【论文】青藏高原高寒草地不同海拔土壤有机质稳定性研究

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本文字数：2374字

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研究背景

青藏高原高寒草地覆盖了较大的经纬度和海拔梯度，在气候、植被、土壤等方面存在明显的水平和垂直差异，而且对气候变化非常敏感。气候变化背景下土壤有机质(SOM)稳定性的变化直接影响土壤有机碳的分解，进而反馈于气候变化。

因此，准确评估青藏高原高寒草地SOM稳定性的海拔梯度格局(模拟增温)及其与气候、植被和土壤因子的关系，对于预测气候变化背景下高寒草地土壤碳库动态以及陆地碳循环与气候变化间的反馈关系至关重要。

许多研究已表明，SOM稳定性不仅受气候因子(如气温和降水量等)、植被因子(如植被类型、植物群落组成和生物量等)和土壤因子(如土壤质地和结构、矿物含量和组成和土壤深度等)的影响，还与其自身的化学组成和分子结构等密切相关。

为了准确评估SOM稳定性，许多生物学、化学和热力学指标以及分子结构和同位素含量等相关指标先后被用于评估工作。然而由于多数研究仅采用一种或两种指标进行评估，各种方法得到的稳定性结果不具可比性且不能充分表征SOM稳定性。因此综合考虑多种稳定性指标并比较各指标间及其与环境因子的相关关系有助于科学评估SOM稳定性。

本研究分别在青藏高原东北部(海北，祁连山南坡，3200-4200m)和中部(当雄，念青唐古拉山南坡，4400-5200m)沿海拔梯度选取碳密度高且对气候变化较为敏感的高寒草地为研究对象(图1)，综合运用生物学、化学、热力学、分子结构和同位素等多种指标，探讨了高寒草地SOM稳定性的海拔格局及其与气候、植被和土壤因子的关系。

图1 两个海拔梯度的空间位置

结果&讨论

用SOC标准化后的有机碳矿化速率(C_min-SOC)可作为SOM稳定性的生物学指标。本研究30天有氧培养实验结果表明，海北地区两层土壤(0-10 cm, 10-30 cm)单位质量土壤的矿化速率(C_min-SOC)均沿海拔的升高先降低后升高, 而当雄地区有相反的趋势(表1；图2a)。

两个地区上下两层土壤单位质量土壤有机碳的矿化速率(C_min-SOC)沿海拔梯度的变化趋势与C_min-soil相似，尽管当雄下层土壤没有明显的变化趋势(表1；图2b)。

除了海北下层土壤外，净氮矿化速率(N_min–soil)沿海拔梯度的变化与C_min-SOC相似(表1；图2c)。此外，表层土壤单位质量土壤的C和N矿化速率均高于下层土壤(表1；图2a-c)。

表1 青藏高原海北(3200–4200 m)和当雄(4400–5200 m)不同海拔不同深度土壤的生物学、化学、热力学、分子和同位素指标对土壤SOM稳定性的潜在影响。虚线表示没有明显趋势。

  图2 不同海拔梯度的土壤碳氮矿化速率

热水浸提有机碳(HWEOC,hot water extractable organic carbon)占SOC的比例(HWEOC_SOC)和热重分析中50%的SOM丢失时的温度(TG-T50)分别作为有机质稳定性的化学指标和热力学指标。

本研究发现，高寒草地土壤 HWEOC_soil和HWEOC_SOC沿海拔梯度的变化趋势与SOC类似 (图3a, b)，表明海北地区中海拔SOM化学稳定性较高而当雄地区低海拔和高海拔SOM化学稳定性较高，而且不同海拔的下层土壤化学稳定性均略高于表层土壤。

此外，SOM质量丢失一半时的温度(TG–T50)可作为SOM稳定性的热力学指标。本研究中，海北地区不同海拔(3200-4200 m)的土壤TG–T50无明显变化，但当雄地区沿4400到5200米的海拔梯度表层土壤的TG–T50呈现先降低后增加的趋势，下层土壤则呈现线性下降趋势 (表1；图3c)。 

  图3 土壤HWEOC和TG-T50与海拔梯度的关系

本研究也发现，土壤有机质分子结构与其稳定性密切相关。基于傅里叶转换红外光谱(FTIR)的结果表明，海北地区土壤缩合指数(rA1635/rA2930)随海拔梯度增加呈先升后降的弱趋势，表明海北地区中海拔SOM稳定性较强(表1；图4c)。

而当雄地区表层土壤rA1635/rA2930值沿海拔梯度呈先降后升的弱趋势，表明当雄地区中海拔SOM稳定性较弱；而当雄地区下层土壤rA1635/rA2930值沿海拔梯度呈显著线性降低趋势(表1；图4c)。

图4 基于FTIR的分子稳定性指标与海拔关系

基于核磁共振光谱(NMR)的脂化度与芳香度的综合指数(combined index)沿海拔梯度的变化趋势与FTIR的结果类似(表1；图5c)。

图5  基于NMR的分子稳定性指标与海拔关系

基于¹⁴C迭代计算的SOC周转时间、土壤δ¹³C和土壤δ¹⁵N均可作为表征SOM稳定性的同位素指标。本研究结果表明，海北地区下层SOC的周转时间随海拔升高而显著缩短，而当雄地区表层SOC的周转时间随海拔升高先减少后增加(图6a)。

而且下层土壤比表层土壤具有更长的周转时间(图6a)，表明下层土壤具有更高稳定性。海北地区表层土壤的δ¹³C沿海拔梯度先增加后降低，而当雄地区两层土壤的δ¹³C均呈先降低后增加的趋势(图6b)。

图6 同位素指标与海拔梯度的关系

另外，下层土壤δ¹³C值略高于表层土壤(图6b)。沿着两个海拔梯度，表层和下层土壤δ¹⁵N都呈单峰曲线关系，海北地区表层和下层土壤δ¹⁵N最大值分别为3600米处的5.47‰和5.74‰，而当雄地区表层和下层土壤δ¹⁵N最小值分别为4800米处的2.66‰和4.78‰ (图6c)。

此外，两个地区的下层土壤δ¹⁵N均大于表层土壤，但差异不显著(图6c)。总之，同位素的结果表明，海北地区中海拔SOM稳定性高，而当雄地区低海拔和高海拔SOM稳定性高，两个地区的下层土壤有机质稳定性均高于表层土壤。

相关分析的结果表明，部分生物学、化学、热力学、分子和同位素指标之间存在良好的相关性(图7)，这进一步表明表征SOM稳定性的几个指标之间存在潜在的联系并能够相互解释。另外，一些稳定性指标之间没有显著的相关性。主要原因可能是不同的稳定性指标表征不同的SOM组分所致。

   图7 稳定性指标间的相关关系

SOM稳定性指数(红色箭头)和环境因子(蓝色箭头)冗余分析(RDA)的结果(图8)也表明，SOM稳定性指标与海拔梯度上的气候条件变化并不一致，而是受气候、植被因子和土壤因素的共同作用。

图 8  环境因子和SOM稳定性的RDA分析     

方差分解的结果进一步表明，气候、植被和土壤因子共同影响SOM稳定性，而且土壤因子也单独影响SOM稳定性(图9)，是SOM稳定性的主要影响因素。

图9  环境因子对SOM稳定性影响的方差分解

小结

本研究通过利用多种技术和方法表征了青藏高原高寒草地表层和下层SOM稳定性的海拔梯度格局，从多个角度提高了我们对SOM稳定性及其影响因素的认识。综上所述，在海拔梯度上，海北和当雄的SOM稳定性呈现出相反的单峰模式，气候、植被和土壤因子共同控制着高寒草地SOM的稳定性，而不仅仅是温度或降水。

本研究于2019年11月12日以“Changes of soil organic matter stability along altitudinal gradients in Tibetan alpine grassland”为题在线发表在Plant and Soil期刊上。

北京大学地下生态学研究组博士后侯彦会为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者，其他合作作者还包括北京大学的研究生何可宜和陈迎、兰州大学赵景学博士和中国科学院植物研究所胡会峰博士。本研究受到国家自然科学基金(31622013、31700451和31621091)的资助。

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

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