天山云杉林土壤有機碳含量沿海拔梯度變化

羅 磊，王 蕾，高 健，娜迪提，帕提古麗，高亞琪，施英俊

(1.新疆林科院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830063；2.烏魯木齊市沙依巴克區(qū)園林隊，烏魯木齊 830000；3.兵團林業(yè)管理總站，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳庫，成為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球碳循環(huán)中產(chǎn)生源、匯、庫的作用[1-2]。土壤有機碳(SOC)不僅為植被生長提供碳源、維持土壤良好的物理結(jié)構(gòu)，同時也向大氣提供碳源。森林土壤中的有機碳主要來源于枯枝落葉分解、積累，由于不同林分條件下形成的凋落物化學(xué)組成不同，因此，土壤活性碳庫存在一定的差異[3-4]。海拔作為影響森林群落結(jié)構(gòu)和物種組成的重要環(huán)境因子之一，包含了多種環(huán)境因子的梯度效應(yīng)，隨著海拔變化，產(chǎn)生的溫度、物種類型及土層結(jié)構(gòu)的變化，均會對土壤有機碳含量產(chǎn)生影響[2,5]。【前人研究進展】目前，國內(nèi)外學(xué)者對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量進行了全方面、多尺度的研究[6-12]，這些研究所涵蓋的森林類型和氣候條件都不盡相同，所用方法也豐富多樣，研究結(jié)果存在著很大差異[13]。土壤碳儲量在不同尺度上均存在較高的空間變異性，這對土壤碳儲量的估算帶來了不確定性。研究干旱區(qū)區(qū)域尺度上土壤碳庫的空間變異性及其主要影響因素，對于我國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的精確估算具有重要的指導(dǎo)意義[14]。天山是植被類型單一、結(jié)構(gòu)相對簡單的山地生態(tài)系統(tǒng)，氣候條件與云杉林生長趨勢影響著土壤有機碳含量的變化[15]。有關(guān)天山云杉的研究多集中在相近海拔或相似的環(huán)境條件中或者只針對某一地點的不同海拔高度天山云杉種群開展研究[16]?！颈狙芯壳腥朦c】目前針對單一植被類型的山地生態(tài)系統(tǒng)進行土壤有機碳含量隨海拔梯度規(guī)律的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選擇新疆沙灣縣、奇臺縣以及烏魯木齊南山天山云杉林進行垂直樣帶調(diào)查，分析處于不同經(jīng)度位置的天山云杉林土壤有機碳含量以及其他因子隨海拔梯度的變化規(guī)律，對天山北坡天山云杉林土壤碳、氮儲量垂直分布特征進行研究，為區(qū)域尺度上估算新疆森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

天山北坡屬中溫帶大陸性干旱氣候，水資源缺乏。由于獨特的地理環(huán)境，天山北坡形成了立體型的多態(tài)氣候，自北向南，從低到高，年平均氣溫從10℃下降至-9℃，年平均降水量從80 mm增加到600 mm左右[17-18]。天山北坡針葉林主要分布于天山北坡海拔1 500～2 750 m的陰坡和半陰坡,針葉林建群種為天山云杉, 但在東部部分林區(qū)出現(xiàn)了少量天山云杉(PiceaSchrenkiana)和西伯利亞落葉松(Larixsibirica)的混交林。針葉林土壤成土母質(zhì)主要為黃土狀物質(zhì)和鈣質(zhì)巖石風(fēng)化物, 也有坡積物和冰磧物, 林下發(fā)育的山地灰褐色森林土是天山分布最集中、面積最大的山地森林土壤類型[19,20]。根據(jù)天山山脈氣候、地形等環(huán)境條件的差異，選擇天山北坡中東部的奇臺林區(qū)、中部的烏魯木齊南山林區(qū)及相對偏西部的沙灣林區(qū)作為研究區(qū)域，樣地東西跨度約400 km，南北跨度約80 km，分別代表天山北坡3種不同的環(huán)境條件，并在每個林區(qū)選擇一個斷面進行土壤采樣與分析。圖1，表1

圖1 試驗樣地位置

Fig.1 Test sample location

表1 試驗樣地概況

Table 1 General information of the experimental sites

地名Place name樣地編號Sites number緯度Latitude(N)經(jīng)度Longitude(E)海拔梯度Elevation gradients (m)坡度Slope gradient(°)坡向Slope aspect坡位Slope position平均胸徑Mean DBH(cm)平均樹高Mean height(m)烏魯木齊南山Urumqi South MountainWN-143°24′47″87°22′35″1 80023北下158WN-243°22′51″87°24′09″2 00028北中2510WN-343°19′47″87°21′34″2 20021西北中下4011WN-443°19′53″87°23′18″2 40025北中下5018奇臺Strange platformQT-143°35′08″89°41′07″1 80035北下2324QT-243°33′18″89°48′18″2 00018西北中6525QT-343°33′07″89°35′58″2 20015北下5323QT-443°32′23″89°35′21″2 40030東南中5818沙灣Sha WanSW-143°54′17″85°31′21″1 80030西南下2830SW-243°53′58″85°31′07″2 00025西北下3222SW-343°53′40″85°31′25″2 20045南中2516SW-443°56′34″85°08′06″2 40020北中2322.5

根據(jù)天山云杉垂直分布特征，由東向西選取了奇臺林區(qū)，烏魯木齊南山林區(qū)、和沙灣林區(qū)的天山云杉森林作為研究對象，分別在3個林區(qū)的1 800～2 400 m海拔范圍內(nèi)采集土壤剖面，按每200 m一個海拔梯度，在每個梯度內(nèi)設(shè)置20 m×20 m的樣地，土樣的采集采用挖土壤剖面法，采集時間為2013年10月，每個樣地挖取3個1 m深的土壤剖面，不足1 m的挖到基巖為止。表層土壤(0～10 cm)采用多點混合取樣法，以減小表層土壤的異質(zhì)性；土壤分層標(biāo)準(zhǔn)按照0～10 cm(T1)、10～20 cm(T2)、20～30 cm(T3)、30～50 cm(T4)、50～100 cm(T5)劃分。在3個斷面采集36個剖面，共采集360個土樣。

1.2 方 法

將采集的土壤樣品帶回實驗室，置于室內(nèi)風(fēng)干，去雜質(zhì)，過篩，用于測定土壤有機碳、全氮、全磷和pH值含量。土壤有機碳采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法；土壤全氮采用凱氏定氮法；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法[21-22]，土壤pH值用電位法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有指標(biāo)測定均重復(fù)3次，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同海拔梯度下各土層厚度土壤有機碳含量之間的差異(α=0.05)，用Pearson相關(guān)系數(shù)評定各因子間的相關(guān)關(guān)系。數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析采用SPSS 20.0和Excel 2010軟件完成。繪圖采用Sigmaplot 12.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 天山云杉林土壤基本特征

研究表明，三個樣點土壤屬性特征為：奇臺和烏魯木齊南山林場的有機碳含量及全氮含量均高于沙灣。奇臺縣全磷含量大于烏魯木齊南山和沙灣。奇臺縣和沙灣縣酸堿度均值相同，小于烏魯木齊南山林場。在3種不同的環(huán)境條件下，云杉林土壤屬性均值各不相同，但是其屬性變化與各樣區(qū)環(huán)境條件密切相關(guān)[23]。奇臺和烏魯木齊南山土壤水熱組合條件較好，土壤有機碳、全氮和全磷含量較高。表2

表2 土壤因子基本特征

Table 2 Means of soil basic properties

有機碳含量SOC (g/kg)全氮TN (g/kg)全磷TN (g/kg)酸堿度pH奇臺 Strange platform62.78±49.014.25±2.430.99±0.226.6±0.4烏魯木齊南山 Urumqi South Mountain64.67±43.684.04±2.610.71±0.207.2±0.7沙灣 Sha Wan60.34±49.423.73±2.540.75±0.296.6±0.5

2.2 不同海拔土壤剖面有機碳變化

不同海拔梯度下，不同林區(qū)土壤含量隨著土層深度呈逐漸減少的趨勢。云杉林的有機碳含量在13～172 g/kg，其中烏魯木齊南山的云杉林區(qū)海拔2 200 m處土壤T1層有機碳含量達到最大值172 g/kg，而沙灣樣區(qū)同樣的海拔高度T5層出現(xiàn)有機碳最小值13 g/kg。方差分析表明，海拔1 800 m處沙灣樣區(qū)的T1和T5層云杉林土壤有機碳含量存在顯著差異，奇臺林區(qū)T3、T5層分別與T1層有機碳存在明顯的顯著性差異，而烏魯木齊南山林區(qū)T4和T5層的有機碳含量達到顯著水平。海拔2 000 m處三個林區(qū)T1和T3以及T3和T5的有機碳含量均差異顯著。海拔2 200 m處沙灣林區(qū)T1和T5層有機碳含量存在差異，奇臺林區(qū)T1層有機碳分別與T4、T5層明顯達到顯著水平，而烏魯木齊南山林區(qū)T1層分別與T2、T3、T4、T5的有機碳均存在顯著差異。海拔2 400 m處，三個林區(qū)T1和T5層有機碳含量明顯達到顯著水平。海拔梯度對有機碳含量的影響比較明顯，即2 000和2 200 m處的有機碳含量最高，1 800 m處次之，而2 400 m處最低。圖2

圖2 不同海拔云杉林各土層有機碳含量

Fig.2 Soil organic carbon of different soil layers in spruce forest for different altitude

2.3 不同樣區(qū)土壤有機碳含量變化

研究表明，T1層三個樣區(qū)有機碳含量隨海拔梯度上升均呈先增后降的趨勢。T2和T3層沙灣林區(qū)隨海拔梯度增加呈逐漸減少的趨勢?？偟目磥?，三個林區(qū)有機碳含量在不同土層厚度中隨海拔高度的增加無明顯規(guī)律。這是由于不同的三個林區(qū)雖然海拔高度相同，但地理位置存在差異，即坡度、坡向、坡位以及云杉林的年齡都各不相同，在不同海拔各林區(qū)有機碳含量表現(xiàn)的不一致，環(huán)境因子以及林分本身的特點對植被有機碳的分解帶來一定的影響。圖3

2.4 天山云杉林土壤因子間相關(guān)性

土壤氮含量特別是全氮含量在很大程度上決定于土壤總有機碳含量。對4個海拔高度云杉林土壤有機碳和全氮進行線性擬合，結(jié)果表明，二者之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，R2達到0.91。圖4

不同的海拔高度對土壤有機碳和全磷進行線性擬合，研究表明，各海拔梯度下，二者之間均存在正相關(guān)關(guān)系，R2為0.84。圖5

不同海拔高度土壤pH值在6.5～6.9，土壤有機碳與土壤pH值之間存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖6

圖3 不同林區(qū)云杉林各土層有機碳含量

Fig.3 Soil organic carbon of different soil layers in spruce forest for different forest region

圖4 云杉林有機碳含量與全氮關(guān)系

Fig.4 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen in spruce forest

圖5 云杉林有機碳含量與全磷關(guān)系

Fig.5 Relationship between soil organic carbon and total phosphorus in spruce forest

圖6 云杉林有機碳含量與酸堿度關(guān)系

Fig.6 Relationship between soil organic carbon and pH in spruce forest

在自然條件下，土壤有機碳的分布主要受氣候、植被、土壤質(zhì)地及土壤母質(zhì)等因素的影響[24]。研究表明，土壤各土層有機碳含量與全氮極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤全磷含量顯著正相關(guān)，與土壤pH值為弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。表3

表3 不同海拔梯度土壤有機碳含量與土壤其他因子相關(guān)性

Table 3 The statistic character and association of SOC content with soil other factors by elevation gradients

海拔梯度Elevation gradients(m)有機碳含量SOC content(g/kg)標(biāo)準(zhǔn)差Std. deviation相關(guān)性 Correlation analysis全氮Total nitrogen全磷Total phosphorus酸堿度pH1 80061.739 142.792 840.945??0.433??-0.2622 00075.997 846.766 950.952??0.671?? -0.571??2 20076.180 659.704 840.972??0.689??-0.2872 40036.467 420.307 670.317?0.120 -0.527??

注：*在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；n=45

Note：*significant correlation at level 0.05 (bilateral)**significant correlation at level 0.01 (bilateral)

3 討 論

研究表明，不同海拔梯度下，不同樣區(qū)土壤有機碳含量隨著土層深度呈逐漸減少的趨勢，與武小鋼[2]、徐秋芳等[25]研究結(jié)果相似。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因，主要是由于有機碳在土壤剖面上的分布特征與動植物分布和活動有關(guān)系，土壤表層積累了大量的動植物腐質(zhì)層，分解后在土壤表面產(chǎn)生了很多有機質(zhì)，同時在 0～20 cm 深的土層范圍內(nèi)集中了大量植被的根系，因此，這一層的有機碳含量明顯高于其它的土層。隨著土層越來越深，植物根系也就越來越少，腐殖質(zhì)含量相對表層土壤大幅減少，因此，土層沿垂直方向越往下，其有機碳含量就越少。另外土壤的下部，受動植物影響相對小很多，且土壤母質(zhì)比較穩(wěn)定，因此，土層較深的有機碳含量在隨著土層加深，其有機碳含量的變化反而比較小[26]。

研究中，海拔梯度對有機碳含量的影響比較明顯，尤其2 000 m和2 200 m處的有機碳含量最高，烏魯木齊南山林區(qū)土壤T1層有機碳含量達到172 g/kg；1 800 m處次之，沙灣林區(qū)土壤T1層有機碳含量為112 g/kg；而2 400 m處最低，奇臺縣林區(qū)土壤T1層有機碳含量為65 g/kg。劉貴峰等[27]研究表明，在海拔1 800～2 200 m，天山云杉林密度隨海拔的增加而增加，在海拔2 200～2 600范圍內(nèi)隨海拔的增加不斷降低[28]，天山云杉林有機碳含量與云杉林密度密切相關(guān)。

土壤各土層有機碳含量與全氮極顯著正相關(guān)，與土壤全磷含量顯著正相關(guān)與土壤pH值為弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與苗娟等[29]、祖元剛等[30]、張鵬等[31]研究結(jié)果保持一致。

4 結(jié) 論

三個林區(qū)有機碳含量在不同土層厚度中隨海拔高度的增加無明顯規(guī)律。這是由于不同的三個林區(qū)雖然海拔高度相同，但地理位置存在差異，即坡度、坡向、坡位以及云杉林的年齡都各不相同，因此，在不同海拔各林區(qū)有機碳含量表現(xiàn)的不一致，這說明環(huán)境因子以及林分本身的特點對植被有機碳的分解帶來一定的影響。

對4個海拔高度云杉林土壤有機碳和全氮、全磷以及pH值進行線性擬合發(fā)現(xiàn)，土壤各土層有機碳含量與全氮極顯著正相關(guān)，與土壤全磷含量顯著正相關(guān)與土壤pH值為弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。