張法偉,李紅琴,李文清,王軍邦,儀律北,羅方林,張光茹,王春雨,楊永勝,李英年

1 中國(guó)科學(xué)院三江源國(guó)家公園研究院,西寧 810001 2 洛陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,洛陽(yáng) 471934 3 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810001 4 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100105 5 青海省林業(yè)和草原局林業(yè)碳匯服務(wù)中心, 西寧 810008

土壤有機(jī)碳是進(jìn)入土壤的生物殘?bào)w及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖物質(zhì)共同組成的混合體,是土壤碳庫(kù)和碳循環(huán)的主要組成單元[1—2]。土壤氮素是生態(tài)系統(tǒng)生物生存的關(guān)鍵元素之一[3—4]。準(zhǔn)確評(píng)估土壤碳氮量是科學(xué)認(rèn)知陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)功能的重要基礎(chǔ),也是目前全球變化研究的熱點(diǎn)[5—7]。土壤碳氮循環(huán)不僅關(guān)系到陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的形成乃至全球糧食安全[8],同時(shí)也能對(duì)地球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[9]。全球土壤表層有機(jī)碳儲(chǔ)量約為504—967 Pg C[10],每年土壤呼吸釋放的CO2約是化石燃料的10倍,其微小變化也會(huì)對(duì)全球碳循環(huán)及氣候變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[11—12]。提升土壤的碳氮固定以緩解溫室氣體效應(yīng)已成為國(guó)際社會(huì)廣泛接受的應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑之一[13]。但土壤碳氮儲(chǔ)量及時(shí)空變化依然是當(dāng)前生物地球化學(xué)循環(huán)研究中最為薄弱的一環(huán)[14]。

土壤碳氮儲(chǔ)量常用的估算方法主要包括土壤類型法和生物地球化學(xué)模型法及經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型法等[5, 15]。由于機(jī)器學(xué)習(xí)算法(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等)對(duì)數(shù)據(jù)的非正態(tài)分布和預(yù)測(cè)變量之間的共線性具有較大的容忍度,其表現(xiàn)往往優(yōu)于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型,在近年來(lái)的相關(guān)研究中得到了迅速的應(yīng)用[11, 16—17]。青藏高原被譽(yù)為“世界第三極”, 由于其生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和對(duì)氣候變化的敏感性[18],成為土壤碳氮循環(huán)研究的焦點(diǎn)區(qū)域[2, 19—20]。青藏高原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較高[2, 21],早期估計(jì)的范圍約為38.4—79.4 Pg C[19, 22—24],最新的估值為35.8—69.0 Pg C,其中土壤活動(dòng)層儲(chǔ)量約為13.2 Pg C[25]。但由于青藏高原氣候、植被及土壤空間異質(zhì)性強(qiáng),加之地面觀測(cè)樣本相對(duì)較少且獲取難度較大,導(dǎo)致不同研究的估算結(jié)果差別較大,限制了區(qū)域土壤碳氮承載力及生態(tài)功能的準(zhǔn)確認(rèn)知。

三江源國(guó)家公園位于青藏高原的核心區(qū)域,是高原生態(tài)安全屏障的重要地理單元,土壤碳氮特征是認(rèn)知其生態(tài)服務(wù)功能的關(guān)鍵之一[26]。準(zhǔn)確評(píng)估三江源國(guó)家公園土壤碳氮的密度和等級(jí)及儲(chǔ)量,是科學(xué)把握生態(tài)系統(tǒng)功能完整性的內(nèi)在規(guī)律和區(qū)劃管理的重要基礎(chǔ)[26—27],有利于實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共生[28]。早期的研究表明黃河源園區(qū)瑪多縣的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為0.03—1.5 Pg C[5, 29],整個(gè)三江源區(qū)域的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)在2.0—5.3 Pg C[30—31],但存在較大的不確定性。本文以三江源國(guó)家公園為研究區(qū)域,基于地面觀測(cè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù),采用增強(qiáng)回歸樹(shù)模型(Boosted regression trees,BRT),結(jié)合歸一化植被指數(shù)、氣溫、降水、高程、坡度和坡向等生態(tài)因子數(shù)據(jù),評(píng)估表層(0—30 cm)土壤碳氮密度和等級(jí)及儲(chǔ)量特征,為國(guó)家公園的土壤資源承載力評(píng)估和分區(qū)管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源國(guó)家公園包括瀾滄江源園區(qū)、黃河源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū),總面積為12.31萬(wàn)km2,其中瀾滄江源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū)分別位于玉樹(shù)藏族自治州的雜多縣和治多縣及曲麻萊縣,面積為1.37萬(wàn)km2和9.03萬(wàn)km2；黃河源園區(qū)位于果洛藏族自治州的瑪多縣,面積為1.91萬(wàn)km2[26]。氣候?yàn)楦咴箨懶詺夂?冷季寒冷漫長(zhǎng),暖季濕潤(rùn)短暫,輻射強(qiáng)烈,日照時(shí)間長(zhǎng),牧草生長(zhǎng)季短。年均氣溫和降水分別為-5.6—7.8 ℃和262.2—772.8 mm。公園地處高寒草甸向高寒荒漠的過(guò)渡區(qū),主要植被型包括高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠。土壤類型主要為鹽土、寒鈣土、風(fēng)沙土和棕鈣土等[6, 26, 32]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土壤碳氮數(shù)據(jù)來(lái)源主要有兩部分構(gòu)成,共有54個(gè)樣點(diǎn)(圖1),每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù),按照0—10、10—20 cm和20—30 cm的深度分別獲取容重和有機(jī)碳及全氮含量。表層(0—30 cm)土壤有機(jī)碳密度和全氮密度為各層容重與有機(jī)碳含量及全氮含量乘積的積分。其中,14個(gè)樣點(diǎn)為已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),來(lái)自于Yang 等[2](8個(gè)樣點(diǎn),采樣時(shí)間為2001—2004年7—8月)和Chang等[31](6個(gè)樣點(diǎn),采樣時(shí)間為2006—2008年8—9月)。40個(gè)樣點(diǎn)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院-青海省人民政府三江源國(guó)家公園聯(lián)合研究專項(xiàng)在2020年8月完成的土壤剖面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。研究區(qū)域年均氣溫和降水資料是利用國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的相應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)檢查、統(tǒng)計(jì)后采用ANUSPLINE軟件對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行插值得到空間分辨率為250 m的柵格數(shù)據(jù)[33]。歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI)來(lái)源于MODIS的MOD09Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品,時(shí)間分辨率為16天,空間分辨率為250 m,經(jīng)過(guò)平滑和降噪處理后合成的年均NDVI[34]。本文所利用的年均氣溫(Annual mean air temperature,AMT)、年均降水(Annual total precipitation,ATP)和NDVI為2000—2018年的平均值。高程數(shù)據(jù)的空間分辨率為90 m,來(lái)源于SRTM 4.0(Shuttle Radar Topography Mission)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)[35],并利用高程提取坡度和坡向數(shù)據(jù)。植被類型數(shù)據(jù)來(lái)源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的中國(guó)1∶100萬(wàn)植被數(shù)據(jù)(2000年)[36],土壤類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)[37],均為空間矢量數(shù)據(jù)。

1.3 增強(qiáng)回歸樹(shù)模型及評(píng)估指標(biāo)

增強(qiáng)回歸樹(shù)(BRT)是基于分類回歸樹(shù)的一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,對(duì)生態(tài)因子之間的共線性和非正態(tài)性及異常值具有較大的容忍度[38],且不易出現(xiàn)過(guò)度擬合,因此泛化誤差較低,對(duì)于響應(yīng)變量的預(yù)測(cè)精度較高[39]。同時(shí),通過(guò)生態(tài)因子對(duì)響應(yīng)變量離差平方和的減少量以度量生態(tài)因子的相對(duì)重要性。本文在R 4.0.2平臺(tái)[40]上利用Dismo軟件包實(shí)現(xiàn)。以表層土壤有機(jī)碳(SOC)密度和全氮(TN)密度為響應(yīng)變量,以年均氣溫、年均降水、年均歸一化植被指數(shù)、高程、坡度和坡向?yàn)轭A(yù)測(cè)因子,構(gòu)建BRT模型以評(píng)估三江源國(guó)家公園土壤有機(jī)碳和全氮的特征。BRT模型中,設(shè)置學(xué)習(xí)速率為0.05,樹(shù)的復(fù)雜度為5,每次抽取50%的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并進(jìn)行10次交叉驗(yàn)證[38]。模型評(píng)估一方面基于BRT模型的平均總方差和平均殘差方差,另一方面利用觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的均方根誤差(Root mean squared error, RMSE)、平均絕對(duì)誤差(Mean absolute error, MAE)和決定系數(shù)(Determination coefficient,R2)等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)因子特征和樣點(diǎn)數(shù)據(jù)概況及模型表現(xiàn)

2000—2018年區(qū)域的年均氣溫(AMT)和年均降水(ATP)分別為(-4.4±1.8)℃(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,下同)和(389.5±96.2)mm,瀾滄江、黃河、長(zhǎng)江源園區(qū)的AMT和ATP逐漸降低,分別為(-2.7±1.6)℃和(568.5±43.5)mm、(-3.2 ±1.1)℃和(455.8±49.7)mm、(-4.9 ±1.8)℃和(348.3±65.4)mm。歸一化植被指數(shù)(NDVI)平均為(0.14±0.08),在氣溫和降水的綜合作用下,瀾滄江源園區(qū)相對(duì)最高(0.22±0.08),黃河源園區(qū)居中(0.18±0.08),長(zhǎng)江源園區(qū)最低(0.12±0.07)。54個(gè)土壤樣點(diǎn)的平均SOC密度和TN密度分別為(5.72±4.68)kg/m2和(0.58±0.43)kg/m2,其中瀾滄江源園區(qū)、黃河源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū)的樣本數(shù)量分別3、28和23個(gè)(圖1),其SOC密度和TN密度的平均值分別為(6.19±0.80)kg/m2和(0.62±0.07)kg/m2、(8.68±5.62)kg/m2和(0.83±0.54)kg/m2、(3.24±1.83)kg/m2和(0.36±0.17)kg/m2。

圖1 三江源國(guó)家公園的土壤采樣點(diǎn)空間分布、高程、年均歸一化植被指數(shù)(NDVI)、年均降水(ATP)和年均氣溫(AMT)的空間特征

SOC密度和TN密度的BRT模型的平均總方差和平均殘差方差分別為21.5和5.9(R2=0.72)、0.18和0.10(R2=0.45),表明模型的表現(xiàn)相對(duì)較好。SOC密度和TN密度的模擬值和觀測(cè)值的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差分別為2.10 kg/m2和3.05 kg/m2、0.20 kg/m2和0.30 kg/m2(圖2)。BRT模型表明,ATP和NDVI是SOC密度和TN密度空間變異的主要影響因子,兩者累計(jì)的相對(duì)貢獻(xiàn)分別為70.8%和88.6%(圖3)。其中,ATP和NDVI與SOC密度和TN密度均呈現(xiàn)出S型飽和響應(yīng)的特征,當(dāng)ATP大于440 mm,或NDVI大于0.2時(shí),SOC密度和TN密度不再增加。

圖2 表層(0—30 cm)土壤有機(jī)碳(SOC)密度和全氮(TN)密度的增強(qiáng)回歸樹(shù)模型預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值的關(guān)系

圖3 環(huán)境因子對(duì)表層(0—30 cm)土壤有機(jī)碳(SOC)密度和全氮(TN)密度空間變異的相對(duì)貢獻(xiàn)

2.2 表層土壤有機(jī)碳密度和全氮密度的空間特征

三江源國(guó)家公園SOC密度和TN密度分別為(5.41±3.12)kg/m2和(0.57±0.27)kg/m2(表1),變異系數(shù)分別為57.7%和47.4%,屬于中等空間變異,其空間特征均表現(xiàn)為從西北到東南逐漸增加(圖4)。瀾滄江源園區(qū)和黃河源園區(qū)的SOC密度較為接近,分別為(9.39±0.89)kg/m2和(8.26±2.33)kg/m2,長(zhǎng)江源園區(qū)最低,為(4.17±2.51)kg/m2,且變異系數(shù)為60.2%,遠(yuǎn)高于前兩個(gè)園區(qū)的9.4%和28.3%(圖4)。TN密度與SOC密度的空間分布特征相似,瀾滄江源園區(qū)、黃河源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū)的TN密度分別為(0.92±0.09)、(0.80±0.20)kg/m2和(0.46±0.22)kg/m2(表1)。從植被類型上看(表1),針葉林和灌叢的SOC密度相對(duì)最高,平均為10.05 kg/m2,高寒草甸居中(7.21 kg/m2),高山植被相對(duì)較低(4.97 kg/m2),高寒草原和高寒荒漠最低,分別為2.87 kg/m2和2.61 kg/m2。TN密度也表現(xiàn)出相似的規(guī)律,針葉林和灌叢相對(duì)最高(0.96 kg/m2),高寒草甸和高山植被居中(0.64 kg/m2),高寒草原和高寒荒漠最低(0.33 kg/m2)。從土壤類型看(表1),栗鈣土、棕鈣土、灰褐土、寒漠土和寒鈣土的SOC密度相對(duì)較高(9.89—8.62 kg/m2),平均為9.34 kg/m2；草氈土、鹽土、灰棕漠土、冷鈣土和沼澤土居中(7.11—5.25 kg/m2),平均為6.33 kg/m2；沖積土、草甸土、粗骨土、風(fēng)沙土、石質(zhì)土和棕漠土相對(duì)最低(3.97—2.72 kg/m2),平均為1.04 kg/m2。TN密度也表現(xiàn)出類似的特征,棕漠土相對(duì)最低(0.34 kg/m2),而栗鈣土相對(duì)最高(0.96 kg/m2)。

圖4 三江源國(guó)家公園表層(0—30 cm)土壤有機(jī)碳密度和全氮密度的空間特征

表1 三江源國(guó)家公園表層(0—30 cm)土壤有機(jī)碳和全氮密度及儲(chǔ)量的區(qū)域、植被類型和土壤類型的特征

2.3 表層土壤有機(jī)碳密度和全氮密度的等級(jí)區(qū)劃

由于三江源國(guó)家公園的SOC密度和TN密度的空間數(shù)據(jù)分布偏態(tài)較為嚴(yán)重,SOC密度和TN密度分別主要集中在9.00—9.80 kg/m2和0.88—0.98 kg/m2,其頻數(shù)分別為51.1%和75.4%。因此按照SOC密度和TN密度的累計(jì)概率進(jìn)行等級(jí)劃分,分別將0—20%、20%—40%、40%—60%、60%—80%和80%—100%劃分為極差、較差、中等、較好和極好區(qū)域。同時(shí)考慮到瀾滄江源園區(qū)、長(zhǎng)江源園區(qū)和黃河源園區(qū)的氣候、植被和土壤具有顯著差異,因此將三個(gè)區(qū)域按照不同的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行區(qū)劃。三江源國(guó)家公園各區(qū)域?qū)?yīng)的閾值范圍分別如下表(表2)所示。

表2 三江源國(guó)家公園表層(0—30 cm)土壤有機(jī)碳密度和全氮密度的等級(jí)劃分范圍

按照表2的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三江源國(guó)家公園土壤碳氮密度進(jìn)行了等級(jí)區(qū)劃(圖5)。瀾滄江源園區(qū)SOC密度和TN密度的極差區(qū)域主要分布在邊緣地帶,而極好的區(qū)域集中在中心地帶,表現(xiàn)出中心高四周低的特點(diǎn)。黃河源園區(qū)的SOC密度和TN密度的極差和較差區(qū)域分布在鄂陵湖和扎陵湖及星星海為中心的區(qū)域,中等區(qū)域分布在中部,較好的區(qū)域集中在南部,呈現(xiàn)出從北到南逐漸升高的格局。長(zhǎng)江源園區(qū)的SOC密度和TN密度的極差和較差區(qū)域集中在西北部,而較好和極好的區(qū)域分布在東南部,顯現(xiàn)出從西北到東南逐漸升高的趨勢(shì)。

圖5 三江源國(guó)家公園表層(0—30 cm)土壤有機(jī)碳密度和全氮密度的等級(jí)區(qū)劃圖

2.4 表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和全氮儲(chǔ)量的空間特征

三江源國(guó)家公園SOC儲(chǔ)量和TN儲(chǔ)量分別為0.60 Pg和0.064 Pg,其中長(zhǎng)江源園區(qū)的占比分別為56.4%和59.7%,黃河源園區(qū)和瀾滄江源園區(qū)的占比分別為23.3%和21.5%、20.3%和18.8%(表1)。植被類型中,高寒草甸的SOC儲(chǔ)量和TN儲(chǔ)量分別為0.41 Pg和0.041 Pg,其次是高寒草原,SOC儲(chǔ)量和TN儲(chǔ)量分別為0.13 Pg和0.016 Pg。兩者約占國(guó)家公園SOC儲(chǔ)量和TN儲(chǔ)量的89.6%和89.2%。土壤類型中,鹽土、寒鈣土、風(fēng)沙土和棕鈣土的SOC儲(chǔ)量和TN儲(chǔ)量相對(duì)較高,累計(jì)分別為0.31 Pg和0.032 Pg,約占國(guó)家公園總儲(chǔ)量的一半(表1)。

3 討論

3.1 表層土壤碳氮密度特征及環(huán)境影響

三江源國(guó)家公園的SOC密度平均為5.41 kg/m2,和三江源高寒草地的研究結(jié)果(5.18 kg/m2)基本一致[31],高于Lund-Potsdam-Jena(LPJ)動(dòng)態(tài)全球植被模型估計(jì)的3.97 kg/m2[41]和第二次土壤普查的3.90 kg/m2[15],但略低于青藏高原高寒草地的6.12 kg/m2[11]；TN密度平均為0.57 kg/m2,和Xu 等(2020)的研究結(jié)果(0.48 kg/m2)基本一致[4],表明BRT模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較為合理。由于降水減少和植被覆蓋降低,國(guó)家公園土壤碳氮密度呈現(xiàn)出從西北到東南逐漸升高的空間趨勢(shì),這和前期相關(guān)的研究結(jié)果一致[6, 29, 41]。三江源高寒草甸和高寒草原SOC密度為7.21 kg/m2和2.61 kg/m2,其中高寒草甸的估算值高于前人的研究結(jié)果(5.51 kg/m2[15]；5.18 kg/m2[31]),高寒草原的則基本接近(2.54 kg/m2[15])。SOC密度和TN密度在植被類型和土壤類型之間存在顯著差異[5, 42],針葉林和灌叢及高寒草甸相對(duì)較高,而高寒草原和高寒荒漠相對(duì)較低[43],這與前者植被覆蓋較大且降水較多密切相關(guān)[2, 11, 15]。栗鈣土、棕鈣土、灰褐土、寒漠土和寒鈣土的土壤碳氮密度相對(duì)較高,主要由于其土壤中的黏粒和粉粒比例多,黏?？膳c有機(jī)碳結(jié)合形成難以分解的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合顆粒從而提高土壤碳氮保持能力,具有較高的土壤承載力[2, 5—6]。

SOC密度的空間變異主要受降水和歸一化植被指數(shù)影響,且均呈現(xiàn)出飽和關(guān)系,這與高寒地區(qū)土壤SOC和水分狀況及植被生產(chǎn)力密切相關(guān)的結(jié)果一致[2, 29, 42]。SOC密度主要取決于植被生產(chǎn)的輸入與土壤微生物分解流失之間的平衡[12]。青藏高原高寒草地表層SOC密度與降水存在顯著的正相關(guān)[15],這主要由于在區(qū)域尺度上,高的降水一方面可以提高植被覆蓋及生產(chǎn)力[4],從而增加土壤的碳輸入[11—12, 16],同時(shí)本研究NDVI和降水的正相關(guān)(R2=0.29,P<0.001)也部分印證了這個(gè)結(jié)論；另一方面增加土壤含水量,降低土壤呼吸,有利于SOC的積累[7, 42]。其飽和響應(yīng)的原因可能是隨著植被覆蓋的增加,呼吸底物及異養(yǎng)呼吸的增加速率抵消SOC的積累速度。雖然高寒生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為溫度限制,但年均氣溫和SOC密度之間沒(méi)有顯著關(guān)系(R2<0.01,P=0.57),其潛在原因可能是溫暖狀況下SOC分解的增加幅度與植被碳輸入的增加程度相互抵消所致[11, 44]。由于青藏高原表層土壤碳氮之間的高度耦合性,即土壤氮素主要以有機(jī)氮的形式存在于有機(jī)質(zhì)中,導(dǎo)致土壤TN密度也呈現(xiàn)出類似空間特征和環(huán)境驅(qū)動(dòng)[42]。研究區(qū)域土壤碳氮比相對(duì)較高(9.5±0.8),暗示表層SOC較易礦化,具有較高的周轉(zhuǎn)速率[12]。因此,三江源國(guó)家公園SOC和TN的積累主要受水分限制,未來(lái)氣候暖干化會(huì)降低土壤碳氮功能,這與LPJ模型預(yù)測(cè)的結(jié)果相對(duì)一致[41]。近二十年來(lái),園區(qū)降水和植被均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì),雖然有利于低降水低植被區(qū)域土壤碳氮的積累[30],但會(huì)導(dǎo)致深層凍土碳的釋放,可能抵消甚至逆轉(zhuǎn)表層土壤碳蓄積效應(yīng)[25],需要后期深入研究。

3.2 三江源國(guó)家公園表層土壤有機(jī)碳密度和全氮密度的等級(jí)區(qū)劃

按照傳統(tǒng)的功能區(qū)劃,極差區(qū)域?qū)儆诤诵谋Ｓ齾^(qū),較差區(qū)域?qū)儆谏鷳B(tài)保育修復(fù)區(qū),中等區(qū)域?yàn)閭鹘y(tǒng)利用區(qū),較好和極好區(qū)域?qū)儆诰幼∮雾瑓^(qū)[27]。長(zhǎng)江源園區(qū)土壤碳氮儲(chǔ)量盡管相對(duì)較高,但其密度最低,承載力最弱,應(yīng)該規(guī)劃成核心保育區(qū)。而瀾滄江源園區(qū)則相反,應(yīng)該介于傳統(tǒng)利用區(qū)和居住游憩區(qū),盡管研究結(jié)果與三江源國(guó)家公園綜合功能分區(qū)略有差異[26—27],但整體較為一致。針對(duì)每個(gè)園區(qū),黃河源園區(qū)西北部則屬于核心保育區(qū),中部則為生態(tài)保育修復(fù)區(qū)[45],而東南部則以傳統(tǒng)利用和居住游憩為主。長(zhǎng)江源園區(qū)的核心保護(hù)區(qū)集中在西北部和東南部,而瀾滄江源園區(qū)的則集中在西北部,這也與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間特征相一致[28]。核心保育區(qū)需要嚴(yán)格進(jìn)行封禁保育,生態(tài)保育區(qū)和傳統(tǒng)利用區(qū)以自然恢復(fù)和人工修復(fù)相結(jié)合的方式恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng),居住和游憩服務(wù)區(qū)是人口聚居和集中區(qū)域、訪客體驗(yàn)和環(huán)境教育的主要區(qū)域[45]。

3.3 表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和全氮儲(chǔ)量特征

受研究手段的限制,高寒地區(qū)土壤碳氮儲(chǔ)量是目前碳氮循環(huán)研究中最不確定的部分[6, 14]。三江源國(guó)家公園SOC儲(chǔ)量為0.60 Pg,和三江源區(qū)域30萬(wàn)km2的2.01 Pg的結(jié)果基本吻合[31],也與青藏高原250萬(wàn)km2的13.2—18.4 Pg的最新結(jié)論較為一致[6, 25],但明顯低于早期的估算結(jié)果[19, 22—24]。研究區(qū)域TN儲(chǔ)量為0.06 Pg,也介于青藏高原TN總儲(chǔ)量0.9—2.7 Pg之間[46]。三江源國(guó)家公園高寒草甸和高寒草原面積之和為9.7萬(wàn)km2,其表層土壤碳氮儲(chǔ)量約占園區(qū)的90%。因此,高寒草甸和高寒草原是區(qū)域生態(tài)功能的主要載體,是三江源國(guó)家公園管理和規(guī)劃的重點(diǎn)[27]。但目前草地退化態(tài)勢(shì)依然嚴(yán)峻,草場(chǎng)退化面積約占可利用草地面積的46%,而草地退化可誘導(dǎo)土壤碳氮急劇損失[18],后期需要進(jìn)一步厘清草地退化和土壤碳氮的耦合過(guò)程,以便準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域土壤碳氮功能。同時(shí),未來(lái)的研究應(yīng)該注重生態(tài)系統(tǒng)的多功能性,從而形成具有三江源國(guó)家公園特色的等級(jí)區(qū)劃及管理對(duì)策,以期最大限度地保持國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)的原真性和完整性。

4 結(jié)論

三江源國(guó)家公園表層SOC密度和TN的密度分別為5.41 kg/m2和0.57 kg/m2,其空間變異主要受年均降水和歸一化植被指數(shù)影響。瀾滄江源園區(qū)和黃河源園區(qū)的SOC密度接近,約為長(zhǎng)江源園區(qū)的兩倍。針葉林、灌叢及高寒草甸的SOC密度和TN密度相對(duì)較高,高寒草原和高寒荒漠最低。栗鈣土、棕鈣土、灰褐土、寒漠土和寒鈣土的SOC密度和TN密度相對(duì)較高,石質(zhì)土和棕漠土相對(duì)最低。瀾滄江源園區(qū)SOC密度和TN密度等級(jí)呈現(xiàn)出中心高四周低的特點(diǎn),黃河源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū)分別表現(xiàn)出從南到北和從東南到西北逐漸降低的格局。三江源國(guó)家公園表層SOC儲(chǔ)量和TN儲(chǔ)量分別為0.60 Pg和0.06 Pg,其空間分布呈現(xiàn)出從東南到西北逐漸降低的趨勢(shì)。高寒草甸和高寒草原的SOC儲(chǔ)量和TN儲(chǔ)量約占研究區(qū)域總儲(chǔ)量的90%,是國(guó)家公園管理和規(guī)劃的重點(diǎn)。