青藏高原表土有机碳、全氮含量分布及其影响因素

张亚亚 ，郭颖 ，刘海红 ，刘胤序 ，刘小龙，李军*

1. 深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，广东 深圳 518071；2. 天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387；3. 天津师范大学地理与环境科学学院，天津 300387；4. 深港产学研基地（北京大学香港科技大学深圳研修院），广东 深圳 518071

土壤是陆地生态系统中最大的碳库，其有机碳占整个陆地生态系统碳库的 2/3（Schlesinger，1990），约为植物碳库的3倍、大气碳库的2倍（Post et al.，1990）。氮元素作为生物生命活动所必需的大量元素之一，其贮量和分配影响陆地生态系统的结构、功能及生产力水平（Paolo et al.，2009；Vitousek et al.，2002）。土壤有机碳（SOC，soil organic carbon）库、全氮（TN，total nitrogen）库及其排放，对大气中CO2、CH4、N2O等温室气体浓度影响巨大，从而影响全球气候变化（Ding et al.，2017）。土壤碳氮比（ω(C)/ω(N)）值是表征土壤有机碳氮积累过程及土壤质量变化的指标，也是反映土壤微生物群落结构特征的重要标志（Zhang et al.，2003；Xiao et al.，2003），因此，了解土壤有机碳、全氮及碳氮比值对理解陆地生态系统碳、氮循环具有重要意义。

青藏高原地域辽阔，东西跨 31个经度，南北跨13个纬度，平均海拔在4000 m以上。海拔高、温度低的极端环境使植被和土壤对气候变化的响应极为敏感，加之纬度跨度大，受人类活动影响小，青藏高原成为研究生态系统对气候变化响应与适应机制的天然实验室，有全球气候变化的“放大器”和“驱动器”之称。

近年来，国内外学者对青藏高原高寒草甸、高山草原等植被类型的土壤碳氮含量及碳氮比值进行了大量研究（王文颖等，2006；李元寿等，2009；王建林等，2014），但对青藏高原多种植被类型土壤碳氮含量的横向比较研究较少。因此，本文针对青藏高原东部地区不同植被类型、不同海拔的表土展开系统研究，分析青藏高原土壤有机碳、全氮及碳氮比值的分布特征及影响因素，揭示青藏高原碳氮含量在不同植被类型间的差异，为青藏高原土壤碳氮含量对环境因子的响应研究提供基础的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区集中分布于青藏高原地区，采样点设置在青藏公路沿线。研究区涉及范围较广，气温随纬度、经度、高程变化差异明显，再加上受到高原的动力和热力作用的影响，青藏高原表现出平均气温低、降水量少的特点。近40年（1964—2004年）来，研究区的月均气温为 0.11 ℃，年降水量在267.5～462.0 mm之间，平均降水量为367.9 mm（拉巴卓玛等，2007），气候较为干寒。这种特殊的环境条件使高寒的草甸、草原和荒漠成为主宰高原的三大生态系统，并且决定了占据高原大部分面积的土地类型赋有寒冷或干旱的自然特征（徐凤翔，2001）。

1.2 样品采集与测定

本研究以青藏高原不同海拔、不同植被类型的表土为研究对象，于2013年7—8月，经都兰-格尔木-那曲-拉萨-林芝等地，沿青藏公路沿线受人类活动干扰少的地带设置采样点，大约每隔100 km设置1个采样点（如图1），在样点采集0～20 cm的表土，共采集 75个土样。按植被类型将样点划分为高寒草甸、高山草原、荒漠、灌丛、林地和盐碱地等6种类型。采样点位置利用GPS准确定位，同步记录海拔高度（2283～5280 m）。地面气象数据从中国气象数据网（http://data.cma.cn/）获取，采用克里格插值法得到各样点的气象数据。本研究中，月均温、月均降水量和月均相对湿度为 2013年1—12月的平均值，生长季均温、生长季降水量、生长季相对湿度为2013年5—9月的平均值。

样品采集完毕后，将土壤样品装入布袋，带回实验室风干，风干后的土壤样品混合均匀，采用四分法留取部分土壤，并过 20目筛，以水土质量比5∶1测定土壤酸碱度（pH值）和电导率（EC），pH值和EC采用水质参数仪（Star A329，Thermo Orion，United States）测定，连续测定3次取平均值。部分上清液经0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤，用盐酸滴定法测定滤液的碱度（Alk）。土壤粒径分布采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 3000型激光粒度仪测定，根据美国制土壤质地分类标准分为黏粒（<0.002 mm）、粉砂（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm）。土壤全磷（TP）采用钼锑抗比色法进行显色，用波长为700 nm的紫外分光光度计测定。测定土壤SOC、TN时，首先取适量的土壤样品（100目）放入 50 mL离心管中，加入适量稀盐酸（2 mol·L-1）使其呈酸性，充分反应24 h，除去其中的碳酸盐，多次用超纯水离心洗至中性，倒掉上清液进行冷冻干燥，将干燥后的样品放入元素分析仪（Vario Max CN，Elementar，德国）测定SOC、TN。土壤无机碳（SIC）采用气量法测定，土壤碳氮比（ω(C)/ω(N)）值通过SOC和TN比值计算得出，不同植被类型土壤样点理化性质见表1。

图1 青藏高原土壤采样点分布图Fig. 1 Spatial distribution of sampling sites on the Qinghai-Tibetan Plateau

1.3 研究方法

本研究采用SPSS 19.0中的单因素方差分析中的最小显著差异法（LSD）比较不同植被类型土壤SOC、TN含量及ω(C)/ω(N)值差异的显著性，采用Pearson相关法分析土壤SOC、TN及C∶N值与环境变量（地理因子、土壤理化性质和气候因子）之间的相关关系，并用逐步回归方法分析环境因子对SOC、TN 及ω(C)/ω(N)值影响的重要性。运用SigmaPlot 10.0、SPSS 19.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型表土SOC、TN质量分数

2.1.1 SOC及TN含量特征

青藏高原不同植被类型表层SOC质量分数的变化范围为 0.80～105.85 g·kg-1，平均质量分数为21.54 g·kg-1，以高寒草甸最高，为 42.82 g·kg-1，荒漠最低，为1.38 g·kg-1。不同植被类型表层SOC平均质量分数排序为：高寒草甸>林地>盐碱地>高山草原>灌丛>荒漠。由方差分析可得，高寒草甸 SOC与高山草原、荒漠、灌丛、盐碱地 SOC差异达显著性水平，与林地土壤差异不显著（图2）。土壤 TN质量分数的变化范围从 0.08～7.50 g·kg-1，平均为 1.59 g·kg-1，以高寒草甸最高，为3.08 g·kg-1，荒漠最低，为 0.23 g·kg-1，变化顺序为：高寒草甸>林地>高山草原>灌丛>盐碱地>荒漠。其中，高寒草甸TN质量分数显著高于林地、高山草原、灌丛、盐碱地和荒漠，林地和荒漠具有显著差异（图3）。

2.1.2 土壤ω(C)/ω(N)值分布特征

图2 青藏高原不同植被类型表土有机碳含量特征Fig. 2 Soil organic carbon among surface soil with different vegetation types on the Qinghai-Tibet plateauBox plots show 25% and 75% quartiles with errors between 5% and 95%; lowercase letters indicate significant differences in SOC contents among different vegetation types (P<0.050); n=75. The same below

图3 青藏高原不同植被类型表土全氮含量特征Fig. 3 Total nitrogen among surface soil with different vegetation types on the Qinghai-Tibet plateau

青藏高原不同植被类型土壤ω(C)/ω(N)值的变化范围为4.38～45.50，平均值为14.76。不同植被类型土壤ω(C)/ω(N)均值大小排序为林地>盐碱地>高寒草甸>灌丛>高山草原>荒漠（图 4）。据方差分析可知，林地ω(C)/ω(N)值显著高于盐碱地、高寒草甸、灌丛、高山草原、荒漠，而盐碱地和高寒草甸显著高于高山草原、荒漠。土壤有机碳和全氮的回归分析（图5）表明，二者存在显著正相关关系，这表明青藏高原不同植被类型土壤有机碳和全氮具有明显的空间相关性，该结果与王根绪等（2005）、李元寿等（2009）的研究结果一致。

表1 青藏高原不同植被类型土壤理化性质参数特征Table 1 Statistics characteristic of soil physical and chemical properties in different vegetation types in Qinghai-Tibetan plateau

图4 青藏高原不同植被类型表土碳氮比Fig. 4 w(C)/w(N) ratios in surface soil with different vegetation types on the Qinghai-Tibet plateau

图5 青藏高原不同植被类型表土有机碳、全氮散点图Fig. 5 The scatter plot of SOC and TN in surface soil with different vegetation types on the Qinghai-Tibet plateau

2.2 青藏高原 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与环境因子的关系

2.2.1 青藏高原SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与环境因子的相关性

对青藏高原不同植被类型土壤 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与地理因子（经度、纬度、海拔）、土壤理化性质（全磷TP、无机碳SIC、黏粒、粉砂、砂粒、土壤pH值、电导EC、碱度Alk）及气候因子（月均温度、生长季均温、月均降水量、生长季降水量、月均相对湿度、生长季相对湿度）等自然环境因子进行相关分析，结果如表2所示。

由表2可知，SOC、TN含量及ω(C)/ω(N)值与经、纬度之间的相关性较弱，SOC与海拔相关性不显著，土壤TN与海拔呈显著正相关关系（P<0.05），ω(C)/ω(N)值与海拔呈显著负相关关系（P<0.05），表明土壤 TN 含量随海拔上升而增加，ω(C)/ω(N)值随海拔上升而减小，这与王洁等（2015）、王建林等（2014）的研究结果一致。在土壤理化性质因子中，SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与土壤TP存在极显著正相关关系（P<0.01），与SIC相关性不显著。SOC、TN与黏粒、粉砂存在极显著正相关关系（P<0.01），与砂粒呈极显著负相关关系（P<0.01），表明SOC、TN含量随土壤粒径的增大而显著减小。因此，土壤质地越细腻，越有利于SOC和TN的积累。SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与土壤pH值存在极显著负相关（P<0.01），表明土壤SOC、TN均随pH的增大而显著减小，即pH值是青藏高原土壤碳氮含量的限制性因子，土壤ω(C)/ω(N)值也随着pH的增大而减小，这与以往的研究结果相似（王建林等，2014）。SOC、TN与 Alk呈极显著正相关关系，与EC相关性不显著。SOC与月均降水量存在显著相关关系（P<0.05），但相关系数较小，TN与气候因子之间相关性较弱，因此，在区域尺度上，SOC和TN含量与气候因子之间的相关性较弱，故通过气候因子对区域 SOC和 TN含量进行预测十分困难，这与王淑芳等（2012）的观点一致。相关分析结果表明，土壤ω(C)/ω(N)值与月均气温、生长季均温、年降水量、生长季降水量均呈极显著的正相关关系，与月均相对湿度存在显著正相关关系，表明土壤ω(C)/ω(N)值随月均温度、生长季均温、月均降水量、生长季降水量和月均相对湿度的增大而明显增大。

表2 青藏高原土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与环境因子的相关性分析Table 2 Correlation analysis of soil organic carbon、total nitrogen and ω(C)/ω(N) ratios in the Qinghai-Tibetan plateau with environmental factors

2.2.2 环境因子对土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值的影响

基于逐步回归分析法，建立 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与环境因子的关系，方程如下：

从式（1）、（2）、（3）可以看出，影响SOC、TN的主要理化性质因子为黏粒含量（X1）、Alk（X2）和pH值（X3），SOC与黏粒含量、Alk呈正相关关系，与pH值呈负相关关系，土壤TN与黏粒含量、Alk呈正相关关系，与 pH值呈负相关关系。土壤ω(C)/ω(N)值与月均气温存在正相关关系。根据标准误差检验结果，回归方程（1）、（2）、（3）均通过了α=0.01水平的显著性检验。这表明，环境因子对土壤 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值的影响达到极显著水平，即土壤SOC、TN与黏粒含量、Alk呈极显著正相关关系，而与 pH值呈极显著负相关关系。土壤ω(C)/ω(N)值与月均气温呈极显著正相关关系。

2.2.3 各环境因子对土壤 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值影响的重要性

采用逐步回归方法分析了各因子对土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值影响的相对重要性，结果见表3。表中 R2′为除该变量外其他变量与 SOC、TN、ω(C)/ω(N)逐步回归方程的判定系数；△R2为在其他变量的基础上增加该变量时，回归方程判定系数的增量，△R2越大，说明该变量在回归方程中越重要；R2adj为调整判定系数，是回归方程中的所有自变量对因变量变异性的解释程度。如果将△R2>2%的因子作为主要影响因子，由表3可知，对于土壤SOC，影响最大的环境因子为 Alk，其次为 pH值，再次为黏粒含量；影响土壤TN的主要环境因子为Alk，其次为黏粒含量，再次为土壤pH值；影响青藏高原土壤ω(C)/ω(N)值的主要因子为月均气温。

表3 青藏高原土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值与影响因子逐步回归分析结果Table 3 Results of stepwise regression analysis of SOC, TN, ω(C)/ω(N)ratio with influencing factors

3 讨论

各植被类型中，高寒草甸表土SOC、TN含量最高，是由于高寒草甸地处海拔较高区域，加之温度较低，矿化分解速率慢，从而有利于土壤碳氮的累积（王长庭等，2006）。林地土壤SOC、TN含量次之，林地土壤碳氮含量受到地表植被凋落物的矿化分解、转化累积与土壤呼吸释放过程的综合影响，林地土壤有机物主要贮存于林下枯落物和表土层土壤中，与高山草原、灌丛、盐碱地、荒漠相比，林地土壤有机碳、全氮含量较高。

青藏高原不同植被类型表土中，除林地的个别样品ω(C)/ω(N)值高于 25外，其他样品ω(C)/ω(N)值介于 4.00～25.00之间，平均值为 14.76。研究表明，中国土壤ω(C)/ω(N)平均值在10.00～12.00之间（Huang，2000），本研究区不同植被类型土壤ω(C)/ω(N)均值高于全国平均水平。根据Post et al.（1990）的研究，高寒地区表土ω(C)/ω(N)平均值为17.40，本研究中，除林地ω(C)/ω(N)均值（25.12）高于17.40外，其他植被类型表土ω(C)/ω(N)均值均与Post et al（1990）的研究结果相近。林地ω(C)/ω(N)均值较高是由于林地土壤含有腐殖化的枯枝落叶，土壤矿化作用较慢（Deng et al.，2014）。土壤ω(C)/ω(N)值与微生物的分解速度有关，在 40%的生长效率下，微生物需要ω(C)/ω(N)值约为 25∶1的底物来提供需氮量。在ω(C)/ω(N)值较高时，微生物需要输入氮来满足他们的生长；在ω(C)/ω(N)较低时，氮超过微生物生长所需的部分就会释放到凋落物和土壤中（王建林等，2014）。总体而言，青藏高原土壤有利于微生物分解，并能将富余的有机氮转化为能够被植物吸收的氨态氮和硝态氮，即微生物在分解有机质时，氮素不起限制作用，还会促进分解过程中释放养分（Zhang et al.，2011）。土壤有机碳和全氮存在显著正相关关系，表明土壤氮素主要以有机氮的形式存在于土壤有机质中，这与大多数的研究结果一致（耿远波等，2001；王琳等，2004）。

研究区碳氮含量及碳氮比值受多种环境因子的协同影响。地理经度、地理纬度及海拔对土壤碳氮含量并不直接产生影响，它是区域温度、降水和湿度等气候因子的影响因素。这些气候因子通过改变土壤母质、植物群落而引起土壤温度及水分的变化，从而影响土壤质地与理化性质，最终对土壤碳、氮循环产生影响（Wang et al.，2006；吴建国等，2008；王瑞永等，2009）。土壤碱度表征土壤溶液中OH-离子的总量，主要来源于土壤中碱金属和碱土金属的碳酸盐类，土壤碱度与SOC、TN呈极显著正相关关系。土壤pH值与SOC、TN存在极显著的负相关关系，是影响青藏高原土壤碳氮含量的重要因子。研究区土壤 pH值的变化范围为5.57～9.63，平均为8.07，波动范围较大，总体呈弱碱性。青藏高原土壤的发育程度与pH值呈负相关关系，而土壤发育程度与有机质积累程度直接联系，成熟度越高的土壤，其积累的有机质也越多，反之则相反，即高pH则意味着低有机质积累，低pH则意味着高有机质积累，从而导致随着土壤pH增加，不同植被类型下土壤SOC、TN含量随之显著减少。土壤颗粒是构成土壤固相骨架的基本颗粒，它们按照不同的比例进行组合，形成不同的土壤质地类型，进而通过影响土壤的物理、化学和生物学条件来改变物质循环和能量流动的过程（黄冠华等，2002）。一般认为，土壤 SOC随着粉砂和黏粒含量的增加而增加，主要反映在粉粒对土壤水分有效性、植被生长的正效应及其黏粒对土壤SOC具有保护作用（Baumann et al.，2009），而黏粒的保护作用主要是通过与有机碳结合形成有机-无机复合体实现的（周莉等，2005）。Spackman et al.（1984）则认为，粘质土和粉质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质。青藏高原表土ω(C)/ω(N)值与月均气温存在极显著相关关系，且ω(C)/ω(N)均值高于全国土壤ω(C)/ω(N)平均值，造成这一现象的原因可能是青藏高原较为寒冷的气候限制了土壤微生物的繁殖速度，也可能与青藏高原地质年代较轻，土壤粗骨性较强，氮的淋溶作用较为强烈有关（王建林等，2014）。

4 结论

（1）青藏高原不同植被类型表土SOC和TN质量分数具有一定差异，其中，高寒草甸表层SOC、TN 含量均最高，分别为 42.82 g·kg-1、3.08 g·kg-1；荒漠表层SOC、TN质量分数均最低，分别为1.38 g·kg-1、0.23 g·kg-1。

（2）除林地个别土壤样品ω(C)/ω(N)值高于25.00外，其他植被类型表层及剖面土壤ω(C)/ω(N)值均分布于4.00～25.00范围内，高于中国土壤ω(C)/ω(N)的平均水平，但能够满足微生物的需氮量。

（3）青藏高原土壤碳氮含量受多种环境因子的协同影响，环境因子对 SOC的重要性排序为Alk>pH值>黏粒含量，土壤TN的主要影响因子重要性排序为 Alk>黏粒含量>pH值，影响土壤ω(C)/ω(N)值的环境因子主要为月均气温。

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