王艷麗,字洪標(biāo),程瑞希,唐立濤,所爾阿芝,羅雪萍,李 潔,王長(zhǎng)庭,*

1 西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610041 2 西南民族大學(xué)青藏高原研究院,成都 610041

土壤有機(jī)碳、氮是土壤碳、氮儲(chǔ)量的重要組成部分,全球約有1500 Gt碳、95 Gt氮是以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)存于地球土壤中[1-2],其積累和分解的速率決定著土壤碳、氮儲(chǔ)量。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為人類的居住環(huán)境和人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所,其土壤碳儲(chǔ)量約是大氣碳儲(chǔ)量的2倍[3-7],其土壤氮儲(chǔ)量約是植被氮儲(chǔ)量的3倍[8],因此土壤圈的碳、氮循環(huán)是全球生物化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[9],森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲(chǔ)量主要由森林植被、凋落物和土壤3個(gè)分室組成,土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要組成部分[10]。森林土壤碳儲(chǔ)量約為森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的2/3[11],其氮儲(chǔ)量超過森林植被氮儲(chǔ)量的85%[12]。土壤碳、氮儲(chǔ)量能在一定程度上反映土壤肥力,也能作為衡量森林土壤質(zhì)量及植被恢復(fù)情況的重要指標(biāo)[13]。

森林土壤碳、氮儲(chǔ)量的變化對(duì)全球氣候變化也有巨大的影響[14-15],此外碳儲(chǔ)量的垂直分布特征有助于了解土壤有機(jī)碳對(duì)氣候變化的響應(yīng)[16-17]。因此土壤碳、氮儲(chǔ)量在調(diào)節(jié)森林生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)和減緩全球氣候變化中起著重要作用。目前研究者對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量的研究數(shù)據(jù)主要通過土壤普查資料和文獻(xiàn)獲得,但對(duì)土壤氮儲(chǔ)量的關(guān)注較少,如宋滿珍等[18]根據(jù)江西省第二次土壤普查資料與森林資源二類調(diào)查資料,對(duì)江西省森林土壤有機(jī)碳密度和碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算；彭舜磊等[19]分析了河南省寶天曼自然保護(hù)區(qū)森林土壤碳氮儲(chǔ)量分布格局。區(qū)域尺度上森林土壤碳、氮儲(chǔ)量的研究為全國(guó)森林土壤碳、氮儲(chǔ)量研究提供了重要的理論參考依據(jù)。青海省森林作為青藏高原的重要組成部分,是全球氣候變化的響應(yīng)區(qū)[20],由于缺乏全面、詳細(xì)、可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其森林土壤碳氮儲(chǔ)量估算仍有較大的不確定性,及其與環(huán)境因子的關(guān)系仍不明確。

青海省位于我國(guó)西北內(nèi)陸腹地、青藏高原東北部,是我國(guó)第一級(jí)地勢(shì)階梯的重要組成部分,與西藏自治區(qū)同稱為“世界屋脊”,而有關(guān)青海省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮儲(chǔ)量的研究并不多,如鐘聰?shù)萚21]利用青海省第二次土壤普查資料,估算了青海省土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；王根緒等[22]分析了青藏高原各類草地0—65 cm深度范圍內(nèi)有機(jī)碳儲(chǔ)量；王建林等[23]運(yùn)用樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比的分布規(guī)律；胡衛(wèi)國(guó)等[24]估算了青海湖環(huán)湖區(qū)表土的氮儲(chǔ)量。因此本文以青海省森林土壤為研究對(duì)象,通過大量的土壤碳、氮含量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算了不同海拔土壤剖面上不同土層的土壤有機(jī)碳、氮含量及密度,并估算了青海省森林土壤碳、氮儲(chǔ)量。旨在分析和探討青海省森林碳氮儲(chǔ)量的垂直分布格局及其與環(huán)境因子的關(guān)系,以期了解青海省森林土壤碳氮儲(chǔ)量在青藏高原及我國(guó)土壤碳氮儲(chǔ)量的重要地位,這對(duì)于評(píng)價(jià)青藏高原生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)和反饋?zhàn)饔镁哂兄匾饬x。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

青海省位于我國(guó)西北內(nèi)陸腹地、青藏高原東北部(31°39′—39°19′N,89°35′—103°4′E),東西長(zhǎng)約1200 km,南北寬約800 km,面積為72.15×106hm2,是我國(guó)第一級(jí)地勢(shì)階梯的重要組成部分。青海省土地總面積72.15×106hm2,扣除冰川雪被、水體及裸巖等未利用地外,土壤面積65.49×105hm2,森林面積32.96×105hm2。平均海拔3500 m以上,屬典型高原大陸性氣候。年均氣溫-3.7—6.0℃,年日照2340—3550 h,年降水量16.7—776.1 mm(大部400 mm以下),年蒸發(fā)量1118.4—3536.2 mm。森林植被主要分布在東經(jīng)96°—102°的江河及其支流的河谷兩岸,森林主要分布在海拔2000—4000 m,以寒溫帶針葉林為主,其次為落葉闊葉林。青海省典型土壤類型有山地草甸土、石灰性灰鈣土、黑鈣土、草甸鹽土、沼澤土、泥炭沼澤土、山地草原草甸土[21],其森林土壤類型主要有落葉闊葉林灰褐土、針闊葉混交林灰褐土、針葉林碳酸鹽灰褐土和針葉林淋溶灰褐土[25]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇及取樣

本研究依托中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(碳專項(xiàng)),按照《生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀、速率、機(jī)制和潛力》項(xiàng)目制定的統(tǒng)一要求,于2011—2013年在青海省21個(gè)縣進(jìn)行。在上述縣內(nèi)分別選取環(huán)境條件(如坡度、坡向、郁閉度等)相似且具有代表性的落葉闊葉林和寒溫性針葉林,并結(jié)合青海省森林資源連續(xù)清查成果,充分考慮全省各森林類型(優(yōu)勢(shì)種)分布面積、蓄積比重、起源等情況,將研究區(qū)海拔(2175—3852 m)以高程400 m為一個(gè)單元等距劃分為<2500 m、2500—2800 m、2800—3100 m、3100—3400 m、3400—3700 m、>3700 m共6個(gè)梯度(表1)。在全省21個(gè)縣(圖1)布設(shè)主要森林類型的標(biāo)準(zhǔn)樣地80個(gè)樣地,每個(gè)樣地中隨機(jī)設(shè)置3 塊50 m×20 m的喬木樣方,各樣地間距大于100 m,共計(jì)240個(gè)樣點(diǎn)。在每個(gè)喬木調(diào)查樣方下的林下草本層內(nèi)采用對(duì)角線設(shè)置3個(gè)1 m×1 m草本調(diào)查樣方,草本層樣方總共計(jì)720個(gè)。

在每個(gè)草本調(diào)查樣方內(nèi)用土鉆法(內(nèi)徑5 cm)分5層(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm、50—100 cm)分別鉆取土壤樣品(不夠100 cm至基巖為止),相同樣方的相同土層的土壤樣品混合為1個(gè)土壤樣品。取各土壤樣品鮮土若干,風(fēng)干、磨碎、過篩(1 mm和2 mm 篩)后用于碳、氮含量的測(cè)定,并同時(shí)測(cè)定>2 mm石礫含量,由于《青海土種志》中的記載和樣品實(shí)際勘察,幾乎所有的土壤粒徑均<2 mm,所以本文中石礫含量為0。同時(shí)使用容積為100 cm3的環(huán)刀采集各層土壤,每層重復(fù)2次,野外測(cè)定環(huán)刀+土壤鮮質(zhì)量,帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定環(huán)刀+土壤干質(zhì)量以及環(huán)刀質(zhì)量,計(jì)算土壤容重(表2)。

1.2.2土壤有機(jī)碳、氮含量的測(cè)定

土壤有機(jī)碳含量(soil organic carbon content,SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定。土壤全氮含量(nitrogen content,TN)采用凱氏法測(cè)定,土壤樣品在硫代硫酸鈉、濃硫酸、高氯酸和催化劑的作用下,經(jīng)氧化還原反應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮。消解后的溶液堿化蒸餾出的氨被硼酸吸收,用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液用量來計(jì)算土壤中全氮含量。

1.2.3土壤有機(jī)碳、氮密度及儲(chǔ)量的計(jì)算

土壤有機(jī)碳密度(soil organic carbon density,SOCD)、氮密度(nitrogen density,Nd)分別指單位面積一定深度的土層中土壤有機(jī)碳、氮的儲(chǔ)量。土壤氮密度與土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式相似,計(jì)算采用公式如下：

(1)

(2)

式中,SOCD、Nd分別代表土壤有機(jī)碳密度、氮密度,kg/m2；i代表不同土層層次；SOC、TN分別代表土壤有機(jī)碳含量、氮含量,%；γ表示容重,g/cm3；H表示土層的厚度,cm；δ2mm表示土壤中直徑>2 mm的石礫含量百分比,%。

土壤碳儲(chǔ)量(Soil Organic Carbon Storage,SOCR)、氮儲(chǔ)量(Nitrogen storage,Ns)的計(jì)算采用公式如下：

SOCRi=SOCDi×A

(3)

Nsi=Ndi×A

(4)

式中,SOCR、Ns分別代表土壤碳儲(chǔ)量、氮儲(chǔ)量,Tg；i代表土層不同土層層次；A代表青海省森林面積,hm2(采用青海省森林資源連續(xù)清查第五次復(fù)查成果)。

樣地尺度的土壤有機(jī)碳、氮的密度及儲(chǔ)量是通過實(shí)地調(diào)查采樣并進(jìn)行有機(jī)碳、氮含量分析后計(jì)算得到的。各層土壤有機(jī)碳、氮密度是土壤有機(jī)碳、氮含量與土壤容重和土層厚度的乘積,各層土壤有機(jī)碳、氮密度的平均值相累加即得到整個(gè)剖面(深度為1 m)的土壤有機(jī)碳、氮密度的平均值。各層土壤有機(jī)碳、氮密度乘以該森林生態(tài)系統(tǒng)的占地面積即各層土壤碳、氮儲(chǔ)量,各層土壤有機(jī)碳、氮儲(chǔ)量的平均值相累加即得到整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳、氮儲(chǔ)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel 2003進(jìn)行整理,用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用(One-way ANOVA)單因素方差分析比較不同海拔下土壤有機(jī)碳、氮含量和密度的差異,以及比較不同土層下土壤有機(jī)碳、氮含量,密度和儲(chǔ)量的差異,若方差為齊性,用LSD法進(jìn)行顯著性多重比較；若方差非齊性,則用Tamhane′s2法進(jìn)行多重比較,顯著性水平為α=0.05。采用Pearson檢驗(yàn)分析海拔、土壤容重與土壤有機(jī)碳、氮含量及密度間的相關(guān)性顯著性水平為α=0.05。圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

圖1 青海省樣地點(diǎn)位圖Fig.1 Map of the sample locations in Qinghai Province

表1 樣地信息表Table 1 Sample information

表2 不同海拔梯度不同土層的土壤容重Table 2 Soil bulk density in different soil layers under the gradient of altitude

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔高度與土層厚度對(duì)有機(jī)碳、氮含量垂直分布特征的影響

在同一海拔不同土層,<2500 m、2500—2800 m、2800—3100 m、3400—3700 m、>3700m海拔0—10 cm土層的SOC均顯著高于其他土層(P<0.05)；其最大值(88.19 g/kg)出現(xiàn)在0—10 cm土層,最小值(27.66 g/kg)出現(xiàn)在50—100 cm土層,表明青海省森林土壤SOC隨土層的增加而降低(表3)。

在同一土層不同海拔,50—100 cm土層各海拔間的SOC差異不顯著(P>0.05)。0—100 cm土層SOC的最大值(64.39 g/kg)出現(xiàn)在海拔2500—2800 m,最小值(46.30 g/kg)出現(xiàn)在海拔>3700 m,表明青海省森林土壤SOC隨海拔的增加呈單峰曲線變化(表3)。

在同一海拔不同土層,0—10 cm土層的TN顯著高于其他土層(P<0.05)；其最大值(4.79 g/kg)出現(xiàn)在0—10 cm土層,最小值(1.50 g/kg)出現(xiàn)在50—100 cm土層,表明青海省森林土壤TN隨土層的增加而降低(表4)。

在同一土層不同海拔,<3100 m各海拔間的TN均差異不顯著(P>0.05)；>3100 m各海拔間的TN均差異不顯著(P>0.05),且后者顯著高于前者(P<0.05)；這與胡啟武等[26]在祁連山北坡垂直帶上對(duì)土壤氮分布特征的研究結(jié)果一致,即海拔3100 m以上土壤TN顯著高于3100 m以下的土壤。0—100 cm土層TN的最小值(2.37 g/kg)出現(xiàn)在海拔<2500 m；最大值(4.38 g/kg)出現(xiàn)在海拔>3700 m,表明青海省森林土壤TN隨海拔的增加而增加(表4)。

表3 不同海拔梯度不同土層的有機(jī)碳含量Table 3 Soil organic carbon content in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫字母表示同一海拔不同土層下SOC的差異性；不同小寫字母表示同一土層不同海拔下SOC的差異性(P<0.05)

表4 不同海拔梯度不同土層的氮含量Table 4 Nitrogen content in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫字母表示同一海拔不同土層下TN的差異性；不同小寫字母表示同一土層不同海拔下TN的差異性(P<0.05)

2.2 海拔高度與土層厚度對(duì)土壤有機(jī)碳、氮密度垂直分布特征的影響

青海省森林土壤0—100 cm土層SOCD的平均值為31.89 kg/m2。在同一海拔不同土層,30—50 cm、50—100 cm土層的遞進(jìn)為20 cm、50 cm,0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層的遞進(jìn)均為10 cm,因此50—100 cm土層的SOCD顯著高于其他土層(P<0.05)。0—30 cm土層,SOCD的最大值(4.63 kg/m2)出現(xiàn)在0—10 cm土層,最小值(3.84 kg/m2)出現(xiàn)在20—30 cm土層,表明青海省森林土壤在0—30 cm土層,SOCD隨土層的增加而降低(表5)。

在同一土層不同海拔,30—50 cm、50—100 cm土層的SOCD差異不顯著(P>0.05)。0—100 cm土層SOCD的最大值(34.33 kg/m2)出現(xiàn)在海拔3100—3400 m,最小值(28.32 kg/m2)出現(xiàn)在海拔>3700 m,表明青海省森林土壤SOCD隨海拔的增加呈單峰曲線變化(表5)。

青海省森林土壤0—100 cm土層Nd的平均值為1.88 kg/m2。土層Nd的土層遞進(jìn)與上述土層SOCD的土層遞進(jìn)相同,因此與SOCD沿土層的的變化規(guī)律一致。0—30 cm土層,Nd的(0.27 kg/m2)最大值出現(xiàn)在0—10 cm,最小值(0.22 kg/m2)出現(xiàn)在20—30 cm,表明青海省森林土壤Nd在0—30 cm土層,隨土層的增加而降低(表6)。

在同一土層不同海拔,<3100 m、>3100 m各海拔間的Nd差異不顯著(P>0.05),且后者顯著高于前者(P<0.05)。0—100 cm土層Nd的最大值(2.93 kg/m2)出現(xiàn)在海拔>3700 m,最小值(1.39 kg/m2)出現(xiàn)在海拔<2500 m,表明青海省森林土壤Nd隨海拔增加而增加(表6)。

表5 不同海拔梯度不同土層的有機(jī)碳密度Table 5 Soil organic carbon density in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫字母表示同一海拔不同土層下SOCD的差異性；不同小寫字母表示同一土層不同海拔下SOCD的差異性(P<0.05)

表6 不同海拔梯度不同土層的氮密度Table 6 Nitrogen density in different soil layers under the gradient of altitude

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫字母表示同一海拔不同土層下Nd的差異性；不同小寫字母表示同一土層不同海拔下Nd的差異性(P<0.05)

2.3 青海省森林土壤不同土層的碳、氮儲(chǔ)量

青海省森林土壤30—50 cm、50—100 cm土層的SOCR(234.06、444.60 Tg)都顯著高于0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層的SOCR(154.78、138.58、126.68 Tg)(P<0.05)。0—100 cm土層的SOCR為1098.70 Tg(圖2)。青海省森林土壤30—50 cm、50—100 cm土層的Ns(13.24、24.55 Tg)都顯著高于土層0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm的Ns(8.82、7.98、7.19 Tg)(P<0.05),且0—30 cm土層間差異不顯著(P>0.05)。0—100 cm土層的Ns為61.78 Tg(圖2)。在0—30 cm土層中,對(duì)SOCR、Ns貢獻(xiàn)最大是土壤表層0—10 cm土層,分別是36.85%、36.77%。但表層土壤的穩(wěn)定性較差,易受人為活動(dòng)的影響。如過度放牧和不合理開墾等人為擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致土壤肥力水平下降,因此減少人為對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)干擾活動(dòng),這對(duì)于維持和增加土壤碳氮儲(chǔ)量以及減少碳氮等溫室氣體具有重要意義[24,27]。

圖2 不同土層的碳、氮儲(chǔ)量Fig.2 The soil organic carbon storage and nitrogen storage in different soil layers

2.4 海拔高度、土層深度與有機(jī)碳、氮之間的相關(guān)性

海拔高度與SOC存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；與TN、Nd存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,P<0.01)。土層深度與SOC存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；與TN存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；與SOCD、Nd存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,P<0.01)(表7)。

表7 海拔高度、土層深度與有機(jī)碳含量、氮含量、有機(jī)碳密度、氮密度之間的相關(guān)性Table 7 The correlation between altitude,soil depth and soil organic carbon content,nitrogen content,soil organic carbon density,nitrogen density

項(xiàng)目Items海拔Altitude土壤容重Soil bulk densities土層深度Soil depth有機(jī)碳含量SOC 氮含量TN 有機(jī)碳密度SOCD 氮密度Nd 海拔高度 Altitude1土壤容重 Soil bulk densities0.0881土層深度Soil depth0.000-0.531??1有機(jī)碳含量 SOC-0.139?-0.357??-0.538??1氮含量 TN0.381??-0.161?-0.466?0.448??1有機(jī)碳密度 SOCD-0.052-0.0050.570??0.448??0.194??1氮密度 Nd0.373??0.0970.484??0.163?0.664??0.408??1

*P>0.05,**P>0.01

3 討論

3.1 海拔對(duì)青海省森林土壤有機(jī)碳、氮含量及密度的影響

森林土壤碳主要來源于凋落物的轉(zhuǎn)化累積與礦化分解[28]。海拔影響溫度和水分,從而影響植被分布、土壤微生物多樣性及人為活動(dòng)等,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳存在差異。本文中青海省森林土壤有機(jī)碳含量、密度均隨海拔的增加呈單峰曲線變化。這與太白山土壤有機(jī)碳含量沿海拔(1700—3500 m)變化趨勢(shì)一致[29]。其原因可能與植被的分布、凋落物的分解、土壤理化性質(zhì)及人為活動(dòng)等有關(guān)：1)在低中海拔區(qū)域,隨著海拔的升高,植被類型也隨之由山地落葉闊葉林過渡到寒溫性針葉林,由于不同林帶凋落物質(zhì)量和數(shù)量的截然不同,導(dǎo)致闊葉林凋落物輸入量大于針葉林；同時(shí)闊葉相較于針葉更易分解[29-30],加之寒溫性針葉林土壤碳密度遠(yuǎn)大于落葉闊葉林土壤[31],因此土壤有機(jī)碳含量增多。另外在高海拔區(qū)域,隨著海拔的繼續(xù)升高,溫度隨之降低,溫度成為土壤微生物活性最主要的限制因子,導(dǎo)致凋落物的分解速率減弱,土壤有機(jī)質(zhì)積累變少最終促使土壤有機(jī)碳含量減少[30]。2)土壤作為植被賴以生存的載體,其理化性質(zhì)在時(shí)間和空間上是異質(zhì)性分布的[32]。低海拔區(qū)域降水量適宜,它可以明顯影響土壤的導(dǎo)電率和含水率,致使土壤吸水溶脹,因而低海拔處土壤容重較小[33]；高海拔區(qū)域,土壤容重隨著海拔的升高而減小[34]。青海省森林土壤容重在中高海拔處較大(表2),也對(duì)估算土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生影響。3)人為活動(dòng)對(duì)土壤的影響具有雙向性,合理利用使土壤質(zhì)量、肥力等形成良性發(fā)展,反之使其退化[35]。青海省森林中海拔地區(qū)適度的人為擾動(dòng)(表1),如放牧、旅游等因踐踏作用將植物凋落物碾碎,使其與土壤充分接觸；另外,這也會(huì)使凋落物的堆疊積累量相對(duì)減少,這使其充分暴露；都加快了凋落物的分解,有助于土壤有機(jī)碳的增加[36-37]。

森林土壤氮主要來源于氮素礦化與固定、硝化與反硝化等過程[38]。本文中青海省森林土壤的氮含量、密度隨海拔的增加而增加。此結(jié)果與云南省小江流域支流阿旺小河西北側(cè)山地土壤及西藏色季拉山西坡表層土壤的氮含量隨海拔的變化趨勢(shì)一致[28,38]；四川盆地森林土壤氮密度也隨海拔的增加而增加[39]。并且文中海拔高度與兩者間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性(P<0.01),也進(jìn)一步解釋了兩者隨海拔變化的規(guī)律性。此結(jié)果也遵循土壤氮含量會(huì)從較溫暖地區(qū)到寒冷地帶呈現(xiàn)增加的規(guī)律[38],其主要原因之一可能是隨著海拔的升高土壤溫度會(huì)隨之降低,溫度過低會(huì)抑制土壤微生物的活動(dòng),腐殖作用變?nèi)?分解速率變慢,阻礙了土壤的礦化作用[30,38]。另外,海拔除影響溫度、水分、土壤肥力外,也間接影響到林型的分布,青海省森林林型隨海拔的升高逐漸由山地落葉林過渡到高原寒溫性針葉林(表1)。在我國(guó)森林土壤氮密度分區(qū)排列中,青藏高原高寒植被區(qū)域>溫帶型針闊葉葉混交區(qū)域>暖溫性落葉闊葉林區(qū)域[40],因此,林型也可能是青海省森林土壤氮密度隨海拔變化的原因之一。

3.2 土層對(duì)青海省森林土壤有機(jī)碳、氮含量及密度的影響

土壤碳、氮在土層上的空間分布影響著根系的垂直分布,而根系的垂直分布也影響著輸送到土壤各層次的碳、氮含量[41]。本研究表明青海省森林土壤碳、氮含量均隨土層深度(0—100 cm)增加而降低,這與川西亞高山森林土壤和梵凈山土壤的有機(jī)碳含量隨土層深度的變化趨勢(shì)基本一致[30,42]。由于土壤表層碳氮含量主要來源于凋落物的分解,且表層土壤的凋落物較多,同時(shí)表層土壤良好的通氣狀況與水熱條件也為微生物活動(dòng)提供了更好的環(huán)境,這都促進(jìn)了土壤表層中碳、氮含量的積累[43],而深層土壤碳氮含量則多源于根系、根系分泌物及土壤微生物等,與表層土壤相比,與外界的交換作用較弱。文中土壤碳氮含量間呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)性(P<0.01),也進(jìn)一步說明了土層深度上土壤碳氮含量變化規(guī)律的相似性。本研究中因土層遞進(jìn)的差異,土壤碳氮密度在50—100 cm達(dá)到最大。在土層遞進(jìn)相同時(shí),土壤碳氮密度在表層0—10 cm達(dá)到最大。這與青海湖南岸灌叢、草地覆蓋的土壤有機(jī)碳密度均在表層0—10 cm土層達(dá)到最大的結(jié)論一致[44],其原因是由表層土壤高的碳氮含量造成的。

3.3 青海省森林土壤的碳、氮密度及儲(chǔ)量

我國(guó)各類型森林土壤有機(jī)碳密度具有高度的空間變異性,總體表現(xiàn)為東部高于西部,最高土壤碳密度出現(xiàn)在東北地區(qū)的北部和東部以及青藏高原的東南部,其主要受氣候、植被凋落物以及人類活動(dòng)的影響[10,45]。本研究表明青海省森林土壤有機(jī)碳密度平均值為31.89 kg/m2,結(jié)果在解憲麗等[10]對(duì)全國(guó)土壤全剖面有機(jī)碳密度的范圍(1.19—176.46 kg/m2)內(nèi),但遠(yuǎn)高于劉世榮等[46]統(tǒng)計(jì)的全國(guó)森林生態(tài)系系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度平均值10.78 kg/m2。造成這一結(jié)果的原因,其一可能是在于本研究測(cè)定的土壤碳含量既包含有機(jī)碳成分又將無機(jī)碳(碳酸鹽)成分計(jì)算其中。潘根興[47]研究證實(shí),在我國(guó)干旱地區(qū),土壤中無機(jī)碳的平均含量為100 g/kg,少有溶解釋放過程,即碳元素被持續(xù)地截儲(chǔ)于碳酸鹽中。其二可能是青海省森林中寒溫性針葉林中云冷杉比例較大,而云冷杉土壤有機(jī)碳密度在所有的森林類型中最高,可達(dá)到36.079 kg/m2[31]。

我國(guó)土壤氮密度在空間分布整體呈現(xiàn)出西部地區(qū)大于東部[8]。青海省森林土壤氮密度平均值為1.88 kg/m2,低于全國(guó)森林土壤平均氮密度3.46 kg/m2[40],稍低于青藏高原陸地土壤0—100 cm土層氮密度2.01 kg/m2；高于全國(guó)土壤0—100 cm土層平均氮密度1.31 kg/m2[8],也高于青海湖環(huán)湖區(qū)表土各類土壤氮密度[24],略高于四川盆地森林土壤平均氮密度1.849 kg/m2[45]。與劉紀(jì)遠(yuǎn)等[48]估算的中國(guó)大區(qū)土壤氮密度相比,發(fā)現(xiàn)青海省森林土壤氮密度高于東北、華北、華東、華南地區(qū)以及西南部分地區(qū)的土壤氮密度。這是因?yàn)榍嗖馗咴貐^(qū)高寒草甸草本植物生長(zhǎng)豐盛、溫度較低、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢,促進(jìn)了土壤氮的積累。

土壤碳、氮儲(chǔ)量能在一定程度上反映土壤肥力,也能作為衡量森林土壤質(zhì)量及植被恢復(fù)情況的重要指標(biāo),同時(shí)也是森林生態(tài)系統(tǒng)中生物化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。目前,對(duì)青藏高原土壤碳儲(chǔ)量的研究相對(duì)較多,王根緒等[22]估算了青藏高原各類草地0—65 cm 土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量,估算面積為160×106hm2,碳儲(chǔ)量達(dá)到33520 Tg,其土壤類型主要以高原草甸土和高原草原土為主,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的39.71%；范宇等[49]利用土壤類型法估算了西藏自治區(qū)土壤全剖面的碳儲(chǔ)量,估算面積為110×106hm2,碳儲(chǔ)量為8230 Tg,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的9.75%；方精云等[50]估算青藏高原草地土壤全剖面的碳儲(chǔ)量,估算面積為197×106hm2,碳儲(chǔ)量38400 Tg；占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的45.50%；鐘聰?shù)萚21]利用土壤類型法估算了青海省土壤0—65 cm土層的碳儲(chǔ)量,估算面積為65×106hm2,碳儲(chǔ)量為8904 Tg,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的10.55%；本文估算了青海省森林土壤(0—100 cm)的碳儲(chǔ)量,估算面積為32.96×105hm2,碳儲(chǔ)量為1098.70 Tg,占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的1.30%[10]。本研究中碳儲(chǔ)量都明顯低于其他研究者對(duì)青藏高原地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量所占中國(guó)土壤全剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的比例,這是因?yàn)楸疚闹星嗪Ｊ∩止浪忝娣e為32.96×105hm2,僅占中國(guó)陸地面積的0.34%,占青藏高原土壤面積的1.67%；其碳儲(chǔ)量卻占中國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的1.30%,占青藏高原土壤碳儲(chǔ)量的28.28%[51]。表明青海省森林土壤碳庫在青藏高原乃至中國(guó)土壤碳庫都具有十分重要的地位。

近年來,青海省土壤氮儲(chǔ)量的研究相對(duì)較少,僅有胡衛(wèi)國(guó)等[24]估算了青海湖環(huán)湖區(qū)表土(0—20 cm)的氮儲(chǔ)量,估算面積為35.84×104hm2,氮儲(chǔ)量為3.024 Tg,占中國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的0.47%；畢珍[39]估算了四川盆地森林土壤氮儲(chǔ)量,估算面積為1.9×107hm2,氮儲(chǔ)量為351.3 Tg,約占中國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的54.05%[40]。本文估算了青海省森林土壤(0—100 cm)的氮儲(chǔ)量,估算面積為32.96×105hm2,氮儲(chǔ)量為61.78 Tg,此結(jié)果低于四川盆地森林土壤氮儲(chǔ)量,因?yàn)楸疚闹泄浪愕纳置娣e僅占中國(guó)森林土地面積的2.56%,卻占中國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的9.51%[40]。說明青海省森林土壤氮庫是中國(guó)土壤氮庫調(diào)節(jié)的重要組成部分。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明青海省森林土壤碳密度為31.89 kg/m2,高于同類研究,且隨海拔呈單蜂曲線變化；氮密度為1.88 kg/m2,低于全國(guó)森林平均值,且隨海拔的增加而增加；碳氮密度均隨土層的增加而減低。森林土壤碳儲(chǔ)量為1098.70 Tg,占全國(guó)陸地土壤碳儲(chǔ)量1.30%；森林土壤氮儲(chǔ)量為61.78 Tg,占全國(guó)森林土壤氮儲(chǔ)量的9.51%。近年來森林保護(hù)工程廣泛開展,森林碳氮匯是當(dāng)今應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的積極措施,也是林業(yè)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的途徑和平臺(tái)。因此,加強(qiáng)對(duì)森林資源的保護(hù)和管理是促進(jìn)青海省森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮庫功能的重要途徑。