遼西天然油松林土壤碳氮分布規(guī)律1)

魏文俊 尤文忠 張慧東 魏忠平 趙 剛

(遼寧省林業(yè)科學研究院，沈陽，110032)

土壤有機碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫[1－2]，約為植被碳儲量的 2.5～3 倍[3]，為大氣碳庫的2～3倍[4]。土壤和凋落物每年以CO2形式進入大氣的碳通量是化石燃燒排放 CO2的 10倍[5－6]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其土壤有機碳主要分布于1 m深度的土層內，對氣候變化和人類活動干擾較敏感[7]。氣候變化導致的森林土壤碳庫的微小變化可能造成全球CO2通量的顯著變化[8－9]，因此，森林土壤碳庫在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用[10－11]。

由于受到植被類型、氣候條件、地形變化、土壤屬性、發(fā)育母質以及土地利用方式等自然和人為因素的綜合影響，森林土壤有機碳儲量的分布存在著顯著的區(qū)域不均勻性[12－15]。遼西地區(qū)地處科爾沁沙地東南邊緣，是我國東北地區(qū)生態(tài)環(huán)境最脆弱地區(qū)[16]，大部分區(qū)域屬半干旱大陸性季風氣候[17]。位于其邊緣的醫(yī)巫閭山系陰山山脈的余脈，是內蒙高原到遼河平原的三大屏障之一[18]，屬于半濕潤大陸性季風氣候。區(qū)內分布的大面積天然油松林是東亞地區(qū)所特有[19]，同時該區(qū)也屬于我國油松(Pinus tabulaeformis)天然分布的最北端。醫(yī)巫閭山陽坡由于歷史原因，植被被嚴重破壞，強烈地土壤侵蝕形成了大面積的裸露基巖;陰坡土層深厚植被完好[18]。在生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)中，土壤碳素和氮素被緊密地聯(lián)系在一起。以醫(yī)巫閭山國家級自然保護區(qū)陰坡的天然油松混交林為研究對象，分析不同植被組成的天然油松混交林土壤碳氮的分布格局，揭示土壤屬性和植被覆蓋對土壤碳氮分布規(guī)律的綜合影響，為生態(tài)脆弱邊緣區(qū)對全球氣候變化的響應提供科學依據。

1 研究地概況

醫(yī)巫閭山國家級自然保護區(qū)位于遼寧省北寧市和義縣交界處，地理位置 N41°26'～ 41°46'，E121°31'～121°46'。地處陰山山系松嶺山脈，是遼西低山丘陵的一部分，海拔200～800 m，最高峰望海寺峰高867 m。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫8.2℃，平均降水量572.5 mm，平均蒸發(fā)量1965 mm，無霜期160～180 d。母巖多為花崗巖、片麻巖。土壤主要為棕色森林土。醫(yī)巫閭山植被區(qū)劃屬冀遼山地丘陵油松、遼東櫟(Quereus liatungensis)、槲櫟(Q.aliena)林區(qū)，大面積天然油松林為東亞地區(qū)特有[16]。醫(yī)巫閭山天然油松林屬溫性針葉林。林內植物種類組成較簡單，根據伴生的林下植物種類組成可分為:苔草(Carex nanella)－油松林、胡枝子(Lespedeza hedysaroides)－油松林，迎紅杜鵑(Rhododendron latam)－油松林，荊條(Vitex negundo)－油松林、華北繡線菊(Spiraea fritschiana)－油松林5種類型。

2 研究方法

2.1 樣地布設與植被調查

選擇荊條－油松林(YⅠ)、胡枝子－油松林(YⅡ)、華北繡線菊－油松林(YⅢ)3種類型作為研究對象。每種森林類型隨機設置3塊20 m×20 m標準樣地，記錄樣地海拔高度、坡位、坡向、坡度等，調查喬木的胸徑、樹高、郁閉度等;每個標準樣地內上、中、下坡位置分別設置3個2 m×2 m的灌木樣方，調查灌木的種類、地徑、高度、蓋度等;每個灌木樣方內設置1 m×1 m的草本樣方，調查草本的種類、平均高度、蓋度等;標準樣地的基本情況(見表1)。

2.2 土壤調查與樣品采集

在每個標準地內上、中、下坡分別設置3個土壤剖面，按照基本發(fā)生層劃分土壤剖面層次，記錄各個層次的土壤深度、顏色、結構、質地、緊實度、根量、石礫質量分數等;按照[0，10]、(10，20]、(20，40]、(40，60]、(60，100]cm 五個層次，分別用環(huán)刀、鋁盒采集土樣，用布袋采用四分法采集各層的混合土樣，帶回實驗室，測定土壤自然含水量、密度、pH值、有機碳質量分數和全氮質量分數等。

表1 天然油松林標準樣地概況

利用烘干法測定土壤自然含水量，先稱取鋁盒土樣鮮重，再將采集的土樣在105℃下恒溫烘干至恒質量，計算出土壤自然含水量;利用環(huán)刀法測定土壤密度，稱取環(huán)刀土樣鮮質量，并根據烘干法測定得到的土壤自然含水量，進而計算出土壤密度;用于測pH值的布袋土樣在室溫下自然風干，揀出其中的動植物殘體、根系和石塊等雜物，過2 mm篩，然后利用DENVER酸度計(UB－7)進行測定;用于測定土壤有機碳和全氮的布袋土樣同樣在室溫下自然風干，揀出植物殘體、根系和石塊等雜物，研磨后，過0.149 mm 篩，然后利用KCrO7－濃 H2SO4外加熱法測定土壤有機碳質量分數，利用FOSS全自動凱式定氮儀(Kjeltec 8400)測定土壤全氮質量分數。

2.3 數據處理

采用SPSS13.0軟件和Excel軟件進行統(tǒng)計分析。對不同類型天然油松林和不同土壤剖面深度土壤有機碳質量分數和全氮進行顯著性檢驗，并用LSD法進行多重比較。對影響表層[0，10]cm土壤有機碳質量分數的土壤屬性(土壤密度、全氮質量分數、碳氮比、pH值)和植被覆蓋因子(枯落物有機碳質量分數、全氮質量分數、碳氮比)進行偏相關分析。在對土壤有機碳質量分數進行正態(tài)分布檢驗的前提下，對影響表層[0，10]cm土壤有機碳質量分數的因子進行逐步回歸分析，進而進行通徑分析[20]。

3 結果與分析

3.1 遼西天然油松林土壤有機碳分布特征

遼西3種類型天然油松林土壤平均有機碳質量分數均隨著剖面深度的增加而降低(表2)，平均有機碳質量分數降低的幅度不盡相同，[0，40]cm土層降低最快，而40 cm以下土層降低趨緩。不同土壤剖面層次內3種類型天然油松林土壤有機碳質量分數分布規(guī)律也不同，[0，40]cm土層平均土壤有機碳質量分數從大到小依次為 YⅡ、YⅢ、YⅠ，(40，60]cm 土層從大到小依次為 YⅠ、YⅢ、YⅡ，60 cm 以下土層從大到小依次為 YⅠ、YⅡ、YⅢ。[0，20]cm 土層平均土壤有機碳質量分數YⅡ和YⅢ均顯著大于YⅠ，尤其在[0，10]cm 土層，YⅡ平均土壤含碳量約為YⅠ的2.3倍，YⅢ約為 YⅠ的2倍。

3種類型天然油松林土壤有機碳變異系數表現(xiàn)為:[0，20]cm 表層土壤從大到小依次為 YⅠ、YⅢ、YⅡ;20 cm以下土壤從大到小依次為YⅠ、YⅡ、YⅢ(見表2)。在[0，100]cm 土壤剖面內，YⅠ有機碳垂直分布格局的差異性顯著高于YⅡ和YⅢ。

3種類型天然油松林土壤有機碳方差分析結果表明。對不同類型天然油松林而言，YⅠ與YⅡ、YⅢ之間的差異性顯著，而YⅡ與YⅢ之間差異性不顯著;對不同剖面深度而言，40 cm以下土層剖面深度之間間土壤有機碳差異不顯著，其它土壤剖面深度之間均呈現(xiàn)顯著的差異(表2)。

表2 遼西3種類型天然油松林土壤有機碳質量分數

3.2 遼西天然油松林土壤全氮分布特征

由表3可知。3種類型天然油松林平均土壤全氮質量分數隨著剖面深度的增加而降低，與平均土壤有機碳質量分數變化相似，平均土壤全氮在[0，40]cm土層降低最快，在40 cm以下土層降低趨緩。不同土壤剖面層次內，3種類型天然油松林土壤全氮分布規(guī)律也不盡相同，[0，10]cm土層深度，土壤全氮質量分數從大到小依次為 YⅡ、YⅢ、YⅠ，(10，60]cm土層深度全氮質量分數從大到小依次為YⅢ、YⅡ、YⅠ，60 cm 以下土層全氮質量分數從大到小依次為 YⅡ、YⅠ、YⅢ。表層土壤全氮質量分數YⅡ、YⅢ均顯著大于 YⅠ，尤其在[0，10]cm 土層內，YⅡ約為 YⅠ的1.96倍，YⅢ約為 YⅠ的1.9倍。

在[0，100]cm土壤剖面深度內，3種類型天然油松林土壤全氮質量分數變異系數總體上表現(xiàn)為YⅢ＞YⅡ＞YⅠ。與土壤有機碳的垂直空間異質性不盡相同。

土壤全氮質量分數方差分析結果顯示。對于不同類型天然油松林而言，土壤全氮質量分數YⅠ與YⅡ、YⅢ之間的差異性顯著，而YⅡ與YⅢ之間的差異性不顯著，與土壤有機碳質量分數變化規(guī)律一致;對于不同剖面深度而言，20 cm以下土壤剖面深度之間，土壤全氮差異不顯著，其它剖面深度之間均呈現(xiàn)顯著的差異。

表3 遼西3種類型天然油松林土壤全氮質量分數

3.3 遼西3種類型天然油松林表層土壤屬性和植被覆蓋因子與土壤碳質量分數的關聯(lián)度

對影響遼西地區(qū)3種類型天然油松林表層([0，10]cm)土壤有機碳質量分數(y)的土壤屬性(土壤密度(x1)、土壤全氮質量分數(x2)、土壤碳氮比(x3)、土壤pH值(x4))和植被覆蓋因子(枯落物有機碳質量分數(x5)、枯落物全氮質量分數(x6)、枯落物碳氮比(x7))進行偏相關分析(見表4)。對于土壤屬性而言，土壤全氮、碳氮比與有機碳質量分數呈極顯著的正相關關系，而土壤密度、pH值呈顯著的負相關關系;對植被覆蓋因子而言，枯落物全氮質量分數、碳氮比與土壤有機碳質量分數呈顯著的正相關關系，枯落物有機碳質量分數則呈顯著的負相關系。

表4 土壤有機碳質量分數與其影響因子偏相關分析

對表層[0，10]cm土壤有機碳質量分數進行正態(tài)性檢驗，由于樣本數n=18屬于小樣本，Shapiro－Wilk檢驗方法結果適用于小樣本檢驗，進行Shapiro－Wilk 檢驗得到統(tǒng)計量為 0.924，顯著性水平 ɑ=0.424＞0.05，所以表層[0，10]cm 土壤有機碳質量分數服從正態(tài)分布，可以對其進行逐步回歸分析;通過逐步回歸分析方法，從土壤屬性和植被覆蓋因子中逐步選擇和剔除影響因子(見表5)，建立最優(yōu)回歸方程為:y=14.686x2+1.83x3－26.428，R2=0.999，剩余因子 e=0.0316，該值較小，說明土壤全氮質量分數和碳氮比兩個土壤屬性因子對表層土壤有機碳質量分數的影響較大;在此基礎上，進一步運用通徑分析方法分析土壤全氮質量分數和碳氮比對表層土壤有機碳質量分數的直接影響作用和間接影響作用。通徑分析結果(見表6)。土壤全氮比土壤碳氮比對表層土壤有機碳質量分數的直接影響大。土壤全氮、土壤碳氮比與土壤有機碳質量分數之間的簡單相關系數分別為0.992、0.793。說明土壤全氮通過土壤碳氮比間接的影響表層土壤有機碳質量分數。

表5 土壤有機碳質量分數逐步回歸系數

表6 土壤有機碳質量分數直接通徑系數和間接通徑系數的分解

4 結論與討論

森林土壤是一個多相、多界面的復雜系統(tǒng)。土壤碳氮的變化與植被覆蓋類型、氣候變化、土壤自身屬性、凋落物分解、土壤呼吸以及人類活動干擾等眾多相互聯(lián)系和相互影響的生物地球化學過程密切關聯(lián)，因此，森林土壤有機碳分布格局存在著很強的不均勻性。在生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)中，土壤碳素和氮素被緊密地聯(lián)系在一起。

在[0，100]cm土壤剖面深度內，3種類型天然油松林土壤有機碳質量分數和全氮隨著剖面深度的增加而降低。土壤有機碳、全氮質量分數在表層均存在一定厚度富集層，深層質量分數有一定下降，質量分數低而穩(wěn)定[21－22]，但不隨深度增加而線性降低[22－25]。土壤有機碳與全氮均存在極顯著線性相關關系[26]，其空間分異規(guī)律也表現(xiàn)出一定的相似性[27]，土壤有機碳空間垂直分異較全氮更大，與白軍紅等[28]研究結果正好相反。有機碳和全氮的積累主要存在于地表[29]。遼西3種類型天然油松林土壤有機碳和全氮主要積累于表層20 cm土層深度內，其地表枯落物層厚度可達6 cm以上，并且油松自身側根發(fā)達且分布較淺，根系分布密集層為10～20 cm[30]，可見植被的根系分泌物和凋落物的分解是影響土壤有機碳循環(huán)的重要驅動力[31]。深層土壤有機物的分解礦化速率較表層土壤顯著降低[32－33]，其土壤有機碳氮垂直分布與根系分布及其分泌物密切相關[34－35]，導致3種類型天然油松林深層土壤有機碳和全氮差異不顯著，受到母質層屬性的影響較大，而其它土層之間的差異性均顯著，有機碳氮剖面中的分布模式與根系在土層中的垂直分布規(guī)律基本一致[31]。因此，與深層土壤相比，表層土壤對氣候變化、植被覆蓋狀況和人為干擾等外界因素的影響更敏感，受到影響后，表層土壤的變化更劇烈，而深層土壤則比較穩(wěn)定。

3種類型天然油松林土壤碳氮分布的影響潛力分析。對土壤屬性而言，土壤全氮、碳氮比與土壤有機碳質量分數成極顯著的正相關關系，而土壤容重、pH值成顯著的負相關關系。對植被覆蓋而言，地表枯落物全氮、碳氮比與土壤有機碳質量分數成顯著的正相關關系，與枯落物有機碳質量分數成顯著的負相關關系;土壤全氮和碳氮比兩個土壤屬性對表層土壤有機碳質量分數的影響較大，土壤全氮比土壤碳氮比對表層土壤有機碳質量分數的直接作用更大，土壤全氮通過土壤碳氮比對土壤有機碳質量分數的間接作用更大。本文研究證明了土壤碳氮空間分異規(guī)律具有相似性。土壤碳氮比是土壤氮素礦化能力的主要標志[27]，其比值低有利于微生物在有機質分解過程中的養(yǎng)分釋放和土壤中的有效氮增加，而植物組織中的碳氮比決定了進入土壤中的枯落物的分解速率和分解量[36]。土壤pH值通過影響微生物的活動而顯著影響著土壤對碳氮的固定和累積能力，它是影響土壤有機碳及全氮的空間分布的環(huán)境因子之一，表層土壤pH值與有機碳質量分數呈現(xiàn)顯著負相關性[28]。

YⅠ與YⅡ、YⅢ之間各層土壤有機碳質量分數和全氮質量分數均存在顯著的差異，而YⅡ與YⅢ之間均沒有差異。[0，20]cm表層土壤有機碳質量分數YⅡ、YⅢ明顯大于YⅠ;20 cm土層以下，三者平均土壤有機碳質量分數差異縮小，且逐漸成為YⅠ大于YⅡ、YⅢ。說明植被覆蓋對表層土壤碳氮具有不可忽視的影響，也證明了表層土壤有機碳主要來源于地表枯落物層分解釋放和植被根系分泌物補給[31]。[0，20]cm表層土壤有機碳質量分數YⅡ和YⅢ明顯大于YⅠ，可見胡枝子和華北繡線菊兩種灌木對提高醫(yī)巫閭山天然油松林土壤有機碳質量分數和全氮的作用優(yōu)于荊條，其中胡枝子屬于固氮植物，與劉潔等[37]得到固氮植物對提高水蝕風蝕交錯區(qū)土壤全氮質量分數的研究結果一致。

3種天然油松林土壤碳氮分布均隨著剖面深度的增加而降低。而同一土壤剖面層次內，三者的平均土壤碳氮質量分數變化規(guī)律不盡相同。[0，20]cm土層，平均土壤碳氮質量分數YⅡ、YⅢ均顯著大于YⅠ;(20，100]cm土層，三者平均土壤碳氮質量分數差異縮小。土壤有機碳空間異質性YⅠ顯著高于YⅡ、YⅢ，而土壤全氮空間分布格局差異性YⅢ高于YⅠ、YⅡ。

不同植被類型，土壤碳、氮質量分數均表現(xiàn)為YⅠ與YⅡ、YⅢ之間的差異性顯著，而YⅡ與YⅢ之間差異性不顯著。不同剖面深度，土壤有機碳質量分數，(40，100]cm土壤深度間差異不顯著外，其它剖面深度之間均呈現(xiàn)顯著的差異;土壤全氮質量分數，[0，20]cm土壤深度間呈現(xiàn)顯著的差異外，其它土壤剖面深度之間差異均不顯著。

表層土壤全氮質量分數、碳氮比與土壤有機碳質量分數呈極顯著的正相關關系，而土壤密度、pH值呈顯著的負相關關系;地表枯落物全氮質量分數、碳氮比與土壤有機碳質量分數呈顯著的正相關關系，枯落物有機碳質量分數則呈顯著的負相關關系。

土壤全氮質量分數和碳氮比對表層土壤有機碳質量分數影響較大，表層土壤有機碳質量分數主要受土壤全氮的影響。

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