土壤碳库是陆地生态系统中最大且周转时间最慢的碳库, 各种物理、化学、生物反应过程既是碳平衡动态的基础^[1], 又是联系生物地球化学循环的关键组分, 在协调土壤、植被及其周围环境的关系中起到主要作用^[2].土壤有机碳(SOC)库作为陆地碳库的重要组成, 土壤有机碳的积累和周转不仅决定土壤碳储量, 同时通过土壤肥力供应控制着生态系统的净生产力大小^[3].有机碳同位素自然丰度(δ¹³C_SOC)能够有效表征土壤碳库的微小迁移与转化, 定量评价有机碳组分变化及其对碳储量的相对贡献, 具有一定的环境指示作用^[4].

近年来, 土壤有机碳研究已被国内外学者广泛关注, 从生态系统环境的局部变化到地球化学循环过程, 涉及碳储量特征、分异规律、周转速率、循环学模型及其时空差异性, 发现土壤有机碳的微小变化可能引起大气及环境的巨大波动^[5~9].稳定碳同位素技术已广泛应用于生态环境领域并取得重大进展.包括利用δ¹³C追踪生物要素在生态系统中的循环过程^{[10, 11]}, 定量评价碳组分变化, 定性研究碳物质来源, 示踪研究气候变化和人文干扰下植被、土壤的长期碳过程等, 均表明δ¹³C有助于系统分析全球变化情境下的环境动态过程^[12~16].目前, 关于干旱区土壤有机碳的研究, 主要为农田碳储量、不同土地利用方式下有机碳分布特征及其影响因素等^[17], 而关于绿洲不同土壤类型的研究相对较少, 尤其是结合稳定碳同位素技术探讨有机碳随剖面变化的研究更是鲜有报道.因此通过δ¹³C_SOC研究土壤有机碳特征对干旱区绿洲有机碳资源的可持续发展具有重要意义^[18].

绿洲是决定干旱区生态系统结构与功能的关键组分, 作为干旱区碳素的主要存储场所, 其土壤碳库联系着生态系统内部及外部的物质循环, 是全球碳平衡及土壤养分科学管理等生态环境问题研究的重要内容^[19].本文以塔里木河上游典型绿洲——阿拉尔垦区为靶区, 结合稳定碳同位素技术, 系统分析了风沙土、盐土、棕漠土、灌漠土在0~100 cm不同土层的有机碳、稳定碳同位素组成的分布特征及其与土壤环境因子的关系.通过解析土壤有机碳含量和δ¹³C_SOC在不同土壤类型、土壤深度的差异性, 探讨土壤有机碳周转的生态过程及响应机制, 通过补充绿洲土壤碳循环的研究, 以期促进区域碳资源的可持续性发展, 对绿洲土壤碳动态研究具有重要的生态指示作用.

阿拉尔垦区位于塔里木河上游(80°30′~81°58′E、40°22′~40°57′N), 南邻塔克拉玛干沙漠, 北靠天山山脉, 北高南低, 平均海拔1 012 m.受大陆性气候和山盆格局的长期影响, 绿洲属典型的暖温带大陆性干旱荒漠气候.该地区年均气温10.8℃, 1月均温-7.8℃, 极端最低温-14.4℃, 7月均温24.6℃, 极端最高温40.6℃, 气温年较差和日较差大; 年均降水量53.5 mm, 5~9月降水量约占全年的85%, 历年最低降水量为19.8 mm, 最大降水量为91.9 mm; 年均蒸发量1 125~1 600 mm, 蒸发强烈, 无霜期220 d, 年光辐射量598.672 kJ.主要有风沙土、盐土、棕漠土、灌漠土4种土壤类型^{[2, 20]}, 自然植被类型有骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、盐爪爪(Kalidium foliatum)、柽柳(Tamarix spp.)、盐穗木(Halostachys caspica)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、芦苇(Phragmites communis)等; 主要经济作物为棉花(Gossypium spp.)、小麦(Triticum aestivum).

于2016年8月在研究区选择4种土壤类型, 即风沙土(主要植被类型为骆驼刺, 塔克拉玛干沙漠边缘)、盐土(主要植被类型为盐爪爪、柽柳, 农田与沙漠交错带)、棕漠土(主要植被类型为盐穗木、芦苇, 农田与沙漠交错带)、灌漠土(连作20 a棉田)为研究样地并设置样方, 大小为5 m×5 m.各样方内按照“S”形布设样点, 以五点四分法采集剖面0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm层土样样品, 去除石块、植物根系等杂质后取1 kg土样封装, 重复3次, 带回实验室自然风干后研磨过100目筛(0.149 mm), 供实验室分析.

土样基本理化性质的测定采用常规分析方法^[21], 土壤有机碳含量的测定采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法, 土壤无机碳酸盐含量的测定采用气量法, 全氮采用半微量凯氏定氮法, 土壤pH值测定采用电位法, 土壤含水量测定采用重量法, 土壤容重采用环刀法.每个测定项目重复3次.

碳稳定性同位素比率的表示方法^[22]: δ¹³C值表示样品中两种碳同位素比值相对于某一标准对应比值的相对千分差, 是描述样品与标准样品相比较时δ¹³C天然丰度变异程度的指标, δ¹³C值的误差在±0.2‰.其计算公式为:

式中, 标准样品一般为美国南卡罗莱纳州白垩系皮狄组地层中的美洲拟箭石(PDB), 定义其δ¹³C=0.011 24.

使用Excel 2007进行数据前期处理及作图, 采用SPSS 17.0软件进行相关性分析(Pearson)、单因素方差分析(One-Way ANOVA)、多重比较、双因素方差分析、冗余分析等.多重比较使用Duncan法; 双因素方差分析时, 若交互达到显著, 则需进行简单效应分析.

土壤有机碳含量在不同土壤类型中随土壤深度变化而有所差异(图 1), 4种土壤类型整体有机碳含量由低到高依次为风沙土 < 盐土 < 棕漠土 < 灌漠土, 且灌漠土显著高于盐土、风沙土.风沙土、盐土的有机碳含量变化趋势大致相同, 随深度增加均表现为先增加后减少再增加再减少的趋势, 且在10~20 cm层最高; 棕漠土呈现出下降趋势, 在各土层中波动变化, 表层(0~10 cm)最高, 80~100 cm层最低; 灌漠土展现出先缓慢减少后急剧下降的趋势, 在0~10 cm层最高, 80~100 cm层最低.

图 1

Fig. 1

图 1 不同土壤类型有机碳及其稳定碳同位素值的分布特征 Fig. 1 Distribution characteristics of soil organic carbon and its stable carbon isotope values in different types of soils

土壤有机碳同位素值变化幅度为-26‰~-23‰(图 1), 表层土(0~20 cm)中δ¹³C_SOC, 由负趋正表现为棕漠土 < 灌漠土 < 风沙土 < 盐土, 整体表现出风沙土、盐土显著高于棕漠土、灌漠土.风沙土有机碳同位素组成随深度加深变化轻微, 且60~80 cm层最大, 0~10 cm层最小; 盐土表现为整体下降的趋势, 仅在40~60 cm层回升偏正, 80~100 cm层最低; 棕漠土展现出“偏负(0~20 cm)→偏正(20~40 cm)→偏负(40~60 cm)→偏正(60~100 cm)”变化趋势, 表层(0~20 cm)较低, 底层最高(80~100 cm); 灌漠土表现出“偏正(0~20 cm)→偏负(20~60 cm)→偏正(60~80 cm)→偏负(80~100 cm)”的规律, 10~20 cm层最高, 40~60 cm层最低.

SOC、δ¹³C_SOC值受土壤类型、土壤深度及其交互作用影响产生变化, 效应量大小各不相同(效应量的范围在0~1之间, 值越大, 影响效应越高).双因素方差分析结果表明(表 1), 土壤有机碳含量受土壤类型、深度及其交互作用影响均达到极显著水平, 效应量排序为土壤类型(0.835)>土壤深度(0.778)>交互作用(0.762);土壤有机碳同位素值受土壤类型极显著影响、受交互作用显著影响, 效应量排序为土壤类型(0.400)>交互作用(0.392)>土壤深度(0.043).

表 1 (Table 1)

表 1 不同土壤类型、土壤深度及其交互作用的主效应分析1) Table 1 Main effect analysis of different soil types, soil depth and their interaction 性质 变异来源 自由度 离差平方和 均方 F 效应量 土壤类型 3 43.900 14.633 81.208** 0.835 土壤有机碳 土壤深度 5 30.386 6.077 33.725** 0.778 类型×深度 15 27.757 1.85 10.269** 0.762 误差 48 8.649 0.18 土壤类型 3 13.772 4.591 10.666** 0.400 δ13CSOC 土壤深度 5 0.920 0.184 0.427 0.043 类型×深度 15 13.298 0.887 2.060* 0.392 误差 48 20.659 0.43 1)*表示显著性水平(P < 0.05); **表示极显著性水平(P < 0.01)

表 1 不同土壤类型、土壤深度及其交互作用的主效应分析1) Table 1 Main effect analysis of different soil types, soil depth and their interaction

交互作用达到显著影响时, 需要进行简单效应分析, 进一步探究各因素在不同水平影响程度.由表 2可知, 土壤类型和土壤深度对土壤有机碳的交互作用中, 4种土壤类型均达到极显著水平, 效应量大小排序为灌漠土(0.749)>棕漠土(0.745)>盐土(0.327)>风沙土(0.254);不同土层均达到极显著水平, 效应量大小排序为0~10 cm层>20~40 cm层>60~80 cm层>40~60 cm层>10~20 cm层>80~100 cm层, 分别为0.740、0.678、0.520、0.492、0.421、0.354.对有机碳同位素值的交互作用中, 4种土壤类型中仅有棕漠土达到极显著水平, 其余3种土壤类型无显著影响; 在不同土层中, 0~10、10~20、40~60、80~100 cm层的作用达到显著或极显著水平, 但各水平因素的效应量均较低(< 0.3).

表 2 (Table 2)

表 2 交互作用的简单效应检验分析1) Table 2 Simple effect test of interaction 性质 变异来源 自由度 离差平方和 均方 F 效应量 土壤有机碳 土壤类型 风沙土 5 2.950 0.590 3.275* 0.254 盐土 5 4.196 0.839 4.657** 0.327 棕漠土 5 25.206 5.041 27.976** 0.745 灌漠土 5 25.791 5.158 28.625** 0.749 土壤深度 0~10 cm 3 24.635 8.212 45.571** 0.740 10~20 cm 3 6.296 2.099 11.647** 0.421 20~40 cm 3 18.203 6.068 33.673** 0.678 40~60 cm 3 8.387 2.796 15.514** 0.492 60~80 cm 3 9.388 3.129 17.366** 0.520 80~100 cm 3 4.748 1.583 8.783** 0.354 δ13CSOC 土壤类型 风沙土 5 0.881 0.176 0.409 0.041 盐土 5 3.094 0.619 1.438 0.130 棕漠土 5 8.589 1.718 3.991** 0.294 灌漠土 5 1.654 0.331 0.769 0.074 土壤深度 0~10 cm 3 6.275 2.092 4.86** 0.233 10~20 cm 3 5.593 1.864 4.332** 0.213 20~40 cm 3 2.172 0.724 1.682 0.095 40~60 cm 3 5.564 1.855 4.309** 0.212 60~80 cm 3 2.793 0.931 2.163 0.119 80~100 cm 3 4.673 1.558 3.619* 0.184 1)*表示显著性水平(P < 0.05); **表示极显著性水平(P < 0.01)

表 2 交互作用的简单效应检验分析1) Table 2 Simple effect test of interaction

对土壤有机碳、δ¹³C_SOC以及7个土壤环境因子进行RDA(Monte Carlo检验), 得到环境因子差异性解释量(表 3). RDA中有机碳、δ¹³C_SOC在第Ⅰ轴、第Ⅱ轴的解释量分别为60.0%和13.0%, 前两个排序轴保留了土壤有机碳及其同位素组成数据总方差的73.5%, 即7个环境因子累计解释量达到73.5%, 有机碳及其同位素特征与环境因子关系的累计解释量达99.4%.由此得知前两轴已能较好反映SOC、δ¹³C_SOC与土壤理化因子的关系, 且主要由第Ⅰ轴决定.

表 3 (Table 3)

表 3 土壤有机碳及其稳定同位素特征差异的解释变量冗余分析 Table 3 Redundancy analysis (RDA) of ecological characteristics of soil organic carbon and δ13CSOC 排序轴Axis 第Ⅰ轴 第Ⅱ轴 第Ⅲ轴 第Ⅳ轴 土壤有机碳及其同位素特征解释量/% 60.2 13.3 20.6 6.0 土壤有机碳及其同位素特征与土壤环境因子的相关性 0.880 0.771 0.001 0.001 有机碳及其同位素特征累计解释量/% 60.2 73.5 94.0 100.0 有机碳、δ13CSOC特征-土壤环境因子关系累计解释量/% 81.9 100.0 0.0 0.0 典范特征值 0.735 总特征值 1.000

表 3 土壤有机碳及其稳定同位素特征差异的解释变量冗余分析 Table 3 Redundancy analysis (RDA) of ecological characteristics of soil organic carbon and δ13CSOC

由土壤有机碳、δ¹³C_SOC与土壤环境因子的冗余分析可知(图 2), 土壤有机碳(A)与土壤无机碳(a)、全氮(b)、土壤含水量(c)、容重(d)均存在显著或极显著正相关关系, 与C/N(g)具有显著负相关关系; δ¹³C_SOC(B)与电导率(f)存在显著正相关关系, 与土壤无机碳、土壤含水量均存在极显著负相关关系.其中土壤含水量、土壤无机碳、容重的箭头连线较长, 可知土壤含水量、土壤无机碳、容重对土壤有机碳及δ¹³C_SOC的差异性具有较好解释, 与表 4重要性排序分析结果一致.

图 2

Fig. 2

A:土壤有机碳; B:有机碳稳定同位素值; a:土壤无机碳; b:全氮; c:土壤含水量; d:容重; e: pH; f:电导率 图 2 土壤有机碳及其δ13CSOC与土壤环境因子的冗余分析 Fig. 2 Redundancy analysis (RDA) of soil organic carbon and δ13CSOC with environmental factors

表 4 (Table 4)

表 4 土壤环境因子解释的重要性排序和显著性检验 Table 4 Importance and significance level of environmental factors 土壤环境因子 重要性排序 解释量/% F P 土壤含水量 1 54.9 26.747 0.002 0 土壤无机碳 2 40.7 15.088 0.002 0 容重 3 31.3 10.003 0.002 0 全氮 4 23.7 6.835 0.006 0 C/N 5 16.7 4.398 0.028 0 电导率 6 5.5 1.274 0.260 0 pH 7 0.9 0.189 0.778 0

表 4 土壤环境因子解释的重要性排序和显著性检验 Table 4 Importance and significance level of environmental factors

进一步研究环境因子对有机碳及其δ¹³C_SOC影响的重要性大小, 经蒙特卡洛检验排序得到土壤理化变量的重要性排序(表 4).重要性由大到小为土壤含水量>土壤无机碳>容重>全氮>C/N>电导率>pH, 其中土壤含水量、土壤无机碳、容重、全氮对土壤有机碳及δ¹³C_SOC的影响呈极显著水平, 差异性解释分别达54.9%、40.7%、31.3%、23.7%, 是造成差异性的关键因子; 其次为C/N(g)值对其具有显著影响; 最后是电导率、pH(g)对有土壤机碳及其δ¹³C_SOC的影响均为达到显著水平.

土壤有机碳是影响土壤质量的重要因素, 研究绿洲内不同土壤类型有机碳的剖面分布, 可揭示有机碳的贮藏潜力和转运作用特征^{[17, 23]}.本研究中有机碳含量大小排序为灌漠土>棕漠土>盐土>风沙土, 与贡璐等^[2]基于绿洲土壤有机碳的研究结果一致, 表明该绿洲灌漠土较其他土壤有更为丰富的有机碳资源, 风沙土有机碳资源相对稀缺^[16].因为灌漠土采样点为20年棉田, 含较多植物残体、人为添加物等, 经多种生化作用及微生物分解形成有机质输入土壤, 有机碳含量居高^{[24, 25]}; 风沙土中凋落物等有机质残枝稀少, 又干燥缺水, 微生物活动薄弱, 无法进行有效的有机碳补充^{[16, 26]}, 因此有机碳含量较低.

本研究中土壤有机碳剖面分布特征不一, 风沙土、盐土随土层变化较为稳定, 土壤质地较为均一, 其理化性质波动较小, 加之地表植物稀疏, 作用甚微, 因此有机碳含量稳定^[27]; 棕漠土有机碳含量整体降低, 但在各土层中波动变化, 这是由于风力、人类活动等自然和非自然因素影响, 发生土壤添加、剥蚀等生态过程, 造成土壤逐层间差异, 进而影响有机碳含量^[28]; 灌漠土中有机碳含量逐层降低, 60 cm以下急剧减少, 主要是0~60 cm层土壤受人为活动影响剧烈, 经常翻耕、浇水, 土壤性质稳定仅在渗透作用下逐层略微降低, 而60~100 cm层, 受此影响较弱, 亦无较多有机质沉积, 加之有机碳的降解, 造成有机碳含量急剧下降^[29].

有机碳同位素组成在植物残体分解, 逐层转化累积埋藏过程中分馏作用极为薄弱, 与原始基质相似, 可用于反映植被覆盖、气候环境变化, 其垂直分布特征对理解土壤形成过程、有机碳转运、同位素分馏有重要的生态意义^{[30, 31]}.本研究中土壤有机碳同位素组成在-26%~-23%, 略高于C₃植物同位素组成平均值(-26.64%)^[32], de Rouw等^[33]基于植物-土壤δ¹³C的研究中亦发现了同样的规律.因为δ¹³C_SOC值由植物到土壤会发生富C现象, 有机碳同位素发生分馏, 轻同位素(¹²C)优先进入微生物分解形成的CO₂中, 排出土壤, 而¹³C则更多地进入土壤微生物量碳中并最终补充进入到土壤有机碳, δ¹³C_SOC值增大, 因此略高于植物^{[33, 34]}.

土壤有机碳同位素组成的剖面特征为风沙土δ¹³C_SOC随剖面加深变化幅度较小, 可能是土壤中新有机质输入较少, 降解基质不足, 且受土壤基质影响差异性较小, 其分馏作用细微造成^{[27, 32]}; 盐土δ¹³C_SOC值整体呈下降趋势, 可能是随着植物降解发生, 木质素、纤维素等难降解物逐层累积, 导致δ¹³C_SOC值降低^[35], 而40~60 cm层波动偏移, 可能是该地区光照强烈、蒸发加剧, 水分蒸发带动盐碱上移的同时携带有机碳, 与下渗沉淀作用共同造成δ¹³C_SOC在此层的积累; 棕漠土δ¹³C_SOC随土层加深整体表现为趋正的规律, 表层偏负, 主要为地表植物凋落物添加, 其值接近植物同位素值^[36], 因此较低, 而底层δ¹³C_SOC值与风沙土接近, 可能是当地土壤最初由风沙土堆积逐渐形成; 灌漠土δ¹³C_SOC随土层加深整体趋负, 与盐土类似, 只是速率有所差异, 由于翻耕、灌溉等活动加速了下渗过程^{[37, 38]}.

本研究中土壤有机碳含量受土壤类型、土层深度显著或极显著影响, 其效应为土壤类型>土壤深度>交互作用, 说明土壤类型是影响土壤有机碳变异的主要因子, 其次是土壤深度, 最后为两者间的交互作用.这是由于土壤类型间地表植被覆盖类型、数量存在差异, 再者土壤质地不同, 其理化性质、贮藏潜力不一, 存在本质差异^{[26, 39]}; 而土壤深度间差异, 主要由土壤中水盐运动、物理沉积、渗透以及根系效应等作用引起^[40], 因此土壤深度虽然对有机碳作用显著, 但却低于土壤类型.对交互作用进一步分析中发现, 土壤类型中灌漠土的效应最高, 风沙土最低, 进一步验证了土壤类型间的差异性, 表明灌漠土固存有机碳作用较强^[41]; 土壤深度中0~10 cm层作用最强, 80~100 cm层作用最小, 因为表层土壤与地表相连, 更易接触、累积新鲜有机质, 作用显著, 而底层土壤由地表向下逐层降解减少, 积累量较小, 因此形成不同差异^{[40, 42]}.

土壤有机碳同位素组成受土壤类型极显著影响、交互作用显著影响, 而土壤深度影响不显著.可能是同类型土壤中地表植物相同, 随土层自上而下的凋落物形成, 有机质降解累积过程相似, 各土层有机质输入源相同, 因此深度作用影响不明显^[18]; 不同土壤类型中理化性质差异显著, 植被覆盖不同, 凋落降解、有机质输入以及在土壤中所受物理、生化作用差异显著, 进而影响碳同位素分馏, 造成类型间差异显著^{[12, 35]}.交互作用达到显著水平, 进一步效应分析发现土壤类型中受棕漠土极显著影响, 因为棕漠土地表植物覆盖类型相对较多, 植物凋落残体输入量较大, 有机碳同位素值受植物影响明显, 因此棕漠土达到显著水平; 虽然交互作用下受土壤深度中0~20、40~60、80~100 cm层显著或极显著影响, 但效应量均低于0.25, 可能是交互作用下, 土壤深度效应发生变化, 但仍有限^[43].

干旱区绿洲化进程加深, 土壤理化性质受干扰严重, 使得土壤碳资源对理化性质的响应已成为绿洲土壤生态环境研究的热点^{[7, 44]}.本研究中土壤环境因子重要性排序为土壤含水量>土壤无机碳>容重>全氮>C/N>电导率>pH, 说明水资源是干旱区绿洲重要的限制因子, 土壤含水量的变化显著影响土壤环境差异, pH的重要性相对较低^{[2, 45]}.前人研究结果发现土壤含水量与SOC、δ¹³C_SOC值具有极显著正、负相关关系^[46], 与本研究结果类似.一方面可能因为水作为植物生长发育的必要条件, 制约地表植被形成与发展, 影响地表有机质积累, 削弱土壤有机碳形成; 另一方面水环境是绝大多数生化反应的场所, 生命活动的载体, 有机质降解、有机碳形成等在缺水条件下过程缓慢、效率极低, 因此土壤含水量对SOC、δ¹³C_SOC均具有重要作用^{[47, 48]}.关于土壤pH的研究中, 姜俊彦等^[49]认为pH值与土壤有机碳含量存在极显著相关性; 贡璐等^[2]则认为pH与土壤有机碳间的相关性不明显.综合表明, pH值范围不同, 二者的量化关系也不同, 本研究中土壤有机碳、δ¹³C_SOC值均与pH值无显著相关性, 且在重要性排序中最低, 可能是土壤类型间存在差异, 受气候条件和人为干扰等因素影响, 造成pH值、有机碳及同位素组成在量级间形成明显差异, 因此无法直接表征其内在关系^[50].此外, 本研究通过同位素技术探讨了SOC、δ¹³C_SOC的区域特征及其影响因素, 丰富了绿洲土壤碳资源的研究, 但随剖面加深土壤性质变化复杂, 还需进一步结合无机碳同位素、土壤CO₂同位素系统分析土壤碳循环过程的变化动态, 有助于绿洲土壤碳资源的可持续发展.

(1) 绿洲4种土壤类型有机碳含量排序为灌漠土>棕漠土>盐土>风沙土, 其中盐土、风沙土随土层变化相对稳定, 灌漠土、棕漠土波动较大; δ¹³C_SOC整体为风沙土、盐土显著高于棕漠土、灌漠土, 各土层间变化具有差异性.

(2) SOC受土壤类型、深度及其交互作用极显著影响, 效应为土壤类型(0.835)>土壤深度(0.778)>交互作用(0.762); δ¹³C_SOC值受土壤类型、交互作用极显著或显著影响, 效应为土壤类型(0.400)>交互作用(0.392)>土壤深度(0.043).

(3) SOC、δ¹³C_SOC受7个土壤环境因子影响, 重要性排序为土壤含水量>土壤无机碳>容重>全氮>C/N>电导率>pH, 土壤含水量是重要的限制因子.