遼寧省老禿頂子不同林分類型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和碳氮垂直分布特征1)

趙俊勇 孫向陽 李素艷 劉艷 張駿達(dá) 范俊崗

(北京林業(yè)大學(xué)，北京,100083) (遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院)

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遼寧省老禿頂子不同林分類型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和碳氮垂直分布特征1)

趙俊勇 孫向陽 李素艷 劉艷 張駿達(dá) 范俊崗

(北京林業(yè)大學(xué)，北京,100083) (遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院)

以老禿頂子毛榛子灌叢、岳樺林、云冷杉與楓樺混交林、落葉闊葉林4種典型林分為對(duì)象，研究不同林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布特征及其與其它土壤基本屬性(土壤m(xù)(碳)∶m(氮)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度和pH值)的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：不同林分的土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)都隨著剖面深度的增加有明顯的降低，且不同土壤層次間呈現(xiàn)顯著性差異。不同林分土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別在23.45～46.98、1.42～2.91 g/kg，其中云冷杉、楓樺混交林的土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為46.98、2.91 g/kg。各林分土壤m(xù)(碳)∶m(氮)平均值從大到小依次為岳樺林帶、云冷杉與楓樺混交林、落葉闊葉林、毛榛子灌叢帶；各林分0≤h<50 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量從大到小依次為云冷杉與楓樺混交林、毛榛子灌叢帶、岳樺林帶、落葉闊葉林帶，分別為96.36、89.73、81.93和66.16 t/hm2。與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)的為土壤密度，呈極顯著負(fù)相關(guān)的為土壤pH值，沒有顯著相關(guān)性的為土壤m(xù)(碳)∶m(氮)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤有機(jī)碳；土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；垂直分布；林分類型；老禿頂子

We estimated soil organic carbon (SOC) storage and its vertical distribution under difference forest types, includingCorylusmandshuricaMaxim brushwood,Betulaermaniiforest,Picea-AbiesandRibbedBirchmixed forest, deciduous broad-leaved forest in Laotudingzi Mountain of Liaoning Provence. The content of SOC and total nitrogen (TN) decreased with increasing soil depth on all of the four soil profiles, and the content of SOC and TN showed significantly differences among layers. The content of SOC and TN inPicea-AbiesandRibbedBirchmixed forest were the highest among the four forest types (46.98 and 2.91 g/kg, respectively). The content of SOC and TN in four forest soils ranged from 23.45 to 46.98 g/kg and from 1.42 to 2.91 g/kg, respectively, in the descending order ofPicea-AbiesandRibbedBirchmixed forest,CorylusmandshuricaMaxim brushwood,Betulaermaniiforest, and deciduous broad-leaved forest. The mean C/N was in the descending order ofBetulaermaniiforest (18.1),Picea-AbiesandRibbedBirchmixed forest (16.2), deciduous broad-leaved forest (16.2), andCorylusmandshuricaMaxim brushwood (16.1). The descending order of SOC storage of 0-50 cm soil layer wasPicea-AbiesandRibbedBirchmixed forest (96.36 t/hm2),CorylusmandshuricaMaxim brushwood (89.73 t/hm2),Betulaermaniiforest (81.93 t/hm2), and deciduous broad-leaved forest (66.16 t/hm2). Correlations analysis showed significantly positive correlations between SOC and TN, and highly negative correlation between pH, but no significant correlations between C/N, total phosphorus and total potassium.

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫[1]，占陸地總碳庫的2/3～3/4，在0～100 cm土層內(nèi)，全球約有1 500 Pg有機(jī)碳儲(chǔ)量[2]，是陸地植被碳儲(chǔ)量的3倍，大氣碳儲(chǔ)量的2倍[3]。全球土壤有機(jī)碳總量中2/3以上的有機(jī)碳來自森林土壤，森林土壤的碳匯功能在控制大氣CO2等溫室氣體濃度上升和有效調(diào)節(jié)碳平衡方面具有重要的作用[4]。因此，森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其分布的研究已成為有機(jī)碳循環(huán)研究不可缺少的部分。研究不同植被條件下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及相關(guān)規(guī)律是分析和預(yù)測(cè)全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[5]。森林土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量和土壤肥力的評(píng)價(jià)依據(jù)，也是近年來的熱點(diǎn)研究問題。森林土壤有機(jī)碳的研究受地形、植被和人類活動(dòng)影響比較大，在大尺度上估算森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在很大的誤差，因此準(zhǔn)確評(píng)估某個(gè)山區(qū)或林地等小尺度上有機(jī)碳儲(chǔ)量對(duì)于進(jìn)一步估算大尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量顯得尤為重要[6]。目前已有學(xué)者對(duì)西部高寒地區(qū)、西南山地、秦嶺山地和部分典型山地等生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量垂直分布做了大量的相關(guān)研究，如百花山典型林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及垂直分布特征等，但是對(duì)遼寧省老禿頂子山地土壤有機(jī)碳的研究幾乎是空白。

本實(shí)驗(yàn)選取老禿頂子4種不同林分作為研究對(duì)象，初步探討了其土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及垂直分布特征。結(jié)果為我國(guó)北方森林土壤碳相關(guān)的研究積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為合理評(píng)測(cè)國(guó)內(nèi)森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提供參考，并有助于制定可持續(xù)的增加土壤有機(jī)體儲(chǔ)量的森林經(jīng)營(yíng)措施[7]。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于遼寧東部，距桓仁縣城70 km，總面積1.5萬hm2。地理坐標(biāo)東經(jīng)124°49′06″～124°57′08″，北緯41°16′38″～41°21′10″。該區(qū)域氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。年降水量829.8 mm，降水較多；年平均濕度在70%，年最高氣溫約38 ℃，年最低氣溫約-32 ℃，年平均溫度在8 ℃，年平均無霜期一般在120 d以上[8]。

老禿頂子植被大部分以天然次生林為主，少部分為天然林，具有顯著的垂直分布帶[9]500。海拔<950 m為落葉闊葉林帶，950≤海拔<1 050 m為云冷杉與楓樺等共建種組成的混交林帶，1 050≤海拔<1 180 m為云冷杉暗針葉林帶，1 180≤海拔<1 250 m為岳樺林帶，1 250≤海拔<1 290 m為中山灌叢帶，海拔>1 290 m為毛榛子灌叢帶。土壤類型主要以棕壤和暗棕壤為主，多由花崗巖殘積母質(zhì)發(fā)育而成，結(jié)構(gòu)疏松，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，適宜多種植物的生長(zhǎng)繁育。主要的樹種有魚鱗云杉(Piceajezoensis)、黃樺(Betulacostata)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、紅松(Pinuskoraiensis)等，還混生有少量紫杉(Taxuscuspidata)、簇毛槭(Acerbarbinerve)、岳樺(Betulaermanii)和水榆花楸(Sorbusalnifolia)等[9]501。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選取遼寧省老禿頂子海拔963 m落葉闊葉林、1 036 m云冷杉與楓樺混交林、1 185 m岳樺林帶、1 300 m毛榛子灌叢帶4種典型林分土壤為研究對(duì)象。4種林分均為成熟天然次生林。根據(jù)實(shí)地情況在4種林分中分別設(shè)置3個(gè)面積為20 m×15 m的樣地，樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

2.2 樣品采集

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)按S型布點(diǎn)法取4個(gè)土壤剖面，除去表面的枯枝落葉層，每個(gè)剖面按0≤h(土層深度)<10 cm、10 cm≤h<20 cm、20 cm≤h<50 cm取樣，將各樣方各取樣點(diǎn)土壤樣品混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，共計(jì)48個(gè)土樣。同時(shí)，每一層用環(huán)刀取樣，用于測(cè)定土壤密度。

2.3 樣本分析

樣品經(jīng)自然風(fēng)干，然后除去雜質(zhì)，用四分法取樣并過2 mm篩備用。土壤密度采用常規(guī)方法測(cè)定，高溫外熱重鉻酸鉀容量法用來測(cè)定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[10]。氫氧化鈉熔融—火焰光度計(jì)法測(cè)定土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，硫酸—高氯酸消煮法用于測(cè)定土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，pH計(jì)法測(cè)定土壤pH值，半微量凱氏法測(cè)定土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[11]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

土壤剖面的有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式[12]為

Cd=Ci×Di×Ei×(1-Gi)÷10。

式中：Cd為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；Ci為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)；Di為土壤密度(g/cm3)；Ei為土層厚度(cm)；Gi為直徑>2 mm的石礫所占的體積分?jǐn)?shù)(%)。

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)單因素方差分析、LSD法多重比較及相關(guān)性的分析。用LSD法進(jìn)行方差分析，比較各林分全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、m(碳)∶m(氮)、有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異性，用同樣方法測(cè)同一林分不同層次之間的差異性。對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤基本理化性質(zhì)之間進(jìn)行回歸分析，以找到影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直分布特征

4種林分中，云冷杉與楓樺混交林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次岳樺林帶和毛榛子灌叢帶，落葉闊葉林最小(見表2)。各林地中，0≤h<10 cm土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于其它層次，占整個(gè)剖面土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的49%～61%。落葉闊葉林、毛榛子灌叢帶、岳樺林帶、云冷杉與楓樺混交林中0≤h<10 cm土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是10 cm≤h<20 cm中的2.1、1.5、1.4、1.3倍。

表2 不同林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示同一林分不同土層之間差異顯著(P<0.05)；同行不同大寫字母表示同一土層不同林分之間差異顯著(P<0.01)。

3.2 不同林分土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直分布特征

由表3可知，各林分0≤h<10 cm土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.52～4.31 g/kg，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為云冷杉與楓樺混交林、毛榛子灌叢帶、岳樺林帶、落葉闊葉林帶。各個(gè)林分的0≤h<10 cm土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占土壤剖面的48%～59%，說明土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也表現(xiàn)出明顯的表聚現(xiàn)象[13]。各林分的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層深度加深呈遞減趨勢(shì)，且各土層之間差異顯著，這與土壤有機(jī)碳的垂直分布規(guī)律基本一致。

表3 不同林分土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示同一林分不同土層之間差異顯著(P<0.05)；同行不同大寫字母表示同一土層不同林分之間差異顯著(P<0.01)。

3.3 不同林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

各林分隨著土層的加深，有機(jī)碳儲(chǔ)量明顯下降，且表現(xiàn)為差異顯著(見表4)。各林分0≤h<50 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量從大到小依次為云冷杉與楓樺混交林、毛榛子灌叢帶、岳樺林帶、落葉闊葉林帶。0≤h<10 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量占剖面有機(jī)碳總儲(chǔ)量百分比從大到小依次為落葉闊葉林帶、岳樺林帶、云冷杉與楓樺混交林、毛榛子灌叢帶。隨著土層的加深，各土層所占比重均有明顯下降趨勢(shì)。

表4 不同林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示同一林分不同土層之間差異顯著(P<0.05)；同行不同大寫字母表示同一土層不同林分之間差異顯著(P<0.01)。

3.4 土壤m(xù)(碳)∶m(氮)變化規(guī)律

各林分土壤剖面的m(碳)∶m(氮)=14.47～21.03，均小于25，說明氮素容易被礦化[14]。在岳樺林帶0≤h<10 cm土層m(碳)∶m(氮)=21.0，是所有林分不同土層中的最大值；最小值出現(xiàn)在毛榛子灌叢帶20 cm≤h<50 cm，土壤m(xù)(碳)∶m(氮)=14.5。毛榛子灌叢帶和岳樺林帶的土壤m(xù)(碳)∶m(氮)隨著土壤剖面深度增加不斷減小，符合土壤m(xù)(碳)∶m(氮)在剖面的一般變化規(guī)律[15]，然而云冷杉與楓樺混交林和落葉闊葉林帶沒有明顯的此規(guī)律。除云冷杉與楓樺混交林的20 cm≤h<50 cm土層的m(碳)∶m(氮)為其剖面的最大值，其余3個(gè)剖面的m(碳)∶m(氮)的最大值均出現(xiàn)在0≤h<10 cm。土壤m(xù)(碳)∶m(氮)各層次的最大值分別出現(xiàn)在岳樺林、云冷杉與楓樺混交林。

表5 不同林分土壤m(xù)(碳)∶m(氮)

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示同一林分不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

3.5 土壤有機(jī)碳與其它理化因子之間的相關(guān)關(guān)系

4種林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.882～0.936。各林分的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。除毛榛子灌叢土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值之間無顯著的相關(guān)性外，其他林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值之間存在極顯著負(fù)相關(guān)。各林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤m(xù)(碳)∶m(氮)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無顯著相關(guān)性。

表6 土壤有機(jī)碳與其它理化因子之間的相關(guān)關(guān)系

注：** 表示P<0.01；*表示P<0.05；n=3。

4 結(jié)論與討論

4.1 土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、m(碳)∶m(氮)的分布特征

本研究4種林分土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化具有明顯的垂直分布特征，都隨著剖面深度的增加而顯著減少，這與之前很多研究的結(jié)果一致[16]。同一林分不同土層間有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐層遞減，并存在顯著的差異性，其主要原因是不同土層間有機(jī)質(zhì)的輸入存在很大的差異[17]。一般來說，各林分枯枝落葉、地表植被凋落物和植物根系是有機(jī)質(zhì)的輸入的主要部分。土壤有機(jī)碳主要集中在0≤h<20 cm土層，占整個(gè)剖面的一半以上，說明土壤有機(jī)碳具有表聚特征。土壤表層積累了大量的枯枝落葉和植物凋落物使得表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高；且表層土壤結(jié)構(gòu)較好、土壤體積質(zhì)量小、透氣透水性好，有利于凋落物的分解，也間接提高了有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而氮素主要以生物固氮、植物殘?bào)w和大氣沉降為主要?dú)w還途徑[18]。各林分間土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布受林分類型、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物類型、枯落物的轉(zhuǎn)化分解等方面的綜合影響。

微生物分解有機(jī)質(zhì)最適的m(碳)∶m(氮)≈25∶1[19]，調(diào)查區(qū)域土壤剖面m(碳)∶m(氮)均<25∶1，說明該區(qū)域的有機(jī)氮容易礦化，直接導(dǎo)致土壤無機(jī)氮增加，能夠?yàn)橹参锾峁┳銐虻牡?，同時(shí)也容易造成土壤中氮素的大量流失。造成土壤m(xù)(碳)∶m(氮)較低的原因可能是在900 m以上高海拔處溫度低導(dǎo)致微生物活動(dòng)不活躍，從而導(dǎo)致枯落物和土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率降低[20]。

4.2 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布特征

不同林分有機(jī)碳來源及其數(shù)量和質(zhì)量的不同是森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在差異的主要原因。不同林分0≤h<10 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量均占整個(gè)剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的47%以上；0≤h<20 cm，有機(jī)碳儲(chǔ)量在整個(gè)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量中占的比重大于65%，且隨著土層的加深，土壤有機(jī)碳所占比重明顯下降，說明土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量具有表聚現(xiàn)象，這與梁?jiǎn)Ⅸi等研究結(jié)果一致。但是該地區(qū)0≤h<20 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量高于前人研究的37%～49%，可能與研究區(qū)域所處的氣候、降雨和環(huán)境因素有關(guān)。之前的研究表明，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔呈線性正相關(guān)關(guān)系。但在本研究中發(fā)現(xiàn)云冷杉與楓樺混交林有機(jī)碳儲(chǔ)量最大，與前人研究不符，需要進(jìn)行再深入的研究。

4.3 土壤有機(jī)碳與其理化因子之間的相關(guān)性

各林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與之前很多研究結(jié)果都相同。除毛榛子灌叢帶土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值無顯著相關(guān)外，其余林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與pH值存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；各林分的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與密度相關(guān)性顯著；然而各林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與m(碳)∶m(氮)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。這說明各林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分布規(guī)律受土壤理化理化性質(zhì)和其林分類型的影響[21]。

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Soil Organic Carbon Storage and Vertical Distribution of Carbon and Nitrogen under Different Forest Types in the Laotudingzi Mountain of Liaoning//

Zhao Junyong, Li Xiangyang, Li Suyan, Liu Yan, Zhang Junda

(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China);

Fan Jungang

(Liaoning Academy of Forestry)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：65-68，78.

Soil organic carbon; Soil carbon storage; Vertical distribution; Forest types; Laotudingzi Mountain

趙俊勇，男，1992年1月生，北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：827940048@qq.com。

孫向陽，北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail：sunxy@bjfu.edu.cn。

2016年3月1日。

S715.3

1)國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2014FY120700)。

責(zé)任編輯：戴芳天。