長(zhǎng)白山8種林型土壤有機(jī)碳和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及垂直分布特征1)

宋彥彥 史寶庫(kù) 張 言 牛 香

(吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春，130022) (中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所)

耿紹波 趙忠林 李英愛(ài) 汪兆洋 管清成

(吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院)

責(zé)任編輯:戴芳天。

土壤有機(jī)碳和氮素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，且碳氮比值是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，影響著土壤中有機(jī)碳和氮的循環(huán)［1－2］。全球約有1 400～1 500 Gt 碳以有機(jī)態(tài)形式儲(chǔ)存于土壤中，是陸地植被碳庫(kù)的2～3 倍，而森林土壤約占全球土壤有機(jī)碳庫(kù)的73%［3－4］。不同的森林類(lèi)型其樹(shù)種的生產(chǎn)力、碳分配以及凋落物的數(shù)量、質(zhì)量等均有很大的差異，從而影響著生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳匯功能［5－6］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳密度做了大量的研究［7－9］，但是由于植被類(lèi)型、立地條件、氣候特點(diǎn)及土壤性質(zhì)的差異，使不同地區(qū)碳氮儲(chǔ)量存在較大差異，而且很多研究只限于一兩種林型或生態(tài)系統(tǒng)［10－11］，對(duì)于多種林型有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及垂直分布特征的比較研究相對(duì)較少。

長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)保存完好的原始森林，有中國(guó)最大的紅松母樹(shù)林原始群落，但是自20 世紀(jì)以來(lái)，長(zhǎng)白山森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的人為干擾，形成大面積次生林和人工林。本研究以長(zhǎng)白山8 種典型林型為研究對(duì)象，研究不同林型土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮比、碳氮密度及垂直分布規(guī)律，為該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的合理經(jīng)營(yíng)和管理、碳匯功能的評(píng)估以及土地利用方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省撫松縣境內(nèi)長(zhǎng)白山腹地露水河林業(yè)局，地理坐標(biāo)為東經(jīng)127°29'～128°02'，北緯42°24'～42°49'。該區(qū)域位于長(zhǎng)白山山脈西麓，地處長(zhǎng)白山北部臺(tái)地邊緣地帶。研究區(qū)域?qū)俸疁貛Т箨懶詺夂颍瑲鉁剌^低，降水充沛，為冷涼的高寒山區(qū)，年降水量800～1 040 mm，年平均氣溫0.9～1.5 ℃，最高氣溫29.5～32.2 ℃，最低氣溫－39～－44.1 ℃，平均相對(duì)濕度70%～75%。土壤為典型暗棕壤，土層厚度20～100 cm。該研究區(qū)域植被屬長(zhǎng)白山頂極植物群落區(qū)系，植物種類(lèi)多樣，分布復(fù)雜，主要以紅松闊葉混交林為主。其中針葉樹(shù)種有紅松(Pinuskoraiensis)、云杉(Piceaasperata)、臭松(Symplocarpusfoetidus)及落葉松(Larixgmelinii)，闊葉樹(shù)種有椴樹(shù)(Tiliatuan)、五角槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、胡桃楸(JuglansMandshurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、黃菠蘿(Phellodendronamurense)、白樺(Betulaplatyphylla)、榆樹(shù)(Ulmuspumila)、楊樹(shù)(Populus)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

樣地選在吉林省撫松縣露水河林業(yè)局宏光林場(chǎng)和東升林場(chǎng)，結(jié)合二類(lèi)調(diào)查，從植被生長(zhǎng)以及林地群落保存、演替及穩(wěn)定的角度，于2013年7月分別選擇落葉松人工林、紅松天然林、楊樹(shù)人工林、楊樹(shù)天然林、闊葉混交天然林、闊葉混交人工林、針闊混交天然林、針闊混交人工林8 種典型的林分為研究對(duì)象，每個(gè)林型選擇3 塊20 m ×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共獲樣地24 塊。長(zhǎng)白山的土壤類(lèi)型與植被森林垂直分布帶相對(duì)應(yīng)，分別為山地生草森林土、棕色針葉林土和暗棕色森林土，為了更好對(duì)比研究，8 種林型選擇海拔高度、坡度相近的近熟或成熟林，具體立地狀況見(jiàn)表1。

表1 樣地的立地狀況

2.2 樣品采集和處理

在標(biāo)準(zhǔn)樣地邊界或是距樣地邊界2～3 m 處隨機(jī)挖取3 個(gè)土壤剖面，剖面深度視土壤發(fā)生層次而定(深至母質(zhì)層為止)。確定土壤剖面發(fā)生層次后，用土壤環(huán)刀(100 cm3)在每一土層取土樣測(cè)定土壤密度;同時(shí)取約500 g 土樣裝入樣品袋，用于土壤碳氮的測(cè)定。仔細(xì)去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，105 ℃烘干24 h 后，稱(chēng)質(zhì)量并計(jì)算土壤密度。將采集的樣品袋帶回實(shí)驗(yàn)室，于陰涼處自然風(fēng)干后用四分法過(guò)0.25 mm 篩，編號(hào)待測(cè)。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱油浴法［12］，全氮采用海能K9840 半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定，環(huán)刀法測(cè)定土壤密度。

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度的土層中SOC 的貯量，一般用t·hm－2或kg·m－2表示。由于它以土體體積為基礎(chǔ)作計(jì)算，排除了面積和土壤深度的影響，因此土壤碳密度已成為評(píng)價(jià)和衡量土壤中有機(jī)碳貯量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)。

土壤有機(jī)碳(氮)密度的計(jì)算公式為［13－14］:

式中:DkSOC為第k 層土壤有機(jī)碳(氮)密度(kg·m－2);Ck為第k 層土壤有機(jī)碳(全氮)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg－1);Dk為第k 層土壤密度(g·cm－3);Ek為第k 層土壤厚度(cm);Gk為第k 層直徑大于2 mm 的石礫所占的體積百分比(%)。

求土壤剖面有機(jī)碳(氮)密度為各個(gè)土層有機(jī)碳(氮)密度之和即為:

此外，數(shù)據(jù)采用SPSS18.0 軟件，分析比較8 種林型土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳氮比、碳氮密度的差異，差異顯著進(jìn)行多重比較(P ＜0.05)。部分?jǐn)?shù)據(jù)和圖表采用Excel2003 進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型土壤有機(jī)碳和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳氮比

對(duì)8 種林型作比較，闊葉混交天然林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，均值達(dá)到70.33 g·kg－1(表1)，紅松天然林和針闊混交天然林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為66.95、63.89 g·kg－1，這3 種林分類(lèi)型的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒(méi)有顯著差異(P ＞0.05)。落葉松人工林、楊樹(shù)人工林、闊葉混交人工林及針闊混交人工林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.99、38.89、37.28、39.19 g·kg－1，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于前三者(P ＜0.05)。而楊樹(shù)天然林有機(jī)碳比前三者小，又比后4種林分類(lèi)型大，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.75 g·kg－1。

表2 不同林型土壤有機(jī)碳和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳氮比

不同森林類(lèi)型土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小規(guī)律與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)類(lèi)似，闊葉混交天然林全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，均值6.04 g/kg;針闊混交天然林、楊樹(shù)天然林次之，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是5.44、5.16 g·kg－1;紅松天然林居中，均值為4.32 g·kg－1;落葉松人工林、楊樹(shù)人工林、闊葉混交人工林及針闊混交人工林氮量較小，其均值在3.14～3.51 g·kg－1范圍。紅松天然林碳氮比值為15.56，顯著大于其他7 種森林類(lèi)型。

3.2 不同林型土壤密度、有機(jī)碳和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳氮比垂直分布特征

在A 土層中，8 種林型土壤密度、有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值之間存在顯著差異(P ＜0.05)。紅松天然林和闊葉混交天然林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著大于落葉松人工林、楊樹(shù)人工林、闊葉混交人工林和針闊混交人工林，前兩者的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是人工林的2倍。天然林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為99.20～138.22 g·kg－1，人工林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為64.12～67.27 g/kg?？梢?jiàn)，人為的干擾嚴(yán)重破壞了土壤碳氮自身的儲(chǔ)存和循環(huán)，導(dǎo)致土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量大大降低。8 種森林類(lèi)型的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小明顯分成了兩組，天然林和人工林，天然林的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為8.84～9.6 g·kg－1，人工林的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為5.09～6.02 g·kg－1。就土壤密度而言，落葉松人工林最大，均值為0.88 g·cm－3;針闊混交天然林最小，均值0.43 g·cm－3。

表3 不同林型土壤密度、有機(jī)碳和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及碳氮比垂直分布特征

在B 土層中，8 種林型土壤密度、有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值之間沒(méi)有顯著差異(P ＞0.05)。土壤密度變化范圍1.16～1.42 g·cm－3，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大均為闊葉混交天然林，最小均為落葉松人工林，其有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為11.12～22.34 g·kg－1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為1.00～2.47 g·kg－1。A 土層之間有明顯差異，B 土層之間沒(méi)有明顯差異，可見(jiàn)，表層土的碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)受林分類(lèi)型、植被結(jié)構(gòu)、氣候環(huán)境以及人為干擾影響較大［15］。

8 種林型碳氮比值在A、B 土層均無(wú)顯著差異，A 層碳氮比值變化范圍為11.04～16.01，B 層碳氮比值變化范圍為7.84～12.06。AB 層樣本數(shù)較少，紅松天然林碳氮比值最大，高達(dá)17.49，這與其樹(shù)種本身凋落物及覆蓋率的不同造成了差異。

3.3 不同林型土壤碳氮密度變化特征

不同林型之間的土壤有機(jī)碳密度存在著顯著差異(P ＜0.05)，其變化范圍為12.37～22.13 kg·m－2(圖1)。其中，針闊混交人工林碳密度最小，為(12.37 ±1.92)kg·m－2;楊樹(shù)天然林碳密度最大，為(22.13 ±2.90)kg·m－2。8 種林型土壤碳密度由大到小依次為楊樹(shù)天然林、紅松天然林、闊葉混交天然林、楊樹(shù)人工林、落葉松人工林、闊葉混交人工林、針闊混交天然林、針闊混交人工林。同一個(gè)樹(shù)種，天然林土壤碳密度仍然大于人工林，但是兩者之間沒(méi)有顯著差異。

不同林型之間的土壤總氮密度存在著顯著差異(P ＜0.05)，其變化范圍為1.11～1.97 kg·m－2(圖2)。其中，針闊混交人工林氮密度最小，為(1.11±0.18)kg·m－2，落葉松人工林氮密度最大，為(1.97 ±0.18)kg·m－2，但與楊樹(shù)天然林、闊葉混交天然林和人工林之間沒(méi)有顯著差異，其變化范圍為1.91～1.97 kg·m－2。除落葉松人工林和紅松天然林外，土壤氮密度的變化規(guī)律與碳密度的類(lèi)似。

表4 不同林型土壤碳氮密度變化特征

4 結(jié)論與討論

森林土壤是一形成和演化過(guò)程都十分復(fù)雜的自然綜合體，受成土母質(zhì)、地形、氣候、植被等成土因素及人為干擾活動(dòng)的影響，具有復(fù)雜性和空間變異性［16］。本研究中8 種森林類(lèi)型有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律從闊葉混交天然林→紅松天然林→針闊混交天然林→楊樹(shù)天然林→針闊混交人工林→楊樹(shù)人工林→闊葉混交人工林→落葉松人工林逐漸減小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍為36.99～70.33 g·kg－1。就全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，闊葉混交天然林最大，為6.04 g·kg－1，楊樹(shù)人工林最小，為3.14 g·kg－1。8 種森林類(lèi)型有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異，這是由于植被類(lèi)型、氣候特點(diǎn)及土壤性質(zhì)等因素的差異而不同［17－18］。了解碳氮比的空間異質(zhì)性，有助于全面闡述森林土壤質(zhì)量變化的特點(diǎn)［19］。紅松天然林碳氮比值最大，為15.56，其它碳氮比值變化范圍為10.55～12.19。這可能由于紅松為本土樹(shù)種以及凋落物中含有難以分解的木質(zhì)素、單寧、樹(shù)脂和蠟質(zhì)等物質(zhì)，且凋落的針葉密集覆蓋于土壤表面形成空氣不流通的環(huán)境，更有利于有機(jī)碳的積累，因此碳氮比值高。

土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)尚不能真實(shí)反映土壤碳庫(kù)水平，國(guó)際上常采用碳密度為指標(biāo)對(duì)森林碳庫(kù)貯量進(jìn)行比較［20－21］。長(zhǎng)白山8 種林型土壤碳密度變化范圍12.37～22.13 kg·m－2，氮密度變化范圍1.11～1.97 kg·m－2。由式(1)可知，土壤碳(氮)密度受到土壤密度和土層厚度的強(qiáng)烈影響，因此，本研究不同林型碳(氮)密度和碳(氮)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出并不完全一致的規(guī)律。8 種林型土壤碳密度最大是楊樹(shù)天然林，為22.13 kg·m－2，氮密度最大是落葉松人工林，為1.97 kg·m－2;最小的都是針闊混交人工林，碳密度為12.37 kg·m－2，氮密度為1.11 kg·m－2。土壤除了樹(shù)種、地形、土地利用類(lèi)型不同，林齡也是制約碳(氮)密度的重要因素之一［22－23］。

通常，同一樹(shù)種人工林地上碳、氮儲(chǔ)量要大于天然林，但是本研究展示了無(wú)論是針葉林、闊葉樹(shù)，還是混交林，同一樹(shù)種其天然林土壤有機(jī)碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和密度都要高于人工林，這可能是由于人工林在整地和栽種幼苗時(shí)土壤經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的人為干擾，從而加快了土壤養(yǎng)分的流失和土壤有機(jī)質(zhì)的分解。這與之前學(xué)者的研究結(jié)果是一致的［2，24－25］。因此，在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)尺度上，對(duì)同一樹(shù)種天然林和人工林的碳、氮儲(chǔ)量還需要進(jìn)一步來(lái)評(píng)估，并制定相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)策略。

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