拱壩河流域5種森林類型土壤有機碳的分布特征

趙 棟， 權 麗， 屠彩蕓， 郭 星

(1.白龍江林業管理局林業科學研究所， 甘肅 蘭州 730070;2.甘肅白龍江森林生態系統國家定位觀測研究站， 甘肅 舟曲 746300)

土壤有機碳是土壤物理結構和化學養分的組成物質，不僅能夠維持良好的土壤結構，也是土壤肥力的核心指標之一，其含量的高低是表征土壤質量狀況的一個重要因子[1-3]。在全球氣候變暖背景下，土壤有機碳庫已經成為全球碳循環研究的重點之一[4]。森林是陸地生態系統中最重要的碳庫，森林土壤有機碳庫在維持森林立地生產力以及全球碳平衡過程中起重要作用[5-6]。全球的碳儲量大約為1.0×108Pg，其中約1500Pg是以有機質形態儲存于土壤中[7]，森林土壤中的碳占全球土壤有機碳的73%[8]。森林土壤有機碳庫貯量的微小變化都可顯著地引起大氣CO2濃度的改變[9]。土壤有機碳已成為進行森林可持續經營可參考的重要依據之一[10]。

目前，有關土壤有機碳的研究主要包括土地利用變化[11]、人為干擾[12]、森林經營措施[13]對土壤有機碳的影響等方面。對土壤有機碳及密度既有從國家、區域等宏觀尺度上進行估算，也有對具體森林類型進行取樣分析。本研究以拱壩河流域5種主要森林類型為研究對象，通過分析不同森林類型土壤有機碳(SOC)含量和有機碳密度(SOCD)的分布特征、有機碳組分隨土壤深度的變化；對5種森林類型SOC和其他理化性質含量進行了統計描述、方差分析及相關性分析，為下一步更好地進行森林多目標經營提供科學依據。

1 研究區概況

拱壩河流域是白龍江的一個重要支流，位于甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣境內，東經103°57′05″—104°42′05″，北緯33°13′10″—34°10′00″，屬西秦嶺地質構造帶南部山地，為亞熱帶大陸濕潤氣候，溫涼濕熱、冬寒夏涼，年平均氣溫12.9℃，最高氣溫35.2℃，最低氣溫-10.2℃；年降雨量449.2mm；無霜期230d左右；凍土期80d左右。

2 研究方法

本研究自2015年開始，在閱讀大國內外文獻的基礎上，明確研究方向和內容，2015—2016年完成外業調查，并進行內業實驗測定和整理分析。外業工作內容包括：設置標準樣地、樣地概況資料的收集、植被調查、土壤典型剖面調查及土壤樣品的采集等。

2.1 樣地的選擇及布設

在充分了解拱壩河流域森林植被基本概況的基礎上，根據地形、地貌、水文情況、巖石和母質類型等因素選擇采樣區。在2015—2016年，共設置樣地60塊，其中人工云杉林10塊、冷杉天然林林10塊、天然針闊混交林8塊、樺樹次生林和灌木林各16塊，樣地間垂直和水平距離不小于200m，樣地面積為0.025hm2。樣地調查包括：經緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、樹高、胸徑、郁閉度和林齡等。5種森林類型樣方情況詳見表1。

表1 研究區5種森林類型樣地基本情況

2.2 土壤樣品的采集、測定與分析

2.2.1 土壤樣品的采集及處理 剖面土壤樣品的采集：土樣采集時間為2015年7月和2016年7月，每個樣地挖取典型土壤剖面1個，按0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm從下向上分層采集環刀土樣，用以測定土壤密度和自然含水量?；旌贤翗拥牟杉涸诟鳂拥貎?，以S形路線，隨機選取5—7個采樣點，每個采樣點用土鉆分別取0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm,40—60 cm的土壤，最后將各點同一土層的土壤放在塑料薄膜上去除根系和植物殘體，混合均勻并用四分法取1 kg左右待測土樣，裝入貼有標簽的布袋。將采集的土樣帶回實驗室內自然風干，磨細、過2,1,0.25 mm土壤篩，用于測定土壤基本理化性質。

2.2.2 土壤樣品測定 ①土壤物理性質指標及其測定方法。采用環刀法測定土壤密度；采用實驗室鋁盒烘干法測定土壤含水量；土壤質地的確定釆用比重計法計算各粒級土粒的含含量(水土比2.5∶1)。②土壤化學性質的測定。土壤值采用酸度計法(水土比2.5∶1)，土壤有機質含量的測定用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用半微量開氏法，全磷采用酸溶—鉬銻抗比色法，有效憐釆用鹽酸—氟化銨法，全鉀采用氧氟酸—高氯酸法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法[14]。 ③土壤碳組分的測定方法。土壤微生物碳的測定采仿熏蒸浸提法(CFE)方法；水溶性有機碳采用去離子水提取(水與土質量比為2∶1，用濾膜抽濾，濾液在島津TOC-Vcph總有機碳分析測定[15-16]。惰性有機碳的測定釆用酸水解法。

2.2.3 土壤有機碳密度計算 土壤有機碳密度是土壤有機碳隨土壤深度變化的近以函數，是評價土壤有機碳儲量的重要指標。某一土層的有機碳密度(SOCi，kg/m2)的計算公式為[17]

SOCi=Ci·Di·Ei×(1-Gi)/100

(1)

式中：Ci——土壤有機碳含量(g/kg)；Di——土壤密度(g/cm3)；Ei——土層厚度(cm)；Ci——直徑>2 cm的石爍含量(體積百分比)。

一定剖面深度的土壤有機碳密度計算公式為

(2)

式中：n——土層數。本研究中n=4。

2.3 數據處理

數據采用Excel 2003軟件進行匯總分析，采用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析、相關性分析和Duncan多重比較。

3 結果與分析

3.1 人工云杉林土壤有機碳分析

由表2可知，人工云杉林隨著土壤深度的增加，土壤有機碳密度也呈下降趨勢，0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層中土壤有機碳密度分別為(48.85±15.43) g/kg，(34.64±12.35) g/kg，(26.11±10.89) g/kg和(15.33±21.82) g/kg，從而得到0—60 cm剖面土壤有機碳密度為13.85士6.98 kg/m2。方差分析及多重比較結果表明不同土層之間的土壤有機碳密度差異均極顯著(p<0.01)，變異系數分別為31.58%，35.65%，41.71%和66.60%。

表2研究區不同土壤深度有機碳含量g/kg

土壤深度/cm均值最大值最小值標準差變異系數/%0—1048.85a101.2333.0715.4331.5810—2034.64b73.2114.7112.3535.6520—4026.11b56.5810.5810.8941.7140—6015.33b42.777.2310.2166.600—6032.52101.237.2321.8267.10

注：小寫字母表示不同土層間差異顯著(p<0.05 )。下同。

土壤有機碳密度計算結果見表3。隨著土壤深度的增加，土壤有機碳密度也呈下降趨勢，0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm,40—60 cm土層中土壤有機碳密度分別為(5.21±1.46) kg/m2,(3.78±1.40) kg/m2,(3.32±1.02) kg/m2,和(2.01±0.85) kg/m2，從而得到0—60 cm剖面土壤有機碳密度為13.85士6.98 kg/m2。方差分析及多重比較結果表明不同土層之間的土壤有機碳密度差異均極顯著(p<0.01 )。

表3研究區不同土壤深度有機碳密度kg/m2

土壤深度/cm均值最大值最小值標準差變異系數/%0—105.21a7.011.981.4628.0210—203.78b5.981.81.437.0420—403.32bc4.721.651.0230.7240—602.01c3.681.010.8542.290—6013.8520.035.986.9850.40

3.2 人工云杉林土壤碳組分分布規律

人工云杉林土壤微生物碳(MBC)含量垂直分布如圖1所示。0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm和40—60 cm土層含量變化范圍分別為：(857±232) mg/kg，(596±126) mg/kg，(376±114) mg/kg和(211±113) mg/kg不同土層MBC占土壤有機碳的百分比分別是1.8%，1.7%，1.4%和1.4%。含量隨著土壤深度的增加呈減小趨勢，表層土壤最大，為(857±232) mg/kg。0—40 cm范圍內，占整個剖面MBC含量的87.6%。方差分析結果顯示不同土層間差異顯著，多重比較得到0—40 cm土層中MBC含量顯著高于下層土壤。

圖1 土壤微生物碳含量隨土壤深度的變化

WSOC含量垂直分布如圖2所示，0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層含量變化范圍分別為203～586 mg/kg，180～460 mg/kg，140～450 mg/kg，160～240 mg/kg平均含量分別是403，267，212，187 mg/kg變異系數分別為54%，50%，68%和46%，WSOC占總有機碳的比重為0.4%～1.2%。0—60 cm范圍內，WSOC含量也是隨著土壤深度的增加呈減小趨勢，表層土壤含量最大，為403±210 mg/kg。

惰性有機碳含量垂直分布如圖3所示。由圖3可知，0—60 cm含量介于7.58%～13.24%，平均為4.47%。惰性有機碳在0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層含量的變化范圍分別為2.98%～5.76%，2.56%～3.79%，1.12%～3.24%，1.55～3.03%。平均含量分別占總有機碳的4.37%，3.10%，2.19%和2.10%，惰性有機碳含量也是隨著土壤深度的增加呈減小趨勢，但是各土層間差異不顯著。

圖2 土壤水溶性有機碳隨土壤深度的變化

3.3 人工云杉林土壤養分的垂直分布特征及異質性

3.3.1 土壤養分的垂直分布 由表4可以看出，隨土壤深度增加土壤養分具有明顯的層次性。3個土層土壤pH值的變異程度都較低，土壤pH值都隨著土壤深度的增加而變大。對不同土壤深度值進行方差分析和多重比較，結果表明，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層間呈極顯著差異(p<0.01 )。隨土壤

深度增加，土壤有機質，全N，全P，全K，有效P及速效K含量呈遞減趨勢，方差分析及多重比較結果表明：土壤有機質、全N，全P，全K和速效K含量在0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層之間差異顯著(p<0.05 )；有機質、全N和全P在0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm各土層間差異均達到極顯著水平(p<0.01 )，土壤全K和速效K含量0—20 cm與20—40 cm和40—60 cm呈極顯著差異(p<0.01 )，而20—40 cm和40—60 cm差異不顯著(p>0.05 )；土壤有效P含量在各土層間差異不顯著(p>0.05 )。

圖3 土壤惰性有機碳隨土壤深度的變化

土壤養分 土層深度0—20 cm20—40 cm40—60 cmpH值5.52±0.28Aa5.57±0.29ABab5.59±0.30Bb有機質/(g·kg-1)41.35±22.65Aa23.52±16.45Bb13.40±11.62Cc全N/(g·kg-1)1.87±1.03Aa1.14±0.72Aa0.51±0.34Cc全P/(g·kg-1)0.61±0.27Aa0.50±0.25ABb0.37±0.18Bc全K/(g·kg-1)26.21±3.48Aa24.07±3.24Bb22.32±3.36Bc有效P/(g·kg-1)23.32±10.37Aa20.84±10.43Aa19.99±11.64Aa速效K/(g·kg-1)112.36±42.51Aa87.50±32.23Bb57.52±28.54Bc

注：小寫字母表示不同土層間差異顯著(p<0.05)；大寫字母表示不同土層間差異極顯著(p<0.01)

3.3.2 土壤養分垂直分布異質性 對土壤養分的空間分布異質性進行分析，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層養分變異系數詳見表5。

由表5可以看出，不同土層之間土壤值的變異系數均在4.65%～5.22%之間，屬弱度變異，是變異程度最小的測定指標；土壤有機質含量和有效P的變異系數較大，并隨深度增加而增大，在40—60 cm土層達到75.55%，屬于中等變異；全K含量的變異系數較小，并且變異系數較穩定，為13.41%～15.07%，變異系數也是隨土壤深度增加而增大；土壤全N、全P和速效K含量在0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層也均為中等變異，變異系數介于之間39.15%～74.00%，并且變異系數均表現為土層20—40 cm>40—60 cm>0—20 cm。

表5 研究區不同土層土壤養分變異系數

3.4 不同森林類型不同土層土壤養分分析及異質性

5種森林類型不同土層的土壤養分分析結果詳見表6。由表6可知，對于人工云杉林，土壤pH值隨土壤深度增加而變大，各土層間差異不顯著(p>0.05)；土壤有機質，全N，全P和速效K含量在不同土層均有不同程度的顯著差異，有效P隨土壤深度變化無顯著變化。冷杉天然林土壤pH值、全N和有效P含量在3個土層間無顯著差異(p>0.05)；土壤有機質含量，全N，全P和速效K在不同土層間均有顯著差異。天然針闊混交林除土壤pH值外其他養分含量均隨土壤深度有顯著差異。樺樹次生林和灌木林土壤pH值、全P和有效K在不同土層間無顯著差異，而土壤有機質、全N、全K和速效K含量在3個層均表現有顯著性差異。

表6 研究區不同森林類型養分分析結果

注：表中數據為平均值±標準差；不同大寫字母表示不同林型一土層土壤各理化性質指標差異顯著，小寫字母表示同一林型不同土層的差異顯著(p<0.05)。

3.5 土壤有機碳與土壤性質相關分析

3.5.1 不同土層土壤有機碳與土壤性質的相關性分析 如表7所示，從整個土壤剖面來看，土壤有機碳含量與自然含水量、全N，全K，速效K均呈極顯著或顯著正相關，其中與全氮量的相關系數最大，為0.782，與pH值和有效P相關性不顯著；土壤有機碳含量與土壤密度呈極顯著負相關(r=-0.353，p<0.01)。

土壤有機碳密度與土壤理化性質表現有一致的相關關系，此外還與土壤pH值呈顯著負相關。

表7 不同土層土壤有機碳與土壤性質的相關關系(n=60)

注：*表示相關性顯著(p<0.05)，**表示相關性極顯著(p<0.01)。下同。

3.5.2 不同森林類型土壤有機碳與土壤性質的相關性 人工云杉林土壤有機碳含量和碳密度與土壤密度呈極顯著負相關，與全N呈極顯著相關，相關系數分別為0.858和0.893，土壤有機碳含量還與速效K呈顯著正相關。冷杉天然林土壤有機碳含量與土壤密度呈顯著負相關，與土壤全N呈顯著相關；土壤有機碳密度與土壤密度呈極顯著負相關，與土壤全P，全K和速效K顯著正相關。天然針闊混交林有機碳含量和有機碳密度與土壤全N呈極顯著正相關，與土壤密度呈極顯著負相關，與pH值顯著負相關，與全P有顯著正相關關系，土壤有機碳含量還與全K和速效K呈顯著正相關，土壤有機碳密度與速效K則有極顯著相關關系。樺樹次生林土壤有機碳含量與土壤密度顯著負相關，與土壤全N極顯著相關，還與土壤全K顯著正相關；灌木林土壤有機碳含量與全N呈極顯著的正相關，與全K呈顯著的正相關，與土壤密度呈顯著的負相關；有機碳密度僅與全N呈極顯著正相關(表8)。

表8 研究區不同森林類型土壤有機碳與土壤性質的相關系數

3.6 土壤有機碳與土壤性質逐步多元回歸分析

為了更加明確森林土壤性質對土壤有機碳的影響，找出對土壤有機碳有顯著影響的土壤因子，應用逐步多元回歸分析法建立土壤有機碳和土壤性質指標間的回歸方程。土壤有機碳含量與土壤性質的標準多元回歸方程為：

Y=-9.714+14.326X1+13.143X2+0.632X3

式中：Y——土壤有機碳含量；X1——土壤全N；X2——土壤全P；X3——土壤全K。

將土壤有機碳密度與土壤性質的測定結果進行逐步多元回歸分析，得到回歸方程：

Y=7.438+2.251X1-3.141X2

式中：Y——土壤有機碳密度；X1——土壤全N；X2——土壤密度。

回歸結果表明，土壤有機碳含量與土壤全N，土壤全P和土壤全K建立回歸方程，且每個變量的顯著水平都小于0.001。土壤有機碳密度與土壤全N，土壤密度之間的多元回歸方程，決定系數R2分別為0.673和0.697，可以反映出土壤有機碳和土壤性質的關系。

4 討論與結論

(1) 云杉人工林0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm和40—60 cm土層中土壤有機碳密度分別為(5.21±1.46) kg/m2,(3.78±1.40) kg/m2,(3.32±1.02) kg/m2和(2.01±0.85) kg/m2，計算結果處于以前該區域的土壤有機碳密度估算值的范圍內[18]，而由于地理位置和經營活動的差異，導致土壤有機碳具有一定的空間變異特征[19]，不同森林類型的研究也會有差異。此外，研究方法不統一也是有機碳估算結果不確定的一個重要原因，特別是取樣的深度和數量等。土壤有機碳含量和有機碳密度隨土壤深度的增加而降低。土壤有機碳密度的分布與植被類型、人為干擾和演替過程有關，其中表土有機碳受其影響最大[20-21]。在森林生態系統中，土壤中的有機物質主要來自于地表凋落物的分解，表層土壤能夠獲得較多的森林凋落物，這也是形成土壤有機碳表層富集的重要原因[22]。有機碳密度還與土壤密度和直徑大于2 mm的石爍含量有關，所以有研究發現土壤有機碳密度隨深度增加而增大。一些研究表明，林地隨著植被恢復和演替發展，土壤有機碳密度也隨之變化[23]。其中，植被恢復可增加表土層的非活性有機碳含量；植被恢復演替還可以明顯提高土壤有機碳和氮的含量[24]。

(2) 對于土壤有機碳與土壤理化性質的相關性研究較多，如土壤肥力與土壤有機質含量呈顯著正相關關系，而土壤有機碳含量增加，往往意味著土壤密度降低、土壤氮含量提高、值降低和土壤離子強度增強，本文有機碳相關結果與先前的這些報道一致[25-26]。土壤因持水性能和黏粒所占比例不同也會影響土壤有機碳分布，一般情況下，土壤有機碳含量與黏粒含量呈顯著正相關，黏土礦物對有機質具有穩定作用[27]。另外，土壤的酸堿度、溫度、水分和深度等因素，由于影響枯枝落葉的分解速率而對土壤有機碳產生影響。相關分析也反映了SOC和土壤性質之間的關系，在所有土層的SOC和TN的正相關關系，和全P，全K和速效K的關系也與前人的研究結果一致[28-29]。