王一佩, 孫美美, 程然然, 關(guān)晉宏, 李國(guó)慶, 杜 盛,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

利用陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳，是減緩大氣CO2濃度升高最為經(jīng)濟(jì)可行的途徑，在全球氣候變化背景下受到廣泛關(guān)注。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的生態(tài)碳庫(kù)，貢獻(xiàn)了地上碳庫(kù)的近80%和地下碳庫(kù)的40%，其中森林土壤碳儲(chǔ)量約為植被的3.39倍[1]。研究森林土壤對(duì)有機(jī)碳的積累效應(yīng)及其影響因素對(duì)于探明森林固碳的潛力和機(jī)制，合理制定森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃具有重要的理論和實(shí)踐意義。

森林土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化受積累的時(shí)間、森林類型以及氣候、立地等環(huán)境因子的綜合影響。林地淺層土壤是凋落物有機(jī)質(zhì)向土壤碳庫(kù)輸移的關(guān)鍵層，對(duì)于土壤有機(jī)碳積累具有表征作用。林地表面的枯枝落葉是土壤有機(jī)碳積累的主要來源，在淺層土壤內(nèi)還分布著大量的微生物和植物細(xì)根[2-3]，通過分解殘?bào)w和分泌有機(jī)物質(zhì)向土壤中輸送有機(jī)碳[4]。目前關(guān)于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及垂直分布情況已有大量研究報(bào)道?；谌虺叨鹊难芯匡@示，在深度為20 cm的淺層土壤中，有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1 m深度的48.5%[5]。對(duì)中國(guó)不同森林類型土壤碳密度的研究結(jié)果也表明表層土壤中有機(jī)碳密度最大，隨土層深度的增加逐漸降低[6-9]，淺層土壤的有機(jī)碳密度基本反映了生態(tài)系統(tǒng)碳固存能力。而相較于深層土壤，表層土壤與植被、大氣直接接觸的條件使其成為受人為及自然因素干擾最大的區(qū)域，易受外界干擾而導(dǎo)致其中儲(chǔ)存的有機(jī)碳發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，因此淺層土壤碳密度的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素也成為土壤碳庫(kù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。相關(guān)研究結(jié)果顯示，區(qū)域尺度上的淺層土壤碳儲(chǔ)量變化受到環(huán)境因子，特別是海拔、降水量和溫度的影響較多[10-13]。

黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被覆蓋度低，水土流失嚴(yán)重。國(guó)家實(shí)施“退耕還林”等多項(xiàng)生態(tài)工程以來，人工林面積大幅度增加，發(fā)揮了水土保持等生態(tài)效益。隨著全球氣候變化的加劇，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的關(guān)注度日益增加，大面積人工林通過凋落物分解向土壤輸送并積累有機(jī)碳，固碳潛力巨大，在減緩大氣CO2濃度升高方面也具有突出貢獻(xiàn)。目前關(guān)于黃土高原人工林土壤固碳影響因素的研究主要集中在地形、土壤類型、林齡等方面，對(duì)于綜合環(huán)境因子和凋落物特征的關(guān)注還較少。本研究以黃土高原中西部3種針葉樹人工林為對(duì)象，通過分析林分因子、氣候因子、凋落物成分對(duì)淺層土壤碳密度的綜合影響，探究土壤有機(jī)碳積累的機(jī)制及主要影響因素，以期為探明人工林土壤固碳機(jī)制，提高人工林碳匯功能提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原中西部地區(qū)的7個(gè)區(qū)域，行政區(qū)分別隸屬于甘肅省臨夏州康樂縣、天水市麥積區(qū)、隴南市兩當(dāng)縣、定西市的安定區(qū)、渭源縣、漳縣以及蘭州市永登縣，地理范圍為102°36′—106°35′E，33°30′—37°07′N，年均氣溫最低為4.19℃，最高為9.59℃，平均年降雨量范圍為434～667 mm，屬于半干旱和半濕潤(rùn)區(qū)，海拔高度變化范圍為1 399～2 646 m，土壤類型以褐土、壤土為主。所選取樣地為油松、落葉松、華山松和云杉等針葉樹人工純林，喬木層樹種單一，林下灌叢和草本生長(zhǎng)稀疏，灌木主要有忍冬(Lonicerajaponica)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、山梅花(Philadelphusincanus)、沙棘(Hippophaerhamnoides)，草本植物以苔草(Carextristachya)、披堿草(Elymusdahuricus)居多。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本試驗(yàn)是基于中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)構(gòu)建全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳研究數(shù)據(jù)庫(kù)的組成部分。根據(jù)氣候條件變化梯度，在上述7個(gè)研究區(qū)設(shè)置23塊典型林分的標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地具體位置的確定充分考慮其樹種的典型性、林分結(jié)構(gòu)的均一性和分布的連續(xù)性。設(shè)置時(shí)利用GPS確定位置，記錄樣地經(jīng)緯度、海拔高度和立地特征，并調(diào)查林齡、林分密度等林分條件。標(biāo)準(zhǔn)樣地面積原則上設(shè)置為20 m×50 m，但因地形破碎等實(shí)際情況的限制，部分樣地面積設(shè)置為20 m×30 m。各標(biāo)準(zhǔn)樣地基本信息見表1。

2.2 樣品采集與測(cè)定

土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法，分別在0—10 cm和10—20 cm中部采集原狀土，帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定土壤容重。用內(nèi)徑為4 cm的土鉆采集0—10 cm和10—20 cm用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量的土壤樣品。每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)重復(fù)采樣點(diǎn)，將等層土樣混合均勻后取200 g裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，研磨后過2 mm篩，大于2 mm的礫石單獨(dú)挑出進(jìn)行稱重，再用四分法取部分樣品再次研磨后全部過0.25 mm篩后裝袋，用重鉻酸鉀—硫酸氧化外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

枯落物現(xiàn)存量調(diào)查采用樣方收獲法，在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方，收集地表枯落物，裝袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干后稱重并取部分樣品研磨，過0.25 mm篩后測(cè)定全碳、全氮含量?？萋湮锾己康臏y(cè)定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化外加熱法，氮含量測(cè)定采用凱氏定氮法。

2.3 土壤碳密度計(jì)算

本研究中采用如下公式分別計(jì)算0—10 cm和10—20 cm的土壤碳密度：

Si=Ci×Di×Ei×(1-Gi)

式中：Si為第i層土壤碳密度；Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；Di為第i層土壤容重(g/cm3)；Ei為該土層土壤厚度(cm)；Gi為直徑>2 mm的礫石所占體積的百分比。

表1 樣地基本情況

本文的淺層土壤碳密度即為0—10 cm和10—20 cm土壤碳密度之和。

2.4 數(shù)據(jù)處理

野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均經(jīng)Office Excel整理后，在SPSS 21.0中采用Pearson法對(duì)各影響因子和土壤碳密度進(jìn)行相關(guān)性分析，采用單因素方差分析檢驗(yàn)不同齡級(jí)人工針葉林淺層土壤碳密度之間的差異性，用R軟件中的隨機(jī)森林法(Random Forest)進(jìn)行影響土壤碳密度的多因子重要度分析，采用Sigmaplot12.5進(jìn)行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分因子對(duì)試驗(yàn)林地淺層土壤有機(jī)碳密度的影響

本研究中樣地所處位置分布于溫帶半干旱和半濕潤(rùn)區(qū)域(表1)，降雨量跨度較大，縮小降雨量梯度范圍有利于提高分析林分因子影響的準(zhǔn)確度。為此，我們選取兩個(gè)降雨量梯度且存在林齡變異的樣地對(duì)林齡的影響進(jìn)行相關(guān)性分析。圖1A為573 mm至603 mm降雨量區(qū)間(變幅30 mm)內(nèi)林齡與淺層土壤碳密度之間的關(guān)系，圖1B為424 mm至434 mm降雨量區(qū)間(變幅10 mm)內(nèi)林齡與淺層土壤碳密度之間的關(guān)系，由圖可知兩個(gè)降雨區(qū)間內(nèi)的林齡與淺層碳密度之間皆表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系(p=0.006 7;p=0.003)。

3.2 氣候因子與海拔對(duì)人工針葉林淺層土壤碳密度的影響

通過對(duì)年降雨量和年平均氣溫兩個(gè)主要?dú)夂蛞蜃优c林地淺層土壤有機(jī)碳密度的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖2)，隨人工針葉林所在地年平均降雨量的增加，林地淺層土壤有機(jī)碳密度也呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)(p<0.05,R2=0.1952)。林地淺層土壤有機(jī)碳密度與各樣地年平均氣溫之間無明顯相關(guān)關(guān)系。本研究中人工針葉林樣地的海拔高度范圍為1 399～2 646 m，由于在較高海拔地帶海拔因子對(duì)水熱等環(huán)境因子會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的再分配作用，而在低海拔地區(qū)通常主要受地帶性氣候因子的影響，本研究把樣地分為海拔2 000 m以下和2 000 m以上兩組進(jìn)行分析。當(dāng)樣地海拔低于2 000 m時(shí)，淺層土壤碳密度與海拔高度無相關(guān)關(guān)系，說明更多地受到其他因素的影響；當(dāng)樣地海拔高度高于2 000 m時(shí)，人工針葉林淺層土壤碳密度隨著海拔高度的增加而增大(圖2)，兩者之間的正相關(guān)關(guān)系達(dá)到了極顯著水平(p<0.01，R2=0.893 4)。

圖1 人工針葉林淺層土壤有機(jī)碳密度與林齡的關(guān)系

圖2 人工針葉林淺層土壤有機(jī)碳密度與年平均降雨量、年平均氣溫及海拔高度的關(guān)系

3.3 凋落物成分對(duì)林地淺層土壤有機(jī)碳密度的影響

從圖3可看出，林地淺層土壤有機(jī)碳密度隨凋落物全碳含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)(p<0.01，R2=0.4079)，而與凋落物全氮含量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(p<0.01，R2=0.4056)。相關(guān)關(guān)系均達(dá)到極顯著水平。人工針葉林淺層土壤有機(jī)碳密度與凋落物C/N呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01,R2=0.6301)，相關(guān)系數(shù)高于淺層土壤有機(jī)碳密度分別與凋落物全碳和全氮含量的相關(guān)系數(shù)，說明凋落物C/N對(duì)于凋落物成分影響土壤有機(jī)碳積累具有更高的解釋度。

3.4 影響林地淺層土壤有機(jī)碳密度的多因子綜合分析

為了進(jìn)一步分析上述各因子對(duì)林地土壤有機(jī)碳積累的影響程度，采用隨機(jī)森林模型對(duì)各影響因子進(jìn)行相對(duì)重要性排序(圖4)。結(jié)果表明，以上影響因子對(duì)土壤有機(jī)碳密度變化的總解釋率為66.2%，重要性從高往低排序依次為：凋落物碳氮比>海拔>凋落物碳含量>年均降雨量>林齡>年均溫>凋落物全氮含量，凋落物C/N成為淺層土壤碳密度變化的主導(dǎo)因子，解釋率達(dá)到15.75%。鑒于凋落物C/N已經(jīng)包含了凋落物C，N含量信息，因此海拔和年降雨量是繼凋落物C/N之后的重要影響因子。

4 討 論

4.1 影響林地淺層土壤碳密度和土壤有機(jī)碳積累的內(nèi)外因素及機(jī)制

森林土壤有機(jī)碳主要來源于地上枯落物、生物殘?bào)w的分解、地下細(xì)根分泌、以及細(xì)根周轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)，這些過程很大程度上受到環(huán)境因素的影響[14-15]。環(huán)境因子包括多個(gè)方面，但基本上都是通過改變土壤中的生物和非生物小環(huán)境影響有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)過程，本研究所探討的氣候因子和海拔都可以影響土壤水熱條件從而間接影響凋落物分解和有機(jī)碳的積累。此外，環(huán)境因子還可通過影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力從而影響凋落物產(chǎn)量，也間接影響土壤的有機(jī)碳輸入。

圖3 人工針葉林淺層土壤有機(jī)碳密度與凋落物碳、氮含量及凋落物碳氮比的關(guān)系

圖4 基于森林隨機(jī)模型的淺層土壤碳密度影響因子相對(duì)重要性排序

Mehta等[16]研究指出年平均降雨量是影響森林碳儲(chǔ)量變化的主導(dǎo)因素，降雨量的改變會(huì)導(dǎo)致土壤含水量發(fā)生變化，進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)以及土壤中微生物活性，最終在一定程度上對(duì)森林土壤碳積累產(chǎn)生影響[14]。特別是在干旱半干旱地區(qū)，其特殊的生境條件使得降雨量成為影響森林土壤碳匯功能的主要限制因子。孫美美等對(duì)黃土高原地區(qū)油松人工林的研究指出降雨量的增加有利于人工油松林的生長(zhǎng)，并有助于其碳積累量的提高[17]，李茜等[18]對(duì)陜西省森林生態(tài)系統(tǒng)固碳影響因子的研究結(jié)果顯示年均降雨量與土壤有機(jī)碳密度之間存在良好的正向線性相關(guān)關(guān)系，這都與本研究結(jié)果相符。

溫度也是影響土壤碳密度的一個(gè)重要因素，溫度變化會(huì)促進(jìn)或抑制土壤微生物的活性，不僅影響凋落物和細(xì)根分解對(duì)土壤有機(jī)碳的輸入，同時(shí)也影響土壤呼吸從而影響土壤有機(jī)碳分解和排放，對(duì)碳積累造成影響。許多研究結(jié)果都表明有機(jī)碳積累與溫度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為土壤中碳在低溫條件下更易積累[19-21]。但是，從溫度影響凋落物分解的角度分析，高溫更能促進(jìn)凋落物的分解，增加土壤中有機(jī)碳的輸入[22-23]，因此，溫度對(duì)土壤有機(jī)碳積累的影響較為復(fù)雜，不一定成為主導(dǎo)因子。在本研究中，年平均溫度與淺層土壤碳密度之間并無顯著相關(guān)關(guān)系，分析原因可能是由于研究區(qū)域溫度梯度變化還不夠大，使其不能成為限制淺層土壤碳密度變化的關(guān)鍵性因素，致使其對(duì)土壤碳密度的影響因受到其他因子的干擾而未體現(xiàn)出來。

海拔梯度的變化伴隨著水熱及光照條件的改變，它作為環(huán)境因素的綜合反映，會(huì)成為導(dǎo)致林地土壤有機(jī)碳變異的主導(dǎo)因子[11,24]。隨著海拔升高，溫度降低，使得土壤中微生物的活動(dòng)受到抑制或減弱，有機(jī)碳礦化速率減緩，易積累而不易分解，最終導(dǎo)致土壤有機(jī)碳密度增大。在本研究中，當(dāng)海拔高度上升到2 000 m以后，兩者之間呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系。在海拔高度低于2 000 m的區(qū)域，淺層土壤碳密度與海拔高度之間無相關(guān)關(guān)系，說明在較低海拔區(qū)域多因素交互影響，使海拔對(duì)碳密度的影響未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,而當(dāng)海拔高度到達(dá)2 000 m后，低溫抑制土壤有機(jī)碳排放的作用開始顯現(xiàn)，使得土壤有機(jī)碳密度隨著海拔高度的升呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)。

影響林地土壤碳密度和土壤有機(jī)碳積累的林分因子可包括森林類型、林齡和林分結(jié)構(gòu)組成等因素，這些因素大多通過影響林分生產(chǎn)力從而影響凋落物、根系等向土壤的有機(jī)碳輸入,本研究只涉及4個(gè)針葉樹種的人工純林，因此未對(duì)林分因子進(jìn)行深入分析。就林齡而言，作為影響土壤碳密度的重要因子，其變化通常也會(huì)引起地上植被、林內(nèi)郁閉度、林分密度等條件的改變，通常認(rèn)為林木的生長(zhǎng)會(huì)使土壤碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出逐漸增多的趨勢(shì)[19,25-27]，這與本研究的試驗(yàn)結(jié)果相符，而不同深度的土層對(duì)林齡干擾的反應(yīng)程度有所差別，土壤中的碳會(huì)通過淋溶等物理作用向下積累在深層土壤中，使其貯碳量隨時(shí)間緩慢逐漸增多，并呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而淺層土壤同植被有直接接觸，受到外界環(huán)境因素的影響較大，使得林齡對(duì)土壤碳密度的干擾被削弱，這也可能是造成林齡在多因子分析中的重要度位于環(huán)境因子之后的主要原因。

4.2 黃土高原中西部地區(qū)人工針葉林土壤有機(jī)碳積累的主導(dǎo)影響因子

本研究中林地淺層土壤碳密度與凋落物碳含量、C/N呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氮含量呈極顯著的正相關(guān)，而且與C/N的相關(guān)系數(shù)最大(p<0.000 1)，顯示凋落物C/N對(duì)于林地土壤有機(jī)碳積累具有重要影響。綜合分析也表明，凋落物C/N在諸多影響因素中的重要度為首位(圖3)。鑒于凋落物C/N已經(jīng)包含了凋落物C，N含量信息，在去除凋落物C，N含量因子之后重要度排前3位的因子為凋落物C/N、海拔和降雨量。而海拔的影響也只有在≥2 000 m才表現(xiàn)出來，因此，凋落物C/N和降雨量成為影響土壤有機(jī)碳積累最為重要的兩個(gè)因素，說明該地區(qū)人工針葉林土壤有機(jī)碳積累主要受碳的輸入過程影響，凋落物C/N可作為凋落物質(zhì)量的重要表征，這與Zhou等[28]的結(jié)論一致。

凋落物作為連接植物和土壤的重要環(huán)節(jié)，參與了森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)[25]，在分解過程中向土壤中輸送有機(jī)質(zhì)，其數(shù)量、質(zhì)量及分解程度都對(duì)土壤有機(jī)碳含量有直接影響[26]，是土壤中有機(jī)碳的主要來源。凋落物向土壤輸送有機(jī)質(zhì)的過程除了受到降水、溫度等外界因素的影響外，與其自身的初始化學(xué)組成密切相關(guān)[31-32]，陳法霖等[33-35]通過研究森林凋落物初始化學(xué)組成與其分解效率之間的關(guān)系得出凋落物分解常數(shù)K與凋落物碳濃度之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氮濃度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。王曉峰等[36]對(duì)杉木凋落物添加的研究顯示，新增凋落物會(huì)改變?cè)杏袡C(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率，當(dāng)支持微生物活動(dòng)的碳源得到滿足后，凋落物中的氮作為主要的營(yíng)養(yǎng)元素，其濃度直接限制其分解速率，氮含量越高，微生物活動(dòng)越劇烈，凋落物分解加快，向淺層土壤中輸送大量有機(jī)質(zhì)。

C/N作為凋落物碳含量和氮含量之間數(shù)量關(guān)系的綜合表現(xiàn)，是衡量凋落物質(zhì)量的主要因素[37]，其數(shù)值代表了有機(jī)物質(zhì)無機(jī)化的程度[38]，能夠反映凋落物分解速度的快慢，尤其在分解初期，凋落物的分解速率大約有80%是由C/N決定的[39]。C/N值越小，代表凋落物中的氮越易釋放到土壤中為微生物的生命活動(dòng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)其活性，加速了凋落物的分解過程，增加土壤中碳的輸入量，使得淺層土壤碳密度增大。本研究結(jié)果與許多相關(guān)研究結(jié)果相符[32-34,39-40]。

5 結(jié) 論

(1)本研究表明，在研究區(qū)域內(nèi)，年降雨量與人工針葉林土壤碳密度間有顯著正相關(guān)關(guān)系；林齡、凋落物氮含量與人工針葉林土壤碳密度間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；海拔高度到達(dá)2 000 m時(shí)，人工針葉林土壤碳密度與海拔高度間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；林內(nèi)凋落物碳含量、凋落物碳氮比與人工針葉林土壤碳密度間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，年平均溫度對(duì)人工針葉林土壤碳密度無明顯影響。

(2)人工針葉林淺層土壤積累碳的能力受到多種因素的共同影響，在本研究區(qū)域內(nèi)，林內(nèi)凋落物質(zhì)量是土壤碳積累的主要影響因素，其次為海拔和年降雨條件，綜合分析后建議黃土高原區(qū)實(shí)施人工造林以及森林管理時(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)厮疅釛l件，并可適當(dāng)人工施加氮肥，關(guān)注林內(nèi)植被向土壤中輸入有機(jī)碳的能力，選擇合適的闊葉樹種與針葉林混交，有助于提高林內(nèi)凋落物質(zhì)量，增加有機(jī)碳的輸入，改善人工林的碳匯功能。