高寒山地生态修复方式对土壤颗粒碳氮分配的影响

汉光昭, 曹广超, 曹生奎, 冶文倩, 程国

高寒山地生态修复方式对土壤颗粒碳氮分配的影响

汉光昭1, 2, 3, 曹广超2, 3, 4, *, 曹生奎1, 2, 3, 冶文倩1, 2, 3, 程国1, 2, 3

1. 青海师范大学地理科学学院, 西宁 810008 2. 青海省自然地理与环境过程重点实验室, 西宁 810008 3. 青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室, 西宁 810008 4. 青海省人民政府—北京师范大学高原与可持续发展研究院, 西宁 810008

通过探讨草地和林地两种修复方式下不同粒径土壤颗粒有机碳和全氮的分配规律, 以期能够为高寒山地生态修复措施对土壤颗粒碳氮的影响提供参考。以空间序列代替时间序列的方法, 分别选取不同恢复年限的草地和林地作为研究对象, 管理方式分别为仅在生长季封育和常年封育。对生长季野外现场采集的土壤样品在实验室采用离心法对土壤颗粒进行分级, 分为砂粒(2000—50 μm)、粉粒(50—2 μm)和粘粒(<2 μm), 以此分析不同粒径土壤颗粒中有机碳和全氮的分配规律。结果显示: 1) 不同修复年限草地和林地土壤颗粒有机碳和全氮的分配主体分别为砂粒和粉粒, 草地和林地土壤颗粒有机碳在砂粒中的分配比例分别为57.36%和46.46%, 全氮在粉粒中的分配比例分别为44.79%和42.55%。2) 两种修复用地三种粒径土壤颗粒碳氮分配比例均与其组分含量呈正相关关系, 砂粒的碳氮分配比例主要受地下生物量和土壤总孔隙度影响, 粘粒和粉粒碳氮分配比例主要受容重和pH的影响。本研究区植树造林的修复方式对土壤颗粒碳氮的分配影响更为明显。

土壤; 颗粒有机碳; 全氮; 生态修复; 高寒山地

0 前言

土壤是陆地生态系统最重要的组成部分[1], 土壤有机碳和氮素不仅是土壤养分的物质基础[2], 因其能够与大气中的碳库和氮库相互转换, 使其成为全球生态系统碳、氮循环的热点和重点[3]。生态修复措施会影响植被和土壤的有机质的积累和分解, 进而影响生态系统的碳、氮循环[4]。祁连山位于青藏高原东南部, 是我国西北地区重要的生态功能区, 近些年来该区域实施了众多生态修复工程, 现阶段祁连山地区已经逐步从生态治理转入生态恢复阶段[5],尽管目前对祁连山地区土壤碳库方面已有大量研究,但主要集中在不同植被类型碳库大小的实证和模拟研究[6–7]。研究表明适当的生态修复方式和持续的土壤管理可以增加土壤碳汇, 抵消温室效应[8], 但国内目前关于不同生态修复方式对土壤碳库的影响研究主要集中在黄土高原区[9–10], 而处于气候变化敏感带的祁连山地区, 生态修复方式对土壤碳库的影响研究还较为缺乏。不同的生态修复方式会影响到土壤颗粒含量的差异, 而不同粒径土壤颗粒储存碳氮的大小和对环境变化的响应也不相同[11]。本文以祁连山南坡两种不同生态修复方式用地为研究对象,使用离心法将土壤分为三种粒径的土壤颗粒, 分析不同粒径土壤颗粒碳氮分配比例的变化规律, 以期为高寒山区生态修复方式对土壤颗粒碳氮的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 样地选取

研究区位于祁连山南坡中段腹地, 地理位置为98°08′13″—102°38′16″ E, 37°03′17″—39°05′56″ N, 区内以山地地貌为主, 相对高差较大, 年均气温–5.9℃, 属于大陆性高寒半湿润山地气候[12]。本研究于2020年8月, 在祁连县默勒镇瓦日尕村三社集体牧场, 分别选取已修复4年、5年、6年、7年、8年和9年的草地为试验地, 试验地未修复前为高寒草地极度退化后形成的次生裸地—黑土滩, 土壤类型为高寒草甸土, 成土母质主要为砂页岩和石灰岩风化物[13–14], 2012年起采取人工修复措施, 修复方式为对黑土滩进行翻耕、播种、耙地、整平, 翻耕深度在20 cm左右, 前三年进行人工干预包括除鼠害, 围栏保护, 试验地每年一月前后进行放牧, 整个生长季禁牧。生态修复林地位于祁连县八宝镇牛心山北坡, 选取已修复5年、8年、15年和20年的林地为试验地, 试验地修复前为过度放牧形成重度退化草地, 土壤类型和成土母质与修复草地一致, 修复方式为人工补种云杉苗, 密度为2600颗/公顷, 管理方式为常年封育。

1.2 样品采集和指标测定

在修复林地和草地以50 m×50 m设置样地, 在样地内以对角线原则选择3个1 m×1 m的样方, 每个样方内用土钻以0—5 cm、5—10 cm, 20 cm以下间隔10 cm取样, 分别取3个平行样品。所有样品自然风干后, 使用武天云等人改进的离心法对土壤颗粒分级, 将土壤分为砂粒(50—2000 μm, Sand)、粉粒(2—50 μm, Silt)和粘粒(＜2 μm, Clay)[15], 分离流程见图1。土壤有机碳使用重铬酸钾氧化还原法测定, 碳氮含量使用元素分析仪(Element, Vario isotope cube )测定。

1.3 数据分析

本文采用SPSS 20.0进行相关性分析、使用DPS17.5采用Duncan新复极差法对所测数据进行多重比较分析, 采用Execl 2010、OriginPro 2021b进行制图, 分配比例参照文献中的方法计算[16]。

图1 土壤颗粒分级流程

Figure 1 Flow chart of soil particle-size fractionation

2 结果与分析

2.1 不同修复年限土壤颗粒有机碳分配特征

草地土壤颗粒有机碳分配特征显示(图2), 砂粒分配比例最高, 介于23.33%—81.88%, 粉粒分配比例介于13.17%—60.14%, 粘粒分配比例最低, 介于1.11%—23.67%。相同修复年限和粒径, 不同深度土壤颗粒有机碳分配特征显示, 砂粒分配比例在修复第6年的0—5 cm与20—40 cm土层深度差异显著, 其余修复年限不同深度间无显著差异; 粉粒分配比例除修复第6年的0—5 cm与20—30 cm间差异显著外, 其余修复年限不同深度间无显著差异; 粘粒分配比例在第4年至第7年的0—5 cm与40—50 cm土层深度分配比例差异显著, 在修复第8年和第9年不同土层深度间无显著差异。从相同深度和粒径, 不同修复年限分析, 修复第7年, 砂粒分配比例显著低于其余修复年限, 在修复第8年, 粉粒和粘粒分配比例显著低于其余修复年限, 其余修复年份间无显著差异。

林地土壤颗粒有机碳分配特征显示(图3), 砂粒分配比例最大, 介于14.68%91.19%, 粉粒分配比例次之, 介于6.03%66.43%, 粘粒分配比例最小, 介于2.36%49.79%。相同修复年限和粒径, 不同深度土壤颗粒有机碳分配特征显示, 砂粒分配比例随着深度降低, 粉粒和粘粒分配比例随深度增大, 砂粒分配比例在修复第5年、8年、15年和20年以60—70 cm、50—60 cm、10—20 cm与30—40 cm土层深度为界差异显著, 粉粒分别以60—70 cm、30—40 cm、40—50 cm和20—30 cm土层深度为界差异显著, 粘粒分别在40—50 cm、80—90 cm、10—20 cm和30—40 cm为界差异显著。从相同深度和粒径, 不同修复年限分析, 在0—10 cm土层深度, 修复第20年砂粒分配比例显著高于其余修复用地, 粉粒分配比例显著低于其他修复用地; 在10—20 cm土层深度, 修复第15年粉粒分配比例显著高于其余修复年限; 在40—50 cm土层深度, 修复第8年和20年, 粉粒分配比例高于其他修复年限; 在50—60 cm土层深度, 修复第8年粘粒分配比例显著高于其余修复年限; 在90—100 cm土层深度, 修复第8年粉粒分配比例显著低于其余修复年限, 粘粒分配比例显著高于其他年份, 其余相同深度和粒径, 不同修复年限间无显著差异。

注: 图中误差棒为标准误差, 小写字母表示相同粒径土壤颗粒, 不同深度含量达到显著性水平(p<0.05), 大写字母表示相同深度, 不同修复年限达到显著性水平(p<0.05), 图中a—f代表已修复4—9年, 下同。

Figure 2 Allocation of soil POC in grasslands with different restoration years

注: 图中a—d代表修复第5年、第8年、第15年和第20年, 下同。

Figure 3 Allocation of soil POC in woodlands with different restoration years

2.2 不同修复年限草地和林地土壤颗粒全氮分配特征

草地土壤颗粒全氮分配特征显示(图4), 粉粒分配比例最高, 介于17.04%—66.44%, 砂粒分配比例次之, 介于7.50%—77.82%, 粘粒分配比例最小, 介于5.33%—42.46%。相同修复年限和粒径, 不同深度土壤颗粒全氮分配特征显示, 砂粒和粉粒在0—5 cm与30—50 cm土层深度差异显著, 其余深度差异不显著; 粘粒随深度增加, 在修复第4年至第6年, 在0—5 cm与40—50 cm土层深度差异显著, 在修复第7年至第9年, 分别以20—30 cm、10—20 cm和30—40 cm为界差异显著。从相同深度和粒径, 不同修复年限分析, 在0—5 cm土层深度, 修复第4年和第5年粉粒分配比例显著低于其余修复年限, 在5—10 cm和10—20 cm土层深度, 修复第6年的粘粒分配比例显著高于其余修复年限, 在20—30 cm和30—40 cm土层深度修复第6年的粘粒和粉粒分配比例显著高于其余修复年限, 砂粒分配比例显著低于其余年限, 在40—50 cm土层深度, 修复第4至第6年显著低于第7至9年砂粒分配比例, 第4和第6年的粘粒分配比例修复显著高于其余年限。

林地土壤颗粒全氮分配特征显示(图5), 粉粒的分配比例最高, 介于12.96%—55.88%, 砂粒的分配比例次之, 介于4.21%—83.49%, 粘粒对TN的分配比例最小, 介于3.02%—51.48%。相同修复年限和粒径, 不同深度土壤颗粒全氮分配特征显示, 砂粒随着深度增加分配比例降低, 粉粒和粘粒随着深度增加分配比例升高。从相同深度和粒径, 不同修复年限分析, 在0—5 cm土层深度, 修复第5年、第8年的砂粒分配比例显著低于修复第15年和第20年而粉粒分配比例高于修复第15和第20年; 在5—10 cm和10—20 cm土层深度, 修复第20年砂粒分配比例显著高于其他修复年限; 在20—30 cm土层深度, 修复第20年粘粒分配比例显著低于其它年限; 在30—40 cm土层深度, 修复第15年砂粒分配比例显著低于其它修复年限, 在40—50 cm土层深度, 修复第5年和20年粘粒分配比例显著低于其它修复年限, 修复第15年粉粒分配比例显著高于其他年限, 其余相同深度和粒径, 不同修复年限间无显著差异。

图4 不同修复年限草地土壤颗粒全氮分配比例

Figure 4 Allocation of soil particles TN in e grasslands with different restoration years

Figure 5 Allocation of soil particles TN in woodlands with different restoration years

2.3 不同修复年限草地和林地土壤颗粒碳氮比特征

草地三种粒径土壤颗粒C/N比值结果显示(图6 a、c), 砂粒、粉粒和粘粒C/N均值分别为2.57, 1.13和0.94, 不同修复年限结果显示, C/N比均值从大到小依次为5年>6年>4年>9年>7年>8年, 不同深度结果显示, 砂粒和粘粒C/N比值, 随深度增加变大,粉粒C/N比值在不同深度间无明显差异。林地C/N比结果(图6 b、d), 砂粒、粉粒和粘粒C/N值分别为2.54, 1.58和1.41, 不同修复年限间, C/N比均值依次为5年>15年>8年>20年, 不同深度结果显示, 砂粒和粘粒C/N比值, 随深度增加变大, 粉粒C/N比值在不同深度间无明显差异, 在50 cm以下三种土壤颗粒C/N比值随深度增加明显增大。

3 讨论

有研究表明在植被恢复过中, 各粒径土壤颗粒有机碳含量均会明显上升, 恢复初期粒径较大的土壤颗粒有机碳含量升高, 随着持续恢复较小粒径的土壤颗粒含量也得到提升[17], 这主要是因为不同粒径土壤颗粒存储和保护有机碳的能力各不相同[18–20]。本文结果显示在植被修复过程中大粒径土壤颗粒为碳氮分配的主体, 且随着修复年限的增加, 粉粒和粘粒的分配比例有上升的趋势。因为砂粒等大粒径土壤颗粒主要以包裹的形式储存有机质[20], 这部分有机质主要是由有机残体和半分解有机质组成, 直接来源于植被修复后凋落物和根系的贡献[21], 而粘粒中的有机质主是有机质最终分解的产物, 主要来源于大粒径土壤颗粒包裹的有机质[22–23]。其次, 本研究区为高寒地区, 土壤主要受到风蚀和冻融侵蚀, 风蚀会将细颗粒物质带走而留下相对较粗的颗粒, 形成粗质土壤, 降低土壤肥力[24], 植被的修复会增强土壤抗风蚀能力, 有利于细土壤颗粒的积累, 增加有机碳氮的含量, 进而影响土壤颗粒碳氮的分配。综上, 说明两种修复措施下砂粒为碳氮分配的主体, 随着修复年限增加粉粒和粘粒的分配比例有增加的趋势。

研究表明C/N比会随着土壤颗粒粒径减小而降低[25], C/N越小越有利于氮矿化及养分释放[26], 从而促进植被对氮素的吸收, 本文C/N比结果显示, 不同修复年限草地C/N值波动变化大而林地波动幅度较小, 这反映了修复草地随着修复年限的增加, 土壤碳氮在积累和消耗的过程中相对不稳定。C/N的升高对土壤微生物的活动能力有一定的限制作用,使有机质和有机氮的分解矿化速度减慢, 土壤固定有机碳能力提高[27], 修复林地在50 cm以下土壤颗粒C/N均有明显的升高, 表明修复林地有助于有机碳的积累, 以上结果表明两种修复方式, 补播树种的方式碳氮积累和消耗相对稳定。

图6 草地、林地不同土壤颗粒C/N比

Figure 6 C/N rate of different soil particles in grasslands and woodlands

利用Pearson相关分析法对三种粒径土壤颗粒碳氮分配比例与土壤理化性质等进行相关分析。砂粒碳氮分配比例相关性结果显示, 除草地砂粒有机碳分配比例与地下生物量和土壤总孔隙度正相关关系不显著外(>0.05), 砂粒碳氮分配比例与地下生物量、土壤总孔隙度和恢复年限呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)正相关关系, 与容重和pH呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)负相关关系。粉粒碳氮分配比例相关性结果显示, 除草地粉粒全氮分配比例与恢复年限, 粉粒有机碳分配比例与地下生物量、土壤总孔隙度和pH值无显著关系外(>0.05), 粉粒碳氮分配比例与地下生物量、土壤总孔隙度和恢复年限呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)负相关关系, 与容重和pH呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)正相关关系。粘粒碳氮分配比例相关性结果显示, 除草地粘粒有机碳分配比例与土壤总孔隙度负相关关系不显著(>0.05), 林地粘粒碳氮分配比例与恢复年限间负相关关系不显著外(>0.05), 粘粒碳氮分配比例与地下生物量、土壤总孔隙度和恢复年限呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)负相关关系, 粘粒与容重和pH呈显著(<0.05)或极显著(<0.01)正相关关系(图7)。

注: *表示0.05水平下显著相关, **表示0.01水平下显著相关, 图中椭圆面积越小, 表示相关性越强。D-Sand、D-Silt和D-Clay分别表示砂粒、粉粒和粘粒中全氮和有机碳分配比例, C-Sand、C-Silt和C-Clay分别为砂粒含量、粉粒含量和粘粒含量, Bb为地下生物量、BD为容重、Pt为土壤总孔隙度、pH为土壤酸碱度、Year为修复年限。

Figure 7 Correlation matrix of carbon and nitrogen distribution characteristics and physicochemical properties of grassland and woodland

总体来看, 砂粒有机碳的分配比例与地下生物量和总孔隙度呈正相关关系, 这是因为随着修复年限的增加, 植被根系的发育对土壤进行分隔、积压穿插等作用促进了大粒径土壤颗粒的形成[28], 大粒径土壤颗粒对改善土壤结构、增加土壤总孔隙度均有积极地作用, 而适宜的土壤总孔隙度使得土壤具有良好的保水和保肥性能, 同时促进碳氮的积累。粉粒和粘粒碳氮分配比例与容重呈正相关关系, 这是因为粉粒和粘粒含量的增加, 会导致小粒径土壤颗粒会填满由大土壤颗粒形成的孔隙, 此时会出现高的土壤容重值[29], 粉粒和粘粒含量增加导致二者含有的碳氮总量增加, 进而使得碳氮分配比例升高。本文结果显示pH值与砂粒呈负相关关系, 与粉粒和粘粒呈正向相关关系, 这可能与不同粒径土壤颗粒中包含的腐殖质含量有关, 砂粒中包裹的腐殖质含量较高, 正处于较为活跃的分解阶段, 而粉粒和粘粒包裹的腐殖质为经过分解后较为稳定的部分, 有研究表明在腐殖质分解过程中会产生各种有机酸, 会显著的降低pH值[30–31], 三种粒径土壤颗粒包含的腐殖质处于不同的分解阶段导致与pH值关系出现差异。上述分析结果表明, 砂粒的碳氮分配比例受地下生物量和土壤总孔隙度影响, 粘粒和粉粒碳氮分配比例主要受容重和pH的影响。对比两种类型修复用地相关性分析结果, 发现土壤理化性质对修复林地碳氮分配的影响明显高于修复草地。

4 结论

本文结果表明, 林地和草地两种修复方式均能对三种粒径土壤颗粒的碳氮分配产生影响, 砂粒和粉粒为土壤颗粒碳氮分配的主体, 粘粒碳氮的分配比例随着恢复年限增加而升高; 土壤理化性质对修复林地碳氮分配的影响明显高于修复草地; 土壤颗粒碳氮的积累和消耗在修复林地中更为稳定。综上, 补种树种且常年封育的林地对土壤颗粒碳氮分配影响强于补播草种仅生长季封育的草地。

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Effects of ecological restoration patterns on soil particulate organic carbon and total nitrogen distribution in alpine mountain

HAH Guangzhao1, 2, 3, CAO Guangchao2, 3, 4, *, CAO Shengkui1, 2, 3, yE Wenqian1, 2, 3, chen Guo1, 2, 3

1. School of Geographical Science, Qinghai Normal University, Xining 810008, China 2. Qinghai Province Key Laboratory of Physical Gegraphy and Environment Process, Xining 810008, China 3. MOE Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Process and Ecological Conservation, Xining 810008, China 4. Academy of Platea Science and Sustainbility People’s Government of Qinghai Province & Beijing Normal University,Xining 810008, China

This study explored the impact of two different ecological restoration approaches on allocations of soil particulate organic carbon and total nitrogen, expecting to provide theoretical references for research on the effects of ecological restoration on the soil carbon and nitrogen pools in alpine mountain regions. By the method of space replacing time, grassland and woodland with different restoration years were selected as research subjects, and the management types were only in the growth season and perennial sealing, respectively. Soil samples collected in the field during the growing season were graded for soil particles by centrifugation in the laboratory, and the soil grain size were classified into sand (50-2000 μm), silt (2-50 μm), and clay (< 2 μm) to analyze the distribution of organic carbon and total nitrogen in soil particles. The results showed as follows. Firstly, the main subjects of soil particulate organic carbon (POC) and total nitrogen (TN) in grassland and woodland for different restoration years were sand and silt particles, respectively. Soil organic carbon in sand particle in grassland and woodland accounted for 57.36% and 46.46%, respectively; and total nitrogen (TN) in silt particle in grassland and woodland took up 44.79%, and 42.55%, respectively. Second, the percentages of POC and TN in different soil particles all existed significantly positive correlations with their component contents.The allocation of POC and TN in sand was mainly affected by belowground biomass and soil porosity, while the allocation of POC and TN in clay and silt was mainly affected by bulk density and pH. Those results indicated that influences of the afforestation on allocations of the POC and TN in soil different particles were more obvious.

soil; particulate organic carbon; total nitrogen; ecological restoration; alpine mountain

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.002

K903

A

1008-8873(2024)01-010-09

2021-09 -02;

2021-10-10

国家重点研发计划项目(2017YFC0404304); 青海省自然科学资助项目(2018-ZJ-903); 青海省创新平台建设专项青海省自然地理与环境过程重点实验室(2020-ZJ-Y06)

汉光昭(1990—), 男, 甘肃榆中人, 博士, 讲师, 研究方向为地表环境过程与生态响应, E-mail: guangzhaohan@163.com

通信作者:曹广超, 男, 博士, 教授, 主要从青藏高原地区环境变化与地理信息系统应用研究, E-mail: caoguangchao@126.com

汉光昭, 曹广超, 曹生奎, 等. 高寒山地生态修复方式对土壤颗粒碳氮分配的影响[J]. 生态科学, 2024, 43(1): 10–18.

HAH Guangzhao, CAO Guangchao, CAO Shengkui, et al. Effects of ecological restoration patterns on soil particulate organic carbon and total nitrogen distribution in alpine mountain[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 10–18.