王 冰，張鵬杰，張秋良

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 林學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

氣候變暖現(xiàn)象受到國際社會的廣泛關(guān)注，土壤有機碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫，對全球氣候變化背景下CO2濃度的變化具有重要影響，特別是森林土壤的固碳功能引起科學家們的重視，成為全球研究熱點，有關(guān)森林土壤有機碳含量的研究已在不同地區(qū)廣泛開展[1-3]。林木在生長過程中對土壤環(huán)境需求的不同以及林木自身的變化，使不同發(fā)育階段的森林土壤有機碳存在差異。關(guān)于林齡對土壤有機碳的影響已有較多報道[4-8]，但研究多集中于杉木人工林[9-10]和馬尾松人工林[11-12]，主要得到2種結(jié)論，即隨林齡的增加，土壤有機碳含量逐漸增加或先減少后增加。

北半球緯度較高的生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳密度和儲量最高[13]，受到最強升溫的影響[14]，預(yù)計會成為生物圈的CO2通量熱點。興安落葉松(Larixgmelinii)分布于中國大興安嶺北部，是我國寒溫帶的主要地帶性植被，在森林碳匯方面發(fā)揮著不可取代的重要作用。探明多種因素影響下興安落葉松林土壤有機碳的特征，準確評估寒溫帶森林在全球碳平衡中的作用與貢獻，成為目前亟待解決的關(guān)鍵問題。本研究探討了不同林齡(幼齡、中齡、近熟、成過熟)興安落葉松林土壤總有機碳的特征及其與土壤理化指標的相關(guān)性，以期為我國寒溫帶森林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站的原始林試驗區(qū)(121°30′-121°31′ E，50°49′-50°51′ N)，海拔 800～1 000 m，地處寒溫帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫-5.4 ℃，年降水量 450～550 mm。該區(qū)土壤以棕色針葉林土為主，并分布有大面積沼澤濕地和連續(xù)多年凍土。研究區(qū)優(yōu)勢樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)，并伴生有白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等喬木，林下植物主要有杜香(Ledumpalustre)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、柴樺(Betulafruticosa)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、紅花鹿蹄草(Pyrolaincarnata)、舞鶴草(Maianthemumbifolium)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站的原始林試驗區(qū)(根河林業(yè)局境內(nèi))，選擇興安落葉松幼齡(≤40 a)、中齡(40～80 a)、近熟(80～100 a)、成過熟(≥101 a)林分，每種林分設(shè)置7塊30 m×30 m的樣地，共28塊，記錄各樣地的經(jīng)緯度、海拔高度、坡度、坡向、坡位等地形信息，并進行每木檢尺和灌草調(diào)查。

2.2 土壤樣品的采集與處理

于2017年7-8月，在每個樣地內(nèi)按對角線挖取3個土壤剖面，去除表面凋落物，分別采集0～10，10～20，20～40和40～60 cm土層的土樣，按層將同一采樣點3個剖面的土樣混合均勻，裝入標有代號的塑封袋內(nèi)；用環(huán)刀采集各層原狀土用于土壤含水量和體積質(zhì)量的測定。將采集的土樣帶回實驗室，去除土樣中的植物殘體及石礫，自然風干、過篩，用于土壤各指標的測定。

2.3 土壤理化指標的測定

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量的變化

興安落葉松林(0～60 cm)土壤總有機碳含量為13.42～142.18 g/kg，平均含量為53.35 g/kg，呈現(xiàn)一定的剖面變化特征。由表1可知，隨著土層深度的增加，土壤總有機碳含量逐漸降低，均屬中等變異。表層土壤(0～10 cm)與其余3個土層土壤間的總有機碳含量均存在顯著差異(P<0.01)，但其余3層土壤間總有機碳含量差異不顯著，表明興安落葉松林土壤總有機碳具有明顯的表層富集特性。

表1 興安落葉松林不同深度土層的總有機碳含量Table 1 Soil total organic carbon contents of Larix gmelinii forest in different soil depths

由圖1可以看出，不同林齡興安落葉松林的土壤總有機碳含量(0～60 cm)差異均不顯著(P>0.05)，其大小依次為幼齡林(64.49 g/kg)>成過熟林(55.34 g/kg)>中齡林(53.22 g/kg)>近熟林(46.81 g/kg)。隨著林齡的增加，土壤總有機碳含量呈現(xiàn)先減小后增大的“V”字型變化特征，即興安落葉松林土壤中總有機碳含量在幼齡林階段最高，之后隨著樹木的生長，總有機碳含量逐漸減少，近熟階段后土壤總有機碳含量又開始增加。隨著土層深度的增加，各林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量均呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，且表聚特征明顯。興安落葉松林從幼齡林到成過熟林階段，各土層總有機碳含量的變化特征存在一定差異，表層(0～10 cm)表現(xiàn)為幼齡林到中齡林減少、近熟林和成過熟林又逐漸增加，即先減少后增加的變化特征；而其他土層變化趨勢不明顯，各林齡差異也不明顯。

3.2 不同林齡興安落葉松林土壤理化性質(zhì)的變化

柱上標不同小寫字母表示相同林齡在不同土層間存在顯著差異(P<0.05)Different lower letters indicate significant differences among different soil layers for same forest age (P<0.05)圖1 不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量的剖面特征Fig.1 Soil total organic carbon contents in soil profile of Larix gmelinii forest at different ages

表2 不同林齡興安落葉松林的土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physicochemical properties of Larix gmelinii forest at different ages

各金屬氧化物含量隨林齡的增加也呈現(xiàn)不同的變化趨勢(表3)。隨著林齡的增加，Na2O含量呈“V”字型變化趨勢，即先減小后增加；MgO和Al2O3含量呈倒“V”字型變化趨勢，即先增加后減?。籏2O含量總體呈減小趨勢；而CaO和Fe2O3含量總體呈增加趨勢。單因素方差分析結(jié)果顯示，幼齡林的Fe2O3含量顯著低于其他各林齡，Al2O3含量顯著低于近熟林，幼齡林和近熟林的CaO含量顯著低于成過熟林；Na2O、MgO和K2O含量在各林齡間差異均不顯著。隨著土層深度的增加，各金屬氧化物含量在各林齡間的差異減小，在0～10 cm土層，幼齡、中熟、近熟林的CaO含量均顯著低于成過熟林，幼齡林的Fe2O3含量顯著低于其他各林齡；在10～20 cm土層，中齡林和近熟林的CaO含量均與成過熟林差異顯著；在20～40 cm土層，幼齡林的Al2O3含量與近熟林差異顯著；在40～60 cm土層，各金屬氧化物含量在各林齡間差異均不顯著；在不同土層，Na2O、MgO和K2O含量在各林齡間差異均不顯著。

表3 不同林齡興安落葉松林的土壤金屬氧化物含量(質(zhì)量分數(shù))Table 3 Soil metal oxide contents of Larix gmelinii forest at different ages(mass fraction) %

3.3 不同林齡興安落葉松林土壤理化性質(zhì)對總有機碳含量的影響

表4 不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between TOC and soil physicochemical properties in Larix gmelinii forest at different ages

由表5可知，不同林齡興安落葉松林的土壤總有機碳含量與金屬氧化物含量間的相關(guān)性(正相關(guān)或負相關(guān))基本一致，差別僅表現(xiàn)在相關(guān)程度上。各林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量均與Na2O、MgO、Al2O3、K2O含量呈顯著或極顯著負相關(guān)，除幼齡林外均與CaO含量呈極顯著正相關(guān)，與Fe2O3含量均無顯著相關(guān)性。

表5 不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳與金屬氧化物間的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between TOC and soil metal oxides in Larix gmelinii forest at different ages

表6 不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量與各土壤因子的回歸模型Table 6 Regression models of TOC and soil factors in Larix gmelinii forest at different ages

4 討 論

4.1 不同林齡土壤總有機碳含量的特征

本研究顯示，興安落葉松林土壤總有機碳(0～60 cm)的平均含量為53.35 g/kg，高于其他地區(qū)的研究結(jié)果[1-3,17-18]。這是因為興安落葉松原始林地表枯落物厚，加之高緯度低溫環(huán)境抑制了微生物的活性，限制了有機質(zhì)的礦化，導致有機碳含量較高[1]。

林齡對興安落葉松林土壤總有機碳含量有一定影響[19]。本研究結(jié)果顯示，興安落葉松林土壤總有機碳含量隨林齡的增加呈現(xiàn)先減小后增大的“V”字型變化趨勢，這與前人的一些研究結(jié)果[10-11]基本一致。土壤有機碳一直處于不斷分解與合成的動態(tài)平衡過程中，上一代成熟林有機碳隨枯落物歸還土壤以及幼齡林生長消耗較少等原因，可能是導致幼齡林土壤有機碳含量較高的重要因素[20]。隨著林齡的增加，中齡林和近熟林階段林木生長迅速，植物根系從土壤中吸收了大量的有機質(zhì)用于自身生長，土壤有機碳的消耗大于積累，從而導致有機碳含量降低[7]。成過熟林階段土壤有機碳含量又恢復(fù)到較高水平，這是因為此階段林下生態(tài)系統(tǒng)逐漸完善，凋落物的分解速率加快，土壤有機碳的輸入量隨之增加，有機碳含量逐漸累積；成熟林郁閉度提高，林冠對降雨的截留能力加強，減少了隨降雨流失的碳含量[21]；隨著林齡的增加，凋落物、微生物、活性酶及養(yǎng)分增加，也會導致土壤有機碳含量增加。

TOC．土壤總有機碳；SWC．土壤含水量；OP．有機磷。實線單向箭頭表示各因子對土壤總有機碳的直接作用，虛線單向箭頭表示各因子對土壤總有機碳的間接作用，實線雙向箭頭表示各因子間的相互關(guān)系TOC.Total organic carbon;SWC.Soil water content;OP.Organic phosphorus.The solid one-way arrow indicates the direct effect of each factor on TOC,the dotted one-way arrow indicates the indirect effect of each factor on TOC,and the solid two-way arrow indicates the relationships among soil factors圖2 各土壤因子對不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳的通徑系數(shù)示意Fig.2 Path coefficients of soil factors on TOC in Larix gmelinii forest at different ages

本研究還發(fā)現(xiàn)，不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量均呈現(xiàn)隨土層深度增加而減少的垂直分布特征，且表層顯著高于其他各層，表現(xiàn)出明顯的表層聚集性，這與幾乎所有關(guān)于土壤有機碳剖面特征研究的結(jié)果[8,11]一致。有機碳含量表層聚集性的形成有多方面原因：其一，地表枯落物是森林土壤有機物質(zhì)的主要來源[22]，加之興安落葉松根系分布淺，使得土壤有機碳主要富集于表層；其二，地表枯落物和植物根系分解形成的有機質(zhì)經(jīng)土壤表層進入深層，造成土壤有機碳自上而下遞減的剖面變化特征；其三，研究區(qū)地處寒溫帶，氣溫低，土壤微生物活性和土壤動物活躍度受限，地表枯落物分解轉(zhuǎn)化速率慢，土壤生物帶入深層土壤的有機碳量和帶入深度有限[23-24]，所以表層富集明顯。

4.2 土壤理化性質(zhì)對土壤總有機碳含量的影響

本研究表明，不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量均與含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤體積質(zhì)量呈負相關(guān)關(guān)系，這與許多學者的相關(guān)研究結(jié)果[25-27]一致。體積質(zhì)量直接影響著土壤的通氣性和孔隙度，隨著土壤體積質(zhì)量的增大，土壤的孔隙度減小、通氣性減弱、生物活性被抑制，導致土壤有機碳含量下降。不同林齡興安落葉松林土壤總有機碳含量均隨pH值的減小而增大[28-29]。土壤pH值通過影響土壤微生物的種類和活性而影響土壤有機碳的固定和積累，研究區(qū)土壤呈酸性，微生物(以真菌為主)對有機物質(zhì)的分解較慢[30]，因此土壤有機碳含量較高。

5 結(jié) 論

1)興安落葉松林0～60 cm土層土壤總有機碳含量為13.42～142.18 g/kg，在生長過程中，呈現(xiàn)先減小后增加的“V”字型變化趨勢，不同林齡的土壤總有機碳含量大小依次為幼齡林(64.49 g/kg)>成過熟林(55.34 g/kg)>中齡林(53.22 g/kg)>近熟林(46.81 g/kg)。