帽兒山次生林區土壤有機碳儲量及地形因子的影響

帽兒山次生林區土壤有機碳儲量及地形因子的影響

姜航，高菲，崔曉陽*

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

摘要：在帽兒山次生林區，按坡位、坡向差異對等設置20塊樣地，采集1 m剖面深度范圍內不同發生層土樣，研究了地形因子(坡位、坡向、坡度)對土壤有機碳含量、有機碳密度的影響，并通過逐步回歸分析量化各因子對土壤有機碳密度變異影響的相對重要性。結果表明，本區土壤剖面有機碳密度為8.89～31.31 kg/m`2，具有較大的空間變異性。土壤有機碳的表聚特征十分明顯，平均而言，A層集中了全剖面總有機碳的53.2%。坡位和坡向顯著影響土壤有機碳的分布：平均而言，下坡A層有機碳密度是上坡的1.95倍，其1 m剖面有機碳密度是上坡的1.67倍；陰坡A層有機碳密度是陽坡的1.38倍，其1 m剖面有機碳密度是陽坡的1.23倍。不過，在所調查的范圍內坡度對上、下坡土壤有機碳含量和密度均無顯著影響。逐步回歸顯示，坡位是土壤有機碳數量分異的主控因子，可獨立解釋A層有機碳密度空間變異的61.25%和1 m剖面有機碳空間變異的64.0%。研究結果可為區域森林土壤碳儲量準確估算和碳匯林立地選擇提供參考。

關鍵詞：土壤有機碳；空間變異；地形

中圖分類號：S 714.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)03-0015-06

Abstract：In the secondary forest region of Mao，er Mountains，a total of 20 sampling plots were established symmetrically in accordance with the position and aspect of slope，and soil samples representing different genetic horizons were collected within a profile depth of 1m.The effects of topographical factors(the position，aspect，and gradient of slope)on soil organic carbon(SOC)content and density were investigated.Stepwise regression analysis was employed to quantify the relative influence of each factor.The SOC density within 1m profile ranged from 8.89 to 31.31 kg/m`2，of which 53.2% was concentrated in the A horizon on average.SOC distribution was significantly influenced by slope position and aspect.Downslope sites hold 95% more SOC in the A horizon and 67% more SOC in the 1m profile than upslope sites，while ubac sites hold 38% more SOC in the A horizon and 23% more SOC in the 1m profile than adret sites，respectively.No significant relation was found between the amount of SOC and the gradient of slope，when the down-or upslope sites were examined alone.Stepwise regression analysis suggested that slope position was the dominating factor，which alone could explain 61.2% of the spatial variability of SOC density for the A horizon and 64.0% for the 1m profile.The results of this study have implications for accurate estimation of SOC stock in hilly areas，and for site selection of carbon sink forests.

Keywords：soil organic carbon；spatial variability；topography

收稿日期：2014-12-25

基金項目：國家“十二五”科技支撐項目(2011BAD37B0103)

作者簡介：第一姜航，碩士研究生。研究方向：森林土壤。

通訊作者：`*崔曉陽，博士，教授。研究方向：森林土壤。

Soil Organic Carbon Storage and Effects of Topographical Factorsof the Secondary Forest Region of Mao，er Mountains

Jiang Hang，Gao Fei，Cui Xiaoyang*

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

E-mail：c_xiaoyang@126.com

引文格式：姜航，高菲，崔曉陽.帽兒山次生林區土壤有機碳儲量及地形因子的影響[J].森林工程，2015，31(3)：15-20.

森林土壤是森林生態系統的重要組成部分，也是陸地生態系統最大的有機碳庫之一，對于調節全球碳平衡和減緩大氣CO2濃度上升具有不可替代的作用[1-3]。因此，關于森林土壤有機碳儲量、分布及其影響因素等方面研究得到了廣泛關注。國內關于森林土壤有機碳儲量和分布的研究多集中在全國尺度[4-6]、省域尺度[7-8]、地區尺度[9-10]等大中尺度上。森林土壤有機碳因受到氣候條件、植被類型、成土母質、地形因子、土壤類型和經營管理等因素的綜合影響，其分布具有極大的變異性，這給其碳庫的估算帶來了較大的不確定性。本文以帽兒山次生林區為例，在區域氣候、植被和土壤類型較一致的前提下，根據不同地形(坡位、坡向、坡度)土壤有機碳測定數據，探討土壤有機碳的分布規律，分析其主控因素，以期為區域森林土壤碳儲量準確估算和碳匯林立地控制提供科學依據。

1研究方法

1.1　樣地描述

帽兒山為我國東北重要的國家森林公園之一。地貌為典型的低山丘陵，由南向北漸高。地帶性植被為以紅松(Pinuskoraiensis)為主的針闊葉混交林，原生植被破壞后，現大面積分布的是蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Pobulusdavidiana)和硬闊等次生林。本文所涉調查區為帽兒山的典型低山丘陵次生林區，海拔大部分在300 m左右，地形起伏較平緩。地帶性土壤類型為溫帶濕潤針闊混交林下發育的暗棕壤，其母質以花崗巖風化坡積物為主。在氣候、植被、母質、地形和時間五大自然成土因素中，區域氣候、植被、母質和時間因素基本一致，現植被和土壤類型以及管理水平也較為一致，地形被認為是引起區內土壤有機碳空間分異的主要因素。

在區內典型次生林下，選擇5個相對獨立的地貌單元(山頭)；每個單元按照坡位(上、下)和坡向(陽、陰)差異，對等設置4塊標準樣地(30 m ×30 m)；共設置20塊樣地。由于調查范圍內海拔差異較小，不足以引起氣候和植被的顯著分異，所以未考慮海拔因素。

1.2　樣品采集

每塊樣地典型部位設置1個主剖面，按照發生層A、AB、B、C 4個發生層分層取樣。其中，A為腐殖質層，AB為過渡層，B為淀積層，C為母質層；剖面深度控制在1 m。對于所有剖面而言，此深度均可采集到完整的B層，但大多數剖面C層僅能采集到其上部(1 m以下未采集)。每個土層采用原位立方土柱法采樣：剖面分層后現場記錄土層深度，然后按自上而下順序采樣，A、AB層采集橫截面為10 cm×5 cm的立方土柱，B、C層根據需要采集橫截面為10 cm×10 cm 或20 cm×20 cm的立方土柱，土柱取樣深度為整個土層厚度；將立方土柱內的土壤和石礫用土刀全部收集在容器中，當下部土層中大石礫含量較高導致取樣體積不規則時，用薄膜袋注水法估測取樣體積[11]。

考慮到A層的空間變異性較大，所以每塊樣地除主剖面外，另隨機設置2個輔助樣點，同上采集A層土樣，并記錄A層厚度。

1.3　樣品制備與整合

土壤濕樣品撿去根系，無損風干、稱重(W1)，過2 mm篩。制樣后將篩出的2 mm以上石礫合并稱重(W2)，計算石礫含量；土壤密度根據W1和實際取樣體積估算。過2 mm篩的土樣在容器內充分混勻，取適量進一步用瑪瑙球磨碎，過100目篩，混勻，裝瓶備用。各樣地A層采樣重復數為3(1主剖面+2輔助樣點)，為減小分析工作量，對3次重復樣品按<2 mm細土質量加權平均，組成1個代表該樣地的混合樣。

1.4　分析方法

土壤樣有機碳含量(SOCC)利用C/N分析儀(Heraeus Elementar Vario EL，Hanau，Germany)直接測定。土壤有機碳密度計算方法如下：

SOCD=SOCC×d×D×(1-G)×10-2，

式中：SOCD為土壤有機碳密度，kg/ m2；d為土壤容重，g/cm3；D為土層深度，cm；G為>2 mm的石礫含量，%。

1.5　數據統計

數據統計采用SPSS 16.0數據統計包。不同坡位、坡向的土壤有機碳采用單因素方差分析比較差異水平；當數據不滿足正態分布條件時，則用非參數檢驗方法中的符號秩和檢驗[12]。利用相關和回歸分析土壤有機碳與坡度的關系，并利用多元逐步回歸分析來判定土壤有機碳分布的主控因素。坡位和坡向為分類變量，進行逐步回歸分析時采用啞變量(Dummy Variable)為其賦值[13]。

2結果分析

2.1　土壤有機碳總體數量特征

各層次土壤有機碳含量和有機碳密度見表2。土壤A層有機碳含量均值高達62.27g/kg，向下銳減。各土層有機碳含量相應變異系數分別為18.3%、27.3%、45.4%和76.4%，表明隨土層加深，土壤有機碳含量的變異程度增大。按變異程度的等級劃分[14]，各層有機碳含量均屬中等變異。

土壤有機碳密度在A層最高(占全剖面的53.2%)，表聚現象十分明顯；但并不是隨土層加深而遞減，B層明顯高于AB 層，見表2。有機碳密度的變異程度B層明顯高于A層和AB層，但三層及1 m剖面均屬中等變異。1 m剖面土壤有機碳密度在8.89～31.31 kg/m2，算術均值為16.18 kg/m2。

表1　不同土壤層次有機碳含量和有機碳密度( n=20 Tab.1 Soil organic carbon content and organic carbon density：a list of genetic horizon statistics

2.2　坡位的影響

各土層有機碳含量都表現出下坡高于上坡的趨勢(如圖1所示)，且A、B兩層均是下坡顯著高于上坡(P<0.05)。坡位對土壤有機碳密度的影響更加顯著，A、B兩層有機碳密度均表現為下坡極顯著高于上坡(P<0.01)。從1 m剖面來看，下坡土壤有機碳密度均值比上坡高67.2%。可見，坡位是影響土壤有機碳分布的重要因素。

圖1　不同坡位各土層有機碳含量和有機碳密度(x±s，n=10) Fig.1 Soil organic carbon content and organic carbon density as affected by slope position NS表示同土層差異不顯著(P>0.05)，*表示同土層差異顯著(P<0.05)，**表示同土層差異極顯著(P<0.01)

2.3　坡向的影響

不同土層土壤有機碳含量(除C層)和有機碳密度(除B層)均表現出陰坡大于陽坡的趨勢(如圖2所示)。對于土壤有機碳含量來說，除A層外各土層陰坡和陽坡的差異均不顯著(P>0.05)；土壤有機碳密度也一樣，僅A層表現為陰坡顯著大于陽坡(P<0.05)。可見坡向對表層土壤有機碳影響較大，表層以下幾乎無影響。陰坡1 m剖面有機碳密度高于陽坡，比陽坡增加了22.7%。因此，相對而言，坡向對土壤有機碳儲量的影響尚不及坡位的影響大如圖1和圖2所示。

圖2　不同坡向各土層有機碳含量和有機碳密度(x±s，n=10) Fig.2 Soil organic carbon content and organic carbon density as affected by slope aspect NS表示同土層差異不顯著(P>0.05)，*表示同土層差異顯著(P<0.05)，**表示同土層差異極顯著(P<0.01)

2.4　坡度的影響

全部樣地從整體上統計，A層土壤有機碳密度與坡度呈極顯著負相關，1 m剖面的有機碳密度也與坡度呈極顯著負相關(如圖3所示)。然而，若上、下坡分組進行統計，則各層土壤有機碳含量和有機碳密度與坡度的相關性，以及1 m剖面的有機碳密度與坡度的相關性均不顯著(數據未顯示)。由圖3可看出，盡管上、下坡點據的分布都較分散，但分群特征比較明顯，這將在很大程度上導致整體相關關系的顯著性。因此，從整體上統計得出的土壤有機碳與坡度的相關性其實是一種假象，它體現的仍然主要是坡位差異。在所調查的坡度范圍內，土壤有機碳含量、有機碳密度并不受坡度的顯著影響。

圖3　土壤有機碳密度與坡度的關系(n=20) Fig.3 Relationship between SOC density and the gradient of slope ○示上坡位點據，△示下坡位點據

2.5　土壤有機碳儲量的主控因素-逐步回歸分析

利用所有20塊樣地數據，以坡位、坡向和坡度為自變量，以土壤有機碳密度為因變量進行逐步回歸分析，利用判定系數大小量化各因子對土壤有機碳密度變異的綜合解釋能力和不同因子對土壤有機碳密度變異影響的相對重要性(見表2)。

表2　各因子對土壤有機碳密度逐步回歸分析結果( n=20) Tab.2 Stepwise regression analysis of factors contributing to the variability of SOC density

坡度未能進入回歸方程，主要是由于坡度和坡位呈極顯著(P<0.01)負相關引起的，相關系數為-0.825，偏相關分析(見表3)表明，以坡位為控制變量時，A層SOCD和1 m剖面SOCD與坡度的相關性降低，偏相關系數為-0.245、0.056，相關性均不顯著(P>0.05)，未能進入方程。這表明土壤有機碳與坡度的相關性較高是由于坡度與坡位的相關性引起的，這進一步證明了坡度對土壤有機碳無影響。

表3　土壤有機碳密度與坡位和坡度的相關系數和偏相關系數 Tab.3 Correlation coefficient and partial correlation coefficient between SOC density with slope position and slope

3討論

本研究區域1 m剖面土壤有機碳密度的算術均值為16.18 kg/m2，低于大興安嶺林區土壤有機碳密度平均值21.60 kg/m2[10]；但高于長白山林區土壤有機碳密度平均值14.59 kg/m2[10]。本區森林土壤有機碳含量及其密度在表層最高，這與許多研究結果一致[15-17]。其原因應該主要與森林凋落物和植物根系有關。凋落物是森林生態系統地表有機碳的主要補給者，凋落物分解及淋洗所攜帶的有機碳是土壤有機碳輸入的較大項[18]；森林植物根系也主要集中在土壤A層，隨著土層深度的增加，植物根系分布減少，有機碳來源少。

地形因子通過侵蝕和堆積影響土壤有機碳分布[19]，同時地形作為成土過程中的一個重要因素，它不但支配著地表和土壤中水熱資源的重新分配，而且影響著土壤生態系統的物質循環過程和強度，對土壤有機碳分布和儲量有著深遠影響[20]。因本區為典型的低山丘陵地貌，海拔大部分在300 m左右(海拔差異不足以引起生物氣候條件的顯著變化)，地形起伏較平緩，所以重點體現在坡位和坡向兩個地形因子上。

研究區土壤有機碳含量和密度在各土層中均表現出上坡低于下坡的趨勢，并且除AB層及C層含量以外，其他各土層含量和密度及1 m剖面密度差異均顯著，與薛立[21]、張地[22]、Li[23]等研究結果一致。說明在較低的海拔范圍內，坡位是土壤有機碳分布的重要影響因素。從上坡到下坡，土壤逐漸由侵蝕過渡為堆積，所以下坡比上坡的土層厚[24]，導致有機碳含量和密度增加；同時與上坡相比，下坡的林分生產力較高，凋落物數量大，枯枝落葉層現存量較大[21]，所以有機碳的輸入量大。

對于不同坡向而言，本區不同土層有機碳含量(除C層)和密度(除B層)均表現出陰坡>陽坡，與一些文獻報道相似[25-27]。這可能是由于陽坡光、熱資源優于陰坡，而水分資源劣于陰坡[28]。陽坡土壤受光照時間較長、強度較大，土壤水分蒸發較強烈，不利于有機質的形成和積累；土壤溫度較高，土壤微生物活動相對旺盛，有機質分解速率增大。而陰坡在適當的光、熱條件下，蒸發量小，土壤含水量較大，植被生長旺盛，使得植被向土壤輸送有機質量增加[29]，同時較低的溫度也更有利于有機質積累，從而具有較高的土壤有機碳含量和密度。

本文通過逐步回歸分析，得出坡位是帽兒山次生林區森林土壤有機碳分布的主控因子，所有顯性因子(坡位、坡向)合計也只能夠解釋土壤A層有機碳密度變異的73.0%和土壤1 m剖面層有機碳密度變異的69.8%。可見，復雜地形條件下森林土壤有機碳儲量估算的不確定性相當之大，所謂“主控”因子也只是相對的。

4結論

(1)調查區1 m土壤剖面有機碳密度為8.89～31.31 kg/m2，具有較大的空間變異性。土壤有機碳表聚特征明顯，大部分集中于A層。

(2)坡位和坡向顯著影響土壤有機碳的分布，下坡有機碳密度顯著高于上坡，陰坡顯著或趨勢性高于陽坡。在已知變量中，坡位是土壤有機碳密度空間分異的主控因子。然而，在所調查的范圍內，坡度對上、下坡土壤有機碳含量和密度均無顯著影響。

(3)本區土壤有機碳的表聚性易受干擾的影響，因此，全球氣候變化背景下森林生態系統保護至關重要。鑒于陰下坡最有利于土壤有機碳積累，所以是碳匯林業發展中旨在地下碳增匯的首選立地。

后來，羊的叫聲和牧兒的歌聲不僅吸引了魚兒，在林中睜大眼睛側耳細聽的鳥兒，也在空中盤旋不愿離去，連那樹和花兒，都靜止了，好似在聽牧兒和羊兒，被他們的生活感動。這也吸引了那懷春的女兒，那懷春的女兒，就是草兒，她是被羊兒的叫聲和牧兒的歌聲吸引了去的。

【參考文獻】

[1]Lal R.Forest soils and carbon sequestration [J].Forest Ecology and Management，2005，220：242-258.

[2]楊萬勤，張健，胡庭興，等.森林土壤生態學[M].成都：四川科學出版社，2006.

[3]蔚海東，馬祥慶，劉愛琴，等.森林生態系統碳循環研究進展[J].中國生態農業學報，2007，15(2)：188-192.

[4]解憲麗，孫波，周慧珍，等.不同植被下中國土壤有機碳的儲量與影響因子[J].土壤學報，2004，41(5)：687-699.

[5]周玉榮，于振良，趙士洞.我國主要森林生態系統碳貯量和碳平衡[J].植物生態學報，2000，24(5)：518-522.

[6]李克讓，王紹強，曹明奎.中國植被和土壤碳貯量[J].中國科學，2003，33(1)：72-80.

[7]黃從德，張健，楊萬勤，等.四川森林土壤有機碳儲量的空間分布特征[J].生態學報，2009，29(3)：1217-1225.

[9]張城，王紹強，于貴瑞，等.中國東部地區典型森林類型土壤有機碳儲量分析[J].資源科學，2006，28(2)：97-103.

[10]魏亞偉，于大炮，王清君，等.東北林區主要森林類型土壤有機碳密度及其影響因素[J].應用生態學報，2013，24(12)：3333-3340.

[11]王慶禮，代力民，許廣山.簡易森林土壤容重測定方法[J].生態學雜志，1996，15(3)：68-69.

[12]曹瑾，張雙德，武佳.關于統計學中兩組比較應注意的幾個問題[J].數理醫藥學雜志，2010，23(6)：642-643.

[13]李麗霞，郜艷暉，張瑛.啞變量在統計分析中的應用[J].數理醫學雜志，2006，19(1)：51-53.

[14]王秋兵，段迎秋，魏忠義，等.沈陽市城市土壤有機碳空間變異特征研究[J].土壤通報，2009，40(2)：252-257.

[15]杜有新，吳從建，周賽霞，等.廬山不同海拔森林土壤有機碳密度及分布特征[J].應用生態學報，2011，22(7)：1675-1681.

[16]梁啟鵬，余新曉，龐卓，等.不同林分土壤有機碳密度研究[J].生態環境學報，2011，19(4)：889-893.

[17]劉偉，程積民，高陽，等.黃土高原草地土壤有機碳分布及其影響因素[J].土壤學報，2012，49(1)：68-75.

[18]苗娟，周傳艷，李世杰，等.不同林齡云南松林土壤有機碳和全氮積累特征[J].應用生態學報，2014，25(3)：625-631.

[19]孫文義，郭勝利，宋小燕.地形和土地利用對黃土丘陵溝壑區表層土壤有機碳空間分布影響[J].自然資源學報，2010，25(3)：443-453.

[20]李林海，郜二虎，夢夢，等.黃土高原小流域不同地形下土壤有機碳分布特征[J].生態學報，2013，31(1)：179-187.

[21]薛立，薛曄，列淦文，等.不同坡位杉木林土壤碳儲量研究[J].水土保持通報，2012，32(6)：43-46.

[22]張地，張育新，曲來葉，等.坡位對東靈山遼東櫟林土壤微生物量的影響[J].生態學報，2012，32(20)：6412-6421.

[23]Li Y，Zhang Q W，Reicosky D C，et al.Using 137Cs and 210Pbex for quantifying soil organic carbon redistribution affected by intensive tillage on steep slopes [J].Soil and Tillage Research，2006，86：176-184.

[24]薛立，賴日石，陳紅躍，等.深圳寶安區生態風景林典型造林地土壤養分、微生物和酶活性的研究[J].林業科學研究，2002，15(2)：242-246.

[25]何志斌，趙文智，劉鵠，等.祁連山青海云杉林斑表層土壤有機碳特征及其影響因素[J].生態學報，2006，26(8)：2572-2577.

[26]舒洋，魏江生，周梅，等.烏拉山天然油松林土壤碳密度空間異質性研究[J].土壤通報，2013，44(6)：1304-1307.

[27]張鵬，張濤，陳年來.祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮分布特征及影響因素[J].應用生態學報，2009，20(3)：518-524.

[28]魏孝榮，邵明安，高建倫.黃土高原溝壑區小流域土壤有機碳與環境因素的關系[J].環境科學，2008，29(10)：2879-2884.

[29]邱莉萍，張興昌，程積民.坡向坡位和撂荒地對云霧山草地土壤酶活性的影響[J].草業學報，2007，16(1)：87-93.

[責任編輯：劉美爽]