趙 晶 張軍輝 韓士杰 王樹堂 王樹起 程徐冰

(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽，110016)

長白山闊葉紅松林土壤有機(jī)碳空間異質(zhì)性1)

趙 晶 張軍輝 韓士杰 王樹堂 王樹起 程徐冰

(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽，110016)

采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)長白山北坡原始闊葉紅松林內(nèi)土壤有機(jī)碳的空間分布特征進(jìn)行了研究，并對(duì)其與細(xì)根生物量的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:3塊樣地土壤有機(jī)碳密度的變程分別為3.568、5.866、2.773m，結(jié)構(gòu)比為40％～65％，表明研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)碳密度具有中等空間相關(guān)性;土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度的增加而減少，與細(xì)根的垂直分布特征相似;3塊樣地分別在5.011、4.590、4.912m空間距離范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳密度與細(xì)根生物量存在相關(guān)性，土壤有機(jī)碳密度與細(xì)根生物量協(xié)方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)比為50％～80％。

土壤有機(jī)碳;空間異質(zhì)性;細(xì)根;闊葉紅松林

土壤有機(jī)碳是地球表面最大的有機(jī)碳儲(chǔ)庫，在陸地碳循環(huán)中有著重要的作用[1-5]。森林土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，其較小幅度的變化就可能影響到碳向大氣的排放[6-8]。因此，森林土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)及其機(jī)制成為全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一。

從不同地點(diǎn)取樣測定土壤的某些性質(zhì)，所測結(jié)果不完全相同，這是因?yàn)槌ゲ蓸雍蜏y定誤差外，還有土壤本身的變化，這種變化稱為土壤的空間異質(zhì)性。土壤有其自然異質(zhì)性，它們的性質(zhì)在空間上是連續(xù)變化的[9]。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量受氣候、大氣成分、植被、土壤理化性質(zhì)和人為因素的影響，這些影響因素都存在空間變異[10-12]。土壤有機(jī)碳的主要來源是植被地上部分的凋落物及其地下部分根的分泌物和細(xì)根周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的碎屑[13-14]。Esteban等[15]研究表明，植物根系的分布直接影響土壤有機(jī)碳的垂直分布，因?yàn)榇罅克栏姆纸鉃橥寥捞峁┝素S富的碳源，根系對(duì)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響要比氣候?qū)ν寥烙袡C(jī)碳的影響更重要。Richard等[16]對(duì)科羅拉多州東部草原的研究表明，土壤表層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與根系在表層的分布有關(guān)，根系的分布影響著土壤有機(jī)碳的積累，而土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由植物產(chǎn)生的碎屑的輸入和分解決定。研究也表明，在人工林生態(tài)系統(tǒng)中，根的形成、衰老、死亡和分解對(duì)土壤有機(jī)碳的形成和積累有一定影響[17-18]。鄧華平等[19]在對(duì)馬尾松林碳庫特征的研究中發(fā)現(xiàn)，0～30cm土層貯存了74.34％的土壤有機(jī)碳，主要原因是0～30cm是植物根系的集中分布區(qū)。通過細(xì)根的周轉(zhuǎn)進(jìn)入土壤的有機(jī)物是地上凋落物的1倍，因此，在對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究中，細(xì)根生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)是不能忽略的因素。目前，對(duì)原始闊葉紅松林土壤有機(jī)碳與細(xì)根生物量及其周轉(zhuǎn)率相關(guān)性的研究較少，森林表層土壤細(xì)根生物量及其周轉(zhuǎn)在森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用尚未得到充分認(rèn)識(shí)。長白山闊葉紅松林是我國東北東部中溫帶濕潤氣候區(qū)最主要的原始森林植被類型，在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候和維系區(qū)域陸地生態(tài)平衡方面有著重要意義。為此，文中采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，以長白山闊葉紅松林土壤有機(jī)碳為研究對(duì)象，探討土壤有機(jī)碳的空間分布特征及其與細(xì)根生物量的相關(guān)性，旨在為地統(tǒng)計(jì)學(xué)在森林土壤有機(jī)碳空間異質(zhì)性研究中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，為原始闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳與根系相關(guān)性的進(jìn)一步研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

研究樣地:位于吉林省東南部的長白山自然保護(hù)區(qū)原始闊葉紅松林內(nèi)(41°41′49″～42°25′18″N，127°42′55″～128°16′48″E)的中國科學(xué)院長白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站闊葉紅松林永久標(biāo)準(zhǔn)樣地附近。長白山是我國中緯度著名的山地原始森林地區(qū)，該地區(qū)靠近太平洋東亞沿海季風(fēng)氣候區(qū)，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫4.9～7.3℃，年降水量600～900mm。冬季漫長寒冷，常有積雪覆蓋;夏季短暫溫暖，降雨較多;春季風(fēng)大干燥，夏季涼爽多霧。研究樣地的群落為復(fù)層異齡的原始林，由紅松(Pinus koraiensis)、紫椴(Tilia amurensis)、色木槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、糠椴(Tilia mandshurica)和楓樺(Betula costata)等喬木，毛榛子(Corylus mandshurica)、東北山梅花(Philadelphus schrenkii)和刺五加(Eleutherococcus senticosus)等灌木，以及山茄子(Brachybotrys paridiformis)、透骨草(Phryma leptostachya)和水鳳仙(Impatiens noli-tangere)等草本植物構(gòu)成。樣地的土壤類型為火山灰母質(zhì)上發(fā)育的暗棕色森林土。

采樣點(diǎn)布設(shè):在闊葉紅松林永久標(biāo)準(zhǔn)樣地東側(cè)約500m林地內(nèi)，選擇地勢(shì)比較平坦的3塊50m×50m林地為調(diào)查對(duì)象。采用網(wǎng)格近點(diǎn)法取樣[20](圖1)，以提高參數(shù)估計(jì)和克里格插值的效率。具體方法為:先將50m×50m的樣地等間距劃分為100個(gè)5m×5m的小樣方，從中隨機(jī)抽取40個(gè)小樣方的中心點(diǎn)定為取樣點(diǎn);然后從40個(gè)小樣方中再隨機(jī)抽取20個(gè)小樣方，在其內(nèi)隨機(jī)加入一個(gè)與中心點(diǎn)最大距離不超過2m的取樣點(diǎn)。這種抽樣既能保證足夠的采樣面積，又能滿足變異函數(shù)參數(shù)估計(jì)對(duì)點(diǎn)對(duì)數(shù)的需要。每塊樣地布設(shè)60個(gè)采樣點(diǎn)。

圖1 空間取樣布點(diǎn)

土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定:用內(nèi)徑為3.5cm的土鉆鉆取0～45cm土柱，按0～5，5～15，15～45cm 分3層取樣，將采集的土樣裝入塑料袋內(nèi)帶回。自然風(fēng)干后，剔除植物根系及石礫等，再過0.25mm篩。用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中:Doc為土壤有機(jī)碳密度(kg/m2);n為土層數(shù);T為某一土層的土層厚度(cm);θ為該土層的土壤密度;c為該土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(％)。

采用克里格插值法對(duì)3塊樣地進(jìn)行有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)估算?？死锔穹ㄊ抢迷紨?shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)未來采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行無偏估計(jì)的一種方法。與其它方法相比，具有可以克服內(nèi)插中誤差難以分析的問題，不會(huì)產(chǎn)生回歸分析的邊界效應(yīng)，能估計(jì)測定參數(shù)的空間變異和估算估計(jì)參數(shù)的方差分布等優(yōu)點(diǎn)。

細(xì)根生物量數(shù)據(jù):細(xì)根生物量測定的取樣方法和采樣點(diǎn)布設(shè)與土壤有機(jī)碳測定的取樣方法和采樣點(diǎn)布設(shè)相同，細(xì)根生物量數(shù)據(jù)使用王樹堂等[21]在相同樣地調(diào)查的表層土壤木本植物細(xì)根生物量，即本文中的細(xì)根生物量是指直徑小于2mm的木本植物細(xì)根生物量。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析:地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法耦合了土壤特性的空間相關(guān)結(jié)構(gòu)，能揭示變量的隨機(jī)過程。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心內(nèi)容為變異函數(shù)，變異函數(shù)計(jì)算如下:

式中:γ(h)為變異函數(shù);Z(x)、Z(x+h)為系統(tǒng)某屬性Z分別在空間位置x和x+h處的值的區(qū)域化變量;E[Z(x)-Z(x+h)]2為抽樣間隔為h時(shí)樣本值方差的數(shù)學(xué)期望值。

數(shù)據(jù)處理采用R統(tǒng)計(jì)軟件中的sp，geoR和gstat程序包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。使用sp程序包繪制空間格局圖，geoR程序包計(jì)算模型參數(shù)，gstat程序包擬合變異函數(shù)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 闊葉紅松林土壤有機(jī)碳分布特征

3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異(表1)。在0～5和5～15cm土層，3號(hào)樣地平均土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，分別為12.742％和3.016％;在15～45cm土層，2號(hào)樣地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，為0.901％。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)在25％～105％，其中3號(hào)樣地15～45cm土層土壤有機(jī)碳的變異系數(shù)達(dá)到強(qiáng)變異性(104.9％)，而其它各樣地各土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均屬于中等變異性。

表1 闊葉紅松林不同土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布特征

2.2 闊葉紅松林土壤有機(jī)碳垂直分布

3塊樣地的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有相似的垂直分布特征(表1)，即3塊樣地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序?yàn)?～5、5～15、15～45cm，標(biāo)準(zhǔn)誤差在 0.066％～0.896％。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度的增加而減少，主要原因是土壤有機(jī)碳的主要來源是細(xì)根周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大量碎屑及地表凋落物的分解，而細(xì)根的分布主要集中在表層土壤(0～10cm)，闊葉紅松林內(nèi)表層土壤的細(xì)根量在70％左右。

2.3 闊葉紅松林土壤有機(jī)碳空間異質(zhì)性

3塊樣地最大空間距離內(nèi)土壤有機(jī)碳變異函數(shù)呈相同的變化趨勢(shì)(圖2)，隨著空間距離的加大，變異函數(shù)數(shù)值逐漸升高，然后趨于穩(wěn)定。對(duì)所有樣地土壤有機(jī)碳密度的半方差值隨間隔距離的變化進(jìn)行的理論模型擬合結(jié)果表明(表2)，3塊樣地土壤有機(jī)碳密度的半方差值隨間隔距離的變化很好地符合球狀理論模型的變化趨勢(shì)，對(duì)數(shù)似然值在90～125之間。土壤有機(jī)碳密度的平均變程為4.069m，其中2號(hào)樣地變程最大(5.866m)，3 號(hào)樣地變程最小(2.773m)(表2)，說明樣地3土壤有機(jī)碳的空間連續(xù)性較差，在以后的取樣中可采用更小的取樣間隔。3塊樣地均存在塊金效應(yīng)，1號(hào)樣地的塊金效應(yīng)最小(3.044)，2號(hào)樣地的塊金效應(yīng)最大(11.331)，引起塊金效應(yīng)的原因可在今后的研究中縮小取樣間隔進(jìn)行深入研究。

結(jié)構(gòu)比表示自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性程度的高低，反映了土壤屬性的空間依賴性。3塊樣地的結(jié)構(gòu)比在40％～65％，表明研究區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)碳密度具有中等空間相關(guān)性，這種相關(guān)性分別表現(xiàn)在 3.568、5.866、2.773m 范圍內(nèi)。

表2 闊葉紅松林土壤有機(jī)碳密度變異函數(shù)分析結(jié)果

采用克里格插值法對(duì)3塊樣地進(jìn)行有機(jī)碳密度的預(yù)測，由插值結(jié)果(圖3)可以看出，樣地北部及南部土壤有機(jī)碳密度較大，而樣地東部及西部有機(jī)碳密度相對(duì)較小，克里格差值估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差在1.0m左右，且距離采樣點(diǎn)越近標(biāo)準(zhǔn)差值越低，預(yù)測值精度越高。土壤有機(jī)碳密度的斑塊大小、形狀及空間分布均具有顯著差異，表明研究樣地土壤有機(jī)碳密度具有空間異質(zhì)性，決定了空間格局的存在。這種空間分布特征與森林土壤在不同空間位置上的各種物理、化學(xué)和生物過程有著重要聯(lián)系，更重要的是土壤與林木長期相互作用，如森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分生物地球化學(xué)循環(huán)的結(jié)果。

圖2 闊葉紅松林土壤有機(jī)碳密度的變異函數(shù)

圖3 1號(hào)樣地中土壤有機(jī)碳的空間分布格局和克里格插值估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差

2.4 土壤有機(jī)碳密度與表層土壤細(xì)根生物量的相關(guān)性

協(xié)變異函數(shù)是用來描述區(qū)域化變量變化規(guī)律的基本函數(shù)。3塊樣地最大空間距離內(nèi)土壤有機(jī)碳與細(xì)根生物量相關(guān)性協(xié)變異函數(shù)呈相同的變化趨勢(shì)(圖4)，隨空間距離的加大，變異函數(shù)值逐漸升高，然后趨于穩(wěn)定。

圖4 闊葉紅松林土壤有機(jī)碳密度與細(xì)根生物量的協(xié)方差函數(shù)

3塊樣地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和細(xì)根生物量分別在5.011、4.590、4.912m 距離內(nèi)存在相關(guān)性(表3)，這與土壤有機(jī)碳密度平均變程4.069m相近。協(xié)變異函數(shù)符合球狀理論模型，模型對(duì)數(shù)似然值在89～110之間，模型擬合效果較好。3塊樣地土壤有機(jī)碳密度與細(xì)根生物量協(xié)方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)比在50％～80％，2號(hào)樣地的土壤有機(jī)碳密度與細(xì)根協(xié)方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)比最大(77.2％)，屬于強(qiáng)烈空間相關(guān)性，1號(hào)和3號(hào)樣地的結(jié)構(gòu)比分別為71.1％和51.9％，屬于中等空間相關(guān)性。3塊樣地土壤有機(jī)碳與細(xì)根生物量相關(guān)性存在塊金效應(yīng)，1號(hào)樣地的塊金效應(yīng)最小(1.600)，3號(hào)樣地的塊金效應(yīng)最大(9.020)。塊金值差異較大是由于微尺度上的結(jié)構(gòu)變異造成，如地上覆蓋物數(shù)量與種類上的差異，還是試驗(yàn)誤差造成的，還需要進(jìn)一步縮小取樣尺度進(jìn)行深入研究。

表3 闊葉紅松林土壤有機(jī)碳密度與細(xì)根生物量協(xié)方差函數(shù)分析結(jié)果

3 結(jié)論與討論

地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于生態(tài)學(xué)，用于探討某一因子的空間分布特征及其變異規(guī)律，已經(jīng)為越來越多的學(xué)者所推崇。地統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)主要來自所研究空間區(qū)域上的抽樣，分析各種自然現(xiàn)象的空間變異規(guī)律和空間格局，已被證明是研究空間變異和空間格局的有效方法[22]3。但地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的克里格方法本身是基于大量的測定數(shù)據(jù)，從這個(gè)角度上講，采用此方法對(duì)于提高土壤養(yǎng)分含量估計(jì)的效率，或降低野外工作量的意義可能不大[23-24]，然而在測定樣本數(shù)相同的條件下，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法設(shè)置樣點(diǎn)，利用采樣點(diǎn)之間的相關(guān)性，采用克里格空間差值方法進(jìn)行估計(jì)，可有效地克服傳統(tǒng)調(diào)查方法無法解決的樣本不獨(dú)立問題，使得調(diào)查結(jié)果更接近總體真值。因此通過應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤有機(jī)碳的研究，可以更好地揭示土壤有機(jī)碳的特性規(guī)律。研究表明，不論尺度大小，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出高度空間異質(zhì)性[25]。在本研究中，闊葉紅松林土壤有機(jī)碳的變程在2～6m，結(jié)構(gòu)比在0.4～0.7，表明原始闊葉紅松林內(nèi)土壤有機(jī)碳具有空間相關(guān)性。本研究還表明，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度的增加而減少，這與Esteban等人的研究結(jié)論一致[15-18]。有研究表明，在闊葉紅松林中，隨著土層的加深土壤密度增加，細(xì)根獲得的氧氣減少，所以其生物量逐漸減少，且隨土層加厚，溫度和養(yǎng)分降低，細(xì)根生長和養(yǎng)分物質(zhì)吸收受到抑制和影響，所以細(xì)根的生物量也會(huì)逐漸減少[26]，即土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布與細(xì)根生物量的垂直分布具有相似性。

在本研究中，對(duì)3塊樣地土壤有機(jī)碳密度變異函數(shù)及土壤有機(jī)碳密度與細(xì)根生物量協(xié)方差變異函數(shù)的分析結(jié)果表明，其相應(yīng)的塊金值差別很大。塊金值反映了區(qū)域化變量內(nèi)部隨機(jī)性的可能程度，它主要有兩種來源:一是來自區(qū)域化變量在小于抽樣尺度時(shí)所具有的內(nèi)部變異，二是來自于抽樣分析的誤差[22]68。因此，在今后的研究中，可以考慮縮小取樣間隔對(duì)土壤有機(jī)碳及細(xì)根生物量的相關(guān)性進(jìn)行深入研究。

本研究表明，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與細(xì)根生物量在土壤有機(jī)碳密度的平均變程(4.069m)內(nèi)存在相關(guān)性，這與李亮亮等人的研究結(jié)論一致[25-27]，細(xì)根生物量大的地方土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高。闊葉紅松林中，植物細(xì)根生物量的75％以上分布在0～10cm土層中[28]。大量研究證明，細(xì)根的垂直分布隨著土層的加深而減少，細(xì)根的分泌物及周轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的碎屑為土壤提供了有機(jī)碳來源，因此，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以表層(0～10cm)最多，且與細(xì)根有相似的垂直分布，即土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度的增加而減少。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，細(xì)根一直處于生長、衰老、死亡、分解和再生長的動(dòng)態(tài)過程。楊麗韞等[26]研究表明，原始闊葉紅松林細(xì)根周轉(zhuǎn)率為1.6次/a。Vogt等[29]的分析表明，細(xì)根每年周轉(zhuǎn)對(duì)土壤 C的貢獻(xiàn)比凋落物要大18％～58％。細(xì)根生物量少，占全部根系的20％以下，但細(xì)根中C∶N高，死亡后可以快速分解，將C歸還于土壤中，且細(xì)根的含碳量要比枯落物的含碳量大許多倍，因此，細(xì)根是土壤每年C輸入的主要來源[30]。

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Spatial Heterogeneity of Soil Organic Carbon in a Broad-Leaved Korean Pine Forest in Changbai Mountains

/Zhao Jing，Zhang Junhui，Han Shijie，Wang Shutang，Wang Shuqi，Cheng Xubing(Institute of Applied Ecology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-52～55

Soil organic carbon;Spatial heterogeneity;Fine roots;Broad-leaved Korean pine forests

S718.5

1)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40930107)、中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向資助項(xiàng)目(KZX2-YW-416)。

趙晶，女，1985年1月生，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，碩士研究生。

張軍輝，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，研究員;E-mail:jhzhang@iae.ac.cn。

2010年12月6日。

責(zé)任編輯:李金榮。

Geostatistical method was applied to study the spatial distribution of soil organic carbon and analyze its relation to fine root biomass of woody plants in a broad-leaved Korean pine(Pinus koraiensis)forest in Changbai Mountains in 2009.Results showed that the ranges of organic carbon density of three sampling plots were 3.568，5.866 and 2.773m respectively.The structure ratio ranged from 40％to 65％，indicating that soil organic carbon density has a moderate correlation in space.Soil organic carbon content decreased with soil depth，and it was similar to fine root in vertical distribution.There was a correlation between soil organic carbon density and fine root biomass within the spatial distances of 5.011，4.590 and 4.912m in the three sampling plots，respectively.The structure ratio of covariance functions for soil organic carbon density and fine root biomass was between 50％and 80％.