， 于海拔 2 950～3 700 m 范围内， 以坡向为基础，综合考虑海拔、植被类型和坡度等因素，在阴坡葫芦沟流域和阳坡石头沟流 域分别选取了由 5 个代表性土壤剖面组成土壤地形序列 （N1、 N2、 N3、 N4、 N5 和 S1、S2、