摘要：對(duì)貴州赤水河下游杉木[Cunninghamia Lanceolata （Lamb.） var]林、馬尾松[Pinus massoniana （Lamb.） Hook]林及竹[Phyllostachys edulis（Carr.） H. Delehaie]林土壤有機(jī)碳、碳密度及其垂直分配特征進(jìn)行了研究，并探討了土壤養(yǎng)分對(duì)其影響。結(jié)果表明，3種林分類(lèi)型0～80 cm剖面土壤有機(jī)碳平均含量為竹林（15.46 g/kg）﹥杉木林（13.78 g/kg）﹥馬尾松林（9.72 g/kg），差異顯著；有機(jī)碳密度為杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥馬尾松林（8.21 kg/m2），差異極顯著；3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量和碳密度均隨土層深度增加而逐漸降低，有機(jī)碳含量均為0～10 cm層最大，分別是剖面有機(jī)碳含量均值的1.47～2.30倍，而0～20 cm土壤碳密度分別占剖面碳密度的31.71%～47.83%，顯著高于其他各層，土壤有機(jī)碳和碳密度均具較強(qiáng)的表聚性，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，避免人為活動(dòng)和減少水土流失；杉木林和毛竹林影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子為水解氮，而馬尾松林為有效磷。

關(guān)鍵詞：林分類(lèi)型；土壤有機(jī)碳；土壤碳密度；土壤養(yǎng)分

中圖分類(lèi)號(hào)：S714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）23-5741-05

CO2在大氣層中的積累引起了全球變暖、降水格局改變和海平面上升等全球性問(wèn)題的發(fā)生，威脅著全球生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)自身生存與發(fā)展，因而引起國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫(kù)，在維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和全球碳平衡方面起著極其重要的作用[2，3]。森林土壤碳約占全球土壤有機(jī)碳庫(kù)的73%[3-5]，森林土壤有機(jī)碳庫(kù)貯量的微小變化都可顯著地引起大氣CO2濃度的改變[5]，是全球碳循環(huán)研究極其重要的部分。因此，在全球氣候變化背景下，森林土壤有機(jī)碳庫(kù)研究已成為全球碳循環(huán)研究的重點(diǎn)之一。雖然在黔中喀斯特地區(qū)[6]和貴州西部地區(qū)[7]已有過(guò)不同森林類(lèi)型土壤有機(jī)碳的相關(guān)研究報(bào)道，但由于森林土壤有機(jī)碳庫(kù)受植被類(lèi)型、氣候和土壤等因素的影響具有較高的變異性，而赤水河下游地區(qū)森林土壤有機(jī)碳的研究幾乎是空白，給該區(qū)森林土壤碳儲(chǔ)量估算造成了一定難度。為此，本研究對(duì)赤水河下游杉木[Cunninghamia lanceolata （Lamb.） Hook]林、馬尾松[Pinus massoniana（Lamb.） var]林和毛竹[Phyllostachys edulis（Carr.）H. Delehaie]林3種主要林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳、碳密度及其垂直分配特征進(jìn)行了研究，并探討了土壤養(yǎng)分對(duì)其的影響，以期為掌握該區(qū)森林土壤有機(jī)碳的存儲(chǔ)情況，為區(qū)域性森林土壤碳庫(kù)估算及應(yīng)對(duì)氣候變化下的森林經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于貴州省赤水河下游的楠竹林場(chǎng)，北緯28°27′，東經(jīng)105°58′。最高處海拔1 730 m，最低處221 m。土壤以紫色土為主。屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，水熱同季，冬暖春早，夏季炎熱多伏旱，全年日照少，初夏晚秋多陰雨，立體氣候和地區(qū)差異顯著的氣候特點(diǎn)。年平均氣溫18 ℃（最高41 ℃，最低-2 ℃）。年均降雨量為1 268.8 mm，年均相對(duì)濕度82%，年日照時(shí)間1 297.7 h；無(wú)霜期300～340 d，并隨海拔上升而遞減，800 m以下地區(qū)無(wú)霜期300 d，800 m以上地區(qū)無(wú)霜期210～300 d。其森林植被主要有杉木林、馬尾松林、毛竹林、常綠闊葉林等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置及樣品采集

2008年9-10月在赤水河下游的楠竹林場(chǎng)選擇相似立地條件的具有代表性的杉木林、馬尾松林和竹林3種林分類(lèi)型，各設(shè)置樣地3個(gè)，樣地規(guī)格為30 m×30 m。分別對(duì)樣地進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查密度、郁閉度、樹(shù)高、胸徑、枝下高和冠幅等因子，并對(duì)樣地的坡度、坡位、坡向、土壤和巖性等基本情況進(jìn)行記錄（表1）。

在每個(gè)樣地內(nèi)按S形挖取3個(gè)土壤剖面，將每個(gè)剖面分為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，分別在每層內(nèi)采集1個(gè)土壤環(huán)刀和1袋500 g土壤樣品。用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，磨碎過(guò)2 mm篩，采用重鉻酸鉀-外加熱容重法測(cè)定有機(jī)碳含量。土壤養(yǎng)分含量測(cè)定按《森林土壤分析方法》[8]進(jìn)行。

2.2 土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算

3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量隨土層間的垂直變化分析發(fā)現(xiàn)，杉木林和馬尾松林0～10 cm土層與10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm各土層之間有機(jī)碳含量均存在極顯著差異（P<0.01），而竹林表現(xiàn)為差異顯著（P<0.05），3種林分類(lèi)型土壤0～10 cm有機(jī)碳含量均最大，介于22.38～24.81 g/kg之間，且0～10 cm土層中有機(jī)碳含量分別是剖面有機(jī)碳含量均值的1.80，2.30，1.47倍，表明森林土壤有機(jī)碳含量的分布有較強(qiáng)的表聚性。這主要是由于地表凋落物的積累和分解使得土壤表層有機(jī)質(zhì)具有穩(wěn)定而豐富的來(lái)源，同時(shí)植被根系對(duì)土壤表層有機(jī)碳的累積發(fā)揮了很強(qiáng)的作用。另外，3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量均隨著土壤深度的增加而減少（圖1），這主要是由于隨著土層深度的增加，水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向下輸送受到限制，植被凋落物和根系數(shù)量減少，土壤容重增加、透氣性變差，微生物分解的活性減弱，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量下降[12]。土壤有機(jī)碳的層間變化進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，馬尾松林在10～20 cm與20～40 cm層差異顯著（P<0.05），其他層間變化差異均不顯著（P>0.05），而杉木林和竹林在各土層間變化差異均不顯著（P>0.05）。

3.2 3種林分類(lèi)型土壤碳密度及其剖面分布

土壤碳密度已成為評(píng)價(jià)和衡量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)[9，13]，其大小主要取決于土壤有機(jī)碳含量和土壤容重2個(gè)重要參數(shù)。由表2可知，杉木林、馬尾松林和竹林3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳密度分別為2.18～4.81 kg/m2、1.05～3.93 kg/m2和2.24～3.75 kg/m2，0～80 cm土壤碳密度為杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥馬尾松林（8.21 kg/m2），不同林分類(lèi)型間差異均極顯著（P<0.01）。這主要是由于不同林分類(lèi)型因植物根系分布、凋落物量及分解程度以及人為干擾等因素的影響，致使土壤有機(jī)碳含量及土壤容重隨之發(fā)生變化，所以土壤碳密度也隨之出現(xiàn)差異[14]。

3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳密度沿土壤剖面垂直分布均隨著土壤深度增加而降低，但降低幅度不同。這主要是由于不同林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳和土壤容重在剖面上的垂直分布不同。3種林分類(lèi)型均以0～20 cm土壤有機(jī)碳密度最大，介于3.75～4.81 kg/m2之間，與20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土壤有機(jī)碳密度差異均極顯著（P<0.01），0～20 cm土壤有機(jī)碳密度分別占整個(gè)土壤剖面有機(jī)碳密度的37.37%、47.87%和31.97%。表明0～20 cm土壤有機(jī)碳密度顯著高于其他各層，森林土壤有機(jī)碳密度與有機(jī)碳含量的趨勢(shì)相同，也表現(xiàn)出較強(qiáng)的表聚性。這主要是由于植物根系集中分布在土壤表層，凋落物和腐殖層以及土壤微生物的分解對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)主要作用于地表，且隨土壤深度的增加而減弱，因而表層土壤碳密度大[14]。進(jìn)一步分析表明，馬尾松林和竹林土壤碳密度在20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層間差異不顯著（P>0.05）；而杉木林土壤碳密度在20～40 cm與40～60 cm土層間差異不顯著（P>0.05），40～60 cm與60～80 cm土層間差異顯著（P<0.05）。這可能是由于深層土壤有機(jī)碳密度受根系分布、數(shù)量等的影響較大，而杉木、馬尾松、毛竹的根系分布范圍、根系數(shù)量存在差異，導(dǎo)致土壤碳密度層間變化存在差異。

3.3 3種林分類(lèi)型土壤養(yǎng)分狀況

3種林分類(lèi)型土壤的全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀0～80 cm剖面平均含量分別為1.25～2.01 g/kg、95.67～112.52 mg/kg、0.24～0.29 g/kg、1.11～1.17 mg/kg、8.44～8.91 g/kg和32.42～41.46 mg/kg（表3），全氮、全磷、全鉀含量均表現(xiàn)為竹林>杉木林>馬尾松林，水解氮含量表現(xiàn)為竹林>馬尾松林>杉木林，有效磷含量表現(xiàn)為馬尾松林>竹林>杉木林，速效鉀含量表現(xiàn)為杉木林>馬尾松林>竹林，說(shuō)明森林的結(jié)構(gòu)、組成等影響林地土壤的養(yǎng)分含量。方差分析表明3種林分類(lèi)型除全氮和速效鉀含量在0～80 cm剖面平均值存在極顯著差異（P<0.01）外，其他養(yǎng)分含量均不存在差異（P>0.05），說(shuō)明該區(qū)林分類(lèi)型對(duì)土壤全氮和速效鉀含量的影響較大。根據(jù)《森林土壤分析方法》[8]，3種林分類(lèi)型土壤各指標(biāo)都處于較低的水平，特別是有效磷和速效鉀含量尤為明顯。除全鉀和速效鉀含量隨土壤深度的變化無(wú)明顯規(guī)律外，其他養(yǎng)分含量均隨土壤深度增加而降低。

3.4 3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤理化特性在局部范圍內(nèi)都會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量。對(duì)土壤有機(jī)碳含量與土壤pH和養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析表明，土壤有機(jī)碳含量與pH均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，馬尾松林和竹林表現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)性，而杉木林相關(guān)性不顯著；3種森林類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷均表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，而與全鉀、速效鉀的相關(guān)性不盡一致（表4）。說(shuō)明土壤有機(jī)碳水平受諸多因素影響。

為了深入分析3種林分類(lèi)型各土壤因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響，以杉木林土壤有機(jī)碳含量（y1）、馬尾松林土壤有機(jī)碳含量（y2）和竹林土壤有機(jī)碳含量（y3）為因變量，土壤pH（x1）、全氮含量（x2）、水解氮含量（x3）、全磷含量（x4）、有效磷含量（x5）、全鉀含量（x6）、速效鉀含量（x7）為自變量，采用逐步剔除法進(jìn)行多元回歸分析（引入因子P<0.05，剔除因子P<0.10），建立土壤有機(jī)碳含量與土壤因子的回歸方程（表5）。這些回歸方程和回歸系數(shù)均達(dá)到了極顯著水平（P<0.01），可以認(rèn)為所選入的土壤因子已控制了3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳的大部分變異，且對(duì)3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量都有顯著或極顯著的影響。說(shuō)明所建方程可以正確反映出3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳和土壤因子的關(guān)系。從入選回歸方程的因子及標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)可以看出，杉木林和竹林影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子為水解氮含量，馬尾松林影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子為有效磷含量。

4 小結(jié)與討論

1）3種林分類(lèi)型0～80 cm剖面土壤有機(jī)碳平均含量為竹林（15.46 g/kg）﹥杉木林（13.78 g/kg）﹥馬尾松林（9.72 g/kg），且差異顯著，說(shuō)明在相同或相似的立地條件下，森林類(lèi)型的不同也會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量。3種林分類(lèi)型0～80 cm剖面土壤有機(jī)碳含量與黔中喀斯特地區(qū)不同森林類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量[6]比較，均小于該區(qū)闊葉混交林，但高于該區(qū)針闊混交林和灌木林，而與貴州西部不同森林類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量[7]比較，遠(yuǎn)小于該區(qū)杉木林、柳杉林、樺木林和華山松林土壤有機(jī)碳平均含量。說(shuō)明加強(qiáng)區(qū)域性森林土壤有機(jī)碳的研究意義重大。

2）3種林分類(lèi)型0～80 cm土壤碳密度表現(xiàn)為杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥馬尾松林（8.21 kg/m2），不同林分類(lèi)型間差異均極顯著。3種林分類(lèi)型0～80 cm土壤碳密度與黔中喀斯特地區(qū)不同森林類(lèi)型0～80 cm土壤碳密度[6]比較，均小于該區(qū)闊葉混交林，杉木林與竹林高于針闊混交林和灌木林，而馬尾松林小于該區(qū)針闊混交林和灌木林，而3種林分類(lèi)型0～80 cm土壤碳密度與貴州西部不同森林類(lèi)型土壤碳密度[7]比較，均遠(yuǎn)小于貴州西部杉木林、柳杉林、樺木林和華山松林。而3種林分類(lèi)型的土壤碳密度與解憲麗等[13]報(bào)道的森林土壤碳密度全國(guó)平均水平11.59 kg/m2比較，杉木林略高，馬尾松林略低，竹林接近，但都遠(yuǎn)低于周玉榮等[15]報(bào)道的我國(guó)森林土壤碳密度平均水平19.34 kg/m2。造成不同研究結(jié)果之間差異的原因有很多，而主要原因是由于土壤有機(jī)碳除了受到地表枯枝落葉、地下微生物和植物根系等的影響外，還受土壤類(lèi)型，氣溫、降雨量以及森林的結(jié)構(gòu)、組成等影響，致使土壤有機(jī)碳具有很高的空間變異性。另外，土壤容重和石礫含量的差異也對(duì)土壤碳密度產(chǎn)生一定程度的影響。

3）3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量及其碳密度在垂直分布上均隨土壤深度增加而逐漸降低。一方面說(shuō)明植被類(lèi)型影響土壤有機(jī)碳的剖面垂直分布，另一方面，由于森林植被土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源多為枯枝落葉，進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)主要為地表的凋落物，表層有機(jī)碳含量高，向下急劇減少。3種林分類(lèi)型0～10 cm土壤有機(jī)碳含量介于22.38～24.81 g/kg之間，顯著高于其他各層，分別是剖面有機(jī)碳含量均值的1.80～2.30倍，而0～20 cm土壤碳密度在3.75～4.81 kg/m2之間，分別占整個(gè)土壤剖面的有機(jī)碳密度的31.97%～47.87%，顯著高于其他各層。這充分說(shuō)明該區(qū)森林土壤有機(jī)碳密度具有較強(qiáng)的表聚性，意味著不合理的人為活動(dòng)極易造成土壤碳的損失[14]。因此，應(yīng)加強(qiáng)森林管護(hù)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，避免不合理的人為干擾活動(dòng)，以維持和增加土壤碳貯量，對(duì)減緩大氣CO2濃度上升有著重大意義。與我國(guó)森林土壤0～20 cm土壤平均碳密度（4.24 kg/m2）[13]相比，杉木林0～20 cm土壤碳密度略高，而馬尾松林和竹林0～20 cm土壤碳密度均略偏低。同時(shí)，3種林分類(lèi)型0～20 cm土壤碳密度均低于黔中喀斯特地區(qū)[6]和貴州西部地區(qū)[7]森林土壤0～20 cm有機(jī)碳密度。除了森林類(lèi)型的差異外，最主要的原因可能是由于該區(qū)山高坡陡，加之土壤為紫色土，土體相對(duì)疏松，水土流失較為嚴(yán)重，導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳含量較其他地區(qū)低。

4）土壤有機(jī)碳含量與pH均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，馬尾松林和竹林表現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)性，而杉木林相關(guān)性不顯著；3種林分類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷均表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，而與全鉀、速效鉀的相關(guān)性不盡一致，但土壤有機(jī)碳含量與土壤因子的回歸方程和回歸系數(shù)均達(dá)到了極顯著水平，所建方程可以正確反映二者間的關(guān)系。杉木林和竹林影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子為水解氮，馬尾松林影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子為有效磷。而在貴州西部地區(qū)，影響杉木林土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子為全氮和速效磷[7]，在貴州南部，影響馬尾松林土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子為全氮[16]，說(shuō)明相同森林類(lèi)型由于區(qū)域和立地條件的差異，影響林地土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子也會(huì)存在差異。

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