天山云杉林土壤有機碳密度及影響因素研究

李思瑤 夏曉瑩 王杰 馬小龍 米爾扎提.柯尼加里木 阿麗耶.麥麥提 王衛霞

摘要以不同生長發育階段的天山云杉林為研究對象，分析了天山云杉林土壤有機碳密度分布特征及其影響因素。結果表明：（1）天山云杉林土壤有機碳含量隨著林分發育階段的增加呈逐漸積累增加的趨勢，成熟林土壤有機碳顯著高于幼齡林（P<0.05）。各發育階段土壤有機碳含量的變異程度大小為幼齡林（69.10%）>中齡林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%）。（2）不同發育階段的天山云杉林土壤有機碳密度在0～<20cm、20～<60cm土層的變化范圍分別為7.86～9.18和5.65～8.69kg.m-2。（3）天山云杉林土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關關系；與土壤容重呈負相關關系。

關鍵詞土壤有機碳密度；影響因素；天山云杉

中圖分類號：S791.18;S714.2文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.011

ResearchonSoilOrganicCarbonDensityandItsInfluencingFactorsinPiceaschrenkianavar.tianschanicaForest

LiSiyao，XiaXiaoying，WangJie，MaXiaolong，KenijialimuMierzhati，MaimaitiAliye，WangWeixia

（CollegeofForestryandLandscapeArchitecture，XinjiangAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofForestryEcologyandIndustrialTechnology，XinjiangEducationDepartment，Urumqi830052，China）

Keywordssoilorganiccarbondensity;influencingfactors;Piceaschrenkianavar.tianschanica

森林是陸地生態系統的主體，全球陸地40%的地下碳儲量發生在森林生態系統[1]。2020年世界糧農組織（FAO）《全球森林資源評估報告》指出，全球森林總碳儲量達到6620億t，其中45%的碳存儲在森林土壤中[2]。因此，森林土壤碳庫作為陸地生態系統中最大的有機碳庫，對全球碳循環起著至關重要的作用[3]。外界環境條件及人為干擾活動均可影響森林土壤有機碳庫的變化[4]。有研究表明，氣候變化、土壤特性、林分密度和林分年齡及經營措施等均會對森林土壤有機碳具有不同程度的影響[5-8]。舒蛟靖等[9]的研究中華山松近熟林相較于中齡林和成熟林有更好的固碳能力，且林齡對土壤有機碳密度的影響程度較大；而在祁連山青海云杉林表層土壤有機碳含量與郁閉度呈顯著負相關關系[10]。不同區域的土壤碳庫對地形地貌、氣候特征、土壤理化特性及林分結構等的響應程度不同。

天山云杉（Piceaschrenkianavar.tianschanica）林是新疆森林資源的重要組成部分，肩負著調節氣候、保護冰川和涵養水源的重要生態功能[11，12]。有關小區域尺度上天山云杉林土壤有機碳密度及其影響因素的研究相對較少。因此，本研究以天山中部新疆農業大學實習林場為例，選取實習林場內不同發育階段的天山云杉林為研究對象，研究不同發育階段下天山云杉林土壤有機碳密度的變化規律，探討影響該區域天山云杉林土壤有機碳密度變化的主導因素，為科學合理評價該區域天山云杉林的固碳能力及促進該區域森林資源健康可持續發展提供數據支撐。

1研究區概況

研究區位于烏魯木齊縣境內，頭屯河上游的新疆農業大學實習林場（43°16′—43°26′N，86°46′—86°57′E）。該區域屬溫帶大陸性氣候，年均降水量約600mm，平均溫度3℃，無霜期為140d，年日照時長1300h。地勢南高北低，坡度多為10°～40°，海拔為1700～2700m，主要樹種為天山云杉，土壤為灰褐色森林土。

2研究方法

2.1樣地布設與調查方法

2021年6—8月，在天山中部新疆農業大學實習林場選取不同發育階段的天山云杉林（幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林）為研究對象。每個林齡內布設4個30m×30m樣地進行每木檢尺，測定其樹高、胸徑等測樹因子。利用GPS定位技術記錄每個樣地的海拔、坡度、坡向、坡位等地形因子，樣地基本情況見表1。

2.2土樣采集與測定方法

在每個樣地內按照坡上、坡中和坡下分別布設3個土壤采樣點，在每個采樣點挖土壤剖面，按照0～<20cm、20～<60cm分層采集土壤樣品，并將每個樣地內3個采樣點采集的土壤樣品按照相同層次分別進行混合后作為處理的一個重復備用；同時用環刀采集原狀土樣測定土壤容重及土壤含水量。將采集的土壤樣品帶回室內自然風干，研磨過篩后待測。

2.3土樣有機碳含量的測定及有機碳密度的計算

土壤樣品中有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀－外加熱法測定[13]。

計算不同土層土壤有機碳密度（SOCD）。

SOCDi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

式中：SOCDi為第i層土壤有機碳密度（kg.m-2），i為土壤層次，Ci為第i層土壤有機碳含量（g.kg-1），Di為第i層土壤容重（g.cm-3），Ei為第i層土層厚度（cm），Gi為第i層土層中直徑大于2mm石礫所占體積百分比（%）[14]。

2.4數據分析及處理

采用SPSS26.0、Origin2018和Excel2019進行數據處理分析，采用單因素方差分析（one-wayANOVA）和LSD多重比較法比較不同林齡土壤有機碳含量及有機碳密度的差異，采用Pearson相關分析法分析土壤有機碳與不同生態因子之間的相關關系，用主成分分析法（PCA）分析影響土壤有機碳密度分布的主導因素。

3結果與分析

3.1天山云杉林土壤有機碳含量分布特征

不同發育階段的天山云杉林土壤有機碳含量變化如圖1所示。在0～＜20cm和20～＜60cm土層土壤有機碳含量均隨著林分發育階段的增加呈逐漸增加的趨勢，表現為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，不同發育階段土壤有機碳含量增加的幅度有所差異，其中成熟齡土壤有機碳含量顯著高于幼齡林（P<0.05），與其他2個發育階段之間差異不顯著。在垂直剖面上不同發育階段的天山云杉林土壤有機碳含量均表現為隨土層的加深呈下降的趨勢，下降幅度波動范圍為64.05%～75.00%。不同發育階段土壤有機碳含量均表現出0～＜20cm土層聚集現象。

通過計算同一發育階段不同土層土壤有機碳含量的平均變異系數可知，各發育階段土壤有機碳含量的變異程度大小為：幼齡林（69.10%）>中齡林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%），不同發育階段土壤有機碳含量變異程度均比較大，說明天山云杉林下土壤有機碳含量的分布不是很穩定，但隨著林分發育成熟土壤有機碳含量分布逐漸趨向穩定分布。

3.2天山云杉林土壤有機碳密度分布特征

對不同土層土壤有機碳密度進行計算分析，結果見圖2。不同發育階段的天山云杉林土壤有機碳密度在0～＜20cm、20～＜60cm土層的變化范圍分別為7.86～9.18、5.65～8.69kg.m-2。各層土壤中有機碳密度最高值均分布在成熟林，且與幼齡林土壤有機碳密度存在顯著差異（P<0.05）。不同發育階段天山云杉林土壤有機碳密度均隨著土層的加深呈下降的趨勢，其下降幅度大小依次為幼齡林（2.21kg.m-2）>近熟林（1.15kg.m-2）>中齡林（1.13kg.m-2）>成熟林（0.49kg.m-2）。

3.3天山云杉林土壤有機碳密度與環境因子的Pearson相關分析

由表2可知，0～＜20cm土層土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑的相關系數r分別為0.679和0.656，并且呈現出極顯著的正相關關系；與海拔、坡度、坡向、土壤容重呈負相關關系，但相關性并未達到顯著水平。20～＜60cm土層土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑和土壤含水量呈極顯著的正相關關系，相關系數r分別為0.763、0.722和0.857；與土壤容重表現為極顯著的負相關關系；與海拔、坡度、坡位、坡向、郁閉度的相關關系不顯著。

4討論

在土壤質地和森林類型一致的情況下，林分年齡是影響土壤有機碳的重要指標之一[15]。有研究表明，凋落物分解釋放對區域內土壤有機碳積累有促進作用[16，17]，一方面是由于隨著林分年齡的逐漸增加，林木之間的競爭壓力增大，會出現林木自然整枝現象，從而使凋落物增加而促進有機碳的積累。另一方面，林分發育至成熟齡階段時，林分郁閉度相對提高，林內地表溫度隨之降低，保持了一定的土壤濕度和水分含量，使得土壤有機碳分解速率下降，進而促進了土壤有機碳的積累[18，19]。本研究中在0～<20cm和20～<60cm土層土壤有機碳含量和有機碳密度均隨著林分發育階段的增加呈逐漸積累增加的趨勢，表現為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林。這和秦曉佳等[20]的研究結果相似。

土壤有機碳密度受氣候、植被、土壤特征及環境地理特征等多因素的影響[21-26]。本研究中主要分析了地形因子（海拔、坡度、坡向、坡位）、林分結構（林齡、郁閉度、林分平均胸徑）和土壤特性（土壤含水量、土壤容重）對天山云杉林土壤有機碳密度分布的影響。研究結果表明，天山云杉林土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關關系；與海拔、坡度、坡向、土壤容重呈負相關關系。有研究表明，林分平均胸徑和郁閉度等植被因子對華山松林土壤有機碳密度有極大的促進作用[9]。崔鴻俠等[27]研究也發現神農架針葉林下土壤碳儲量隨著胸徑和凋落物量的增加有增大的趨勢。這均與本研究結果較為一致。處在不同發育階段的林分其林分密度、樹高、平均胸徑、林下草本組成及凋落物組成和厚度等不盡相同，這些因素會影響土壤有機碳的輸入輸出循環過程，進而影響有機碳含量及密度。林分年齡和郁閉度通過調節植被凋落物量影響土壤有機碳的積累量，隨著林木年齡的增長，林木自身發育成熟，郁閉度變大，枯枝落葉量增多，光照減少，致使土壤溫度變低，微生物活力降低，從而使有機碳分解速率下降，積累增多[28]。

5結論

5.1天山云杉林土壤有機碳含量和密度均隨著林分發育階段的增加呈逐漸增加的趨勢，表現為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，其中成熟齡土壤有機碳顯著高于幼齡林（P<0.05）。

5.2天山云杉林土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關關系；與土壤容重呈負相關關系。

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收稿日期：2022-12-12

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202110758008）

作者簡介：李思瑤（2000-），女，大學在讀，從事林學專業技術研究，E-mail：3203587588@qq.com

通信作者：王衛霞（1981-），女，博士，副教授，從事森林生態與經營研究，E-mail：wangweixia0993@163.com