李思瑤 夏曉瑩 王杰 馬小龍 米爾扎提.柯尼加里木 阿麗耶.麥麥提 王衛(wèi)霞

摘要以不同生長發(fā)育階段的天山云杉林為研究對象，分析了天山云杉林土壤有機碳密度分布特征及其影響因素。結(jié)果表明：（1）天山云杉林土壤有機碳含量隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸積累增加的趨勢，成熟林土壤有機碳顯著高于幼齡林（P<0.05）。各發(fā)育階段土壤有機碳含量的變異程度大小為幼齡林（69.10%）>中齡林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%）。（2）不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機碳密度在0～<20cm、20～<60cm土層的變化范圍分別為7.86～9.18和5.65～8.69kg.m-2。（3）天山云杉林土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞土壤有機碳密度；影響因素；天山云杉

中圖分類號：S791.18;S714.2文獻標(biāo)識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.011

ResearchonSoilOrganicCarbonDensityandItsInfluencingFactorsinPiceaschrenkianavar.tianschanicaForest

LiSiyao，XiaXiaoying，WangJie，MaXiaolong，KenijialimuMierzhati，MaimaitiAliye，WangWeixia

（CollegeofForestryandLandscapeArchitecture，XinjiangAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofForestryEcologyandIndustrialTechnology，XinjiangEducationDepartment，Urumqi830052，China）

Keywordssoilorganiccarbondensity;influencingfactors;Piceaschrenkianavar.tianschanica

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，全球陸地40%的地下碳儲量發(fā)生在森林生態(tài)系統(tǒng)[1]。2020年世界糧農(nóng)組織（FAO）《全球森林資源評估報告》指出，全球森林總碳儲量達到6620億t，其中45%的碳存儲在森林土壤中[2]。因此，森林土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫，對全球碳循環(huán)起著至關(guān)重要的作用[3]。外界環(huán)境條件及人為干擾活動均可影響森林土壤有機碳庫的變化[4]。有研究表明，氣候變化、土壤特性、林分密度和林分年齡及經(jīng)營措施等均會對森林土壤有機碳具有不同程度的影響[5-8]。舒蛟靖等[9]的研究中華山松近熟林相較于中齡林和成熟林有更好的固碳能力，且林齡對土壤有機碳密度的影響程度較大；而在祁連山青海云杉林表層土壤有機碳含量與郁閉度呈顯著負相關(guān)關(guān)系[10]。不同區(qū)域的土壤碳庫對地形地貌、氣候特征、土壤理化特性及林分結(jié)構(gòu)等的響應(yīng)程度不同。

天山云杉（Piceaschrenkianavar.tianschanica）林是新疆森林資源的重要組成部分，肩負著調(diào)節(jié)氣候、保護冰川和涵養(yǎng)水源的重要生態(tài)功能[11，12]。有關(guān)小區(qū)域尺度上天山云杉林土壤有機碳密度及其影響因素的研究相對較少。因此，本研究以天山中部新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實習(xí)林場為例，選取實習(xí)林場內(nèi)不同發(fā)育階段的天山云杉林為研究對象，研究不同發(fā)育階段下天山云杉林土壤有機碳密度的變化規(guī)律，探討影響該區(qū)域天山云杉林土壤有機碳密度變化的主導(dǎo)因素，為科學(xué)合理評價該區(qū)域天山云杉林的固碳能力及促進該區(qū)域森林資源健康可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏魯木齊縣境內(nèi)，頭屯河上游的新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實習(xí)林場（43°16′—43°26′N，86°46′—86°57′E）。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，年均降水量約600mm，平均溫度3℃，無霜期為140d，年日照時長1300h。地勢南高北低，坡度多為10°～40°，海拔為1700～2700m，主要樹種為天山云杉，土壤為灰褐色森林土。

2研究方法

2.1樣地布設(shè)與調(diào)查方法

2021年6—8月，在天山中部新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實習(xí)林場選取不同發(fā)育階段的天山云杉林（幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林）為研究對象。每個林齡內(nèi)布設(shè)4個30m×30m樣地進行每木檢尺，測定其樹高、胸徑等測樹因子。利用GPS定位技術(shù)記錄每個樣地的海拔、坡度、坡向、坡位等地形因子，樣地基本情況見表1。

2.2土樣采集與測定方法

在每個樣地內(nèi)按照坡上、坡中和坡下分別布設(shè)3個土壤采樣點，在每個采樣點挖土壤剖面，按照0～<20cm、20～<60cm分層采集土壤樣品，并將每個樣地內(nèi)3個采樣點采集的土壤樣品按照相同層次分別進行混合后作為處理的一個重復(fù)備用；同時用環(huán)刀采集原狀土樣測定土壤容重及土壤含水量。將采集的土壤樣品帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨過篩后待測。

2.3土樣有機碳含量的測定及有機碳密度的計算

土壤樣品中有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀－外加熱法測定[13]。

計算不同土層土壤有機碳密度（SOCD）。

SOCDi=Ci×Di×Ei×（1-Gi）/100

式中：SOCDi為第i層土壤有機碳密度（kg.m-2），i為土壤層次，Ci為第i層土壤有機碳含量（g.kg-1），Di為第i層土壤容重（g.cm-3），Ei為第i層土層厚度（cm），Gi為第i層土層中直徑大于2mm石礫所占體積百分比（%）[14]。

2.4數(shù)據(jù)分析及處理

采用SPSS26.0、Origin2018和Excel2019進行數(shù)據(jù)處理分析，采用單因素方差分析（one-wayANOVA）和LSD多重比較法比較不同林齡土壤有機碳含量及有機碳密度的差異，采用Pearson相關(guān)分析法分析土壤有機碳與不同生態(tài)因子之間的相關(guān)關(guān)系，用主成分分析法（PCA）分析影響土壤有機碳密度分布的主導(dǎo)因素。

3結(jié)果與分析

3.1天山云杉林土壤有機碳含量分布特征

不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機碳含量變化如圖1所示。在0～＜20cm和20～＜60cm土層土壤有機碳含量均隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸增加的趨勢，表現(xiàn)為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，不同發(fā)育階段土壤有機碳含量增加的幅度有所差異，其中成熟齡土壤有機碳含量顯著高于幼齡林（P<0.05），與其他2個發(fā)育階段之間差異不顯著。在垂直剖面上不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機碳含量均表現(xiàn)為隨土層的加深呈下降的趨勢，下降幅度波動范圍為64.05%～75.00%。不同發(fā)育階段土壤有機碳含量均表現(xiàn)出0～＜20cm土層聚集現(xiàn)象。

通過計算同一發(fā)育階段不同土層土壤有機碳含量的平均變異系數(shù)可知，各發(fā)育階段土壤有機碳含量的變異程度大小為：幼齡林（69.10%）>中齡林（63.74%）>近熟林（62.68%）>成熟林（54.76%），不同發(fā)育階段土壤有機碳含量變異程度均比較大，說明天山云杉林下土壤有機碳含量的分布不是很穩(wěn)定，但隨著林分發(fā)育成熟土壤有機碳含量分布逐漸趨向穩(wěn)定分布。

3.2天山云杉林土壤有機碳密度分布特征

對不同土層土壤有機碳密度進行計算分析，結(jié)果見圖2。不同發(fā)育階段的天山云杉林土壤有機碳密度在0～＜20cm、20～＜60cm土層的變化范圍分別為7.86～9.18、5.65～8.69kg.m-2。各層土壤中有機碳密度最高值均分布在成熟林，且與幼齡林土壤有機碳密度存在顯著差異（P<0.05）。不同發(fā)育階段天山云杉林土壤有機碳密度均隨著土層的加深呈下降的趨勢，其下降幅度大小依次為幼齡林（2.21kg.m-2）>近熟林（1.15kg.m-2）>中齡林（1.13kg.m-2）>成熟林（0.49kg.m-2）。

3.3天山云杉林土壤有機碳密度與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)分析

由表2可知，0～＜20cm土層土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑的相關(guān)系數(shù)r分別為0.679和0.656，并且呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系；與海拔、坡度、坡向、土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性并未達到顯著水平。20～＜60cm土層土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑和土壤含水量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r分別為0.763、0.722和0.857；與土壤容重表現(xiàn)為極顯著的負相關(guān)關(guān)系；與海拔、坡度、坡位、坡向、郁閉度的相關(guān)關(guān)系不顯著。

4討論

在土壤質(zhì)地和森林類型一致的情況下，林分年齡是影響土壤有機碳的重要指標(biāo)之一[15]。有研究表明，凋落物分解釋放對區(qū)域內(nèi)土壤有機碳積累有促進作用[16，17]，一方面是由于隨著林分年齡的逐漸增加，林木之間的競爭壓力增大，會出現(xiàn)林木自然整枝現(xiàn)象，從而使凋落物增加而促進有機碳的積累。另一方面，林分發(fā)育至成熟齡階段時，林分郁閉度相對提高，林內(nèi)地表溫度隨之降低，保持了一定的土壤濕度和水分含量，使得土壤有機碳分解速率下降，進而促進了土壤有機碳的積累[18，19]。本研究中在0～<20cm和20～<60cm土層土壤有機碳含量和有機碳密度均隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸積累增加的趨勢，表現(xiàn)為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林。這和秦曉佳等[20]的研究結(jié)果相似。

土壤有機碳密度受氣候、植被、土壤特征及環(huán)境地理特征等多因素的影響[21-26]。本研究中主要分析了地形因子（海拔、坡度、坡向、坡位）、林分結(jié)構(gòu)（林齡、郁閉度、林分平均胸徑）和土壤特性（土壤含水量、土壤容重）對天山云杉林土壤有機碳密度分布的影響。研究結(jié)果表明，天山云杉林土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與海拔、坡度、坡向、土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系。有研究表明，林分平均胸徑和郁閉度等植被因子對華山松林土壤有機碳密度有極大的促進作用[9]。崔鴻俠等[27]研究也發(fā)現(xiàn)神農(nóng)架針葉林下土壤碳儲量隨著胸徑和凋落物量的增加有增大的趨勢。這均與本研究結(jié)果較為一致。處在不同發(fā)育階段的林分其林分密度、樹高、平均胸徑、林下草本組成及凋落物組成和厚度等不盡相同，這些因素會影響土壤有機碳的輸入輸出循環(huán)過程，進而影響有機碳含量及密度。林分年齡和郁閉度通過調(diào)節(jié)植被凋落物量影響土壤有機碳的積累量，隨著林木年齡的增長，林木自身發(fā)育成熟，郁閉度變大，枯枝落葉量增多，光照減少，致使土壤溫度變低，微生物活力降低，從而使有機碳分解速率下降，積累增多[28]。

5結(jié)論

5.1天山云杉林土壤有機碳含量和密度均隨著林分發(fā)育階段的增加呈逐漸增加的趨勢，表現(xiàn)為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，其中成熟齡土壤有機碳顯著高于幼齡林（P<0.05）。

5.2天山云杉林土壤有機碳密度與林齡、林分平均胸徑呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系。

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收稿日期：2022-12-12

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202110758008）

作者簡介：李思瑤（2000-），女，大學(xué)在讀，從事林學(xué)專業(yè)技術(shù)研究，E-mail：3203587588@qq.com

通信作者：王衛(wèi)霞（1981-），女，博士，副教授，從事森林生態(tài)與經(jīng)營研究，E-mail：wangweixia0993@163.com