不同林型土壤有機(jī)碳含量及垂直分布特征

徐 萌

(吉林省林業(yè)廳，吉林 長春 130022)

土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分重要組成部分，隨著全球氣候變化，引起了許多科學(xué)家對陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡、碳存儲(chǔ)及分布的關(guān)注。全球約有1 400 ～1 500 Gt 碳以有機(jī)態(tài)形式儲(chǔ)存于土壤中，是陸地植被碳庫2 ～3 倍，而森林土壤約占全球土壤有機(jī)碳庫73%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大有機(jī)碳庫［1～2］，因而其儲(chǔ)量、分布及轉(zhuǎn)化日益成為全球有機(jī)碳研究熱點(diǎn)。由于植被類型、立地條件、氣候特點(diǎn)及土壤性質(zhì)差異，使不同地區(qū)、不同林分間土壤有機(jī)碳存在較大差異［3～11］，因此，針對不同林分，對土壤有機(jī)碳含量、分布進(jìn)行研究十分必要。長白山自然保護(hù)區(qū)、露水河林業(yè)局大部分原始森林保存完好，但自20 世紀(jì)以來，許多森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過強(qiáng)烈人為干擾，形成大面積次生林和人工林。本研究以長白山地區(qū)3 種森林類型土壤為研究對象，比較分析不同林型土壤有機(jī)碳含量及垂直分布規(guī)律，探討不同植被類型對土壤碳儲(chǔ)量影響，為進(jìn)一步研究長白山地區(qū)森林土壤碳儲(chǔ)量提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省露水河林業(yè)局，地理坐標(biāo):127°29'～128°02'E，42°24'～42°49'N。該區(qū)域位于長白山山脈西麓，地處長白山北部臺(tái)地邊緣地帶。研究區(qū)域?qū)俸疁貛Т箨懶詺夂?，氣溫較低，降水充沛，為冷涼的高寒山區(qū)，年降水量800 ～1 040 mm，年平均氣溫2.7℃，最高氣溫32.2℃，最低氣溫－44.1℃，平均相對濕度72%。土壤為典型暗棕壤，土厚度20 ～100 cm。該區(qū)植被屬長白山植物區(qū)系，種類多樣，分布復(fù)雜。主要樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、云杉(Piceaasperata)、臭松(Symplocarpus foetidus)、長白落葉松(Larix gmelinii)、椴樹(Tilia tuan)、水曲柳(Fraxinus mandschurica)、楊樹(Populus)、五角槭(Acer mono)、核桃楸(Juglans Mandshurica)、黃菠蘿(Phellodendron amurense)、蒙古櫟(Quercus mongolica)、白樺(Betula platyphylla)、榆樹(Ulmus pumila)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

樣地設(shè)在露水河林業(yè)局宏光林場，從植被生長以及林地群落保存、演替及穩(wěn)定的角度出發(fā)，2013 年8 月分別選擇紅松天然林、長白落葉松人工林、楊樹人工林3 種典型的林分為研究對象，每個(gè)林型選擇3 塊20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地。綜合考慮，各林型選擇坡度坡位相似的近熟或成熟林。

2.2 樣品采集和處理

在標(biāo)準(zhǔn)樣地邊界或是距樣地邊界2 ～3 m處隨機(jī)挖取3 個(gè)土壤剖面，剖面深度視土壤發(fā)生層次而定(深至母質(zhì)層為止)。確定土壤剖面發(fā)生層次后，用土壤環(huán)刀(100 cm3)在每一土層取土樣測定土壤容重;同時(shí)取約500 g 土樣裝入樣品袋，用于土壤碳氮測定。仔細(xì)去除環(huán)刀內(nèi)土樣植物根系和石礫，在105℃烘干24 h后，稱重并計(jì)算土壤容重。將采集的樣品袋帶回實(shí)驗(yàn)室，于陰涼處自然風(fēng)干后用四分法過100 目篩，編號(hào)待測。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱油浴法［12］。

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度土層中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式為［13 ～14］:

SOCDk=Ck×Dk×Ek×(1－Gk)/100

式中:SOCDk——第k 層土壤有機(jī) 碳 密度

(kg·m－2);

Ck為第 k 層土壤有機(jī)碳含量(g·kg－1);

Dk為第k 層土壤容重(g·cm－3);

Ek為第k 層土壤厚度(cm);

Gk為第k 層直徑大于2 mm 的石礫所占的體積百分比(%)。

一定深度土壤有機(jī)碳密度為各個(gè)土層有機(jī)碳密度之和。

表1 不同林分類型土壤容重、有機(jī)碳含量及垂直分布特征Tab.1 Soil bulk density，organic carbon content and vertical distribution features of different stand type

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型土壤有機(jī)碳含量及垂直分布特征

整理統(tǒng)計(jì)不同林分類型、不同土層中有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)，并分析垂直分布特征，結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，不同林分類型A 土層間有機(jī)碳含量存在較大差異。在A 土層中，紅松天然林有機(jī)碳含量高達(dá)157.93 g·kg－1，而長白落葉松人工林和楊樹人工林分別為75.79、51.71 g·kg－1，前者是后兩個(gè)林分類型2 倍之多。從3 種林分類型起源來說，天然林有機(jī)碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工林含量，可見，人為干擾嚴(yán)重破壞土壤碳氮自身儲(chǔ)存和循環(huán)，導(dǎo)致土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量大大降低。AB 層是介于A 層和B 層之間土壤發(fā)生層，紅松天然林有機(jī)碳含量為27.33 g·kg－1，長白落葉松人工林和楊樹人工林分別為22.74、23.08 g·kg－1，前者有機(jī)碳含量分別高于后兩者20%、18%。在B 土層中，紅松天然林、長白落葉松人工林、楊樹人工林有機(jī)碳含量分別為7.14、9.28.、9.86 g·kg－1，三者差異不顯著。隨著土壤深度增加，不同林分間差異逐漸減小，特別是長白落葉松人工林和楊樹人工林尤其明顯。

在剖面垂直分布上，3 種林分土壤表層A層有機(jī)碳含量最大，并隨土壤深度增加有機(jī)碳含量遞減，這種變化幅度大，可見，土壤深度對有機(jī)碳含量具有顯著影響。在A、AB 土層中，3種林地有機(jī)碳含量均占整個(gè)采樣剖面85%以上，這說明殘枝落葉分解后輸入土壤的有機(jī)碳都聚集在土壤表層，土壤有機(jī)碳表聚性較明顯;而B 土層，各林分土壤有機(jī)碳含量差異變小，這主要是因?yàn)橥寥莱赏聊纲|(zhì)大致相同所造成的，此時(shí)植被類型差異對其影響不大。

3.2 不同林分類型土壤有機(jī)碳密度

整理統(tǒng)計(jì)不同林分類型、不同土層中有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 不同林分類型土壤有機(jī)碳密度Tab.2 Soil organic carbon density of different stand type

由表2 可見，3 種林分類型土壤碳密度各土層變化范圍為2.85 ～11.39 kg·m－2。對整個(gè)土層而言，3 種林分土壤碳密度在16.82 ～23.04 kg·m－2之間，從大到小依次為:長白落葉松人工林＞楊樹人工林＞紅松天然林。各林分土壤碳密度與碳含量表現(xiàn)規(guī)律并不一致，這是由于土壤碳密度受到土壤容重和土層厚度強(qiáng)烈影響。在土壤垂直剖面上，土壤有機(jī)碳密度與其含量變化規(guī)律也截然不同，但是不同林型變化趨勢相同，碳密度從大到小依次為:B 層＞A 層＞AB 層。

4 結(jié)論與討論

通過對長白山區(qū)3 種林分類型表層土有機(jī)碳含量測定與分析，含量存在較大差異，紅松天然林有機(jī)碳含量高達(dá)157.93 g·kg－1，而落葉松人工林和楊樹人工林分別為75.79 g·kg－1和51.71 g·kg－1。3 種林分類型土壤碳密度變化范圍為16.82 ～23.04 kg·m－2，長白落葉松人工林土壤碳密度最大，為23.04 kg·m－2，楊樹人工林為18.17 kg·m－2，紅松天然林為16.82 kg·m－2。

當(dāng)今，中國在土壤有機(jī)碳方面研究較多，但其差異較大。土壤有機(jī)碳含量主要取決于植被每年歸還量和分解速率，而植被類型、氣候特點(diǎn)以及土壤性質(zhì)差異，均會(huì)導(dǎo)致土層內(nèi)有機(jī)碳含量大小及分布。在土壤垂直剖面上，隨著土層深度增加，土壤有機(jī)碳含量隨之遞減，，這與許多研究結(jié)果相同［14～17］。土壤碳含量尚不能真實(shí)反映土壤碳庫水平，國際上常采用碳密度為指標(biāo)對森林碳庫貯量進(jìn)行比較。有報(bào)道顯示，土壤碳密度除了土壤有機(jī)碳含量外，還受到土壤容重和土層厚度強(qiáng)烈影響。因此，本研究不同林型土壤碳密度和土壤碳含量呈現(xiàn)出并不一致的規(guī)律。

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