秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳空間分異特征及影響因素1)

唐朋輝 黨坤良 朱成功 劉 盼

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)

溫室效應(yīng)正在使地球以前所未有的速度變暖，目前，大氣中的CO2含量比過(guò)去6.5萬(wàn)a中任何時(shí)間都高，比工業(yè)革命前高了35%［1］。在全球尺度上研究表明，土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，準(zhǔn)確估算土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量對(duì)正確評(píng)價(jià)土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、全球碳循環(huán)以及全球環(huán)境變化中的作用具有重要意義［2－6］。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力最強(qiáng)的碳庫(kù)，其碳吸收特征與環(huán)境控制機(jī)制的研究已經(jīng)成為全球氣候變化研究的焦點(diǎn)問(wèn)題［7－9］。森林土壤有機(jī)碳庫(kù)在維持森林立地生產(chǎn)力以及全球碳平衡過(guò)程中起著重要的作用［10－11］。因而森林土壤有機(jī)碳及其影響因素研究成為全球有機(jī)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)［12－13］。

秦嶺林區(qū)的森林有機(jī)碳儲(chǔ)量和碳密度及其分布特征已有學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究［14－18］，但主要集中在秦嶺中段南坡的火地塘林區(qū)，其研究區(qū)域較小，且研究對(duì)象多處于低山區(qū)域。關(guān)于秦嶺南坡中山及亞高山區(qū)域森林土壤有機(jī)碳的研究目前尚缺乏報(bào)道，特別是對(duì)秦嶺林區(qū)大空間尺度森林土壤有機(jī)碳及其與林分因子和地形因子間相互關(guān)系的研究更少，這在一定程度上制約了秦嶺林區(qū)森林土壤有機(jī)碳的估算準(zhǔn)確性。紅樺林主要分布在秦嶺山地中山和亞高山海拔區(qū)域，是秦嶺林區(qū)分布面積最大、范圍最廣，最具代表性的森林類型之一，因此對(duì)秦嶺林區(qū)紅樺林土壤有機(jī)碳的研究，不僅能了解秦嶺林區(qū)森林土壤的碳儲(chǔ)能力，而且有助于準(zhǔn)確估算秦嶺林區(qū)森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。本研究以秦嶺南坡紅樺林為研究對(duì)象，通過(guò)大尺度野外調(diào)查，研究秦嶺南坡不同區(qū)域紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及空間分異特征，分析紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林分因子和地形因子間的關(guān)系，探索影響紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因子，為準(zhǔn)確估算秦嶺林區(qū)乃至全國(guó)的森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于秦嶺山地南部，地理位置為33°25'～33°54'N，107°31'～108°41'E;海拔 732～3071 m;年平均氣溫 11.5 ℃，極端高溫 41.3 ℃，極端低溫－25.1℃;年降水總量800～1 200 mm，全年降水時(shí)間93～140 d;無(wú)霜期210 d，植物生長(zhǎng)期130～206 d。研究區(qū)內(nèi)植被類型屬典型山地溫帶落葉闊葉林，主要的成林樹(shù)種有銳齒櫟(Quercus aliena var.acuteserrata)、紅樺(Betula albo-senesis)、油松(Pinus tabulaeformis)、華山松(Pinus armandii)、巴山冷杉(Abies fargesii)和太白紅杉(Larix chinensis)等［19］。紅樺林主要分布在秦嶺林區(qū)中山和亞高山區(qū)域，其絕大部分為天然次生林，僅在高海拔人煙稀少和交通不便的地區(qū)分布部分原始林。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2012年6—9月和2013年5—9月，在秦嶺南坡紅樺林分布較廣、面積較大的不同林區(qū)設(shè)置調(diào)查樣地122塊，共挖掘土壤剖面610個(gè)，樣地面積為20 m×30 m，其中寧東旬陽(yáng)壩林區(qū)24塊、寧陜火地塘林區(qū)30塊、太白黃柏塬林區(qū)30塊、佛坪觀音山林區(qū)38塊。在不同林區(qū)，根據(jù)不同地形條件和林分狀況選取具有代表性的林分作為調(diào)查研究對(duì)象，設(shè)置調(diào)查樣地，所選林分既有天然次生林也有原始林。利用當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)資料獲取各研究地區(qū)自然概況(表1)，利用GPS確定每個(gè)樣地的位置，并記載每塊樣地的海拔、坡度、坡位、坡向等地形因子及樣地內(nèi)林分郁閉度、灌木和草本蓋度、主要種類等林分因子;對(duì)樣地內(nèi)所有喬木進(jìn)行每木檢尺，利用生長(zhǎng)錐法測(cè)定林分年齡;同時(shí)，在每個(gè)樣地中心和四角布設(shè)5塊2 m×2 m小樣方，調(diào)查灌木層和草本層的相關(guān)因子;將樣方內(nèi)所有灌木、草本連根挖出，分別稱量灌木根、枝干和葉鮮質(zhì)量，草本地上和地下鮮質(zhì)量;枯落物全部收集并稱鮮質(zhì)量，分別取樣200 g左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室在85℃烘干后，進(jìn)行生物量的測(cè)定。

2.2 立地因子劃分

按照《西北主要樹(shù)種培育技術(shù)》［20］立地因子等級(jí)劃分方法，并結(jié)合本研究野外調(diào)查實(shí)際，本文立地因子的劃分如下:坡位按下坡(地形圖上距離坡頂大于2/3處及其以下的坡面)、中坡(上坡與下坡之間的坡面部分)和上坡(地形圖上距離坡頂1/3處及其以上的坡面)劃分為3個(gè)等級(jí);坡向分為陰坡(西北、正北、東北、正東)和陽(yáng)坡(東南、正南、西南、正西)兩個(gè)等級(jí)。

表1 研究區(qū)基本概況

2.3 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算

在每個(gè)調(diào)查樣地內(nèi)四角及中央各挖取1個(gè)土壤剖面共5個(gè)樣點(diǎn)，按照土壤自然發(fā)生層分別取樣。用環(huán)刀法測(cè)土壤密度，篩選出其中的植物根以及大于2 mm的礫石，用容積法測(cè)定其體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤樣品處理按常規(guī)方法進(jìn)行，用德國(guó)Elementar公司的Liqui TOCⅡ型總有機(jī)碳分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳，每個(gè)樣地中3個(gè)土層5個(gè)樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值即為各層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，A、B、C 3層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為樣地土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon，SOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel和 SPSS18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用獨(dú)立樣本t－檢驗(yàn)比較原始紅樺林和次生紅樺林及不同坡向土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異;用one－way ANOVA分析不同林區(qū)、不同土層和坡位紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異;用簡(jiǎn)單相關(guān)和偏相關(guān)分析海拔、坡度和林分因子與紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系;對(duì)影響紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因子進(jìn)行主成分分析和逐步回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分異特征

通過(guò)分析和計(jì)算，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體均值(32.11±3.77)g·kg－1，最大值(39.75 g·kg－1)，最小值(21.96 g·kg－1)，變異系數(shù)在11.74%;隨土層厚度加深紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，且不同土層間存在顯著差異(p＜0.05)。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同林區(qū)順序依次為佛坪觀音山林區(qū)(33.36±3.03)g·kg－1、太白黃柏塬林區(qū)(32.75±3.71)g·kg－1、寧陜火地塘林區(qū)(31.63±2.96)g·kg－1、寧東旬陽(yáng)壩林區(qū)(29.94±4.82)g·kg－1，其中寧東旬陽(yáng)壩林區(qū)與太白黃柏塬林區(qū)和佛坪觀音山林區(qū)存在顯著差異(p＜0.05)，其他林區(qū)均不存在顯著差異(表2)。秦嶺南坡原始紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為(33.11±3.23)g·kg－1，次生紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為(31.59±3.94)g·kg－1，原始紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比次生林高4.81%，t檢驗(yàn)結(jié)果表明:原始紅樺林與次生紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異(p＜0.05)(表 3)。

表2 不同研究區(qū)內(nèi)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

表3 原始紅樺林與次生紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 林分因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.2.1 郁閉度和林分密度對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

郁閉度和林分密度對(duì)林下環(huán)境條件有著明顯的制約作用，影響森林土壤地表覆蓋物的分解和林地土壤有機(jī)碳的補(bǔ)充，因此對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)亦產(chǎn)生顯著影響。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨郁閉度和林分密度的增加而降低(圖1);簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與郁閉度和林分密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)，Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為－0.79、－0.25。偏相關(guān)分析［21］結(jié)果表明:在控制其他因子后，郁閉度和林分密度與紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然存在極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)，其偏相關(guān)系數(shù)分別為－0.37、－0.12。

圖1 紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與郁閉度和林分密度關(guān)系

3.2.2 林齡對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

林齡主要影響森林植被生物量及土壤有機(jī)碳的積累，因而制約著森林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨林齡增大而逐漸增加(圖1);簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果表明，紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林齡呈極顯著正相關(guān)(p＜0.01)，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.28。偏相關(guān)分析結(jié)果表明，在消除其他因素影響后，紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林齡間仍存在顯著相關(guān)(p＜0.05)，其偏相關(guān)系數(shù)為 0.14。

圖2 紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林齡關(guān)系

3.2.3 不同植被層生物量對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

不同植被層生物量的大小決定著地表凋落物量，而地表凋落物作為森林土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源，對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有著顯著影響。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨不同植被層生物量增加而逐漸增加(圖3);簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果表明，紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與不同植被層生物量(喬木生物量、灌木生物量、草本生物量和枯落物量)呈顯著正相關(guān)(p＜0.05)，Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為 0.32、0.33、0.23、0.34。偏相關(guān)分析結(jié)果表明，消除其他因素影響后，紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與灌木和草本生物量間呈顯著正相關(guān)(p＜0.05)，偏相關(guān)系數(shù)分別為 0.29、0.23，而與喬木生物量和枯落物量間的相關(guān)關(guān)系不顯著(p＞0.05)。

圖3 紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與不同植被層生物量關(guān)系

3.3 地形因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.3.1 海拔和坡度對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

隨海拔上升降水量和氣溫都有顯著變化，而坡度對(duì)森林土壤水分和養(yǎng)分的分配有明顯影響作用。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨海拔升高逐漸增加，而隨坡度增大逐漸降低(圖4);簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔呈極顯著正相關(guān)(p＜0.01)，與坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0.01)，Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為 0.79、－0.80。偏相關(guān)分析結(jié)果表明:消除其他因素影響后紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔和坡度仍呈極顯著相關(guān)(p＜0.01)，偏相關(guān)系數(shù)分別為 0.45、－0.40。

圖4 紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔和坡度關(guān)系

3.3.2 坡向和坡位對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

坡向和坡位也是制約森林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重要因素，它們對(duì)土壤溫度和土壤水分有明顯的影響作用。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)陰坡(32.82±3.84)g·kg－1高于陽(yáng)坡(31.41±3.35)g·kg－1，t檢驗(yàn)結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同坡向的分布不存在顯著差異(p＞0.05)(表4);紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同坡位的分布為下坡(32.23±3.67)g·kg－1高于中坡(32.09±3.66)g·kg－1和上坡(32.02±4.04)g·kg－1，方差分析結(jié)果表明:紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同坡位的分布亦不存在顯著差異(p＞0.05)(表4)。

表4 不同坡向和坡位紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.4 影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)因子的主成分分析

森林生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境因子不僅單獨(dú)影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，而且各因子間存在交互作用，通過(guò)主成分分析可以把存在多重線性相關(guān)的多個(gè)因子轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合的指標(biāo)，對(duì)影響紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的地形因子和林分因子(其中對(duì)坡向和坡位進(jìn)行量化)并標(biāo)準(zhǔn)化后(消除量綱影響)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，在特征值大于1的4個(gè)主成分中，第1主成分與海拔和坡度有較大相關(guān)性，方差貢獻(xiàn)率為40.89%;第2主成分與紅樺林郁閉度和林分密度有較大的相關(guān)關(guān)系，方差貢獻(xiàn)率為22.44%;第3主成分與喬木、灌木和草本生物量有較大相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為16.31%;第4主成分與林齡有較大相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為8.51%;上述4個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為88.15%，能反映林分因子和地形因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響效應(yīng)的絕大部分信息(表5)。

表5 林分因子和地形因子地形因子和林分因子主成分載荷矩陣、特征值及貢獻(xiàn)率

3.5 影響土壤有機(jī)碳含量因子的逐步回歸

森林生態(tài)系統(tǒng)中影響紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因子發(fā)生著復(fù)雜變化，且交互在一起制約著紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，僅僅分析其中單個(gè)因子的影響規(guī)律，并不能完全弄清不同因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制機(jī)制，而逐步回歸可以篩選出相對(duì)重要的影響因子，并通過(guò)建立多元線性回歸方程揭示其相互關(guān)系。對(duì)影響秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因子進(jìn)行逐步回歸分析，并通過(guò)t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)，得到紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)于海拔、坡度、郁閉度、灌木生物量和草本生物量的5個(gè)回歸模型方程(表6)，且各模型方程均達(dá)到極顯著水平(p＜0.01)。

表6 紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林分因子和地形因子的逐步回歸統(tǒng)計(jì)

上述結(jié)果表明，不同因子對(duì)秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響并不完全相同，從回歸方程中各因子的系數(shù)可看出，紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔、灌木生物量和草本生物量呈正相關(guān)，與郁閉度和坡度呈負(fù)相關(guān)，與偏相關(guān)分析的結(jié)果一致。通過(guò)比較各回歸方程的多元相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明:第5個(gè)回歸方程的多元相關(guān)系數(shù)最大，更能準(zhǔn)確反映林分因子和地形因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，該方程包含海拔、坡度、郁閉度、灌木生物量和草本生物量5個(gè)因子，表明紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不同因子綜合影響的結(jié)果。

4 討論

紅樺林主要分布在秦嶺南坡中山及亞高山區(qū)域，森林土壤厚度一般在60～100 cm，森林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)受海拔、坡度、郁閉度、灌木生物量和草本生物量等因子的影響，使其在空間分布上存在較大的變異。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體均值為(32.11±3.77)g·kg－1，高于和劉延惠等［22］和楊曉梅［23］等估算的六盤(pán)山華北落葉松人工林和子午嶺遼東櫟林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(31.05 g·kg－1)和(13.95 g·kg－1)，說(shuō)明秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于相對(duì)較高的水平。在自然條件下，特定氣候區(qū)域內(nèi)森林植被組成決定著歸還土壤的凋落物和根系分泌物的數(shù)量和質(zhì)量以及腐殖質(zhì)的形成與分解的活躍機(jī)制，植被組成的差異會(huì)導(dǎo)致土壤剖面有機(jī)碳分布格局的差異［24－25］。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同林區(qū)存在顯著差異，體現(xiàn)了在相同森林類型條件下，林分結(jié)構(gòu)、組成等林分因子的差異對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，與上述研究結(jié)論基本一致。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林齡呈顯著正相關(guān)，與齊光等［26］對(duì)大興安嶺興安落葉松林的土壤碳儲(chǔ)量研究結(jié)論基本一致，原始紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比次生紅樺林僅高4.81%，說(shuō)明次生紅樺林具有較高的碳儲(chǔ)能力。

森林土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于植物、動(dòng)物、微生物殘?bào)w和根系分泌物，并處于不斷分解與形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，森林土壤有機(jī)碳是森林生態(tài)系統(tǒng)在特定條件下的動(dòng)態(tài)平衡值［27］。秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與灌木生物量和草本生物量呈顯著相關(guān)，其原因是森林植被生物量制約著森林土壤中的植物殘?bào)w和根系分泌物，因此會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生顯著影響。土壤中動(dòng)植物殘?bào)w的分解及微生物的活動(dòng)受林內(nèi)光照、溫度、濕度等因素的影響，郁閉度和林分密度過(guò)大會(huì)限制林內(nèi)的光照和溫度條件，影響動(dòng)植物殘?bào)w的分解和土壤微生物活動(dòng)，因此紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與郁閉度、林分密度表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

不同的生物氣候條件和人類干擾活動(dòng)，也會(huì)對(duì)森林土壤有機(jī)碳的積累產(chǎn)生較大的影響，陸地土壤碳一般隨降水增加而增加，在降雨量相同的條件下，溫度越高碳濃度越低，溫度和降水的綜合作用決定了陸地土壤碳分布的地理地帶性特征［28］。黃湘等［29］對(duì)塔里木河檉柳群落土壤碳通量的研究發(fā)現(xiàn)，較高的氣溫會(huì)造就較高的土壤溫度，而土壤溫度的升高會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量，加快土壤養(yǎng)分礦化，從而導(dǎo)致土壤貧瘠化。杜有新等［30］對(duì)廬山森林土壤有機(jī)碳的研究表明，隨海拔升高土壤有機(jī)碳逐漸增加。隨海拔升高氣溫降低，蒸發(fā)量減少，土壤濕度較大，動(dòng)植物殘?bào)w的分解釋放受到影響，大部分以有機(jī)物的形式沉積在林下土壤中，而陽(yáng)坡相比陰坡光照條件好，水分易散失，且土壤溫度較高，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨海拔升高逐漸增加，且陰坡大于陽(yáng)坡，與上述研究結(jié)論基本一致。在坡位和坡度水平上，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下坡大于中坡和上坡，其原因可能是坡面中上部流失的土壤顆粒、水肥易在下坡匯集，使其土層較厚，植被生長(zhǎng)較好，向土壤輸入的有機(jī)質(zhì)量大，有利于有機(jī)質(zhì)積累，因而下坡土壤有機(jī)碳較高［31］，但坡位變化未對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生顯著影響;侯琳等［32］對(duì)火地塘油松林土壤碳的研究發(fā)現(xiàn)，坡度平緩地區(qū)土層較厚，灌草種類比較豐富，有利于水肥蓄積，而坡度較陡的地區(qū)土層薄而貧瘠，林下植被以灌木為主，灌草種類豐富度低，土壤有機(jī)碳較少，本研究發(fā)現(xiàn)，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與坡度間表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性，與上述研究結(jié)論基本一致。

采用偏相關(guān)分析可以消除其他變量的影響，進(jìn)一步分析紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其影響因子間的關(guān)系，真實(shí)地反映紅樺林土壤有機(jī)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與影響因子間相關(guān)的性質(zhì)和密切程度，對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與各影響因子進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)果表明:在排除其他因子的影響后，秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔、林齡、灌木生物量和草本生物量呈顯著正相關(guān)，與坡度、林分密度和郁閉度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與其他因子間的相關(guān)關(guān)系不顯著，其原因可能是影響秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因子間存在相互制約關(guān)系。主成分分析結(jié)果表明:影響秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的11個(gè)因子中，海拔、坡度郁閉度、林分密度、灌木、草本、枯落物生物量及林齡是影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因素。逐步回歸結(jié)果表明:在影響紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因子中，海拔、坡度、郁閉度、灌木生物量和草本生物量影響作用更顯著，它們與紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系均可用回歸方程表達(dá)。包含海拔、坡度、郁閉度、灌木生物量和草本生物量的回歸方程，其多元相關(guān)系數(shù)最大，能較準(zhǔn)確地反映出不同因子對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳的綜合影響效應(yīng)，該方程可作為估算秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的參考模型。坡向、坡位、林分密度、喬木生物量和枯落物量未能入選回歸方程，其原因可能是秦嶺南坡水熱條件比較好，不同坡向和坡位環(huán)境條件的差異對(duì)紅樺林的群落結(jié)構(gòu)、不同層次植被的生長(zhǎng)影響有限;林分密度和喬木生物量可能是通過(guò)間接作用來(lái)影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此其作用效果相比郁閉度不太顯著;枯落物量受到喬木、灌木和草本每年凋落物歸還量的制約，因此其對(duì)紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響未表現(xiàn)出顯著作用。

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的差異，最終是林內(nèi)光照、溫度、水分等環(huán)境因子與郁閉度、灌木生物量、草本生物量等林分因子的綜合作用的結(jié)果。在不同地區(qū)差異較大的地形條件或不同林分結(jié)構(gòu)條件下，森林土壤有機(jī)碳的分布可能會(huì)存在顯著差異。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的研究以及利用森林調(diào)查資料進(jìn)行大尺度森林土壤碳儲(chǔ)量估算時(shí)，應(yīng)綜合考慮地形因子、氣候因子及植被因子，以保證森林土壤碳循環(huán)研究和碳儲(chǔ)量估算的可靠性。

5 結(jié)論

紅樺林主要分布在秦嶺南坡中山和亞高山海拔區(qū)域，土壤厚度一般在60～100 cm左右，森林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)受海拔、坡度、郁閉度、林分密度、灌木生物量和草本生物量等因子的影響，使其在空間分布上存在較大的變異。本研究結(jié)果表明:秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(32.11±3.77)g·kg－1，變異系數(shù)為 11.74%;原始紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為(33.11±3.23)g·kg－1，次生紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為(31.59±3.94)g·kg－1，原始紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比次生林高4.81%。原始紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與次生紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間存在顯著差異，紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同坡向和坡位不存在顯著差異。紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔、林齡、灌木生物量和草本生物量呈顯著正相關(guān)，與坡度、郁閉度和林分密度呈顯著負(fù)相關(guān)。主成分分析得到的特征值大于1的4個(gè)主成分對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方差累積貢獻(xiàn)率為88.15%，能反映林分因子和地形因子對(duì)秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響效應(yīng)的絕大部分信息。逐步回歸結(jié)果表明，海拔、坡度、郁閉度、灌木生物量和草本生物量是影響紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因子，擬合的利用這5個(gè)因子估算秦嶺南坡紅樺林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模型方程為:CSO= －0.121G+0.009E－7.959DC+6.074HB+2.390SB+17.507。

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