神農(nóng)架巴山冷杉林土壤碳密度空間分布格局

崔鴻俠 潘磊 龐宏東

摘 要： 以神農(nóng)架巴山冷杉林二類清查資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過建立土壤碳密度與林分平均胸徑的關(guān)系模型，估算土壤有機(jī)碳密度，探討土壤碳密度的空間分布特征。結(jié)果表明：神農(nóng)架巴山冷杉林0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分別為7525 t·hm-2和13089 t·hm-2。土壤碳密度最小值出現(xiàn)在海拔2 200 m以下，最大值出現(xiàn)在海拔2 800～3 000m。巴山冷杉林在北坡土壤碳密度最大，而東南坡土壤碳密度最小。巴山冷杉林隨著年齡的增加，土壤碳密度有逐漸增加的趨勢，與幼齡林相比，過熟林0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分別高1566%和1647%。

關(guān)鍵詞： 神農(nóng)架；巴山冷杉；土壤碳密度；分布格局

中圖分類號：S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-3020（2015）05-0001-03

目前森林土壤有機(jī)碳密度及空間分布為全球有機(jī)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)[1-3]，但國內(nèi)有關(guān)區(qū)域或國家尺度上森林土壤有機(jī)碳密度的估算主要基于土壤普查資料和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)獲得，由于缺乏全面、詳細(xì)、可靠的實(shí)測數(shù)據(jù)，使得估算結(jié)果還存在較大的不確定性[4-6]，同時對森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究更加關(guān)注森林植被，對森林土壤研究還相對不足[7-9]。

神農(nóng)架森林為亞熱帶向溫帶過渡區(qū)，是全球氣候變化的敏感響應(yīng)區(qū) 。但目前對神農(nóng)架森林土壤有機(jī)碳密度及其空間分布特征的研究還未見報(bào)道。本論文以神農(nóng)架典型森林類型巴山冷杉林土壤為研究對象，通過大量的土壤有機(jī)碳密度實(shí)測數(shù)據(jù)，建立土壤碳密度與地上植被因子關(guān)系模型，估算神農(nóng)架巴山冷杉林土壤有機(jī)碳密度，探討土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于神農(nóng)架林區(qū)（東經(jīng)109°56′～110°58′ ，北緯 31°15′～31°75′），是全國唯一以“林區(qū)”命名的行政區(qū)。神農(nóng)架一直以其生物多樣性古老、豐富且特有性強(qiáng)著稱，是華中地區(qū)唯一的原始森林分布區(qū)，其植被和土壤類型垂直譜帶十分完整，地帶性顯著，被當(dāng)作我國亞熱帶中、北亞帶的分界線。神農(nóng)架林區(qū)最高峰神農(nóng)頂海拔3 1054 m，成為華中第一峰。神農(nóng)架屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡氣候，并隨海拔的升高形成低山、中山、亞高山3個氣候帶。年平均氣溫110～122 ℃，多年平均日照率為42%，相對濕度為73%～75%，平均年降水量為800～2 500 mm，主要集中在夏季，降水量隨海拔增高而增加，平均年蒸發(fā)量500～800 mm，從總體上看屬于濕潤氣候帶。

巴山冷杉Abies fargesii是神農(nóng)架亞高山地區(qū)最重要的建群種，也是神農(nóng)架地區(qū)分布面積最廣的針葉林類型，并分布著大片原始林。巴山冷杉林在整個神農(nóng)架成“離散”分布，全區(qū)巴山冷杉林面積約4349 km2，占全區(qū)總面積的16%。主要分布于神農(nóng)頂、大小神農(nóng)架、巴東埡、猴子石、板壁巖、金猴嶺、大窩坑、老君山等高海拔地區(qū)，在海拔2 000 m以上陸續(xù)出現(xiàn)，海拔2 500 m開始成林。

2 研究方法

2.1 資料來源

森林資源數(shù)據(jù)采用2009年神農(nóng)架二類調(diào)查的298個巴山冷杉林小班數(shù)據(jù)。

2.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

在神農(nóng)架巴山冷杉林分布區(qū)域，選擇不同海拔、坡向、年齡的巴山冷杉天然林進(jìn)行分層抽樣，共設(shè)置樣地20個，樣地面積為20 m×20 m。記錄樣地經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡位、坡向等信息。喬木層主要調(diào)查樹種組成、郁閉度、胸徑、樹高、林分密度等；在各樣地內(nèi)均勻布設(shè)5個2 m×2 m的灌木樣方，主要調(diào)查灌木層物種種類、蓋度、高度等。

2.3 土樣采集與處理

在每個樣地按S形布設(shè)5個采樣點(diǎn)，挖土壤剖面，按照0～20 cm和20～40 cm 2個土壤層次，先用100 cm3環(huán)刀取樣，再用布袋取混合樣，將5個采樣點(diǎn)同一層的土樣混合均勻，留取1～2 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，將帶回的混合土壤樣品去除動植物殘?bào)w和石礫等雜物后，自然風(fēng)干并研磨過100目篩，用于測定土壤有機(jī)碳含量。

2.4 土壤樣品測定

土壤密度測定采用環(huán)刀法；土壤有機(jī)碳含量測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法。

土壤碳密度計(jì)算公式為：CSO=C×D×E×（1-G）/10，式中：CSO 為土壤碳密度（t·hm-2）；C為土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1）；D為土壤密度（g·cm-3）；E為土層厚度（cm）；G為直徑>2 mm的石礫所占的體積比例（%）。

2.5 土壤碳密度估算模型

根據(jù)樣地土壤碳密度實(shí)測值與喬木層平均胸徑生長量，建立不同土層厚度土壤碳密度與平均胸徑的關(guān)系模型。

2.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel和 SAS 9.2統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳密度估算

對不同土壤厚度碳密度分別與平均胸徑進(jìn)行回歸分析，回歸模型見表1?？梢钥闯觯煌穸韧寥捞济芏扰c平均胸徑均呈顯著正相關(guān)（P<005）。根據(jù)回歸模型，估算得出神農(nóng)架巴山冷杉林20 cm和40 cm厚度土壤碳密度分別為7525 t·hm-2和13089 t·hm-2。

表1 土壤碳密度與平均胸徑關(guān)系

土層回歸模型FPr>FR2樣本數(shù)量N

0～20y=1.154 4x+45.640 88.160.040 50.311 9200～40y=2.107 4x+76.846 212.140.025 10.410 420

3.2 不同海拔土壤碳密度分布

神農(nóng)架巴山冷杉林土壤碳密度隨海拔的升高呈先增加后降低的趨勢（見圖1），但總體上表現(xiàn)為高海拔土壤碳密度大于低海拔。在2 800～3 000 m的海拔梯度上達(dá)到最大值，20 cm和40 cm土壤碳密度分別達(dá)8243 t·hm-2和13675 t·hm-2，隨后土壤碳密度略有下降。土壤碳密度的最低值出現(xiàn)在小于2 200 m的海拔梯度上，20 cm和40 cm土壤碳密度分別達(dá)6459 t·hm-2和11969 t·hm-2。在海拔2 600 m以上，土壤碳密度變化幅度較小，而且比海拔2 400 m以下土壤碳密度有較大提高，這可能與高海拔地區(qū)分布有較大面積巴山冷杉原始林有關(guān)。從碳密度在不同土壤深度的分配比例來看，0～20 cm土壤碳密度占0～40 cm總碳密度的54%～60%。

3.3 不同坡向土壤碳密度分布

神農(nóng)架巴山冷杉林土壤碳密度在不同坡向的分布情況如圖2所示。可以看出，土壤碳密度在不同坡向存在一定差異，20 cm和40 cm土壤碳密度在不同坡向的變化范圍分別為6999～8123 t·hm-2和12130～13769 t·hm-2，北坡土壤碳密度最大，其后依次為東北坡、西北坡、西南坡、西坡、南坡、東坡，而東南坡土壤碳密度最小。土壤碳密度在不同坡向的分布總體表現(xiàn)為陰坡和半陰坡大于陽坡和半陽坡，這可能與巴山冷杉為喜陰樹種，在陰坡生長更好有關(guān)，另外陰坡一般濕度大、溫度低，這有利于土壤有機(jī)碳的積累。

3.4 不同齡組土壤碳密度分布

神農(nóng)架分布有不同年齡的巴山冷杉林，包括平均年齡在100 a以上的成熟林和過熟林，主要為原始林；上世紀(jì)中期原始林采伐后更新形成的近熟林，以及近幾十年通過人工栽植等措施形成的幼齡林和中齡林。神農(nóng)架不同齡組巴山冷杉林土壤碳密度的分布情況如圖3所示。從圖中可知，20 cm和40 cm土壤碳密度在不同齡組的變化范圍分別為7210～8339 t·hm-2和12515～14576 t·hm-2，隨著年齡的增加，土壤碳密度有逐漸增加的趨勢。與幼齡林相比，過熟林20 cm和40 cm土壤碳密度分別增加1129 t·hm-2和2061 t·hm-2，增加幅度分別為1566%和1647%。

4 小結(jié)

（1）神農(nóng)架巴山冷杉林0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分別為7525 t·hm-2和13089 t·hm-2。

（2）神農(nóng)架巴山冷杉林土壤碳密度在海拔梯度上總體表現(xiàn)為高海拔大于低海拔，土壤碳密度最小值出現(xiàn)在海拔2 200 m以下，0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分別為6459 t·hm-2和11969 t·hm-2；土壤碳密度最大值出現(xiàn)在海拔2 800～3 000 m，0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度分別為8243 t·hm-2和13675 t·hm-2。

（3）神農(nóng)架巴山冷杉林北坡土壤碳密度最大，其后依次為東北坡、西北坡、西南坡、西坡、南坡、東坡，而東南坡土壤碳密度最小。0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度在不同坡向的變化范圍分別為6999～8123 t·hm-2和12130～13769 t·hm-2。

（4）神農(nóng)架巴山冷杉林隨著年齡的增加，土壤碳密度有逐漸增加的趨勢。0～20 cm 和0～40 cm土壤碳密度在不同齡組的變化范圍分別為7210～8339 t·hm-2和12515～14576 t·hm-2。與幼齡林相比，過熟林20 cm和40 cm土壤碳密度分別增加1566%和1647%。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：鄭京津）