赤水河下游3種林分類型土壤有機碳含量及影響因素分析

摘要：對貴州赤水河下游杉木[Cunninghamia Lanceolata （Lamb.） var]林、馬尾松[Pinus massoniana （Lamb.） Hook]林及竹[Phyllostachys edulis（Carr.） H. Delehaie]林土壤有機碳、碳密度及其垂直分配特征進行了研究，并探討了土壤養(yǎng)分對其影響。結(jié)果表明，3種林分類型0～80 cm剖面土壤有機碳平均含量為竹林（15.46 g/kg）﹥杉木林（13.78 g/kg）﹥馬尾松林（9.72 g/kg），差異顯著；有機碳密度為杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥馬尾松林（8.21 kg/m2），差異極顯著；3種林分類型土壤有機碳含量和碳密度均隨土層深度增加而逐漸降低，有機碳含量均為0～10 cm層最大，分別是剖面有機碳含量均值的1.47～2.30倍，而0～20 cm土壤碳密度分別占剖面碳密度的31.71%～47.83%，顯著高于其他各層，土壤有機碳和碳密度均具較強的表聚性，應(yīng)加強生態(tài)環(huán)境保護，避免人為活動和減少水土流失；杉木林和毛竹林影響土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子為水解氮，而馬尾松林為有效磷。

關(guān)鍵詞：林分類型；土壤有機碳；土壤碳密度；土壤養(yǎng)分

中圖分類號：S714.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）23-5741-05

CO2在大氣層中的積累引起了全球變暖、降水格局改變和海平面上升等全球性問題的發(fā)生，威脅著全球生態(tài)環(huán)境和人類自身生存與發(fā)展，因而引起國際社會普遍關(guān)注[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫，在維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境和全球碳平衡方面起著極其重要的作用[2，3]。森林土壤碳約占全球土壤有機碳庫的73%[3-5]，森林土壤有機碳庫貯量的微小變化都可顯著地引起大氣CO2濃度的改變[5]，是全球碳循環(huán)研究極其重要的部分。因此，在全球氣候變化背景下，森林土壤有機碳庫研究已成為全球碳循環(huán)研究的重點之一。雖然在黔中喀斯特地區(qū)[6]和貴州西部地區(qū)[7]已有過不同森林類型土壤有機碳的相關(guān)研究報道，但由于森林土壤有機碳庫受植被類型、氣候和土壤等因素的影響具有較高的變異性，而赤水河下游地區(qū)森林土壤有機碳的研究幾乎是空白，給該區(qū)森林土壤碳儲量估算造成了一定難度。為此，本研究對赤水河下游杉木[Cunninghamia lanceolata （Lamb.） Hook]林、馬尾松[Pinus massoniana（Lamb.） var]林和毛竹[Phyllostachys edulis（Carr.）H. Delehaie]林3種主要林分類型土壤有機碳、碳密度及其垂直分配特征進行了研究，并探討了土壤養(yǎng)分對其的影響，以期為掌握該區(qū)森林土壤有機碳的存儲情況，為區(qū)域性森林土壤碳庫估算及應(yīng)對氣候變化下的森林經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于貴州省赤水河下游的楠竹林場，北緯28°27′，東經(jīng)105°58′。最高處海拔1 730 m，最低處221 m。土壤以紫色土為主。屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，水熱同季，冬暖春早，夏季炎熱多伏旱，全年日照少，初夏晚秋多陰雨，立體氣候和地區(qū)差異顯著的氣候特點。年平均氣溫18 ℃（最高41 ℃，最低-2 ℃）。年均降雨量為1 268.8 mm，年均相對濕度82%，年日照時間1 297.7 h；無霜期300～340 d，并隨海拔上升而遞減，800 m以下地區(qū)無霜期300 d，800 m以上地區(qū)無霜期210～300 d。其森林植被主要有杉木林、馬尾松林、毛竹林、常綠闊葉林等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置及樣品采集

2008年9-10月在赤水河下游的楠竹林場選擇相似立地條件的具有代表性的杉木林、馬尾松林和竹林3種林分類型，各設(shè)置樣地3個，樣地規(guī)格為30 m×30 m。分別對樣地進行每木檢尺，調(diào)查密度、郁閉度、樹高、胸徑、枝下高和冠幅等因子，并對樣地的坡度、坡位、坡向、土壤和巖性等基本情況進行記錄（表1）。

在每個樣地內(nèi)按S形挖取3個土壤剖面，將每個剖面分為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，分別在每層內(nèi)采集1個土壤環(huán)刀和1袋500 g土壤樣品。用環(huán)刀法測定土壤容重，土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，磨碎過2 mm篩，采用重鉻酸鉀-外加熱容重法測定有機碳含量。土壤養(yǎng)分含量測定按《森林土壤分析方法》[8]進行。

2.2 土壤有機碳密度的計算

3種林分類型土壤有機碳含量隨土層間的垂直變化分析發(fā)現(xiàn)，杉木林和馬尾松林0～10 cm土層與10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm各土層之間有機碳含量均存在極顯著差異（P<0.01），而竹林表現(xiàn)為差異顯著（P<0.05），3種林分類型土壤0～10 cm有機碳含量均最大，介于22.38～24.81 g/kg之間，且0～10 cm土層中有機碳含量分別是剖面有機碳含量均值的1.80，2.30，1.47倍，表明森林土壤有機碳含量的分布有較強的表聚性。這主要是由于地表凋落物的積累和分解使得土壤表層有機質(zhì)具有穩(wěn)定而豐富的來源，同時植被根系對土壤表層有機碳的累積發(fā)揮了很強的作用。另外，3種林分類型土壤有機碳含量均隨著土壤深度的增加而減少（圖1），這主要是由于隨著土層深度的增加，水分和營養(yǎng)物質(zhì)向下輸送受到限制，植被凋落物和根系數(shù)量減少，土壤容重增加、透氣性變差，微生物分解的活性減弱，從而導(dǎo)致土壤有機碳含量下降[12]。土壤有機碳的層間變化進一步分析發(fā)現(xiàn)，馬尾松林在10～20 cm與20～40 cm層差異顯著（P<0.05），其他層間變化差異均不顯著（P>0.05），而杉木林和竹林在各土層間變化差異均不顯著（P>0.05）。

3.2 3種林分類型土壤碳密度及其剖面分布

土壤碳密度已成為評價和衡量土壤有機碳儲量的一個極其重要的指標(biāo)[9，13]，其大小主要取決于土壤有機碳含量和土壤容重2個重要參數(shù)。由表2可知，杉木林、馬尾松林和竹林3種林分類型土壤有機碳密度分別為2.18～4.81 kg/m2、1.05～3.93 kg/m2和2.24～3.75 kg/m2，0～80 cm土壤碳密度為杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥馬尾松林（8.21 kg/m2），不同林分類型間差異均極顯著（P<0.01）。這主要是由于不同林分類型因植物根系分布、凋落物量及分解程度以及人為干擾等因素的影響，致使土壤有機碳含量及土壤容重隨之發(fā)生變化，所以土壤碳密度也隨之出現(xiàn)差異[14]。

3種林分類型土壤有機碳密度沿土壤剖面垂直分布均隨著土壤深度增加而降低，但降低幅度不同。這主要是由于不同林分類型土壤有機碳和土壤容重在剖面上的垂直分布不同。3種林分類型均以0～20 cm土壤有機碳密度最大，介于3.75～4.81 kg/m2之間，與20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm的土壤有機碳密度差異均極顯著（P<0.01），0～20 cm土壤有機碳密度分別占整個土壤剖面有機碳密度的37.37%、47.87%和31.97%。表明0～20 cm土壤有機碳密度顯著高于其他各層，森林土壤有機碳密度與有機碳含量的趨勢相同，也表現(xiàn)出較強的表聚性。這主要是由于植物根系集中分布在土壤表層，凋落物和腐殖層以及土壤微生物的分解對土壤有機碳的貢獻主要作用于地表，且隨土壤深度的增加而減弱，因而表層土壤碳密度大[14]。進一步分析表明，馬尾松林和竹林土壤碳密度在20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層間差異不顯著（P>0.05）；而杉木林土壤碳密度在20～40 cm與40～60 cm土層間差異不顯著（P>0.05），40～60 cm與60～80 cm土層間差異顯著（P<0.05）。這可能是由于深層土壤有機碳密度受根系分布、數(shù)量等的影響較大，而杉木、馬尾松、毛竹的根系分布范圍、根系數(shù)量存在差異，導(dǎo)致土壤碳密度層間變化存在差異。

3.3 3種林分類型土壤養(yǎng)分狀況

3種林分類型土壤的全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀0～80 cm剖面平均含量分別為1.25～2.01 g/kg、95.67～112.52 mg/kg、0.24～0.29 g/kg、1.11～1.17 mg/kg、8.44～8.91 g/kg和32.42～41.46 mg/kg（表3），全氮、全磷、全鉀含量均表現(xiàn)為竹林>杉木林>馬尾松林，水解氮含量表現(xiàn)為竹林>馬尾松林>杉木林，有效磷含量表現(xiàn)為馬尾松林>竹林>杉木林，速效鉀含量表現(xiàn)為杉木林>馬尾松林>竹林，說明森林的結(jié)構(gòu)、組成等影響林地土壤的養(yǎng)分含量。方差分析表明3種林分類型除全氮和速效鉀含量在0～80 cm剖面平均值存在極顯著差異（P<0.01）外，其他養(yǎng)分含量均不存在差異（P>0.05），說明該區(qū)林分類型對土壤全氮和速效鉀含量的影響較大。根據(jù)《森林土壤分析方法》[8]，3種林分類型土壤各指標(biāo)都處于較低的水平，特別是有效磷和速效鉀含量尤為明顯。除全鉀和速效鉀含量隨土壤深度的變化無明顯規(guī)律外，其他養(yǎng)分含量均隨土壤深度增加而降低。

3.4 3種林分類型土壤有機碳與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤理化特性在局部范圍內(nèi)都會影響土壤有機碳含量。對土壤有機碳含量與土壤pH和養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析表明，土壤有機碳含量與pH均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，馬尾松林和竹林表現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)性，而杉木林相關(guān)性不顯著；3種森林類型土壤有機碳含量與土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷均表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，而與全鉀、速效鉀的相關(guān)性不盡一致（表4）。說明土壤有機碳水平受諸多因素影響。

為了深入分析3種林分類型各土壤因子對土壤有機碳含量的影響，以杉木林土壤有機碳含量（y1）、馬尾松林土壤有機碳含量（y2）和竹林土壤有機碳含量（y3）為因變量，土壤pH（x1）、全氮含量（x2）、水解氮含量（x3）、全磷含量（x4）、有效磷含量（x5）、全鉀含量（x6）、速效鉀含量（x7）為自變量，采用逐步剔除法進行多元回歸分析（引入因子P<0.05，剔除因子P<0.10），建立土壤有機碳含量與土壤因子的回歸方程（表5）。這些回歸方程和回歸系數(shù)均達到了極顯著水平（P<0.01），可以認(rèn)為所選入的土壤因子已控制了3種林分類型土壤有機碳的大部分變異，且對3種林分類型土壤有機碳含量都有顯著或極顯著的影響。說明所建方程可以正確反映出3種林分類型土壤有機碳和土壤因子的關(guān)系。從入選回歸方程的因子及標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)可以看出，杉木林和竹林影響土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子為水解氮含量，馬尾松林影響土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子為有效磷含量。

4 小結(jié)與討論

1）3種林分類型0～80 cm剖面土壤有機碳平均含量為竹林（15.46 g/kg）﹥杉木林（13.78 g/kg）﹥馬尾松林（9.72 g/kg），且差異顯著，說明在相同或相似的立地條件下，森林類型的不同也會影響土壤有機碳含量。3種林分類型0～80 cm剖面土壤有機碳含量與黔中喀斯特地區(qū)不同森林類型土壤有機碳含量[6]比較，均小于該區(qū)闊葉混交林，但高于該區(qū)針闊混交林和灌木林，而與貴州西部不同森林類型土壤有機碳含量[7]比較，遠小于該區(qū)杉木林、柳杉林、樺木林和華山松林土壤有機碳平均含量。說明加強區(qū)域性森林土壤有機碳的研究意義重大。

2）3種林分類型0～80 cm土壤碳密度表現(xiàn)為杉木林（12.87 kg/m2）﹥竹林（11.73 kg/m2）﹥馬尾松林（8.21 kg/m2），不同林分類型間差異均極顯著。3種林分類型0～80 cm土壤碳密度與黔中喀斯特地區(qū)不同森林類型0～80 cm土壤碳密度[6]比較，均小于該區(qū)闊葉混交林，杉木林與竹林高于針闊混交林和灌木林，而馬尾松林小于該區(qū)針闊混交林和灌木林，而3種林分類型0～80 cm土壤碳密度與貴州西部不同森林類型土壤碳密度[7]比較，均遠小于貴州西部杉木林、柳杉林、樺木林和華山松林。而3種林分類型的土壤碳密度與解憲麗等[13]報道的森林土壤碳密度全國平均水平11.59 kg/m2比較，杉木林略高，馬尾松林略低，竹林接近，但都遠低于周玉榮等[15]報道的我國森林土壤碳密度平均水平19.34 kg/m2。造成不同研究結(jié)果之間差異的原因有很多，而主要原因是由于土壤有機碳除了受到地表枯枝落葉、地下微生物和植物根系等的影響外，還受土壤類型，氣溫、降雨量以及森林的結(jié)構(gòu)、組成等影響，致使土壤有機碳具有很高的空間變異性。另外，土壤容重和石礫含量的差異也對土壤碳密度產(chǎn)生一定程度的影響。

3）3種林分類型土壤有機碳含量及其碳密度在垂直分布上均隨土壤深度增加而逐漸降低。一方面說明植被類型影響土壤有機碳的剖面垂直分布，另一方面，由于森林植被土壤有機碳的主要來源多為枯枝落葉，進入土壤的有機物質(zhì)主要為地表的凋落物，表層有機碳含量高，向下急劇減少。3種林分類型0～10 cm土壤有機碳含量介于22.38～24.81 g/kg之間，顯著高于其他各層，分別是剖面有機碳含量均值的1.80～2.30倍，而0～20 cm土壤碳密度在3.75～4.81 kg/m2之間，分別占整個土壤剖面的有機碳密度的31.97%～47.87%，顯著高于其他各層。這充分說明該區(qū)森林土壤有機碳密度具有較強的表聚性，意味著不合理的人為活動極易造成土壤碳的損失[14]。因此，應(yīng)加強森林管護，保護生態(tài)環(huán)境，避免不合理的人為干擾活動，以維持和增加土壤碳貯量，對減緩大氣CO2濃度上升有著重大意義。與我國森林土壤0～20 cm土壤平均碳密度（4.24 kg/m2）[13]相比，杉木林0～20 cm土壤碳密度略高，而馬尾松林和竹林0～20 cm土壤碳密度均略偏低。同時，3種林分類型0～20 cm土壤碳密度均低于黔中喀斯特地區(qū)[6]和貴州西部地區(qū)[7]森林土壤0～20 cm有機碳密度。除了森林類型的差異外，最主要的原因可能是由于該區(qū)山高坡陡，加之土壤為紫色土，土體相對疏松，水土流失較為嚴(yán)重，導(dǎo)致表層土壤有機碳含量較其他地區(qū)低。

4）土壤有機碳含量與pH均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，馬尾松林和竹林表現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)性，而杉木林相關(guān)性不顯著；3種林分類型土壤有機碳含量與土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷均表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，而與全鉀、速效鉀的相關(guān)性不盡一致，但土壤有機碳含量與土壤因子的回歸方程和回歸系數(shù)均達到了極顯著水平，所建方程可以正確反映二者間的關(guān)系。杉木林和竹林影響土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子為水解氮，馬尾松林影響土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子為有效磷。而在貴州西部地區(qū)，影響杉木林土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子為全氮和速效磷[7]，在貴州南部，影響馬尾松林土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子為全氮[16]，說明相同森林類型由于區(qū)域和立地條件的差異，影響林地土壤有機碳含量的主導(dǎo)因子也會存在差異。

參考文獻：

[1] IPCC.Climate change 2001：the science of climate change. Summary for policymakers， a report of Working Group I of the Intergovern-mental Panel on Climate Change. Geneva， Switzerland[C]， 2001. 1-98. Available from http：//www.ipcc.ch/pub/spm22-01.pdf.

[2] BROWN S， LUGO A E. The storage and production of organic matter in tropical forests and their role in the global carbon cycle[J]. Biotropica，1982，14（3）：161-187.

[3] DIXON R K， BROWN S， HOUGHTON R A， et al. Carbon pools and flux of global forest ecosystem[J]. Science，1994， 263：185-190.

[4] POST W M， EMANUEL W R， ZINKE P J， et al. Soil carbon pools and world life zones[J]. Nature，1982，298：156-159.

[5] CHENG W. Investigating short-term carbon flows in the rhizospheres of different plant species， using isotopic trapping[J]. Agron J，1994，86：782-788.

[6] 丁訪軍，潘忠松，周鳳嬌，等.黔中喀斯特地區(qū)3種林型土壤有機碳含量及垂直分布特征[J].水土保持學(xué)報，2012，26（1）：161-164.

[7] 丁訪軍，高艷平，周鳳嬌，等.貴州西部4種林型土壤有機碳及其剖面分布特征[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2012，21（1）：38-43.

[8] 國家林業(yè)局.森林土壤分析方法[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[9] 楊金艷，王傳寬.東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量和碳通量[J].生態(tài)學(xué)報，2005，25（11）：2875-2882.

[10] 王海燕，雷相東，張會儒，等.近天然落葉松云冷杉林土壤有機碳研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，31（3）：11-16.

[11] YANG Y H， MOHAMMAT A， FENG J M， et al. Storage， patterns and environmental controls of soil organic carbon in China[J]. Biogeochemistry，2007，84：131-141.

[12] 周 莉，李保國，周廣勝.土壤有機碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進展[J].地球科學(xué)進展，2005，20（1）：99-105.

[13] 解憲麗，孫 波，周慧珍，等.不同植被下中國土壤有機碳的儲量與影響因子[J].土壤學(xué)報，2004，41（5）：687-699.

[14] 梁啟鵬，余新曉，龐 卓，等.不同林分土壤有機碳密度研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19（4）：889-893.

[15] 周玉榮，于振良，趙士洞.我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和碳平衡[J].植物生態(tài)學(xué)報，2000，24（5）：518-522.

[16] 潘忠松，丁訪軍，戴全厚，等.黔南馬尾松人工林土壤有機碳的研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2012，32（2）：75-80.