徐華君, 王丹彤, 王文欣

(新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046)

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烏魯木齊河流域土壤有機碳與氣候因子相關性研究

徐華君, 王丹彤, 王文欣

(新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046)

為了解土壤有機碳與氣候因子的相關關系，對烏魯木齊河流域6種不同土壤類型進行了研究，結果表明：土壤有機碳與水熱指標之間呈現(xiàn)不同性質和程度的相關性，與降水指標呈較顯著正相關，與各溫度指標呈較顯著負相關；不同土壤類型有機碳變化與水熱指標間的相關關系呈現(xiàn)不同特征，相關程度雖有不同，但總體符合與降水正相關溫度負相關的特征；通過人為控制研究區(qū)氣溫與降水指標條件進行偏相關分析，結果顯示在控制溫度的條件下降水增加有機碳含量可能減少；在控制降水的條件下溫度升高有機碳含量可能增加。研究認為在未來較長時間序列，氣候變化不會導致研究區(qū)土壤碳庫容量大幅變化。

土壤有機碳; 氣候; 中天山北坡

國際學術界對土壤有機碳的相關研究由來已久，早期研究主要關注于土壤碳庫的估算方法及結合數(shù)據(jù)庫和3S技術的土壤碳庫空間分析，取得了大量的研究成果，較具有代表性有，Bohn[1]、Post等[2]和Eswaren等[3]等人采用不同的方法對全球尺度上的土壤有機碳庫容量進行了估算。國家尺度上，加拿大的Lacelle等[4]建立了本國1∶100萬的數(shù)字化土壤圖和土壤景觀及有機碳含量數(shù)據(jù)庫，計算加拿大1 m土層的土壤有機碳庫容量。我國學者王紹強等[5]、方精云等[6]人利用土壤普查資料估算中國的有機碳庫及其空間分布。隨著全球變暖等一系列全球環(huán)境變化問題的尖銳化，自20世紀90年代以來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究成為國際學術界跨學科、綜合性的熱點研究內(nèi)容，對于土壤有機碳的研究重點轉向探討土壤碳庫的穩(wěn)定性、生物利用性及對氣候變化的反饋研究[7]。

全球環(huán)境問題是由全球變化引起的，而全球變化的核心是氣候變化，含碳溫室氣體濃度增加所加劇的地球溫室效應是氣候變化的主要原因[8-9]。據(jù)估算，全球1 m深度的土壤中貯存的有機碳量約為1 500 Gt，超過了植被與大氣有機碳儲量之和[10]，其較小的波動也能導致大氣含碳溫室氣體的較大變動，從而以溫室效應影響全球氣候變化[11]。國際學術界對土壤碳庫和氣候變化之間的反饋機制進行了大量的研究，存在兩種主要觀點，一種認為氣候暖向發(fā)展促進土壤碳的釋放，而土壤碳釋放又進一步導致氣候暖向發(fā)展；另一種觀點認為土壤碳釋放對氣候變暖反饋不敏感，氣候變暖不一定導致土壤碳的加速釋放。土壤和土壤有機碳庫的形成本身就受到了氣候條件的長期影響，土壤有機碳庫的空間差異本身就反映了氣候因子的空間異質性，研究土壤有機碳與氣候因子之間的相關關系，可以幫助預測氣候變化后土壤有機碳庫的變化趨勢。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

中天山北坡烏魯木齊河流域處于歐亞大陸的中心地帶，其河源發(fā)育在海拔4 200 m的冰川前緣，流經(jīng)高山帶、中山帶、山前丘陵及山前沖洪積平原，最后消失在海拔約500 m的荒漠地帶。本研究區(qū)位于中天山北坡烏魯木齊河流域中上游，地理坐標位于43°04′16″—43°50′55″N，86°48′46″—87°44′16″E，研究區(qū)(坡面)總面積1 706.98 km2。土壤垂直帶為高山草甸土—亞高山草甸土—山地黑鈣土和山地灰褐色森林土(呈復區(qū)分布)—山地栗鈣土—山地棕鈣土，其直線距離不超過200 km，幾乎模擬了北半球大陸內(nèi)部中高緯范圍內(nèi)主要山地土壤的類型分布，而北半球中高緯范圍的土壤正是眾多科學家認為的主要碳庫區(qū)[12]。

研究區(qū)土壤垂直帶譜較為完整，展開面積較小，其土壤理化性質對空間的變異性相對較小，為保證數(shù)據(jù)資料的的代表性、權威性與完整性提供了一定的基礎，是一個較為理想的研究區(qū)域。

1.2土樣采集方法

按照研究區(qū)土壤類型以及地貌部位的不同，采用非等間距不規(guī)則法采集樣品，每種類型的土壤根據(jù)其分布的面積的大小，具體安排剖面的數(shù)量。剖面挖掘深度原則上以1 m為界，考慮到研究區(qū)不同區(qū)域土層發(fā)育年齡不同所導致的土層厚度差異，實際采樣過程中以保證土壤剖面的完整性為原則選擇挖掘深度，每個剖面點的位置利用GPS儀定位，記錄地理位置、海拔高度和植被類型、覆蓋度等環(huán)境指標。

本研究共挖掘剖面401個，其中，主采樣剖面126個，檢查剖面252個，分界剖面23個。土樣的采集按土壤發(fā)生層進行，自上而下將土層劃分為4層，即有機質層、淋溶層、淀積層和母質層，每層采集土樣約1 kg，將每個土壤剖面同一發(fā)生層的樣品混合，取混合樣。去除由于采樣不規(guī)范或不完整等原因造成的不合格土樣，測試樣品取自126個主采樣剖面中的119個典型土壤剖面，共取得待測樣品475個。

1.3土樣分析方法

在普通分析測試范圍內(nèi)，對土樣進行了土壤有機碳、土壤易氧化有碳、容重等指標的測定，除土壤易氧化有機碳采用袁可能法[13]外，所有檢測均根據(jù)中國科學院南京土壤研究所編制的《土壤理化分析》中給出的方法進行[14]。

1.4數(shù)據(jù)分析方法

氣象數(shù)據(jù)來自于天山及其周圍的17個氣象站，將17個氣象站的氣象統(tǒng)計資料進行回歸分析，得出相應海拔高度(區(qū)域)的年平均氣溫、年平均降水和氣溫年較差的模擬數(shù)據(jù)，將該區(qū)域土壤類型的主要特征和該區(qū)域氣象數(shù)據(jù)進行匹配。利用SPASS 13.0，運用Spearman相關分析方法選取不同類型土壤的平均有機碳含量、表層有機碳含量、平均土壤有機碳穩(wěn)定系數(shù)值(KOS)、平均容重和海拔高度等5項指標與氣候模擬數(shù)值進行相關分析，從而分析相應氣候條件對研究區(qū)土壤有機碳的影響，其中KOS表征土壤有機碳的穩(wěn)定程度[15]，計算公式如下：

式中：a——土壤易氧化有機碳；b——測定的土壤有機碳；c——土壤難氧化有機碳。

2　結果與分析

2.1氣候因子與土壤有機碳的相關關系分析

氣候變化主要在兩個方面影響土壤碳循環(huán)過程：一是溫度、降水變化影響植物生產(chǎn)力速率和凋落速率；二是氣候變化影響微生物活性從而改變表層凋落物和土壤有機碳分解速率[16]。溫度和降水是影響土壤有機碳循環(huán)最主要的兩項因子，這幾乎是所有環(huán)境研究中必須考慮的要素。表1是研究區(qū)年平均氣溫、年平均降水和氣溫年較差等指標與研究區(qū)土壤理化特征進行Spearman相關分析的結果。

從表1可以看出海拔高度與所有指標都呈極顯著的相關，海拔高度與年平均降水量呈極顯著正相關，與溫度指標均呈極顯著的負相關，說明隨海拔高度的變化，氣候因子必定會發(fā)生變化。土壤平均有機碳、表層有機碳和平均KOS都跟年均氣溫及氣溫年較差呈顯著負相關，而與年降水量呈顯著正相關，而研究區(qū)土壤容重與氣溫和降水的相關性剛好相反，與降水呈顯著負相關，與氣溫呈顯著正相關。

表1　中天山北坡垂直帶土壤有機碳與氣候因子的相關性

注：**在置信度(雙測)為0.01時，相關性是顯著的。

從通常情況看，溫度的升高，降水量的減少，對土壤微生物的種類、數(shù)量的增加和活性的提高有益，有機碳的分解強度增大，容易造成有機碳的丟失；而反之，則有利于有機碳的蓄積。試驗數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)土壤有機碳含量隨溫度的升高儲量有降低趨勢，隨著降水的增高儲量有上升的趨勢，與理論相符合。

2.2不同土壤類型氣候因子的相關性差異

為了進一步確定研究區(qū)土壤有機碳與氣溫之間顯著負相關，與降水顯著正相關關系的可靠性，將研究不同土壤類型的119個樣本與對應樣點的氣候因子進行相關性分析。

表2　不同土壤類型土壤有機碳與氣候因子的相關性

注：**.在置信度(雙測)為0.01時，相關性是顯著的。

在不同類型的土壤中選取了平均土壤有機碳含量、表層有機碳含量、平均KOS值、平均容重和海拔高度等5項指標分析，結果見表2。從表2可以看到，各土壤類型的5項指標與氣候因子都有較顯著的相關關系?？梢钥闯鰵夂蛞蜃釉谏降卮怪睅寥婪植贾械淖饔?，特別對是維持土壤有機碳的穩(wěn)定性有重要作用，幾乎所有土壤類型都顯示出KOS值(土壤有機碳穩(wěn)定系數(shù))相關性高于其他土壤理化指標的特征，亞高山草甸土的KOS值甚至達到了顯著相關。除了土壤容重外，其他指標皆與年均降水量呈正相關，與溫度指標呈負相關。這些特點與土壤在整個垂直帶分布的特征是相吻合的。有研究表明[17]，在溫度或降水因子為非主導環(huán)境因子的情況下溫度或降水變化對包括土壤根呼吸和微生物呼吸在內(nèi)的土壤呼吸影響可能不明顯。對應研究區(qū)各土壤類型的景觀類型，可以看出在一定氣候條件范圍內(nèi)，隨著溫度向變暖方向發(fā)展，土壤有機碳含量與溫度的相關關系越來越小，即土壤碳循環(huán)對氣候變暖的反饋是有限的。在一定的氣候條件下，隨著降水量減少，土壤有機碳含量與降水的相關關系越來越大，即土壤碳循環(huán)對氣候變干的反饋是敏感的。

從理論上講，良好的降水條件，能促進土壤中的養(yǎng)分物質充分作用，較好地供給植物生長所需，同時，也能適當控制微生物的種類和數(shù)量，使有機碳的礦化過程適中，土壤形成良好的結構，有利于土壤有機碳的蓄積。而適中的溫度也能促進土壤的良好狀態(tài)，但如若溫度過高，再加上降水量減少，就會導致土壤微生物的活性增強，加速土壤有機碳的礦化，同時土壤的良好結構難以形成，容重增大，不利于土壤有機碳的蓄積。表明當討論土壤有機碳循環(huán)與溫度之間的關系時，其結果必定受到降水變化的影響，反之亦然，而降水與溫度變化之間又存在明顯的相關關系，因此可通過偏相關分析來探討三者之間的反饋機理。

2.3設定氣候條件下土壤有機碳性狀變化

本文將隨海拔高度變化的氣候因子分為降水因素和溫度因素兩部分，人為地控制其中某些指標，用偏相關分析法分析研究區(qū)不同土壤類型有機碳性狀的變化。假設溫度包括年均溫度和氣溫年較差2項指標，降水是指年均降水量。表3是分別設定溫度和降水用偏相關分析方法得到的結果。從表3可知，所有指標相關程度都有所降低，某些指標的性質發(fā)生了轉變。分析指標變化規(guī)律，在設定溫度條件下，除高山草甸土外，研究區(qū)內(nèi)其他土壤類型均顯示了隨降水增加，有機碳含量減少的趨勢；在設定降水條件下，除山地棕鈣土無明顯變化外，其余土壤類型均顯示了隨溫度升高土壤有機碳含量增加的趨勢。

有研究報道，土壤有機碳的大量積累并不是來自大的輸入量，而是由于溫度限制了分解者的活動而造成土壤有機碳的積累。因此，在未來的氣候變化中，如果氣溫升高而降水量也增加，即氣候向著暖濕方向發(fā)展，氣候的變化并不會導致土壤有機碳含量發(fā)生太大的變化；而如果氣溫升高、降水量卻減少，即氣候向著暖干方向發(fā)展，土壤有機碳的含量還有可能增加；如果氣溫降低、降水量增加，即氣候向著冷濕方向發(fā)展，土壤有機碳含量有可能大幅度減少，但氣溫和降水之間存在著明顯的正相關性，氣溫降低而降水量增加的可能性很小，故從本研究的結論看，大可不必擔心由于氣候的變化(如全球變暖)而導致土壤有機碳的丟失。在今后的幾十年到百年期間，土壤有機碳儲量的變化可能不大[18-19]。

表3　控制氣候指標下的偏相關系數(shù)矩陣

注：**在置信度(雙測)為0.01時，相關性是顯著的。*在置信度(雙測)為0.05時，相關性是顯著的。

3　結 論

(1) 從研究區(qū)整個土壤垂直帶來看，土壤有機碳含量與隨海拔高度變化的年均降水量呈較顯著正相關，與各溫度指標(年平均溫度、氣溫年較差)呈較顯著負相關，其他土壤理化性質指標除土壤容重外皆呈現(xiàn)與有機碳相似特征。說明研究區(qū)土壤有機碳含量隨溫度的升高儲量有降低趨勢，隨著降水的增高儲量有上升的趨勢。

(2) 從研究區(qū)各土壤類型來看，除山地灰褐色森林土和山地黑鈣土的多數(shù)指標與氣候因子呈一般相關或較低之外，各土壤類型的5項指標與氣候因子都有較顯著的相關關系，且相關性特征與整個垂直帶相吻合。所有土壤類型中除亞高山草甸土和灰褐色森林土外均顯示出表層有機碳含量指標相關性高于土層平均碳含量的特征，說明表層土壤有機碳容量更易受氣候擾動影響。在一定氣候條件范圍內(nèi)，研究區(qū)土壤碳循環(huán)隨著氣候的變暖反饋是有限的，隨著氣候的變干反饋是敏感的。

(3) 人為控制研究區(qū)氣溫與降水指標條件，與研究區(qū)土壤有機碳進行偏相關分析，總體特征符合在控溫條件下，隨降水增加，有機碳含量有減少趨勢；在控水條件下，隨溫度的升高，有機碳含量有增加趨勢。在研究區(qū)各土壤類型中，山地棕鈣土有機碳變化在控水條件下對溫度因子響應變化不顯著，高山草甸土有機碳變化在控溫條件對降水因子響應變化不顯著，基本維持原有相關關系特征。研究認為在未來較長時間序列，氣候變化不會導致研究區(qū)土壤碳庫容量大幅變化。

(4) 本文的氣候相關數(shù)據(jù)是來自于對實測數(shù)據(jù)回歸分析后的模擬數(shù)據(jù)，盡管與實測數(shù)據(jù)呈極顯著相關，仍存在一定的誤差，對研究結果有一定的影響。且土壤有機碳儲量的變化與自身理化性質、植被狀況及人類活動影響等非氣候因素也存在復雜關系，增加了氣候與土壤有機碳相關關系的復雜性，需在后續(xù)的研究中進行更深入的探討。

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Study of Correlation Between Soil Organic Carbon and Climate Factors in the Urumqi River Basin in the Northern Slope in the Middle Section of Tianshan Mountainous

XU Huajun, WANG Dantong, WANG Wenxin

(College of Resources and Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Six soil types in the Urumqi River Basin were adopted to analyze the correlations between soil organic carbon and climatic factors. The results show that the correlation between soil organic carbon and climatic factors has different features, soil organic carbon has significant positive correlation with precipitation index and significant negative correlation with the temperature index; different types of soil organic carbon change have different characteristics, but soil organic carbon change is positively related with precipitation index and negatively related with temperature index; if temperature and precipitation index conditions were artificially controlled in the study area, soil organic carbon may decrease with the increase of precipitation in setting temperature, soil organic carbon may increase with the rise of temperature in setting precipitation.

soil organic carbon; climate; northern slope of Tianshan

2015-03-21

2015-04-28

新疆大學博士科研基金啟動項目(BS100117)

徐華君(1962—),男,上海市人,博士,副教授,主要從事自然資源與環(huán)境研究。E-mail：hjj_xu@163.com

P962

A

1005-3409(2016)02-0078-05