色季拉山林線典型植被有機(jī)碳垂直分布特征

王君惠 喻武

摘 要 探究色季拉山典型植被對土壤有機(jī)碳垂直分布的影響，為氣候變暖下碳循環(huán)機(jī)制分析奠定基礎(chǔ)。對色季拉山高山林線附近北坡杜鵑、急尖長苞冷杉、急尖長苞冷杉×杜鵑混交林和南坡杜鵑、方枝柏×杜鵑混交林、方枝柏SOC含量與土壤SOCD進(jìn)行探討，結(jié)果表明：色季拉山高山林線南、北坡土壤SOC含量與SOCD隨土壤深度增加而極顯著或顯著減小，且其SOC和SOCD分布均具有“表聚效應(yīng)”;混交林SOC、SOCD均大于純林;土壤深度與SOC總含量和SOCD均存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

關(guān)鍵詞 高山林線;土壤有機(jī)碳;有機(jī)碳密度;氣候變化

中圖分類號：S157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.28.014

土壤有機(jī)碳（SOC）是反映森林土壤肥力狀況的關(guān)鍵因素，測定其含量是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量的核心環(huán)節(jié)[1]。土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，主要來源于腐殖質(zhì)和動植物殘體[2-5]。森林土壤有機(jī)碳量占全球土壤碳量的73%，它與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，不僅對陸地碳庫及動態(tài)變化產(chǎn)生影響，也對全球碳收支平衡發(fā)揮重要作用[6]，更是衡量森林環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。高山林線是典型的生態(tài)交錯帶和分界線，對氣候變化異常敏感[7]，具有明顯的“邊緣效應(yīng)”，屬于當(dāng)今全球氣候變化的研究熱點(diǎn)[8]。在氣候變化背景下，將導(dǎo)致林線海拔和土壤有機(jī)質(zhì)分解速率發(fā)生變化[9-10]，并影響SOC儲量和土壤溫室氣體排放。此外，高山林線區(qū)域冬季氣候寒冷，積雪覆蓋、土壤凍結(jié)，影響有機(jī)碳分解和其動態(tài)變化[11-15]，氣候變化使枯落物和SOC分解速率發(fā)生變化，導(dǎo)致高山林線土壤在春季排放更多溫室氣體，進(jìn)一步促進(jìn)氣候變化進(jìn)程[16]。

色季拉山位于西藏東南部林芝地區(qū)境內(nèi)，植被帶譜完整，具有較典型的高山林線。有研究表明，世界上林線海拔最高的區(qū)域位于我國青藏高原東南部[17-18]，中國科學(xué)院青藏高原綜合考察組發(fā)現(xiàn)并印證了林線海拔最高川西云杉林分布在4 600 m，大果圓柏分布在4 900 m[19]。而對位于林芝境內(nèi)色季拉山高山林線的研究不多，且主要集中在小氣候特征[20-21]和森林群落多樣性[22]。近年來，隨著溫度升高、林窗形成等氣候變化，其林線過渡帶的部分植物物種有向上遷移的趨勢[22]，這一趨勢對高山林線土壤碳收支產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變其SOC儲量，并可能對區(qū)域氣候進(jìn)程發(fā)揮作用[23]。高山林線上侵是否改變色季拉山乃至青藏高原林線土壤有機(jī)碳庫的“源”“匯”平衡，仍需進(jìn)一步研究。色季拉山小尺度土壤固碳特征的研究，可減少對青藏高原大尺度研究中的誤差，提高研究土壤碳庫的精準(zhǔn)度，有助于探究林線隨局部環(huán)境或立地條件改變而上下波動的原因，并為后續(xù)青藏高原土壤有機(jī)碳固定速率及碳循環(huán)的研究奠定基礎(chǔ)。

本研究選擇色季拉山高山林線附近典型植被下的土壤為研究對象，其中以北坡：杜鵑、急尖長苞冷杉×杜鵑混交林、急尖長苞冷杉，南坡：杜鵑、方枝柏×杜鵑混交林、方枝柏群落為主，探討其土壤有機(jī)碳（SOC）和土壤有機(jī)碳密度（SOCD）特征，以期為該區(qū)氣候變化下的林線升降和碳遷移特征研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

色季拉山屬念青唐古拉山脈，是尼洋河流域與帕隆藏布江的分水嶺[13]。本研究區(qū)域位于中山大學(xué)青藏高原特色資源科學(xué)工作站（A站），具體位于318國道林芝地區(qū)八一公路段113道附近的林線地帶（29.36°N，94.35°E），海拔超過4 100 m。公路北側(cè)（陰坡）分布著以急尖長苞冷杉（Abies georgei var. smithii）為主的原始林，而南側(cè)（陽坡）則是以方枝柏（Juniperus saltuaria）為主的原始林，形成兩樹種林分的相對分布景觀。在林線過渡帶，以常綠灌木薄毛海綿杜鵑（Rhododendron aganniphum var. schizopeplum）為優(yōu)勢種，廣泛分布于其中，并在林內(nèi)形成2～3 m高的杜鵑矮曲林，成為亞高山森林的亞冠層;在林線之上，該物種作為優(yōu)勢種密集分布，形成典型的高山常綠灌叢，植被高度在0.5～2.0 m，并呈現(xiàn)隨海拔增加而顯著降低的趨勢[24]。常見的伴生灌木為黃毛海綿杜鵑（Rhododendron aganniphum var. flavorufum），一些落葉灌木如山生柳（Salix oritrepha）、西南花楸（Sorbus rehderiana）、柳葉忍冬（ Lonicera lanceolata）、華西忍冬（Lonicera webbiana）、峨眉薔薇（Rosa omeiensis） 、冰川茶藨子（Ribes glaciale）和高山繡線菊（Spiraea alpina）等通常分布在林緣、林窗等地。林下物種主要包括巖白菜（Bergenia pur-purascens）、掃帚巖須（Cassiope fastigiata）、毛小葉墊柳（Salix pilosomicro-phyua）、委陵菜（Potentilla spp.）和長鞭紅景天（Rhodiola fastigiata）等[24-25]。

1.2? 樣地設(shè)置

樣品采集于2020年7—9月。在北坡杜鵑（RH）、急尖長苞冷杉（AG）、急尖長苞冷杉×杜鵑混交林（AR）和南坡杜鵑、方枝柏×杜鵑混交林（JR）、方枝柏（JS）群落內(nèi)，各設(shè)置3個20 m×20 m樣地，在每個樣地內(nèi)采用“五點(diǎn)混合法”取樣，并將混合后土壤作為1個樣品。采用分層挖方法，挖取深度為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土壤。將采集的土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，揀出草根和石塊，用四分法取適量土樣，研磨，過2 mm篩用于土壤化學(xué)性質(zhì)檢測。同時，使用直徑5 cm環(huán)刀分層采集原狀土壤用于物理性質(zhì)檢測，每層3個。樣地基本情況見表1。

1.3? 試驗方法

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1.4? 數(shù)據(jù)處理

1.4.1? 計算公式

某土層的土壤有機(jī)碳密度計算公式：

SOCD=SOC×D×E×（1-V）/10? （1）

（1）式中，SOCD為有機(jī)碳密度;SOC為有機(jī)碳含量;D為土層厚度;E為土壤容重;V為直徑≥2 cm礫石所占百分比。

1.4.2? 數(shù)據(jù)處理

在SPSS 22.0中對不同植被類型SOC、SOCD的差異顯著性檢驗采用LSD法，并在差異顯著時進(jìn)行多重比較;采用Pearson檢驗分析土壤深度與土壤有機(jī)碳含量及密度間的相關(guān)性，顯著性水平α=0.05;數(shù)據(jù)分析和繪圖采用Origin。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 土層深度對土壤SOC含量的影響

由圖1可知，不同植被SOC含量最大值出現(xiàn)在0～20 cm土層，并具有明顯的“表聚效應(yīng)”。三種類型植被0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤SOC含量總和分別為324.05、179.97、138.21、81.93 g·kg-1，分別占整個剖面總和的44.75%、24.85%、19.09%、11.31%。在0～20 cm土層，SOC含量南、北坡混交林最高，高山灌叢次之，高山森林最小。不同植被土壤在20～40 cm土層SOC含量存在明顯差異。

2.2? 土層深度對土壤SOCD的影響

由圖2可知，南、北坡高山灌叢和混交林隨土層深度增加而減小，高山森林土壤SOCD隨著土壤深度增加出現(xiàn)先增加后減少的趨勢。0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤SOCD總和分別為476.60、356.31、291.81、180.75 g·cm-2，分別占整個剖面總和的36.51%、27.29%、22.35%、13.85%。南坡三種類型的植被土壤剖面SOCD總和為728.22 g·cm-2，各樣地分別占29.60%（RH）、37.60%%（AG）、32.80%（AR），北坡土壤SOCD總和為577.25 g·cm-2，各樣地分別占30.76%（RH）、31.52%（JR）、37.72%（JS），且有隨海拔升高而降低的趨勢，仍需進(jìn)一步研究。南坡0～20 cm土層SOCD最高（AG），達(dá)118.49 g·cm-2。

2.3? 土層深度與有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度之間的相關(guān)性

根據(jù)測定值進(jìn)行統(tǒng)計分析表明，SOC、SOCD與土層深度的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.823**、-0.807**，SOC與SOCD的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.873**。即土層深度與土壤SOC、SOCD皆存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），土壤SOC與SOCD呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

3? 討論

森林土壤碳儲量對全球氣候變化產(chǎn)生巨大影響[26-27]，研究其垂直分布特征對土壤有機(jī)碳應(yīng)對氣候變化的響應(yīng)有重要意義[28]。林分類型使微生物群落和分解速率不同，進(jìn)而使其土壤有機(jī)碳含量存在差異[29]，大量學(xué)者認(rèn)為，植被類型影響土壤有機(jī)碳垂直分布格局[30]，本研究也證明了林分類型對土壤有機(jī)碳含量垂直分布有顯著影響。部分研究表明，土壤有機(jī)碳含量混交林高于純林[31]，而王靜等認(rèn)為純林土壤碳儲量高于混交林[32]。

色季拉山高山林線南、北坡三種植被土壤SOC含量隨土壤深度增加而減小;土壤SOCD，南、北坡高山灌叢和混交林隨土層深度增加而減小，高山森林隨著土壤深度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。南坡0～20 cm SOC分別占剖面總和的51.14%（RH）、49.73%（AG）、34.04%（AR），北坡0～20 cm SOC分別占剖面總和的43.87%（RH）、51.82%（JR）、34.10%（JS），有明顯的“表聚效應(yīng)”，這與許多研究結(jié)論一致[23，33-34]。由于表層枯落物和腐殖質(zhì)層較厚，微生物分解其產(chǎn)生含C化合物，對SOC的積累產(chǎn)生一定影響，因而表層土壤的碳儲存能力較強(qiáng)，隨著土層深度的增加，枯落物和植物根系分布減少，有機(jī)質(zhì)來源減少，微生物分解速率降低，SOC的積累速率也隨之降低[35]。

色季拉山高山林線，南坡混交林（AG）SOC含量最高（161.40 g·kg-1），高山灌叢（RH）次之，高山森林（AR）最小;土壤剖面總SOCD也是AG樣地最大（273.79 g·cm-2）。色季拉山南、北坡高山森林土壤剖面SOC總含量（216.56 g·kg-1）和總SOCD（456.60 g·cm-2）均大于高山灌叢（210.96 g·kg-1、393.09 g·cm-2），說明高山森林土壤碳匯能力強(qiáng)于高山灌叢，與謝錦[36]、吳雅瓊[37]等的研究結(jié)果一致。

4? 結(jié)論

林分類型對土壤有機(jī)碳垂直分布有顯著影響，且混交林大于純林;南、北坡不同植被SOC含量與SOCD均隨著土壤深度的增加而顯著減小（P<0.01）;SOC與SOCD存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）