藏东南干旱河谷土壤有机碳组分空间分布及稳定性特征

Spatial Distribution and Stability Characteristics of Soil Organic Carbon Fractions in Arid Valleys of Southeastern Xizang

摘要

目的 探究干旱河谷区土壤有机碳组分及其稳定性变化特征，明确环境因子与土壤有机碳组分及其稳定性之间的关系，为生态脆弱区固碳减排的系统管理提供依据。 方法 选择西藏波密干旱河谷区不同坡向（阴坡、阳坡、半阴坡、半阳坡）、坡位（坡下、坡中、坡上） 0~30 cm土壤为研究对象，测定土壤理化性质、土壤有机碳及其组分。 结果 1）阴坡土壤有机碳质量分数为11.37~34.74 g/kg，相较于半阴坡、半阳坡、阳坡分别提高55%、138%、292%。土壤颗粒有机碳、易氧化有机碳、矿质结合态有机碳、可溶性有机碳质量分数随坡向均表现出与有机碳变化一致的趋势。阴坡土壤有机碳稳定性显著高于其他坡向，为54.3%~62.1%，相较于半阴坡、半阳坡和阳坡分别提高6%、12%和30%。2）土壤有机碳质量分数沿坡位分布为坡下（17.29 g/kg）>坡中（13.42 g/kg）>坡上（9.73 g/kg），土壤颗粒有机碳、易氧化有机碳、矿质结合态有机碳、可溶性有机碳质量分数在坡位梯度上随坡位升高而降低。各坡位土壤有机碳稳定性大小为坡下（38.1%~62.1%）>坡中（36.9%~59.9%）>坡上（37.6%~58.7%）。3）影响藏东南干旱河谷区土壤有机碳组分及其稳定性的主要环境因子为坡向、植被盖度、土壤全氮、碱解氮、全磷及黏粒质量分数。 结论 藏东南干旱河谷区土壤有机碳组分及其稳定性在不同坡向和坡位上存在显著差异，环境因子中起主要调控作用的为坡向、植被盖度、土壤全氮、碱解氮、全磷和黏粒质量分数，研究结果可为藏东南干旱河谷区SOC的精准评估和土壤碳库调控提供参考。

Abstract

Objective This study aims to investigate the variation characteristics of soil organic carbon （SOC） fractions and their stability in arid valleys， clarify the relationships between environmental factors and SOC fractions as well as stability， and provide a scientific basis for systematic carbon sequestration and emission reduction management in ecologically fragile areas. Methods Soil samples （0―30 cm depth） were collected from different slope aspects （shady， sunny， semi-shady， and semi-sunny slopes） and slope positions （lower， middle， and upper） in the arid valleys of Bomi， Xizang. Soil physicochemical properties， SOC contents， and its fractions were measured. Results 1） The SOC content on shady slopes ranged from 11.37 to 34.74 g/kg， representing increases of 55%， 138%， and 292% compared with semi-shady， semi-sunny， and sunny slopes， respectively. The contents of particulate organic carbon （POC）， easily oxidizable organic carbon （EOC）， mineral-associated organic carbon （MAOC）， and dissolved organic carbon （DOC） all exhibited consistent variation trends with SOC across different slope aspects. SOC stability was the highest on shady slopes （54.3%-62.1%）， exceeding that of semi-shady， semi-sunny， and sunny slopes by 6%， 12%， and 30%， respectively. 2） Along slope positions， SOC content decreased in the order was lower slope （17.29 g/kg）>middle slope （13.42 g/kg）>upper slope （9.73 g/kg）. Similarly， POC， EOC， MAOC， and DOC contents all decreased with increasing slope position. The stability of SOC across different slope positions followed the pattern was lower slope （38.1%-62.1%）>middle slope （36.9%-59.9%）>upper slope （37.6%-58.7%）. 3） The main environmental factors influencing SOC fractions and their stability in the arid valleys of southeastern Xizang were slope aspect， vegetation coverage， soil total nitrogen （TN）， alkali-hydrolyzable nitrogen （AN）， total phosphorus （TP）， and clay content. Conclusion Significant differences exist in SOC fractions and their stability across different slope aspects and positions in the arid valleys of southeastern Xizang. The key regulatory factors include slope aspect， vegetation coverage， total nitrogen， alkali-hydrolyzable nitrogen， total phosphorus， and clay content. These findings provide valuable references for accurate SOC assessment and soil carbon pool management in arid valleys of southeastern Xizang.

Graphical abstract

关键词

坡向 / 坡位 / 土壤有机碳 / 有机碳稳定性

Key words

slope aspect / slope position / soil organic carbon / organic carbon stability

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳储库，约80%的陆地碳储存在土壤中。即使碳储量发生微小变化，也会对全球气候和碳循环产生深远影响。其中，土壤有机碳（SOC）是动植物残体和腐殖质经微生物分解后形成的含碳有机物，是衡量土壤质量的重要指标，对全球碳循环的稳定和气候调节起着关键作用^［1］。土壤有机碳可分为活性有机碳（LOC）和惰性有机碳（ROC）。活性有机碳尽管质量分数较少，却是最活跃的成分，能准确反映土壤养分等变化^［2］；而惰性有机碳的分解周期长，稳定性强，惰性有机碳质量分数的增加有助于增强土壤有机碳的积累，矿质结合有机碳（MAOC）作为惰性有机碳，对土壤中有机碳的转化起到抑制作用，能直接影响土壤有机碳储量，对土壤有机碳的稳定性有着重要作用^［3］。

土壤SOC稳定性是指在一定条件下SOC抵抗外界因素干扰并保持自身性质的能力，是评估土壤碳库能否持久存在的关键指标。有研究^［4］表明，植被是土壤有机碳稳定性的主要驱动因素，其通过群落特征和凋落物输入量的改变，引起土壤理化性质发生变化，进而对土壤有机碳稳定性产生影响；王珍等^［5］研究发现，海拔对土壤有机碳稳定性有显著贡献，其通过影响水热条件的再分配，从而影响植被分布、土壤理化性质和微生物活性，进而影响土壤有机碳稳定性。但对坡面尺度下土壤有机碳稳定性研究缺乏系统性研究。

土壤有机碳质量分数及其分布受地形、土壤母质等多种环境因子的综合影响。其中，地形是影响土壤有机碳积累的主要因素。一方面地形通过水热条件再分配影响凋落物的产生与分解，进而影响有机碳质量分数；另一方面，地形通过影响土壤侵蚀和土壤养分等因素影响土壤有机碳质量分数。坡位和坡向作为关键地形因子，通过影响水热条件的重新分配形成不同的坡面小气候，改变土壤理化性质、微生物群落、植被类型及凋落物数量，导致不同坡向和坡位土壤有机碳质量分数分布存在显著差异^［6］。王艳丹等^［7］研究发现，坡位显著影响土壤有机碳及其组分的分布，呈坡上>坡下>坡中的趋势，有机碳的损失主要发生在坡中位置；卫玮等^［8］研究发现，土壤有机碳密度随坡位下降而增加，且不同坡位间差异显著；唐朋辉等^［9］在秦岭南坡的研究发现，阴坡土壤有机碳及其组分质量分数均大于阳坡。

藏东南干旱河谷区是典型的生态脆弱区，具有干旱少雨、土壤贫瘠和植被稀疏等特点^［10］。该地区独特的地理和气候条件造就其土壤有机碳汇有机质输入量低、强矿物保护作用和空间异质性高的特点^［11］。现有研究^［12］多集中于土壤有机碳对海拔、植被类型和土地利用方式的响应，鲜有对土壤有机碳组分及其稳定性在不同坡向和坡位下的空间分布规律及其影响因素的研究。为探究藏东南干旱河谷区土壤有机碳稳定性在坡面尺度下的变化特征，本研究选取干旱河谷区不同坡向（阴坡、阳坡、半阴坡、半阳坡）和不同坡位（坡上、坡中、坡下）的不同深度土壤（0~10、10~20、20~30 cm）为研究对象，旨在探讨不同坡向和坡位对土壤有机碳组分及其稳定性的影响，为该区域土壤有机碳储量和土壤固碳潜力的精准评估提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于西藏林芝市波密县境玉普乡（29°21′~30°40′N，94°00′~96°30′E），地形为高山峡谷，年平均气温8.5 ℃，年平均日照时间1 563 h，平均海拔2 900 m，最低月平均气温4 ℃，最暖月平均气温17 ℃。年平均蒸发量1 646 mm，年降雨量约420 mm，降雨集中在6—10月，年无霜期176 d。具有明显的季节性干旱和降水少、蒸散率高的干旱河谷气候特征。土壤类型多样，主要以棕壤、黑毡土和山地草甸土为主。土层浅薄，厚度为0.4~1.0 m，砾石质量分数高。优势植物主要有高山栎（Quercus semecarpifolia）、高山松（Pinus densata）、山杨（Populus davidiana）、黄刺玫（Rosa xanthina）、藏边栒子（Cotoneaster affinis）、波密小檗（Berberis gyalaica）等。

1.2 样地设置与样品采集

土壤样品于2023年9—10月进行采集。研究选取阴坡、阳坡、半阴坡、半阳坡4个坡向，各坡向坡长相近，约800 m。根据实际地形和BRUBAKER等^［13］划分坡面的方法将研究的坡位分为3个部分（坡上、坡中、坡下），且各坡向的相同坡位处在同一等高线上（表1）。不同坡位设置3个10 m×10 m样地，去除地表枯落物后，按五点取样法混合采集0~10、10~20、20~30 cm共3个土层，共计样品108份，剔除石块、根系和动植物残体等，过2 mm筛，用于测定土壤理化性质和碳组分。土壤基本理化性质见表2和表3。

1.3 测定方法

试验于2024年7—9月在中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心开展，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；土壤可溶性有机碳（DOC）采用去离子水浸提后利用总有机碳分析仪（TOC-VCPH， Shimadzu， Kyoto， Japan）测定；易氧化有机碳（EOC）采用高锰酸钾氧化法测定；土壤颗粒有机碳（POC）采用六偏磷酸钠分散法测定，并过53 μm筛，筛上为颗粒有机碳，筛下为矿质结合有机碳（MAOC），并分析有机碳质量分数。

土壤粒径组成采用激光粒度仪（Microtrac S3500）测定，土壤质地划分参考美国制；土壤pH由PHS-320高精度智能酸度计测定（水土比为2.5∶1）；土壤全氮（TN）采用凯氏法消煮-全自动定氮仪测定；全磷（TP）采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定；碱解氮（AN）采用碱解扩散吸收法测定；速效磷（AP）采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定。

1.4 数据分析

以矿质结合有机碳与有机碳的比值来表征土壤有机碳稳定性（CSI），计算公式^［14-15］为：

\mathrm{C}\mathrm{S}\mathrm{I}=\frac{\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{O}\mathrm{C}}{\mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中：MAOC为土壤矿质结合有机碳，g/kg；SOC为土壤有机碳，g/kg。

本研究对所有数据选择单因素方差分析和最小差异性显著进行多重比较，采用Excel 2019软件对数据进行整理与前处理，SPSS 26.0软件对数据进行统计分析，Origin 2022软件进行绘图，Canoca 5.0软件进行冗余分析，R 4.4.2软件进行Mantel分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳的分布特征

坡向、坡位、土层深度、坡向和坡位、坡向和土层深度、坡位和土层深度及三者间的交互作用对土壤有机碳有显著影响（p<0.05）（表4）。土壤有机碳（SOC）随土层深度的增加逐渐降低。在不同坡向条件下，阴坡的土壤SOC最高，为11.37~34.74 g/kg，显著高于其他坡向（p<0.05）。相较于半阴坡、半阳坡和阳坡，阴坡的SOC分别增加55%、138%和292%。土壤SOC在不同坡位上的分布呈一定梯度变化，其中坡下区域的SOC最高，为（17.29±9.72）g/kg，其次为坡中，为（13.42±7.59）g/kg，坡上区域最低，为（9.73±5.66）g/kg（图1）。

2.2 土壤有机碳组分的空间变化

坡向、坡位、土层深度及其两两交互作用和三者的交互作用均对土壤EOC、POC和MAOC质量分数产生显著影响（p<0.05），而对土壤DOC质量分数具有显著影响的是坡向、坡位、土层深度、坡向和坡位及坡向和土层深度的交互作用（p<0.05）（图2）。土壤中各组分有机碳（POC、EOC、MAOC、DOC）质量分数随坡向由阳坡向阴坡转变表现出逐渐增加的趋势。阴坡土壤颗粒有机碳（POC）质量分数为4.57~14.21 g/kg，分别是半阴坡、半阳坡和阳坡的1.43、2.10、3.00倍；易氧化有机碳（EOC）质量分数为2.19~3.62 g/kg，分别是半阴坡、半阳坡和阳坡的1.14、1.55、1.29倍；矿物结合有机碳（MAOC）质量分数为（13.54±4.09）g/kg，是半阴坡的1.65倍、半阳坡的2.66倍和阳坡的5.13倍；可溶性有机碳（DOC）质量分数为0.11~0.37 g/kg，相较于半阴坡、半阳坡和阳坡分别增加118%、206%和311%。

在坡位梯度上，各组分有机碳随坡位升高而逐渐降低。坡下区域的POC质量分数为（7.98±3.84）g/kg，显著高于坡中和坡上（p<0.05），分别增加34%和97%；坡下EOC质量分数为（2.90±0.53）g/kg，相较于坡中和坡上分别增加21%和52%；坡下MAOC质量分数为（9.15±4.39）g/kg，分别高于坡中和坡上的25%和65%；坡下DOC质量分数为（0.15±0.11）g/kg，较坡中和坡上分别增加17%和76%。

2.3 土壤有机碳稳定性变化特征

坡向和坡位显著影响土壤有机碳稳定性指数（CSI）（p<0.05）（图3）。在不同坡向条件下，阴坡土壤有机碳稳定性最高，为54.3%~62.1%，相比于半阴坡、半阳坡和阳坡，分别增加6%、11%和28%，且不同坡向间土壤有机碳稳定性差异显著（p<0.05）。不同坡位条件下，土壤CSI依次为坡下（38.1%~62.1%）>坡中（36.9%~59.9%）>坡上（37.6%~58.7%）。不同坡位的土壤有机碳稳定性未表现出显著差异（p>0.05）。

2.4 土壤有机碳组分及稳定性的影响因素

冗余分析结果（图4）表明，RDA1和RDA2轴分别能解释土壤有机碳组分的67.49%和5.79%，总解释度为73.28%。9个环境因子中碱解氮、碳氮比和pH对土壤有机碳各组分及其稳定性贡献率高，其贡献率分别为40.6%、42.7%、7.5%。其中土壤TN、AN、C∶N和砂粒与土壤有机碳组分及稳定性存在显著正相关；土壤黏粒、AP与土壤SOC、POC、DOC、MAOC及CSI存在显著负相关；土壤TP与EOC存在显著正相关，与CSI存在显著负相关；土壤pH与土壤EOC存在显著负相关，与CSI呈显著正相关。

Mantel分析结果（图5）表明，影响土壤SOC、POC、DOC和MAOC的主要环境因子为坡向、植被盖度、土壤全氮和碱解氮；而影响土壤EOC的主要环境因子为坡向、土壤全氮和全磷。相较于土壤POC、DOC与EOC，土壤SOC和MAOC呈强正相关（r值0.5以上），表明二者受到环境因子的影响较大。

3 讨 论

3.1 不同坡向和坡位对土壤有机碳的影响

坡向作为重要的地形因子显著影响土壤有机质的空间分布及腐殖化和矿化过程。不同坡向因受太阳辐射强度和持续时间的差异，导致水热分配模式显著变化^［16］，进而影响土壤SOC质量分数。

本研究发现，干旱河谷区土壤SOC呈阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡的分布格局。表明阴坡的SOC积累速率高于其他坡向，且SOC质量分数显著高于阳坡、半阳坡和半阴坡。是由于阴坡土壤氮高于其他坡向，土壤氮素与土壤SOC呈显著正协同变化（p<0.05），与碳氮循环的耦合作用有关，较高的土壤氮促进微生物对有机质的分解，从而增加SOC质量分数^［17］。

土壤氮通过增强植被生产力，提高凋落物输入量，直接提升土壤SOC的积累。有研究^［18］发现，土壤中氮素与有机质通过氨基-羧基反应形成稳定的有机矿物复合体，抑制SOC矿化。同时，阴坡的砂粒质量分数较高，促进微团聚体和颗粒结合形成大团聚体，使得土壤SOC通过闭蓄在团聚体中形成物理隔绝，降低微生物对其的矿化分解速率，减少土壤SOC损失^［19］。本研究发现，干旱河谷阴坡相较阳坡土壤含水率高，其植被长势好、生物量多，进而增加对土壤有机碳的输入量；阳坡所接受的太阳辐射强度大，辐射时间长，地表温度偏高，增强微生物活性，加快有机质的矿化速率，不利于有机碳的积累^［6］。本研究发现，干旱河谷土壤有机碳整体偏高，可能是由于干旱河谷较低的降水量抑制土壤呼吸速率，有利于土壤有机碳的积累^［20］。

山地条件下，坡位变化导致环境因子呈阶梯性变化，进而引起土壤SOC的分布差异^［21］。本研究显示，干旱河谷区土壤SOC均随坡位的升高而逐渐降低，与陈志林等^［22］在青海、周鑫等^［23］在张广才岭的研究结果均一致，坡下土壤有机碳质量分数高的原因一方面是由于坡面侵蚀造成的富碳土壤物质的沉积；另一方面，与坡上相比，坡下林分生产力高，凋落物数量较大，从来源上提高有机碳的输入，促使土壤微生物和土壤动物更加活跃，加快林下凋落物的分解，进而造成坡下与坡上有机碳积累的差异^［24］。

不同坡位土壤理化性质存在差异，影响土壤SOC及其组分的质量分数。随着土壤体积质量增大，土壤渗透率降低，土壤酶活性降低，不利于SOC的形成；土壤氮磷是土壤物质循环的核心，对林木生长和土壤微生物有重要作用，而植物根系分泌物可以促进团聚体的形成，增强对SOC的物理保护，有利于SOC的积累^［22］。

3.2 不同坡向和坡位对土壤有机碳组分及其稳定性的影响

土壤POC和DOC在不同坡向之间的分布趋势与土壤SOC一致，而土壤EOC则表现为阴坡和半阴坡显著大于半阳坡和阳坡。是由于阴坡和半阴坡相比阳坡和半阳坡全氮更高，从而使得凋落物和植物中所含木质素被迅速降解，阴坡和半阴坡土壤EOC质量分数明显高于阳坡和半阳坡^［25］。土壤MAOC呈阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡，是因为土壤MAOC在很大程度上取决于土壤SOC，使得阴坡土壤MAOC高于其他坡向^［26］。

在不同坡位条件下，土壤EOC、POC和DOC均呈坡下>坡中>坡上。一方面由于坡上接受光照多，蒸发量大，有利于有机质的分解，使得SOC组分质量分数小于坡下；另一方面，坡上表层土壤在雨水和径流的冲刷下沿坡面向下迁移，使得底层土壤裸露，易被微生物分解矿化，导致坡上土壤SOC质量分数降低，坡下SOC质量分数提高^［27］。土壤MAOC的分布为坡下>坡中>坡上，一方面与不同坡位间微生物量的差异有关；另一方面，土壤侵蚀导致坡上和坡中的植物残体被冲刷至坡下，使坡下MAOC质量分数较高^［28］。

土壤有机碳稳定性主要受土壤理化性质、外部环境条件及土壤微生物活性强弱的影响。目前对土壤有机碳稳定机制的观点暂未统一，但都认可矿质结合有机碳在土壤有机碳稳定方面发挥的重要作用^［14］。本研究结果表明，阳坡土壤有机碳稳定性显著低于其他坡向（p<0.05），而坡位梯度上土壤有机碳稳定性表现为坡下>坡中>坡上。阳坡土壤MAOC占SOC比例相较于其他坡向最低，而颗粒有机碳占比则更高，说明阳坡土壤碳库最不稳定；随着坡位上升，土壤有机碳稳定性呈下降趋势，是由于坡上受到的土壤侵蚀强度大，土壤结构稳定性差，重组有机碳占比逐渐降低，活性有机碳占比逐渐上升，进而减弱土壤有机碳稳定性^［26］。阴坡和坡下土壤DOC相比其他坡向和坡位高，其质量分数升高导致易分解有机物增加，微生物碳利用性提高，使得转化为微生物残体碳质量分数升高，形成矿质结合有机碳的比例增加，提高土壤有机碳稳定性^［29］。

4 结 论

1）干旱河谷区坡向和坡位显著影响土壤SOC及其组分（DOC、EOC、POC、MAOC）质量分数，土壤SOC及其组分质量分数随着坡向由阴坡向阳坡转变均呈降低趋势，且在不同坡向表现出显著性差异。土壤SOC及其组分质量分数随坡位上升呈下降趋势。

2）干旱河谷区坡向和坡位对土壤CSI影响显著，阴坡土壤CSI最高，总体表现为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡，阴坡与阳坡和半阳坡之间存在显著差异。在坡位条件下土壤CSI随着坡位的上升呈下降趋势，但不同坡位间无显著差异。

3）相关分析表明，土壤TN、AN和粒径组成显著影响土壤SOC及其组分质量分数，土壤TN、MAOC和DOC显著影响土壤CSI。冗余分析结果表明，土壤理化性质解释土壤有机碳各组分及其稳定性变化的75.92%，其中AN、C∶N和黏粒质量分数是主要影响因子。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFF1302900)

北京林业大学“5·5工程”科研创新团队项目(BLRC2023B09)