海拔对藏东南山地土壤有机碳垂直分布格局的影响分析

黄莎琳，李 晶，杨文姬，林田苗，喻 武

（1.西藏农牧学院资源与环境学院/高寒水土保持研究中心，西藏 林芝 860000；2.水利部沙棘开发管理中心/水利部水土保持植物开发管理中心，北京 100038;3.山合林（北京）水土保持技术有限公司，北京 100038）

【研究意义】土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）占整个陆地生态系统2/3 的碳库，是陆地植物的3 倍、大气的2 倍，其含量的变化对大气中的CO2浓度、碳源和碳汇转化、全球碳循环以及植被的净初级生产力具有重要影响［1］。土壤碳库可视为大气CO2的重要源和汇，其储量的任何变化都会在很大程度上改变大气CO2浓度和影响全球碳平衡［2］。【前人研究进展】为了解海拔对SOC 垂直分布格局的影响，连玉珍等［3］对色季拉山北坡表层SOC 的垂直分布特征进行了研究，结果表明，土壤总有机碳含量随海拔升高呈增加趋势，而随土层深度增加呈减少趋势，其中以林芝云杉林的SOC 含量最低（5.223 mg/kg），高山草甸的SOC 含量最高（12.867 mg/kg）。胡宗达等［4］研究表明，表土的总有机碳含量随海拔升高呈现从低到高再下降的趋势，而下层土壤的总有机碳含量则随着海拔升高而增加。王根绪等［5］研究了青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义，发现青藏高原有机碳储量占我国有机碳储量的23.44%。Yang 等［6］通过对青藏高原高寒草甸、草原采样测定，计算出高寒草地0～100 cm 土壤中有机碳储量约为7.4×109t，有机碳密度平均为6.5 kg/m2，且呈现出从东南向西北减少的趋势。吴雅琼等［7］通过整理青藏高原土壤普查数据，发现青藏高原土壤有机碳库具有显著的土壤-植被地带性分布特征。向成华等［8］认为，高海拔地区的植被类型在土壤中活性炭的含量和分布比例较高。还有研究者报道了长白山森林SOC 含量不随海拔梯度而变化，但高海拔森林的土壤水溶性碳、微生物碳和易氧化碳含量却显著大于中间海拔梯度森林［9］。因此关于不同海拔影响下SOC 的垂直分布格局受到了研究者的广泛关注。

【本研究切入点】土壤碳储量是全球土壤碳库（1 500 Gt）的2.6%或2.4%，在全球变化研究中占有特殊地位［10］。青藏高原是全球气候变化的敏感地区，其拥有世界上海拔最高、面积最大和独特的生态系统［11］。该地区森林资源丰富，约占全国的7.08%，主要分布在东南部的高山地区。西藏东南部海拔落差大，气候寒冷，植被垂直带谱清晰，有较强的空间异质性。青藏高原是全球气候变化的重要调节器，在固碳释氧方面发挥着巨大作用，生态系统极其脆弱，一旦发生水土流失很难自然恢复［12-14］。近年来，随着全球气候的变化，对藏东南海拔梯度上土壤碳库分布、组成和变化等的研究逐渐增多。国内外众多学者的研究表明，海拔梯度上降水、温度等环境因素的变化影响着陆地植被的类型和土壤生物的分布结构，导致土壤理化性质和有机碳垂直梯度的差异［15-17］。目前对西藏东南部山地海拔梯度上的土壤研究主要集中在土壤抗蚀性和土壤呼吸速率等方面，SOC 的研究多集中在土壤表层［18］，很少有研究报道复杂地形下不同海拔对SOC 垂直分布的影响，还未搞清影响有机碳空间分布格局的因素。【拟解决的关键问题】本研究以藏东南具有典型山地垂直地带性的色季拉山为研究区，以不同海拔高度和土层深度的土壤为研究对象，分析其土壤物理性质和SOC 的垂直空间分布差异，以期为我国藏东南乃至全国土壤碳汇能力提高以及可持续发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

色季拉山位于西藏自治区林芝市境内（29°35′～29°57′N，94°25′～94°45′E），属于念青唐古拉山脉，是尼洋河流域和帕隆藏布江的分水岭，其主峰海拔高度为5 200 m［19］。该地区属典型的亚高山温带半湿润气候，冬温夏凉，干湿季节比较明显，降水主要集中在每年4—10月、降水量875～1 350 mm，约占全年降水量的80.0%；年平均气温-0.7 ℃，7 月为最暖月、平均气温9.2 ℃，1 月为最冷月、平均气温-14.0 ℃；土壤以山地棕壤和酸性棕壤为主［20］。拥有藏东南部典型的高山生态系统和垂直植被带分布特征［21-23］，主要森林植被类型为山地温带暗针叶林，以急尖长苞冷杉（Abies georgeivar.smithii）为建群种，并有林芝云杉林（Picea likiangensisvar.nyingchiensis）、云冷杉混交林及冷杉（Abies fabriCraib）、方枝柏（Sabina saltuaria）混交林等。

1.2 土壤样品采集

于2020 年8 月，在野外考察的基础上，根据土地利用、地形、土壤特征等因素，选择坡度较缓、植被类型连续的区域作为研究区。从色季拉山西坡海拔约3 400～4 600 m 范围，以200 m 为一个海拔间隔进行采样，在7 个海拔处进行土壤样品的采集，各采样点的海拔、地理位置、气候条件及植被类型见表1。采样时在每个海拔间隔，沿水平方向随机选取3 个采样样方（森林10 m×10 m，灌丛5 m×5 m，草甸1 m×1 m），3 个样方之间相隔不小于100 m；在每个采样样方中随机挖取3个土壤剖面（0～60 cm），先除去土壤表面的凋落物，之后将剖面分为 0～20、20～40、40～60 cm 3 层，用环刀采集各层土样，3次重复，共63个土壤样品，并采集每一层土壤剖面的原状土带回室内备用，以测定土壤的理化指标。

表1 色季拉山各采样点基本信息Table 1 Basic information of each sampling point in Sejila Mountain

1.3 土壤样品处理与测定

土壤样品带回实验室后立即利用烘干法（105℃）测定土壤含水量，用环刀法（环刀体积为100 m3）测定土壤容重，并计算毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度；将未受干扰的原状土样放置在通风的室内自然风干。将烘干的土样挑去枯枝落叶、根系和砾石，研磨过0.149 mm 筛，装袋备用。各物理性质的测定和计算参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法》，SOC 含量采用重铬酸钾高温外加热氧化－亚铁滴定法（GB 9834－88）测定，每次测3 个平行样；使用TPF-100团粒分析仪分析土壤团粒结构组成；使用激光粒度仪（Bettersize 2000，丹东百特仪器有限公司）分析土壤机械组成，根据美国农业部（USDA）分类标准（表2）进行划分［24-28］。

表2 供试土壤机械组成Table 2 Mechanical composition of test soil

1.4 土壤有机碳的计算

土壤有机碳密度计算公式为：

式中，SOCD为特定深度的土壤碳密度（kg/m2），Ci为第i层土壤碳含量（g/kg），BDi为第i层土壤容重（g/cm3），hi为第i层土壤厚度（cm），n为土层数。

不同层次土壤有机碳量含量平均值，采用加权平均法计算，即：

式中，Ci为某一层土壤有机碳含量（%），Hi为该层土壤厚度（cm）。

SOC 储量计算公式［29］为：

SOCS=Si×SOCD

式中，Si为第i层植被带的面积。

SOC 富集系数（%）=某一土层有机碳含量/整个土壤剖面有机碳平均含量×100［30］。

试验数据采用Excel 2020 和SPSS 26.0 软件进行处理。根据不同土层深度和不同海拔高度，使用单因素方差分析（one—Way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同剖面层之间的SOC差异，采用Origin 2019 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质垂直空间分布差异分析

由图1 可知，不同海拔的土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度变化范围分别为0.72±0.84～1.08±0.75 g/cm3、51.76（±3.65）%～67.06（±3.97）%、47.11（±7.5）%～58.03（±3.97）%和9.03（±0.78）%～11.04（±1.46）%，其中不同海拔的土壤容重从大到小依次为海拔4 000、4 255、3 393、3 633、4 618、4 394、3 800 m；总孔隙度由大到小依次为海拔4 394、3 800、4 618、3 633、4 255、3 393、4 000 m；毛管孔隙度由大到小依次为海拔4 394、3 800、3 633、3 393、4 255、4 000、4 618 m；非毛管孔隙度由大到小依次为海拔3 393、4 618、3 800、3 633、4 255、4 000、4 394 m。随着土层的加深，土壤容重呈增加趋势，总孔隙度和毛管孔隙度均呈减小趋势，而非毛管孔隙度不随土层增加呈现一定的变化规律。

图1 不同海拔土壤物理性质趋势图Fig.1 Trend map of soil physical properties at different altitudes

2.2 SOC 含量垂直空间分布差异分析

SOC 含量与储量整体上呈现出相似的规律，但由于不同海拔植被带分布的面积以及植被类型的差异，加之计算公式所涉及的影响因素不同，因而有必要分别分析。SOC 含量主要涉及土壤中有机质的含量，SOC储量涉及到容重、植被带面积。

在色季拉山不同海拔梯度上，SOC 含量随着土层深度增加呈下降趋势（图2）。在土壤表层0～20 cm，SOC 含量整体呈现随海拔升高而增加的特征，以海拔4 618 m 高寒草甸的SOC 含量最高、为8.24（±0.58）%，是其他海拔的1.76～3.07 倍，其次是海拔4 000 m 急尖长苞冷杉林7.14（±0.42）%、4 394 m（6.84%±0.43%）和4 255 m（6.54%±0.45%）的杜鹃林、3 800 m（5.38%±0.34%）、3 633 m（3.25%±0.31%）和3 393 m（2.68%±0.27%）；在土层剖面20～60 cm，SOC 含量表现出随海拔升高呈单峰曲线的分布特征。在海拔相对较低的急尖长苞冷杉林，SOC 含量随土层深度增加而普通递减，其中40～60 cm 土层的SOC 含量比0～20 cm 降低54%～71%；而在海拔4 618 m 的高寒草甸，SOC含量随土层深度增加急剧下降，40～60 cm 土层的SOC 含量比0～20 cm 降低76%。

图2 不同海拔SOC 含量的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of SOC content at different altitudes

SOC 富集系数是某一土层有机碳含量与整个土壤剖面有机碳平均含量的比值［30］。由图3 可知，色季拉山SOC 富集系数随土层深度增加而逐渐减小，其中土壤上层（0～20 cm）的SOC 含量显著高于其下各层（P＜0.01），为其他土层深度的1.5～2 倍，富集系数为1.57，而20～60 cm 土层的SOC 富集系数均小于1，表明色季拉山的SOC具有明显的表层富集性。

图3 色季拉山各土层SOC 富集系数Fig.3 Enrichment coefficient of SOC in each soil layer of Sejila Mountain

2.3 SOC 储量垂直空间分布差异分析

由图4 可知，不同海拔显著影响色季拉山0～60 cm 土层的SOC 储量，整体上呈现单峰曲线变化趋势。色季拉山0～60 cm 土层的SOC 储量范围为117.14（±10.24）～220.63（±11.63）t/hm2，其中海拔4 255 m 的SOC 储量显著高于其他海拔高度，相当于海拔3 393 m SOC 储量的2 倍。

图4 色季拉山不同海拔SOC 储量Fig.4 SOC reserves at different altitudes in Sejila Mountain

不同海拔梯度土壤剖面（0～60 cm）的SOC储量分布（表3）表明，随着海拔的变化，SOC储量从高到低依次为海拔4 255、3 800、4 000、4 394、4 618、3 633、3 393 m。其中，土壤表层0～20 cm 的SOC 储量〔60.35（±5.38）～98.74（±3.65）t/hm2〕随着海拔增高不断上升，而随着土层深度增加逐渐降低，最高值出现在海拔4 255 m 的杜鹃林，最低值则在海拔3 393 m 的急尖长苞冷杉林；在土层20～40 cm〔32.46（±3.02）～68.24（±3.51）t/hm2〕和40～60 cm〔24.33（±1.84）～59.83（±3.27）t/hm2〕，随着海拔增高SOC 储量均呈现单峰曲线变化趋势。

表3 不同土层不同海拔梯度的SOC 储量Table 3 SOC reserves at different altitude gradients in different soil layers

在不同海拔梯度，SOC 储量（占比）随土层深度增加而显著降低，其中土壤表层0～20 cm 的SOC 储量占整个剖面SOC 总储量的50%左右，以海拔4 618 m 高寒草甸表层0～20 cm 的SOC 储量最高、占总储量的56.63%，分别为20～40、40～60 cm 土层的2.93、2.35 倍。海拔4 394、4 255 m 杜鹃林0～20 cm 土层的SOC 储量分别占总储量的49.90% 和44.76%，分别为20～40、40～60 cm 土层的1.95、1.45 倍和2.04、1.84 倍；海拔4 000、3 800、3 633、3 393 m 急尖长苞冷杉林0～20 cm 土层的SOC 储量分别占总储量的41.74%、41.08%、46.91% 和51.52%，分别为20～40、40～60 cm 土层的1.40、1.36、1.57、1.86倍和1.47、1.43、2.03、2.48 倍。

3 讨论

在高寒山地生态系统中，太阳辐射会随着海拔的升高而增加，同时，温度会随着海拔的升高而降低，导致SOC 循环速率降低，这可能使SOC含量随海拔的升高而增加。本研究以200 m 为一个海拔梯度间隔进行连续采样，发现色季拉山的SOC 含量在不同海拔高度变化较大，总体上呈现出随海拔升高而先升高后降低的变化特征。这与其自然环境密不可分，该地区位于藏东南腹地，处于湿润和半湿润区的交界处，受印度洋湿润季风流的影响，雨量充沛，气候垂直分异明显。研究区域海拔3 393～4 618 m 之间，由于急尖长苞冷杉林广泛分布，树木繁茂，地面的凋落物较厚，林下植被种类相对单一。在海拔4 000～4 300 m 之间，分布着急尖长苞冷杉、杜鹃和方枝柏以及其他杂木的混交林，植被多样性丰富，林内湿度高，其中在海拔4 300 m 至林线以下，主要为杜鹃和方枝柏的混交林；在林线以上则分布着高寒灌木，随着海拔的升高，出现高山草甸。由于海拔较高，气候寒冷干燥，因此在恶劣的环境中这些凋落物不容易分解，导致地表有一层较厚的凋落物堆积。

本研究采样的7 个海拔梯度中，海拔4 255 m土层的SOC 储量明显大于其他海拔梯度，而海拔3 393 m 土层的SOC 储量最小，这与土壤碳氮含量由暖区向冷区增加，并随着有效水分增加而增加的趋势一致。其原因可能是森林土壤有机质输入量大、分解速度快，而高海拔有机质输入量多、分解速度慢造成的。此外色季拉山的SOC 具有明显的地表富集现象，这可能是由于凋落物分布在土壤表层，分解速度快、根系分布较多、土壤结构疏松，有利于表层SOC 的积存。这与柯娴氡［21］对粤北亚热带山地森林的研究、史飞［10］对色季拉山西坡的研究结果相似。这表明，某个指标的海拔分布特征可能不唯一，但会受到采样间隔梯度、采样点数和采样海拔范围的影响。因此，为验证结果的科学性，下一步有必要在采样海拔尽可能覆盖高山生态系统所有植被类型的情况下，加强大尺度上SOC含量的研究，扩大具有典型山地垂直地带性的山体土壤样品的采集范围，如米拉山、德姆拉山等，适当缩小采样间隔梯度、增加采样点数，有助于更加准确地反映高寒区SOC的垂直分布格局，为防治该地区的水土流失奠定基础。

4 结论

本研究结果表明，色季拉山土壤各物理性质指标间存在较大的空间异质性。在不同海拔高度（3 400～4 600 m），土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的变化范围分别为0.72～1.08 g/cm3、51.76%～67.06%、47.11%～58.03%和9.03%～11.04%。随着土层加深，土壤容重有增加的趋势，总孔隙度和毛管孔隙度均有减小趋势，而非毛管孔隙度不随土层增加呈现一定变化规律。

色季拉山不同海拔梯度土壤的SOC 含量（1.57%～8.24%）随着土层深度的增加呈下降的趋势。在土壤表层0～20 cm，SOC 含量整体呈现出随海拔升高而增加的特征，以海拔4 618 m 高寒草甸的SOC 含量最高，为其他海拔的1.76～3.07 倍。

色季拉山0～60 cm 土层的SOC 储量范围为117.14～220.63 t/hm2，不同海拔显著影响色季拉山0～60 cm 土层的SOC 储量，整体上呈现单峰曲线变化趋势，以海拔4 255 m 的SOC 储量显著高于其他海拔高度，相当于海拔3 393 m 的2 倍。