拱壩河流域5種森林類型土壤有機碳的分布特征

趙 棟， 權(quán) 麗， 屠彩蕓， 郭 星

(1.白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學(xué)研究所， 甘肅 蘭州 730070;2.甘肅白龍江森林生態(tài)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和化學(xué)養(yǎng)分的組成物質(zhì)，不僅能夠維持良好的土壤結(jié)構(gòu)，也是土壤肥力的核心指標(biāo)之一，其含量的高低是表征土壤質(zhì)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(jīng)成為全球碳循環(huán)研究的重點之一[4]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫，森林土壤有機碳庫在維持森林立地生產(chǎn)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(zhì)形態(tài)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(xù)經(jīng)營可參考的重要依據(jù)之一[10]。

目前，有關(guān)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(jīng)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(qū)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(zhì)含量進行了統(tǒng)計描述、方差分析及相關(guān)性分析，為下一步更好地進行森林多目標(biāo)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)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(nèi)，東經(jīng)103°57′05″—104°42′05″，北緯33°13′10″—34°10′00″，屬西秦嶺地質(zhì)構(gòu)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(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上，明確研究方向和內(nèi)容，2015—2016年完成外業(yè)調(diào)查，并進行內(nèi)業(yè)實驗測定和整理分析。外業(yè)工作內(nèi)容包括：設(shè)置標(biāo)準樣地、樣地概況資料的收集、植被調(diào)查、土壤典型剖面調(diào)查及土壤樣品的采集等。

2.1 樣地的選擇及布設(shè)

在充分了解拱壩河流域森林植被基本概況的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地貌、水文情況、巖石和母質(zhì)類型等因素選擇采樣區(qū)。在2015—2016年，共設(shè)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(diào)查包括：經(jīng)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(qū)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(huán)刀土樣，用以測定土壤密度和自然含水量。混合土樣的采集：在各樣地內(nèi)，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(biāo)簽的布袋。將采集的土樣帶回實驗室內(nèi)自然風(fēng)干，磨細、過2,1,0.25 mm土壤篩，用于測定土壤基本理化性質(zhì)。

2.2.2 土壤樣品測定 ①土壤物理性質(zhì)指標(biāo)及其測定方法。采用環(huán)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(zhì)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(xué)性質(zhì)的測定。土壤值采用酸度計法(水土比2.5∶1)，土壤有機質(zhì)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(zhì)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(shù)，是評價土壤有機碳儲量的重要指標(biāo)。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(shù)。本研究中n=4。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)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(guān)性分析和Duncan多重比較。

3 結(jié)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(jié)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(shù)分別為31.58%，35.65%，41.71%和66.60%。

表2研究區(qū)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(biāo)準差變異系數(shù)/%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(jié)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(jié)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(qū)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(biāo)準差變異系數(shù)/%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(guī)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(nèi)，占整個剖面MBC含量的87.6%。方差分析結(jié)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(shù)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(nèi)，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(yǎng)分的垂直分布特征及異質(zhì)性

3.3.1 土壤養(yǎng)分的垂直分布 由表4可以看出，隨土壤深度增加土壤養(yǎng)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(jié)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(zhì)，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(jié)果表明：土壤有機質(zhì)、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(zhì)、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(yǎng)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(zhì)/(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(yǎng)分垂直分布異質(zhì)性 對土壤養(yǎng)分的空間分布異質(zhì)性進行分析，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層養(yǎng)分變異系數(shù)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(shù)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(biāo)；土壤有機質(zhì)含量和有效P的變異系數(shù)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(shù)較小，并且變異系數(shù)較穩(wěn)定，為13.41%～15.07%，變異系數(shù)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(shù)介于之間39.15%～74.00%，并且變異系數(shù)均表現(xiàn)為土層20—40 cm>40—60 cm>0—20 cm。

表5 研究區(qū)不同土層土壤養(yǎng)分變異系數(shù)

3.4 不同森林類型不同土層土壤養(yǎng)分分析及異質(zhì)性

5種森林類型不同土層的土壤養(yǎng)分分析結(jié)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(zhì)，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(zhì)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(yǎng)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(zhì)、全N、全K和速效K含量在3個層均表現(xiàn)有顯著性差異。

表6 研究區(qū)不同森林類型養(yǎng)分分析結(jié)果

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準差；不同大寫字母表示不同林型一土層土壤各理化性質(zhì)指標(biāo)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(zhì)相關(guān)分析

3.5.1 不同土層土壤有機碳與土壤性質(zhì)的相關(guān)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(guān)，其中與全氮量的相關(guān)系數(shù)最大，為0.782，與pH值和有效P相關(guān)性不顯著；土壤有機碳含量與土壤密度呈極顯著負相關(guān)(r=-0.353，p<0.01)。

土壤有機碳密度與土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)有一致的相關(guān)關(guān)系，此外還與土壤pH值呈顯著負相關(guān)。

表7 不同土層土壤有機碳與土壤性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系(n=60)

注：*表示相關(guān)性顯著(p<0.05)，**表示相關(guān)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(zhì)的相關(guān)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(guān)，與全N呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)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(guān)。冷杉天然林土壤有機碳含量與土壤密度呈顯著負相關(guān)，與土壤全N呈顯著相關(guān)；土壤有機碳密度與土壤密度呈極顯著負相關(guān)，與土壤全P，全K和速效K顯著正相關(guān)。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(guān)，與土壤密度呈極顯著負相關(guān)，與pH值顯著負相關(guān)，與全P有顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有機碳含量還與全K和速效K呈顯著正相關(guān)，土壤有機碳密度與速效K則有極顯著相關(guān)關(guān)系。樺樹次生林土壤有機碳含量與土壤密度顯著負相關(guān)，與土壤全N極顯著相關(guān)，還與土壤全K顯著正相關(guān)；灌木林土壤有機碳含量與全N呈極顯著的正相關(guān)，與全K呈顯著的正相關(guān)，與土壤密度呈顯著的負相關(guān)；有機碳密度僅與全N呈極顯著正相關(guān)(表8)。

表8 研究區(qū)不同森林類型土壤有機碳與土壤性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

3.6 土壤有機碳與土壤性質(zhì)逐步多元回歸分析

為了更加明確森林土壤性質(zhì)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(yīng)用逐步多元回歸分析法建立土壤有機碳和土壤性質(zhì)指標(biāo)間的回歸方程。土壤有機碳含量與土壤性質(zhì)的標(biāo)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(zhì)的測定結(jié)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(jié)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(shù)R2分別為0.673和0.697，可以反映出土壤有機碳和土壤性質(zhì)的關(guān)系。

4 討論與結(jié)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(jié)果處于以前該區(qū)域的土壤有機碳密度估算值的范圍內(nèi)[18]，而由于地理位置和經(jīng)營活動的差異，導(dǎo)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(tǒng)一也是有機碳估算結(jié)果不確定的一個重要原因，特別是取樣的深度和數(shù)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(guān)，其中表土有機碳受其影響最大[20-21]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中的有機物質(zhì)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(guān)，所以有研究發(fā)現(xiàn)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(fù)和演替發(fā)展，土壤有機碳密度也隨之變化[23]。其中，植被恢復(fù)可增加表土層的非活性有機碳含量；植被恢復(fù)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(zhì)的相關(guān)性研究較多，如土壤肥力與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)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(guān)結(jié)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(guān)，黏土礦物對有機質(zhì)具有穩(wěn)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(chǎn)生影響。相關(guān)分析也反映了SOC和土壤性質(zhì)之間的關(guān)系，在所有土層的SOC和TN的正相關(guān)關(guān)系，和全P，全K和速效K的關(guān)系也與前人的研究結(jié)果一致[28-29]。