增温对藏北高寒草甸土壤有机碳含量的影响

［摘 要］ 为研究青藏高原高寒草甸土壤有机碳对开顶式气室（Open Top Chamber，OTC）增温的响应，比较了OTC增温试验和对照试验条件下不同深度、不同季节、不同年份的藏北高寒草甸土壤有机碳含量，分析OTC增温对高寒草甸土壤有机碳的影响。结果表明，OTC增温试验在短期（2 a内）对土壤有机碳影响不显著；OTC增温降低了土壤有机碳及活性有机碳的含量；土壤有机碳、活性有机碳的含量在夏季变化显著，在秋季含量最高；土壤有机碳、活性有机碳和可溶性有机碳均与土壤全氮、全钾和碱解氮含量呈显著相关；土壤温度与土壤有机碳含量呈负相关，与可溶性有机碳含量呈正相关。

［关键词］ 高寒草甸；土壤有机碳；活性有机碳

［中图分类号］ S714.2 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1674-7909（2022）08--4

0 引言

近50 a来，青藏高原的气温每10 a升高0.3～0.4 ℃［1］，2000年以后气温升高趋势愈加明显。与此同时，青藏高原是全球对气候变化最敏感的区域之一。土壤有机碳库是陆地生态系统碳库的主要部分，陆地生态系统碳库中约2/3的碳是以土壤有机碳库的形式贮存［2］。土壤有机碳库细微的变化就会引起大气中CO2含量明显变化，从而对气温产生显著的影响，是气候调控的关键。

目前，虽然学界在增温对藏北高寒草甸有机碳的影响方面已有许多研究成果，但研究内容主要集中在不同海拔、不同草地类型土壤有机碳含量变化和高寒草原土壤有机碳空间分布等方面。目前，温度变化如何影响藏北高寒草甸土壤有机碳没有明确的定论，而针对同一地点和草地类型有机碳含量与温度变化的关系研究相对较少。笔者通过开顶式气室（Open Top Chamber，OTC）模拟气候变暖，研究不同深度、不同季节、不同年份高寒草甸土壤有机碳组分及土壤理化性质，以期揭示温度变化对藏北高寒草甸土壤有机碳含量的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

样地设置在西藏自治区那曲市德吉乡克玛村，中国科学院地理科学与资源研究所西藏那曲站（31°31′38″～31°32′02″N，92°04′03″～92°04′16″E），海拔4 596 m。研究区属高原亚寒带季风半湿润气候。样地气温低、空气稀薄、昼夜温差大、土壤冻结期较长，仅7—9月为高原植被生长期。此区域土壤为高山草甸土，高寒草甸植被以高山嵩草（Kobresia pygmaea）、矮生嵩草（Kobresia humilis）、西藏嵩草（Kobresia tibetica）等耐寒的多年生草本植物为主。

1.2 样品采集

以站内高寒草甸土为研究对象，采用开顶式气室法开展试验。试验分增温组和对照组，样地内设置3个OTC平行装置，中间位置未做任何处理的为对照组。OTC间距约100 m，OTC为六面体，内部面积为4 m2，高约为2 m。由于温室的阻挡作用，空气湍流减弱，增温棚室内风速降低，热量不易散失，土壤温度有所上升。

用土温度计法测土壤温度，用105 ℃烘干法测土壤含水量，用pH计测土壤pH值；分别用K2Cr2O7-H2SO4容量法、氧化法和TOC分析仪测土壤有机碳、活性有机碳和水溶性有机碳含量；采用扩散法、熔融法和扩散法分别测全氮、全磷和碱解氮含量。

1.3 数据处理

笔者采用IBM Statistics SPSS 23.0、Origin 2018和R3.6.0软件对数据进行处理及作图。采用单因素方差分析（LSD法）比较不同土层间的土壤有机碳、活性有机碳、可溶性有机碳含量是否存在显著差异；采用独立样本t检验分析OTC增温处理与对照组土壤碳组分和土壤性质差异。使用R3.6.0 corrplot包绘制土壤理化性质和土壤碳组分的Pearson相关性；使用Vegan包绘制冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）排序图，用于进一步分析土壤性质对土壤碳组分的整体影响。

2 结果与分析

2.1 高寒草甸土壤各土层有机碳含量年度变化

2018年和2019年土壤各土层（0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm）有机碳含量年度变化情况如图1所示。2018年，0～20 cm土层，对照样地土壤有机碳含量大于OTC，但没有达到显著性差异水平（P＞0.05）；20～25 cm土层，对照样地土壤有机碳含量小于OTC，差异性不显著（P＞0.05）。2019年，0～5 cm土层对照样地的土壤有机碳小于OTC样地，5～25 cm土层对照样地均大于OTC样地，差异性均不显著（P＞0.05）。

高原草甸土壤活性有机碳含量在2018年和2019年各土层（0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm）的年度变化情况如图2所示。在垂直空间分布上，土壤活性有机碳随深度下降明显。两年内对照样地土壤活性有机碳含量均大于OTC样地，且二者在0～10 cm土层活性有机碳含量差别不大，在10～25 cm土层含量差别变大。2018年，对照条件下的5～15 cm土层，土壤活性有机碳含量差别不大。2019年，0～5 cm土层对照和OTC样地的土壤活性有机碳含量差别不大。

土壤可溶性有机碳含量在2018年和2019年各土层（0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm）的年度变化情况如图3所示。对照样地和OTC样地的土壤可溶性有机碳含量均不存在显著性差异（P＞0.05）。在0～5 cm和20～25 cm土层的土壤可溶性有机碳含量较高。在0～5 cm和15～20 cm土层，对照样地土壤可溶性有机碳含量小于OTC样地；在10～20 cm土层，对照样地土壤可溶性有机碳含量大于OTC样地。

如表1所示，在春季，对照样地和OTC样地土壤有机碳含量出现显著性差异（P=0.031）；在夏季和秋季，对照和OTC样地土壤有机碳含量均没有显著差异（P＞0.05）。在相同样地，不同季节土壤有机碳含量之间不存在显著性差异（P＞0.05）。

如表2所示，在季节变化上，对照样地土壤活性有机碳含量大于OTC样地。对照样地的土壤活性有机碳含量在8月份出现显著性差异（P=0.033），且对照样地的活性有机碳含量在8月出现下滑现象，但在5月和10月差异不明显。夏秋季节，对照样地和3个OTC样地土壤活性有机碳含量存在着显著差异（P<0.05）。

如表3所示，不同季节的对照样地土壤可溶性有机碳含量不存在显著差异（P＞0.05）。在夏季，3个OTC样地的土壤可溶性有机碳含量均表现出极显著性差异（P＜0.01）。春季和秋季，对照与OTC样地的土壤可溶性有机碳含量均不存在显著性差异（P＞0.05）。

2.2 土壤碳含量变化与土壤理化性质之间的关系

OTC增温对土壤理化性质的影响如图4所示，土壤有机碳、活性有机碳和可溶性有机碳含量均与全氮、碱解氮和全钾呈显著正相关（P＜0.05）。土壤有机碳与土壤温度呈显著负相关（P＜0.05），而可溶性有机碳含量与土壤水分和土壤温度呈极显著正相关（P＜0.01）。

如图5所示，结果表明碱解氮、全氮、土壤温度和土壤全钾是影响土壤碳组分最显著因素，土壤温度与土壤有机氮呈现负相关关系，而与土壤可溶性碳正相关，全氮、碱解氮和全钾也和土壤有机碳正相关。

3 讨论

3.1 增温对土壤有机碳、活性有机碳及可溶性有机碳含量的影响

利用OTC增温试验研究增温对高寒草地土壤有机碳含量的影响，结果表明2 a内增温试验对土壤有机碳含量影响不显著，与NIU等［3］研究结果一致。这可能是因为增温年限过短，年内季节变化对土壤有机碳含量产生的波动使增温对总体有机碳含量影响不明显。在高寒地区增温会促进植物光合作用，增加生物量，秋冬季枯落物也相应增加，有利于土壤有机碳积累。但增温会加快微生物代谢，提高土壤矿化速率使土壤CO2释放加快，导致土壤有机碳含量降低。赵双等［4］研究发现，增温显著降低了土壤有机碳含量，可能是增温年限较长和增温幅度大所致。衡涛等［5］研究证明短期增温对土壤有机碳含量影响不显著，需较长的模拟时间才能检测到增温对有机碳影响的显著性。

在年际变化上，2019年的土壤活性有机碳含量大于2018年，达到了显著性相关（P=0.033）。对照样地的土壤活性有机碳含量大于3个OTC样地，达到了显著性相关（P＜0.05），即增温会导致土壤活性有机碳含量减少。对照样地土壤活性有机碳含量在夏季存在着显著差异（P=0.033），试验结果与ZHOU等［6］结果一致。然而，此次试验在5～15 cm土层土壤活性有机碳含量变化不显著，可能中长期的增温试验才会对土壤有机碳含量产生显著影响。

研究发现，在年际变化上，对照样地和OTC样地的土壤可溶性有机碳含量均不存在显著性差异（P＞0.05），在0～5 cm和20～25 cm土层的土壤可溶性有机碳含量较高。其原因可能是一年的增温试验不足以使土壤可溶性有机碳含量发生显著变化，连续2 a的增温试验才使可溶性有机碳含量出现显著变化。苟小林［7］研究也发现，短期的增温试验不足以引起土壤可溶性有机碳含量的变化，而长期的增温试验才会引起土壤可溶性有机碳的变化。

3.2 土壤理化性质与有机碳组分的关系

土壤理化性质与土壤有机碳、活性有机碳和可溶性有机碳密切相关。冗余分析结果表明，全氮、碱解氮、全钾和温度均对土壤有机碳、活性有机碳和可溶性有机碳含量有显著影响。上述结果均说明，增温过程对高寒草甸的土壤生物化学和物理过程产生了重要的影响，进而对土壤碳组分产生深远影响。

全氮、碱解氮和全钾均对土壤有机碳、活性有机碳和可溶性有机碳有显著影响。戴辉等［8］通过模拟氮添加试验，发现氮含量的增加对有机碳组成产生了巨大的影响。因为碳循环不是一个独立封闭的系统，其和氮循环密切相关，氮在碳循环中的作用很大，可以说与氮循环是相互交织、高度耦连的，因此，土壤碳含量的变化可以追溯到土壤氮含量的变化。

土壤温度与土壤有机碳含量呈负相关，但与可溶性有机碳含量呈正相关。ZHOU等［6］对草甸生态系统进行研究后认为，土壤温度升高导致土壤微生物生理活性的增加，从而加快土壤有机质库的分解速率。土壤温度的升高往往伴随着含水率的升高，土壤含水率能反映出可溶性有机碳含量的变化。未来，相关人员应加强土壤碳组分对长期增温的响应研究，从而深入了解增温对有机碳组分的影响机制。

参考文献：

［1］王根绪，李元寿，王一博，等.近40年来青藏高原典型高寒湿地系统的动态变化［J］.地理学报，2007（5）：481-491.

［2］王根绪，程国栋，沈永平.青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义［J］.冰川冻土，2002（6）：693-700.

［3］NIU S，SHERRY R A，ZHOU X，et al.Nitrogen regulation of the climate-carbon feedback：evidence from a long-term global change experiment［J］.Ecology，2010（11）：3261-3273.

［4］赵双，张涛，石连旋，等.模拟增温和施氮条件下丛枝菌根真菌对草甸草原土壤团聚体稳定性和土壤碳储量的影响［J］.中国草地学报，2021（9）：97-106.

［5］衡涛.高寒草甸土壤碳和氮及微生物生物量碳和氮对温度和降水量变化的响应［D］.重庆：西南大学，2011：46-49.

［6］ZHOU X H，WAN S Q，LUO Y Q．Source components and interannual variability of soil CO2 efflux under experimental warming and clipping in a grassland ecosystem［J］.Global Change Biology，2007（4）：761-775．

［7］苟小林.模拟增温对高山森林土壤碳氮转化的影响［D］.雅安：四川农业大学，2014：74-76.

［8］戴辉，周嘉聪，曾泉鑫，等.短期氮添加对黄山松林土壤碳组分的影响及其微生物机制[J/OL].环境科学学报：1-11［2022-02-16］.https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=HJXX20220311000&uniplatform=NZKPT&v=6i0ZodYnkzOB8mx7tRyZAHNzEEDynhJfLhxJDM8pf0tB900XzKhW241Y5wUpuadW.