生態(tài)公益林土壤有機碳含量分布特征與環(huán)境因子的研究

摘要基于生態(tài)公益林效益監(jiān)測體系的建立，采用野外調(diào)查、取樣和室內(nèi)實驗分析相結(jié)合的方法，研究浙西南慶元縣公益林土壤有機碳含量分布特征及其影響因子，結(jié)果表明：①研究區(qū)公益林土壤有機碳平均含量為44.28 g/kg，不同森林類型土壤有機碳含量差異顯著，土壤有機碳平均含量的變化趨勢從大到小為：闊葉林、針闊混交林 、松木林、杉木林、竹林，同一森林類型土壤有機碳含量變化很大。②不同林齡土壤有機碳含量呈極顯著性差異，與林齡呈極顯著相關(guān)，土壤有機碳含量隨林齡增大而增加。③環(huán)境因子與土壤有機碳含量表現(xiàn)的相關(guān)性不同，生物量、枯枝落葉層厚度、海拔及土壤內(nèi)在因子與土壤有機碳含量呈極顯著或顯著相關(guān)，各種環(huán)境因子交互作用，共同影響土壤有機碳含量。

關(guān)鍵詞生態(tài)公益林；森林類型；土壤有機碳；環(huán)境因子

中圖分類號S727.28文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）09-02659-03

作者簡介李英升（1962- ），男，江西萬安人，高級工程師，碩士，從事生態(tài)監(jiān)測、碳匯計量、林業(yè)規(guī)劃等方面的應(yīng)用研究。

森林是陸地生物系統(tǒng)的主體，森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球碳循環(huán)中扮演著源、匯、庫的作用，森林土壤碳儲量及空間分布已成為全球有機碳循環(huán)研究的熱點問題。森林不僅在維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境上起著重要作用，而且是大氣 CO2的重要調(diào)節(jié)者之一，在全球碳循環(huán)中起著重要作用[1]。土壤有機碳的轉(zhuǎn)化和積累，一方面直接影響著全球碳循環(huán)動態(tài)[2]，另一方面影響了土壤肥力和植物生長，從而間接影響了陸地生物碳庫[3-4]。不同森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳含量受植被類型、氣候條件等因素的影響具有較高的變異性[5]。近年，隨著碳循環(huán)成為全球研究的熱點問題，有關(guān)土壤有機碳含量及碳密度的研究較多，但應(yīng)用于區(qū)域森林生態(tài)效益監(jiān)測的土壤有機碳含量的研究報道相對較少。

該文以浙江省慶元縣生態(tài)公益林為研究對象，采用單因素方差分析、多重比較及相關(guān)分析等方法，研究了公益林5種主要森林類型的土壤有機碳含量分布特征，對土壤有機碳含量的主要影響因子進行了分析，探討其中相關(guān)規(guī)律，為生態(tài)公益林效益監(jiān)測及評價不同森林類型土壤的碳匯功能提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)域為浙江省西南邊陲——慶元縣，該縣是浙江省重點林業(yè)縣之一，地理位置位于 118°49′～119°49′E，27°25′～27°51′N。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤，冬暖夏涼，四季分明，光熱資源豐富。地貌以丘陵山區(qū)為主，最高峰海拔1 857 m，最低海拔240 m，相對高差達1 617 m。境內(nèi)山地起伏，山巒重疊，立體小氣候復(fù)雜多樣。主要土壤類型有紅壤、黃壤，低山丘陵還零星分布著一些巖成土。森林植被在全國植被分區(qū)中屬中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶——浙閩山丘甜儲、木荷林區(qū)，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。

2研究方法

2.1土壤樣品采集根據(jù)不同地形、不同海拔、不同森林群落類型及結(jié)構(gòu)特征確定公益林固定監(jiān)測小班，群落本底調(diào)查后，在每個固定小班內(nèi)均設(shè)置1個固定監(jiān)測樣地，樣地大小統(tǒng)一為20 m×20 m（水平方向20 m樣方用于林分喬木層資源調(diào)查），樣地對角線布設(shè)3個2 m×2 m樣方（用于下層木和草本資源調(diào)查）。同時，在每個樣地外緣挖掘1個土壤剖面，記載土壤厚度、腐殖質(zhì)厚度和枯枝落葉厚度，并在土壤A、B 2層各取500 g左右的土壤，作為該樣點的土壤混合樣品。各森林類型的基本特征見表1。

2.2樣品處理與分析樣品采集后，帶回實驗室，在室溫下風(fēng)干，除去礫石和根系后過2 mm鋼篩，磨細(xì)待測。分析方法如下：土壤有機碳用重鉻酸鉀-外加熱法測定；土壤全氮用半微量凱氏定氮法；土壤全磷用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法[6-7]。

2.3生物量計算方法生物量計算采用浙江省重點公益林不同樹種相容性生物量模型[8]。

2.4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2010軟件進行匯總分析，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析和多重比較，并進行相關(guān)分析和回歸分析等。

3結(jié)果與分析

3.1不同森林類型土壤有機碳分布特征森林生態(tài)系統(tǒng)中，不同森林類型下土壤有機碳含量的差異主要是由植被類型、樹齡、土壤容重和土層厚度等因素造成的，群落類型通過凋落物的輸入、土壤根系的分布、固氮能力來影響土壤性質(zhì)，不同的植物本身的特性對土壤碳密度和碳儲量的影響較大。從表2可以看出，竹林土壤有機碳平均含量最?。?1.55 g/kg），闊葉林的平均值最大（55.57 g/kg），不同林分下土壤有機碳平均含量的變化趨勢從大到小為：闊葉林、針闊混交林 、松木林、杉木林、竹林。竹林土壤有機碳含量最低，與土壤表層人為活動影響和凋落物進入表層的輸入較少有關(guān)。LSD分析結(jié)果得出，不同森林類型之間土壤有機碳含量有顯著影響（df=4，F(xiàn)=4.333，P=0.003）。由此可見，不同森林類型土壤的碳匯功能有明顯差異，對于生態(tài)公益林來講，長期的封禁管理，植被主要以自然恢復(fù)為主，若通過適度撫育、補植或間伐措施，構(gòu)建以闊葉混交林或針闊混交林為主森林群落對于提高公益林土壤的碳匯功能具有重要的作用。

3.2不同林齡階段土壤有機碳分布特征隨著林齡增大和郁閉度提高，林木間競爭劇烈，自然整枝強烈，林分凋落物逐漸增多，林內(nèi)土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地得到改善，經(jīng)過微生物分解成有機碳，有機碳含量隨林齡增大而增加。該研究結(jié)果表明，在幼齡林至成熟林階段呈現(xiàn)隨林齡增大而增加，不同林齡階段土壤有機碳平均含量分別為幼齡林36.65 g/kg、中齡林38.59 g/kg、近熟林50.81 g/kg、成熟林68.28 g/kg，其中成熟林土壤有機碳含量為幼齡林的1.9倍左右。不同林齡階段土壤有機碳含量呈極顯著性差異（df = 3，F(xiàn)=10.764，P=0000），與林齡呈極顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.433，P<0.01），這表明林齡是導(dǎo)致土壤有機碳含量差異的重要因素之一。在森林類型相同的情況下，土壤有機碳含量也是隨林齡增大而增加（圖1），與林齡呈顯著或極顯著相關(guān)，4種喬木林分各齡組相關(guān)系數(shù)分別為：松木林0.460（P=0.013），杉木林0633（P=0.000），闊葉林0.488（P=0.005），針闊混交林0.555（P=0.026）。在公益林生態(tài)效益監(jiān)測時，合理劃分不同林齡階段，對估算土壤的碳匯功能有重要影響。

3.3.1植被因子與土壤有機碳含量。相關(guān)分析研究結(jié)果表明，公益林土壤有機碳含量與生物量、枯枝落葉層厚度呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：0.251、0.551，與草本蓋度呈顯著性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.204，這可能是草本蓋度大與凋落物進入土層較少有關(guān)。土壤有機碳含量與其他植被因子沒有顯著性相關(guān)關(guān)系。森林群落生物量與土壤理化性質(zhì)是一種相互依存關(guān)系。一方面，土壤結(jié)構(gòu)好、營養(yǎng)豐富，則森林植物生物量高；另一方面，生物量高，則凋落物等返還量大，有機碳含量就越高。從圖2可以看出，土壤有機碳含量和生物量隨林齡增加而增大。凋落物也稱枯落物或有機碎屑，其作為養(yǎng)分的基本載體，在養(yǎng)分循環(huán)中是連接植物與土壤的“紐帶”。凋落物越厚，一方面保持水土的功能越強，越利于有機碳的存儲，從而可減少土壤中的養(yǎng)分流失；另一方面由于土壤有機碳含量基本上來源于凋落物的分解，所以凋落物蓄積量越大，分解后釋放的養(yǎng)分越多，相應(yīng)地，土壤有機碳含量就越高。

3.3.3土壤內(nèi)在因子與土壤有機碳含量。相關(guān)分析結(jié)果表明，公益林土壤有機碳含量與土壤厚度、腐殖質(zhì)厚度、全氮、全磷、有效磷均呈極顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.399、0.727、0.724、0.320、0.423。土壤厚度直接影響林地的生物量，隨著土層厚度的加深，林地生物量迅速增加，各種含碳化合物量（如木質(zhì)素、纖維素、單寧等）與養(yǎng)分元素含量（氮、磷、鉀等）凋落物進入土層也就越多。土壤腐殖質(zhì)對土壤肥力起著重大的作用，腐殖質(zhì)物質(zhì)以分子態(tài)進入到植物體后，可刺激根系的發(fā)育，促進植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，且有巨大的比表面積，有巨大的吸收代換能力[10]；另外腐殖質(zhì)的吸水率可達500%～600%[11]，具有良好的保持土壤水分的能力。該研究結(jié)果表明，腐殖質(zhì)厚度與凋落物、全氮、全磷、有效磷呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.395、0.447、0.208、0.278。因此，土壤內(nèi)在各因子通過交互作用，共同影響土壤有機碳含量。

4結(jié)論

（1）土壤有機碳含量是生態(tài)系統(tǒng)在特定條件下的動態(tài)平衡值，植被類型對土壤有機碳的影響主要通過枯落物的質(zhì)和量及根系作用，在不同的森林植被和人類擾動下，土壤有機碳積累的數(shù)量有很大差異。該研究結(jié)果表明：不同森林類型之間土壤有機碳含量有顯著影響，土壤有機碳平均含量的變化趨勢從大到小為：闊葉林、針闊混交林 、松木林、杉木林、竹林。

（2）研究結(jié)果表明：林齡是導(dǎo)致土壤有機碳含量差異的重要因素之一，在幼齡林至成熟林階段呈現(xiàn)隨林齡增大而增加，不同林齡階段土壤有機碳含量呈極顯著性差異，與林齡呈極顯著相關(guān)。因此，在進行生態(tài)公益林效益監(jiān)測時，林齡的合理劃分對效益的估算有重要的影響。

（3）在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳含量主要受氣候、植被、土壤性質(zhì)及人類活動的綜合影響，且各個環(huán)境因子間存在互作效應(yīng)。研究結(jié)果表明：植被因子中生物量、枯枝落葉層厚度與土壤有機含量存在良好的正相關(guān)，與草本蓋度呈顯著性負(fù)相關(guān)，與植被的喬、灌密度和蓋度在不同植被上關(guān)系較為復(fù)雜，相關(guān)不顯著；地形因子中，海拔與土壤有機碳含量呈顯著正相關(guān)，與坡度、坡向、坡位關(guān)系不顯著；土壤內(nèi)在因子中，與土層厚度、腐殖質(zhì)厚度、全氮、全磷、有效磷呈顯著或極顯著正相關(guān)。

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