2024, Vol. 61
2. 青海大学农林科学院, 西宁 810016;
3. 青海省海北州气象局, 海北 810299;
4. 青海省气象灾害防御技术中心, 西宁 810001;
5. 新疆农业大学草业学院, 乌鲁木齐 830052
2. Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Qinghai University, Xining 810016, China;
3. Qinghai Province Haibei Meteorological Bureau, Haibei, Qinghai 810299, China;
4. Qinghai Province Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Xining 810001, China;
5. College of grassland science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
稳定性土壤有机碳(Stable Soil Organic Carbon，SSOC)决定着土壤抗干扰与固碳能力[1]，土壤有机碳(SOC)的稳定机制主要包括有机碳的自身难降解性、与土壤金属氧化物和黏土矿物的相互作用、土壤团聚体的物理保护机制及土壤的生物学机制[2]。其中矿物结合有机碳(Mineral Soil Organic Carbon. MOC，< 53 um)的化学稳定性较高，属于惰性有机碳，细矿物颗粒对有机碳的吸附作用也被认为是土壤固持有机碳的重要机制之一[3]。尤其是铁和铝由于其分布的广泛性和表层的活跃性，对土壤有机碳的储存有着重要意义[4]。
1990年代起国外学者关于土壤矿物结合碳的相关研究得到大量关注，普遍认为铁、铝矿物表面对有机质的吸附能抵抗微生物的分解，进而增强其稳定性[5-6]。21世纪以来，国内的研究者也开展了有关矿物结合态有机碳的研究[7-9]，多集中在依托某一区域试验站的农业土壤。近几年国内有关不同地域环境下铁铝氧化物与团聚体稳定性间的关系开始有相关报道[10-12]，但青藏高原腹地铁(铝)键合碳特征鲜有报道，高原多年冻土区铁(铝)键合碳对气候变化的响应机制还缺乏足够的研究。
青藏高原高寒草地土壤有机碳储量约为30~40 Gt，占中国总土壤有机碳储量的20%以上，占全球土壤碳储量的2%~3%[13]，作为海拔最高、类型最为独特的草地生态系统，其在碳氮固定、气候调节等方面发挥着重要的生态功能[14]。三江源地区地处青藏高原核心区域，土壤有机碳赋存形态和组分特征在空间维度上有一定的特殊性，在高寒地区土壤有机碳的研究中具有代表性，且土壤碳库的稳定和维持对三江源地区高寒草地生态系统的作用无可替代[15]，其科学意义显而易见。但受限于土壤极大的空间异质性和对深层土壤碳动态理解的匮乏，目前对高原土壤碳库及土壤碳汇功能大小的估算仍具有较大不确定性[16]。有机地运用气候模型方法，以时空耦合为主线的现代生态学研究思路，对于揭示三江源区生态变化提供了思路和方法[17]。
本文以三江源区土壤及典型天然草地类型为对象，以铁(铝)键合碳为目标，梳理其空间分布和草地间的固持状态，模拟时空演变下的面积变化，旨在探讨气候变化背景下青藏高原高寒草地有机碳库固碳能力和增汇潜力，也为进一步科学认知三江源天然草地土壤碳库提供重要的基础数据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况三江源(31°65′—36°24′ N，89°40′—102°40′ E)总面积36.37×104 km2，位于青藏高原腹地青海省南部，约占青海省总面积的1/2。全区地势南高北低，属于青藏高原气候系统，为典型的高原大陆性气候，冷热两季交替、干湿两季分明。气温年较差小、日较差大，年平均气温仅为0.9℃；降水主要集中在暖季的5 —9月，年平均为475.50 mm；日照长、辐射强烈，光照时数年平均达2 622 h。全区以山地地貌为主，海拔3 335~6 564 m，平均约4 400 m，相对高差3 229 m。三江源地区是世界上高海拔生物多样性最集中的地区之一，孕育了独特的植物区系和生态系统。
三江源高寒草地植被分布具有较鲜明的地带性特征，自东南向西北呈现灌丛向草原过渡的特点，植被覆盖度渐次降低(图 1)。植被类型有针叶林、阔叶林、灌丛、草原等9个植被类型，分为14个群系纲、50个群系。其中高山灌丛草甸(alpine shrub meadow，ASM)主要分布于三江源东南大部分区域，灌丛植被与高寒草甸呈复合分布，构成高山灌从草甸带，主要植被有山生柳(Salix oritrepha)、积石柳(Salix jishiensis)、金露梅(Potentilla frutico-sa)、头花杜鹃(Rhododendron capitatum)、箭叶锦鸡儿(Caragana jubata)、绣线菊(Spiraea salicifolia)、窄叶鲜卑花(Sibiraea angustata)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等，植被种类相对丰富。高寒草甸(alpine meadow，AM)主要分布于三江源中部地区，植被以小嵩草(Kobresia pygmaea)、藏嵩草(K. tibetica)、矮生嵩草(K. humilis)等种群为优势，种类成分较为丰富，分布广，面积大，但区系成分简单。高寒草原(alpine steppe，AS)主要分布于三江源西北部及北缘一线，以青藏苔草(Carex moorcroftii)和紫花针茅(Stipa purpurea)为主，植被稀疏，覆盖度低，草丛低矮，层次结构简单。
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图 1 三江源地区植被及土壤采样点空间分布 Fig. 1 Spatial distribution of vegetation and soil sampling sites in the Three-River Source Region |
随海拔由高到低，主要土壤类型依次为高山寒漠土、高寒草甸土、高寒草原土、山地草甸土、灰褐土、栗钙土等。
1.2 样地设置与样品采集样点布设以中国1︰100万土壤图、青海省第二次土壤普查资料、中国1︰100万植被数据集[18]、青海省1961—2020年气候资料及青海省行政区划图和青海省交通图为作为本次土系调查的参考依据，筛选出能代表当地及草地类型的平坦地区布设土壤样点共70个：a(东部)24个样点、b(中部)25个样点、c(西部)21个样点；高山灌丛草甸(alpine shrub meadow，ASM)土22个样点、高寒草甸(alpine meadow，AM)土21个样点、高寒草原(alpine steppe，AS)土27个样点；间距30~100 km(图 1)。样品采集于2019年11月至2020年4月，每个样点按100 m×100 m的样方5点混合采样，采集0~40 cm或至冰碛物的土壤实验室自然风干后分出1/4样品，研磨过0.25 mm尼龙筛记录编号备用。
1.3 样品提取与测定土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定(LY/T1237-1999)。土壤铁(铝)键合碳即铁(铝)键腐殖质有机碳用0.1 mol·L–1 Na4P2O7(pH13)提取[19]，提取液中的碳用重铬酸钾氧化法测定。
1.4 制图参数与方法数据分析采用SPSS22.0软件，Origin2020绘制小提琴图和散点图。空间分布图采用距离反比加权(IDW插值法订正，结合ArcGIS(10.2)制图，并以自然裂隙法分阶。多元回归模型中年均降水量(mean annual precipitation，MAP)、年平均气温(mean annual temperature，MAT)、年均光照时数(annual sunshine duration，ASD)、采样点海拔高度(Altitude，ALT)及经纬度(Longitude，LON and Latitude，LAT)采集自青海省南部30个分布均匀的气象站，数据均来源于中国气象局气候中心。多年模拟数字化制图中DEM数据空间分辨率为90 m，来源于地理空间数据云(gscloud.cn)。
2 结果 2.1 铁(铝)键合碳空间分布三江源地区Fe(Al)-C含量介于0.70~14.92 g·kg–1之间，均值为6.07 g·kg–1，占土壤总有机碳(TOC)的比值平均为16.87%。其含量分布具有明显地带性特征，从东南向西北依次递减。东部(100°0′—102°23′E)(下同)平均含量为8.69 g·kg–1，中部(96°30′—97°30′E)平均含量为7.71 g·kg–1，西部(90°0′—95°0′E)平均含量为1.12 g·kg–1，且东、中部地区显著高于西部地区(P < 0.05)；离散度：中部＞东部＞西部(表 1)。
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表 1 三江源地区土壤铁(铝)键合碳与总有机碳 Table 1 Fe(Al)-C, TOC in the soil of the Three-River Source Region |
根据自然裂隙法将三江源Fe(Al)－C含量分为4类：低值区(0.70 ~1.99 g·kg–1)分布于玉树州曲麻莱、治多、杂多三县的西部地区和格尔木市唐古拉乡；次低值区(2.00 ~4.49 g·kg–1)主要分布于低值区东南边缘一线，及三江源中部的零星区域；次高值区(4.50~ 9.99 g·kg–1)西起玉树州中部一线，东至三江源东部沿线，分布范围广阔；高值区(10.00~14.92 g·kg–1)仅分布于玉树州称多县大部、治多县局部，果洛州玛沁县与甘德县接壤的东部区域、久治县东部及斑马县南部的部分区域(图 2)。
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图 2 三江源地区铁(铝)键合碳空间分布特征 Fig. 2 Spatial distribution characteristics of Fe(Al)-C in the Three-River Source Region |
三江源3种高寒草地土壤Fe(Al)-C含量介于2.35~8.81 g·kg–1之间，其含量分布具有明显地带性特征，从高山灌丛草甸(ASM)向高寒草甸(AM)、高寒草原(AS)依次递减。分别为：ASM 8.81 g·kg–1、AM 7.38 g·kg–1、AS 2.35 g·kg–1，且ASM和AM显著高于AS(P < 0. 05)，分别高出6.46 g·kg–1、5.03 g·kg–1；ASM和AM二者之间差异不显著(P > 0. 05)，仅相差1.43 g·kg–1。离散度：AM＞ASM＞AS(图 3)。
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注：AS，高寒草原；ASM，高山灌丛草甸；AM，高寒草甸。 Note: AS, alpine steppe; ASM, Alpine shrub meadow; AM, Alpine meadow. 图 3 三江源典型草地类型Fe(Al)-C与[Fe(Al)-C]/TOC Fig. 3 Fe(Al)-C, [Fe(Al)-C]/TOC in typical grassland types in the Three-River Source Region |
3种高寒草地土壤Fe(Al)-C占TOC比值为11.99%~20.52%，分别为：ASM 20.52%、AM 18.37%、AS 11.99%，且ASM和AM显著高于AS(P < 0. 05)，分别高出8.53%、6.38%；ASM和AM二者之间差异不显著(P > 0. 05)，仅相差2.15%。离散度：AM＞ASM＞AS(图 3)。
三江源3种高寒草地土壤Fe(Al)-C与TOC均呈极显著(P < 0. 01)正相关关系(图 4)。
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图 4 三江源典型草地类型Fe(Al)-C与TOC相关性 Fig. 4 Correlation analysis of Fe(Al)-C and TOC in the Three-River Source Region |
本文根据三江源地区的70个土壤采样点0~40 cm层土壤实测铁(铝)键合碳含量与三江源地区25个气象观测点(剔除缺测时间较长的巴颜喀拉山、风火山、鄂陵湖、沱沱河2和杂多2共5个站点数据)实测年均降水量MAP(mm)、年平均气温MAT(℃)、年均光照时数ASD(h)、采样点海拔高度ALT(m)及经纬度LON和LAT(°)，气象数据的时间跨度统一取为土样采集时间的临近20年，即2001年1月1日—2019年12月31日。针对土壤采样点与气象观测站存在的缺测数据，本文选取其相邻观测站同期数据对比后进行线性插补(取周围临近观测站，对比气候环境选相邻2个平均值作为插补值)，一定程度上可以提升资料数据序列的完整性和连续性。经线性多元回归统计分析，得到了Fe(Al)－C与气候、环境因子的关系：
| $\begin{gathered} C_{\rm{l}}=61.126-0.002 \mathrm{MAP}+0.115 \mathrm{MAT}-0.002 \mathrm{ASD}+ \\ 0.002 \mathrm{ALT}-0.951 \mathrm{LON}+0.987 \mathrm{LAT} \\ r=0.761 \quad F=14.444, \end{gathered} $ | (1) |
对回归方程(1)式进行F统计性检验，其P < 0. 01，统计关系极其显著。r为计算值与实测值的复相关系数，R2为0.597，调整后的R2达0.539，即模型解释度为53.9%。
经计算，对应于MAP，MAT，ASD，ALT，LON，LAT的标准回归系数分别为
| $ \begin{aligned} & \mathrm{b}_1=-0.066, \mathrm{~b}_2=0.088, \mathrm{~b}_3=-0.096, \mathrm{~b}_4=-0.207, \\ \mathrm{~b}_5= & 0.745, \mathrm{~b}_6=0.238, \\ & \left|\mathrm{~b}_5\right|>\left|\mathrm{b}_6\right|>\left|\mathrm{b}_4\right|>\left|\mathrm{b}_3\right|>\left|\mathrm{b}_2\right|>\left|\mathrm{b}_1\right|, \end{aligned} $ |
可见经纬度是影响三江源地区Fe(Al)-C最显著的因素，海拔高度次之。即，三江源Fe(Al)-C主要受经度分带性和纬度分带性控制，海拔高度变化也有一定的影响，气候各要素对其分布影响作用不甚明显。
2.3.2 铁(铝)键合碳的时空分布特征用地理空间数据云提取三江源地区90 m分辨率DEM高程数据，通过重采样将其处理为500 m × 500 m空间分辨率，结合地理信息系统的经纬度数据，利用回归方程和算法，及三江源地区25个筛选出的气象观测点多年气候资料。反距离权重插值法将该要素残差从采样点所在地区扩展至广大的非气象资料覆盖所在地区，即残差网格化，并参考青海省表层土壤属性数字制图方法[20]，绘制出三江源地区铁(铝)键合碳1961—1980年、1981—2000年、2001—2020年空间分布图(图 5)。
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图 5 三江源地区Fe(Al)-C(1961—1980年，1981—2000年，2001—2020年)分布 Fig. 5 Distribution of Fe(Al)-C in the Three-River Source Region(1961-1980, 1981-2000, 2001-2020) |
图 5列出了1961—1980年、1981—2000年及2001—2020年三个20年资料统计时段，模拟Fe(Al)-C分布分带的相对面积，并以自然裂隙法分阶(Ⅰ~ Ⅷ)。三江源地区近20年(2001—2020年)与过去两个20年(1961—1980年、1981—2000年)相比，Fe(Al)-C分布发生了明显的变化，变化最明显的区域出现在高山灌丛草甸(ASM)覆盖的区域，这包括玉树州与果洛州东南面的大部分区域，以及黄南州以东的小部分区域；而过去两个20年之间对比下Fe(Al)-C的分布变化不明显。
具体而言，三江源地区近20年与过去两个20年相比，＜5.75 g·kg–1(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)的Fe(Al)-C面积在4个分阶整体均有减少，较1961—1980年分别减少0.53%、0.69%、0.17%、0.16%，整体共减少1.55%(表 2)；较1981—2000年分别减少0.33、0.61%、0.76%、0.02%，整体共减少1.72%；≥5.75 g·kg–1(Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)的Fe(Al)-C面积在其余4个分阶整体均有增加，较1961—1980年分别增加0.39%、0.67%、0.47%、0.02%，整体共增加1.55%；较1981—2000年分别增加0.21%、0.84%、0.58%、0.09%，整体共增加1.72%。过去两个20年之间相比，Fe(Al)-C面积在8个分阶均有增有减，其中＜5.75 g·kg–1(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)的面积共略微增加0.17%，≥5.75 g·kg–1(Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)的面积共略微减少0.17%，处于轻微的减少趋势(表 2)。
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表 2 三江源地区铁(铝)键合碳模拟结果的分带面积比例 Table 2 Zoned area percentage of Fe(Al)-C simulated in the Three-River Source Region(%) |
总体而言，时空模拟下近20年三江源地区Fe(Al)-C分布分带的相对面积相比过去40年，＜5.75 g·kg–1面积平均减少1.64 %，而≥5.75 g·kg–1面积平均增加1.64 %，整体处于增加趋势。
3 讨论 3.1 空间与植被划分下土壤铁(铝)键合碳分布特征土壤类型、气候环境及地上植被差异等均会影响铁铝氧化物的含量[10-11]。本研究中，三江源地区的水热分布与地上植被有着一致的变化边界，铁(铝)键合碳东部和中部地区含量显著高于西部地区，高山灌丛草甸和高寒草甸含量显著高于高寒草原。适宜的水热条件，可以极大提高微生物的活性与植物的新陈代谢速率，土壤表层形成更多的残体、分泌物和凋落物归还给土壤，产生更多可供被分解的有机物质。有学者提到，有机质与络合态铁铝氧化物呈正相关关系[21]，还有学者认为有机质(特别是羟基官能团) 在铁、铝矿物表面的吸附能抵抗微生物酶对其的分解，从而增加其稳定性[22]；反之，稳定性有机碳能形成中密度的土壤微团聚体，并制约氧气的扩散，进一步阻止微生物对有机质的分解[23-24]，这种正向反馈在三江源东、中部地区铁(铝)键合碳的累积和稳定性中发挥了重要作用。与此同时，相较于高寒草原，高寒草甸的地上植物种类更丰富，尤其是高山灌丛草甸的灌丛植被与高寒草甸呈复合分布，丰富的林下植被层和凋落物覆盖也使其保持了较高的土壤含水量，这些条件均有利于微生物生长和繁殖。有研究表明，土壤矿物对植物和微生物来源的碳组分均具有保护作用，并且矿物对微生物残体碳的保护作用更强[25]，一定程度上加速了有机质的分解和向土壤的迁移，进而使得两种草甸更有利于铁(铝)键合碳的富集。
三江源地区土壤全碳含量从东部到中部有逐渐减小的趋势(表 1)，而铁(铝)键合碳含量从中部到东部是逐渐增加的，且铁(铝)键合碳占全碳的比值也是逐渐增大的。这表明，与全土有机碳相比，在保存土壤有机碳方面，铁(铝)键合碳的稳定性更强，尤其是在水热条件相对充沛的三江源东、中部地区，作用是较大的。这与“与全土有机碳相比，有机碳矿化稳定性由高到低依次为铁(铝)键合碳、钙键合碳、全土土壤有机碳”的研究结论互相印证[26]，因此用土壤铁(铝)键合碳来反映碳库变化相对于土壤全碳更灵敏、更稳定、更可靠的。3种草地类型铁(铝)键合碳含量占全碳比值，自高寒草原向高寒草甸和高山灌丛草甸依次增高，且高山灌丛草甸均为首位，这可能是在全球气候变化及人类活动的干扰下，青藏高原高寒灌丛化现象日益严重[11]。有研究表明，青藏高原草地土壤团聚体平均重量直径(MWD)均表现为灌丛化草地大于未灌丛化草地，MWD的增加一定程度上增强了灌丛化草地的团聚体稳定性[12]，也促进了团聚体对铁铝氧化物的固定，使其有了更好的固碳能力。此外，有研究表明，有机-金属配合物中的碳含量通常是可提取有机铁铝矿物复合体中最大的碳组分，并且通常与SOC呈正相关[27]。本研究中3种草地类型下土壤铁(铝)键合碳与土壤TOC均呈极显著(P < 0. 01)正相关关系，间接反映了三江源地铁(铝)键合碳直接参与了高寒草地土壤有机碳的生物化学转换过程。
3.2 时空演变下铁(铝)键合碳特征规律及固碳潜力三江源地区的土壤铁(铝)键合碳储量模拟1981—2000年较1961—1980年未发生较大的变化，这与1980—2000年青藏高原草地土壤表层0~30 cm有机碳储量并未表现出显著的变化[28]研究结果一致，该研究进一步指出这主要是由于增加的土壤呼吸和增加的植物生产力对土壤碳排放和积累作用相互抵消。而2001—2020年较前两个模拟时段(1961—1980年、1981—2000年)，三江源地区的土壤铁(铝)键合碳储量有所上涨，这与陆面模式下对青藏高原土壤有机碳时空变化的模拟结果“1970年至2010年间整体呈现下降趋势，2006年出现转折点，之后开始轻微上涨[29]”的研究结论相互印证。近年来，我国学者针对青藏高原碳汇开展了大量工作，目前得出的普遍结论是高原陆地生态系统总体表现为碳汇[30-31]与波动式增加趋势[32]。有学者指出，近20年来青藏高原草地地上生物量碳库总体呈增加趋势，处于碳汇状态，且2000年后以植被“碳”增加为主，同期温度的显著增加，温度与生物量呈正相关，温度的增加影响植被光合速率，促进植被生长[33]。最新研究发现，青藏高原高寒草地物种丰度、地上生物量、土壤铁铝氧化物等与化学风化强度显著正相关，风化过程中矿物所释放的土壤养分增加，导致草地生产力提高，同时土壤铁铝氧化物及黏粉粒含量增多，促进SOC的矿物稳定性增强，最终影响SOC周转和固存[24]。国内学者大量的研究反映出近20年来青藏高原生态恢复质量稳定上升[34]下的有机碳巨大增汇潜力，也进一步反映出三江源地区铁(铝)键合碳在土壤稳定中确实具有较高的固碳潜力。
4 结论空间划分下，铁(铝)键合碳含量分布有明显的地带性特征，从东南至西北依次递减，中、东部地区的铁(铝)键合碳含量显著高于西部地区；且与全土有机碳相比，铁(铝)键合碳的稳定性更强。植被划分下，铁(铝)键合碳含量从高山灌丛草甸向高寒草甸、高寒草原依次降低，高山灌丛草甸与高寒草甸的铁(铝)键合碳含量显著高于高寒草原；且各草地类型土壤铁(铝)键合碳含量与总有机碳含量均存在极显著正相关关系。本研究初步表明，用土壤铁(铝)键合碳的消长来反映土壤有机碳碳库长期变化相对于土壤全碳具有更为明显的优势；三江源地铁(铝)键合碳含量的分布面积变化在时空演变模拟下，近20年较过去40年有所增加，整体处于增汇趋势。
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