崔鴻俠 肖文發(fā) 黃志霖 曾立雄 潘 磊 龐宏東

(中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京，100091) (湖北省林業(yè)科學(xué)研究院)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最大的貯庫，約為陸地植被碳庫的2 ～3 倍，是大氣碳庫的2倍，土壤碳庫較小幅度的變化就可能影響到碳向大氣的排放，以溫室效應(yīng)影響全球氣候變化［1－3］。土壤碳循環(huán)過程受氣候和生物多種因素的控制，如溫度、水分、植被及土壤理化性質(zhì)等的綜合影響，因此土壤碳儲量也隨著自然植被、氣候、土壤類型、土地利用方法、以及其后的管理方式的改變而變化。國內(nèi)外許多學(xué)者對森林土壤碳儲量及其影響因素進(jìn)行了非常有意義的研究，取得了一定成果［4－7］，這些研究對森林土壤碳儲量精確估算起到了積極的推動作用。

神農(nóng)架是世界中緯度地區(qū)唯一保持完好的亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)，以其生物多樣性、豐富性、特有性著稱，具有極其重要的保護(hù)和科研價值。關(guān)于森林土壤碳儲量及碳循環(huán)方面的研究尚屬空白。因此，研究神農(nóng)架地區(qū)典型森林類型土壤碳儲量，有助于豐富對我國不同區(qū)域森林土壤碳儲量特征的認(rèn)識。

針葉林是神農(nóng)架地區(qū)的主要森林類型之一，主要樹種有:馬尾松(Pinus massoniana)、華山松(Pinus amandii)、巴山冷杉(Abies fargesii)等，3 種針葉林面積占神農(nóng)架總針葉林面積65%以上。其中:馬尾松林和華山松林主要分布在神農(nóng)架中低海拔地區(qū)，而巴山冷杉林是高海拔地區(qū)最重要的建群種。本研究在神農(nóng)架地區(qū)選擇馬尾松林、華山松林和巴山冷杉林，比較不同針葉林類型的土壤有機(jī)碳儲量特征，并分析林分結(jié)構(gòu)特征、凋落物等因子對土壤碳儲量的影響，為提高神農(nóng)架地區(qū)土壤碳庫管理水平提供理論依據(jù)，并為我國森林土壤碳儲量估算及空間分布研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于神農(nóng)架林區(qū)(31°15' ～31°75'N，109°56' ～110°58'E)，是全國唯一以“林區(qū)”命名的行政區(qū)。林區(qū)內(nèi)山勢高大、山坡陡峻、河谷深切，總的地勢西南高東北低，相對高差2 707.4 m，平均海拔1 700 m。最高峰神農(nóng)頂海拔3 105.4 m，成為華中第一峰，神農(nóng)架因此有“華中屋脊”之稱。神農(nóng)架林區(qū)屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡氣候，并隨海拔的升高形成低山、中山、亞高山3 個氣候帶。神農(nóng)架年平均氣溫11.6 ℃，相對濕度為73% ～75%，年降水量為800 ～2 500 mm，主要集中在夏季，降水量隨海拔增高而增加，年蒸發(fā)量500 ～800 mm，屬于濕潤氣候帶。神農(nóng)架地區(qū)植被組成豐富，具有明顯的垂直地帶性，隨海拔升高依次為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林及灌叢。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2012年7—8月份，在神農(nóng)架選擇馬尾松林、華山松林和巴山冷杉林3 種天然針葉林類型，共設(shè)置樣地22 個，樣地面積為20 m×20 m。喬木層主要調(diào)查樹種組成、郁閉度、胸徑、密度等;在各樣地內(nèi)均勻布設(shè)5 個2 m×2 m 的灌木樣方，灌木生物量調(diào)查與樣地調(diào)查同時進(jìn)行，通過全株收獲法獲得［8］，主要調(diào)查灌木層物種種類、蓋度、高度等。在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5 個1 m×1 m 小樣方，于2012年7月至8月、11月和2013年4月共三次調(diào)查地表凋落物現(xiàn)存量，采用布袋收集法獲得，取三次收集的平均值作為凋落物現(xiàn)存量。樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 土樣采集與土壤樣品測定

在每個樣地按S 形布設(shè)5 個采樣點，按照0 ～20、＞20 ～40、＞40 ～60 cm 土壤深度用直徑為5 cm的土鉆取出完整的土芯，將5 個采樣點同一層的土樣混合均勻，留取1 kg 土樣帶回實驗室。將混合樣風(fēng)干，風(fēng)干樣過0.149 mm 篩后，測定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法［9］。土壤碳儲量計算公式為［10］:CSO=C ×D×E×(1－ G)/10。式中:CSO為土壤碳儲量(t·hm－2);C 為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg－1);D 為土壤密度(g·cm－3);E 為土層厚度(cm);G 為直徑大于2 mm 的石礫所占的體積比例(%)。土壤密度測定采用環(huán)刀法［10］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小，取決于土壤有機(jī)碳輸入、輸出及相關(guān)土壤性質(zhì)和過程［11］。神農(nóng)架不同針葉林類型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表2)。馬尾松林、華山松林和巴山冷杉林0 ～60 cm 土壤深度平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.33、20.13、35.83 g·kg－1，經(jīng)檢驗3 種針葉林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異達(dá)到顯著性水平(P ＜0.05)。隨著土壤深度的增加，3 種針葉林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均逐漸減小，經(jīng)檢驗不同深度間土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異均達(dá)到顯著性水平(P ＜0.05)。通過兩兩比較可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤(0 ＜h≤20 cm)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與下層土壤(20 cm ＜h≤60 cm)之間差異顯著。這主要是由于枯枝落葉與表層土壤直接接觸，且表層土壤中分布較多的細(xì)根，這些都是土壤有機(jī)碳的重要來源。

表2 不同森林類型不同土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 土壤碳儲量比較

根據(jù)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土層厚度、土壤密度與石礫含量計算的土壤碳儲量結(jié)果(表3)。神農(nóng)架馬尾松林、華山松林和巴山冷杉林0 ～60 cm 土壤深度總碳儲量分別為57.79、116.07、170.62 t·hm－2，巴山冷杉林土壤總碳儲量比馬尾松林和華山松林分別高195.24%和47.00%，說明巴山冷杉林在神農(nóng)架地區(qū)比其他針葉林具有更強(qiáng)的有機(jī)碳蓄存能力。經(jīng)檢驗3 種針葉林土壤總碳儲量及各土壤深度碳儲量差異均達(dá)到顯著性水平(P ＜0.05)。神農(nóng)架馬尾松林、華山松林和巴山冷杉林表層土壤有機(jī)碳儲量分別為24.88、51.83、68.18 t·hm－2，與解憲麗等［7］對我國針葉林20 cm 土壤厚度平均有機(jī)碳儲量測定值(37.7 t·hm－2)相比，神農(nóng)架地區(qū)華山松林和巴山冷杉林表層土壤碳儲量均大于全國針葉林土壤碳儲量平均值，說明神農(nóng)架這2 種針葉林類型土壤具有較強(qiáng)的碳儲存能力。

表3 不同森林類型不同土層土壤有機(jī)碳儲量

3.3 土壤碳儲量與平均胸徑的關(guān)系

森林生態(tài)系統(tǒng)碳的收入主要包括地上生物量和土壤有機(jī)碳，地上植被通過光合作用、凋落物分解等途徑將有機(jī)碳轉(zhuǎn)入土壤中，因此，地上生物量和土壤有機(jī)碳是有聯(lián)系的［12］。神農(nóng)架馬尾松林、華山松林和巴山冷杉林平均胸徑分別為9.7、13.2、23.5 cm。對針葉林土壤總碳儲量(0 ＜h≤60 cm)與樣地平均胸徑進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖1所示。從圖中可知，土壤碳儲量與平均胸徑呈正相關(guān)，土壤碳儲量隨著林木胸徑的增加有逐漸增大的趨勢。經(jīng)檢驗回歸方程達(dá)到極顯著水平(P=0.000 2)。這可以說明神農(nóng)架地區(qū)天然針葉林林分平均胸徑能較準(zhǔn)確的反映土壤碳儲量水平，可以用林木胸徑作為神農(nóng)架針葉林土壤碳儲量的指示指標(biāo)。

圖1 土壤碳儲量與平均胸徑的關(guān)系

3.4 土壤碳儲量與灌木生物量的關(guān)系

神農(nóng)架馬尾松林、華山松林和巴山冷杉林灌木層生物量分別為8.18、5.40、44.66 t·hm－2，變異系數(shù)分別為30.36%、41.85%、125.08%。其中:巴山冷杉林下灌木層生物量變異程度非常大。根據(jù)22個樣地調(diào)查結(jié)果可知，華山松林下灌木層生物量大多低于馬尾松林，而巴山冷杉林下灌木層生物量與另外兩種針葉林無固定變化規(guī)律。對土壤總碳儲量(0 ～60 cm)與林下灌木層生物量進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間相關(guān)性不顯著(P =0.233 8)，這與神農(nóng)架針葉林林下灌木層生物量變化規(guī)律不明顯有關(guān)。

3.5 土壤碳儲量與凋落物現(xiàn)存量的關(guān)系

凋落物的分解是土壤有機(jī)碳的重要來源，關(guān)于凋落物存儲量、質(zhì)量以及分解速率對土壤碳儲量的影響已有學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究［13－16］。神農(nóng)架馬尾松林、華山松林、巴山冷杉林凋落物現(xiàn)存量分別為0.81、1.35、8.11 t·hm－2。神農(nóng)架針葉林土壤碳儲量與林地地表凋落物現(xiàn)存量的相關(guān)性如圖2所示。從圖中可知，土壤碳儲量與地表凋落物呈正相關(guān)，土壤碳儲量隨著地表凋落物現(xiàn)存量的增加而增大。經(jīng)檢驗回歸方程達(dá)到極顯著水平(P ＜0.000 1)。

圖2 土壤碳儲量與凋落物現(xiàn)存量的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

研究不同森林類型的土壤有機(jī)碳儲量及影響因素，可為維持和增加森林植被的土壤碳儲量提供理論依據(jù)，同時為最適宜的土地利用方式的制定提供參考［17］。許多研究結(jié)果表明土壤有機(jī)碳儲量在不同森林類型中差異較大。楊金艷等［10］研究了東北東部典型的6 種次生林生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳，結(jié)果表明不同森林類型之間的土壤有機(jī)碳儲量存在顯著差異，變化范圍為94 ～220 t·hm－2。這主要是由于不同森林類型的樹種組成不同，因而冠層的光合能力不同，輸入土壤中的有機(jī)物的種類、產(chǎn)量和質(zhì)量也不同。本研究對同一地區(qū)的3 種針葉林土壤碳儲量研究結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳儲量隨著土壤深度的增加而減小，其中表層土壤碳儲量均占總碳儲量的40%以上，表現(xiàn)出明顯的表聚性，這與以前的研究結(jié)果一致［17－18］。巴山冷杉林土壤碳儲量顯著高于另外兩種針葉林，這種差異可能與部分巴山冷杉林分為原始林，生長年限長，人為干擾活動極少，以及其所處的地理環(huán)境更有利于土壤有機(jī)碳的積累有關(guān)。

目前，關(guān)于土壤有機(jī)碳儲量隨林分生長變化研究較少且結(jié)論爭議較大。王洪巖等［12］對興安落葉松林木個體大小(胸徑與樹高)與土壤碳儲量的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，林木平均大小與深層土壤(＞40 cm)有機(jī)碳顯著負(fù)相關(guān)(P ＜0.05)，而表層與深層有機(jī)碳儲量比值隨林木大小的增大呈顯著上升趨勢(P ＜0.05);何志斌等［19］研究發(fā)現(xiàn)祁連山青海云杉林表層土壤有機(jī)碳含量與灌木生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究中土壤碳儲量與平均胸徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜0.01)。而土壤碳儲量與灌木層生物量關(guān)系不顯著(P≥0.05)，這與前人研究結(jié)論并不一致。主要是因為神農(nóng)架巴山冷杉林下灌木層生物量差異非常大，在海拔高于2 500 m 的地方，多數(shù)巴山冷杉林下箭竹生長茂密，蓋度達(dá)到100%，本次試驗，其中2 個巴山冷杉林樣地灌木層生物量均大于100 t·hm－2，與生物量最小的樣地相差近70倍，這就造成神農(nóng)架地區(qū)針葉林林下灌木層生物量變化規(guī)律不明顯，并導(dǎo)致土壤碳儲量與灌木層生物量關(guān)系不顯著。

凋落物對土壤碳儲量的影響研究較為廣泛，研究結(jié)果表明凋落物是影響土壤有機(jī)碳的重要因子，且凋落物存儲量與土壤碳儲量具有正相關(guān)關(guān)系［20］。本研究中土壤碳儲量與凋落物現(xiàn)存量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.615 5，進(jìn)一步驗證了前人的研究結(jié)論。通過本次試驗研究，可以說明地表凋落物現(xiàn)存量是表征土壤碳儲量的良好指標(biāo)。

海拔也是影響神農(nóng)架3 種主要針葉林土壤碳儲量的一個重要因素。本研究所設(shè)置樣地海拔分布從587 ～2 862 m，3 種針葉林分別分布于低、中、高3 個海拔梯度。隨著海拔的升高，氣候(降水量和氣溫)、土壤類型等都發(fā)生了顯著變化。分布于低海拔的馬尾松林，由于氣溫較高，有利于土壤動物和微生物群落的活動，土壤有機(jī)物質(zhì)分解較快，積累緩慢，土壤呼吸釋放量大。而分布于高海拔的巴山冷杉林，由于土壤濕度大，并且溫度低，影響動植物殘體的分解，大部分以有機(jī)物形式沉積在土壤中。另外，低海拔地區(qū)的馬尾松林主要分布在神農(nóng)架國家級自然保護(hù)區(qū)外面，人口密度較大，森林受一定程度人為活動干擾也是造成土壤碳儲量較低的一個重要原因。

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