土地利用与地形对湿温带西北喜马拉雅地区不同土地利用系统中土壤碳和氮组分的影响

《Journal of Agriculture and Food Research》：Land-use and topographic effects on soil carbon and nitrogen fractions across contrasting land-use systems in the wet temperate northwestern Himalayas

　　

摘要

土壤有机碳（SOC）和氮（N）动态受土地利用系统（LUS）和地形变异的强烈影响，尤其是在脆弱的喜马拉雅生态系统中，气候和植被沿着陡峭的环境梯度相互作用。然而，关于湿温带西北喜马拉雅地区SOC组分和氮库的信息仍然有限。因此，本研究调查了印度喜马拉雅邦高海拔湿温带地区土地利用系统（农业、农林复合、园艺和荒地）、地形（谷地和山地）以及土壤深度（0–20、20–40和40–60 cm）对SOC组分、碳库指数（CPI）、碳管理指数（CMI）和氮组分的影响。结果表明，不同LUS和地形位置之间SOC组分和氮库存在显著（p<0.05）差异。农林复合系统具有最高的总有机碳、活性碳库、惰性碳库和土壤氮密度，其次为园艺系统，而荒地表现出最低值。在地形中，谷地生态系统具有最高的活性碳库（9.08 mg g^-1），而山地地形具有最高的惰性碳库（9.04 mg g^-1）。土壤深度显著（p<0.05）影响碳分布，Cfrac1、Cfrac2和Cfrac3分别从D1到D3下降了45.7%、45.8%和34.5%，而Cfrac4增加了84.8%。农林复合和园艺系统下的CPI和CMI显著（p<0.05）更高，表明更大的碳积累和碳活性变化。总体而言，研究结果表明土地利用系统、地形位置和土壤深度共同影响土壤碳和氮的分布，基于树木的系统比传统农业表现出更大的碳和氮积累。这些发现强调了农林复合作为湿温带喜马拉雅生态系统中维持土壤碳和氮的可持续土地利用选择的潜力。

论文解读：湿温带西北喜马拉雅地区土地利用与地形对土壤碳氮组分的影响

一、研究背景与问题

土壤是陆地生态系统中最大的碳库之一，在调节全球碳（C）和氮（N）循环中发挥着基础性作用。土壤有机碳（SOC）通过维持土壤肥力、团聚体稳定性、养分周转和生态系统恢复力来支撑生态系统功能，同时是大气二氧化碳的重要汇。然而，土地利用变化、集约耕作、植被退化和气候扰动显著改变了SOC的储存与稳定化过程。在印度喜马拉雅等山地地区，陡峭地形、脆弱土壤和气候变异性加剧了土壤碳降解的脆弱性。尽管已有研究关注西北喜马拉雅地区不同土地利用系统下的总SOC储量和生物量碳，但关于湿温带生态系统中土地利用系统（LUS）、地形位置和土壤深度对SOC组分分布及碳氮耦合动态的综合影响仍十分有限。湿温带生态系统具有高降水、茂密植被覆盖和强烈的海拔变异性，可能显著改变碳稳定化途径和氮周转过程。因此，本研究旨在评估LUS类型、地形和土壤深度对湿温带西北喜马拉雅地区SOC组分、碳库、碳管理指数（CMI）和氮动态的影响。具体目标包括：（i）量化不同LUS和地形位置下活性碳库（AP）和惰性碳库（PP）组分的分布；（ii）评估SOC组分与不同土壤深度氮库之间的关系；（iii）评估地形变异性对CMI的影响。研究假设包括：地形变异性影响微气候和分解过程，从而调节SOC组分的稳定化和垂直分布；基于树木的LUS比集约扰动的农业系统具有更高的碳和氮库；深层土壤中惰性碳组分的相对贡献大于表层土壤。

二、研究方法

研究在印度喜马拉雅邦Shimla地区Rohru区域的高海拔湿温带农业气候区进行，于2023–24年开展。采用分层田间采样设计，比较四种LUS（农业、农林复合、园艺和荒地）在两个地形位置（谷地T1和山地T2）以及三个土壤深度（0–20 cm、20–40 cm、40–60 cm）下的差异。每个LUS×地形位置组合选择三个独立样地，共24个样地，每个样地采集三个深度，总计72个样地-深度观测值。碳组分采用改良Walkley-Black湿氧化法测定，区分Cfrac1（极易分解碳）、Cfrac2（易分解碳）、Cfrac3（难分解碳）和Cfrac4（非分解碳）。活性碳库（AP）为Cfrac1+Cfrac2，惰性碳库（PP）为Cfrac3+Cfrac4。基于碳活性指数（LI）、碳库指数（CPI）和碳管理指数（CMI）评估碳管理效果，以荒地作为参考土壤。总氮（TN）采用CHNS元素分析仪测定，无机氮组分（铵态氮NH₄⁺–N和硝态氮NO₃^?–N）采用KCl提取后蒸汽蒸馏测定。统计分析包括方差分析、LSD多重比较、Pearson相关分析和主成分分析（PCA）。

三、研究结果

（一）不同土地利用系统、地形和土壤深度下的土壤碳动态

农林复合系统具有最高的总有机碳（TOC，19.83 mg g^-1），其次是园艺（17.71 mg g^-1）、农业（13.19 mg g^-1）和荒地（9.72 mg g^-1）。农林复合的TOC比农业高约50.3%。大多数碳组分（Cfrac1、Cfrac2、Cfrac3和Cfrac4）在农林复合和园艺系统中浓度更高。地形方面，谷地生态系统具有更高的活性碳组分（Cfrac1和Cfrac2），而山地生态系统积累更多的惰性碳组分（尤其是Cfrac4）。TOC在山地略高于谷地（15.76 vs 14.47 mg g^-1），AP在谷地为9.08 mg g^-1，在山地为6.73 mg g^-1；PP在谷地为5.39 mg g^-1，在山地为9.04 mg g^-1。土壤深度显著影响TOC和活性碳组分的垂直分布，表层（0–20 cm）TOC最高（17.64 mg g^-1），随深度增加而下降；而Cfrac4从D1的2.10 mg g^-1增加到D3的3.88 mg g^-1。土壤碳密度（SCD）在农林复合系统最高（48.59 Mg ha^-1），山地（39.02 Mg ha^-1）高于谷地（36.79 Mg ha^-1），并随深度递减。

（二）活性碳库和惰性碳库动态

AP受LUS、地形和土壤深度显著影响，而PP受LUS和地形显著影响但不受深度影响。AP在农林复合下最高（11.26 mg g^-1），荒地最低（4.38 mg g^-1）。PP在农林复合下最高（8.57 mg g^-1），与园艺和农业无显著差异，但显著高于荒地（5.35 mg g^-1）。谷地AP（9.08 mg g^-1）高于山地（6.73 mg g^-1），而山地PP（9.04 mg g^-1）高于谷地（5.39 mg g^-1）。AP随深度从D1的10.61 mg g^-1降至D3的5.75 mg g^-1，PP无显著深度变化。

（三）土壤碳管理指数

LI受地形显著影响，谷地（1.21）高于山地（1.02），但LUS和深度影响不显著。CPI受LUS显著影响，农林复合最高（2.08），园艺（1.86）和农业（1.38）次之，荒地（1.00）最低。CMI在农林复合（237.27）、园艺（214.44）、农业（143.60）和荒地（100.00）之间差异显著。地形×深度交互作用对CMI有显著影响：谷地条件下20–40 cm层CMI最高，山地条件下0–20 cm层最高。

（四）不同土地利用系统中各组分对TOC的百分比贡献

AP在农业、农林复合和园艺中占TOC的比例大于PP：农业46.50%，农林复合57.31%，园艺55.62%，荒地45.92%。Cfrac1在所有LUS中贡献最高（27.95%–32.64%）。PP贡献在荒地最高（54.08%），其次为农业（53.50%），园艺（44.38%）和农林复合（42.69%）较低。

（五）不同土地利用系统、地形和土壤深度下的氮动态

TN、NH₄–N和NO₃–N均受LUS、地形和深度显著影响。农林复合TN最高（0.092%），NH₄–N最高（66.11 mg kg^-1），而园艺NO₃–N最高（61.44 mg kg^-1）。谷地土壤NH₄–N（65.72 mg kg^-1）和氮密度（2.20 Mg ha^-1）高于山地（39.86 mg kg^-1和1.93 Mg ha^-1）。TN、无机氮和氮密度均随深度增加而降低，表层最高。

（六）相关分析

TOC与TN呈正相关（r=0.62，p<0.001），TN与AP、CPI和CMI正相关。NH₄–N与Cfrac1正相关（r=0.50，p<0.001），NO₃–N与Cfrac2正相关（r=0.28，p<0.05）。CMI与LI（r=0.71）、CPI（r=0.58）和AP（r=0.63）均呈强正相关。

（七）主成分分析

前两个主成分解释了56.38%的总方差（PC1 34.71%，PC2 21.68%）。PC1主要与TOC、Cfrac1、Cfrac2、AP、CPI、CMI、TN、AN、NN相关，PC2主要与Cfrac3、Cfrac4和PP相关。PCA得分显示农林复合和园艺靠近AP、碳指数和氮变量，荒地位于相反方向；表层土壤与TOC和活性碳组分关联更紧密，深层土壤与惰性碳组分关联更紧密。

四、讨论与结论

讨论部分指出，TOC及其组分的分布是LUS间有机质输入和分解综合作用的结果。基于树木的系统通过凋落物、根系生物量和根系分泌物提供额外的有机质输入，促进SOC积累。苹果叶凋落物富含酚类化合物，可能减缓快速分解并促进碳稳定化。谷地较高的AP与较温暖的微气候和较高的微生物活性相关，而山地较低的分解速率促进了惰性碳积累。深层土壤中Cfrac4比例增加反映了非分解碳在深层具有更强的持久性。碳管理指数表明，农林复合和园艺系统通过持续的生物量周转提高了碳库大小和碳活性，CMI显著高于农业和荒地。氮动态方面，基于树木的系统有利于氮积累，而农业土壤的耕作扰动限制了氮长期保留。NH₄–N的瞬时性导致不同LUS间差异不显著，而NO₃–N受施肥和植被吸收影响显著变化。谷地较高的氮可用性可能与更有利的矿化条件有关。

研究结论表明，湿温带西北喜马拉雅地区的SOC动态受LUS、地形和土壤深度的强烈调控。农林复合是提升总有机碳及其组分的有效土地利用方式，园艺次之。基于树木的系统比传统农业具有更高的SOC积累和氮保持能力，突出了其在脆弱喜马拉雅生态系统中可持续土地管理的潜力。地形位置进一步影响碳氮库的分布：谷地生态系统有利于活性碳积累和更高的氮有效性，山地则表现出更大的惰性碳积累。土壤深度产生一致的垂直梯度，碳和氮浓度随深度增加而下降，而更难降解的碳比例在深层增加。TOC与TN的正相关表明研究LUS中碳氮动态密切相关。因此，在湿温带地区从传统农业转向农林复合是一种有前景的气候适应性土地利用策略。研究结果为政策制定者和土地管理者制定可持续土地利用实践提供了科学依据，以增强脆弱喜马拉雅生态系统中的土壤碳固存和氮保护。研究局限性在于基于单次采样时期，潜在的生物和理化机制为推断而非直接量化。该论文发表在《Journal of Agriculture and Food Research》。