全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2007) 01-0020-09
祁连山北坡云杉林和草甸土壤有机碳矿化
及其影响因素
吴建国1, 艾　丽1, 2, 朱　高3, 田自强1, 苌　伟1, 4
( 1. 中国环境科学研究院, 北京　100012; 2. 北京科技大学, 北京　100083;
3.甘肃祁连山保护局西水保护站, 甘肃张掖　7340004; 4. 北京林业大学, 北京　100083)
摘要:为确定祁连山典型生态系统土壤有机碳分解对水热因素变化的响应趋势, 在人工气候箱内以正交试验好气培
养土壤 ,应用差异性检验和一阶动态方程方法分析了祁连山青海云杉( Picea crassif olia)林和高寒草甸土壤有机碳矿
化及其与温度、湿度、土层和海拔的关系。结果显示: 温度对土壤有机碳矿化量、矿化速率及其比例的影响最大, 其次
是土壤湿度;这些变量在 35℃下最高 (P < 0. 01) ,土壤含水量为 10%时最低, 不同海拔间差异不显著; 土壤有机碳矿
化量在 0～15 cm 比 15～35 cm 土层高 ,但矿化比例差异不显著; 土壤有机碳矿化势随温度的升高而增加, 土壤含水量
为 10%时较低, 矿化速率系数在 35℃下最高(P < 0. 05) ; 从 05℃升到 15℃, Q 10为 1. 5～7. 5, 15℃升到 25℃,为 1～2,
25℃升到 35℃, 为 1. 5～3. 5。结果说明温度从 5℃升高到 35℃, 土壤含水量在 20%～40% ,祁连山中部山地森林和高
寒草甸土壤有机碳矿化速率将可能增加 3～10倍以上。
关键词: 祁连山; 土壤有机碳矿化; 温度; 土壤含水量; 山地森林; 高寒草甸; 海拔高度
中图分类号: S 812. 2; S153. 61　　　　文献标识码: A
Mineralization of Soil Organic Carbon and Its Motivating Factors to the
Dragon Spruce Forest and Alpine Meadows of the Qilian Mountains
WU Jian-guo1 , AI Li1, 2 , ZHU Gao3 , T IAN Zi-qiang1 , CHANG Wei1, 4
( 1. Chinese Acad emy of Environm ental Sciences ,Beijing 100012, China; 2. Beijin g S cience and Techn ology U nivers ity, Beijing 100083, Ch ina;
3. Xishui Conservation Stat ion of th e Qilian Mountains Natural Reserve, Zhan gye, Gansu Province 734000, Ch ina;
4. Beijing Fores t ry U nivers ity, Bei jing 100083,C hina)
Abstract: T o understand the ef fects of vary ing soil temperature and changing w ater content on the decompo-
sit ion of soil or ganic carbon ( SOC) , an anaer obic incubat ion experiment w ith o rthogonal experiment in an ar -
tif icial climat ic chamber was conducted. The test of signif icance o f dif ference and the first o rder kinetic model
w er e used to invest igate how mineralizat ion of so il o rganic carbon of the slopes under the Qilian Mountains
fo rest ( dom inated by Picea crassif ol ia) and alpine meadow s w as af fected by the alpine temperature, so il w a-
ter content, soil depth, and mountain alt itudes. T he results show that the effects of vary ing soil temperature
on the cumulat ive SOC mineralizat ion and mineralizat ion rate and their rat io were the highest ; nex t w ere the
effects of the chang ing soil w ater content . At 1% crit ical level, the cumulat iv e SOC mineralizat ion, miner al-
ization rate, and their rat ios w ere the highest at 35℃. At 5% crit ical level, the SOC mineralizat ion, miner al-
ization rate, and their rat ios in soil w ater content of 10% were the low est ; there w as no signif icant dif ference
among the dif ferent altitudes. At 10% crit ical level, the SOC mineralizat ion w as higher in 0～15 cm so il
depth than in 15～35 cm soil depth, and the dif ference of the mineralization rat io w as not signif icant among
dif ferent soil depths. SOC miner alization potent ial increased w ith the r ising soil temperature and declined to
the low est w hen the soil w ater content fell to 10% . The rate constant o f SOC m ineralizat ion w as the highest
收稿日期: 2006-09-11; 修回日期: 2006-11-30
基金项目: 国家自然科学基金项目( 40543014)资助
作者简介: 吴建国( 1971-) ,男,副研究员,主要研究土壤氮循环和气候变化影响, E-mail: w ujg @craes . org . cn
第 15卷　第 1期
　Vo l. 15　 No . 1
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　　　2007 年　 1 月
　Jan.　　 2007
in 35℃( P< 0. 05) . Based on the r ate of SOC miner al izat ion or it s rat io, Q 10 was 1. 5～7. 5 f rom 5℃ to 15℃,
1～2 from 15℃ to 25℃, and 1～3 from 25℃ to 35℃. The study indicates that the mineralization rate o f SOC
under mountain forest and alpine meadow s in the Qilian M ountains w ould increase by 3～10 t imes if soil w a-
ter content r eached 20%～40% fo llow ing the changing o f temperature from 5℃ to 35℃.
Key words: Qil ian mountains; M ineralizat ion of so il org anic carbon; T emperature; Soil w ater content ;
M ountain fo rest ; Alpine meadow s; Alt itude
　　确定土壤有机碳分解过程及其定量化影响因素
是目前陆地生态系统碳循环研究的热点之一[ 1]。土壤
有机碳矿化早期研究主要从土壤肥力角度考虑 [ 2]。随
着对气候变化问题的广泛关注, 土壤有机碳矿化及其
影响因素成为研究研究土壤有机碳分解及其影响因
素的主要内容和关键环节[ 1, 3～7]。在我国,对土壤有机
碳的研究已有不少报道 [ 8] , 温湿度因素与土壤呼吸关
系的研究也广泛展开[ 9～11]。不过,野外测定的土壤呼
吸是活根系呼吸、植物残体呼吸和有机碳分解呼吸的
综合,不易完全分离出有机碳的矿化过程[ 1]。土壤呼
吸与温湿度的关系也不完全反映土壤有机碳矿化与
温湿度的关系 [ 12]。土壤有机碳矿化主要通过室内土
壤需氧培养法测定 [ 12] , 培养土壤中没有有机碳输入
和淋溶输出, 土壤温湿度也得以有效控制,培养中释
放 CO 2的趋势和强度能反映不同条件下土壤有机碳
分解动态[ 13]。在我国, 对土壤有机碳矿化主要见于土
地利用变化[ 8]和无机氮加入 [ 14]影响、以及红壤中有
机碳矿化与土壤湿度关系的研究报道[ 15] , 高寒区自
然生态系统土壤中有机碳矿化与水热要素关系的研
究还未见报道。青藏高原因海拔高和气候寒冷,被认
为是气候变化的敏感区[ 16] ,其四周存在极端悬殊、对
比强烈的气候和植被地带[ 17]。位于其北沿的祁连山,
是青臧高原、内蒙古高原和黄土高原的过渡区, 从低
海拔到高海拔分布有多种植被, 对应有多种土壤类
型, 高寒草甸和山地森林植被及对应的高寒草甸和森
林灰褐土是其中分布较为广泛部分[ 18]。深入研究这
些植被下土壤有机碳矿化及其影响因素对认识山地
生态系统碳汇功能对气候变化的响应具有重要的理
论和现实意义。
1　材料与方法
1. 1　试区概况
试区位于祁连山自然保护区西水自然保护站
( 93°30′～103°E, 36°30′～39°30′N) , 在祁连山北坡中
部, 属于大陆性高寒半干旱、半湿润森林草原气候。年
均气温 0. 5℃, 年太阳总辐射量 5600～6000 M J·
m
- 2
,年均降水量 435. 5 mm。主要植被类型包括荒漠
草原、干草原、山地森林、灌丛和高寒草甸, 主要土壤
类型包括森林灰褐土、山地栗钙土和亚高山草甸土。
1. 2　土壤样品采集和处理
2005年 9月,在海拔 3600 m、3500 m 和 3400 m
处高寒草甸和 3200 m 处山地森林生态系统设立样
地 4块。按S 形法在每块样地内随机布设20个点。用
土钻(内径 5 cm)依 0～15 cm 和 15～35 cm 土层依
次采集不同海拔样地土壤,样地基本属性见表 1。
表 1　样地基本性质
Table 1　Basic char acters o f differ ent plo ts
样地
Plot
　
海拔
Alt itude
( m)
坡度
Slope
gradien t (°)
坡向
Slope aspect
　
植被类型
Vegetation
土壤类型
Soil type
采集数量
Sample am ount
1 3600 0～5 阴坡 shady s lope 高山草甸 alpin e meadow s 高山草甸土 alpine meadow soil 0～15, 15～35 cm
2 3500 10～20 阴坡 shady s lope 灌丛草甸 shrub meadow s 高山草甸土 alpine meadow soil 0～15, 15～35 cm
3 3400 10～20 阴坡 shady s lope 灌丛草甸 shrub meadow s 高山草甸土 alpine meadow soil 0～15, 15～35 cm
4 3200 10～15 阴坡 shady s lope 青海云杉林 dr agon spru ce fores t 山地灰褐土 mountain gr ay linnamon soil 0～15, 15～35 cm
1. 3　土壤有机碳含量的测定
土壤自然风干处理后以 K 2Cr2O 7 (外源热氧化
法)测有机碳含量,单位为 g·kg - 1[ 19]。
1. 4　试验设计
选择正交表头L 16 ( 44×23 )为宜。试验方案如表 2
所示。
1. 5　土壤有机碳矿化测定
土壤有机碳矿化用室内好气培养法,基本原理和
应用见文启孝[ 20]和 Robertson等 [ 13]研究。把表 1中
每个海拔下土壤 0～15 cm 和 15～25 cm 土层的 20
个风干土样充分混和, 测定风干土含水率并计算其
干重 ,再基于100. 0 g风干土干重计算含水率分别
为 10、20、30和 40%土壤湿重,由湿重减去 100. 0得
21第 1期 吴建国等:祁连山北坡云杉林和草甸土壤有机碳矿化及其影响因素
到加水的质量, 再根据水密度把这些质量换算为体
积,准确称取 100. 0 g 风干土,按表 2设计加入相应
体积蒸馏水调整土壤含水量后, 装在 1000 mL 塑料
广口瓶,每瓶内置 60 mL 塑料小瓶,小瓶装 25 mL 的
Na( OH)溶液( 0. 1N )以吸收 CO 2, 密封这些广口瓶,
按表 2设计放在 4个人工气候箱内, 箱内温度分别控
制在 5、15、25和 35℃。对 5、15和 25℃下气候箱,在
置后前 8 d内每 1 d 测 1 次, 9～20 d 内每 2 d 测 1
次, 20 d 后,每7 d测1次; 对35℃下气候箱,前7 d 每
半天测 1次, 8～30 d 内每天测 1次,之后每 2 d测 1
次,测定时取出放碱液小瓶加入 3 ml的 1 M BaCl2溶
液,用 0. 1 N HCl 溶液滴定法测定释放的 CO2 , 用称
重法校正水分含量变化[ 13, 20]。为了便于数据分析, 4个
气候箱统一以 1、2、3、4、5、6、7、8、10、12、14、16、18、
20、27、34、41、48和 61 d进行分析土壤有机碳累积矿
化量和矿化速率, 土壤有机碳累积矿化量分别以每
100 g干土和每 g 有机碳计, 土壤有机碳矿化速率也分
别以每 1 d每 100 g 干土和每 g 土壤有机碳计。
表 2　正交试验设计
Table 2　Ort hogonal experimental design
试验号
E xperim ental
num ber
温度
Temperatur e
(℃)
海拔
Altitud e
( m)
湿度
Soil w ater content
( % )
温湿度交互作用
In teract ion betw een temperatur e
and w ater content
土层
Soil depth
( cm )
误差列 1
E rror
误差列 2
Error
1 1( 5) 1( 3600) 1( 10) 1 1( 0～15) 1 1
2 1( 5) 2( 3400) 2( 20) 2 1( 0～15) 2 2
3 1( 5) 3( 3200) 3( 30) 3 2( 15～35) 1 2
4 1( 5) 4( 3500) 4( 40) 4 2( 15～35) 2 1
5 2( 15) 1( 3600) 2( 20) 3 2( 15～35) 2 1
6 2( 15) 2( 3400) 1( 10) 4 2( 15～35) 1 2
7 2( 15) 3( 3200) 4( 40) 1 1( 0～15) 2 2
8 2( 15) 4( 3500) 3( 30) 2 1( 0～15) 1 1
9 3( 35) 1( 3600) 3( 30) 4 1( 0～15) 2 2
10 3( 35) 2( 3400) 4( 40) 3 1( 0～15) 1 1
11 3( 35) 3( 3200) 1( 10) 2 2( 15～35) 2 1
12 3( 35) 4( 3500) 2( 20) 1 2( 15～35) 1 2
13 4( 25) 1( 3600) 4( 40) 2 2( 15～35) 1 2
14 4( 25) 2( 3400) 3( 30) 1 2( 15～35) 2 1
15 4( 25) 3( 3200) 2( 20) 4 1( 0～15) 1 1
16 4( 25) 4( 3500) 1( 10) 3 1( 0～15) 2 2
　　括号内为处理指标 In dex of t reatment in brack ets
1. 6　数据分析
根据正交试验设计数据处理,以极差分析方法对
各个因素对土壤有机碳矿化影响进行分析, 并进行极
差订正处理[ 21]。同时,进行不同因素方差分析, 并以 t
检验法对各因素不同水平间差异性进行了检验[ 22]。由
于培养土壤仅 61 d,土壤有机碳矿化将主要是活性有
机碳分解, 所以应用一阶动态方程 y= Cp×( 1- e- kx )
模拟分析不同因素不同水平下土壤有机碳矿化动
态[ 5, 23] ,式中 Cp表示土壤有机碳矿化势, k 表示有机
碳矿化常数, y 表示累积土壤有机碳矿化量或比例, x
表示天数。用温度影响系数Q 10分析温度变化对有机碳
矿化速率的影响。
2　结果与分析
2. 1　土壤有机碳累积矿化
2. 1. 1　土壤有机碳累积矿化量　图1-a 表明温度对土
壤有机碳累积矿化量最大, 其次是湿度和土层,海拔和
温湿度交互作用影响较小。方差分析表明, P< 0. 10,温
度对土壤有机碳矿化量影响显著(图1-b)。
图 2-a 显示, 土壤有机碳矿化量在 35℃下最高,
5℃下较低。差异性检验表明, 35℃下土壤有机碳矿化
量极显著高于 5℃; 35℃显著高于 15℃和 25℃, 25℃
显著高于5℃。土壤含水量20、30和 40%时,土壤有机
碳矿化量较高(图 2-b)。土壤培养1周后, 土壤含水量
为 30%和 40%时, 有机碳矿化量显著高于 10%,
20%、30%与40%间差异不显著。海拔3200 m 处森林
土壤有机碳矿化量较高, 3600 m 处高寒草甸较低(图
2-c)。不同海拔处土壤有机碳矿化量差异不显著, 0～
15 cm 土层比15～35 cm 土层高( P< 0. 10) (图 2-d)。
2. 1. 2　土壤有机碳矿化比例　图 3-a 表明温度和湿
度因素对土壤有机碳矿化量比例影响最大, 土层和温
湿度交互作用影响最小。温度对土壤有机碳矿化量比
例影响显著, 湿度和海拔在培养 5d 前的影响显著
( P< 0. 10) (图3-b)。
22 草　地　学　报 第 15卷
图 1　不同因素下土壤有机碳矿化量极差( a )和方差比( b)
Fig. 1　So il o r ganic carbon cumula tiv e mineralization range ( a ) , and var iance rat io ( b) in differ ent fact or s
A: 温度 T emperatu re、B:土壤湿度 Soil w ater content、C:海拔Alti tu de、D:土层 Soil depth、E:温湿度交互作用 Interaction betw een soil water
content and temperatur e、F:误差 1 Er ror 1、G:误差 2 E rror 2 图 2、3、4、5、6、7相同, Th e same in f igs 2, 3, 4, 5, 6, and 7
图 2　不同温度( a )、湿度( b)、海拔( c)和土层( d) 下土壤有机碳累积矿化量
F ig . 2　Cumulativ e SOC miner alization in differ ent temperat ur e( a ) , m oistur e( b) , alt itude( c) , and soil dept h( d)
　　图 4-a显示, 土壤有机碳矿化量比例在 35℃下最
高, 5℃下较低。P< 0. 01, 土壤有机碳矿化比例在
35℃下最高; P< 0. 05, 25℃比 5℃下高; P < 0. 10,
15℃比 5℃下高。土壤有机碳矿化比例在土壤含水量
为20%、30%和40%下最高, 10%下最低(图 2-b)。差
异性检验表明,土壤有机碳矿化比例在土壤含水量为
23第 1期 吴建国等:祁连山北坡云杉林和草甸土壤有机碳矿化及其影响因素
40%比 10%下显著高( P= 0. 05)。海拔 3600 m 处高
寒草甸土壤有机碳累积矿化量比例较高,其次是海拔
3400 m 和 3500 m 处草甸, 3200 m 处森林土壤有机
碳累积矿化量比例较低(图2-c)。差异性检验表明,这
些差异并不显著,不同土层差异也不显著(图 2-d)。
图 3　不同因素下土壤有机碳累积矿化比例极差( a)和方差比( b)
F ig . 3　Ratio o f SOC miner aliza tion r ange( a) , and variance r atio ( b) in different facto rs
图 4　不同温度( A )、湿度( B)、海拔( C)和土层因素( D )土壤有机碳累积矿化比例
F ig . 4　Ratio o f cumulativ e SOC miner aliza tion in differ ent temperat ur e( a ) , mo istur e( b) , alt itude ( c) , and soil dept h( d)
24 草　地　学　报 第 15卷
2. 2　土壤有机碳矿化动态和矿化速率
2. 2. 1　土壤有机碳矿化速率　图 5-a 表明温度和湿
度对土壤有机碳矿化速率影响最大, 其次是土层和海
拔因素, 温湿度交互作用影响较小。方差分析表明,温
度、湿度、海拔和土层对土壤有机碳矿化速率影响显
著( P< 0. 05) , 10～15 d、20～30 d 和 50 d内, 温度和
湿度影响极显著(图 5-b)。
图 5　不同因素下土壤有机碳矿化速率极差和方差比
Fig . 5　SOC mineralization r ate range( a) , and var iance rat io ( b) in differ ent fact or s
表 3　不同温度、湿度、海拔和土层因素土壤有机碳矿化参数和平均矿化速率
Table 3　Pa rameter fo r r ate of SOC miner alizat ion and mean m ineralization rat e in different temperature,
moist ur e, a ltitude, and soil dept h
因素
Factors
土壤有机碳矿化势 SOC
min eralizat ion p otent ial ( CP)
( g CO 2-C. ( 100 g soil)
- 1)
标准方差
Standard
deviat ion
矿化速率常数
Rate cons tant of SOC
min eralizat ion( k) ( d- 1)
标准方差
S tandard
deviat ion
R 2
平均矿化速率
Mean rate of SOC m ineraliz at ion
( g CO 2-C . ( 100 g soil )
- 1. d- 1)
标准方差
Standard
deviat ion
5℃ 0. 060a 0. 033 0. 051ab 0. 030 0. 963 0. 001a 0. 000
15℃ 0. 126ab 0. 096 0. 041b 0. 010 0. 947 0. 002ab 0. 001
25℃ 0. 159cb 0. 085 0. 041b 0. 010 0. 952 0. 003cb 0. 001
35℃ 0. 260d 0. 048 0. 060a 0. 012 0. 982 0. 004d 0. 001
10% 0. 076a 0. 061 0. 060a 0. 024 0. 921 0. 001a 0. 001
20% 0. 143ab 0. 105 0. 051a 0. 012 0. 962 0. 002a 0. 002
30% 0. 180b 0. 086 0. 040a 0. 007 0. 978 0. 003a 0. 001
40% 0. 206b 0. 112 0. 041a 0. 021 0. 982 0. 003a 0. 002
3600 m 0. 132a 0. 123 0. 051a 0. 029 0. 957 0. 002a 0. 002
3400 m 0. 145a 0. 146 0. 056a 0. 011 0. 944 0. 002a 0. 002
3200 m 0. 171a 0. 066 0. 046a 0. 012 0. 977 0. 003a 0. 001
3500 m 0. 156a 0. 075 0. 040a 0. 017 0. 965 0. 002a 0. 001
0～15 cm 0. 181a 0. 116 0. 053a 0. 020 0. 965 0. 003a 0. 002
15～35 cm 0. 121a 0. 069 0. 043a 0. 015 0. 957 0. 002a 0. 001
　　注:表列内相同因素不同水平相同小写字母间差异不显著,不同字母间差异显著( P < 0. 05) .表 4相同. Same sm al l let ters w ith in each ver ti-
cal column at diff erent level for the s am e factors indicates no sig nifican t dif ference at 5% level un der diff erent level for the same factors . S ame in
table 4
　　表 3显示, 一阶动态方程 y = a×( 1- e- kx )拟合
土壤有机碳矿化动态的效果较好( R 2> 0. 92)。土壤
有机碳矿化势随温度升高而增加, 矿化速率常数在
15℃和 25℃下差异不大, 35℃下最高 ( P < 0. 05)。
61 d土壤有机碳平均矿化速率在 35℃下最高 ( P<
0. 05)。表 3也显示,土壤有机碳矿化势在土壤含水量
为 30%和 40%下比在 10%显著高, 20%、30%和
40%不显著,矿化速率常数在不同湿度下差异不显
著, 61 d 不同土壤含水量下土壤有机碳平均矿化速
率差异不显著, 按 P < 0. 10, 土壤含水量为 30%和
40%下土壤有机碳平均矿化速率比 10%下显著高。
此外,不同海拔,以及不同土层土壤有机碳矿化势、矿
化速率常数和平均矿化速率差异都不显著。
2. 2. 2　土壤有机碳矿化速率比例　图 6-a表明温度
和湿度对土壤有机碳矿化速率比例影响最大,其次是
土层和海拔。方差分析表明温度对土壤有机碳矿化速
率比例影响显著( P< 0. 05) , 0～5 d 内的影响极显著
( P< 0. 01) (图 6-b)。
25第 1期 吴建国等:祁连山北坡云杉林和草甸土壤有机碳矿化及其影响因素
图 6　不同因素下土壤有机碳矿化速率比例极差和方差比
Fig . 6　Rat io o f soil or g anic carbon miner aliza tion r ate r ange( a) , and va riance r atio ( b) in differ ent factor s
图 7　不同温度下( a) 按土壤有机碳矿化速率( b)按土壤有机碳矿化速率比例计算的 Q 10
F ig . 7　Q 10( a ) based on rate o f SOC miner alizat ion, ( b) based on the rat io o f SOC
miner alization rate in differ ent tempera tur e
表 4　不同温度、湿度、海拔和土层因素下土壤有机碳矿化速率比例参数和平均矿化速率比例
表 4　Parameter fo r the ratio o f SOC miner alization r ate and mean mineralization rat e rat io in differ ent temperat ur e,
soil w ater content, altitude, and soil depth
因素
Factors
土壤有机碳矿化势 SOC
Mineral izat ion potent ial( CP)
( g CO 2-C. ( 100 g soil) - 1)
标准方差
Standard
deviat ion
矿化速率常数
Rate cons tant of SOC
min eralizat ion( k) ( d- 1)
标准方差
S tandard
deviat ion
R 2
平均矿化速率
Mean rate of SOC m ineraliz at ion
( g CO 2-C . ( 100 g soil )- 1. d- 1)
标准方差
Standard
deviat ion
5℃ 0. 0064a 0. 0043 0. 0507ac 0. 0301 0. 9628 0. 0001a 0. 0001
15℃ 0. 0112a 0. 0063 0. 0413a 0. 0097 0. 9466 0. 0002ab 0. 0001
25℃ 0. 0175ba 0. 0119 0. 0406a 0. 0117 0. 9518 0. 0003cb 0. 0002
35℃ 0. 0273b 0. 0111 0. 0605c 0. 0104 0. 9822 0. 0005c 0. 0002
10% 0. 0068a 0. 0059 0. 0602a 0. 0245 0. 9215 0. 0001a 0. 0001
20% 0. 0161ab 0. 0123 0. 0513a 0. 0121 0. 9620 0. 0003ab 0. 0002
30% 0. 0184ab 0. 0146 0. 0402a 0. 0073 0. 9780 0. 0003ab 0. 0002
40% 0. 0211b 0. 0098 0. 0413a 0. 0210 0. 9820 0. 0003b 0. 0001
3600 m 0. 0223a 0. 0179 0. 0511a 0. 0292 0. 9567 0. 0003a 0. 0003
3400 m 0. 0159a 0. 0112 0. 0399a 0. 0172 0. 9652 0. 0003a 0. 0002
3200 m 0. 0097a 0. 0090 0. 0557a 0. 0113 0. 9445 0. 0002a 0. 0002
3500 m 0. 0146a 0. 0039 0. 0463a 0. 0117 0. 9771 0. 0002a 0. 0001
0～15 cm 0. 0152a 0. 0122 0. 0531a 0. 0203 0. 9651 0. 0002a 0. 0002
15～35 cm 0. 0160a 0. 0113 0. 0435a 0. 0148 0. 9566 0. 0003a 0. 0002
26 草　地　学　报 第 15卷
　　表 4显示,以土壤有机碳矿化比例分析, 一阶动
态方程 y= a×( 1- e- kx )拟合土壤有机碳矿化动态效
果也较好( R 2> 0. 92)。土壤有机碳矿化势的比例随
温度升高而增加, 矿化速率常数比例在 5℃下与 15℃
和 25℃下差异不大, 35℃下较高( P< 0. 05) , 61 d平
均矿化速率比例在 35℃下最高, 5℃下最低。土壤有
机碳矿化势比例在含水量为 20%、30%和 40%下较
高,在 10%下较低,在不同含水量下土壤矿化速率常
数比例差异不显著, 61 d 平均矿化速率比例在土壤
含水量为40%下较高, 10%下较低。不同海拔以及不
同土层土壤有机碳矿化势、矿化速率常数和平均矿化
速率的比例差异均不显著。
2. 3　温度对土壤有机碳矿化动态的 Q 10分析
Q 10系数反映了温度每升高 10℃, 土壤有机碳矿
化速率增加倍数。图7-a 显示,按有机碳矿化速率计,
温度从 5℃升高到 15℃, Q 10为1. 5～7. 5, 15℃升高到
25℃为 1～2, 25℃升高到 35℃为 1. 5～3. 5。按土壤
有机碳矿化速率比例计, 5℃升高到 15℃, Q 10为 1. 5
～7, 15℃升高到 25℃为 1～2, 25℃升高到 35℃为 1
～3(图 7-b)。5℃升高到 15℃, Q 10系数较高, 15℃升
高到 25℃较低。
3　讨论与结论
3. 1　土壤温度对土壤有机碳矿化影响较明显, 有研
究表明,农田和人工林土壤矿化指数随土壤温度增
加[ 24 ] ;温湿度对土壤表层有机碳矿化影响较大[ 8] ;土
壤表层有机碳矿化量比底层高[ 25]。本研究结果也证
明了这种趋势。不同土层土壤碳矿化的差异可能因土
壤有机碳含量不同,致使活性有机碳所占比例高[ 26]。
温度影响超过湿度, 如将美国硬木林土壤培养在
5℃、10℃和 25℃以及 3种湿度下组合培养 16 周,温
度对土壤有机碳矿化影响超过土壤湿度, 25℃下土壤
有机碳矿化量比 15℃和 5℃下高 [ 23]。本研究也表明
土壤温度影响比湿度明显。不同因素对土壤有机碳矿
化量及其比例不同影响与有机碳含量有关。按土壤有
机碳质量计, 消除了这些影响。农田和草地中土壤有
机碳矿化量比例随土层加深而递减 [ 27]。本研究结果
表明高海拔草甸土壤有机碳更易分解,底层有机碳不
稳定,且森林和高寒草甸差异不大。温湿度交互作用
影响不大,这可能因为以部分试验代替全部试验,选
择温湿度范围未达到相互影响范围, 以及其他因素影
响所致。
3. 2　土壤有机碳矿化速率一般呈现始快后慢趋势,
Weint raub和 Schimel[ 28]研究发现冻原土壤中垫状植
被、灌木和湿草甸中培养 1年,除灌木外,其他植被下
土壤有机碳矿化速率都呈下降趋势; Franzlue-
bbers
[ 29]也发现类似趋势,本研究结果也类似。此外,
本研究表明 61 d 土壤有机碳矿化速率及其比例在
35℃下较高,土壤含水量为 10%下比 40%下低, 但海
拔与土层影响不显著。这说明温湿度对土壤有机碳矿
化速率的影响较大,森林和高寒草甸差异不大。土壤
有机碳矿化随培养时间变化主要是因为活性有机碳
含量随培养时间减少所致 [ 29]。不同因素对土壤有机
碳矿化速率及比例影响与这些因素对土壤有机碳矿
化量及比例影响原因相同。也有研究发现其他因素对
分解对温度敏感性影响,未发现分解率常数随培养条
件改变[ 3]。这也许与培养时间长短有关,也可能有更
复杂的机制。
3. 3　以 y= a×( 1- e- kx )方程描述极地干山谷土壤
有机碳矿化达到较好效果[ 30] ,本研究也达到较好效
果( R2> 0. 95)。Zak 等 [ 23]用这样方程分析有机碳矿
化过程, 发现矿化速率系数随温度升高而未一致增
加, 土壤矿化势在 25℃比 15℃和 5℃下高。本研究表
明土壤有机碳矿化势及其比例随温度升高而增加,
矿化速率常数及其比例在 35℃下最高, 15℃和 25℃
下差异不大, 且有机碳矿化势及其比例在含水量为
30%和 40%下比 10%显著高( P< 0. 05) , 海拔和土
层对矿化势和矿化速率系数均无显著影响。这说明土
壤温度和湿度对土壤有机碳矿化动态影响较大, 与
Kanda等 [ 4]结果一致。土壤有机碳矿化与轻组有机质
和微生物生物量碳含量成正相关[ 31] ,也有研究表明
土壤有机碳矿化与有机质质量和团聚体等密切相
关[ 33]。本研究不同因素对土壤有机碳矿化影响可能
是同样机制。
3. 4　Q 10系数表示温度变化对土壤有机碳矿化速率的
影响。总结 25个土壤培养测定结果表明, 5～35℃内
Q 10在 2左右[ 33] , 西欧北方到地中海区 7种针叶林土壤
用标记稻草在 4℃、10℃、16℃、23℃和 30℃下恒湿培
养 550 d, 土壤有机碳矿化 Q 10系数随温度升高而降
低[ 6]。本研究结果表明, 5℃升高到 15℃, Q 10系数较
高, 15℃升高到25℃较低。Kirchbaum [ 34]分析发现Q 10
在 0℃左右为 8, 25℃下为 2. 5,说明土壤有机碳矿化
速率对温度响应不仅与温度范围有关, 而且与有机碳
分解时间长短相关。培养挪威云杉林土壤发现 Q 10在
2. 7左右,与培养时间长短和土层无关[ 5] ,还发现高纬度
土壤呼吸Q 10 ( 3. 4)较高, 极地和热带土壤Q 10与温度变
化无关, 温带随温度升高而下降[ 35] ,说明Q 10系数变化
较为复杂, 受多种因素的影响。
3. 5　正交试验方法是一种以部分试验代替全部试验
的方法, 在处理交互作用方面存在一定不足 [ 41]。全部
27第 1期 吴建国等:祁连山北坡云杉林和草甸土壤有机碳矿化及其影响因素
试验温度与湿度交互作用组合有 16种类型, 本研究
中只有 4种, 在分析不同交互作用影响差异方面受到
限制。
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(责任编辑　才　杰)
28 草　地　学　报 第 15卷