張亞亞 ，郭穎 ，劉海紅 ，劉胤序 ，劉小龍，李軍*

1. 深圳市深港產(chǎn)學研環(huán)保工程技術股份有限公司，廣東 深圳 518071；2. 天津師范大學天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津 300387；3. 天津師范大學地理與環(huán)境科學學院，天津 300387；4. 深港產(chǎn)學研基地（北京大學香港科技大學深圳研修院），廣東 深圳 518071

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其有機碳占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的 2/3（Schlesinger，1990），約為植物碳庫的3倍、大氣碳庫的2倍（Post et al.，1990）。氮元素作為生物生命活動所必需的大量元素之一，其貯量和分配影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構、功能及生產(chǎn)力水平（Paolo et al.，2009；Vitousek et al.，2002）。土壤有機碳（SOC，soil organic carbon）庫、全氮（TN，total nitrogen）庫及其排放，對大氣中CO2、CH4、N2O等溫室氣體濃度影響巨大，從而影響全球氣候變化（Ding et al.，2017）。土壤碳氮比（ω(C)/ω(N)）值是表征土壤有機碳氮積累過程及土壤質(zhì)量變化的指標，也是反映土壤微生物群落結(jié)構特征的重要標志（Zhang et al.，2003；Xiao et al.，2003），因此，了解土壤有機碳、全氮及碳氮比值對理解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)具有重要意義。

青藏高原地域遼闊，東西跨 31個經(jīng)度，南北跨13個緯度，平均海拔在4000 m以上。海拔高、溫度低的極端環(huán)境使植被和土壤對氣候變化的響應極為敏感，加之緯度跨度大，受人類活動影響小，青藏高原成為研究生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應與適應機制的天然實驗室，有全球氣候變化的“放大器”和“驅(qū)動器”之稱。

近年來，國內(nèi)外學者對青藏高原高寒草甸、高山草原等植被類型的土壤碳氮含量及碳氮比值進行了大量研究（王文穎等，2006；李元壽等，2009；王建林等，2014），但對青藏高原多種植被類型土壤碳氮含量的橫向比較研究較少。因此，本文針對青藏高原東部地區(qū)不同植被類型、不同海拔的表土展開系統(tǒng)研究，分析青藏高原土壤有機碳、全氮及碳氮比值的分布特征及影響因素，揭示青藏高原碳氮含量在不同植被類型間的差異，為青藏高原土壤碳氮含量對環(huán)境因子的響應研究提供基礎的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)集中分布于青藏高原地區(qū)，采樣點設置在青藏公路沿線。研究區(qū)涉及范圍較廣，氣溫隨緯度、經(jīng)度、高程變化差異明顯，再加上受到高原的動力和熱力作用的影響，青藏高原表現(xiàn)出平均氣溫低、降水量少的特點。近40年（1964—2004年）來，研究區(qū)的月均氣溫為 0.11 ℃，年降水量在267.5～462.0 mm之間，平均降水量為367.9 mm（拉巴卓瑪?shù)龋?007），氣候較為干寒。這種特殊的環(huán)境條件使高寒的草甸、草原和荒漠成為主宰高原的三大生態(tài)系統(tǒng)，并且決定了占據(jù)高原大部分面積的土地類型賦有寒冷或干旱的自然特征（徐鳳翔，2001）。

1.2 樣品采集與測定

本研究以青藏高原不同海拔、不同植被類型的表土為研究對象，于2013年7—8月，經(jīng)都蘭-格爾木-那曲-拉薩-林芝等地，沿青藏公路沿線受人類活動干擾少的地帶設置采樣點，大約每隔100 km設置1個采樣點（如圖1），在樣點采集0～20 cm的表土，共采集 75個土樣。按植被類型將樣點劃分為高寒草甸、高山草原、荒漠、灌叢、林地和鹽堿地等6種類型。采樣點位置利用GPS準確定位，同步記錄海拔高度（2283～5280 m）。地面氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）獲取，采用克里格插值法得到各樣點的氣象數(shù)據(jù)。本研究中，月均溫、月均降水量和月均相對濕度為 2013年1—12月的平均值，生長季均溫、生長季降水量、生長季相對濕度為2013年5—9月的平均值。

樣品采集完畢后，將土壤樣品裝入布袋，帶回實驗室風干，風干后的土壤樣品混合均勻，采用四分法留取部分土壤，并過 20目篩，以水土質(zhì)量比5∶1測定土壤酸堿度（pH值）和電導率（EC），pH值和EC采用水質(zhì)參數(shù)儀（Star A329，Thermo Orion，United States）測定，連續(xù)測定3次取平均值。部分上清液經(jīng)0.45 μm的醋酸纖維濾膜過濾，用鹽酸滴定法測定濾液的堿度（Alk）。土壤粒徑分布采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000型激光粒度儀測定，根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類標準分為黏粒（<0.002 mm）、粉砂（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm）。土壤全磷（TP）采用鉬銻抗比色法進行顯色，用波長為700 nm的紫外分光光度計測定。測定土壤SOC、TN時，首先取適量的土壤樣品（100目）放入 50 mL離心管中，加入適量稀鹽酸（2 mol·L-1）使其呈酸性，充分反應24 h，除去其中的碳酸鹽，多次用超純水離心洗至中性，倒掉上清液進行冷凍干燥，將干燥后的樣品放入元素分析儀（Vario Max CN，Elementar，德國）測定SOC、TN。土壤無機碳（SIC）采用氣量法測定，土壤碳氮比（ω(C)/ω(N)）值通過SOC和TN比值計算得出，不同植被類型土壤樣點理化性質(zhì)見表1。

圖1 青藏高原土壤采樣點分布圖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中的單因素方差分析中的最小顯著差異法（LSD）比較不同植被類型土壤SOC、TN含量及ω(C)/ω(N)值差異的顯著性，采用Pearson相關法分析土壤SOC、TN及C∶N值與環(huán)境變量（地理因子、土壤理化性質(zhì)和氣候因子）之間的相關關系，并用逐步回歸方法分析環(huán)境因子對SOC、TN 及ω(C)/ω(N)值影響的重要性。運用SigmaPlot 10.0、SPSS 19.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型表土SOC、TN質(zhì)量分數(shù)

2.1.1 SOC及TN含量特征

青藏高原不同植被類型表層SOC質(zhì)量分數(shù)的變化范圍為 0.80～105.85 g·kg-1，平均質(zhì)量分數(shù)為21.54 g·kg-1，以高寒草甸最高，為 42.82 g·kg-1，荒漠最低，為1.38 g·kg-1。不同植被類型表層SOC平均質(zhì)量分數(shù)排序為：高寒草甸>林地>鹽堿地>高山草原>灌叢>荒漠。由方差分析可得，高寒草甸 SOC與高山草原、荒漠、灌叢、鹽堿地 SOC差異達顯著性水平，與林地土壤差異不顯著（圖2）。土壤 TN質(zhì)量分數(shù)的變化范圍從 0.08～7.50 g·kg-1，平均為 1.59 g·kg-1，以高寒草甸最高，為3.08 g·kg-1，荒漠最低，為 0.23 g·kg-1，變化順序為：高寒草甸>林地>高山草原>灌叢>鹽堿地>荒漠。其中，高寒草甸TN質(zhì)量分數(shù)顯著高于林地、高山草原、灌叢、鹽堿地和荒漠，林地和荒漠具有顯著差異（圖3）。

2.1.2 土壤ω(C)/ω(N)值分布特征

圖2 青藏高原不同植被類型表土有機碳含量特征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

圖3 青藏高原不同植被類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

青藏高原不同植被類型土壤ω(C)/ω(N)值的變化范圍為4.38～45.50，平均值為14.76。不同植被類型土壤ω(C)/ω(N)均值大小排序為林地>鹽堿地>高寒草甸>灌叢>高山草原>荒漠（圖 4）。據(jù)方差分析可知，林地ω(C)/ω(N)值顯著高于鹽堿地、高寒草甸、灌叢、高山草原、荒漠，而鹽堿地和高寒草甸顯著高于高山草原、荒漠。土壤有機碳和全氮的回歸分析（圖5）表明，二者存在顯著正相關關系，這表明青藏高原不同植被類型土壤有機碳和全氮具有明顯的空間相關性，該結(jié)果與王根緒等（2005）、李元壽等（2009）的研究結(jié)果一致。

表1 青藏高原不同植被類型土壤理化性質(zhì)參數(shù)特征Table 1 Statistics characteristic of soil physical and chemical properties in different vegetation types in Qinghai-Tibetan plateau

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

圖5 青藏高原不同植被類型表土有機碳、全氮散點圖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)值與環(huán)境因子的關系

2.2.1 青藏高原SOC、TN、ω(C)/ω(N)值與環(huán)境因子的相關性

對青藏高原不同植被類型土壤 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值與地理因子（經(jīng)度、緯度、海拔）、土壤理化性質(zhì)（全磷TP、無機碳SIC、黏粒、粉砂、砂粒、土壤pH值、電導EC、堿度Alk）及氣候因子（月均溫度、生長季均溫、月均降水量、生長季降水量、月均相對濕度、生長季相對濕度）等自然環(huán)境因子進行相關分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，SOC、TN含量及ω(C)/ω(N)值與經(jīng)、緯度之間的相關性較弱，SOC與海拔相關性不顯著，土壤TN與海拔呈顯著正相關關系（P<0.05），ω(C)/ω(N)值與海拔呈顯著負相關關系（P<0.05），表明土壤 TN 含量隨海拔上升而增加，ω(C)/ω(N)值隨海拔上升而減小，這與王潔等（2015）、王建林等（2014）的研究結(jié)果一致。在土壤理化性質(zhì)因子中，SOC、TN、ω(C)/ω(N)值與土壤TP存在極顯著正相關關系（P<0.01），與SIC相關性不顯著。SOC、TN與黏粒、粉砂存在極顯著正相關關系（P<0.01），與砂粒呈極顯著負相關關系（P<0.01），表明SOC、TN含量隨土壤粒徑的增大而顯著減小。因此，土壤質(zhì)地越細膩，越有利于SOC和TN的積累。SOC、TN、ω(C)/ω(N)值與土壤pH值存在極顯著負相關（P<0.01），表明土壤SOC、TN均隨pH的增大而顯著減小，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)值也隨著pH的增大而減小，這與以往的研究結(jié)果相似（王建林等，2014）。SOC、TN與 Alk呈極顯著正相關關系，與EC相關性不顯著。SOC與月均降水量存在顯著相關關系（P<0.05），但相關系數(shù)較小，TN與氣候因子之間相關性較弱，因此，在區(qū)域尺度上，SOC和TN含量與氣候因子之間的相關性較弱，故通過氣候因子對區(qū)域 SOC和 TN含量進行預測十分困難，這與王淑芳等（2012）的觀點一致。相關分析結(jié)果表明，土壤ω(C)/ω(N)值與月均氣溫、生長季均溫、年降水量、生長季降水量均呈極顯著的正相關關系，與月均相對濕度存在顯著正相關關系，表明土壤ω(C)/ω(N)值隨月均溫度、生長季均溫、月均降水量、生長季降水量和月均相對濕度的增大而明顯增大。

表2 青藏高原土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值與環(huán)境因子的相關性分析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 環(huán)境因子對土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值的影響

基于逐步回歸分析法，建立 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值與環(huán)境因子的關系，方程如下：

從式（1）、（2）、（3）可以看出，影響SOC、TN的主要理化性質(zhì)因子為黏粒含量（X1）、Alk（X2）和pH值（X3），SOC與黏粒含量、Alk呈正相關關系，與pH值呈負相關關系，土壤TN與黏粒含量、Alk呈正相關關系，與 pH值呈負相關關系。土壤ω(C)/ω(N)值與月均氣溫存在正相關關系。根據(jù)標準誤差檢驗結(jié)果，回歸方程（1）、（2）、（3）均通過了α=0.01水平的顯著性檢驗。這表明，環(huán)境因子對土壤 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值的影響達到極顯著水平，即土壤SOC、TN與黏粒含量、Alk呈極顯著正相關關系，而與 pH值呈極顯著負相關關系。土壤ω(C)/ω(N)值與月均氣溫呈極顯著正相關關系。

2.2.3 各環(huán)境因子對土壤 SOC、TN、ω(C)/ω(N)值影響的重要性

采用逐步回歸方法分析了各因子對土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值影響的相對重要性，結(jié)果見表3。表中 R2′為除該變量外其他變量與 SOC、TN、ω(C)/ω(N)逐步回歸方程的判定系數(shù)；△R2為在其他變量的基礎上增加該變量時，回歸方程判定系數(shù)的增量，△R2越大，說明該變量在回歸方程中越重要；R2adj為調(diào)整判定系數(shù)，是回歸方程中的所有自變量對因變量變異性的解釋程度。如果將△R2>2%的因子作為主要影響因子，由表3可知，對于土壤SOC，影響最大的環(huán)境因子為 Alk，其次為 pH值，再次為黏粒含量；影響土壤TN的主要環(huán)境因子為Alk，其次為黏粒含量，再次為土壤pH值；影響青藏高原土壤ω(C)/ω(N)值的主要因子為月均氣溫。

表3 青藏高原土壤SOC、TN、ω(C)/ω(N)值與影響因子逐步回歸分析結(jié)果Table 3 Results of stepwise regression analysis of SOC, TN, ω(C)/ω(N)ratio with influencing factors

3 討論

各植被類型中，高寒草甸表土SOC、TN含量最高，是由于高寒草甸地處海拔較高區(qū)域，加之溫度較低，礦化分解速率慢，從而有利于土壤碳氮的累積（王長庭等，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礦化分解、轉(zhuǎn)化累積與土壤呼吸釋放過程的綜合影響，林地土壤有機物主要貯存于林下枯落物和表土層土壤中，與高山草原、灌叢、鹽堿地、荒漠相比，林地土壤有機碳、全氮含量較高。

青藏高原不同植被類型表土中，除林地的個別樣品ω(C)/ω(N)值高于 25外，其他樣品ω(C)/ω(N)值介于 4.00～25.00之間，平均值為 14.76。研究表明，中國土壤ω(C)/ω(N)平均值在10.00～12.00之間（Huang，2000），本研究區(qū)不同植被類型土壤ω(C)/ω(N)均值高于全國平均水平。根據(jù)Post et al.（1990）的研究，高寒地區(qū)表土ω(C)/ω(N)平均值為17.40，本研究中，除林地ω(C)/ω(N)均值（25.12）高于17.40外，其他植被類型表土ω(C)/ω(N)均值均與Post et al（1990）的研究結(jié)果相近。林地ω(C)/ω(N)均值較高是由于林地土壤含有腐殖化的枯枝落葉，土壤礦化作用較慢（Deng et al.，2014）。土壤ω(C)/ω(N)值與微生物的分解速度有關，在 40%的生長效率下，微生物需要ω(C)/ω(N)值約為 25∶1的底物來提供需氮量。在ω(C)/ω(N)值較高時，微生物需要輸入氮來滿足他們的生長；在ω(C)/ω(N)較低時，氮超過微生物生長所需的部分就會釋放到凋落物和土壤中（王建林等，2014）。總體而言，青藏高原土壤有利于微生物分解，并能將富余的有機氮轉(zhuǎn)化為能夠被植物吸收的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮，即微生物在分解有機質(zhì)時，氮素不起限制作用，還會促進分解過程中釋放養(yǎng)分（Zhang et al.，2011）。土壤有機碳和全氮存在顯著正相關關系，表明土壤氮素主要以有機氮的形式存在于土壤有機質(zhì)中，這與大多數(shù)的研究結(jié)果一致（耿遠波等，2001；王琳等，2004）。

研究區(qū)碳氮含量及碳氮比值受多種環(huán)境因子的協(xié)同影響。地理經(jīng)度、地理緯度及海拔對土壤碳氮含量并不直接產(chǎn)生影響，它是區(qū)域溫度、降水和濕度等氣候因子的影響因素。這些氣候因子通過改變土壤母質(zhì)、植物群落而引起土壤溫度及水分的變化，從而影響土壤質(zhì)地與理化性質(zhì)，最終對土壤碳、氮循環(huán)產(chǎn)生影響（Wang et al.，2006；吳建國等，2008；王瑞永等，2009）。土壤堿度表征土壤溶液中OH-離子的總量，主要來源于土壤中堿金屬和堿土金屬的碳酸鹽類，土壤堿度與SOC、TN呈極顯著正相關關系。土壤pH值與SOC、TN存在極顯著的負相關關系，是影響青藏高原土壤碳氮含量的重要因子。研究區(qū)土壤 pH值的變化范圍為5.57～9.63，平均為8.07，波動范圍較大，總體呈弱堿性。青藏高原土壤的發(fā)育程度與pH值呈負相關關系，而土壤發(fā)育程度與有機質(zhì)積累程度直接聯(lián)系，成熟度越高的土壤，其積累的有機質(zhì)也越多，反之則相反，即高pH則意味著低有機質(zhì)積累，低pH則意味著高有機質(zhì)積累，從而導致隨著土壤pH增加，不同植被類型下土壤SOC、TN含量隨之顯著減少。土壤顆粒是構成土壤固相骨架的基本顆粒，它們按照不同的比例進行組合，形成不同的土壤質(zhì)地類型，進而通過影響土壤的物理、化學和生物學條件來改變物質(zhì)循環(huán)和能量流動的過程（黃冠華等，2002）。一般認為，土壤 SOC隨著粉砂和黏粒含量的增加而增加，主要反映在粉粒對土壤水分有效性、植被生長的正效應及其黏粒對土壤SOC具有保護作用（Baumann et al.，2009），而黏粒的保護作用主要是通過與有機碳結(jié)合形成有機-無機復合體實現(xiàn)的（周莉等，2005）。Spackman et al.（1984）則認為，粘質(zhì)土和粉質(zhì)土壤通常比砂質(zhì)土壤含有更多的有機質(zhì)。青藏高原表土ω(C)/ω(N)值與月均氣溫存在極顯著相關關系，且ω(C)/ω(N)均值高于全國土壤ω(C)/ω(N)平均值，造成這一現(xiàn)象的原因可能是青藏高原較為寒冷的氣候限制了土壤微生物的繁殖速度，也可能與青藏高原地質(zhì)年代較輕，土壤粗骨性較強，氮的淋溶作用較為強烈有關（王建林等，2014）。

4 結(jié)論

（1）青藏高原不同植被類型表土SOC和TN質(zhì)量分數(shù)具有一定差異，其中，高寒草甸表層SOC、TN 含量均最高，分別為 42.82 g·kg-1、3.08 g·kg-1；荒漠表層SOC、TN質(zhì)量分數(shù)均最低，分別為1.38 g·kg-1、0.23 g·kg-1。

（2）除林地個別土壤樣品ω(C)/ω(N)值高于25.00外，其他植被類型表層及剖面土壤ω(C)/ω(N)值均分布于4.00～25.00范圍內(nèi)，高于中國土壤ω(C)/ω(N)的平均水平，但能夠滿足微生物的需氮量。

（3）青藏高原土壤碳氮含量受多種環(huán)境因子的協(xié)同影響，環(huán)境因子對 SOC的重要性排序為Alk>pH值>黏粒含量，土壤TN的主要影響因子重要性排序為 Alk>黏粒含量>pH值，影響土壤ω(C)/ω(N)值的環(huán)境因子主要為月均氣溫。

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