王 棣, 耿增超,*, 佘 雕, 和文祥, 侯 琳

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊陵 712100

2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊陵 712100

3 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊陵 712100

秦嶺典型林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及碳氮垂直分布

王 棣1, 耿增超1,*, 佘 雕2, 和文祥1, 侯 琳3

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊陵 712100

2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊陵 712100

3 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊陵 712100

以秦嶺典型林分銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))、油松、華山松、松櫟混交林、云杉、銳齒櫟(辛家山林區(qū))為對(duì)象，研究了不同林分土壤剖面上有機(jī)碳、全氮、有機(jī)碳儲(chǔ)量的分布規(guī)律。結(jié)果表明：在秦嶺地區(qū)，隨著土壤剖面深度增加，不同林分的土壤有機(jī)碳、全氮含量均逐漸降低；不同林分的土壤有機(jī)碳、氮素的積累和分解存在一定差異。其中，云杉和松櫟混交林的土壤有機(jī)碳、全氮含量較高，銳齒櫟(辛家山林區(qū))含量較低，不同林分土壤剖面有機(jī)碳、全氮含量平均值分別為13.46—26.41 g/kg、4.47—9.51 g/kg，大小順序均為云杉>松櫟混交林>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))>油松>華山松>銳齒櫟(辛家山林區(qū))；各個(gè)林分的土壤C/N在5.93—15.47之間， C/N平均值大小為松櫟混交林﹥?nèi)A山松﹥油松﹥?cè)粕缉冧J齒櫟(辛家山林區(qū))﹥銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))；各個(gè)林分0—60 cm土層的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量大小為云杉>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))>松櫟混交林>華山松>銳齒櫟(辛家山林區(qū))>油松，分別為150.94、135.28、124.93、109.24、102.15、96.62 t/hm2；各個(gè)林分土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮含量存在極顯著正相關(guān)，土壤有機(jī)碳、全氮與C/N則沒有明顯相關(guān)性。

垂直分布; 有機(jī)碳儲(chǔ)量; 土壤有機(jī)碳; 全氮

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)生命活動(dòng)的主要場所，為森林生長提供養(yǎng)分[1]。森林土壤中的碳占全球土壤有機(jī)碳的73%[2]，森林土壤中的氮素含量超過森林生態(tài)系統(tǒng)總氮量的85%[3]。土壤有機(jī)質(zhì)和氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，也是生態(tài)系統(tǒng)中及其重要的生態(tài)因子[4]，其含量的多少會(huì)影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性，影響全球生態(tài)系統(tǒng)中大氣二氧化碳濃度和碳氮循環(huán)。土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤質(zhì)量和土壤健康的一個(gè)重要指標(biāo)，其含量多少直接影響著土壤中的物理、化學(xué)和生物過程以及土壤肥力和土地生產(chǎn)力[5]。氮素作為一種大量營養(yǎng)元素，在物質(zhì)循環(huán)中也扮演著非常重要的角色[6- 8]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，生物對(duì)氮的需求量往往大于土壤有機(jī)氮礦化速率，所以森林生態(tài)系統(tǒng)通常表現(xiàn)為氮缺乏型[9]。揭示土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異規(guī)律和分布特征對(duì)實(shí)現(xiàn)土壤資源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[10]。

森林是地球上最大的陸地碳庫,約占陸地總碳庫的46%，對(duì)全球碳循環(huán)和碳平衡至關(guān)重要。森林土壤碳庫是森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主體，包括無機(jī)碳庫和有機(jī)碳庫兩部分。森林土壤無機(jī)碳貯量相對(duì)較小且變動(dòng)不大，森林土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量約為787 PgC，約占全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的39%，大約為森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫的2/3[11]。由于森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的巨大庫容，其較小幅度的變化就可能有大量的碳向大氣排放，并通過溫室效應(yīng)影響全球氣候變化。

本研究以秦嶺地區(qū)典型林分為研究對(duì)象，比較研究了不同林分土壤剖面上土壤有機(jī)碳、全氮和有機(jī)碳儲(chǔ)量的分布，并分析了不同林分土壤剖面有機(jī)碳、全氮和有機(jī)碳儲(chǔ)量分布差異，以及碳氮的變化規(guī)律，以期為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域包括秦嶺馬頭灘(34°04′—34°35′N，106°54′—107°11′E)和辛家山(34°10′—34°20′N，106°28′—106°38′E)所轄林區(qū)。其中馬頭灘林區(qū)位于秦嶺西部主梁兩側(cè)，屬秦嶺腹地，林地總面積為34668 hm2，海拔1500—2650 m[12]；境內(nèi)屬北亞熱帶北緣暖溫帶山地濕潤氣候區(qū)，氣候垂直變化明顯，小氣候差異大，光熱條件不足，降水集中，分布不均；氣溫日差大，年平均氣溫11 ℃，年降水量600—900 mm。林區(qū)森林植被垂直分布明顯，構(gòu)成林分的優(yōu)勢(shì)樹種有冷杉(Abiesholophylla)、華山松(PinusarmandiiFranch)、紅樺(Betulaalbo-sinensisBurk)、櫟類(QuercusLinn)等。辛家山林區(qū)位于秦嶺西部南坡，秦嶺主梁南側(cè)嘉陵江上游，境內(nèi)屬暖溫帶半濕潤山地氣候區(qū)，由于山地高差懸殊，氣候垂直變化明顯，小氣候差異大，年平均氣溫7.6 ℃，年平均降雨量900 mm，多集中于7、8、9月。該區(qū)域森林覆蓋率96.8%，林區(qū)資源豐富，主要樹種為冷杉(AbiesMill)、云杉(Piceaasperata)、紅樺(Betulaalbo-sinensisBurk)、銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)、遼東樺(Betulaschmidtii)、華山松(PinusarmandiiFranch)、油松(Pinustabulaeformis)、漆樹(Toxicodendronsuccedaneum)、山楊(Populusdavidiana)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品的采集和處理

在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行實(shí)地勘察，依據(jù)典型林分的分布情況選定6個(gè)樣地，根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件，確定樣地大小為60 m×40 m，樣地基本概況參見表1。在各樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)面積為20 m×20 m的樣方作為重復(fù)，在各個(gè)樣方內(nèi)按照S型布點(diǎn)法選擇5個(gè)采樣點(diǎn)，除去地表凋落物后進(jìn)行采樣，采樣深度為60 cm。每個(gè)采樣點(diǎn)按0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm將土壤剖面分4層，每層取環(huán)刀測(cè)定土壤容重，最后，將每個(gè)樣方內(nèi)各采樣點(diǎn)的土樣按層混合均勻，作為分析樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，共計(jì)72份土樣。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，置于通風(fēng)、陰涼、干燥的室內(nèi)風(fēng)干，以四分法取樣磨細(xì)并過篩(孔徑：2 mm、 1 mm、0.25 mm)，備用[13]。

表1 樣地基本概況

1.2.2 樣品理化指標(biāo)的測(cè)定

土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)的測(cè)定均采用常規(guī)方法，并作3次平行。其中，土壤容重采用環(huán)刀法， pH采用電位法(水∶土=2.5∶1)，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮含量采用半微量凱氏法。

土壤水分采用(105±2)℃烘箱烘干法，計(jì)算公式為：

土壤含水量=(W濕-W干)/(W干-W)

(1)

式中，W濕為濕土重+鋁盒重(g);W干為干土+鋁盒重(g);W為鋁盒重(g)。

土壤礫石體積含量采用排水法[14- 15]，待測(cè)定完土壤容重后,將環(huán)刀內(nèi)的土壤過2 mm土壤篩,然后用清水洗凈礫石表面的土壤顆粒,再將其表面水分涼干后用量杯(精度0.5 mL)通過排水法測(cè)定礫石體積,用以計(jì)算土壤礫石的體積含量。

土壤剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量用下列公式計(jì)算[16- 18]：

Cso=C×D×E×(1-G)/10

(2)

式中，Cso為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)，C為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，D為土壤容重(g/cm3)，E為土層厚度(cm)，G為直徑>2 mm的石礫所占的體積比例(%)。

土壤C/N計(jì)算公式如下：

C/N=有機(jī)碳/全氮

(3)

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和 Spss18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，應(yīng)用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同樣地間各指標(biāo)的差異顯著性，采用雙變量相關(guān)分析法計(jì)算各項(xiàng)理化性質(zhì)兩兩之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳的剖面分布

土壤有機(jī)碳不僅影響土壤的物理特性和肥力，還影響生物的生長和產(chǎn)量，其含量多少能為土壤生產(chǎn)力、土壤水文特性和以碳為基礎(chǔ)的溫室氣體研究提供非常重要的信息[19- 20]。

由表2可知，不同林分的土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加不斷減小。除松櫟混交林的0—10 cm土層與10—20 cm土層、銳齒櫟(辛家山林區(qū))的20—40 cm土層與40—60 cm土層的有機(jī)碳含量差異不顯著外，其余樣地的土壤有機(jī)碳含量在各土層間均表現(xiàn)為顯著性差異。

松櫟混交林0—10 cm土層的有機(jī)碳含量為44.10 g/kg，是所有土層中的最大值，其它林分的0—10 cm土層的有機(jī)碳含量在22.73—42.37 g/kg之間，華山松的0—10 cm土層的有機(jī)碳含量最低，為22.73 g/kg。各個(gè)林分的0—10 cm土層的有機(jī)碳含量占土壤剖面的40.11%—53.74%，這與耿增超等[21]人的研究結(jié)果一致,說明了土壤有機(jī)碳的分布具有比較明顯的表聚現(xiàn)象。

通過對(duì)不同林分的比較發(fā)現(xiàn)，松櫟混交林土壤剖面的有機(jī)碳含量變化幅度最大，從0—10 cm土層的44.10 g/kg減小為40—60 cm土層的4.88 g/kg。不同林分間的土壤有機(jī)碳含量存在較大的差異，這主要是受到成土過程中的環(huán)境特點(diǎn)和植被類型等方面的影響[22]。在整個(gè)剖面上，云杉和松櫟混交林的土壤有機(jī)碳含量保持了一個(gè)相對(duì)較高的水平，不同林分的有機(jī)碳含量平均值大小為云杉(26.41 g/kg)>松櫟混交林(26.22 g/kg)>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))(21.01 g/kg)>油松(14.22 g/kg)>華山松(13.66 g/kg)>銳齒櫟(辛家山林區(qū))(13.46 g/kg)。

表2 典型林分不同土層有機(jī)碳含量/(g/kg)

2.2 土壤全氮的剖面分布

氮是森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力構(gòu)成的重要因素，是植物生長發(fā)育的必需元素，且90%以上的氮存在于森林土壤中[23]。

由表3可知，各個(gè)林分的土壤全氮含量隨著土層深度增加不斷減少。除華山松外，其余林分的土壤剖面至少有3個(gè)土層的全氮含量表現(xiàn)為顯著性差異，銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))、松櫟混交林、云杉土壤剖面的各個(gè)土層均表現(xiàn)為差異性顯著，這與土壤有機(jī)碳的土壤剖面垂直分布規(guī)律相似，這可能是因?yàn)橥寥乐写蟛糠值匾杂袡C(jī)態(tài)存在，有機(jī)碳對(duì)全氮分布的影響比較重要[24]。

各個(gè)林分0—10 cm土層的全氮含量在1.64—3.45 g/kg之間，除銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))0—10 cm土層的全氮含量與松櫟混交林、云杉的0—10 cm土層的全氮含量差異不顯著外，其余各個(gè)林分的0—10 cm土層的全氮含量均表現(xiàn)為差異顯著。云杉的0—10 cm土層的全氮含量為3.45 g/kg，是所有林分0—10 cm土層中的最大值，其它林分的0—10 cm土層的全氮含量在1.64—3.34 g/kg之間，華山松的0—10 cm土層的全氮含量最低，為1.64 g/kg。各個(gè)林分的0—10 cm土層的全氮含量占土壤剖面的33.81%—46.13%，由此可知土壤全氮的表聚現(xiàn)象相對(duì)土壤有機(jī)碳較差。

在整個(gè)土壤剖面上，云杉和松櫟混交林全氮含量相對(duì)較高，銳齒櫟(辛家山林區(qū))的全氮含量相對(duì)較低，各個(gè)林分土壤剖面全氮含量大小為云杉(9.51 g/kg)>松櫟混交林(7.59 g/kg)>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))(7.55 g/kg)>油松((5.18 g/kg)>華山松(4.85 g/kg)>銳齒櫟(辛家山林區(qū))(4.47 g/kg)，這與各個(gè)林分間土壤有機(jī)碳含量的分布情況一致。

表3 典型林分不同土層全氮含量/(g/kg)

2.3 土壤C/N的變化

C/N是指土壤有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳總量和氮素總量之比，其大小可反映有機(jī)質(zhì)的分解狀況，被認(rèn)為是氮素礦化能力的標(biāo)志[25]。一般認(rèn)為微生物在生命活動(dòng)過程中，需要土壤最佳的C/N約為25∶1，即C/N越接近25∶1時(shí)越有利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，C/N比25∶1小時(shí)，有機(jī)質(zhì)不僅易轉(zhuǎn)化，還可以為土壤提供充足的氮素；C/N大于25∶1時(shí)，有機(jī)質(zhì)較難轉(zhuǎn)化，而且會(huì)出現(xiàn)微生物與植物的爭氮現(xiàn)象，但卻有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[26]。

圖1 典型林分土壤碳氮比Fig.1 Soil C/N in different forest types

由圖1可知，供試林分6個(gè)土壤剖面的C/N基本在5.93—15.47之間，均小于25∶1，表明各個(gè)樣地土壤腐殖化程度較高，氮素的礦化能力較強(qiáng)。一般來說，土壤C/N范圍大致位于2—70之間，在此范圍之外的C/N在其他分析中應(yīng)做為特殊值處理[17]。該試驗(yàn)中的C/N均處在正常合理范圍內(nèi)，說明各個(gè)林分土壤有效氮的釋放能力較強(qiáng)。銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))和銳齒櫟(辛家山林區(qū))的C/N隨著土壤剖面深度增加不斷減小，符合土壤C/N在剖面的一般變化規(guī)律[27]，然而，其他林分的規(guī)律性則沒有那么明顯。各個(gè)林分的0—10 cm土層的C/N以松櫟混交林最大，大小為14.06，但松櫟混交林的10—20 cm土層的C/N卻為其剖面的最大值，其它林分的以0—10 cm土層的C/N為各自剖面的最大值。各個(gè)林分C/N平均值大小為松櫟混交林(12.33)﹥?nèi)A山松(10.75)﹥油松(10.71)﹥?cè)粕?10.70)﹥銳齒櫟(辛家山林區(qū))(10.58)﹥銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))(10.02)。

2.4 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的剖面分布

由表4可知，各個(gè)林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異顯著，各個(gè)林分0—60 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量大小為云杉>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))>松櫟混交林>華山松>銳齒櫟(辛家山林區(qū))>油松，其有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為150.94、135.28、124.93、109.24、102.15、96.62 t/hm2，各個(gè)林分土壤有機(jī)碳碳儲(chǔ)量均大于全國土壤平均碳儲(chǔ)量(96.0 t/hm2)[28]。各個(gè)林分0—10 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量百分比大小順序?yàn)椋河退?39.92%)>銳齒櫟(辛家山林區(qū))(34.59%)>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))(34.29%)>松櫟混交林(31.21%)>華山松(29.83%)>云杉(23.98%)。各個(gè)林分0—20 cm土層的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占各自剖面土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量的46%以上，這與梁啟鵬等[29]的研究結(jié)果一致，表明土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量具有比較明顯的表聚現(xiàn)象。除油松的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為隨土層深度增加不斷減小外，其余林分的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨土層變化規(guī)律性較差，各土層有機(jī)碳儲(chǔ)量變化幅度不同，且表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性，個(gè)別林分的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量甚至表現(xiàn)為隨著土層深度增加而增加的趨勢(shì)。

表4 典型林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量/(t/hm2)

2.5 土壤有機(jī)碳、全氮與土壤容重、含水率、pH值、有機(jī)碳、全氮、C/N相關(guān)性

以研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)林分及各土壤層次的平均值進(jìn)行相關(guān)性分析。

由表5可知，秦嶺地區(qū)各個(gè)林分的土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮含量存在極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.879—0.992之間，各個(gè)林分土壤有機(jī)碳含量與土壤pH存在極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.839—-0.975之間。除銳齒櫟(辛家山林區(qū))土壤有機(jī)碳含量與土壤容重?zé)o明顯相關(guān)性外，其余林分土壤有機(jī)碳含量與土壤容重相關(guān)性顯著，松櫟混交林達(dá)到極顯著水平。除油松、云杉土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量顯著正相關(guān)外，其余林分土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量無明顯相關(guān)性。此外，各個(gè)林分土壤有機(jī)碳含量與土壤C/N無明顯相關(guān)性。

表5 土壤有機(jī)碳與土壤容重、含水率、pH、全氮、C/N相關(guān)系數(shù)

以研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)林分及各土層的平均值進(jìn)行相關(guān)性分析。

由表6可知，秦嶺地區(qū)各個(gè)林分土壤全氮含量與土壤有機(jī)碳含量存在極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.879—0.992之間。除油松、松櫟混交林的土壤全氮含量與土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)外，其余林分的土壤全氮含量與土壤pH值無明顯相關(guān)性。除華山松、銳齒櫟(辛家山林區(qū))的土壤全氮含量與土壤容重?zé)o明顯相關(guān)性外，其余林分土壤的全氮含量與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.956—-0.987之間。油松、華山松、云杉土壤全氮含量與土壤含水量顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.954—0.985之間，其余林分的土壤全氮含量與土壤含水量則沒有明顯的相關(guān)性。此外，各個(gè)林分的土壤全氮含量與土壤C/N無明顯相關(guān)性。

表6 土壤全氮與土壤容重、含水率、pH、有機(jī)碳、C/N相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 土壤有機(jī)碳和全氮的分布特征

研究結(jié)果表明，秦嶺地區(qū)典型林分銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))、油松、華山松、松櫟混交林、云杉、銳齒櫟(辛家山林區(qū))的土壤有機(jī)碳及全氮含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，均隨著土壤深度的增加而不斷降低，且降幅較大；同一林分不同土層間有機(jī)碳含量存在顯著差異的主要原因在于土壤不同層次上有機(jī)物質(zhì)的輸入存在規(guī)律性差異，一般情況下，土壤表層積累了大量的枯枝落葉等植物殘?bào)w，且植物根系的密度一般隨著土層的變深而減小。

不同林分間土壤有機(jī)碳、全氮分布情況均為：云杉>松櫟混交林>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))>油松>華山松>銳齒櫟(辛家山林區(qū))；不同林分間的差異反映了土壤有機(jī)碳、全氮的含量受到多方面因素的影響，如土壤的物理性質(zhì)、土壤生境、凋落物的輸入、土壤微生物的活動(dòng)等[24]。各個(gè)林分的有機(jī)碳、全氮主要集中在0—10 cm和10—20 cm土層，主要是受地表植被凋落物的礦化分解、轉(zhuǎn)化積累和土壤呼吸等過程的綜合影響[30]。

3.2 土壤碳氮比的分布特征

土壤碳氮比可以影響土壤中微生物的代謝活動(dòng)，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化產(chǎn)生作用。一般認(rèn)為，土壤碳氮比在15—25之間，有機(jī)質(zhì)供肥狀況優(yōu)越[31]。

研究結(jié)果表明，秦嶺各個(gè)林分C/N大小為松櫟混交林>華山松>油松>云杉>銳齒櫟(辛家山林區(qū))>銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))，這與各個(gè)林分所處環(huán)境的氣候條件和植被類型等因素密切相關(guān)。各個(gè)供試林分土壤剖面C/N基本在5.93—15.47之間，這在一定程度上說明了土壤中的有機(jī)質(zhì)分解比較容易，尤其是土壤氮素的礦質(zhì)化作用明顯，可以釋放更多的有效態(tài)氮，能夠?yàn)橥寥捞峁┏渥愕牡?，但也容易造成土壤中氮素的大量流失[19]。

3.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布特征

秦嶺各個(gè)林分0—60 cm土層的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量由高到低排序?yàn)樵粕?銳齒櫟(馬頭灘林區(qū))>松櫟混交林>華山松>銳齒櫟(辛家山林區(qū))>油松。各個(gè)林分的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量具有比較明顯的表聚作用，在一定程度上表明森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的穩(wěn)定性較差，不合理的人為活動(dòng)較易破壞表層，極易引起水土流失，從而使得土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量減少。

除油松外，其余林分的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨土層變化規(guī)律性差，具體表現(xiàn)為各土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量變化幅度不同，且出現(xiàn)較大的波動(dòng)性，這主要是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳儲(chǔ)量受土壤有機(jī)碳含量、土壤容重、土層厚度、礫石體積質(zhì)量多個(gè)因素的影響，因此不同林分不同土層的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化規(guī)律與土壤有機(jī)碳、全氮的變化存在差異。

3.4 土壤有機(jī)碳、氮素與土壤容重、含水率、pH值、有機(jī)碳、全氮、C/N相關(guān)性

研究區(qū)域內(nèi)，各個(gè)林分的土壤pH值與有機(jī)碳存在極顯著負(fù)相關(guān)，與全氮的相關(guān)性僅存在于油松、松櫟混交林中，這與白紅軍等[32]對(duì)霍林河流域濕地土壤的研究存在較大差異，具體原因尚有待于進(jìn)一步探討。除銳齒櫟(辛家山林區(qū))土壤有機(jī)碳、全氮含量，華山松的全氮含量與土壤容重?zé)o明顯相關(guān)性外，其余林分土壤有機(jī)碳、全氮含量與土壤容重相關(guān)性顯著。土壤容重是反映土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，與土壤的水、熱狀況密切相關(guān)。對(duì)森林土壤而言，土壤物理性狀不僅能反映土壤的結(jié)構(gòu)狀況，而且也是森林植被及土壤持水、蓄水性能的重要指標(biāo)之一。除油松、云杉的土壤有機(jī)碳、全氮含量，華山松的全氮含量與土壤含水量顯著正相關(guān)外，其余林分土壤有機(jī)碳、全氮含量與土壤含水量無明顯相關(guān)性，這主要是因?yàn)橥寥乐刑?、氮的蓄積除與含水量相關(guān)外，還受到植被類型、土壤溫度、微生物等因素的影響[33]。

[1] 薛立, 吳敏, 徐燕, 李燕, 屈明. 幾種典型華南人工林土壤的養(yǎng)分狀況和微生物特性研究. 土壤學(xué)報(bào), 2005, 42(6): 1017- 1023.

[2] Sedjo R A. The carbon cycle and global forest ecosystem. Water, Air, and Soil Pollution, 1993, 70(1/4): 295- 307.

[3] Cole D W, Rapp M. Elemental Cycling in Forest Ecosystems. London: Cambridge University Press, 1981: 341- 409.

[4] 賈曉虹, 李新榮, 李元壽. 干旱沙區(qū)植被恢復(fù)中土壤碳氮變化規(guī)律. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 31(7): 66- 74.

[5] Doran J W, Jones A J, Arshad M A. Determinants of Soil Quality and Health. Florida: CRC Press, 1999: 17- 36.

[6] 黃宇, 馮宗煒, 汪思龍, 馮兆忠, 張紅星, 徐永榮. 杉木、火力楠純林及其混交林生態(tài)系統(tǒng)C、N貯量. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 15(12): 3146- 3154.

[7] 杜紅梅, 王超, 高紅真. 華北落葉松人工林碳匯功能的研究. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2009, 17(4): 756- 759.

[8] Vitousek P M, Howarth R W. Nitrogen limitation on land and in the sea: How can it occur. Biogeochemistry, 1991, 13(2): 87- 115.

[9] 鄧小文, 韓士杰. 氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的影響. 生態(tài)學(xué)雜志, 2007, 26(10): 1622- 1627.

[10] 胡克林, 余艷, 張風(fēng)榮, 王茹. 北京郊區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變異及其影響因素. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39(4): 764- 771.

[11] Lal R. Forest soils and carbon sequestration. Forest Ecology and Management, 2005, 220(1/3): 242- 258.

[12] 楊文杰, 徐小茸, 方麗, 雒和忠. 國有林場發(fā)展問題探討——陜西省馬頭灘林業(yè)局發(fā)展調(diào)查研究. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 20(1): 189- 192.

[13] 中華人民共和國林業(yè)局. 森林土壤分析方法(中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)). 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1999: 1- 167.

[14] 解迎革, 李霞. 土壤中礫石含量的測(cè)定方法研究進(jìn)展. 土壤, 2012, 44(1): 17- 22.

[15] 時(shí)忠杰, 王彥輝, 于澎濤, 徐麗宏, 熊偉, 郭浩. 六盤山森林土壤中的礫石對(duì)滲透性和蒸發(fā)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(12): 6091- 6098.

[16] Rodríguez-Murillo J C. Organic carbon content under different types of land use and soil in peninsular Spain. Biology and Fertility of Soils, 2001, 33(1): 53- 61.

[17] Batjes N H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world. European Journal of Soil Science, 1996, 47(2): 151- 163.

[18] Schwartz D, Namri M. Mapping the total organic carbon in the soils of the Congo. Global and Planetary Change, 2002, 33(1): 77-93.

[19] 陳翠玲, 蔣愛風(fēng), 介元芬, 李來泉. 土壤微團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)及有效氮、磷、鉀的關(guān)系研究. 河南職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 31(4): 7-9.

[20] 陳恩鳳, 周禮愷, 武冠云. 微團(tuán)聚體的保肥供肥性能及其組成比例在評(píng)斷土壤肥力水平中的意義. 土壤學(xué)報(bào), 1994, 31(1): 18- 25.

[21] 耿增超, 姜林, 李珊珊, 佘雕, 候磊. 祁連山中段土壤有機(jī)碳和氮素的剖面分布. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(3): 665- 672.

[22] 黨坤良, 雷瑞德, 耿增朝, 張碩新, 申衛(wèi)軍. 秦嶺火地塘林區(qū)不同土壤類型化學(xué)性質(zhì)的研究. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 1996, 11(增): 26- 30.

[23] 傅民杰, 王傳寬, 王穎, 劉實(shí). 四種溫帶森林森林土壤氮礦化與硝化時(shí)空格局. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(7): 3747- 3758.

[24] 肖偉偉, 范曉暉, 楊林章, 孫波. 長期定位施肥對(duì)潮土有機(jī)氮組分和有機(jī)碳的影響. 土壤學(xué)報(bào), 2009, 46(2): 274- 280.

[25] Springob G, Kirchmann H. Bulk soil C to N ratio as a simple measure of net N mineralization from stabilized soil organic matter in sandy arable soils. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(4): 629- 632.

[26] 李珊珊, 耿增超, 姜林, 佘雕, 羅志偉. 秦嶺火地塘林區(qū)土壤剖面碳氮垂直分布規(guī)律的研究. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 26(4): 1- 6.

[27] 吳志祥, 謝貴水, 陶忠良, 周兆德, 王旭. 海南儋州不同林齡橡膠林土壤碳和全氮特征. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2009, 18(4): 1484- 1491.

[28] 于東升, 史學(xué)正, 孫維俠, 王洪杰, 劉慶花, 趙永存. 基于1: 100萬土壤數(shù)據(jù)庫的中國土壤有機(jī)碳密度及處理研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 16(12): 2279- 2283.

[29] 梁啟鵬, 余新曉, 龐卓, 王琛, 呂錫芝. 不同林分土壤有機(jī)碳密度研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 19(4): 889- 893.

[30] 徐歡歡, 曾從盛, 王維奇, 翟繼紅. 艾比湖濕地土壤有機(jī)碳垂直分布特征及其影響因子分析. 福建師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 26(5): 86-91.

[31] 文啟孝,杜麗娟,張曉華. 土壤有機(jī)質(zhì)研究法. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1984: 1-7.

[32] 白軍紅, 鄧偉, 朱顏明, 欒兆擎, 張玉霞. 霍林河流域濕地土壤碳氮空間分布特征及生態(tài)效應(yīng). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(9): 1494- 1498.

[33] Davidson E A, Trumbore S E, Amundson R. Soil warming and organic carbon content. Nature, 2000, 408(6814): 789- 790.

Soil organic carbon storage and vertical distribution of carbon and nitrogen across different forest types in the Qinling Mountains

WANG Di1, GENG Zengchao1,*, SHE Diao2, HE Wenxiang1, HOU Lin3

1CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China3CollegeofForestry,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

The main forest areas of Shaanxi Province lie in the Qinling Mountains. These forests have important ecological and economic significance. The distribution patterns of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), and SOC storage in the soil profiles have not been systematically studied. The objective of this study was to estimate SOC, TN, and SOC storage for six forest types in the Matoutan forest farm and in the Xinjiashan forest farm of the Qinling mountain range. All forest types in this study were natural secondary forests: namelyQuercusalienavaracuteserrata(Matoutan forest farm),PinustabulaeformisCarr,PinusarmandiiFranch,pine-oakmixed forest,PiceaasperataMast, andQuercusalienavaracuteserrata (Xinjiashan forest farm). Five replicate samples were taken in an “S” pattern for each forest type. The profiles were divided into 0—10, 10—20, 20—40, and 40—60 cm groups and then sampled, summing up to 72 soil samples. The physical and chemical properties of the soils were measured using conventional methods. The results were analyzed using univariate analysis of variance. Differences among forest types and soil horizons were analyzed with SPSS statistics 18.0. The results showed that the content of SOC and TN of different soil layers decreased with increasing soil depth in all six soil profiles. The accumulation and decomposition of SOC and TN differed between forest types. Among the six forest types, the SOC and TN contents ofPiceaasperataMast andpine-oakmixed forest were higher than in the others, and that ofQuercusalienavar.acuteserrata (Xinjiashan forest farm) was the lowest. The SOC and TN content in the intervals of the six forest soils were 13.46—26.41 g/kg and 4.47—9.51 g/kg, respectively, and the order wasPiceaasperataMast >pine-oakmixed forest >Quercusalienavaracuteserrata(Matoutan forest farm) >PinustabulaeformisCarr >PinusarmandiiFranch >Quercusalienavar.acuteserrata(Xinjiashan forest farm). The ratio of carbon to nitrogen (C/N) ranged from 5.93 to 15.47, the mean C/N was in the order ofpine-oakmixed forest >PinusarmandiiFranch >PinustabulaeformisCarr >PiceaasperataMast >Quercusalienavaracuteserrata(XinJiashan forest farm) >Quercusalienavaracuteserrata(MaToutan forest farm). SOC storage of the 0—60 cm layer of the six soils was 150.94 t/hm2forPiceaasperataMast > 135.28 t/hm2forQuercusalienavaracuteserrata(Matoutan forest farm) > 124.93 t/hm2for Pine-oak mixed forest > 109.24 t/hm2forPinusarmandiiFranch > 102.15 t/hm2forQuercusalienavaracuteserrata(Xinjiashan forest farm) > 96.62 t/hm2forPinustabulaeformisCarr, which was greater than the national average SOC storage (96.0 t/hm2). SOC storage was influenced by SOC content, soil bulk density (BD), soil thickness, and volume of gravel; therefore, the distribution regularity in the soil profile was poorer. Correlation analysis showed that there were highly significant positive correlations between SOC and TN, but no significant correlations between C/N and SOC and TN.

vertical distribution; soil carbon storage; soil organic carbon; total nitrogen

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304307)

2013- 11- 03;

日期:2014- 10- 08

10.5846/stxb201311032655

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gengzengchao@126.com

王棣, 耿增超, 佘雕, 和文祥, 侯琳.秦嶺典型林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及碳氮垂直分布.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(16):5421- 5429.

Wang D, Geng Z C, She D, He W X, Hou L.Soil organic carbon storage and vertical distribution of carbon and nitrogen across different forest types in the Qinling Mountains.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5421- 5429.