付琳玉， 孫永玉， 胥汝宇， 劉文斗， 廖聲熙， 唐國(guó)勇,4*

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院高原林業(yè)研究所， 云南 昆明 650233； 2. 南京林業(yè)大學(xué)， 江蘇 南京 210037； 3. 國(guó)家林業(yè)局云南元謀荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站， 云南 昆明 650233； 4. 國(guó)家林業(yè)局云南建水荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站， 北京 100083)

水源涵養(yǎng)是林草生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)功能之一[1]。若爾蓋地區(qū)地處青藏高原東緣，是我國(guó)高寒草甸和高原泥炭典型分布區(qū)，也是黃河、長(zhǎng)江重要的水源補(bǔ)給區(qū)，在土壤碳水固持方面發(fā)揮著重要作用[2-3]。資料顯示，若爾蓋地區(qū)水源涵養(yǎng)總量約為 6. 57億m3/年，向黃河補(bǔ)水 6.71±1.49億m3/年，徑流量與水源涵養(yǎng)量正相關(guān)關(guān)系[4-5]。近百年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化等干擾，導(dǎo)致若爾蓋高寒草甸和濕地生態(tài)系統(tǒng)退化[6-7]。合理放牧、人工建植等恢復(fù)措施雖使水源涵養(yǎng)量呈上升趨勢(shì)，有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著增加[4,8-9]，但為了更精準(zhǔn)判斷全球變化背景下區(qū)域碳水功能評(píng)估，明確該區(qū)域土壤持水量和有機(jī)碳關(guān)系這一議題應(yīng)該得到重視。

土壤持水能力是陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的重要指標(biāo)，在地表過(guò)程和水循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]，主要受土壤理化性質(zhì)的影響，如土壤容重、孔隙度、土壤粒度分布、土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)等[11]，其中，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤持水能力具有極強(qiáng)的相關(guān)性[12-14]。土壤有機(jī)質(zhì)積累可以通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)，或通過(guò)改變土壤孔性而改善水結(jié)合和保水能力，從而提高土壤持水能力[13-14]，尤其是在土壤淺層[15]。Farley等[12]對(duì)厄瓜多爾帕拉莫原上的蒙特利松林分土壤研究表明，高土壤含水量可以延緩有機(jī)碳分解，提高碳儲(chǔ)量，增加土壤中孔和微孔量，從而提高土壤持水能力；相反土壤水損失會(huì)引起碳損失，從而又降低土壤持水能力。高寒草甸地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤孔性和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵建構(gòu)因子，對(duì)土壤持水性的影響大于土壤質(zhì)地的貢獻(xiàn)，是該地區(qū)水文模型的重要參數(shù)[13,16]，在估算地表土壤持水量中發(fā)揮重要作用[15]。前人研究了高寒草甸土壤持水能力和有機(jī)碳含量等諸多問(wèn)題，然而，對(duì)這兩者具體的相關(guān)關(guān)系尚缺乏研究。本文選取四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣部分地區(qū)的草甸和天然林地作為研究對(duì)象，研究土壤持水量和有機(jī)碳關(guān)系，為更精準(zhǔn)判斷全球變化背景下若爾蓋地區(qū)碳水功能評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣部分地區(qū)作為研究區(qū)域，其平均海拔3 500 m，屬高原亞寒帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫 0.7℃，年均降水量 600～800 mm，其中85%降水量集中在5—9月，年均相對(duì)濕度69%，年均日照時(shí)數(shù)2 389 h。研究區(qū)主要土地類(lèi)型是高寒草甸和天然針葉林，主要覆被為沼澤化草甸、非沼澤化草甸和天然林地，主要土壤類(lèi)型為草甸土，有少量泥炭土、沼澤土和風(fēng)沙土，主要植物物種、洞穴和放牧情況如表1所示，由于自然差異極其顯著，可以推斷非沼澤化草甸鼠兔害和放牧強(qiáng)度明顯大于沼澤化草甸。

表1 若爾蓋地區(qū)主要覆被類(lèi)型基本信息表

1.2 樣品采集

2020年8月(雨季中期)，根據(jù)研究區(qū)遙感影像和實(shí)地考察，并充分考慮海拔、坡度、坡位、坡向、覆被類(lèi)型等生態(tài)因子，在研究區(qū)內(nèi)共設(shè)94個(gè)樣點(diǎn)，包括沼澤化草甸、非沼澤化草甸和天然林地3種主要覆被類(lèi)型。每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)5 m×5 m樣方，在樣方內(nèi)按五點(diǎn)法取2個(gè)淺層(0～20 cm)土壤混合樣(該地區(qū)沼澤化草甸雨季中期暫未淹水)，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量；每個(gè)樣點(diǎn)在0～20 cm中部位置隨機(jī)取6個(gè)鋁盒樣品和6個(gè)100 cm3環(huán)刀樣品，用于測(cè)量土壤含水量、容重、孔隙度、持水量等指標(biāo)(參照《中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——森林土壤分析方法》)，取平均值，并記錄樣點(diǎn)坐標(biāo)信息、覆被類(lèi)型、植被狀況、海拔、坡度、坡向、坡位等基本信息。

1.3 室內(nèi)分析

將土壤混合樣風(fēng)干，研磨過(guò)篩(80目)。采用烘干法測(cè)量土壤自然含水量；環(huán)刀法測(cè)量土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及相關(guān)持水特征(田間持水量、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量)；重鉻酸鉀外加熱法測(cè)土壤有機(jī)碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用方差分析(ANOVA，LSD檢驗(yàn))比較不同覆被類(lèi)型間土壤孔隙度、持水量、有機(jī)碳含量等理化參數(shù)差異的顯著性，用相關(guān)分析(Pearson檢驗(yàn))探究土壤孔性、持水量、有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性，用線性回歸分析探究土壤水碳相關(guān)特征。以上統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 23.0上完成，圖表用Origin 2019和Excel 2007整理繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要覆被類(lèi)型土壤持水能力特征

不同覆被類(lèi)型淺層土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均具有顯著差異(P<0.05，圖1)。沼澤化草甸總孔隙度最大(88.4%)，分別是天然林地(82.2%)和非沼澤化草甸(64.6%)的1.1和1.4倍。沼澤化草甸土壤毛管孔隙度(56.1%)約是天然林地(49.3%)和非沼澤化草甸(47.1%)的1.2倍。天然林地非毛管孔隙度最大(32.8%)，其次為沼澤化草甸(32.3%)和非沼澤化草甸(17.4%)。

圖1 若爾蓋地區(qū)主要覆被類(lèi)型淺層土壤孔隙度

雨季中期，不同覆被類(lèi)型淺層土壤最大持水量具有顯著差異(P<0.05，圖2)，沼澤化草甸最大，達(dá)到2 465.40 g·kg-1，其次為天然林地(1 464.66 g·kg-1)，而非沼澤化草甸(613.52 g·kg-1)土壤最大持水量較低。不同覆被類(lèi)型淺層土壤毛管持水量和田間持水量與最大持水量大小順序類(lèi)似。沼澤化草甸土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量約為天然林地的1.7倍，約是其他3類(lèi)草甸的4.0倍。

圖2 若爾蓋地區(qū)主要覆被類(lèi)型淺層土壤持水量

2.2 主要覆被類(lèi)型淺層土壤有機(jī)碳含量及相關(guān)性

不同覆被類(lèi)型淺層土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05，圖3)，沼澤化草甸>天然林地>非沼澤化草甸，沼澤化草甸土壤有機(jī)碳含量約為約為非沼澤化草甸和天然林地的4.2和2.7倍。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤容重、有機(jī)碳含量、孔隙度、毛管持水量、田間持水量與土壤最大水量間相關(guān)性顯著(P<0.01)，土壤容重、孔隙度、最大持水量與土壤有機(jī)碳含量間相關(guān)性顯著(P<0.01，表2)。

表2 若爾蓋地區(qū)淺層土壤持水特征和有機(jī)碳相關(guān)性

圖3 若爾蓋地區(qū)主要覆被類(lèi)型淺層土壤有機(jī)碳含量

2.3 主要覆被類(lèi)型土壤持水量和有機(jī)碳含量

總體上(圖4a)，淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)(R2=0.92，P<0.01，n=94)，3種覆被類(lèi)型淺層土壤兩者之間也有類(lèi)似關(guān)系(R2=0.74～0.89，P<0.01，圖4b～d)。淺層土壤最大持水量和有機(jī)碳含量擬合曲線的斜率k可以反映土壤最大持水量對(duì)有機(jī)碳含量變化的敏感程度，k值越大，表示土壤最大持水量對(duì)有機(jī)碳含量變化越敏感。本研究區(qū)k值大小順序?yàn)椋禾烊涣值?7.43)>非沼澤化草甸(5.49)>沼澤化草甸(4.11)，表明天然林地土壤最大持水量對(duì)有機(jī)碳含量變化最敏感，而沼澤化草甸水碳關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定?？傮w上土壤最大持水量和有機(jī)碳含量的擬合曲線斜率為5.79，介于沼澤化草甸和天然林地?cái)M合曲線斜率之間，且與非沼澤化草甸接近。

圖4 若爾蓋地區(qū)淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量曲線擬合

3 討論

3.1 主要覆被類(lèi)型淺層土壤持水和有機(jī)碳特征及其相關(guān)關(guān)系

土壤持水能力主要受土壤總孔隙度、毛管孔隙度、容重、有機(jī)質(zhì)、生物量、枯落物、腐殖質(zhì)層等的影響[11]。本研究天然林地淺層土壤總孔隙度顯著高于非沼澤化草甸(圖1)，可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)天然林地通常位于坡頂或陡坡地段，土壤粒徑較粗，石礫含量也高，因此孔隙度較高，尤其是非毛管孔隙度(圖1)。有機(jī)碳與土壤顆粒相結(jié)合，形成不同粒級(jí)的團(tuán)聚體，增加了孔隙度、改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高土壤的持水量[17]，使天然林地土壤持水量顯著大于非沼澤化草甸土壤持水量(圖2)。天然林地和沼澤化草甸土壤總孔隙度差距不大，總孔隙度和最大持水量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，但是天然林地和沼澤化草甸最大持水量卻出現(xiàn)了1.7倍的差距，這有可能是因?yàn)椋?1)若爾蓋地區(qū)沼澤化草甸土壤有機(jī)碳含量顯著高于天然林地(圖3)，土壤有機(jī)碳含量越高，持水能力越強(qiáng)[18-19]；(2)大量研究認(rèn)為，淺層土壤持水能力受控于土壤容重，而土壤有機(jī)碳含量與土壤容重之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[20-21]，與本研究結(jié)果一致(表2)，這也間接的反映若爾蓋地區(qū)天然林地相對(duì)于沼澤化草甸土壤更為緊實(shí)，不利于土壤水保持；(3)由天然林地和沼澤化草甸土壤毛管孔隙度具有顯著性差異造成(圖1)，然而由于缺乏土壤毛管孔隙度和持水量相關(guān)分析數(shù)據(jù)，該推測(cè)仍需進(jìn)一步分析論證。森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之針葉凋落物分解緩慢，大量養(yǎng)分元素累積于枯枝落葉，而沼澤化草甸會(huì)季節(jié)性滯水或淹水，土壤的空隙和氧氣含量降低，動(dòng)植物腐殖質(zhì)殘?bào)w處于厭氧環(huán)境，從而抑制土壤微生物呼吸與氣體交換過(guò)程，土壤有機(jī)碳礦化速率減弱，使得更多有機(jī)碳積累于土壤中[22-24]，這可能是本研究天然林地土壤有機(jī)碳含量顯著低于沼澤化草甸的重要原因(圖3)。沼澤化草甸和非沼澤化草甸由于物種組成、凋落物量、凈初級(jí)生產(chǎn)力的差異以及放牧等因素，影響有機(jī)質(zhì)種類(lèi)、性質(zhì)和輸入量，從而導(dǎo)致兩者土壤有機(jī)碳和水源涵養(yǎng)能力有所差異[25]。研究區(qū)沼澤化草甸微生物厭氧分解作用弱，有利于土壤有機(jī)碳的維持，非沼澤化草甸由于高強(qiáng)度放牧，牛羊牲畜反復(fù)踐踏壓實(shí)了淺層土壤，大幅降低了土壤孔隙度，尤其是非毛管孔隙度(圖1)。此外，非沼澤化草甸鼠兔害較沼澤化草甸嚴(yán)重，鼠兔類(lèi)動(dòng)物啃食地下根系，加之牲畜啃食地上植物，使得進(jìn)入土壤的枯落物減少，導(dǎo)致非沼澤化草甸淺層土壤有機(jī)碳含量顯著低于沼澤化草甸(圖3)。因此，應(yīng)該適度放牧，這樣才能維持高寒草甸土壤養(yǎng)分和水源涵養(yǎng)能力[26]。

本研究中，淺層土壤最大持水量與容重、孔隙度和有機(jī)碳含量顯著相關(guān)(表2)，因?yàn)橥寥揽紫抖群腿葜貙?duì)有機(jī)質(zhì)高度依賴(lài)，有機(jī)質(zhì)很大程度影響了土壤持水能力，而土壤碳積累和礦化也離不開(kāi)水的參與，因此土壤持水能力與碳固定是相互作用、相互影響[16]。Manns等[14]提出了線性模型解釋土壤有機(jī)碳和含水量之間的結(jié)合趨勢(shì)，并用偏最小二乘回歸、主成分分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)半變異函數(shù)檢驗(yàn)了土壤有機(jī)碳和土壤水碳的線性關(guān)系。若爾蓋地區(qū)主要覆被類(lèi)型淺層土壤最大持水量和有機(jī)碳含量表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(圖4)，這也證實(shí)了在若爾蓋高寒生態(tài)系統(tǒng)中存在這種水碳相互作用關(guān)系。若爾蓋高寒地區(qū)年降水量較大，沼澤化草甸土壤會(huì)出現(xiàn)季節(jié)性滯水。過(guò)高的土壤水分含量會(huì)抑制土壤有機(jī)質(zhì)礦化[22]，使土壤有機(jī)碳積累，而有機(jī)碳會(huì)促進(jìn)土壤穩(wěn)定團(tuán)聚體的形成，產(chǎn)生大量中孔和微孔，減少大孔隙的豐度，從而改善土壤孔性和結(jié)構(gòu)，容納更多毛細(xì)管水和吸濕水，又提高了土壤持水能力[27]，促進(jìn)了土壤水碳關(guān)系良性循環(huán)和生態(tài)功能提升演變。這種良性的正反饋現(xiàn)象，F(xiàn)arley等[12]在對(duì)帕拉莫草原上蒙特利松林分土壤研究時(shí)也得出類(lèi)似結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加生物質(zhì)炭能夠顯著降低土壤容重、增加土壤孔隙度和飽和含水量等，從而提高土壤持水能力[28-29]。

3.2 淺層土壤最大持水量和有機(jī)碳含量關(guān)系

若爾蓋地區(qū)淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量擬合曲線斜率較大，且斜率差異明顯(圖4)，區(qū)域水平上擬合曲線斜率為5.79(圖4a)，與非沼澤化草甸擬合曲線斜率(5.49)接近(圖4d)。而分覆被類(lèi)型其擬合曲線斜率在4.11～7.43之間，這意味著如果氣候或環(huán)境變化引起了土壤有機(jī)碳含量每變化1個(gè)單位，土壤最大持水量會(huì)相應(yīng)變化4.11～7.43個(gè)單位，表明土壤持水量變化幅度遠(yuǎn)高于有機(jī)碳含量的變化幅度。類(lèi)似地，Gould[30]通過(guò)對(duì)美國(guó)密歇根州農(nóng)場(chǎng)土壤的研究也得出類(lèi)似結(jié)論。

由于沼澤化草甸土壤季節(jié)性滯水或淹水，使得土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度高(礦化程度低)且性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定均一[22]，這可能導(dǎo)致與土壤持水能力相關(guān)的土壤孔性和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等理化性狀相對(duì)平衡，因而沼澤化草甸水碳關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定。這也暗示，在氣候或環(huán)境變化導(dǎo)致土壤碳變化時(shí)，沼澤化草甸土壤持水能力的變化相對(duì)穩(wěn)定。但是倘若沼澤化草甸積水環(huán)境減弱，可能會(huì)演變成非沼澤化草甸類(lèi)型，進(jìn)而顯著降低土壤有機(jī)碳含量和持水能力(圖3，圖4b)。研究區(qū)天然林地通常位于坡頂或陡坡，土壤粒徑較粗，石礫含量也高，因此與土壤持水能力相關(guān)的土壤孔性和結(jié)構(gòu)高度依賴(lài)于有機(jī)質(zhì)含量和性質(zhì)[16]，因而天然林地土壤最大持水量對(duì)有機(jī)碳含量變化最敏感。此外，天然林地土壤有機(jī)組分中疏水性強(qiáng)的胡敏酸和富里酸含量較高[31]，在若爾蓋高寒地區(qū)天然林地土壤長(zhǎng)期浸潤(rùn)背景下，土壤入滲速率隨有機(jī)質(zhì)含量提高而逐漸增大，其持水量變化明顯[32]。這也暗示，在氣候或環(huán)境變化導(dǎo)致土壤碳變化時(shí)，天然林地土壤持水能力的變化非常劇烈。若爾蓋地區(qū)非沼澤化草甸載畜量大、鼠兔害較嚴(yán)重，局部草場(chǎng)草種較差、退化裸露，淺層土壤有機(jī)物輸入量有限，這可能導(dǎo)致與土壤持水能力相關(guān)的土壤孔性和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等理化性狀相對(duì)較差[26]，因而非沼澤化草甸淺層土壤水碳關(guān)系相較于沼澤化草甸不穩(wěn)定。這也暗示，在氣候或環(huán)境變化導(dǎo)致土壤碳變化時(shí)，非沼澤化草甸淺層土壤持水能力可能會(huì)有較明顯的變化。

本研究結(jié)果表明，土壤持水量和有機(jī)碳含量關(guān)系在若爾蓋高寒林草生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中具有重要參考意義，其曲線擬合斜率宜納入高寒林草系統(tǒng)生態(tài)模型，為科學(xué)判斷全球變化背景下區(qū)域碳水功能評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

若爾蓋地區(qū)3種主要覆被類(lèi)型中，沼澤化草甸淺層土壤持水能力和固碳能力均最強(qiáng)，其次為天然林地，非沼澤化草甸持水固碳能力較弱。若爾蓋地區(qū)淺層土壤最大持水量與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其擬合曲線斜率在4.11～7.43之間，以天然林地最大，沼澤化草甸最小，表明天然林地土壤最大持水量對(duì)有機(jī)碳含量的變化最敏感，沼澤化草甸水碳關(guān)系較穩(wěn)定。