西藏米拉山西坡不同海拔梯度土壤有机碳氮分布特征

The Distribution Characteristics of Soil Organic Carbon and Nitrogen at Different Altitude Gradients on the West Slope of Mila Mountain in Xizang

摘要

为探究米拉山西坡土壤有机碳、氮及其组分随海拔梯度的分布特征，为该区域土壤碳、氮循环过程的研究提供科学依据。本研究以西藏米拉山地区海拔3 900 ~ 4 900 m内的自然土壤为研究对象，以 200 m为高度差在米拉山西坡不同海拔梯度设置6个采样点，以（0 ~ 20） cm、（20 ~ 40） cm、（40 ~ 60）cm深度分层采集土样，研究了土壤有机碳及其组分在不同土层的分布特征。结果表明：1.随着海拔的升高，米拉山西坡土壤pH呈下降趋势，变化范围为5.49 ~ 6.69；容重先上升后下降，变化范围为0.23 ~ 0.48；SOC及其组分含量均呈先上升后下降的趋势。随着土层深度的增加，土壤pH逐渐升高，SOC及其组分均呈下降趋势。2.SOC及其组分含量与土壤pH值、容重、海拔、土层呈负相关。3.土壤微生物量碳、氮主要受SOC、SON调控。4.SOC及其组分变化主要受海拔梯度变化的影响。得出结论为海拔变化引起的植被类型变化是造成土壤有机碳、氮变化的主要因素。

Abstract

This study was conducted to investigate the distribution characteristics of soil organic carbon (SOC), nitrogen, and their components along an altitudinal gradient on the western slope of Mila Mountain in Xizang, thereby providing a scientific basis for understanding regional soil carbon and nitrogen cycling. Soil samples were collected from six sampling sites at 200-meter intervals between 3 900 and 4 900 m above sea level, and were stratified into depths of (0 ~ 20 )cm, (20 ~ 40) cm, and (40 ~ 60) cm for analysis. The results showed that: (1) With increasing altitude, soil pH decreased (range: 5.49 ~ 6.69), while bulk density and the contents of SOC and its components first increased and then decreased (bulk density range: 0.23 ~ 0.48 g/cm³). With increasing soil depth, pH gradually increased, whereas SOC and its components significantly decreased. (2) SOC and its components were negatively correlated with soil pH, bulk density, altitude, and soil depth. (3) Soil microbial biomass carbon and nitrogen were primarily regulated by SOC and soil organic nitrogen (SON). (4) Variations in SOC and its components were mainly influenced by altitudinal gradient. In conclusion, vegetation type changes driven by altitude are the primary factor governing the dynamics of soil organic carbon and nitrogen in this region.

Graphical abstract

关键词

土壤有机碳 / 土壤微生物量碳 / 土壤微生物量氮 / 海拔梯度 / 米拉山

Key words

Soil Organic Carbon / Soil Microbial Carbon / Soil Microbial Nitrogen / Altitude Gradient / Mila Mountain

自十八世纪八十年代以后，人类社会发展高度依靠化石能源，导致全球气候变暖，给社会和环境可持续发展带来了一系列不利的影响，同时也给生态系统带来了一系列不可逆的损害。土壤碳库是全球碳循环的重要组成部分，被认为是大气CO₂重要的源和汇，全球最大的碳交换发生在大气和陆地生物圈之间的界面^[1]。土壤碳汇也是迄今为止全球碳汇中最不稳定的组成部分，土壤碳固定和增汇的能力在全球碳平衡研究已经受到了科学界的普遍关注。土壤有机碳库的含量和组分通常受到多种因素影响，如降水、生物活动、土壤酶、植被类型等。海拔梯度通过直接或间接地改变土壤温湿度、土壤类型和植被类型，引起土壤有机碳及其组分的差异变化；从而进一步影响碳循环的平衡和稳定^[2]。目前，对于不同海拔梯度土壤有机碳及其组分影响的研究越来越多；但是不同研究区结论不同。研究表明，海拔梯度的变化，是影响土壤有机碳库变化的重要因素，不同研究区对土壤有机碳与海拔的作用关系不同。加鹏华通过对太行山区海拔219 ~ 2 000 m区间内不同海拔梯度的土壤有机碳库研究发现土壤有机碳库及其组分随着海拔高度的上升而上升，随着土层的加深而下降的规律^[3]；张参参等通过对江西九连山不同海拔梯度土壤有机碳组分的研究发现在不同土层土壤有机碳组分变化规律不同，在0 ~ 40 cm内土壤有机碳含量随海拔升高而升高，但在40 ~ 100 cm土层内土壤有机碳却随着海拔梯度的上升呈下降的趋势^[4]；而Johannes Kobler通过对阿尔卑斯山典型山区森林有机碳循环的研究发现，随着海拔梯度的上升，有机碳显著降低；土壤有机碳组分也受海拔梯度的影响^[5]。向慧敏等通过对鼎湖山森林活性炭及惰性碳随海拔梯度变化的研究中发现，在同一土层中，随着海拔梯度的升高，受环境因子的影响，活性有机碳呈下降趋势；在同一海拔梯度不同土层中，土层越深，活性有机碳呈降低趋势^[6]。当前，土壤有机碳的研究已较为普遍，但关于其组分及碳库沿海拔梯度变化的研究仍显匮乏，尤其在西藏地区。

米拉山是林芝市海洋性季风气候和拉萨地区内陆性气候的重要界山，因其地理位置的特殊性，造就了米拉山东西两侧不同的植被类型、地形地貌^[7]。米拉山植被、土壤类型具有典型的海拔差异，研究米拉山地区土壤有机碳及其组分随海拔梯度的变化，有助于了解米拉山地区土壤碳及其组分随海拔梯度的变化规律；为米拉山地区土壤碳库评估提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

米拉山位于中国西藏自治区林芝市境内，喜马拉雅山脉东南侧，地理坐标为北纬29°41′-30°15′，东经94°37′-95°39′。面积约为4 400 hm²。米拉山位于西藏自治区东南部、冈底斯山脉的东段，为雅鲁藏布江的两大支流——尼洋河和拉萨河的分水岭^[8]。米拉山在水平地带上穿越了半干旱区和半湿润区，年降水量从西坡(墨竹工卡)的443.6 mm到东坡(工布江达)的634.2 mm不等；海拔自3 100 m 到5 300 m，相对海拔较大，在垂直带上穿越了山地温带、山地寒温带和高山寒带气候区，处于藏南亚高山河谷与藏东南高山河谷之间, 是2个完全不同的地理单元之间的纽带^[9]。

1.2 样品采集与处理

2023年9月，选取米拉山3 700 ~ 5 100 m范围内的土壤为研究对象，以200 m为高度差；从低到高选取3 900 m、4 100 m、4 300 m、4 500 m、4 700 m、4 900 m共6个海拔梯度，每个海拔梯度选取3块20 × 20 m的样地，共计18块样地，每块样地内随机设置3个5 × 6 m样方，在每个样方内按照“S”型分别设置6个取样点。除去表层枯枝落叶后，用土钻分别采集0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm的土壤样品，每层土壤采集10个土壤样品并将它们混合为1个土壤样品，同时用环刀（100 cm³）采集不同土层的土壤样品，用于测定土壤容重^[10]。采集的样品带回实验室后，一部分放入冰箱（-4 °C）用于测定土壤活性有机碳和微生物量碳的测定，一部分用环刀法直接测定土壤容重，另一部分在自然条件下风干以后剔除石块、根系及动植物残体后，过筛后用于测定土壤基本理化性质^[11]。

1.3 土壤样品的测定

土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）的测定采用土壤农化分析上的重铬酸钾外加热法；土壤有机氮采用凯氏定氮仪进行测定；易氧化有机碳（Readily oxidizable carbon，ROC）采用Logninow等提出的KMnO₄氧化法进行测定；颗粒有机碳（Particulate organic Carbon，POC）采用六偏磷酸钠提取法进行测定；微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）均采用氯仿薰蒸～K₂SO₄ 提取法测定；土壤pH采用酸度计法测定（水土比2.5∶1），土壤容重采用环刀法测定^[12,13]。

1.4 数据处理

本试验采用SPSS22.0软件进行数据的统计分析；不同土层深度和海拔梯度间土壤有机碳及其组分的差异性采用单因素方差分析检验，显著水平设定为p < 0.05；各指标间相关性采用Pearson相关分析，显著性和极显著性水平分布设定为p < 0.05和p< 0.01。用Origin进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH与容重随海拔的变化

米拉山西坡不同海拔梯度土壤pH和容重变化规律如图1、图2所示。随着海拔梯度的上升，土壤pH值逐渐降低，土壤酸碱度由弱碱性向弱酸性过渡；在0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层中变化范围为5.53 ~ 6.23、5.49 ~ 6.64、5.71 ~ 6.69；随着土层深度的增加土壤pH逐渐上升。随着海拔梯度的上升，土壤容重呈下降趋势，在同一海拔不同土层中，土壤容重随着土层深度的增加而逐渐上升，这与黄婷等^[14]的研究一致。

2.2 不同海拔梯度SOC和SON变化特征

米拉山西坡不同海拔梯度土壤SOC和SON变化特征如表2所示。根据数据分析可知，在同一土层不同海拔梯度下，除3 902 m海拔梯度外，土壤SOC、SON含量随海拔均呈下降趋势。在4 112 m海拔处3个梯度土壤SOC、SON含量均为最高，变化范围为56.25 ~ 20.58 g/kg、16.2 ~ 9.78 g/kg。随海拔高度的上升，SOC、SON含量在4 918 m海拔处降至最低；含量为32.38 ~ 9.21 g/kg、7.83 ~ 3.28 g/kg，且与4 112 m海拔处SOC、SON含量差异显著。在同一海拔不同土层下，所有海拔梯度土层SOC、SON含量均表现为0 ~ 20 cm > 20 ~ 40 cm > 40 ~ 60 cm的规律，且0 ~ 20 cm土层SOC、SON含量显著高于其余两层，20 ~ 40 cm土层与40 ~ 60 cm土层均呈现不同的差异性。

2.3 土壤有机碳、氮组分变化特征

米拉山西坡土壤有机碳氮组分分析结果如表3所示。在同一海拔不同土层下；SMBC、SMBN、POC、ROC含量均表现为0 ~ 20 cm > 20 ~ 40 cm > 40 ~ 60 cm土层的规律；即随着土层深度的增加，土壤有机碳氮组分含量均表现为下降趋势，且4 112 m海拔梯度处3层土壤组分含量均为最高值，SMBC、SMBN、POC、ROC变化范围为164 ~ 98.2 mg/kg、2.57 ~ 1.55 mg/kg、53.3 ~ 16.49 g/kg、13.3 ~ 9.39 g/kg，且4 112 m海拔梯度处0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层均与其他海拔梯度差异显著。在同一土层不同海拔下，除3 902 m海拔梯度外，其余海拔梯度土壤有机、氮组分均表现为随海拔上升而逐渐降低的趋势，且各组分含量均在4 112 m海拔梯度处为最大值，分别为164 mg/kg、2.57 g/kg、53.3 g/kg、13.3 g/kg。

在同一海拔梯度不同土层下，4 112 m、4 310 m、4 512 m、4 705 m 4个海拔梯度SMBC含量表现为3层土壤深度差异性均显著；4 112 m、4 705 m两个海拔梯度SMBN含量3层土壤深度差异显著；除3 902 m海拔梯度外，POC含量在其余4个海拔梯度下3层土壤深度差异均显著；ROC含量在各个海拔梯度下差异性均不同；3层土壤深度只在4310 m海拔梯度处差异均显著。

在同一土层不同海拔梯度下，0 ~ 20 cm土层下4 705 m和4 918 m海拔梯度处SMBC含量与其余四个海拔梯度SMBC含量差异显著，3 902 m和4 918 m海拔梯度处SMBN含量与其余四个海拔梯度SMBN含量差异显著，POC含量在6个海拔梯度下差异均显著；其中3 902 m、4 705 m、4 918 m 3个海拔梯度POC含量与4 112 m海拔梯度POC含量差异极显著，3 902 m、4 705 m、4 918 m三个海拔梯度与4 112 m、 4 310 m、4 512 m三个海拔梯度土壤ROC含量差异显著。

20 ~ 40 cm土层下3 902 m、4 705 m、4 918 m三个海拔梯度与4 112 m、4 310 m、4 512 m三个海拔梯度土壤SMBC含量差异显著，4 112 m海拔梯度与其余5个海拔梯度土壤SMBN含量差异均显著；且与

4 918 m海拔梯度处SMBN含量差异极其显著，4 112 m海拔梯度与其余5个海拔梯度土壤POC含量差异均显著；且与3 902 m、4 918 m海拔梯度处POC含量差异极其显著，4 112 m海拔梯度与其余5个海拔梯度ROC含量差异均显著；其中4 918 m海拔梯度处ROC含量与4 112 m海拔梯度差异极其显著。

40 ~ 60 cm土层下4 112 m海拔梯度下土壤SMBC含量与其余5个海拔梯度差异均显著；4 918 m海拔梯度下土壤SMBC含量为35.18 mg/kg；与4 112 m海拔梯度下SMNC含量的98.20 mg/kg差异极其显著，

4 112 m、4 310 m、4 512 m三个海拔梯度下SMBN含量差异不显著，但与其余3个海拔梯度SMBN含量差异显著；且与4 918 m海拔梯度的0.17 mg/kg差异极其显著，4 112 m海拔梯度下POC含量与其余5个海拔梯度POC含量差异均显著；且与除4 310 m海拔梯度外的所有梯度POC含量差异极其显著，ROC含量在4 112 m海拔梯度处为最高，与各海拔梯度含量差异均显著。

2.4 土壤有机碳氮及组分与土壤理化性质关系

米拉山西坡土壤有机碳氮及其组分和土壤理化性质相关性分析如表4所示。分析结果表明，Asl与pH、SMBC、SMBN、POC、ROC、BD均呈负相关；pH、SMBC、SMBN与Asl呈极显著负相关;即随着海拔梯度的上升，土壤pH、SMBC、SMBN、POC、ROC、BD均呈下降趋势，SD与pH、BD呈正相关；与SOC、SON、SMBC、SMBN、POC、ROC均呈负相关；pH与SOC、SON、POC、ROC呈负相关；即随着pH的上升，SOC、SON、POC、ROC含量逐渐降低，且与BD成正相关，SOC、SON与SD、pH、BD呈负相关，与其他土壤碳氮组分均呈正相关；SMBC、SMBN、POC、ROC四种土壤有机碳氮组分相互均呈正相关；且均与Asl、SD呈负相关；即随着海拔梯度的上升和土层深度的增加，4种土壤有机碳氮组分均呈下降趋势。

3 讨论

3.1 土壤有机碳、氮含量变化特征

米拉山西坡土壤有机碳、氮含量差异变化较大，在不同海拔梯度下0 ~ 60 cm土层SOC含量变化范围为56.25 ~ 7.72 g/kg；SON变化范围为16.2 ~ 3.28 g/kg，有机碳、氮在海拔较低的4 122 m和4 310 m高山灌丛中显著更高；随着海拔高度的上升，土壤SOC、SON含量均成下降趋势，高山灌丛海拔梯度下植被类型更为丰富，相对于高山草甸；高山灌丛能在表层更多形成凋落物^[15]。虽然3 920 m采样点也为高山灌丛，但在3 902 m海拔梯度处出现SOC、SON含量低的情况，与前人研究结果不一致^[16,17]；究其原因，可能是由于3 902 m海拔梯度处采样点位置坡度较陡，且采样点靠近318国道旁；受到人为因素（放牧、人为踩踏等）影响较大，导致土壤受侵蚀作用更强，人为活动影响破坏了土壤团聚体，导致土壤有机碳、氮更容易释放，且破坏了土壤有机碳、氮的外体保护层，使土壤有机碳、氮更容易受到矿化和氧化^[18-20]，植物凋落物变少，导致土壤有机碳、氮含量低于显著水平，而4 112 m海拔梯度及以上海拔梯度受人为因素影响较小，有机碳、氮含量随海拔梯度的变化更为明显。

随土壤深度的增加，SOC、SON含量均表现为0 ~ 20 cm > 20 ~ 40 cm > 40 ~ 60 cm土层，在20 ~ 40 cm土层中，4 112 m海拔梯度处的有机碳、氮含量虽然仍保持相对较高的水平（29.15 g/kg、10.84 g/kg），但含量已显著低于表层土壤，而40 ~ 60 cm土层中，各海拔梯度土壤有机碳、氮含量进一步下降，但 4 112 m海拔梯度处依然保存相对较高的水平（20.58 g/kg、9.78 g/kg），其原因为表层土壤受到植物根系和凋落物的影响更多；而深层土壤更少受到这些因素的影响^[21]；相对于表层土壤，深层土壤容重更大，土壤水分和土壤通气性差；导致深层土壤土壤微生物活性和数量更低；经过长时间的积累分解，导致其SOC、SON转化速率变慢，使其含量逐渐降低^[22,23]。且随着土层深度的增加，土壤pH由弱酸性向弱碱性变化，在偏碱性土壤中，一些特定的有机物质可能会因为受到氢氧根离子的攻击而发生水解反应，这种水解作用可能会加速这些有机物质的分解过程，导致微生物的活性增强，从而释放出更多的养分供植物吸收利用，导致土壤SOC、SON含量降低。在弱酸性土壤中，微生物的生存环境和代谢活动受到抑制，导致其对SOC、SON的分解速率降低，促进了SOC、SON含量的存储^[24,25]。

3.2 土壤有机碳、氮组分含量变化特征

根据对土壤有机碳、氮组分及其土壤理化性质的相关性分析发现，海拔梯度和土层深度与pH值和有机碳、氮及其组分均呈显著负相关，即随着海拔梯度的上升和土层深度的增加，土壤有机碳、氮组分均成下降趋势，这与前人研究结果一致。SMBC、SMBN、POC、ROC含量均与SOC、SON含量呈极显著相关，即土壤有机碳、氮组分变化受土壤有机碳、氮变化的调控；土壤pH值与SOC、SON含量呈负相关，相关pH值升高；SOC、SON含量降低；这与米拉山东坡的研究结果一致^[17]。

植被类型是土壤有机碳、氮的主要来源^[26]。随着植被类型的变化，植被通过光合作用和根系分泌物等方式向土壤中输入的有机碳、氮数量发生变化^[27]。在本研究中，低海拔地区，如4 112 m海拔梯度处，植被类型更为丰富，且大部分为金花小檗、扁刺峨眉蔷薇等凋落物生物量较大的灌丛植被；导致表层土壤摄入的碳、氮源更为丰富，土壤活性更高，使其SMBC、SMBN、POC、ROC含量最高。而随着海拔梯度的不断上升，植被类型发生显著变化，由高山灌丛植被变化为高山草甸植被，相比于低海拔的高山灌丛，高山草甸植被类型比较单一，均为生物量较小的草本植物，且高海拔地区主要为高原冻土，冰雪覆盖时间长，不适合植物生长，主要植被为凋落物较少的垫状点地梅、高山蒿草等；使其归还回土壤中的碳、氮源显著减少，导致高海拔区域土壤有机碳氮及其组分含量显著低于较低海拔区域。

4 结论

米拉山西坡SOC、SON、SMBC、SMBN、POC、ROC与Asl、SD呈负相关；即土壤有机碳、氮及其组分随着海拔梯度的上升呈下降趋势，随着土层深度的增加，土壤有机碳、氮及其组分呈下降趋势；SMBC、SMBN、POC、ROC与SOC、SON呈极显著正相关，即土壤有机碳、氮组分变化主要受SOC、SON调控。随着海拔梯度的升高，植被类型发生显著变化，土壤有机碳、氮及其组分变化表现为：高山灌丛 ＞ 高山草甸；海拔高度变化导致植被类型的变化是造成土壤有机碳、氮及其组分变化重要因素。

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基金资助

林芝地区苔藓植物多样性及其生态群落考察(XZ202301ZY0041G)

西藏农牧大学农业资源与环境学科建设项目(2025)